Paleoklimatologia

Lämpötilan vaihtelu maapallon historian eri vaiheissa

Paleoklimatologia on tiede, joka tutkii ilmaston yleistä luonnetta maapallolla ja sen eri alueilla ajalta ennen nykyisenlaisia meteorologisia mittaushavaintoja. Se selvittää muinaisen ilmaston vaihteluita analysoimalla fossiilikerrostumia ja jäätikköön kerrostunutta jäätä. Kerrostumia tutkimalla selviävät muun muassa jääkausiajat. Muinaisia lämpötiloja päätellään muun muassa hapen eri lajien määristä, hyönteislajistoista ja kasvilajistoista.

Maan pintalämpötilan vaihtelut

Maapallon lämpötilan vaihtelu kambrikauden alusta nykyaikaan. X-asteikon luvun "1000" vasemmalla puolella luvut miljoonina vuosina, oikealla puolella tuhansina vuosina.

Mittaukset jääkairausnäytteistä

Ilmaston kehittymistä tutkitaan muun muassa seuraamalla happi-isotooppien suhteita jäätiköissä. Jäähän kairataan hyvin syvä reikä, josta saadaan pötkömäisiä jäänäytteitä. Koska jäätikölle satanut lumi jää uusien sateiden alle, tiivistyy se lumen painon alla tiukkaan ja muuttuu paineesta johtuen lopulta jääksi. Johtoajatuksena on, että mitä syvemmältä kairataan jäänäytteitä, sen vanhempia ne ovat. Kairausnäytteen ikä lasketaan kerroksien lukumääristä, sillä vuodenaikojen vaihtelut näkyvät näytteissä.

Jää on veden kiinteä olomuoto, ja vesimolekyylissä on kaksi vety- ja yksi happiatomi (kaava: H₂O). Veden hapessa esiintyy yleisempinä kahta isotooppia, joita merkitään esimerkiksi ¹⁶O (painoltaan kevyempi) ja ¹⁸O (raskaampi). Isotooppia ¹⁸O esiintyy keskimäärin 0,20 % hapen määrästä, kun taas isotooppia ¹⁶O on 99,76 %. Kairausnäytteissä hapen isotooppien osuudet kuitenkin vaihtelevat. Isotooppien määrän vaihteluita ilmoitetaan suhdelukuna δ¹⁸ (luetaan: delta-O18), joka lasketaan lausekkeella:

$\delta ^{18}=\left({\frac {(O\ 18/O\ 16)_{nayte}}{(O\ 18/O\ 16)_{vakio}}}-1\right)\times 1000\,$

Koska vesimolekyyli, jossa on happena ¹⁸O ja joka siksi painaa enemmän, haihtuu merestä hieman hitaammin, kuin ¹⁶O sisältävä vesimolekyyli. Pilviin kertyy siten vettä, jonka ¹⁸O pitoisuus on alempi kuin veden ¹⁸O- pitoisuus. Pitoisuuteen vaikutta lisäksi ilman ja veden lämpötilat. Lämpöisissä oloissa ¹⁸O- pitoisuus kohoaa, koska raskaamman veden haihtuminen paranee silloin huomattavasti.

Navoille, ja jääkauden aikana muillekin jäätiköille, meren haihtunut kosteus kulkeutui tuulten mukana ja satoi siellä lumena alas jäätikölle. Kylmistä meristä syntyneet pilvet sisältävät pieniä ¹⁸O- pitoisuuksia. Jos lämpimien merien synnyttämät pilvet pääsisivät satamaan jäätiköille, nousisi ¹⁸O- pitoisuus. Ilmastomallien mukaan päiväntasaajan seutujen kosteutta satoi jäätiköille runsaammin juuri silloin, kun maapallolla oli keskimääräistä kylmempää. Suuret lämpötilaerot jäätikköalueiden ja päiväntasaajan välillä kääntävät tuulet useimmin jäätiköille päin. Sateet jäätiköillä lisääntyivät ja sateet sisälsivät runsaasti lämpimän meren korkeita ¹⁸O- pitoisuuksia.

Tämän mallin mukaan suuret ¹⁸O-määrät kairausnäytteissä kertovat ilmaston kylmenemisestä, koska jääkausi viilentää ilmastoa eniten napojen lähettyvillä.

Happi-isotooppien vaihteluita voidaan mitata myös merenpohjan kerrostumissa olevien kotiloeläinten kuorista. Happi-isotooppitutkimuksen keksi tanskalainen tutkija Willi Dansgaard, joka oli porauttamassa ensimmäistä jäänäytettä 1966. Suoraan esimerkiksi Grönlannin jään happi-isotoopin muutos ajan mukana ei lämpötilanmuutoksia kerro, koska jääkaudella kulkeutui eri määriä raskasta happea kuin nyt ja happi-isotoopin määrän ja lämpötilan suhde oli silloin erilainen.

Lämpötila voi myös vaihdella eri alueilla eri tavalla. Ajoitukset, jotka on tehty muun muassa jäästä otetuista hiilidioksidikuplista, ovat hyvin epätarkkoja ja vaihtelevat tuhansia vuosia eri jäänäytteiden välillä. Näin ollen jäänäyte kertoo tarkimmin lämpötilan muutosjärjestyksen, joka sekin on arvokas tieto tutkijoille. Muita lämpötilailmaisimia ovat raskas vety sekä hiilidioksidin ja metaanin määrät. Raskasta vetyä on vedessä ja se toimii lämpötilailmaisimena samaan tapaan kuin ¹⁸O. Metaanin ja hiilidioksidin määrät mitataan jäässä olevista pienistä ilmakuplista. Metaania ja hiilidioksidia on lämpimämpinä aikoina enemmän, koska kasvit tuottavat niitä ja ne ovat itse kasvihuonekaasuja, jotka lämmittävät ilmaa.

