I stille forår betragter Rachel Carson den vestlige sagebrush. ”For her er det naturlige landskab veltalende for samspillet mellem kræfter, der har skabt det, ” skriver hun. ”Det er spredt foran os som siderne i en åben bog, hvor vi kan læse, hvorfor landet er, hvad det er, og hvorfor vi skal bevare dets integritet. Men siderne ligger ulæste. ”Hun beklager forsvinden af et truet landskab, men hun kan lige så godt tale om markører af paleoclimate.
For at vide, hvor du skal hen, skal du vide, hvor du har været. Det er især tilfældet for klimaforskere, der har brug for at forstå hele spektret af planetens skift for at kortlægge forløbet for vores fremtid. Men uden en tidsmaskine, hvordan får de denne type data?
Ligesom Carson er de nødt til at læse jordens sider. Heldigvis har Jorden ført dagbøger. Alt, der lægger årlige lag - havskoraller, hule-stalagmitter, langlivede træer, bittesmå afskalede havdyr - registrerer trofast forholdene i fortiden. For at gå videre, mudrer videnskabsmænd sedimentkerner og iskerner fra bunden af havet og de iskolde poler, som skriver deres egne memoirer i udbrud af aske og støv og bobler af lang fanget gas.
På en måde har vi så tidsmaskiner: Hver af disse fuldmægtige fortæller en lidt anden historie, som forskere kan væve sammen for at danne en mere fuldstændig forståelse af Jordens fortid.
I marts afholdt Smithsonian Institution National Museum of Natural History et tre-dages Earth's History History Symposium, der bragte lærere, journalister, forskere og offentligheden sammen for at øge deres forståelse af paleoclimate. Under et aftenforedrag forklarede Gavin Schmidt, klimamodeller og direktør for NASAs Goddard Institute for Space Studies, og Richard Alley, en verdensberømt geolog ved Pennsylvania State University, hvordan forskere bruger Jordens fortidsklima for at forbedre de klimamodeller, vi bruger til at forudsige vores fremtid.
Her er din guide til Jordens klimaforløb - ikke kun hvad vi ved, men hvordan vi ved det.
Hvordan ser vi på Jordens tidligere klima?
Det kræver lidt kreativitet at rekonstruere Jordens tidligere inkarnationer. Heldigvis kender forskere de vigtigste naturlige faktorer, der former klimaet. De inkluderer vulkanudbrud, hvis aske blokerer for solen, ændringer i Jordens bane, der skifter sollys til forskellige breddegrader, cirkulation af oceaner og havis, kontinentets layout, størrelsen på ozonhullet, sprængninger af kosmiske stråler og skovrydning. Af disse er de vigtigste drivhusgasser, der fanger solens varme, især kuldioxid og metan.
Som Carson bemærkede, registrerer Jorden disse ændringer i dets landskaber: i geologiske lag, fossile træer, fossile skaller, endda krystalliseret rottepisse - dybest set alt, hvad der virkelig bliver gammelt. Forskere kan åbne disse dagbogsider og spørge dem, hvad der foregik på det tidspunkt. Træringe er især flittige journalister, der registrerer nedbør i deres årlige ringe; iskerner kan føre udsøgt detaljerede beretninger om sæsonbetingede forhold, der går næsten en million år tilbage.
Iskerner afslører årlige lag med snefald, vulkansk aske og endda rester af langdøde civilisationer. (NASA's Goddard / Ludovic Brucker) Hvad kan en iskerne ellers fortælle os?
”Wow, der er så meget, ” siger Alley, der tilbragte fem feltsæsoner med at køre is fra den grønlandske isplade. Overvej hvad en iskerne faktisk er: et tværsnit af lag af snefald, der går tilbage i årtusinder.
Når sne tæpper jorden, indeholder den små luftrum, der er fyldt med atmosfæriske gasser. Ved polerne bliver ældre lag begravet og komprimeret til is og forvandlet disse rum til bobler af fortidens luft, som forskerne Caitlin Keating-Bitonti og Lucy Chang skriver på Smithsonian.com. Forskere bruger den kemiske sammensætning af selve isen (forholdet mellem de tunge og lette isotoper af ilt i H2O) for at estimere temperaturen. I Grønland og Antarktis ekstrakter videnskabsfolk Alley ufattelige lange iskerner - nogle mere end to miles lange!
Iskerner fortæller os, hvor meget sne der faldt i løbet af et bestemt år. Men de afslører også støv, havsalt, aske fra fjerne vulkaneksplosioner, endda forureningen, som det romerske VVS har efterladt. ”Hvis det er i luften, er det i isen, ” siger Alley. I de bedste tilfælde kan vi datere iskerne til deres nøjagtige sæson og år ved at tælle deres årlige lag som træringe. Og iskerner bevarer disse udsøgte detaljer, der går hundreder af tusinder af år tilbage, hvilket gør dem til, hvad Alley kalder "guldstandarden" for paleoklimatproxy.
