V Tihi pomlad Rachel Carson meni, da je zahodna žajbelj. "Tukaj je naravna krajina zgovorna zaradi prepleta sil, ki so jo ustvarile, " piše. »Pred nami se širi kot strani odprte knjige, v kateri lahko beremo, zakaj je zemlja takšna, kot je, in zakaj bi morali ohraniti njeno celovitost. Toda strani so neprebrane. "Žalita o izginotju ogrožene pokrajine, vendar morda ravno tako govori o označevalcih paleoklime.
Če želite vedeti, kam greste, morate vedeti, kje ste bili. To še posebej velja za podnebne znanstvenike, ki morajo razumeti celoten obseg sprememb planeta, da lahko presodijo potek naše prihodnosti. Toda brez časovnega stroja, kako dobijo tovrstne podatke?
Tako kot Carson morajo tudi oni prebrati strani Zemlje. Na srečo je Zemlja vodila dnevnike. Vse, kar odlaga letne plasti - oceanske korale, jamski stalagmiti, dolgoživa drevesa, drobna okrašena morska bitja - zvesto beleži razmere preteklosti. Da bi šli še dlje, so znanstveniki izkopali jedra usedlin in ledena jedra z dna oceana in ledene drogove, ki pišejo svoje spomine v praske pepela in prahu ter mehurčke z dolgo ujetim plinom.
V nekem smislu imamo časovne stroje: Vsak od teh pooblaščencev pripoveduje nekoliko drugačno zgodbo, ki jo lahko znanstveniki združujejo, da bi oblikovali popolnejše razumevanje preteklosti Zemlje.
V marcu je Nacionalni muzej naravoslovne ustanove Smithsonian Institucija organiziral tridnevni simpozij o zgodovini temperature Zemlje, na katerem so združili učitelje, novinarje, raziskovalce in javnost, da bi izboljšali svoje razumevanje paleoklime. Med večernim predavanjem sta Gavin Schmidt, klimatski modelar in direktor Nasinega inštituta za vesoljske študije Goddard, in Richard Alley, svetovno znani geolog z univerze Pennsylvania State, razložil, kako znanstveniki uporabljajo preteklo podnebje Zemlje za izboljšanje klimatskih modelov, ki jih uporabljamo za napovedovanje naša prihodnost
Tukaj je vaš vodnik o podnebnih preteklosti Zemlje - ne le tistega, kar vemo, ampak tudi kako to vemo.
Kako gledamo v preteklost Zemlje?
Potrebno je malo ustvarjalnosti za rekonstrukcijo preteklih inkarnacij Zemlje. Na srečo znanstveniki poznajo glavne naravne dejavnike, ki oblikujejo podnebje. Vključujejo vulkanske izbruhe, katerih pepel blokira sonce, spremembe v Zemljini orbiti, ki sončno svetlobo preusmerijo na različne zemljepisne širine, kroženje oceanov in morskega ledu, postavitev celin, velikost ozonske luknje, eksplozije kozmičnih žarkov in krčenje gozdov. Med njimi so najpomembnejši toplogredni plini, ki lovijo sončno toploto, zlasti ogljikov dioksid in metan.
Kot je Carson opozoril, Zemlja beleži te spremembe v svojih pokrajinah: v geoloških plasteh, fosilnih drevesih, fosilnih lupinah, celo kristaliziranih podganjih lupinah - v bistvu vse, kar se resnično ohrani. Znanstveniki lahko odprejo te strani dnevnika in jih vprašajo, kaj se je dogajalo v tistem času. Drevesni obroči so še posebej pridni rekorderji, ki beležijo padavine v svojih letnih obročih; ledena jedra lahko vodijo izredno podrobne podatke o sezonskih razmerah, ki segajo skoraj milijon let.
Ledena jedra razkrivajo letne plasti snežnih padavin, vulkanski pepel in celo ostanke že davno umrlih civilizacij. (NASA-in Goddard / Ludovic Brucker) Kaj nam še lahko pove ledeno jedro?
"Vau, toliko je toliko, " pravi Alley, ki je pet poljskih sezon preživel v lovu na led z grenlandske ledene ploskve. Razmislite, kaj je pravzaprav ledena sredica: presek plasti snežnih padavin, ki segajo tisočletja nazaj.
Ko sneg odeja tla, vsebuje majhne zračne prostore, napolnjene z atmosferskimi plini. Na drogovih se starejši sloji pokopljejo in stisnejo v led, ki te prostore spremenijo v mehurčke preteklega zraka, kot pišeta raziskovalca Caitlin Keating-Bitonti in Lucy Chang v Smithsonian.com. Znanstveniki uporabljajo kemično sestavo ledu (razmerje težkih in lahkih izotopov kisika v H2O) za oceno temperature. Na Grenlandiji in Antarktiki znanstveniki, kot je Alley, pridobivajo nepredstavljivo dolga ledena jedra - dolga nekaj več kot dve milji!
