Paleoklimatologia: o co w tym w ogóle chodzi?

 „Kto mierzył koncentracje dwutlenku węgla w atmosferze dwa tysiące lat temu?”, „Skąd znamy temperaturę z czasów, gdy nie było jeszcze termometrów?” – podobne pytania nurtują wielu czytelników Wykopu, Wirtualnej Polski i innych portali. Pomoże na nie odpowiedzieć nasz nowy cykl artykułów, którego bohaterką jest paleoklimatologia, czyli badania dawnego klimatu Ziemi.

Tysiące i miliony lat temu nikt nie mierzył temperatur, stężeń gazów cieplarnianych, poziomu morza czy aktywności słonecznej. Nie tylko z braku odpowiednich instrumentów pomiarowych – przez większą część historii Ziemi brakowało również odpowiednio inteligentnego „kogoś”. Aby poznać odległe dzieje naszej planety, musimy więc sięgać po wskaźniki paleoklimatyczne (ang. proxies), czyli dane pośrednie.

Ślady dawnych zmian klimatu są dostępne w wielu miejscach, od głębin oceanicznych po lądolody – trzeba tylko wiedzieć jak je wytropić i odczytać. Niektóre gatunki roślin rosną jedynie w tropikach, inne wymagają znacznie chłodniejszych warunków; nawet kształt liści dostarcza informacji o temperaturze. Słoje drzew, koralowce i skały jaskiniowe dostarczają wiedzy o cyklach susz i opadów. Rdzenie lodowe pozwalają określać dawne temperatury, a w uwięzionych w nich bąbelkach powietrza zachowane są informacje o dawnym składzie atmosfery. Bogactwo źródeł danych jest niezwykłe – wielu z nich poświęcimy odrębne artykuły.

Ustalanie osi czasu

Różne wskaźniki klimatyczne dostarczają informacji o warunkach panujących w różnych okresach. Rdzenie lodowe z Antarktydy sięgają do 800 tysięcy lat wstecz. Osady oceaniczne pozwalają sięgać w przeszłość na dużym obszarze Ziemi na kilkadziesiąt milionów lat, a najstarsze zachowane fragmenty dna oceanicznego liczą sobie 180 mln lat. Część osadów oceanicznych została wyniesiona i zachowana w formacjach lądowych liczących sobie setki milionów, a nawet miliardy lat. Bogate ekosystemy lądowe, dostarczające dziś wielu wskaźników klimatycznych, powstały ok. 400 mln lat temu.

Każdy z elementów wielkiej układanki paleoklimatycznej musi zostać starannie skalibrowany względem interesującej nas zmiennej (polega to na określeniu sposobu przeliczania np. grubości słoi drzew na wilgotność sezonu wegetacyjnego, a gęstości i porowatości drewna w słojach na panującą wtedy temperaturę). Trzeba go również skorelować w czasie, dopasowując do pozostałych (np. identyfikując jakieś charakterystyczne zdarzenie, dobrze widoczne w różnych profilach geologicznych – choćby ślady dużej erupcji wulkanicznej, czy pierwsze pojawienie się charakterystycznych gatunków organizmów zachowanych w postaci skamieniałości). Dopiero uwzględnienie wielu źródeł jednocześnie tworzy wiarygodny obraz historii ziemskiego klimatu.

Kroniki i inne historyczne zapisy

Badanie niedalekiej przeszłości najprościej zacząć od zapisów historycznych. Chociaż ludzkość nie zawsze miała do dyspozycji termometry, od dawna miała kronikarzy, którzy notowali różne informacje pozwalające wyciągać wnioski na temat klimatu. Przykładowo w wielu miastach portowych zachowały się zapisy o tym, w których latach woda zamarzała, co daje informacje o temperaturze w zimie danego roku. W wielu regionach winiarskich prowadzone były zapisy o dacie zbiorów, co pozwala określić na ile ciepłe było lato danego roku. W Japonii zapisywano daty kwitnięcia wiśni (Aono i Kazui, 2008). Z kolei zapisy pokładowe statków dostarczają informacji o panujących w danym miejscu i czasie warunkach pogodowych, od temperatury i opadów po stan pokrywy lodowej (Kuttel i in., 2009, każdy może pomóc w ich odczytywaniu dzięki projektowi Old Weather).

