Paleoklimatologia: drzewa, korale i stalaktyty

W ostatnim artykule z naszego paleoklimatologicznego cyklu zajmiemy się przyrostami rocznymi. Na pewno słyszeliście, że liczba słojów w pniu drzewa odpowiada liczbie jego lat. Jednak podobne roczne warstwy, pozwalające na badanie historii klimatu, powstają także w koralowcach czy szacie naciekowej jaskiń.

Zdjęcie: Oleksandr Kotenko, Dreamstime.

Grubość słojów drzew

Każdego roku, drzewo tworzy pod korą kolejną warstwę drewna. Ta warstwa może być gruba, świadcząc o dobrych warunkach przyrostu, lub cienka, gdy były one mniej sprzyjające. Analizując grubość słojów otrzymujemy przede wszystkim informacje o wilgotności sezonu wegetacyjnego. Inne parametry - na przykład gęstość i porowatość drewna - mówią nam o panującej temperaturze i nasłonecznieniu.

Badając słoje drzew, nie jesteśmy bynajmniej ograniczeni czasowo do czasu życia drzew rosnących współcześnie. Możemy posłużyć się drzewami z dawnych okresów, które znajdziemy zachowane w stanie kopalnym w ich środowisku naturalnym, albo dobrze datowane w starych budynkach, kopalniach czy mostach. Do oszacowania wieku znaleziska można wykorzystać datowanie z użyciem izotopu 14C. Aby skompletować dane dla dłuższego odcinka czasu, trzeba zebrać próbki drewna okazów, których okresy życia częściowo się na siebie nakładały.

Rysunek 1: Na górze: przykład pnia drzewa ze słojami. Na dole: sposób konstrukcji wzorca na podstawie wielu nakładających się czasowo fragmentów drewna.

Jak każda metoda badawcza, ta też ma swoje ograniczenia. Badając słoje drzew rosnących w klimacie umiarkowanym uzyskujemy informacje o warunkach panujących w sezonie wegetacyjnym. Pora zimowa, nie ważne jak wyjątkowa, nie uwidoczni się w naszych danych. Z kolei drzewa w tropikach rosną równomiernie przez cały rok, zaznacza się w nich jednak sezonowość związana z opadami.

Danych ze słojów drzew nie da się niestety zastosować do analizy klimatu z lat najnowszych. Od lat 60. XX wieku cechy przyrostów przestały korelować ze zmianami temperatury. Najbardziej znane przyczyny tego zjawiska to efekty nawożenia CO2 (rosnące stężenie dwutlenku węgla przyspiesza wzrost roślin) i kwaśne deszcze będące wynikiem emisji aerozoli siarczanowych (utrudniają wzrost). Dochodzą do tego inne zjawiska działające lokalnie. Wystawione na podwyższone stężenia ozonu (tzw. smog fotochemiczny) drzewa tracą kontrolę nad aparatami szparkowymi, a w rezultacie nad zdolnością do zarządzania transportem wody i składników odżywczych. W skrajnych przypadkach to oddziaływanie może szybko zabić drzewo, jednak bardziej prawdopodobne jest, że zacznie ono podupadać na zdrowiu. Zaburzenie działania aparatów szparkowych prowadzi do utraty wody, przez co wystawienie na podwyższone stężenia ozonu daje objawy podobne do stresu w trakcie suszy, może go też pogłębiać.

Problemem dla lasów jest też zaburzenie cyklu azotowego, związane z produkcją nawozów sztucznych. Aktywny azot jest drzewom potrzebny, lecz zbyt duża jego ilość zaburza tempo i czas wzrostu oraz alokację zasobów w drzewie, co może prowadzić do pogorszenia jego zdrowia i odporności. Działając razem z ozonem, podwyższone stężenia azotu mogą wpływać na sposób w jaki węglowodany – energia potrzebna do wzrostu i przetrwania – są magazynowane i wykorzystywane, prowadząc do upośledzenia wzrostu systemu korzeniowego. Zarówno wzrost stężenia ozonu troposferycznego jak i aktywnego azotu mogą zwiększać podatność na susze i zagrożenie patogenami, grzybami i szkodnikami.

Takie właśnie zjawiska spowodowały, że zachowanie drzew od lat 60. XX w. przestało korelować ze zmianami temperatury, tak jak miało to miejsce wcześniej. Na ten temat przeczytasz więcej w artykule Mit: Rekonstrukcjom temperatury na podstawie słojów drzew nie można wierzyć.

Koralowce

Podobnie jak drzewa na lądzie, koralowce charakteryzują się wyraźnymi warstwami rocznych przyrostów, widocznymi jako jasno-ciemne pasy w ich szkielecikach z węglanu wapnia. Koralowce w przeciągu miesięcy reagują na zmiany w otoczeniu dotyczące temperatury, czystości wody i dostępności składników odżywczych, co czyni z nich prawdziwe archiwum danych z przeszłości.

Rysunek 2: Każdy z tych jasno-ciemnych pasów widocznych na zdjęciu rentgenowskim koralowca odpowiada 1 rokowi wzrostu. Młodsze warstwy koralowca znajdują się po lewej stronie, starsze po prawej. Źródło: NASA.

Podobnie jak w przypadku otwornic i innych organizmów morskich, ważne informacje można odczytać ze składu chemicznego i izotopowego kolejnych warstw.Stosunek izotopów tlenu pozwala określić temperaturę i opady w sezonie wzrostu (przeczytaj także Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura). Choć zarówno wysoka temperatura jak i niskie zasolenie wód powierzchniowych (związane z dużymi opadami) prowadzą do wzrostu koncentracji lekkiego izotopu 16O, to analiza innych pierwiastków, na przykład względnych proporcji pobieranych ze środowiska magnezu i wapnia (które zależą głównie od temperatury) pozwala na określenie zarówno zmian temperatury jak i zasolenia/opadów.

