Кіріспе
Өткен климат жағдайларын қалпына келтіруге мүмкіндік беретін сақталған физикалық ерекшеліктер. Өткен климатты зерттеуде ("палеоклиматология") климат проксилері – тікелей метеорологиялық өлшемдердің орнына қолданылатын және ғалымдарға Жер тарихының ұзақ кезеңіндегі климат жағдайларын қалпына келтіруге мүмкіндік беретін өткеннің сақталған физикалық ерекшеліктері. Климаттың сенімді жаһандық тізілімдері 1880 жылдары ғана басталып, проксилер ғалымдарға жазбалар жүргізілмей тұрған кезеңдегі климат үлгілерін анықтаудың жалғыз құралын ұсынады. Әртүрлі геологиялық жағдайлардан көптеген климат проксилері зерттелді. Проксилердің мысалдары: мұз түйіршіктерінен тұрақты изотоптарды өлшеу, ағаш сақиналарындағы өсу қарқыны, көл шөгінділеріндегі аралас тозаң түрлерінің құрамы немесе мұхит шөгінділеріндегі фораминиферлер, тереңдіктердің температуралық профильдері, сондай-ақ тұрақты изотоптар мен маржандар мен карбонат шұңқырларының минералогиясы. Әр жағдайда, прокси көрсеткішіне олардың қалыптасқан немесе өскен уақытында белгілі бір маусымдық климат параметрі (мысалы, жазғы температура немесе муссон қарқындылығы) әсер еткен. Климат проксилерін түсіндіру үшін қосымша зерттеулер қажет, оның ішінде проксинің климатқа сезімталдығын калибрлеу және прокси көрсеткіштерінің өзара тексеруі. Проксилерді біріктіру арқылы құралдық температуралық тізілімнен ұзақ температураны қайта құруға болады және жаһандық жылыну мен климат тарихы туралы пікірталасқа үлес қосуға болады. Прокси тізілімдерінің географиялық таралуы, құралдық тізілім сияқты, біркелкі емес, солтүстік жарты шарда көбірек тізілімдер бар.
In the study of past climates ("paleoclimatology"), climate proxies are preserved physical characteristics of the past that stand in for direct meteorological measurements and enable scientists to reconstruct the climatic conditions over a longer fraction of the Earth's history. Reliable global records of climate only began in the 1880s, and proxies provide the only means for scientists to determine climatic patterns before record keeping began. A large number of climate proxies have been studied from a variety of geologic contexts. Examples of proxies include stable isotope measurements from ice cores, growth rates in tree rings, species composition of sub fossil pollen in lake sediment or foraminifera in ocean sediments, temperature profiles of boreholes, and stable isotopes and mineralogy of corals and carbonate speleothems. In each case, the proxy indicator has been influenced by a particular seasonal climate parameter (e. g., summer temperature or monsoon intensity) at the time in which they were laid down or grew. Interpretation of climate proxies requires a range of ancillary studies, including calibration of the sensitivity of the proxy to climate and cross verification among proxy indicators. Proxies can be combined to produce temperature reconstructions longer than the instrumental temperature record and can inform discussions of global warming and climate history. The geographic distribution of proxy records, just like the instrumental record, is not at all uniform, with more records in the northern hemisphere.
Проксилер
Ғылымда кейде тікелей өлшеуге болмайтын айнымалыны зерттеу қажет болады. Мұны "прокси-әдістер" арқылы іске асыруға болады, онда зерттелетін айнымалымен байланысы бар айнымалы өлшенеді, содан кейін зерттелетін айнымалының мәнін болжау үшін қолданылады. Прокси-әдістер, тікелей температура өлшеу мүмкін болған уақыттан бұрынғы өткен климатты зерттеуде ерекше пайдалы. Көптеген прокси-жазбалар температура мен прокси арасындағы қатынасты бағалау үшін, олардың бір-бірімен тоғысқан кезеңінде тәуелсіз температура өлшемдерімен немесе тікелей калибрленген прокси-жазбамен калибрленуі керек. Проксидің ұзақ тарихы содан кейінгі кезеңдердегі температураны қайта құру үшін пайдаланылады.
Бұрғылау
Мұз өзектері – Гренландия, Антарктика және Солтүстік Америка аймақтарындағы мұздықтардың ішінде алынған цилиндр тәрізді үлгілер. Алғашқы сынақтар 1956 жылы Халықаралық геофизикалық жыл аясында жасалды. 1968 жылы АҚШ армиясының суық аймақтарды зерттеу және инженерлік зертханасы Гренландиядағы Сенчури лагерінде және Антарктидадағы Бёрд станциясында 24 метрлік модификацияланған электр бұрғысын қолданды. Олардың құралдары 40-50 минут ішінде мұздың ішінде бұрғылай алатын. 914 метрден 3000 метрге дейінгі тереңдіктегі өзек үлгілерінің диаметрі 10-20 фут (6 метр) болды, ал 15-20 фут (6 метр) ұзындықтағы терең үлгілер де жиі кездесетін. Әрбір келесі бұрғылау тобы жаңа әрекеттерімен өзінің әдістемесін жетілдіріп келеді.
