Hiljaisen kevään aikana Rachel Carson harkitsee länsimaista harjasta. "Sillä luonnonmaisema on täällä kaunopuheinen luoneiden voimien vuorovaikutuksesta", hän kirjoittaa. ”Se on levinnyt meille kuten avoimen kirjan sivut, joista voimme lukea, miksi maa on sellainen, mikä se on ja miksi meidän pitäisi säilyttää sen eheys. Mutta sivut ovat lukemattomia. ”Hän pahoittelee uhanalaisen maiseman katoamista, mutta hän voi yhtä hyvin puhua paleoklimaattisista merkeistä.
Jos haluat tietää minne olet menossa, sinun on tiedettävä missä olet ollut. Tämä pätee erityisesti ilmastotieteilijöihin, joiden on ymmärrettävä koko planeetan muutosalue, jotta voimme kartoittaa tulevaisuuden kehitystä. Mutta ilman aikakonetta, kuinka he saavat tällaisia tietoja?
Kuten Carson, heidän on luettava maan sivut. Onneksi Maa on pitänyt päiväkirjoja. Kaikki, joka laskee vuosikerrokset, - valtameren korallit, luolastalagmitit, pitkäikäiset puut, pienet kuoritut merieläimet - kirjaa uskollisesti menneisyyden olosuhteista. Mennäksesi pidemmälle, tutkijat ruoppaavat sedimentin ytimiä ja jään ytimiä valtameren pohjasta ja jäisistä napoista, jotka kirjoittavat omat muistelmansa tuhka- ja pölypurskeina ja pitkään loukkuun jääneiden kaasukuplien kanssa.
Tietyssä mielessä meillä on siis aikakoneita: Jokainen näistä välityspalvelimista kertoo hiukan erilaisen tarinan, jonka tutkijat voivat kutoa yhteen muodostaakseen täydellisemmän käsityksen Maan menneisyydestä.
Maaliskuussa Smithsonian instituutin kansallinen luonnontieteellinen museo järjesti kolmen päivän maapallon lämpötilahistorian symposiumin, joka toi yhteen opettajat, toimittajat, tutkijat ja yleisön parantamaan heidän ymmärrystään paleoklimaatista. Iltaluennon aikana NASA: n Goddard-avaruustutkimusinstituutin johtaja ja NASA: n Goddard-instituutin johtaja Gavin Schmidt ja Pennsylvanian osavaltion yliopiston maailmankuulu geologi Richard Alley selittivät, kuinka tutkijat käyttävät Maan aiempia ilmastoja ilmastomallien parantamiseksi, joita me ennustamme tulevaisuutemme.
Tässä on opas maan ilmastopasteihin - ei vain sen mitä tiedämme, vaan myös kuinka tiedämme sen.
Kuinka katsomme maan aiempaan ilmastoon?
Maan aiempien inkarnaatioiden rekonstruointi vie vähän luovuutta. Onneksi tutkijat tietävät tärkeimmät luonnolliset tekijät, jotka vaikuttavat ilmastoon. Niihin kuuluvat tulivuorenpurkaukset, joiden tuhka estää aurinkoa, muutokset maapallon kiertoradalla, jotka siirtävät auringonvaloa eri leveysasteille, valtamerten ja merijään kierto, maanosien asettelu, otsoniaukon koko, kosmisten säteiden räjähdykset ja metsien hävittäminen. Näistä tärkeimmät ovat kasvihuonekaasut, jotka vangitsevat auringon lämmön, erityisesti hiilidioksidi ja metaani.
Kuten Carson huomautti, Maa tallentaa nämä muutokset maisemissaan: geologisissa kerroksissa, fossiilisissa puissa, fossiilikuorissa, jopa kiteytyneessä rotanpissassa - käytännössä mitä todella vanhaa säilyy. Tutkijat voivat avata nämä päiväkirja-sivut ja kysyä heiltä, mitä tuolloin tapahtui. Puunrenkaat ovat erityisen ahkeraa rekisterinpitäjiä, jotka kirjaavat sademäärät vuosirenkaisiinsa; jäänydin voi pitää hienosti yksityiskohtaista kirjanpitoa kauden olosuhteista, jotka ovat menneet lähes miljoona vuotta taaksepäin.
Jääsydämet paljastavat vuosittaiset lumisateet, tulivuoren tuhkaa ja jopa kauan kuolleiden sivilisaatioiden jäännöksiä. (NASAn Goddard / Ludovic Brucker) Mitä muuta jääydin voi kertoa meille?
