U Tiho proljeće, Rachel Carson smatra zapadnjačku sage. "Ovdje je prirodni krajolik rječit iz međusobnih djelovanja snaga koje su ga stvorile", piše ona. „To se širi pred nama poput stranica otvorene knjige u kojoj možemo pročitati zašto je zemlja takva kakva jest i zašto bismo trebali očuvati njezin integritet. Ali stranice lažu nepročitano. "Ona tuguje za nestankom prijetećeg krajolika, ali možda jednako dobro govori o markerima paleoklime.
Da biste znali kamo idete, morate znati gdje ste bili. To se posebno odnosi na klimatologe, koji trebaju razumjeti cijeli raspon pomaka planete kako bi planirali tijek naše budućnosti. Ali bez vremenskog stroja, kako dobivaju ove vrste podataka?
Poput Carsona, oni moraju čitati Zemljine stranice. Srećom, Zemlja je vodila dnevnike. Sve što složi godišnje slojeve - oceanski koralji, špiljski stalagmiti, dugovječna stabla, sićušna morska stvorenja - vjerno bilježi stanje prošlosti. Da bi otišli dalje, znanstvenici bacaju jezgre sedimenata i ledene jezgre s dna oceana i ledene stupove, koji pišu vlastite memoare u praske pepela i prašine i mjehurića dugo zarobljenog plina.
U određenom smislu, onda, imamo i vremenske strojeve: Svaki od ovih posrednika govori malo drugačiju priču koju znanstvenici mogu tkati zajedno kako bi stvorili potpunije razumijevanje prošlosti Zemlje.
U ožujku je Nacionalni muzej prirodne povijesti Smithsonian Institucije održao trodnevni Simpozij o povijesti temperature na Zemlji koji je okupio učitelje, novinare, istraživače i javnost kako bi poboljšao njihovo razumijevanje paleoklime. Tijekom večernjeg predavanja, Gavin Schmidt, klimatski modelar i direktor NASA-inog Instituta Goddard za svemirske studije, i Richard Alley, svjetski poznati geolog na Državnom sveučilištu Pennsylvania, objasnili su kako znanstvenici koriste prošlost Zemlje za poboljšanje klimatskih modela koje koristimo za predviđanje naša budućnost.
Evo vam vodiča za klimatsku prošlost Zemlje - ne samo ono što znamo, već i kako ga znamo.
Kako gledamo u prošlost Zemlje na Zemlji?
Potrebno je malo kreativnosti za rekonstrukciju prošlih inkarnacija Zemlje. Srećom, znanstvenici poznaju glavne prirodne čimbenike koji oblikuju klimu. Uključuju erupcije vulkana čiji pepeo blokira sunce, promjene u Zemljinoj orbiti koje pomiču sunčevu svjetlost na različite zemljopisne širine, cirkulaciju okeana i morskog leda, raspored kontinenata, veličinu ozonske rupe, eksplozije kozmičkih zraka i krčenje šuma. Od njih su najvažniji staklenički plinovi koji hvataju sunčevu toplinu, posebno ugljični dioksid i metan.
Kao što je Carson napomenuo, Zemlja bilježi te promjene u svojim krajolicima: u geološkim slojevima, fosilnim stablima, fosilnim školjkama, čak i kristaliziranim štapićima štakora - u osnovi svemu onome što se stvarno sačuva. Znanstvenici mogu otvoriti ove stranice dnevnika i pitati ih što se događalo u to vrijeme. Prstenovi s drveća osobito su marljivi rekordera, koji bilježe oborine u svoje godišnje prstenove; ledene jezgre mogu zadržati vrlo detaljne detalje o sezonskim uvjetima koji sežu gotovo milijun godina.
Ledene jezgre otkrivaju godišnje slojeve snježnih padavina, vulkanski pepeo, pa čak i ostatke davno mrtvih civilizacija. (NASA-in Goddard / Ludovic Brucker) Što nam još može reći ledena jezgra?
"Wow, ima toliko", kaže Alley, koji je proveo pet sezona u lovu na led s grenlandske ledene ploče. Razmislite što je zapravo ledena jezgra: presjek slojeva snježnih padavina koji sežu tisućljećima.
Kad snijeg prekriva zemlju, on sadrži male zračne prostore ispunjene atmosferskim plinovima. Na polovima se stariji slojevi ukopavaju i komprimiraju u led, pretvarajući ove prostore u mjehuriće prošloga zraka, kako pišu istraživači Caitlin Keating-Bitonti i Lucy Chang na Smithsonian.com. Znanstvenici koriste kemijski sastav samog leda (omjer teških i lakih izotopa kisika u H2O) za procjenu temperature. Na Grenlandu i Antarktici znanstvenici poput Alleyja izdvajaju nezamislivo duge ledene jezgre - dugačke više od dvije milje!
