V tichém jaru Rachel Carsonová zvažuje západní šalvěj. "Pro tu je přirozená krajina výmluvná souhra sil, které ji vytvořily, " píše. "Rozkládá se před námi jako stránky otevřené knihy, ve které si můžeme přečíst, proč je země tím, čím je a proč bychom si měli zachovat její integritu." Stránky však leží nepřečtené. “Lituje nad zmizením ohrožené krajiny, ale stejně tak může mluvit o značkách paleoklimatu.
Chcete-li vědět, kam jdete, musíte vědět, kde jste byli. To platí zejména pro vědce v oblasti klimatu, kteří potřebují pochopit celou škálu posunů planety, aby mohli zmapovat průběh naší budoucnosti. Ale bez stroje času, jak získají tento druh dat?
Stejně jako Carson musí číst stránky Země. Naštěstí Země vedla deníky. Cokoli, co ukládá roční vrstvy - mořské korály, stalagmity jeskyní, stromy s dlouhou životností, drobné skořápky mořských tvorů - věrně zaznamenává podmínky minulosti. Vědci dále vytěžují jádra sedimentů a ledových jader ze dna oceánu a zledovatěných pólů, které píšou své vlastní monografie ve výbuchech popela a prachu a bublin dlouho zachyceného plynu.
V jistém smyslu tedy máme stroj času: Každý z těchto zástupců vypráví poněkud odlišný příběh, který vědci dokáží propojit, aby vytvořili úplnější pochopení minulosti Země.
V březnu se v Národním muzeu přírodní historie Smithsonian Institution konalo třídenní sympozium teplotní historie Země, které spojilo učitele, novináře, vědce a veřejnost, aby si lépe porozuměli paleoklimatu. Během večerní přednášky Gavin Schmidt, klimatický modelář a ředitel Goddardova institutu pro vesmírná studia NASA, a Richard Alley, světově proslulý geolog na Pennsylvánské státní univerzitě, vysvětlili, jak vědci používají minulé klimatické modely Země ke zlepšení klimatických modelů, které používáme k předpovídání naše budoucnost.
Zde je váš průvodce po zemských klimatických minulosti - nejen to, co víme, ale jak to víme.
Jak se podíváme na minulé klima Země?
Rekonstrukce minulých inkarnací Země vyžaduje trochu tvořivosti. Naštěstí vědci znají hlavní přírodní faktory, které formují klima. Patří mezi ně sopečné erupce, jejichž popel blokuje slunce, změny na oběžné dráze Země, které přesouvají sluneční světlo do různých zeměpisných šířek, cirkulaci oceánů a mořského ledu, rozložení kontinentů, velikost ozónové díry, výbuchy kosmických paprsků a odlesňování. Z nich jsou nejdůležitější skleníkové plyny, které zachycují sluneční teplo, zejména oxid uhličitý a metan.
Jak poznamenal Carson, Země zaznamenává tyto změny ve své krajině: v geologických vrstvách, fosilních stromech, fosilních skořápkách, dokonce i krystalizovaném čuráku - v podstatě cokoli opravdu starého, které se uchová. Vědci mohou otevřít tyto stránky deníku a zeptat se jich, co se tehdy dělo. Stromové prsteny jsou obzvláště pečlivými držiteli záznamů a zaznamenávají srážky v ročních prstenech; ledová jádra mohou vést nádherně podrobné záznamy o sezónních podmínkách, které sahají téměř milión let.
Ledová jádra odhalují roční vrstvy sněžení, sopečného popela a dokonce zbytky dávno mrtvých civilizací. (Goddard NASA / Ludovic Brucker) Co jiného nám může ledové jádro říct?
"Páni, je toho toho tolik, " říká Alley, který strávil pět polních sezón korením ledu z grónské ledové pokrývky. Uvažte, co vlastně je jádro ledu: průřez vrstev sněžení, který se vrací tisíciletí.
Když sníh přikrývá zemi, obsahuje malé vzduchové prostory naplněné atmosférickými plyny. Na pólech se starší vrstvy pohřbily a stlačily do ledu, které tyto prostory proměňovaly na bubliny minulého vzduchu, jak vědci Caitlin Keating-Bitonti a Lucy Chang píší v Smithsonian.com. Vědci používají k odhadu teploty chemické složení samotného ledu (poměr těžkých a lehkých izotopů kyslíku v H2O). V Grónsku a na Antarktidě vědci, jako je Alley, získávají nepředstavitelně dlouhá ledová jádra - dlouhá více než dvě míle!
