Введение
Сохраненные физические характеристики, позволяющие реконструировать прошлые климатические условия.
В изучении прошлых климатов ("палеоклиматология") климатические прокси – это сохранившиеся физические характеристики прошлого, которые служат заменой прямым метеорологическим измерениям и позволяют ученым реконструировать климатические условия за более длительный период истории Земли. Надежные глобальные данные о климате начали собираться только с 1880-х годов, и прокси-данные предоставляют единственный способ для ученых определить климатические закономерности до начала систематических наблюдений. Большое количество климатических прокси было изучено в различных геологических контекстах. Примеры прокси включают измерения стабильных изотопов в кернах льда, темпы роста древесных колец, видовой состав субфоссильной пыльцы в озерных отложениях или фораминифер в океанических отложениях, температурные профили скважин, а также стабильные изотопы и минералогию кораллов и карбонатных спелеотем. В каждом случае на прокси-индикатор влиял определенный сезонный климатический параметр (например, летняя температура или интенсивность муссонов) в момент его формирования или роста. Интерпретация климатических прокси требует проведения ряда дополнительных исследований, включая калибровку чувствительности прокси к климату и перекрестную верификацию между различными прокси-индикаторами. Прокси-данные могут быть объединены для создания реконструкций температуры, охватывающих период, более длительный, чем период инструментальных наблюдений, и могут быть использованы для обсуждения глобального потепления и истории климата. Географическое распределение прокси-данных, как и инструментальных данных, неравномерно, с большей концентрацией данных в северном полушарии.
Прокси-серверы
В науке иногда необходимо изучать переменную, которую нельзя измерить напрямую. Это можно сделать с помощью "прокси-методов", при которых измеряется переменная, коррелирующая с интересующей переменной, а затем используется для определения значения интересующей переменной. Прокси-методы особенно полезны при изучении климата прошлого, за пределами периодов, когда имеются прямые измерения температуры. Большинство прокси-данных нуждаются в калибровке по независимым измерениям температуры или по более непосредственно откалиброванным прокси-данным в период их совпадения, чтобы оценить взаимосвязь между температурой и прокси-данными. Затем более длительная история прокси-данных используется для реконструкции температуры за более ранние периоды.
Бурение
Ледяные керны – это цилиндрические образцы, извлеченные из ледяных щитов Гренландии, Антарктики и Северной Америки. Первые попытки извлечения были предприняты в 1956 году в рамках Международного геофизического года. В качестве исходного средства для извлечения, Исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов армии США использовала модифицированный электробуровой станок длиной 80 футов (24 м) в 1968 году в лагере «Сенчури» (Гренландия) и на станции «Бёрд» (Антарктида). Их оборудование могло пробурить лед за 40–50 минут. На глубине от 1300 до 3000 футов (914 м) диаметр кернов составлял, а длина варьировалась от 10 до 20 футов (6 м). Образцы большей глубины длиной от 15 до 20 футов (6 м) также встречались. Каждая последующая буровая группа совершенствует свою методику с каждой новой попыткой.
Прокси
Соотношение между изотопами 16O и 18O в молекулах воды в ледяном керне помогает определить температуры и объемы снегонакопления в прошлом. Помимо изотопов кислорода, вода содержит изотопы водорода – 1H и 2H, обычно обозначаемые как H и D (дейтерий), которые также используются в качестве прокси-показателей температуры. Как правило, в кернах льда из Гренландии анализируют δ18O, а из Антарктиды – δ дейтерия. Керны, в которых анализируют оба изотопа, демонстрируют отсутствие согласованности. (На рисунке δ18O относится к захваченному воздуху, а не к льду. δD – к льду.) Пузырьки воздуха в льду, содержащие парниковые газы, такие как углекислый газ и метан, также полезны для определения изменений климата в прошлом. Ледяные керны в Антарктике позволяют восстановить климатические условия за последние 650 000 лет. При реконструкции среднегодовой величины осадков некоторые исследователи полагают, что тафономические процессы приводят к перепредставленности мелких листьев в ископаемой летописи, что может искажать реконструкции. Однако недавние исследования показывают, что ископаемая летопись листьев, возможно, не имеет значительного смещения в сторону мелких листьев. Новые методы позволяют получать данные о составе атмосферы прошлого, анализируя устьица и изотопный состав ископаемых листьев и измеряя клеточные концентрации CO2. Исследование 2014 года позволило использовать соотношения изотопов углерода-13 для оценки количества CO2 за последние 400 миллионов лет, а полученные результаты указывают на более высокую чувствительность климата к концентрациям CO2.