Datowanie żyjących koralowców można przeprowadzać w oparciu o słoje. Podobnie jak dla drzew, można też wykorzystać metodę łączenia szeregów czasowych na podstawie skamieniałości dawno temu żyjących koralowców. Ich węglanowe szkielety można datować metodami izotopowymi, dla skali czasowej do ok. 30 tysięcy lat z pomocą węgla 14C, a dla starszych pomiarami uranu i toru. Podobnie jak nacieki jaskiniowe, szkielety koralowców zawierają atomy uranu, które w skali setek tysięcy lat stopniowo przekształcają się w atomy toru.

Badania koralowców pozwalają też na stwierdzenie, kiedy wysokie opady i powodzie wprowadziły do oceanów osady lądowe, ich obecność w wodzie zmienia bowiem kolor koralowców lub hamuje ich wzrost. Ponieważ koralowce rafowe żyją tylko w płytkich wodach, na podstawie pozostałości raf koralowych można też określać dawne wahania poziomu morza.

Nacieki jaskiniowe

Skały w jaskiniach są chronione przed wietrzeniem i intensywną erozją, które niszczą zapisy dawnego klimatu w skałach znajdujących się na powierzchni Ziemi. Gdy woda przenika w głąb ziemi, nasyca się minerałami, w tym węglanem wapnia CaCO3. Gdy bogata w minerały woda przenika do jaskiń, węglan wapnia osadza się na skale, tworząc zwisające z sufitu stalaktyty, wznoszące się z dna jaskini stalagmity oraz powierzchniowe nacieki na ścianach i dnie jaskini.

Rysunek 3: Stalagmity w jednej z karpackich jaskiń, zdjęcie Kiraly Zoltan, Dreamstime.com.

Gdy woda przesącza się przez szczeliny skalne, nacieki jaskiniowe rosną. Tempo tego wzrostu jest miarą ilości wód gruntowych spływających do jaskini. Małe tempo wzrostu jest oznaką suszy, szybkie zaś wysokich opadów.

Czas powstania nacieków możemy określić, mierząc proporcje radioaktywnych izotopów uranu i toru. Atomy uranu stopniowo rozpadają się do toru, w glebie mamy więc zarówno jedne, jak i drugie. O ile jednak atomy uranu są wypłukiwane do wód gruntowych, to tor pozostaje związany w glinie. W rezultacie w przesączającej się przez skały i trafiającej do jaskiń wodzie gruntowej znajdują się atomy uranu, ale nie toru. W świeżo powstających warstwach nacieków jaskiniowych zwykle więc znajduje się jedynie uran, toru zaś nie ma. Wraz z upływem czasu uran rozpada się do toru, mierząc więc stosunek ich izotopów możemy określić jak dawno powstała dana warstwa nacieku. Uzyskujemy więc zgrubny zapis zmian przepływu wód gruntowych w czasie. Ponieważ wzrost nacieków w jaskini może zależeć od lokalnych czynników, aby móc z większą wiarygodnością określić zmiany klimatu trzeba zebrać dane z wielu jaskiń na danym obszarze.

Z nacieków, podobnie jak z innych skał wapiennych, możemy również pozyskiwać informacje o klimacie w czasach formowania się kolejnych warstw, na przykład badając zmiany stosunku lekkich i ciężkich izotopów tlenu, węgla i elementów śladowych.

 Podsumowanie

W naszym cyklu nie opisaliśmy wszystkich możliwych metod badania historii klimatu, z pewnością więc będziemy jeszcze wracać do tego tematu. Wykorzystanie danych pośrednich ma swoje ograniczenia: nie wszystkie pozwalają sięgnąć tak samo daleko wstecz, pozwalają też na różną rozdzielczość czasową analiz. Za najbardziej wiarygodne uważa się więc analizy, w których łączy się informacje oparte na różnych źródłach danych.

Rekonstrukcje zmian temperatury powierzchni Ziemi z wykorzystaniem wskaźników klimatycznych wykazują wysoką zgodność rekonstrukcji z instrumentalnymi pomiarami temperatury.

Rysunek 4: Przeprowadzona przez NOAA rekonstrukcja zmian temperatury odtworzonych w oparciu o 173 różnorodne fizyczne i biologiczne wskaźniki zależne od globalnych zmian temperatury powierzchni (rafy koralowe, rdzenie lodowe, nacieki w jaskiniach, osady w jeziorach i oceanach, dokumenty historyczne) (linia ciągła) oraz w oparciu o pomiary instrumentalne na lądzie i oceanach (Mean Land-Ocean Temperature – MLOST, linia kreskowana) względem okresu bazowego 1901-2000. Zakres paleowskaźnika i globalnej temperatury jest przypadkowo zbliżony, choć jednostki pomiarowe są różne (bezwymiarowe wartości indeksu vs. stopnie Celsjusza). Źródło: NOAA.

Marcin Popkiewicz, Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: dr hab. Jarosław Tyszka i inni

Pozostałe części cyklu:
Paleoklimatologia: o co w tym w ogóle chodzi?
Paleoklimatologia: co nam powie skład izotopowy węgla
Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura
Paleoklimatologia: aktywność słoneczna i radioaktywne izotopy
Paleoklimatologia: sekrety rdzeni lodowych
Paleoklimatologia: CO2 - jeśli nie rdzenie lodowe, to co?

Opublikowano: 2018-09-17 19:16
Tagi

paleoklimatologia

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.