"Vau, siellä on niin paljon", sanoo Alley, joka vietti viisi peltoaikaa kaatamalla jäätä Grönlannin jäälevyltä. Mieti, mikä jään ydin todella on: poikkileikkaus lumisateen kerroksista, jotka menevät takaisin vuosituhansien ajan.
Kun lumi peittää maan, se sisältää pieniä ilmatiloja, jotka on täytetty ilmakehän kaasuilla. Napojen kohdalla vanhemmat kerrokset haudataan ja puristetaan jääksi, jolloin nämä tilat muuttuvat aikaisemman ilmakuplaksi, kuten tutkijat Caitlin Keating-Bitonti ja Lucy Chang kirjoittavat Smithsonian.com -sivustolla . Tutkijat käyttävät itse jään kemiallista koostumusta (H2O: n raskas- ja kevyiden hapen isotooppien suhdetta) lämpötilan arviointiin. Grönlannissa ja Antarcticassa, kuten tutkijat, kuten Alley, uutetaan käsittämättömästi pitkiä jääsydämiä - yli kaksi mailia pitkiä!
Jääydin kertoo meille kuinka paljon lunta satoi tietyn vuoden aikana. Mutta ne paljastavat myös kaukaisten tulivuoren räjähdysten aiheuttaman pölyn, merisuolan, tuhkan, jopa Rooman putkiston jättämän pilaantumisen. "Jos se on ilmassa, se on jäässä", Alley sanoo. Parhaimmissa tapauksissa voimme päivämäärätä jääydin niiden tarkkaan vuodenaikaan ja vuoteen laskemalla niiden vuotuiset kerrokset kuten puirenkaat. Ja jääydinnet säilyttävät nämä hienot yksityiskohdat, jotka ovat menossa satoihin tuhansiin vuosiin, mikä tekee niistä mitä Alley kutsuu paleoklimaattisten valtakirjojen "kulta-standardiksi".
Odota, mutta eikö maapallon historia ole paljon pidempi?
Kyllä se on oikein. Paleoklimaattisen tutkijan on mentävä miljooniin vuosiin taaksepäin - ja sitä varten tarvitsemme jopa jääsydämiä vanhempia asioita. Onneksi elämällä on pitkä ennätys. Monimutkaisen elämän fossiilinen ennätys saavuttaa noin 600 miljoonaa vuotta. Tämä tarkoittaa, että meillä on tarkat valtakirjat ilmastomuutoksille, jotka menevät suunnilleen niin pitkälle. Yksi tärkeimmistä on 520 miljoonan vuoden ikäisten luontojen - sukupuuttoon kuolleiden, ankeriaan kaltaisten olentojen - hampaat.
Mutta jotkut yleisimmistä ilmastomenetelmistä tällä ajanjaksolla ovat vielä pienempiä. Foraminifera (tunnetaan nimellä ”forams”) ja piimat ovat yksisoluisia olentoja, joilla on taipumus elää merenpohjassa, eivätkä ne yleensä ole suurempia kuin tämän virkkeen lopussa oleva ajanjakso. Koska ne ovat hajallaan ympäri maapalloa ja ovat olleet olemassa juuralaisesta lähtien, he ovat jättäneet vankan fossiilitiedot tutkijoille aikaisempien lämpötilojen mittaamiseksi. Käyttämällä hapen isotooppeja niiden kuorissa, voimme rekonstruoida yli 100 miljoonan vuoden takaisen valtameren lämpötilan.
"Jokaisessa ulommassa niemenkärjessä, jokaisella kaarevalla rannalla ja jokaisessa hiekanjyvässä on tarina maasta", Carson kirjoitti kerran. Noin tarinoita piilee myös vesissä, jotka ovat luoneet kyseiset rannat, ja olentoissa, jotka ovat pienempiä kuin hiekkajyvä.
Huokoseläinten jäännöksiä. (Ernst Haeckel) Kuinka paljon varmuutta meillä on syvälle menneisyydelle?
Paleoklimaattisiin tutkijoille elämä on ratkaisevan tärkeää: jos sinulla on maapallon elämän indikaattoreita, voit tulkita lämpötilaa organismien jakauman perusteella.
Mutta kun olemme palanneet niin pitkälle, ettei enää mitään etualan hampaita ole, menetimme pääindikaattorimme. Aikaisemmin meidän on luotettava sedimenttien jakautumiseen ja aikaisempien jäätiköiden markkereihin, joita voimme ekstrapoloida osoittamaan karkeasti ilmastomallit. Joten mitä pidemmälle menemme, sitä vähemmän välityspalvelimia meillä on, ja sitä vähemmän rakeiseksi ymmärryksemme tulee. "Se muuttuu vain sumuisemmaksi ja sumuisemmaksi", sanoo Brian Huber, Smithsonian paleobiologi, joka auttoi symposiumin järjestämisessä yhdessä muiden paleobiologitutkijoiden ja kuraattorin Scott Wingin kanssa.