Ledene jezgre nam govore koliko je snijega palo tijekom određene godine. Ali otkrivaju i prašinu, morsku sol, pepeo iz dalekih vulkanskih eksplozija, čak i onečišćenje koje je ostavilo rimsko vodovodno napajanje. "Ako je u zraku, onda je u ledu", kaže Alley. U najboljim slučajevima, ledene jezgre možemo datirati prema njihovoj točnoj sezoni i godini, računajući njihove godišnje slojeve poput prstenova na drveću. I ledene jezgre čuvaju ove izvrsne detalje unazad stotine tisuća godina, čineći ih onim što Alley naziva "zlatnim standardom" proleoklekta za paleoklimu.
Čekaj, ali nije li povijest Zemlje mnogo duža od toga?
Da, tako je. Znanstvenici za paleoklimu trebaju se vratiti milijunima godina - a za to su nam potrebne stvari čak i starije od ledenih jezgara. Srećom, život se dugo bilježi. Fosilni zapisi složenog života sežu negdje oko 600 milijuna godina. To znači da imamo određene punomoćnike za klimatske promjene koje se vraćaju približno tako daleko. Jedan od najvažnijih su zubi koodonata - izumrla stvorenja, poput jegulja - koji sežu 520 milijuna godina.
No, neki su od najčešćih klimatskih posrednika u ovom vremenskom razmaku još manje izraženi. Foraminifera (poznata kao forami) i dijatomeji su jednostanična bića koja obično žive na morskom dnu oceana i često nisu veća od razdoblja na kraju ove rečenice. Budući da su raštrkane po cijeloj Zemlji i obitavaju još od jure, ostavili su snažan zapis o fosilima kako bi znanstvenici mogli ispitivati prošle temperature. Pomoću izotopa kisika u njihovim školjkama možemo rekonstruirati temperature oceana od prije više od 100 milijuna godina.
"U svakom rubu ispucavanja, u svakoj zakrivljenoj plaži, u svakom zrnu pijeska postoji priča o zemlji", jednom je napisao Carson. Te se priče, ispada, kriju i u vodama koje su stvorile te plaže, i u stvorenjima manjim od zrna pijeska.
Foraminifere. (Ernst Haeckel) Koliku sigurnost imamo za duboku prošlost?
Za znanstvenike iz paleoklime život je presudan: ako imate pokazatelje života na Zemlji, možete tumačiti temperaturu na temelju raspodjele organizama.
Ali kad smo se vratili tako daleko da više nema ni zuba koodonata, izgubili smo svoj glavni pokazatelj. Prošlost da se moramo osloniti na raspodjelu sedimenata i markera prošlih ledenjaka, koje možemo izdvojiti kako bismo otprilike naznačili klimatske obrasce. Dakle, što dalje idemo, manje zastupnika imamo i manje detaljnije postaje naše razumijevanje. "Jednostavno postaje maglovitiji i maglovitiji", kaže Brian Huber, Smithsonian paleobiolog koji je pomogao organizirati simpozij zajedno s kolegom znanstvenikom i kustosom istraživača paleobiologa Scott Wingom.
Kako nam paleoklima pokazuje važnost stakleničkih plinova?
Staklenički plinovi, kako im i samo ime govori, djeluju hvatajući toplinu. U osnovi, oni tvore izolacijski pokrivač za Zemlju. (Ovdje možete saznati više o osnovnoj kemiji.) Ako pogledate grafikon prošlog ledenog doba, možete vidjeti da se razina CO2 i ledeno doba (ili globalna temperatura) poravnavaju. Više CO2 jednako je toplijim temperaturama i manje leda i obrnuto. "A mi ovdje znamo smjer uzročnosti", napominje Alley. „To je prije svega od CO2 do (manje) leda. Ne obrnuto. "
Također se možemo osvrnuti na određene snimke s vremenom kako bismo vidjeli kako Zemlja reagira na prijašnje klice CO2. Primjerice, u razdoblju ekstremnog zagrijavanja tijekom Zemljine kenozojske ere prije otprilike 55, 9 milijuna godina, ispušteno je dovoljno ugljika da približno udvostruči količinu CO2 u atmosferi. Posljedično vrući uvjeti prouzročili su pustoš, uzrokujući masovne migracije i izumiranja; gotovo sve što se živjelo ili se preselilo ili izumrlo. Biljke venu. Okeani su zakiseljeni i zagrijavani do temperature kade.
Nažalost, ovo bi moglo biti predznak za ono kamo idemo. "Ovo je zastrašujuće klimatskim modelima", kaže Huber. "Po brzini kojom krećemo, pomalo se vraćamo u ta razdoblja ekstremne topline." Zato nam razumijevanje uloge ugljičnog dioksida u prošlim klimatskim promjenama pomaže u prognoziranju budućih klimatskih promjena.
Zvuči prilično loše.
Da.
Zaista sam impresioniran koliko paleoklimatskih podataka imamo. Ali kako funkcionira klimatski model?
Sjajno pitanje! U znanosti, ne možete napraviti model ako ne razumijete osnovne principe na kojima stoji sustav. Dakle, sama činjenica da smo u mogućnosti napraviti dobre modele znači da razumijemo kako to sve funkcionira. Model je u osnovi pojednostavljena verzija stvarnosti koja se temelji na onome što znamo o zakonima fizike i kemije. Inženjeri koriste matematičke modele za izgradnju struktura na koje se oslanjaju milijuni ljudi, od aviona do mostova.