Ledová jádra nám říkají, kolik sněhu během konkrétního roku spadlo. Odhalují však také prach, mořskou sůl, popel ze vzdálených sopečných výbuchů, dokonce i znečištění způsobené římskými instalatéry. "Pokud je to ve vzduchu, je to v ledu, " říká Alley. V nejlepších případech můžeme dát ledová jádra přesně do jejich přesného období a roku a spočítat jejich roční vrstvy jako stromové prsteny. A ledová jádra uchovávají tyto nádherné detaily, které sahají stovky tisíc let, takže je to, co Alley nazývá „zlatým standardem“ paleoklimatických proxy.
Počkejte, ale není historie Země mnohem delší?
Ano to je správně. Paleoklimatičtí vědci se musí vrátit milióny let - a proto potřebujeme věci ještě starší než jádra ledu. Naštěstí život má dlouhou historii. Fosilní záznamy složitého života sahají až někde kolem 600 milionů let. To znamená, že máme definitivní proxy pro změny klimatu, které sahají přibližně tak daleko. Jedním z nejdůležitějších jsou zuby konodontů - zaniklé stvoření podobné úhořům - které sahají zpět 520 milionů let.
Ale některé z nejčastějších klimatických zástupců v tomto časovém horizontu jsou ještě nepatrnější. Foraminifera (známá jako „forams“) a diatomy jsou jednobuněčné bytosti, které mají tendenci žít na mořském dně, a často nejsou delší než období na konci této věty. Protože jsou rozptýleni po celé Zemi a byli kolem Jurassicu, nechali vědci robustní fosilní záznam, aby mohli zkoumat teploty v minulosti. Pomocí izotopů kyslíku v jejich granátech můžeme rekonstruovat teploty oceánu, které se vracejí před více než 100 miliony let.
"V každém vyvýšeném souvrati, na každé zakřivené pláži, v každém zrnu písku je příběh Země, " napsal Carson. Ukázalo se, že tyto příběhy se také skrývají ve vodách, které tyto pláže vytvořily, a v tvorech menších než zrnko písku.
Foraminifera. (Ernst Haeckel) Jak velkou jistotu máme pro hlubokou minulost?
Pro vědce z paleoklimatu je život zásadní: pokud máte ukazatele života na Zemi, můžete interpretovat teplotu na základě distribuce organismů.
Ale když jsme se vrátili tak daleko, že už neexistují žádné konodontní zuby, ztratili jsme náš hlavní ukazatel. V minulosti jsme se museli spoléhat na distribuci sedimentů a markery minulých ledovců, které můžeme extrapolovat, abychom zhruba naznačili klimatické vzorce. Čím dále se tedy vracíme, tím méně proxy máme a čím méně zrnité je naše porozumění. "Jednoduše se stává mlhavější a mlhavější, " říká Brian Huber, Smithsonovský paleobiolog, který pomohl zorganizovat symposium spolu s kolegy z paleobiologického výzkumu a kurátorem Scottem Wingem.
Jak nám ukazuje paleoklima význam skleníkových plynů?
Skleníkové plyny, jak již název napovídá, pracují zachycením tepla. V podstatě nakonec vytvoří izolační pokrývku pro Zemi. (Více se můžete dostat do základní chemie zde.) Když se podíváte na graf minulých dob ledové, můžete vidět, že se hladiny CO2 a ledové doby (nebo globální teplota) vyrovnávají. Více CO2 se rovná teplejším teplotám a méně ledu a naopak. "A my tu známe směr příčinné souvislosti, " poznamenává Alley. „Je to především z CO2 na (méně) led. Ne naopak. “
Můžeme se také podívat zpět na konkrétní snímky včas a zjistit, jak Země reaguje na minulé výkyvy CO2. Například v období extrémního oteplování během zemské cenozoické éry asi před 55, 9 miliony let bylo uvolněno dostatečné množství uhlíku na přibližně dvojnásobné množství CO2 v atmosféře. Následně horké podmínky způsobily zmatek, který způsobil masivní migrace a vyhynutí; skoro všechno, co žilo, se buď pohnulo, nebo zaniklo. Rostliny vadly. Oceány okyselené a zahřáté na teplotu vany.
Bohužel to může být předzvěst, kam jdeme. "To je děsivé pro klimatické modeláře, " říká Huber. "V rychlosti, kterou jdeme, se vracíme zpět do těchto období extrémního tepla." Proto pochopení úlohy oxidu uhličitého v minulých změnách klimatu nám pomáhá předpovídat budoucí změny klimatu.
To zní docela špatně.
Ano.
Jsem opravdu ohromen tím, kolik paleoklimatických dat máme. Jak ale funguje klimatický model?
Skvělá otázka! Ve vědě nemůžete vytvořit model, dokud nerozumíte základním principům systému. Pouhá skutečnost, že jsme schopni vytvořit dobré modely, znamená, že chápeme, jak to všechno funguje. Model je v podstatě zjednodušená verze reality, založená na tom, co víme o zákonech fyziky a chemie. Inženýři používají matematické modely k vytváření struktur, na které se miliony lidí spoléhají, od letadel po mosty.
