地图:“代理”数据如何揭示地球遥远过去的气候

作者:Robert McSweeney和Zeke Hausfather。由Tom Prater设计。

在任何一个时刻,人们对世界上的天气进行了成千上万次的测量。从简陋的温度计到最新的技术,陆地、海洋和天空的数据正在被手动或自动收集多英镑卫星

这些测量多年来聚集在一起地球气候的记录以及它是如何变化的。

但即使是世界上最长的气候档案 -英格兰中部温度记录- 只回到1659.这是一个仅仅考虑人类漫游地球的数十万年的时间。

幸运的是,地球一直保持着自己的记录。从贝壳、钟乳石到花粉和海豹皮,自然界隐藏在各种不同的地方,记录了数百万年来气候的起起落落。

这被称为“代理数据” - 在生物圈不同部分印记的气候间接记录。

就像“史前”的东西与有文字记载的历史之前的某个时期有关一样,代理数据提供了对专用记录之前气候的洞察。它构成了研究过去气候的基础部分,被称为“古气候学”,同时也帮助科学家了解未来气候将如何变化。

在这个深度问答中,碳简报将探究代理数据是什么必威手机官网,不同类型的数据,科学家如何从中获取气候数据,以及它们能告诉我们关于地球过去、现在和未来的气候。

此外,Carbon Bri必威手机官网ef还制作了一幅互动的美国地图国家海洋和大气管理局(NOAA)归档的超过10,000个代理数据集

什么是代理数据?

1714年,德国物理学家丹尼尔·加布里埃尔华氏温度发明了什么被认为是现代温度计的第一例.它在玻璃管中封闭汞,并在侧面延伸标准化秤。十年后,他会增加熊的温度尺度。(瑞典天文学家安德斯摄氏他不会在接下来的20年里再设计他的替代规模。)

温度计,以及其他仪器如晴雨表用于测量空气压力和湿度计对于湿度,继续成为正式气象站的关键部分。这些站 - 屏蔽了一个百叶窗史蒂文森屏幕-于19世纪首次在欧洲和美国安装,并在整个世纪传播到世界各地。

含有气象仪器的史蒂文屏幕。信用:普遍图像集团北美LLC / deagostini / Alamy股票照片。
含有气象仪器的史蒂文屏幕。信用:普遍图像集团北美LLC / deagostini / Alamy股票照片。

到19世纪中叶,有足够的气象站和足够的观测记录在陆地上- 产生可靠的全球温度测量。这最长的全球气温记录-共同生产英国遇见了Hadley Center东安格利亚大学气候研究中心- 从1850年开始。其他,例如由此产生的那些美国国家航空航天局国家海洋和大气管理局(NOAA),从1880年开始。

从1850年到2020年的全球平均地表温度。数据从NASA Gistemp.noaa globaltemp.哈德利/ UEA HadCRUT5伯克利地球和碳简短必威手机官网的原始温度记录。1979-2000温度从哥白尼ERA5(重新分析记录始于1979年)。根据1880-1899年的基线绘制的异常图显示自前工业化时期以来,全球变暖。

这意味着科学家的强大陈述了过去一个世纪的全球气温如何发生变化。但是,当然,地球比那个年龄较大。甚至还要回顾一下 - 对于没有仪器的地方,直到相对近最近 - 科学家需要将他们的眼睛施放到直接观察到间接证据,这些证据被锁定在地球上的各种形式。这是“代理”数据。

“代理人”一词通常被定义为中介或替代品——通常指一个人被授予代表他人投票或发言的权力。因此,代理数据是可以替代对地球气候的直接观测的信息。

“气候代理是我们用来重建过去的有效因素的变化,如温度,降水,二氧化碳水平 - 或者其他任何意义,”解释说保罗Pearson教授地球和海洋科学学院biwei6868卡迪夫大学.他讲碳简短:必威手机官网

“显然,这些东西无法直接测量,没有时间机器,所以我们需要找到从过去的过去幸存的东西,这些东西是可调整的,其中包含我们可以衡量的东西,我们可以衡量我们对的变量 - 因此,the name ‘proxy’.”