Naši se modeli temelje na okviru podataka, a velik dio njih dolazi iz posrednika koji su sakupljali paleoklimatski znanstvenici iz svih krajeva svijeta. Zato je toliko važno da podaci i modeli međusobno razgovaraju. Znanstvenici testiraju svoja predviđanja na podacima iz daleke prošlosti i pokušavaju popraviti eventualne razlike. "Možemo se vratiti u prošlost i procijeniti i potvrditi rezultate ovih modela kako bismo bolje predvidjeli što će se dogoditi u budućnosti", kaže Schmidt.
Evo modela:
Lijepo je. Čujem da modeli nisu baš precizni.
Po svojoj prirodi modeli uvijek griješe. Zamislite ih kao aproksimaciju, naša najbolja pretpostavka.
Ali zapitajte se: daju li nam ta nagađanja više informacija nego što smo imali prije? Daju li korisna predviđanja koja inače ne bismo imali? Dopuštaju li nam da postavljamo nova, bolja pitanja? "Dok sve ove bitove sastavimo zajedno, završavamo s nečim što nalikuje planeti", kaže Schmidt. "Znamo da je nepotpuno. Znamo da postoje stvari koje nismo uključili, znamo da smo ubacili stvari koje su pomalo u krivu. Ali osnovni obrasci koje vidimo u ovim modelima su prepoznatljivi ... kao obrasci koje stalno vidimo u satelitima. "
Pa bismo im trebali vjerovati da predviđaju budućnost?
Modeli vjerno reproduciraju obrasce koje vidimo u prošlosti, sadašnjosti Zemlje, a u nekim slučajevima i budućnosti. Sada smo tamo gdje možemo usporediti modele rane klime - one s kraja 1980-ih i 1990-ih, na kojima je radio Schmidtov tim u NASA-i - sa stvarnošću. "Kad sam bila student, rani modeli su nam govorili kako će se ugrijati", kaže Alley. "To se događa. Modeli su uspješno predviđajući i objašnjavajuće: oni djeluju. "Ovisno o tome gdje stojite, to bi moglo značiti da kažete:" Oh, dobro! Bili smo u pravu! "Ili" O, ne! Bili smo u pravu. "
Da bi provjerili točnost modela, istraživači se vraćaju na podatke o paleoklimi koje su Alley i drugi prikupili. Voze modele u daleku prošlost i uspoređuju ih s podacima koje oni stvarno imaju.
"Ako možemo reproducirati stare klime tamo gdje znamo što se dogodilo, to nam govori da su ti modeli stvarno dobro sredstvo da znamo što će se dogoditi u budućnosti", kaže Linda Ivany, znanstvenica za paleoklimu na sveučilištu Syracuse. Ivanyjevi istraživački posrednici drevne su školjke, čije školjke bilježe ne samo godišnje uvjete, već pojedinačne zime i ljeta od 300 milijuna godina - što ih čini vrijednim načinom provjere modela. "Što bolji modeli dobivaju u vraćanju prošlosti, kaže ona, " bolji će im biti u predviđanju budućnosti. "
Paleoklima nam pokazuje da se klima Zemlje drastično promijenila. Ne znači li to da, u relativnom smislu, današnje promjene nisu velika stvar?
Kada Richard Alley pokušava objasniti težinu klimatskih promjena koje su stvorile čovjek, često se poziva na poseban godišnji fenomen: divlje vatre koje svake godine plamte na brdima Los Angelesa. Ti su požari predvidljivi, ciklični, prirodni. Ali bilo bi suludo reći da, pošto su požari norma, u redu je i paljenjem požara. Slično tome, činjenica da se klima mijenjala tijekom milijuna godina ne znači da proizvedeni staklenički plinovi ne predstavljaju ozbiljnu globalnu prijetnju.
"Naša civilizacija je zasnovana na stabilnoj klimi i razini mora, " kaže Wing, "a sve što znamo iz prošlosti kaže da se, kad unesete puno ugljika u atmosferu, klima i razina mora temeljito promijene."
Od industrijske revolucije, ljudske aktivnosti pomogle su zagrijavanju svijeta za 2 stupnja F, četvrtina onoga što Schmidt smatra "jedinicom ledenog doba" - promjenom temperature koju Zemlja prolazi između ledenog doba i ne-ledenog doba. Današnji modeli predviđaju zagrijavanje od 2 do 6 stupnjeva Celzija do 2100. - barem 20 puta brže od posljedica zagrijavanja u posljednja 2 milijuna godina.
Naravno da postoje neizvjesnosti: "Mogli bismo raspravljati jesmo li previše optimistični ili ne", kaže Alley. "Ali nema mnogo rasprava oko toga jesmo li previše strašni ili ne." S obzirom na to koliko smo prije bili u pravu, trebali bismo ignorirati povijest na vlastiti rizik.