Өкілетті тұлға
Мұз ядросындағы 16O және 18O су молекуласының изотопологтары арақатынасы өткен температураны және қар жинақталуын анықтауға көмектеседі. Оттегі изотоптарымен қатар, суда сутегі изотоптары да бар – 1H және 2H, әдетте H және D (деутерий үшін) деп аталады, олар температура көрсеткіштері ретінде де қолданылады. Әдетте, Гренландиядан алынған мұз түйіндері δ18O бойынша, ал Антарктидадан алынғандары δ дейтерий бойынша талданады. Екі параметрді де талдайтын ядролар арасында келіспеушілік байқалады. (Суретте δ18O тұтқындалған ауаға, ал δD мұзға қатысты.) Мұздағы ауа көпіршіктері, көмірқышқыл газы және метан сияқты парниктік газдарды қамтиды, бұл өткен климат өзгерістерін анықтауға көмектеседі. Антарктидадағы мұз түйіндері соңғы 650 000 жылдың климат жазбаларын аша алады. Орташа жылдық жауын-шашын мөлшерін қалпына келтіру кезінде, кейбір зерттеушілер тафономиялық процестердің нәтижесінде кішкентай жапырақтардың қазба жазбасында артық болуы мүмкін екенін, бұл қалпына келтірулерге қателік енгізе алатынын айтады. Алайда, соңғы зерттеулер жапырақ қазбаларының кішкентай жапырақтарға қарай айтарлықтай бұрылмауы мүмкін екенін көрсетеді. Жаңа тәсілдер, мысалы, қазба жапырақтардың жасушалық CO2 концентрациясын және изотоптық құрамын өлшеу арқылы өткен атмосфераның құрамы туралы деректерді алуға мүмкіндік береді. 2014 жылғы зерттеуде көміртегі-13 изотоптарының арақатынасын пайдаланып, соңғы 400 миллион жылдағы CO2 мөлшерін бағалауға қол жеткізілді, нәтижелер CO2 концентрациясына климаттың жоғары сезімталдығын көрсетеді.
Ұңғымалар
Бұрғылау температурасы температураның көрсеткіші ретінде қолданылады. Жер астындағы жылу алмасу баяу болғандықтан, Жердің ішіндегі жылудың әсеріне түзетілген бұрғылаудың әртүрлі тереңдіктегі температура өлшемдерін "кері есептеуге" болады (матрицалық теңдеулерді шешуге арналған математикалық формула) және беттік температураның бірегей емес сериясын алуға болады. Шешім "бірегей емес", себебі бірдей бұрғылау температурасы профилін тудыратын бірнеше мүмкін беттік температураны қайта жаңарту бар. Сонымен қатар, физикалық шектеулерге байланысты, қайта жаңартулар сөзсіз "бұрмаланады" және уақыт өте келе одан да бұрмалана түседі. 1500 жылға шаққанда температураны қайта жаңарту кезінде бұрғылаудың уақыттық шешімі бірнеше ғасырды құрайды. 20-шы ғасырдың басында олардың шешімі бірнеше онжылдыққа жетеді; сондықтан олар аспаптық температура жазбасын тексеруге пайдалы емес. Дегенмен, олар көбінесе салыстырмалы. Бұрғылаудың көптеген басқа көрсеткіштерге қарағанда үлкен артықшылығы бар – калибрлеу қажет емес: олар нақты температураны көрсетеді. Бірақ олар беткі температураны емес, жер бетіне жақын температураны (1,5 метр) тіркейді, ол көптеген "беткі" ауа-райы байқаулары үшін қолданылады. Бұл көрсеткіштер экстремалды жағдайларда немесе бетте қар болғанда айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін. Іс жүзінде, бұрғылау температурасына бұл әсердің жалпы алғанда шағын екені есептеледі. Қателіктердің тағы бір көзі – жер асты суларымен құдықтың ластануы температураға әсер етуі мүмкін, себебі су өзімен бірге көбірек қазіргі заманғы температураны "әкеледі". Бұл әсердің де көбінесе шағын екені және ылғалды жерлерде көбірек орын алуы мүмкін екені есептеледі. Гренландиядағы бұрғылау температурасы изотоптық температураны қайта жаңартуға қатысты маңызды түзетулерге әкелді, бұл "кеңістіктегі еңіс уақыттық еңіске тең" деген бұрынғы болжамның дұрыс еместігін көрсетті.