因此,科学家们认为气候“在环境中留下了标记”的方式。Maisa Rojas博士,地球物理部副教授智利大学他是古爱宝质章节(PDF)的气候变化政府间议会(IPCC)第五次评估报告(AR5)。她讲碳简短:必威手机官网

“我们世界的生活中的一部分 - 生物圈 - 反应气候,因此,它在一些环境指标中留下了标志,我们可以用来重建气候。”

这些线索过去的气候被散落在地球上,从湖泊底部的巨大冰盖和沉积物的层,到树木的响亮和洞穴中高耸的石笋。(看后面的一节更多关于代理数据的不同来源。)

比利时汉族洞穴洞穴的石笋。信用:Bombaert Patrick / Alamy股票照片。
比利时汉族洞穴洞穴的石笋。信用:Bombaert Patrick / Alamy股票照片。

这些信息允许科学家们“在过去几百年和千年中研究气候,从而进一步回到时间内,而不是仅使用乐器气候数据”,解释说瓦莱丽教授臭味,教授树圈研究实验室亚利桑那大学和作者树的故事,关于树戒指的书。她补充道:

“通过在20世纪之前研究气候,当气象站数据变得可用时,我们可以将目前的气候变化放在长期背景下,研究自然,非人为驱动,气候变异性。”

长期以来,气候可以在地球表面留下标记的方式。在15世纪,例如,意大利艺术家和发明家莱昂纳多达芬奇记录树圈的厚度 - 发现穿过树干的同心圆 - 随着降雨而变化。

树木戒指约会的科学纪律称为“dendrochronology” - 稍后被美国天文学家开创e douglass.在20世纪早期。他的研究试图通过气候和树木模式的波动连接太阳黑子周期的模式。从这个最早的工作来看,Douglass继续发现上面提到的树林研究实验室。

(从左到右):Leonardo da Vinci,Harold Urey和Andrew Ellicott Douglass。
(从左到右):Leonardo da Vinci,Harold Urey和Andrew Ellicott Douglass。必威手机官网碳短暂的复合。

另一个具有悠久历史的代用物是“氧同位素组成”方解石皮尔森说,壳牌“在海洋生物中说:

"这种方法是由[美国化学家]首创的哈罗德·乌雷在战后的几年里帮助启动了整个领域古籍方式.”

Urey展示了这些贝壳的化学组成(见下一节对于更多关于同位素)根据水的温度而变化。提取这些信息,因此在生物体活着时提供了关于气候的信息 - 返回数百万年。

urey描述了他的发现,就像“突然[找到]我自己地质温度计在我手中,“解释了Pearson。

代理数据究竟在哪里找到的?

从南极洲和大西洋海床的冰床到欧洲和东南亚珊瑚的北部森林,在地球的土地和海洋中发现了代理数据。

国家海洋和大气管理局有一个档案超过10,000个代理数据集涵盖十几个类别。在得到许可后,Carbon Brief绘制必威手机官网了这些数据的地图。

使用左侧图例中的类别来选择特定的代理或归档类型,并使用右上角的按钮来放大或缩小。点击一个单独的数据点将显示数据涵盖的时期,网站名称和一个链接到NOAA的参考网页以获得更多信息。

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代理捕获什么信息?

代理数据可以为一系列与气候相关的变化提供见解。这些包括突发事件,比如火山喷发或者洪水- 逐步,长期趋势 - 如气候变暖和变冷干旱换海水平气旋模式季风季节波动的大气中的二氧化碳或者冰原变薄

皮尔逊教授解释说,代理通常分为三种类型:物理、生物或化学:

“代理可以是海底泥浆中淤泥量的物质,这可以是电流速度的代理,生物的东西像船外壳中的树木或生长带的宽度,或者像这样的东西我们可以在实验室中衡量的物质的元素或同位素组成。“

这些不同类型的代理被一系列的古气候所捕获"档案“,如沉积物,冰芯和洞穴形成。这些是“媒体,即[代理]数据被记录在”中,解释说明Allison Cluett,博士候选人纽约州立大学布法罗分校

例如,Cluett的研究分析了海洋沉积物(档案)中的叶蜡(代理)以重建格陵兰南部的气候。

每种类型的代理都反映了条件的变化,但它们不是简单地捕获温度、降雨或其他单一变量。相反,它们往往反映了几个方面的组合。因此,古气候学领域涉及到“拆解”特定的气候信息,罗哈斯博士说。