Odwierty głębinowe

Ciekawą metodą zaglądania w przeszłość są odwierty głębinowe. Pozwalają na zanalizowanie, jak zmienia się temperatura wraz z głębokością. Każdy, kto piekł w piekarniku indyka wie, jak wiele trzeba czasu, żeby ogrzało się jego wnętrze. Jeszcze wolniej zmiany temperatury powierzchni Ziemi propagują się w głąb skorupy ziemskiej. Wędrówka ciepła przez gruby na 2-3 km lądolód Grenlandii trwa dziesiątki tysięcy lat: temperatury w jego wnętrzu odzwierciedlają warunki panujące w czasach epoki lodowej! Podobnie, badając profile zmian temperatury w funkcji głębokości w skałach na Suwalszczyźnie, możemy znaleźć miejsca, gdzie na głębokości kilkuset metrów znajduje się wieczna zmarzlina, co jest pozostałością niskich temperatur z czasów epoki lodowcowej (Šafanda i in., 2004). Badania takie można prowadzić w warunkach niewielkiej i dobrze mierzalnej przewodności ciepła. Nie nadają się do tego miejsca z pokładami wodonośnymi, nadają się zaś zwarte pokłady skalne czy lądolody.

Lodowce i rdzenie lodowe

Bardzo czułe na zmiany temperatury i opadów są lodowce – w okresach chłodnych i śnieżnych schodzą w doliny, a wraz z ocieplaniem się klimatu cofają się. Wiedzę o ich zachowaniu w przeszłości możemy czerpać z zapisów historycznych, datowanych śladach ich zasięgu, ale też obserwując, co wyłania się spod topniejących lodowców. W Alpach czy Andach odsłaniają się pozostałości z czasów starożytnych, na przykład ubrania czy drewniane narzędzia. Dopóki są zamrożone pod lodowcem, pozostają zachowane w dobrym stanie. Wydobyte na wierzch, w ciągu kilku miesięcy ulegają znaczącemu rozkładowi.

Wyłaniającą się spod lodowców materię pochodzenia organicznego potrafimy precyzyjnie datować za pomocą datowania radiowęglowego, tj. analizy zawartości w próbce węgla ¹⁴C. Jego zawartość w próbkach spada w wyniku rozpadu promieniotwórczego o połowę co 5740 lat. Niestety szacowanie wieku próbek tą metodą jest dokładne tylko do około 50 tysięcy lat wstecz. Po tym czasie zawartość węgla ¹⁴C w próbce spada 1000-krotnie, co uniemożliwia określenie jej wieku, poza stwierdzeniem, że jest ona starsza niż 50 tysięcy lat. Przykładowo, na Ziemi Baffina (wyspa na zachód od Grenlandii) topnieje lodowiec, spod którego wyłaniają się kępy martwego mchu, w których nie ma mierzalnych ilości ¹⁴C. Oznacza to, że znika lodowiec istniejący od ponad 50 tysięcy lat.

Lodowce pozostawiają ślady nie tylko na powierzchni lądu. Znajdowany w dnie oceanicznym żwir i większe głazy pochodzenia lądowego świadczą o ich transporcie przez góry lodowe lub lód morski. Po ich rodzaju i miejscu pochodzenia można określać nie tylko warunki termiczne, ale też kierunek prądów morskich.

Osady oceaniczne

Przez wiele milionów lat deszcz resztek martwych organizmów morskich opadał na dno oceanów, tworząc na nim osady. Dziś możemy je pobierać w wielu miejscach na całym świecie, po prostu wbijając w dno długą rurę, zamykając jej dolny koniec i wyciągając całość na powierzchnię. Osady układają się warstwami, które możemy datować. Możemy następnie badać tworzące osady szczątki organiczne, stwierdzając, jakie gatunki żyły w danym miejscu i określonym czasie. W ten sposób pozostałości kopalne małżoraczków, okrzemków i mchów pozwoliły określić, że pierwsze kenozoiczne zlodowacenia Antarktydy mają ponad 30 mln lat, a kontynent ten zamarzł ostatecznie 14 milionów lat temu.

