Теңіз изотоп сатылары: Жердің палеоклиматындағы жылы-салқын кезеңдер

Кіріспе

Жердің палеоклиматындағы кезектесетін жылы және суық кезеңдер, оттегі изотоптарының деректерінен анықталған теңіз изотоптық сатылары (МИС), теңіз оттегі изотоптық сатылары немесе оттегі изотоптық сатылары (ОИС) – терең теңіз түбінен алынған сынамалар арқылы алынған оттегі изотоптарының деректеріне сүйенген Жердің палеоклиматындағы жылы және суық кезеңдердің кезектесуі. Қазіргі уақыттан бастап кері санағанда, бұл шкалада MIS 1 саналады, жұп нөмірлі сатылар оттегі-18 деңгейінің жоғары болуын көрсетеді және суық мұздық кезеңдерді білдіреді, ал тақ нөмірлі сатылар оттегі-18 көрсеткіштерінің төмендеуін көрсетеді, бұл жылы мұз аралық кезеңдерді білдіреді. Деректер бұрғыланған теңіз шөгінділерінің түйіршіктеріндегі тозаң мен форминифера (планктон) қалдықтарынан, сапропельдерден және тарихи климатты көрсететін басқа да деректерден алынады; мұндай деректер проксилер деп аталады. MIS уақыт шкаласы 1950 жылдары Чезаре Эмилианидің пионерлік жұмысының нәтижесінде жасалды және қазір археология және басқа да салаларда Кватернар кезеңдегі (соңғы 2,6 миллион жыл) мерзімдемені көрсету үшін, сондай-ақ палеоклиматология, яғни Жердің ерте климатын зерттеу үшін ең толық және жақсы деректерді ұсыну үшін кеңінен қолданылады. Эмилианидің жұмысы 1947 жылы Гарольд Юридің кальциттегі оттегі-18 және оттегі-16 изотоптарының арақатынасы, теңіз организмдерінің қабықшалары мен басқа да қатты бөліктерінің негізгі химиялық құрауы, кальцит пайда болған судың температурасына байланысты өзгеруі керек деген болжамына негізделген. Қазіргі уақытта 100-ден астам саты анықталды, қазіргі уақытта шамамен 6 миллион жылға дейін жетеді, ал болашақта бұл көрсеткіш 15 миллион жылға дейін ұлғаюы мүмкін. Кейбір сатылар, әсіресе MIS 5, "MIS 5a" сияқты кіші сатыларға бөлінеді, мұнда 5a, c және e жылы, ал b және d суық болып табылады. "Горизонттарға" (кезеңдер емес, оқиғаларға) сілтеме жасау үшін сандық жүйе де қолданылуы мүмкін, мысалы, MIS 5.5 MIS 5e-нің ең жоғарғы нүктесін көрсетеді, ал 5.51, 5.52 және т.б. деректердің ең жоғарғы және ең төменгі нүктелерін одан да егжей-тегжейлі көрсетеді. Жақындағы кезеңдер үшін уақытты белгілеудің жоғары дәлдігін жетілдіру жұмыстары жалғасуда.

Alternating warm and cool periods in the Earth's paleoclimate, deduced from oxygen isotope data

Marine isotope stages (MIS), marine oxygen isotope stages, or oxygen isotope stages (OIS), are alternating warm and cool periods in the Earth's paleoclimate, deduced from oxygen isotope data derived from deep sea core samples. Working backwards from the present, which is MIS 1 in the scale, stages with even numbers have high levels of oxygen 18 and represent cold glacial periods, while the odd numbered stages are lows in the oxygen 18 figures, representing warm interglacial intervals. The data are derived from pollen and foraminifera (plankton) remains in drilled marine sediment cores, sapropels, and other data that reflect historic climate; these are called proxies. The MIS timescale was developed from the pioneering work of Cesare Emiliani in the 1950s, and is now widely used in archaeology and other fields to express dating in the Quaternary period (the last 2.6 million years), as well as providing the fullest and best data for that period for paleoclimatology or the study of the early climate of the Earth, representing "the standard to which we correlate other Quaternary climate records". Emiliani's work in turn depended on Harold Urey's prediction in a paper of 1947 that the ratio between oxygen 18 and oxygen 16 isotopes in calcite, the main chemical component of the shells and other hard parts of a wide range of marine organisms, should vary depending on the prevailing water temperature in which the calcite was formed. Over 100 stages have been identified, currently going back some 6 million years, and the scale may in future reach back up to 15 mya. Some stages, in particular MIS 5, are divided into sub stages, such as "MIS 5a", with 5 a, c, and e being warm and b and d cold. A numeric system for referring to "horizons" (events rather than periods) may also be used, with for example MIS 5.5 representing the peak point of MIS 5e, and 5.51, 5.52 etc. representing the peaks and troughs of the record at a still more detailed level. For more recent periods, increasingly precise resolution of timing continues to be developed.