生物

采取树木,提供一棵树随着时间的推移在一棵树上增加了新的木材的生物学记录。每个环包括光和暗的部分 - 苍白的部分,表示春季和初夏的快速生长以及暗部,表明夏季晚期和秋季增长较慢。一起携带,每个戒指都表明了树的一年。

科学家可以“"一棵从树干中提取横截面的树。这使得他们可以在不损害树木的情况下分析年轮。

罗哈斯解释说,树木的生长速度“对降水和温度都有反应,而且取决于树木和它所处的位置”。年轮在温暖、潮湿的年份会变宽,在那里树木有足够的阳光和降雨来支持生长,而在干旱或树木遭受虫害、疾病或火灾时年轮会变窄。

树戒指。信用:克里斯梨/ alamy股票照片。
树戒指。信用:克里斯梨/ alamy股票照片。

因此,科学家的工作是从代理提供的信息中汲取气候数据。在树圈的情况下,这将首先涉及“交叉约会“多个树之间的戒指,以确定每个环的正确年份。

然后,使用当地天气数据的记录,科学家可以针对观察到的气候记录校准戒指。可以使用简单的方程式校准更简单的关系,但科学家们对那些更复杂的人使用模型。

如果两个数据源匹配良好,则可以使用树圈进一步回归 - 在观察到的记录开始之前 - 在树的全部寿命期间分析气候。(看后面的一节更多关于校准代理数据。)

特鲁埃特教授指出,年轮记录可以追溯到很长的时期:

“最长的连续年轮记录——包括对每年的测量——是德国橡树年表,可以追溯到公元前10461年……但出于古气候的目的,年轮主要用于研究过去500年到2000年的历史。”

并且有些地方周围最适合某些分析,解释:

“树木增长了很多 - 并形成宽环 - 在有利的气候条件下。这些可以是干燥地区的潮湿条件,例如美国西南,或寒冷地区的温暖条件,如欧洲阿尔卑斯山或斯堪的纳维亚......要重建过去的温度,我们使用来自寒冷地区的树木。为了重建过去的干旱条件,我们使用来自干燥区域的树戒指。“

当然还有其他并发症。戒指在树上最突出的树木全年经历明确界定的季节。这意味着“中间人的树木对气候比热带树木的氛围更敏感”,Rojas说:

“所以欧洲是良好的,北美,北亚,南美洲以及沿着安第斯山脉,有很多树木可以使用。”

相比之下,热带树木在年代学上更具挑战性,尽管有些物种仍然会形成年轮。

这可以在上面的地图中看到 - 大多数树木数据来自北半球的温带和北方林。在热带地带中,树圈数据不是不可能的,增加了臭味 - 有数百个记录可用,有“肯定潜力”。

化学

移动到化学代理,一个例子是同位素.这提供了谈论最着名的古古典气候档案馆之一 - 冰芯的机会。

这些冰气缸钻出冰盖和冰川,可以跑到几公里。地球的冰盖和冰川从数千年的降雪中建立了一大千年,每层都会随着时间的推移而压实 - 捕获微小的空气气泡。通过冰仔细采用横截面,因此提供了这些气泡的时间表。

位于美国科罗拉多州的国家冰芯实验室,冰芯的一段1米长,储存在零下36度。资料来源:Jim West / Alamy Stock Photo。
位于美国科罗拉多州的国家冰芯实验室,冰芯的一段1米长,储存在零下36度。资料来源:Jim West / Alamy Stock Photo。

气泡通过冰盖或冰川的寿命是大气的微小样本。

虽然科学家可以直接分析气泡来确定遥远的过去的氛围,但它们也包含一个代理估计过去的温度- 氧同位素“18O”。

同位素是同一种元素除了数量不同之外其他形式相同中子在原子核中。最丰富的氧同位素是16o它有8个中子,所以总的原子质量是16(8个中子加8个质子).

