Введение
Изучение древних температур
Палеотермометр – это методология, позволяющая оценить температуру окружающей среды в момент формирования природного материала. Большинство палеотермометров основаны на эмпирически откалиброванных прокси-связях, таких как дендрохронология или метод TEX86. Изотопные методы, такие как метод δ18O или метод кластеризованных изотопов, способны, по крайней мере теоретически, предоставлять прямые измерения температуры.
Mg/Ca и Sr/Ca
Магний (Mg) включается в кальцитовые раковины (тесты) планктонных и бентосных фораминифер в качестве микроэлемента. Поскольку включение Mg в кальцит в виде примеси является эндотермическим процессом, большее количество магния включается в растущий кристалл при более высоких температурах. Следовательно, высокое соотношение Mg/Ca указывает на высокую температуру, хотя экологические факторы могут затруднять интерпретацию сигнала. Mg имеет длительное время жизни в океане, поэтому влияние изменений соотношения Mg/Ca в морской воде на сигнал можно в значительной степени игнорировать. Соотношения Mg/Ca иногда могут занижать температуру морской воды из-за растворения раковин фораминифер, что приводит к снижению значений Mg/Ca. Стронций (Sr) включается в арагонит кораллов, и установлено, что точное соотношение Sr/Ca в скелете коралла демонстрирует обратную зависимость от температуры морской воды в процессе его биоминерализации.
Алкеноны
Распределение органических молекул в морских отложениях отражает температуру.
Физиономия листьев
Характерные размеры, формы листьев и распространенность таких признаков, как капельные кончики (листовая или фолиарная физиогномия), различаются между тропическими дождевыми лесами (многие виды с крупными листьями с гладкими краями и капельными кончиками) и умеренными лиственными лесами (обычны меньшие размеры листьев, часто встречаются зубчатые края). Эта изменчивость между участками вдоль климатических градиентов часто является непрерывной, например, при переходе от жаркого к холодному климату или от высокого к низкому уровню осадков. Эта вариация вдоль экологических градиентов отражает адаптивные компромиссы видов, присутствующих на данных участках, для баланса между необходимостью улавливать световую энергию, регулировать теплообмен и одновременно максимизировать эффективность газообмена, транспирации и фотосинтеза. Количественный анализ современной листовой физиогномии растительности и ее реакции на климат вдоль экологических градиентов в основном был унивариантным, однако многовариантные подходы интегрируют несколько характеристик листьев и климатических параметров. Температура оценивалась (с разной степенью достоверности) на основе листовой физиогномии для позднемеловой и кайнозойской флоры, главным образом с использованием двух основных методов:
CLAMP (Мультивиаратная программа климатического анализа листьев)
CLAMP – это многомерный подход, в значительной степени основанный на наборе данных, состоящем преимущественно из растительности западного полушария, к которому впоследствии были добавлены данные о растительности других регионов мира. Используется канонический корреляционный анализ, объединяющий 31 признак листа, при этом тип края листа является значимым компонентом взаимосвязи между физиогномическими характеристиками и температурой. С помощью CLAMP можно оценить среднегодовую температуру (MAT) с небольшими стандартными ошибками (например, CCA ± 0,7–1,0 °C). С использованием CLAMP можно оценить и другие температурные параметры, такие как средняя температура самого холодного месяца (CMMT) и средняя температура самого теплого месяца (WMMT), которые позволяют оценить средние зимние и летние условия соответственно.
Анализ наиболее близких родственников / сосуществования
Некоторые растения предпочитают определенные температуры; по их пыльце можно определить примерную температуру.
13C-18O связи в карбонатах
Существует небольшая термодинамическая тенденция для тяжелых изотопов образовывать связи друг с другом, превышающая ту, что можно было бы ожидать от стохастического или случайного распределения той же концентрации изотопов. Избыток наиболее выражен при низкой температуре (см. уравнение Ван-т-Хоффа), при этом при более высокой температуре изотопное распределение становится более рандомизированным. Наряду с тесно связанным явлением равновесного изотопного фракционирования, этот эффект обусловлен различиями в энергии нулевой точки между изотопологами. Карбонатные минералы, такие как кальцит, содержат группы CO32−, которые могут быть преобразованы в CO2 газ при взаимодействии с концентрированной фосфорной кислотой. Газ CO2 анализируется с помощью масс-спектрометра для определения содержания изотопологов. Параметр Δ47 представляет собой измеренную разницу в концентрации между изотопологами с массой 47 u (по сравнению с 44) в образце и гипотетическом образце с тем же общим изотопным составом, но со стохастическим распределением тяжелых изотопов. Лабораторные эксперименты, квантово-механические расчеты и природные образцы (с известными температурами кристаллизации) показывают, что Δ47 коррелирует с обратным квадратом температуры. Таким образом, измерения Δ47 позволяют оценить температуру, при которой образовался карбонат. Палеотермометрия 13C 18O не требует предварительного знания концентрации 18O в воде (в отличие от метода δ18O). Это позволяет применять палеотермометр 13C 18O к некоторым образцам, включая пресноводные карбонаты и очень древние породы, с меньшей неопределенностью, чем другие изотопные методы. В настоящее время метод ограничен очень низкой концентрацией изотопологов с массой 47 и выше в CO2, получаемом из природных карбонатов, а также недостатком приборов с подходящими детекторами и чувствительностью. Изучение этих типов реакций изотопного упорядочения в природе часто называют геохимией «сгущенных изотопов».