Vent, men er ikke Jordens historie meget længere end det?
Ja det er rigtigt. Paleoklimatiske forskere er nødt til at gå millioner af år tilbage - og til det har vi brug for ting, der er endnu ældre end iskerner. Heldigvis har livet en lang rekord. Den fossile fortegnelse over komplekst liv når tilbage til et sted omkring 600 millioner år. Det betyder, at vi har bestemte fuldmagter til ændringer i klimaet, der kommer tilbage næsten så langt. En af de vigtigste er tænderne til konodonter - uddøde, ållignende væsener - som går 520 millioner år tilbage.
Men nogle af de mest almindelige klimaproxy på denne tidsplan er endnu mere små. Foraminifera (kendt som “forams”) og kiselalter er encellede væsener, der har en tendens til at leve på havbunden og ofte er de ikke større end perioden ved udgangen af denne sætning. Fordi de er spredt over hele Jorden og har eksisteret siden Jurassic, har de efterladt en robust fossilrekord for forskere til at undersøge tidligere temperaturer. Ved hjælp af iltisotoper i deres skaller kan vi rekonstruere havtemperaturer, der går tilbage for mere end 100 millioner år siden.
”I ethvert udtaget, på hver buet strand, i hvert sandkorn er der en historie om jorden, ” skrev Carson engang. Det viser sig, at disse historier gemmer sig også i vandet, der skabte disse strande, og i væsner, der er mindre end et sandkorn.
Foraminiferer. (Ernst Haeckel) Hvor stor sikkerhed har vi for den dybe fortid?
For paleoklimatiske forskere er livet afgørende: Hvis du har indikatorer for liv på Jorden, kan du fortolke temperatur baseret på fordeling af organismer.
Men når vi er gået så langt tilbage, at der ikke længere er nogen conodont-tænder, har vi mistet vores hovedindikator. Fortid, at vi er nødt til at stole på fordelingen af sedimenter og markører af tidligere gletsjere, som vi kan ekstrapolere ud for groft at indikere klimamønstre. Så jo længere tilbage vi går, jo færre fuldmægtige har vi, og jo mindre kornet bliver vores forståelse. ”Det bliver bare foggier og foggier, ” siger Brian Huber, en Smithsonian paleobiolog, der hjalp til med at organisere symposiet sammen med en anden paleobiolog forskningsforsker og kurator Scott Wing.
Hvordan viser paleoklimat os vigtigheden af drivhusgasser?
Drivhusgasser fungerer som navnet antyder ved at fange varme. I det væsentlige ender de med at danne et isolerende tæppe til Jorden. (Du kan komme mere ind på den grundlæggende kemi her.) Hvis du ser på en graf over fortidens isalder, kan du se, at CO2-niveauer og isalder (eller global temperatur) er på linje. Mere CO2 svarer til varmere temperaturer og mindre is, og vice versa. ”Og vi kender retningen til årsagssammenhæng her, ” bemærker Alley. ”Det er primært fra CO2 til (mindre) is. Ikke omvendt."
Vi kan også se tilbage på specifikke snapshots i tide for at se, hvordan Jorden reagerer på tidligere CO2-pigge. For eksempel blev der i en periode med ekstrem opvarmning under Jordens cenozoiske æra for ca. 55, 9 millioner år siden frigivet nok kulstof til cirka det dobbelte af mængden af CO2 i atmosfæren. De følgelig varme forhold udbredte kaos og forårsagede massive migrationer og udryddelser; stort set alt, der levede, enten flyttede eller blev udryddet. Planter visne. Ocean forsuret og opvarmet til temperaturen på badekar.
Desværre kan dette være en harbinger for, hvor vi skal hen. ”Det er det, der er skræmmende for klimamodtagere, ” siger Huber. ”Med den hastighed, vi går, er vi slags afviklingstid tilbage til disse perioder med ekstrem varme.” Derfor er det at forstå kuldioxidens rolle i tidligere klimaforandringer hjælpe os med at forudsige fremtidige klimaændringer.
Det lyder ret dårligt.
Yep.
Jeg er virkelig imponeret over hvor meget paleoklimatiske data vi har. Men hvordan fungerer en klimamodel?
Fantastisk spørgsmål! I videnskab kan du ikke lave en model, medmindre du forstår de grundlæggende principper, der ligger til grund for systemet. Så det faktum, at vi er i stand til at lave gode modeller, betyder, at vi forstår, hvordan alt dette fungerer. En model er i det væsentlige en forenklet version af virkeligheden, baseret på hvad vi ved om fysikkens og kemiens love. Ingeniører bruger matematiske modeller til at opbygge strukturer, som millioner af mennesker stoler på, fra fly til broer.