18O有一个额外的两个中子,给它一个原子质量为18.结果,18O的原子比160略重。当水从海洋蒸发并在地球杆的雪中落下水时,这种重量差具有影响,解释罗伯特莫瓦尼博士,冰川学家英国南极调查,在一篇文章中科学的美国人

“简单地说,蒸发海洋表面含有重同位素的水分子需要更多的必威体育在线注册能量,随着潮湿的空气向极地输送并冷却,含有重同位素的水分子优先在降水中丢失。”

马尔瓦尼说,这两个过程都依赖于温度,这意味着测量冰芯中18O的含量可以告诉科学家过去那个时期的气候有多温暖。

研究氧同位素 - 大部分涉及海洋沉积物- "是20世纪科学伟大发现的基础biwei6868冰夜是由地球的轨道变量,如偏心率、轴倾角和进动来决定的”,皮尔森说。

这些轨道变量 - 被称为“米兰科赫循环塞尔维亚科学家Milutin Milankovitch发展了这一理论,他描述了地球相对太阳位置的一系列变化是如何触发冰河时代的开始和结束的。

身体的

最后,对于三种类型中的最后一种,物理代理的一个例子是海洋和湖泊沉积物。

每年,数十亿吨沉积物被冲入世界各地的湖泊和海洋中。这些沉积物随着时间的推移积累,每年都会在层上添加层。因此,钻孔钻孔通过海或湖泊的床,可以提供沉积物的时间表 - 而且,气候变化。

来自德国不来梅大学海洋环境科学中心的墨西哥湾的沉积物核心。biwei6868信用:DPA图片联盟/ Alamy股票照片。
来自德国不来梅大学海洋环境科学中心的墨西哥湾的沉积物核心。biwei6868信用:DPA图片联盟/ Alamy股票照片。

这些沉积物的尺寸,形状,结构和颜色都可以提供关于时间气候的线索。例如,解释了美国地质调查局网站

“科学家使用泥沙颗粒的大小和形状来确定沉积物搬运,运输,多少精力充沛的环境交通是如何(例如,海浪拍打在沙滩上留下粗砂颗粒,而仍然非常小的颗粒沉积在条件)”。

但是沉积物也是其他代理的一个非常重要的档案。与沉积层一起埋着的是科学家可以分析的各种化石。”有孔虫“是一个经典的例子,解释了Pearson:

“Foraminifera是 - 大多数 - 由单细胞生物分泌的微观壳,其生活在浮游生物或海上床上。在正确的埋葬条件下,他们的壳可以无限期地在几乎完善的条件下存活。这些贝壳在海底上慢慢地积聚,生产或多或少连续的代理记录。“

Foraminifera从海水中提取的碳酸钙构建它们的壳。同位素分析可以揭示海洋中的条件 - 而且,在那些生物体活着时,气候变化。

硅藻。资料来源:自然历史博物馆/ Alamy Stock Photo。
硅藻。资料来源:自然历史博物馆/ Alamy Stock Photo。

硅藻.是另一个微化石——这次的外壳是由二氧化硅构成的。虽然有孔虫仅限于海洋和沿海环境,硅藻也被发现在内陆湖泊中。沉积物是一个重建干旱历史的关键自然档案它们含有的硅藻已经被使用,例如,一起拼接美国中西部极端干旱记录

在海洋沉积物中发现的叶蜡也是一个有用的气候代理,加入Cluett:

“叶蜡是一组简单的有机分子,广泛由植被、湖泊内陆地景观和……(他们)是有用的生物标志物因为植物氢原子合并到这些分子的结构从水中——通常来自降水,他们使用增长。”

Cluett指出,叶蜡的同位素分析“提供了类似于冰核中稳定水同位素测量的陆地气候记录”。例如,这种方法被用来重建大约11000 - 5000年前的“绿色撒哈拉”时期的降雨模式,当时该地区处于支撑状态不同植被,永久湖泊和人口

由于代理数据自然累计,其记录可以延伸到该介质存在。因此,对于冰芯中的同位素,例如,只要冰盖或冰川已经到位即可。海洋沉积纪录可以是数百万年,一路走回白垩纪时期1亿年前,恐龙的时代。这反映出海床存在的时间比树木、珊瑚甚至冰原都要长得多。

为了探索地球历史上最古老的部分,古气候学家必须使用岩层,解释道杰西卡·蒂尔尼博士他是亚利桑那大学的副教授第一作者政府间气候变化专门委员会的第六个评估报告.她讲碳简短:必威手机官网