Ledena jedra nam povedo, koliko snega je padlo v posameznem letu. Razkrivajo pa tudi prah, morsko sol, pepel pred oddaljenimi vulkanskimi eksplozijami, celo onesnaženje, ki ga pusti rimski vodovod. "Če je v zraku, je v ledu, " pravi Alley. V najboljših primerih lahko damo ledena jedra glede na njihov natančen letni čas in leto, pri čemer štejemo letne plasti kot drevesni obroči. In ledena jedra ohranijo te izvrstne podrobnosti, ki segajo več sto tisoč let nazaj, zaradi česar Alley imenuje "zlati standard" proxy za paleoklimo.
Počakajte, a ali zgodovina Zemlje ni daljša od tega?
Da, tako je. Znanstveniki paleoklime se morajo vrniti milijone let - in za to potrebujemo stvari, starejše od ledenih jeder. Na srečo ima življenje dolgo izkušnjo. Fosilni zapis zapletenega življenja sega nekje okoli 600 milijonov let. To pomeni, da imamo približno enake možnosti za spremembe podnebja, ki segajo približno tako daleč. Eden najpomembnejših so zobje koodontov - izumrla jegulja, ki so bila stara 520 milijonov let.
Toda nekateri najpogostejši podnebni posredniki v tem časovnem merilu so še bolj minljivi. Foraminifera (znana kot forami) in diatomi so enocelična bitja, ki ponavadi živijo na morskem dnu v oceanu in pogosto niso večja od obdobja na koncu tega stavka. Ker so raztreseni po vsej Zemlji in so že od jure, so znanstvenikom pustili trden zapis o fosilih, da lahko preverijo pretekle temperature. Z uporabo izotopov kisika v njihovih lupinah lahko rekonstruiramo temperature oceanov, ki so segale pred več kot 100 milijoni let.
"V vsaki izbruhi, v vsaki ukrivljeni plaži, v vsakem zrnu peska je zgodba o zemlji, " je nekoč zapisal Carson. Zgodi se, da se te zgodbe skrivajo tudi v vodah, ki so ustvarile te plaže, in v bitjih, manjših od zrna peska.
Foraminifera. (Ernst Haeckel) Koliko gotovosti imamo za globoko preteklost?
Za znanstvenike iz paleoklime je življenje ključnega pomena: če imate kazalnike življenja na Zemlji, lahko razlagate temperaturo na podlagi porazdelitve organizmov.
Ko pa smo se vrnili tako daleč, da ni več niti nobenega kondodontskega zoba, smo izgubili svoj glavni indikator. V preteklosti se moramo zanašati na porazdelitev sedimentov in označevalce preteklih ledenikov, ki jih lahko izločimo, da na grobo nakazujejo podnebne vzorce. Dlje ko gremo, manj pooblaščencev imamo in manj natančno postaja naše razumevanje. "Postaja samo meglen in bolj meglen, " pravi Brian Huber, Smithsonijev paleobiolog, ki je pomagal organizirati simpozij, skupaj s kolegom raziskovalcem paleobiologom in kustosom Scottom Wingom.
Kako nam paleoklime kaže pomen toplogrednih plinov?
Toplogredni plini, kot pove že njihovo ime, delujejo tako, da lovijo toploto. V bistvu na koncu tvorijo izolacijsko odejo za Zemljo. (Tu se lahko podrobneje seznanite z osnovno kemijo.) Če pogledate graf pretekle ledene dobe, lahko vidite, da se ravni CO2 in ledena doba (ali globalna temperatura) poravnata. Več CO2 je toplejših temperatur in manj ledu in obratno. "In tu poznamo smer vzročnosti, " ugotavlja Alley. "Gre predvsem za CO2 do (manj) ledu. Ne obratno. "
Prav tako lahko pravočasno pogledamo posebne posnetke, da vidimo, kako se Zemlja odziva na pretekle trke CO2. Na primer, v obdobju ekstremnega segrevanja med zemeljsko kenozojsko dobo pred približno 55, 9 milijoni let se je sprostilo dovolj ogljika, da se približno dvakrat poveča količina CO2 v atmosferi. Posledično vroče razmere so povzročile pustoš, kar je povzročilo množične migracije in izumrtje; skoraj vse, kar se je živelo ali se je preselilo ali izumrlo. Rastline vene. Oceani so se kisli in segrevali do temperature kopeli.
Na žalost je to lahko napovednik kam gremo. "To je tisto, kar je za klimatske oblikovalce strašljivo, " pravi Huber. "S hitrostjo, ki jo pripeljemo, se nekako vračamo nazaj na ta obdobja izjemne topline." Zato nam razumevanje vloge ogljikovega dioksida v preteklih podnebnih spremembah pomaga pri napovedovanju prihodnjih podnebnih sprememb.
To se sliši precej slabo.
Ja.
Res sem navdušen nad tem, koliko podatkov o paleoklimi imamo. Toda kako deluje klimatski model?
Super vprašanje! V znanosti ne morete narediti modela, če ne razumete osnovnih načel, na katerih temelji sistem. Torej samo dejstvo, da smo sposobni narediti dobre modele, pomeni, da razumemo, kako to vse deluje. Model je v bistvu poenostavljena različica resničnosti, ki temelji na tem, kar vemo o zakonih fizike in kemije. Inženirji uporabljajo matematične modele za gradnjo struktur, na katere se milijoni ljudi zanašajo, od letal do mostov.