Бурения
Температура скважин используется в качестве прокси-показателя температуры. Поскольку теплопередача в грунте происходит медленно, измерения температуры на различных глубинах скважины, скорректированные с учетом влияния тепла, идущего из недр Земли, могут быть "инвертированы" (с помощью математической формулы для решения матричных уравнений) для получения неоднозначного ряда значений температуры поверхности. Решение является "неоднозначным", поскольку существует множество возможных реконструкций температуры поверхности, которые могут соответствовать одному и тому же температурному профилю скважины. Кроме того, из-за физических ограничений реконструкции неизбежно "размыты" и становятся все более размытыми по мере углубления во времени. При реконструкции температур около 1500 года н.э. разрешение буровых скважин составляет несколько столетий. В начале XX века их разрешение составляет несколько десятилетий; следовательно, они не могут служить надежной проверкой инструментальных данных о температуре. Тем не менее, они в целом сопоставимы. Буровые скважины имеют значительное преимущество перед многими другими прокси-показателями, поскольку не требуют калибровки: они измеряют фактическую температуру. Однако они фиксируют температуру поверхности, а не приземную температуру (1,5 метра), используемую для большинства "наземных" метеорологических наблюдений. Эти температуры могут существенно различаться в экстремальных условиях или при наличии снежного покрова на поверхности. На практике считается, что влияние на температуру скважины обычно невелико. Вторым источником погрешностей является загрязнение скважины грунтовыми водами, которое может влиять на температуру, поскольку вода "вносит" более современные температурные значения. Считается, что этот эффект, как правило, незначителен и более актуален для очень влажных участков. Температуры скважин в Гренландии послужили основанием для важной пересмотра изотопной реконструкции температуры, показав, что прежнее предположение о том, что "пространственный градиент равен временному градиенту", было ошибочным.
Кораллы
Коралловые кольца, или полосы, также содержат палеоклиматическую информацию, подобно годичным кольцам деревьев. В 2002 году был опубликован отчет о результатах исследований доктора Лизы Грир и Питера Сварта, в то время работавших в Университете Майами, касающихся стабильных изотопов кислорода в карбонате кальция кораллов. Более низкие температуры способствуют включению в структуру кораллов более тяжелых изотопов, а более высокие – обычных изотопов кислорода. Более высокая соленость воды также обычно содержит более тяжелые изотопы. Образец кораллов, собранный Грир в Атлантическом океане в 1994 году, был датирован 1935 годом. Грир вспоминает свои выводы: «При анализе среднегодовых данных с 1935 по 1994 год мы обнаружили, что они имеют форму синусоиды. Это периодическое явление с выраженным паттерном в составе изотопов кислорода, достигающим пика примерно каждые двенадцать-пятнадцать лет». Температура поверхностных вод также демонстрирует пик примерно каждые двенадцать с половиной лет. Однако, поскольку записи температуры ведутся лишь последние пятьдесят лет, установить корреляцию между зарегистрированной температурой воды и структурой кораллов можно лишь за этот период.
Зерна пыльцы
Пыльцу можно обнаружить в отложениях. Растения производят пыльцу в огромных количествах, и она крайне устойчива к разрушению. По зерну пыльцы можно определить вид растения. Установленное растительное сообщество данной местности в соответствующий период времени, определяемый слоем отложений, позволяет получить информацию о климатических условиях. Количество пыльцы конкретного вегетационного периода или года частично зависит от погодных условий предшествующих месяцев, следовательно, плотность пыльцы предоставляет информацию о краткосрочных изменениях климата. Изучение ископаемой пыльцы называется палинологией.
Динофлагелятивные кисты
Динофлагелляты встречаются в большинстве водных сред, и в течение своего жизненного цикла некоторые виды образуют высокоустойчивые органические кисты с оболочкой для периода покоя, когда условия окружающей среды неблагоприятны для роста. Глубина их обитания относительно небольшая (зависит от проникновения света) и тесно связана с диатомовыми водорослями, которыми они питаются. Распространение динофлагеллят в поверхностных водах тесно связано с физическими характеристиками водоемов, а прибрежные сообщества отличаются от океанических. Распространение диноцист в отложениях достаточно хорошо изучено и позволило лучше понять средние условия на поверхности моря, определяющие закономерности распространения и численность таксонов. Ряд исследований, включая [название исследования 1] и [название исследования 2], собрали образцы керна (коробчатые и гравитационные) в Северной части Тихого океана и проанализировали их палинологический состав для определения распространения диноцист и их связи с температурой поверхности моря, соленостью, продуктивностью и апвеллингом. Аналогично, [название исследования 3] и [название исследования 4] использовали коробчатый керн, взятый в 1992 году на глубине 576,5 м в центральной части бассейна Санта-Барбара, для определения океанографических и климатических изменений за последние 40 тысяч лет в этом районе.
Мембранные липиды
Новый климатический прокси, полученный из торфа (лигнитов, древнего торфа) и почв, – мембранные липиды, известные как глицерин диалкил глицерин тетраэфир (GDGT) – помогает изучать палеоэкологические факторы, контролирующие относительное распределение различных разветвленных изомеров GDGT. Авторы исследования отмечают: «Эти разветвленные мембранные липиды производятся пока неизвестной группой анаэробных почвенных бактерий». По состоянию на 2018 год существует десятилетие исследований, показывающих, что в минеральных почвах степень метилирования бактериальных brGDGT позволяет рассчитывать среднегодовые температуры воздуха. Этот прокси-метод был использован для изучения климата раннего палеогена на границе мелового и палеогенового периодов, и исследователи обнаружили, что среднегодовая температура воздуха над сушей и на средних широтах составляла около 23–29 °C (± 4,7 °C), что на 5–10 °C выше большинства предыдущих оценок.
Псевдопрокси
Умение алгоритмов, используемых для объединения прокси-данных в общую реконструкцию температуры полушария, может быть проверено с помощью метода, известного как "псевдопрокси". В этом методе выходные данные климатической модели берутся в точках, соответствующих известной сети прокси-записей, а полученный температурный ряд сравнивается с (известной) общей температурой модели.