Уақыт шкаласын әзірлеу

1957 жылы Эмилиани Кариб теңізінде ядролық бұрғылау кемелері мен жабдықтарына қол жеткізу үшін Майами университетіне көшіп, бұрғылауды бастап, ядролық деректерді жинады. 1967 жылы Николас Шеклтон теңіздегі изотоптық қатынастардың уақыт өте келе өзгеруіне су температурасының өзгеруі емес, негізінен мұздықтардың көлеміндегі өзгерістер себеп екенін ұсынды. Мұздықтар кеңейген кезде жеңіл оттегі-16 изотопын ауыр оттегі-18-ге қарағанда көп сіңіреді. Изотоптық қатынастағы циклдер жер бетіндегі мұздық және мұз аралық кезеңдердің дәлелдерімен сәйкес келді. Кезеңдердің барлық сериясының графигі мұздың күмәнсіз алға жылжуын және кері шегінуін көрсетті, сонымен қатар стадиалдар мен стадиал аралықтардың егжей-тегжейін ашты. Жақында алынған мұз үлгілеріндегі ежелгі тозаңның зерттеуі осы циклдерді растады. Қазіргі уақытта бірқатар әдістер одан да толық мәліметтер алуға мүмкіндік береді. Жаңа даталар мен геологиялық зерттеулер нәтижесінде кезеңдерді атаулы кезеңдерге сәйкестендіру жалғасады. Теңіздегі изотоптық жазбалар құрлықтағы жазбалардан гөрі толық және егжей-тегжейлі болып көрінеді, бұл Плио-Плейстоцен үшін мұздықтың уақыт шкаласын анықтауға мүмкіндік берді. Қазіргі кезде Солтүстік Американың тарихи Лорентид мұздығы сияқты ірі мұздықтардың көлеміндегі өзгерістер оттегі изотоптарының арақатынасындағы өзгерістерді анықтайтын негізгі фактор деп есептеледі. МИС деректері Миланкович циклінің орбиталық күштің астрономиялық деректерімен де сәйкес келеді, яғни Жердің айналу осінің еңістігіндегі циклдік өзгерістерге байланысты күн сәулесінің өзгеруі. Шындығында, МИС деректерінің Миланковичтің Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасаған теориясына керемет сәйкес келуі теорияның қабылдануына ықпал етті, әрине, кейбір мәселелерге қарамастан, әсіресе 100 000 жылдық мәселе. Радиокөміртекпен даталау және дендрохронология деректері салыстырмалы түрде соңғы кезеңдер үшін МИС деректерін де қолдайды. Седименттердегі жинақталу қалдықтарының магниттелуі оларды Жердің геомагниттік керілуімен байланыстыруға мүмкіндік береді. Ескі өзек үлгілері үшін жеке жылдық шөгінділерді ажырату қиын, сондықтан даталау өзектердегі геомагниттік ақпарат негізінде жүзеге асырылады. Атмосферадағы көмірқышқыл газы сияқты газдардың арақатынасы туралы басқа да мәліметтер мұз түйіндерін талдау арқылы алынады. АҚШ Ұлттық ғылым қоры қаржылаған жобада оттегі изотоптарының стандартты хронологиясы жасалды, бірақ басқа да хронологиялар бар. Бұл жоғары ажыратымдылықтағы хронология бірнеше изотоптық жазбалар негізінде құрастырылды, содан кейін композиттік қисық тегістеліп, сүзгіден өткізіліп, астрономиялық айнымалылардың белгілі циклдеріне сәйкес келтірілді. Бірнеше изотоптық профильдерді қолдану бір ғана жазбада болуы мүмкін "шуды" жою үшін жасалды. 1970-80 жылдары АҚШ үкіметі қаржылаған тағы бір ірі зерттеу жобасы – Климат: ұзақ мерзімді зерттеу, карталау және болжау (CLIMAP) болды. Ол 18 000 жыл бұрынғы соңғы мұздық максимумындағы әлемдік климаттың картасын жасау мақсатына үлкен дәрежеде қол жеткізді, сондай-ақ 120 000 жыл бұрынғы соңғы мұз аралық кезеңнің климатын зерттеді. Теориялық жетістіктер мен 1970-ші жылдары қол жетімді болған жақсартылған деректер "үлкен синтез" жасауға мүмкіндік берді. Бұл синтез 1976 жылғы «Жер орбитасындағы өзгерістер: мұз дәуірлерінің жүрек сергітушісі» (Science журналында) жарияланған Ж.Д. Хейс, Шеклтон және Джон Имбридің жұмысында ең жақсы көрсетілген. Бұл жұмыс әлі де кеңінен қабылданды және МИС уақыт шкаласын және орбиталық теорияның себеп-салдарлық әсерін қамтиды. 2010 жылы Халықаралық стратиграфия жөніндегі комиссияның төртінші стратиграфия жөніндегі кіші комиссиясы МИС күндерінің басқа тізімдерін тоқтатып, Lisiecki & Raymo (2005) LR04 Benthic Stack-ті жаңартылған түрінде пайдалануды бастады. Бұл материалды Лорейн Лисецки мен Морин Рэймо жинақтады.