Wskaźniki paleoklimatyczne mogą stanowić nie tylko gatunki zamieszkujące dane miejsce w określonym czasie, ale też cechy danego gatunku, zależne od warunków środowiskowych, takich jak temperatura czy kwasowość środowiska. Zaobserwowano między innymi, że pewne grupy fitoplanktonu wytwarzają cząsteczki specyficznych długich łańcuchów węglowych, zwanych alkenonami, zawierających od 35 do 41 atomów węgla i mających od jednego do czterech wiązań podwójnych. To, jakie alkenony są wytwarzane, zależy od warunków środowiskowych – w szczególności w wyższych temperaturach mikroorganizmy wytwarzają mniej molekuł nienasyconych. Innym przykładem paleotermometru jest wskaźnik TEX-86, oparty na zależnej od temperatury otoczenia liczbie pierścieni cyklopentanu w błonach lipidowych, żyjących w wodach powierzchniowych archeonów. Do zalet tej metody należy to, że nawet bardzo stare skały osadowe obfitują w dobrze zachowane pozostałości interesujących nas organizmów (Tierney, 2014). O innych sposobach na wyciągnięcie informacji z osadów oceanicznych napiszemy w tekstach Paleoklimatologia: izotopy tlenu a temperatura oraz Paleoklimatologia: drzewa, korale i stalaktyty.

Pozostałości organizmów lądowych

Także na lądach można znaleźć próbki organiczne pozwalające zajrzeć w przeszłość klimatu. Każdego roku różnego rodzaju szczątki (pyłki oraz pozostałości roślinne i zwierzęce) opadają na dno zbiorników wodnych, a zapisy te mogą być wydobyte za pomocą wbijania pustych w środku rur w miękki osad (rysunek 6). Różne gatunki preferują określone temperatury i warunki klimatyczne, a znalezienie ich pyłków i szczątków, na przykład skamieniałości alg czy innych organizmów, pozwala wnioskować o klimacie miejsca. Informacji dostarczają także ogólne cechy organizmów, na przykład kształty liści: w tropikach rośliny mają duże liście z łagodnymi krawędziami, a w klimacie umiarkowanym mniejsze, często z ząbkowanymi brzegami (co wynika z wzajemnej optymalizacji pochłaniania energii słonecznej, wymiany ciepła i gazów, transpiracji i fotosyntezy).

Szczególnie dobrym paleoklimatycznym pamiętnikiem są torfowiska – podmokłe obszary, na których odkładają się osady organiczne, powstające głównie z rosnących tam roślin. Dzięki konserwującym właściwościom torfów, w osadach zachowuje się sporo „informacji”, na podstawie których można odtworzyć warunki panujące na torfowisku nawet kilka tysięcy lat temu, w czasie, gdy odkładała się konkretna warstwa torfu. Do zachowanych w torfie „informacji” należą m.in. pozostałości roślin, grzybów, glonów, a nawet zwierząt; a także specyficzne substancje chemiczne, świadczące o występowaniu konkretnych organizmów żywych lub określonych warunków środowiska. Więcej o tym, co można wyczytać z pozostałości organizmów żywych napiszemy między innymi w tekstach Paleoklimatologia: co nam powie skład izotopowy węgla, Paleoklimatologia: aktywność słoneczna i radioaktywne izotopy, Paleoklimatologia: CO₂ – jeśli nie rdzenie, to co?, Paleoklimatologia: drzewa, korale i stalaktyty

Jeśli temat badania przeszłości klimatu uważacie za interesujący, zachęcamy do pilnego śledzenia naszej strony w najbliższych tygodniach!

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