Vores modeller er baseret på en ramme med data, hvoraf meget stammer fra de paleoklimatiske proxier, som forskere har samlet fra hvert hjørne af verden. Derfor er det så vigtigt, at data og modeller er i samtale med hinanden. Forskere tester deres forudsigelser om data fra den fjerne fortid og prøver at løse eventuelle uoverensstemmelser, der opstår. ”Vi kan gå tilbage i tiden og evaluere og validere resultaterne af disse modeller for at give bedre forudsigelser for, hvad der vil ske i fremtiden, ” siger Schmidt.
Her er en model:
Det er smukt. Jeg hører, at modellerne ikke er særlig nøjagtige.
I deres natur er modeller altid forkerte. Tænk på dem som en tilnærmelse, vores bedste gæt.
Men spørg dig selv: giver disse gætte os mere information, end vi tidligere havde haft? Leverer de nyttige forudsigelser, som vi ellers ikke ville have? Tillader de os at stille nye, bedre spørgsmål? ”Når vi sætter alle disse bits sammen, ender vi med noget, der ligner planeten meget, ” siger Schmidt. ”Vi ved, at det er ufuldstændigt. Vi ved, at der er ting, som vi ikke har medtaget, vi ved, at vi har indsat ting, der er lidt forkert. Men de grundlæggende mønstre, vi ser i disse modeller, kan genkendes ... som de mønstre, vi ser i satellitter hele tiden. ”
Så vi skal stole på dem til at forudsige fremtiden?
Modellerne gengiver trofast de mønstre, vi ser i Jordens fortid, nutid - og i nogle tilfælde fremtid. Vi er nu på det punkt, hvor vi kan sammenligne de tidlige klimamodeller - de i slutningen af 1980'erne og 1990'erne, som Schmidts team på NASA arbejdede med - med virkeligheden. ”Da jeg var studerende, fortalte de tidlige modeller os, hvordan det ville varme, ” siger Alley. ”Det sker. Modellerne er med succes forudsigelige såvel som forklarende: de fungerer. ”Afhængig af hvor du står, kan det måske få dig til at sige" Åh goody! Vi havde ret! ”Eller“ Åh nej! Vi havde ret. ”
For at kontrollere modellernes nøjagtighed går forskere lige tilbage til de paleoclimate data, som Alley og andre har indsamlet. De kører modeller ind i den fjerne fortid og sammenligner dem med de data, de faktisk har.
”Hvis vi kan gengive gamle fortidsklimaer, hvor vi ved, hvad der skete, fortæller det os, at disse modeller er et rigtig godt værktøj for os at vide, hvad der vil ske i fremtiden, ” siger Linda Ivany, en paleoklimat videnskabsmand ved Syracuse University. Ivany's proxy er gamle muslinger, hvis skaller ikke kun registrerer årlige forhold, men individuelle vintre og somre, der går 300 millioner år tilbage - hvilket gør dem til en værdifuld måde at kontrollere modeller på. ”Jo bedre modellerne bliver ved at inddrive fortiden, ” siger hun, ”jo bedre vil de være med at forudsige fremtiden.”
Paleoklimat viser os, at Jordens klima har ændret sig dramatisk. Betyder det ikke, at nutidens ændringer i relativ forstand ikke er en big deal?
Når Richard Alley forsøger at forklare alvoret i menneskeskabte klimaændringer, påkalder han ofte et bestemt årligt fænomen: de ildebrande, der brændes i bakkerne i Los Angeles hvert år. Disse brande er forudsigelige, cykliske, naturlige. Men det ville være vanvittigt at sige, at da brand er normen, er det fint at lade brandstiftere også sætte ild på. På samme måde betyder det faktum, at klimaet har ændret sig over millioner af år, ikke at menneskeskabte drivhusgasser ikke er en alvorlig global trussel.
"Vores civilisation er baseret på stabilt klima og havniveau, " siger Wing, "og alt, hvad vi kender fra fortiden, siger, at når du lægger en masse kulstof i atmosfæren, ændrer klima og havstand sig radikalt."
Siden den industrielle revolution har menneskelige aktiviteter hjulpet med at varme kloden 2 grader F, en fjerdedel af, hvad Schmidt betragter som en "istidsenhed" - den temperaturændring, som jorden gennemgår mellem en istid og en ikke-istid. Dagens modeller forudsiger yderligere 2 til 6 grader celsius af opvarmning i 2100 - mindst 20 gange hurtigere end tidligere opvarmningsanlæg i de sidste 2 millioner år.
Der er selvfølgelig usikkerheder: ”Vi kunne have en debat om, hvorvidt vi er lidt for optimistiske eller ikke, ” siger Alley. ”Men ikke meget debat om, hvorvidt vi er for skræmmende eller ej.” I betragtning af hvor ret vi var før, bør vi ignorere historien på vores egen fare.