Pöly jäässä

Jääkausien aikana on ilmassa runsaasti pölyä jäätikön lössiaroilta, jotka ovat jääkausiaikoina laajoja. Pölyn määrän vaihtelu kertoo myös lämpötilan muutoksista.

Isotooppien ja alkuaineiden jakautuma kivissä

Strontiumin eri painoisten alalajien ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr pitoisuudet kertovat meren suolaisuudesta. Aragoniitissa CaCO₃ strontium korvaa kalsiumia riippuen lämpötilasta. Täten, jos meriveden lämpötila on korkea, on paljon strontiumkarbonaattia (SrCO₃) kalsiumkarbonaatin (CaCO₃) seassa. Muita mahdollisia korkealämpötilassa kalsiumin korvaajia ovat kadmium, barium ja mangaani.

Muinainen siitepöly

Siitepölyjen suhteelliset osuudet kertovat paljon alueen lämpötiloista. Siitepölyä voi kulkeutua kauaskin. Jääkaudesta voi kertoa esimerkiksi marunan (Artemisia) ja ruohojen Poacaeae siitepölyjen määrän kasvu, ja puiden, esimerkiksi männyn Pinus siitepölyn määrän väheneminen Keski-Euroopassa.

Kerrostumissa olevien pienten fossiilien lajijakauma

Fossiilisten piilevien sekä hyönteisten lajistojakauma kertoo lämpötilan muutoksista. Lämpötilasta kertovat myös lajien pohjoisrajat pohjoisella pallonpuoliskolla.

Eläin- ja kasvilöydöt

Eläin- ja kasvilöydöt kertovat alueen muinaisesta lämpötilasta ja muistakin olosuhteista, esimerkiksi aroeläinten löydöt ja kovakuoriaislöydöt. Tietyt simpukkalajit viihtyvät kylmässä ja toiset lämpimässä.

Muinaiset merenrannat

Koralliriuttojen alueella tapahtuu joskus maan kohoamista. Maan kohoamisnopeus voidaan todeta nykyisin. Eräällä riutalla kohoamisnopeus on ollut vakio kauan aikaa. Kohoaminen ja merenpinnan vaihtelut jättävät merenrantoja eri korkeuksille. Merenpinnan ikä voidaan mitata esimerkiksi hiili-14 menetelmällä.

Merenpohjan kerrostumat

Merenpohjan kerrostumista on tehty monenlaiska muinaista ilmastoa koskevia mittauksia. Plioseenin ja pleistoseenin ajalta ovat tutkijat koettaneet rakentaa Milankovicin jaksoihin perustuvan ajoitusjärjestelmän SPECMAP:in. Tätä rakennettaessa on käytetty monia kairausnäytteitä mistä on mitattu lämpötilan kanssa vaihteleva raskaan hapen määrä. Raskaan hapen käyrä on sovitettu laskettuihin milankovicin jaksoihin eli Maan akselin ja radan vaihteluihin, jotka vaikuttavat lämpötilaan. SPECMAP:ia laadittaessa esiintyi kuitenkin "ylisovittamista" (engl. overtuning) eli käytetyt menetelmät toivat merenpohjan kerrostumista mitattuihin käyriin joitain piirteitä joita niissä ei alun perin ollut.

Tietokonesimulaatiot

Jääkauden aikaisia ilmastonmuutoksia ja jäätikön koon vaihtelua on simuloitu jonkin verran tietokoneilla, mutta ilmastomallit eivät liene vielä kovinkaan tarkkoja. Tunnettu malli on esimerkiksi CLIMBER-2. Uusia supertietokoneita ja malleja kehitetään jatkuvasti.

Katso myös

• Happi-isotooppivaihe
• Paleomagnetismi
• Geologiset kaudet
• Iänmääritysmenetelmä
• Prekambri – varhaisen Maan ilmastonkehitys

Aiheesta muualla

• A Brief Introduction to History of Climate, an excellent overview by Prof. Richard A Muller of UC Berkeley.
• NOAA Paleoclimatology
• AGU Paleoclimatology and climate system dynamics (Arkistoitu – Internet Archive)
• Paleoclimatology in the 21st Century
• Environmental Literacy Council (Arkistoitu – Internet Archive)
• Climate change and Palaeoclimatology (Arkistoitu – Internet Archive) News Archive
• The Uplift-Weathering Hypothesis
• NASA's GISS paleoclimate site (Arkistoitu – Internet Archive)
• CalPal – Cologne Radiocarbon Calibration & Paleoclimate Research Package (Arkistoitu – Internet Archive)
• Martin Claussen, Potsdam, Palaeoklimatologie (Arkistoitu – Internet Archive) (saksaksi)

Kirjallisuutta

• Matti Eronen: Jääkausien jäljillä
• Juha-Pekka Lunkka: Maapallon ilmastohistoria
• Jorma Keskitalo: Maapallon muuttuva ilmasto
• Brian Fagan: Pitkä Kesä