In 1957 Emiliani moved to the University of Miami to have access to core drilling ships and equipment, and began to drill in the Caribbean and collect core data. A further important advance came in 1967, when Nicholas Shackleton suggested that the fluctuations over time in the marine isotope ratios that had become evident by then were caused not so much by changes in water temperature, as Emiliani thought, but mainly by changes in the volume of ice sheets, which when they expanded took up the lighter oxygen 16 isotope in preference to the heavier oxygen 18. The cycles in the isotope ratio were found to correspond to terrestrial evidence of glacials and interglacials. A graph of the entire series of stages then revealed unsuspected advances and retreats of ice and also filled in the details of the stadials and interstadials. More recent ice core samples of today's glacial ice substantiated the cycles through studies of ancient pollen deposition. Currently a number of methods are making additional detail possible. Matching the stages to named periods proceeds as new dates are discovered and new regions are explored geologically. The marine isotopic records appear more complete and detailed than any terrestrial equivalents, and have enabled a timeline of glaciation for the Plio Pleistocene to be identified. It is now believed that changes in the size of the major ice sheets such as the historical Laurentide Ice Sheet of North America are the main factor governing variations in the oxygen isotope ratios. The MIS data also matches the astronomical data of Milankovitch cycles of orbital forcing or the effects of variations in insolation caused by cyclical slight changes in the tilt of the Earth's axis of rotation – the "orbital theory". Indeed, that the MIS data matched Milankovich's theory, which he formed during World War I, so well was a key factor in the theory gaining general acceptance, despite some remaining problems at certain points, notably the so called 100,000 year problem. For relatively recent periods data from radiocarbon dating and dendrochronology also support the MIS data. The sediments also acquire depositional remanent magnetization which allows them to be correlated with earth's geomagnetic reversals. For older core samples, individual annual depositions cannot usually be distinguished, and dating is taken from the geomagnetic information in the cores. Other information, especially as to the ratios of gases such as carbon dioxide in the atmosphere, is provided by analysis of ice cores. The Project, funded by the US National Science Foundation, has produced one standard chronology for oxygen isotope records, although there are others. This high resolution chronology was derived from several isotopic records, the composite curve was then smoothed, filtered and tuned to the known cycles of the astronomical variables. The use of a number of isotopic profiles was designed to eliminate 'noise' errors, that could have been contained within a single isotopic record. Another large research project funded by the US government in the 1970s and 1980s was Climate: Long range Investigation, Mapping, and Prediction (CLIMAP), which to a large degree succeeded in its aim of producing a map of the global climate at the Last Glacial Maximum, some 18,000 years ago, with some of the research also directed at the climate some 120,000 years ago, during the last interglacial. The theoretical advances and greatly improved data available by the 1970s enabled a "grand synthesis" to be made, best known from the 1976 paper Variations in the earth’s orbit: pacemaker of the ice ages (in Science), by J. D. Hays, Shackleton and John Imbrie, which is still widely accepted, and covers the MIS timescale and the causal effect of the orbital theory. In 2010 the Subcommission on Quaternary Stratigraphy of the International Commission on Stratigraphy dropped other lists of MIS dates and started using the Lisiecki & Raymo (2005) LR04 Benthic Stack, as updated. This was compiled by Lorraine Lisiecki and Maureen Raymo.