Кораллдар
Теңіз кораллдарының қаңқалық сақиналары немесе жолақтары да ағаштардың сақиналары сияқты палеоклиматологиялық ақпаратты бөліседі. 2002 жылы докторлар Лиза Грир мен Питер Шварт, сол кезде Майами университетінің қызметкерлері, кораллдың кальций карбонатындағы тұрақты оттегі изотоптары туралы есеп жариялады. Салқын температуралар кораллдың құрылымында ауыр изотоптардың пайда болуына ықпал етеді, ал жылы температуралар коралл құрылымына көбірек қалыпты оттегі изотоптарын енгізеді. Судың жоғары тұздылығы да ауыр изотоптарды қамтиды. Грирдің Атлант мұхитынан алынған коралл үлгісі 1994 жылы алынған және 1935 жылға дейін соққан. Грир өз қорытындыларын еске түсіріп: "1935 жылдан 1994 жылға дейінгі орташа жылдық деректерді қарағанда, оның синусоидалық толқын тәрізді пішіні бар екенін көреміз. Ол мезгіл-мезгіл болып келеді және оттегі изотоптарының құрамында шамамен әр он екі-он бес жыл сайынғы ең жоғары нүктесі бар ерекше үлгі байқалады". Су бетінің температурасы да әр он екі жарым жыл сайынғы жоғарылаумен сәйкес келеді. Дегенмен, осы температураны тіркеу соңғы елу жылдан бері ғана жүзеге асырылып келеді, сондықтан тіркелген су температурасы мен коралл құрылымы арасындағы байланысты тек осы мерзімге дейін ғана анықтауға болады.
Ағзалар тозаңы
Тұнбаларда тозаңды табуға болады. Өсімдіктер тозаңды көп мөлшерде өндіреді және ол шіруға өте төзімді. Өсімдік түрін оның тозаң дәнінен анықтауға болады. Сол тұнба қабатынан белгілі бір уақыттағы аймақтың анықталған өсімдіктер қосымшасы климаттық жағдай туралы мәлімет береді. Белгілі бір вегетациялық кезеңнің немесе жылдың тозаңға толы болуы алдыңғы айлардың ауа-райына байланысты, сондықтан тозаң тығыздығы қысқа мерзімді климаттық жағдай туралы ақпаратты қамтамасыз етеді. Көне тозаңды зерттеу – палинология.
Динофлагелятты кисталар
Динофлагелляттар көптеген су орталарында кездеседі және олардың өмірлік циклы барысында кейбір түрлері, қоршаған ортаның өсуге қолайсыз жағдайларында ұзақ уақытқа тоқтау кезеңінде сақталу үшін өте төзімді, органикалық қабықшалы кисталарды жасайды. Олардың тіршілік ететін тереңдігі салыстырмалы түрде шамалы (жарық сәулесінің енуіне байланысты) және олармен қоректенетін диатомдармен тығыз байланысты. Су бетіндегі олардың таралу үлгілері су қоймаларының физикалық ерекшеліктерімен тығыз байланысты, ал жағалау маңындағы топтамаларын ашық теңіз топтамаларынан ажыратуға болады. Тұнбалардағы диноцистердің таралуы жақсы зерттелген және теңіз бетінің орташа жағдайларын түсінуге көмектеседі, бұл таксондардың таралу үлгісі мен мөлшерін анықтайды. Бірнеше зерттеулер, соның ішінде [атаулар] Солтүк Тынық мұхитындағы палинологиялық құрамын анықтау үшін қорап және гравитациялық түйіршіктерді зерттеді, осылайша диноцистердің таралуын және олардың теңіз бетінің температурасымен, тұздылығымен, өнімділігімен және үстіңгі судың көтерілуімен байланысын анықтады. Сол сияқты, [атаулар] 1992 жылғы Санта-Барбара бассейнінің орталық бөлігіндегі 576,5 метр тереңдіктегі қорап түйіршігін пайдаланып, аймақтағы соңғы 40 мың жыл ішіндегі океанографиялық және климаттық өзгерістерді анықтады.
Мембраналық липидтер
Торфтан (лигниттер, ежелгі торф) және топырақтан алынған жаңа климаттық прокси – глицерол диакил глицерол тетраэтері (GDGT) – палеоорталық факторларды зерттеуге көмектеседі, олар әртүрлі тармақталған GDGT изомерлерінің салыстырмалы таралуын реттейді. Зерттеу авторлары былай деп жазады: "Бұл тармақталған мембраналық липидтерді әлі белгісіз топырақ анаэробты бактерияларының тобы өндіреді". 2018 жылға дейін минералды топырақта бактериялардың метилирлену дәрежесінің (brGDGTs) орташа жылдық ауа температурасын есептеуге көмектесетінін көрсететін он жылдық зерттеулер жүргізілді. Бұл прокси әдіс ерте палеогеннің климатын, сондай-ақ креда-палеоген шекарасын зерттеу үшін қолданылды. Зерттеушілер құрлықтағы және орта ендіктегі жылдық ауа температурасының орташа шамасы 23–29 °C (± 4.7 °C) құрағанын анықтады, бұл бұрынғы көптеген нәтижелерден 5–10 °C жоғары.
Псевдопроксилер
Прокси-жазбаларды біріктіріп, жалпы жарты шар температурасын қайта құруға қолданылатын алгоритмдердің тиімділігі "псевдопрокси" деп аталатын әдіс арқылы тексерілуі мүмкін. Бұл әдісте климаттық модельдің нәтижелері белгілі прокси желісіндегі орналасқан жерлерден алынады, ал осыдан шыққан температуралық тізім модельдің (белгілі) жалпы температурасымен салыстырылады.