Naši modeli temeljijo na okviru podatkov, od katerih večina prihaja iz pooblaščencev, ki so jih zbrali iz paleoklimatskega okolja iz vseh koncev sveta. Zato je tako pomembno, da se podatki in modeli med seboj pogovarjajo. Znanstveniki preizkušajo svoje napovedi na podatke iz daljne preteklosti in poskušajo odpraviti morebitna neskladja. "Lahko se vrnemo v čas in ocenimo in potrdimo rezultate teh modelov, da lahko bolje napovedujemo, kaj se bo zgodilo v prihodnosti, " pravi Schmidt.
Tukaj je model:
Lepo je. Slišim, da modeli niso zelo natančni.
Modeli so po svoji naravi vedno napačni. Mislite na njih kot na približek, naše najboljše ugibanje.
Toda vprašajte se: ali nam ta ugibanja dajo več informacij, kot smo jih imeli doslej? Ali ponujajo koristne napovedi, ki jih sicer ne bi imeli? Ali nam dovolijo postavljati nova, boljša vprašanja? "Ko vse te bite sestavimo skupaj, na koncu dobimo nekaj, kar je zelo podobno planetu, " pravi Schmidt. "Vemo, da je nepopolna. Vemo, da obstajajo stvari, ki jih nismo vključili, vemo, da smo vložili stvari, ki so malo narobe. Toda osnovni vzorci, ki jih vidimo pri teh modelih, so prepoznavni ... kot vzorci, ki jih ves čas vidimo v satelitih. "
Torej bi jim morali zaupati, da napovedujejo prihodnost?
Modeli resnično reproducirajo vzorce, ki jih vidimo v preteklosti, sedanjosti in v nekaterih primerih prihodnosti Zemlje. Zdaj smo na mestu, kjer lahko primerjamo zgodnje podnebne modele - tiste iz poznih osemdesetih in devetdesetih let prejšnjega stoletja, na katerih je delala Schmidtova ekipa pri Nasi - z realnostjo. "Ko sem bil študent, so nam zgodnji modeli govorili, kako bi se ogrelo, " pravi Alley. "To se dogaja. Modeli so uspešno napovedovalni in tudi razlagalni: delujejo. "Glede na to, kje stojiš, boš morda rekel:" O, lepo! Imeli smo prav! "Ali" O ne! Imeli smo prav. "
Da bi preverili natančnost modelov, se raziskovalci vrnejo nazaj k podatkom o paleoklimi, ki so jih zbrali Alley in drugi. Vodijo modele v daljno preteklost in jih primerjajo s podatki, ki jih dejansko imajo.
"Če lahko reproduciramo starodavno podnebje, kjer vemo, kaj se je zgodilo, to pove, da so ti modeli res dobro orodje, da lahko vemo, kaj se bo zgodilo v prihodnosti, " pravi Linda Ivany, znanstvenica iz paleoklime na univerzi Syracuse. Ivanyjevi raziskovalni posredniki so starodavne školjke, katerih školjke beležijo ne le letne razmere, temveč posamezne zime in poletja, ki segajo že 300 milijonov let - zaradi česar so dragocen način za preverjanje modelov. "Boljši kot bodo modeli pri obnavljanju preteklosti, " pravi, "boljši bodo pri napovedovanju prihodnosti."
Paleoklima nam kaže, da se je podnebje Zemlje močno spremenilo. Ali to ne pomeni, da v relativnem smislu današnje spremembe niso kaj dosti?
Ko Richard Alley poskuša razložiti težo podnebnih sprememb, ki jih je povzročil človek, se pogosto sklicuje na poseben letni pojav: prostoživeče požare, ki vsako leto planijo v hribih Los Angelesa. Ti požari so predvidljivi, ciklični, naravni. Ampak noro bi bilo reči, da je požar, saj so požari pravilo, v redu tudi pustiti požiralce. Podobno dejstvo, da se podnebje spreminja v milijonih let, še ne pomeni, da umetni toplogredni plini ne predstavljajo resne svetovne grožnje.
"Naša civilizacija temelji na stabilnem podnebju in morju, " pravi Wing, "in vse, kar vemo iz preteklosti, pravi, da se podnebje in gladina morja korenito spremenita, ko v ozračje vnesete veliko ogljika.
Od industrijske revolucije so človeške dejavnosti pomagale ogreti svet za 2 stopinji F, kar je četrtina tistega, kar Schmidt meni, da je "enota ledene dobe" - sprememba temperature, ki jo Zemlja preide med ledeno dobo in neledno dobo. Današnji modeli napovedujejo, da se bo do leta 2100 segrelo še 2 do 6 stopinj Celzija - vsaj 20-krat hitreje kot preteklo segrevanje v zadnjih 2 milijonih let.
Seveda obstajajo negotovosti: "Lahko bi razpravljali o tem, ali smo preveč optimistični ali ne, " pravi Alley. "A ni veliko razprav o tem, ali smo preveč strašljivi ali ne." Glede na to, kako prav smo imeli prej, bi morali zgodovino ignorirati na lastno odgovornost.