“要研究大约1亿年前的气候变化,我们必须研究陆地上的岩层,这些岩层包含了已岩化的海洋或陆地沉积物。”

锂化是指沉积物在压力下被压实形成固体岩石的过程。蒂尔尼说,这些岩石可能会自然地“露头”于地貌上,或者科学家们可能会钻入它们以获得一个地核。她补充道:

“在这些古老的档案中,我们发现了真正极端气候变化的证据,就像最终二叠纪全球变暖还有大规模灭绝,还有。”雪球地球' - 地球完全覆盖在冰上的时间。“
在孟菲普山,萨默塞特,英国的石灰石露头。信用:克雷格木匠摄影/ alamy股票照片。
在孟菲普山,萨默塞特,英国的石灰石露头。信用:克雷格木匠摄影/ alamy股票照片。

虽然海洋沉积物的潜在记录长,但可以衍生的采样“间隔”更有限。这些数据可能只能将气候变化从一个世纪显示到下一个世纪,而树圈和石笋的数据可以显示在一年到下一个的变化。(有关不同类型的代理和档案,请参阅下面的部分。)

代理数据可以帮助深入了解人类对其环境变化的方式。例如,一个biwei6868科学推进今年早些时候发表的一篇论文使用了来自17个沉积物岩芯的花粉和木炭数据——以及考古调查——来展示西利群岛的居民是如何在大约4-5千年前的青铜时代适应海平面变化的。

最后,值得强调的是另一种古气候档案形式——历史文献。这些可以是日记,日志,照片和即使绘画它们携带着直接和间接的气候信息。

例如,来自中世纪的英文造币账户 - 农村屋苑保留的金融和农业记录 - 提供有关收获和牛奶生产的详细信息。科学家用这些记录拼凑干旱的记录达到英格兰数百年前。

(左):Brenva Glacier,意大利,1897年。(右):英国殖民登记册的历史气象记录,1830年。
(左):Brenva Glacier,意大利,1897年。(右):英国殖民登记册的历史气象记录,1830年。必威手机官网碳短暂的复合。(点击扩展)。

另一个例子是历史照片和地图草图可用于重建冰川长度的变化 - 以及气候波动。

其他形式包括天气描述个人日记,记录葡萄收获日期,以及风、天气和海冰覆盖的描述在船舶日志中

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代理数据的不同来源是什么?

