Klimatolodzy sporządzili ciągły, bardzo wierny zapis zmian klimatu na Ziemi sięgający 66 milionów lat w przeszłość. Naukowcy nazwali cieplarnią, chłodnią i lodownią.

Te główne stany klimatyczne utrzymywały się przez miliony, a czasem dziesiątki milionów lat, w każdym z nich klimat wykazuje rytmiczne zmiany odpowiadające zmianom orbity Ziemi wokół Słońca. Jednak każdy stan klimatyczny ma odrębną reakcję na zmiany orbity, które powodują stosunkowo niewielkie zmiany globalnych temperatur w porównaniu z dramatycznymi przesunięciami między różnymi stanami klimatycznymi.

Nowe odkrycia, opublikowane 10 września w Science, są wynikiem dziesięcioleci pracy i dużej międzynarodowej współpracy. Wyzwaniem było określenie przeszłych zmian klimatycznych w skali czasowej dostatecznie dokładnej, aby zobaczyć zmienność przypisywaną wahaniom orbity (w ekscentryczności orbity Ziemi wokół Słońca oraz precesji i nachylenia jej osi obrotu).

„Od dawna wiedzieliśmy, że cykle lodowcowo-międzylodowcowe są stymulowane przez zmiany orbity Ziemi, które zmieniają ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi, a astronomowie obliczali te zmiany orbit w czasie” – wyjaśnia współautor James Zachos, wybitny profesor nauk o Ziemi i planetach oraz Ida Benson Lynn profesor zdrowia oceanów na UC Santa Cruz.

„Podczas rekonstrukcji poprzednich klimatów mogliśmy dość dobrze zobaczyć długoterminowe, zgrubne zmiany. Wiedzieliśmy również, że powinna istnieć zmienność rytmiczna w drobniejszych skalach z powodu zmian orbitalnych, ale przez długi czas uważano, że odzyskanie tego sygnału jest niemożliwe” – powiedział Zachos Powiedziany. „, Teraz gdy udało nam się uchwycić naturalną zmienność klimatu, widzimy, że przewidywane ocieplenie antropogeniczne będzie znacznie większe”.

Przez ostatnie 3 miliony lat klimat na Ziemi znajdował się w stanie Icehouse charakteryzującym się naprzemiennymi okresami lodowcowymi i interglacjalnymi. Współcześni ludzie ewoluowali w tym czasie, ale emisje gazów cieplarnianych i inne działania człowieka prowadzą obecnie planetę w kierunku stanów klimatycznych cieplarnianych i cieplarnianych, których nie widziano od epoki eocenu, która zakończyła się około 34 miliony lat temu. We wczesnym eocenie nie było polarnych czap lodowych, a średnie globalne temperatury były o 9 do 14 stopni Celsjusza wyższe niż obecnie.

„Prognozy IPCC na 2300 w scenariuszu »biznes jak zwykle« potencjalnie doprowadzą do wzrostu globalnej temperatury do poziomu, jakiego planeta nie widziała od 50 milionów lat — powiedział Zachos.

Krytyczne dla skompilowania nowego rekordu klimatycznego było pozyskanie wysokiej jakości rdzeni osadów z głębokich basenów oceanicznych w ramach międzynarodowego programu odwiertów oceanicznych (ODP, później zintegrowany program odwiertów oceanicznych, IODP, zastąpiony w 2013 r. Przez Międzynarodowy Program Odkrywania Oceanów). W skorupach mikroskopijnego planktonu (zwanego otwornicami) zachowanych w osadach dna morskiego odnotowuje się ślady minionych klimatów. Po przeanalizowaniu rdzeni osadów naukowcy musieli następnie opracować „astro chronologię”, dopasowując zmiany klimatyczne odnotowane w warstwach osadów do zmian orbity Ziemi (znane jako cykle Milankovitcha).

„Społeczność odkryła, jak rozszerzyć tę strategię na starsze przedziały czasowe w połowie lat 90”. – powiedział Zachos, który prowadził badanie opublikowane w 2001 roku w Science, które wykazało reakcję klimatu na zmiany orbity w okresie 5 milionów lat, obejmującym Przejście od epoki oligocenu do miocenu, około 25 milionów lat temu.

„To zmieniło wszystko, ponieważ gdybyśmy mogli to zrobić, wiedzieliśmy, że moglibyśmy cofnąć się do koło 66 milionów lat temu i umieścić te przejściowe wydarzenia i główne przejścia w klimacie Ziemi w kontekście zmian w skali orbity” – powiedział. .

Zachos od lat współpracuje z głównym autorem Thomasem Westerholdem w Centrum Nauk o Środowisku Morskim Uniwersytetu w Bremie (MARUM) w Niemczech, w którym znajduje się ogromne repozytorium rdzeni osadów. Laboratorium w Bremie wraz z grupą Zachosa z UCSC wygenerowało wiele nowych danych dla starszej części rekordu.

Westerhold nadzorował krytyczny krok, łącząc nakładające się segmenty zapisu klimatycznego uzyskanego z rdzeni osadów z różnych części świata. „To żmudny proces gromadzenia tej długiej megasplice zapisów klimatycznych. Chcieliśmy również powielić te zapisy z oddzielnymi rdzeniami osadu, aby zweryfikować sygnały, więc był to duży wysiłek wspólnej pracy społeczności międzynarodowej” – powiedział Zachos.

Teraz gdy opracowali ciągły, datowany astronomicznie zapis klimatyczny z ostatnich 66 milionów lat, naukowcy mogą zobaczyć, że reakcja klimatu na zmiany orbity zależy od takich czynników, jak poziomy gazów cieplarnianych i zasięg polarnych pokryw lodowych.

„W ekstremalnie szklarniowym świecie bez lodu nie będzie żadnych sprzężeń zwrotnych związanych z pokrywami lodowymi, a to zmienia dynamikę klimatu” – wyjaśnił Zachos.

Większość głównych zmian klimatycznych w ciągu ostatnich 66 milionów lat była związana ze zmianami poziomów gazów cieplarnianych. Zachos przeprowadził szeroko zakrojone badania nad maksymalnym temperaturą paleocenu i eocenu (PETM), na przykład pokazując, że ten epizod gwałtownego globalnego ocieplenia, który doprowadził klimat do stanu cieplarnianego, był związany z masowym uwalnianiem węgla do atmosfery. Podobnie w późnym eocenie, gdy poziom dwutlenku węgla w atmosferze spadał, na Antarktydzie zaczęły tworzyć się pokrywy lodowe, a klimat przeszedł w stan Coolhouse.

„Klimat może stać się niestabilny, gdy zbliża się do jednej z tych przemian i widzimy bardziej deterministyczne reakcje na wymuszanie orbity, więc chcielibyśmy to lepiej zrozumieć” – powiedział Zachos.

Dodał, że nowy zapis klimatyczny stanowi cenne ramy dla wielu dziedzin badań. Jest przydatny nie tylko do testowania modeli klimatycznych, ale także dla geofizyków badających różne aspekty dynamiki Ziemi i paleontologów badających, w jaki sposób zmieniające się środowiska wpływają na ewolucję gatunków.

Współautorzy Steven Bohaty, obecnie na Uniwersytecie w Southampton i Kate Littler, obecnie na Uniwersytecie w Exeter, oboje pracowali z Zachosem na UC Santa Cruz. Współautorami artykułu są także naukowcy z kilkunastu instytucji na całym świecie. Praca została sfinansowana przez German Research Foundation (DFG), Natural Environmental Research Council (NERC), program Unii Europejskiej Horizon 2020, National Science Foundation of China, Netherlands Earth System Science Center i U.S. National Science Foundation.