Введение

Дендроклиматология – это наука об определении прошлых климатов по деревьям (преимущественно по характеристикам годичных колец). Годичные кольца деревьев шире в благоприятных для роста условиях и уже – в неблагоприятных. Другие характеристики годичных колец, такие как максимальная плотность поздней древесины (MXD), оказались более надежными показателями, чем простая ширина кольца. Используя годичные кольца деревьев, ученые реконструировали местные климаты за сотни и тысячи лет в прошлом. Комбинируя данные различных исследований годичных колец (иногда с другими климатическими прокси-данными), ученые реконструировали прошлые региональные и глобальные климаты.

Преимущества

Кольца деревьев особенно полезны как прокси-показатели климата, поскольку их можно точно датировать с помощью дендрохронологии, то есть путем сопоставления колец между образцами. Это позволяет восстанавливать климатические условия в прошлом, используя образцы мертвых деревьев, а также образцы из зданий или археологических раскопок. Другое преимущество колец деревьев заключается в их четкой годовой структуре, в отличие от других прокси-методов, таких как бурение скважин. Более того, кольца деревьев реагируют на различные климатические факторы (температуру, влажность, облачность), что позволяет изучать разные аспекты климата, а не только температуру. Однако это может иметь и негативные последствия.

Ограничения

Наряду с преимуществами дендроклиматологии существуют и некоторые ограничения: вмешивающиеся факторы, географический охват, годичное разрешение и трудности сбора образцов. В этой области разработаны различные методы для частичной компенсации этих проблем.

Смешивающие факторы

Существует множество климатических и неклиматических факторов, а также нелинейных эффектов, влияющих на ширину годичных колец деревьев. Методы выделения отдельных факторов (представляющих интерес) включают ботанические исследования для калибровки факторов, влияющих на рост, и отбор проб в "лимитирующих популяциях" (тех, которые, как ожидается, будут в основном реагировать на интересующую переменную).

Климатические факторы

К климатическим факторам, влияющим на деревья, относятся температура, осадки, солнечный свет и ветер. Чтобы различать эти факторы, ученые собирают информацию из "ограничивающих популяций". Примером ограничивающей популяции является верхняя граница распространения леса: здесь деревья, как ожидается, будут больше подвержены влиянию колебаний температуры (которая является лимитирующим фактором), чем колебаний осадков (которых достаточно). И наоборот, на нижней границе распространения леса ожидается, что изменения осадков будут оказывать большее влияние, чем колебания температуры. Это не идеальное решение, поскольку на деревья даже в ограничивающих популяциях влияет множество факторов, но оно помогает. Теоретически, сбор образцов из близлежащих ограничивающих популяций разных типов (например, верхней и нижней границы леса на одной горе) должен позволить математически определить влияние нескольких климатических факторов.

Неклиматические факторы

К неклиматическим факторам относятся почва, возраст деревьев, пожары, конкуренция между деревьями, генетические различия, вырубка леса или другие антропогенные воздействия, влияние травоядных (особенно выпас овец), вспышки численности вредителей, болезни и концентрация CO2. Для факторов, которые варьируют случайным образом в пространстве (от дерева к дереву или от древостоев), наилучшим решением является сбор достаточного объема данных (большее количество проб) для компенсации мешающего шума. Возраст деревьев корректируется различными статистическими методами: либо путем подгонки сплайнов к общей летописи деревьев, либо путем использования деревьев сходного возраста для сравнения в разные периоды времени (региональная стандартизация кривых). Внимательное изучение и выбор участков помогает ограничить некоторые мешающие факторы, например, выбор участков, не подвергшихся воздействию современной человеческой деятельности.

Нелинейные эффекты

В целом, климатологи предполагают линейную зависимость ширины годичных колец от интересующей переменной (например, влажности). Однако, если переменная изменяется в достаточной степени, реакция может стабилизироваться или даже стать обратной. Любой садовод знает, что растение можно как недолить, так и перелить. Кроме того, возможны эффекты взаимодействия (например, произведение температуры на количество осадков может влиять на рост, наряду с влиянием температуры и осадков по отдельности). Также, понятие "ограничивающего фактора" помогает в некоторой степени изолировать интересующую переменную. Например, на верхней границе леса, где рост деревьев ограничен холодом, маловероятно, что нелинейные эффекты высокой температуры (например, обратная квадратичная зависимость) окажут численно значимое влияние на ширину годичных колец в течение вегетационного периода.

Ботанические выводы для коррекции факторов смешения

Ботанические исследования могут помочь оценить влияние вмешивающихся факторов и в некоторых случаях подсказать способы их корректировки. Эти эксперименты могут проводиться в полностью контролируемых условиях (например, в теплице), частично контролируемых условиях (например, эксперименты FACE [Free Airborne Concentration Enhancement] – добавьте ссылку) или путем мониторинга условий в естественной среде. В любом случае, важно тщательно регистрировать множество факторов роста, чтобы определить, какие из них оказывают влияние на рост. (Вставьте ссылку на работу по Fennoscandia). Эта информация позволяет более точно интерпретировать реакцию ширины годичных колец и повышает достоверность выводов, сделанных на основе исторических (неконтролируемых) образцов древесины. По сути, это аналогично принципу ограничивающего фактора, но имеет более количественный характер – подобно калибровке.

Проблемы расхождения

Проблема расхождения заключается в несоответствии температур, измеряемых термометрами (инструментальные температуры) с одной стороны, и температур, реконструированных на основе плотности или ширины годичных колец деревьев с другой стороны, на многих участках лесополосы в северных лесах. В то время как анализ данных термометров в основном указывает на существенную тенденцию к потеплению, годичные кольца деревьев из этих конкретных мест не демонстрируют соответствующего изменения в их максимальной плотности древесины или, в некоторых случаях, в их ширине. Это не относится ко всем подобным исследованиям. В тех случаях, когда это происходит, температурная тенденция, полученная исключительно из годичных колец деревьев, не покажет существенного потепления. Графики температуры, рассчитанные на основе инструментальных температур и этих прокси-данных из годичных колец, таким образом, "расходятся" друг с другом начиная с 1950-х годов, что и дало название этому явлению. Это расхождение поднимает очевидные вопросы о том, не происходили ли в прошлом, до появления термометров, другие, незамеченные расхождения. Существуют данные, свидетельствующие о том, что расхождение вызвано деятельностью человека и, следовательно, ограничено недавним прошлым, но использование затронутых прокси-данных может привести к переоценке прошлых температур и недооценке текущей тенденции к потеплению. Продолжаются исследования, направленные на поиск объяснений и способов согласования этого несоответствия между анализом данных годичных колец деревьев и данными, основанными на термометрах. Однако его сложнее измерить. Также были опробованы другие характеристики (например, анализ изотопов или химических микроэлементов), наиболее заметно Л.М. Либби в ее статье 1974 года "Температурная зависимость соотношений изотопов в годичных кольцах деревьев". Теоретически, множественные измерения на одном кольце позволят дифференцировать вмешивающиеся факторы (например, осадки и температуру). Однако большинство исследований по-прежнему основаны на ширине годичных колец в предельных популяциях. Измерение концентрации радиоуглерода в годичных кольцах деревьев оказалось полезным для реконструкции прошлой активности солнечных пятен, данные по которым теперь охватывают период более 11 000 лет.