Naše modely jsou založeny na rámci dat, z nichž většina pochází z paleoklimatických proxy, které vědci shromáždili ze všech koutů světa. Proto je tak důležité, aby data a modely byly ve vzájemném rozhovoru. Vědci testují své předpovědi na data z dávné minulosti a snaží se napravit případné nesrovnalosti. "Můžeme se vrátit v čase a vyhodnotit a ověřit výsledky těchto modelů, abychom mohli lépe předpovídat, co se bude v budoucnu stát, " říká Schmidt.
Zde je model:
To je hezké. Slyšel jsem však, že modely nejsou příliš přesné.
Ze své podstaty se modely vždy mýlí. Myslete na ně jako na přibližný odhad, náš nejlepší odhad.
Ale zeptejte se sami sebe: dávají nám tyto odhady více informací, než jsme měli dříve? Poskytují užitečné předpovědi, které bychom jinak neměli? Umožňují nám klást nové, lepší otázky? "Když dáme všechny tyto kousky dohromady, skončíme s něčím, co vypadá velmi podobně jako planeta, " říká Schmidt. "Víme, že je neúplný." Víme, že existují věci, které jsme nezahrnovali, víme, že jsme vložili věci, které jsou trochu špatně. Ale základní vzorce, které vidíme v těchto modelech, jsou rozpoznatelné ... jako vzory, které neustále vidíme v satelitech. “
Měli bychom jim tedy věřit, aby předpovídali budoucnost?
Modely věrně reprodukují vzorce, které vidíme v minulosti, současnosti - av některých případech i budoucnosti. Nyní jsme v okamžiku, kdy můžeme porovnat rané klimatické modely - modely z konce 80. a 90. let, na nichž Schmidtův tým v NASA pracoval - s realitou. "Když jsem byl student, rané modely nám řekly, jak by se zahřál, " říká Alley. "To se děje." Modely jsou úspěšně prediktivní a také vysvětlující: fungují. “V závislosti na tom, kde stojíte, by to mohlo vést k tomu, abyste řekli„ Ach, dobrý! Měli jsme pravdu! “Nebo„ Ach ne! Měli jsme pravdu. “
Pro kontrolu přesnosti modelů se vědci vracejí zpět k paleoklimatickým údajům, které Alley a další shromáždili. Spouštějí modely do dávné minulosti a porovnávají je s údaji, které skutečně mají.
"Pokud dokážeme reprodukovat prastaré minulé klima, kde víme, co se stalo, to nám říká, že tyto modely jsou pro nás opravdu dobrým nástrojem, abychom věděli, co se stane v budoucnosti, " říká Linda Ivany, paleoklimatická vědkyně na Syracuse University. Ivanyho výzkumní zástupci jsou prastaré škeble, jejichž skořápky zaznamenávají nejen roční podmínky, ale jednotlivé zimy a léta vracející se zpět 300 miliónů let - což je cenným způsobem kontroluje modely. "Čím lepší se modely dostanou k zotavení minulosti, " říká, "čím lépe budou předpovídat budoucnost."
Paleoklima nám ukazuje, že klima Země se dramaticky změnilo. Neznamená to, že v relativním smyslu nejsou dnešní změny velkým problémem?
Když se Richard Alley pokouší vysvětlit závažnost změn způsobených člověkem, často se odvolává na konkrétní každoroční jev: požáry, které každý rok v kopcích v Los Angeles vyzařují. Tyto ohně jsou předvídatelné, cyklické, přirozené. Bylo by ale šílené říkat, že protože požáry jsou normou, je v pořádku nechat žháře také vypálit. Stejně tak skutečnost, že se klima mění v průběhu milionů let, neznamená, že člověkem způsobené skleníkové plyny nejsou vážnou globální hrozbou.
„Naše civilizace je založena na stabilním klimatu a hladině moře, “ říká Wing, „a vše, co víme z minulosti, říká, že když do atmosféry vložíte hodně uhlíku, radikálně se změní klima a hladina moře.“
Od průmyslové revoluce pomohly lidské aktivity zahřátí zeměkoule o 2 stupně F, což je jedna čtvrtina toho, co Schmidt považuje za „jednotku doby ledové“ - změnu teploty, kterou Země prochází mezi dobou ledovou a nemrznoucí. Dnešní modely předpovídají oteplování o 2 až 6 stupňů Celsia do roku 2100 - nejméně 20krát rychleji než minulé záchvaty oteplování za poslední 2 miliony let.
Samozřejmě existují nejistoty: „Mohli bychom debatovat o tom, zda jsme příliš optimističtí nebo ne, “ říká Alley. "Ale ne moc debaty o tom, zda jsme příliš děsiví nebo ne." Vzhledem k tomu, jak jsme měli pravdu, měli bychom ignorovat historii na vlastní nebezpečí.