Kuinka paleoklimaatti osoittaa meille kasvihuonekaasujen merkityksen?
Kasvihuonekaasut, kuten nimensä viittaavat, toimivat vangitsemalla lämpöä. Pohjimmiltaan ne lopulta muodostavat eristävän huovan maapallolle. (Voit perehtyä perusteellisempaan kemiaan täällä.) Jos tarkastelet aikaisempien jääkausien kuvaajaa, voit nähdä, että CO2-tasot ja jääkaudet (tai globaalilämpötila) ovat yhdenmukaiset. Enemmän CO2 vastaa yhtälämpimpiä lämpötiloja ja vähemmän jäätä, ja päinvastoin. "Ja me tiedämme syy-suunnan täällä", Alley toteaa. ”Se on pääasiassa hiilidioksidista (vähemmän) jäähän. Ei toisinpäin."
Voimme myös katsoa taaksepäin tiettyihin valokuviin ajoissa nähdäksemme, kuinka Maa reagoi aikaisempiin CO2-piikkeihin. Esimerkiksi maapallon Cenozoic-aikakauden äärimmäisen lämpenemisen aikana noin 55, 9 miljoonaa vuotta sitten vapautui riittävästi hiiltä noin kaksinkertaiseksi hiilidioksidimäärään ilmakehässä. Seurauksena olevat kuumat olosuhteet aiheuttivat tuhoa aiheuttaen massiivisia muuttoliikkeitä ja sukupuuttoon sukupuuttoon; melko paljon kaikki asunut joko muutti tai sukupuuttoon. Kasvit kuivuneet. Valtameret tehtiin happamaksi ja kuumennettiin kylpyammeiden lämpötilaan.
Valitettavasti tämä voi olla merkkinä siitä, mihin olemme menossa. "Tämä on pelottavaa ilmastonmuodostajalle", sanoo Huber. ”Suoritamme vauhtia, joka menee takaisin näihin äärimmäisen lämminvaiheisiin.” Siksi hiilidioksidin roolin ymmärtäminen aiemmissa ilmastomuutoksissa auttaa meitä ennustamaan tulevia ilmastomuutoksia.
Se kuulostaa aika huonosti.
Jep.
Olen todella vaikuttunut siitä, kuinka paljon paleoklimaattista tietoa meillä on. Mutta miten ilmastomalli toimii?
Upea kysymys! Tieteessä et voi tehdä mallia, ellet ymmärrä järjestelmän taustalla olevia perusperiaatteita. Joten pelkästään se, että pystymme tekemään hyviä malleja, tarkoittaa, että ymmärrämme kuinka tämä kaikki toimii. Malli on pohjimmiltaan yksinkertaistettu versio todellisuudesta, joka perustuu siihen, mitä tiedämme fysiikan ja kemian laeista. Insinöörit käyttävät matemaattisia malleja rakentaakseen rakenteita, joihin miljoonat ihmiset luottavat, lentokoneista siltoihin.
Mallimme perustuvat tietokehykseen, josta suuri osa tulee paleoklimaattisista valtakirjoista, jotka tutkijat ovat keränneet maailman joka kolkasta. Siksi on niin tärkeää, että data ja mallit ovat keskusteluissa keskenään. Tutkijat testaavat ennusteensa kaukaisen menneisyyden tiedoista ja yrittävät korjata mahdolliset ristiriidat. "Voimme palata ajassa taaksepäin ja arvioida ja validoida näiden mallien tuloksia voidaksemme paremmin ennustaa tulevaisuuden tapahtumia", Schmidt sanoo.
Tässä on malli:
Se on nätti. Kuulen kuitenkin, että mallit eivät ole kovin tarkkoja.
Mallit ovat luonteeltaan aina vääriä. Ajattele niitä arvioina, paras arvauksemme.
Mutta kysy itseltäsi: antavatko nämä arvaukset meille enemmän tietoa kuin meillä oli aiemmin? Antavatko ne hyödyllisiä ennusteita, joita meillä ei muuten olisi? Antavatko ne meille mahdollisuuden kysyä uusia parempia kysymyksiä? "Kun laitamme kaikki nämä bitit yhteen, päädymme asiaan, joka näyttää suurelta osin planeetalta", Schmidt sanoo. ”Tiedämme, että se on epätäydellinen. Tiedämme, että on asioita, joita emme ole sisällyttäneet niihin, tiedämme, että olemme asettaneet asioita, jotka ovat vähän vääriä. Mutta perusmalli, jonka näemme näissä malleissa, on tunnistettavissa… kuvioiksi, joita näemme satelliiteissa koko ajan. ”
Joten meidän pitäisi luottaa heihin ennustamaan tulevaisuutta?
