Морфостратиграфия палеоклимата Земли по изотопным данным кислорода

Введение

Чередующиеся теплые и холодные периоды в палеоклимате Земли, установленные на основе данных об изотопах кислорода. Морские изотопные стадии (МИС), морские стадии изотопов кислорода или стадии изотопов кислорода (ОИС) – это чередующиеся теплые и холодные периоды в палеоклимате Земли, установленные на основе данных об изотопах кислорода, полученных из образцов кернов глубоководных отложений. Отсчитывая назад от современности, которая соответствует MIS 1 в данной шкале, стадии с четными номерами характеризуются высоким содержанием кислорода-18 и представляют собой холодные ледниковые периоды, в то время как стадии с нечетными номерами демонстрируют низкие значения кислорода-18, что соответствует теплым межледниковым интервалам. Данные извлекаются из остатков пыльцы и фораминифер (планктона) в пробуренных морских осадочных кернах, сапропелей и других данных, отражающих исторический климат; эти данные называются прокси-данными. Шкала МИС была разработана на основе пионерских работ Чезаре Эмилиани в 1950-х годах и в настоящее время широко используется в археологии и других областях для датировки в четвертичном периоде (последние 2,6 миллиона лет), а также предоставляет наиболее полные и надежные данные для этого периода для палеоклиматологии, или изучения раннего климата Земли, представляя собой "стандарт, по которому сопоставляются другие климатические записи четвертичного периода". Работа Эмилиани, в свою очередь, опиралась на предсказание Гарольда Юри, сделанное в статье 1947 года, о том, что соотношение между изотопами кислорода-18 и кислорода-16 в кальците, основном химическом компоненте раковин и других твердых частей широкого спектра морских организмов, должно изменяться в зависимости от преобладающей температуры воды, в которой формировался кальцит. На сегодняшний день идентифицировано более 100 стадий, охватывающих около 6 миллионов лет, и в будущем шкала может быть расширена до 15 миллионов лет. Некоторые стадии, в частности MIS 5, подразделяются на подстадии, такие как "MIS 5a", где 5a, c и e соответствуют теплым периодам, а 5b и 5d – холодным. Также может использоваться числовая система для обозначения "горизонтов" (событий, а не периодов), например, MIS 5.5 обозначает пик MIS 5e, а 5.51, 5.52 и т.д. – пики и провалы записи на еще более детальном уровне. Для более поздних периодов продолжается разработка все более точного разрешения по времени.

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.

Разработка временной шкалы

В 1957 году Эмилиани переехал в Университет Майами, чтобы получить доступ к судам и оборудованию для отбора кернов, и начал бурение в Карибском бассейне и сбор данных о кернах. Дальнейший важный прогресс был достигнут в 1967 году, когда Николас Шеклтон предположил, что колебания во времени в соотношении морских изотопов, к тому времени ставшие очевидными, были вызваны не столько изменениями температуры воды, как считал Эмилиани, сколько изменениями объема ледяных щитов, которые при расширении поглощали более легкий изотоп кислорода 16 вместо более тяжелого кислорода 18. Циклы в соотношении изотопов соответствовали наземным данным о ледниковых и межледниковых периодах. График всей серии стадий затем выявил неожиданные продвижения и отступления льда, а также детализировал стадиалы и интерстадиалы. Более поздние образцы ледяных кернов современного ледникового льда подтвердили эти циклы посредством изучения древней пыльцы. В настоящее время ряд методов позволяет получить более детальную информацию. Сопоставление стадий с имеющими названия периодами происходит по мере открытия новых дат и геологического изучения новых регионов. Морские изотопные записи представляются более полными и детальными, чем любые наземные аналоги, и позволили установить временную шкалу оледенений для плио-плейстоцена. В настоящее время считается, что изменения в размере крупных ледяных щитов, таких как исторический ледниковый щит Лаурентида в Северной Америке, являются основным фактором, определяющим изменения в соотношениях изотопов кислорода. Данные МИС также соответствуют астрономическим данным циклов Миланковича – орбитальному воздействию или эффектам вариаций инсоляции, вызванным циклическими незначительными изменениями наклона оси вращения Земли – "орбитальной теории". Действительно, хорошее соответствие данных МИС теории Миланковича, разработанной им во время Первой мировой войны, стало ключевым фактором в ее широком признании, несмотря на некоторые нерешенные проблемы в определенных аспектах, в частности, так называемую проблему 100 000 лет. Для относительно недавних периодов данные радиоуглеродного датирования и дендрохронологии также подтверждают данные МИС. Осадочные породы также приобретают остаточную намагниченность, позволяющую сопоставлять их с геомагнитными переполюсовками Земли. Для более древних кернов отдельные годовые отложения обычно не удается различить, и датировка производится на основе геомагнитной информации, содержащейся в кернах. Другая информация, особенно о соотношении газов, таких как углекислый газ в атмосфере, получается путем анализа ледяных кернов. Проект, финансируемый Национальным научным фондом США, создал стандартную хронологию для записей изотопов кислорода, хотя существуют и другие. Эта хронология высокого разрешения была получена из нескольких изотопных записей, после чего составная кривая была сглажена, отфильтрована и настроена на известные циклы астрономических переменных. Использование ряда изотопных профилей было направлено на устранение "шума" и ошибок, которые могли содержаться в отдельной изотопной записи. Еще одним крупным исследовательским проектом, финансируемым правительством США в 1970-х и 1980-х годах, был проект CLIMAP (Climate: Long-range Investigation, Mapping, and Prediction), который в значительной степени достиг своей цели – создания карты глобального климата во время последнего ледникового максимума, около 18 000 лет назад, при этом часть исследований была направлена на климат около 120 000 лет назад, во время последнего межледникового периода. Теоретические достижения и значительно улучшенные данные, доступные к 1970-м годам, позволили осуществить "грандиозный синтез", наиболее известным результатом которого стала статья 1976 года "Вариации в орбите Земли: кардиостимулятор ледниковых периодов" (в журнале Science) авторства Дж. Д. Хейса, Шеклтона и Джона Имбри, которая до сих пор широко признана и охватывает временную шкалу МИС и причинно-следственную связь орбитальной теории. В 2010 году Подкомиссия по четвертичной стратиграфии Международной комиссии по стратиграфии отказалась от других списков дат МИС и начала использовать обновленный LR04 Benthic Stack, составленный Лисецки и Реймо (2005). Этот сводный набор данных был составлен Лорейн Лисецки и Морин Реймо.

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.