Mallit toistavat uskollisesti kuviot, joita näemme maan aiemmassa, nykyisessä - ja joissain tapauksissa myös tulevaisuudessa. Olemme nyt pisteessä, jossa voimme verrata varhaisia ilmastomalleja - 1980-luvun lopun ja 1990-luvun malleja, joissa Schmidtin NASA-tiimi työskenteli - todellisuuteen. "Kun olin opiskelija, varhaiset mallit kertoivat meille, kuinka se lämmin", Alley sanoo. Se tapahtuu. Mallit ovat onnistuneesti ennakoivia ja selittäviä: ne toimivat. ”Riippuen siitä missä seisot, se saattaa antaa sinun sanoa“ Voi hyvä! Olimme oikeassa! ”Tai“ Voi ei! Meillä oli oikeus. ”
Mallien tarkkuuden tarkistamiseksi tutkijat palaavat takaisin paleoklimaattisiin tietoihin, jotka Alley ja muut ovat keränneet. He ajavat malleja kaukaiseen menneisyyteen ja vertaa niitä todellisiin tietoihin.
"Jos pystymme toistamaan muinaisia menneitä ilmastoja missä tiedämme, mitä tapahtui, se kertoo meille, että nuo mallit ovat todella hyvä työkalu meille tietää, mitä tapahtuu tulevaisuudessa", sanoo Syrakusan yliopiston paleoklimaattinen tutkija Linda Ivany. Ivanyn tutkimuslähetykset ovat muinaisia simpukoita, joiden kuoret eivät kirjaa pelkästään vuotuisia olosuhteita, vaan yksittäisten talvien ja kesien menossa 300 miljoonaa vuotta sitten - mikä tekee niistä arvokkaan tavan tarkistaa malleja. "Mitä paremmin mallit saavat menneisyyden toipumisen", hän sanoo, "sitä paremmin he tulevat ennustamaan tulevaisuutta."
Paleoklimaatti osoittaa meille, että Maan ilmasto on muuttunut dramaattisesti. Eikö tämä tarkoita, että suhteellisessa mielessä nykypäivän muutokset eivät ole iso asia?
Kun Richard Alley yrittää selittää ihmisen aiheuttaman ilmastomuutoksen vakavuutta, hän vetoaa usein tiettyyn vuotuiseen ilmiöön: Los Angelesin kukkuloilla syttyviin metsäpaloihin joka vuosi. Nämä palot ovat ennustettavissa, sykliset, luonnolliset. Mutta olisi hullua sanoa, että koska tulipalot ovat normi, on hienoa antaa myös tuhopolttajien asettaa tulipaloja. Samoin se, että ilmasto on muuttunut miljoonien vuosien ajan, ei tarkoita, että ihmisen aiheuttamat kasvihuonekaasut eivät ole vakava maailmanlaajuinen uhka.
"Sivilisaatiomme lähtökohtana on vakaa ilmasto ja merenpinta", sanoo Wing, "ja kaiken, mitä tiedämme menneisyydestämme, sanotaan, että kun laitat ilmakehään paljon hiiltä, ilmasto ja merenpinta muuttuvat radikaalisti."
Teollisen vallankumouksen jälkeen ihmisen toiminta on auttanut lämmittämään maapalloa 2 astetta F, joka on neljäsosa siitä, mitä Schmidt pitää ”jääkauden yksikköä” - lämpötilan muutosta, jonka maapallo käy läpi jääkauden ja muun kuin jääkauden välillä. Nykypäivän mallit ennustavat vielä 2–6 astetta lämpenemistä vuoteen 2100 mennessä - vähintään 20 kertaa nopeammin kuin viimeiset lämpenemisvaiheet viimeisen 2 miljoonan vuoden aikana.
Tietysti on epävarmuustekijöitä: "Meillä voisi olla keskustelu siitä, olemmeko vähän liian optimistisia vai ei", Alley sanoo. "Mutta ei paljon keskustelua siitä, olemmeko liian pelottavia vai ei." Ottaen huomioon, kuinka oikein olimme aikaisemmin, meidän pitäisi sivuuttaa historia omalla vaarallisuudellamme.