下表总结了气候代用指标的关键档案、它们提供的数据以及它们涵盖的典型间隔和时间跨度。

代理档案 测量类型 典型的间隔 典型的时间跨度 描述
水井 温度 世纪 数百年 钻孔是钻向地球的狭窄竖井,通常用来提取水或石油等物质。随着地表热量垂直向下缓慢扩散到地球,通过钻孔获取不同深度的温度读数可以显示过去地表的温度。虽然直接采集钻孔测量,但它们被归类为代理,因为它们用于间接测量过去的温度。
珊瑚和海绵 同位素,化学性质,生长速率 一年 几个世纪 珊瑚从海水中提取的碳酸钙形成了坚硬的骨骼。这些骨骼的密度随着季节和年复一年的变化,随着海水温度、水质和可利用营养物质的波动而变化。这些变化体现在与树木相似的年轮上。科学家们从珊瑚中提取小样本来分析这些环,有时需要x⁠-rays射线来识别。对骨骼中氧原子的同位素分析也可以表明海洋温度等变量的变化。虽然海绵不像珊瑚这样的硬脑膜,但它们通过放置碳酸钙或二氧化硅层而生长,这也产生了生长环。
冰川 冰川范围 一年 数百年 山冰川随着时间的推移而在一段时间内生长和退缩,因此它们的长度的记录可以用作气候代理。记录⁠-以测量,照片和绘画的形式⁠-经常回到几百年。由退缩冰川未覆盖的植物和其他有机材料的碳约会也可以表明过去的冰川范围。
历史文献 历史 小时一天 数百年 有关气候的直接和间接信息可以从历史文献中搜集到。这些记录包括报纸、船只日志、个人日记和教堂记录的天气,而记录葡萄和其他农作物丰收日期的⁠,例如⁠,也可以表明过去的气候条件。照片、地图、图表和绘画都可以是数据的来源。
冰核 同位素,尘埃,积累速率,温室气体浓度 一年 数十万年 冰盖和冰川形成从数千年的积累和压实雪中。通过冰层钻井来检索“核心”,提供该累积的横截面,从而提供雪建设的时间表。冰中所含的信息包括来自火山爆发的灰尘,提供过去的气氛样本的气泡,以及提供过去的气候证据的同位素。
湖泊沉积物 理化性质,贝壳,花粉,昆虫,分子化石,同位素 几十年几百年 数百万年 沉积物被冲进湖中,随着时间的推移而累积。像海洋沉积物一样,湖泊沉积物提供了各种气候代用物。碳和氢同位素分析分子化石,如叶蜡(来自植物叶片的保护层),可以用来推断景观和水循环的变化。昆虫的化石遗迹可以用来推断过去的气候。有花植物花粉粒保存在湖泊沉积物中,可以用来推断植被和气候的变化。湖泊沉积物中的木炭量可以用来推断火灾发生频率和强度的变化。
黄土 粉尘积累,物理和化学性质,分子化石 几个世纪到千年 数百万年 风吹淤泥的形成、搬运和沉积⁠——又称“黄土”和“风积尘”⁠——与气候变化密切相关。在干旱时期有大量的灰尘沉积记录⁠-例如,在冰河时期,大部分土地被冰盖和冰川覆盖。陆地上的灰尘沉积可以达到几十或几百米厚。
海洋沉积物 物理和化学性质,贝壳,花粉,分子化石,同位素 几个世纪到千年 几千万年 每年都会看到数十亿吨沉积物积聚在世界各地的海洋床上。这些沉积物捕捉了当时气候的微小线索⁠-包括微化石,如有孔虫壳,和分子化石,如叶蜡。这些线索的同位素分析可以揭示有关气候的信息。沉积物本身的性质⁠ - 如其尺寸,形状,结构和颜色⁠-也可以随着气候改变。
包鼠的贝冢 花粉,昆虫,植物残余,骨头,牙齿,同位素 几十年 数千年 包装大鼠,也称为Woodrats,构建可以随着时间的推移结晶的碎片堆,这些含量在尿液中保持内容数千年。这些“贝冢”中含有植物、骨头、牙齿、昆虫、贝壳和种子的残留物,可以通过同位素含量确定年代并进行分析,从而提供气候信息。
岩石露头 物理和化学性质,贝壳,花粉,昆虫,牙齿,植物化石,分子化石,同位素 几千年 数百万年 古代沉积岩提供了地球气候最古老的档案。与海洋和湖泊沉积物一样,可以在其中测量许多不同的代用物。植物化石提供了一个机会,通过分析它们的气孔来重建二氧化碳水平。哺乳动物化石牙齿的形状和状况可以提供过去气候条件的信息。例如,食草动物牙齿的磨损表面可以表明过去的植被⁠,因此,气候⁠。
密封毛皮 同位素 几十年 几个世纪到千年 几千年来,海豹的皮毛一直被用来制作保暖和防水的衣服和鞋子。这些皮肤含有碳和氮等元素的同位素,这些同位素是海豹通过捕食猎物积累起来的。因此,不同同位素的浓度可以表明过去的食物链结构,从而表明当时的环境条件。
speleothems. 同位素,化学性质 几十年几百年 数千年 Speleothems是洞穴形成,如钟乳石(悬挂在洞穴天花板)和石笋(从地板上升)。它们是由矿物沉积物的构建形成,主要是碳酸钙通过岩石渗透地进行地下水携带。同位素和微量元素的变化可用于确定过去的气候。
树戒指 环宽,木质密度,同位素 一年 几千年来 树的年增长率通常通过行李箱记录在戒指中。每一个年轮都有一个较轻的部分(在春季/初夏生长快)和一个较暗的部分(在夏末/秋季生长慢)。年轮的数量⁠以及年轮的宽度⁠反映了当时的气候条件。例如,树木在温暖潮湿的环境中生长较快,而在寒冷干燥的环境中生长较慢。树木可以“取芯”,移走树干的一个小截面⁠,以便在不损害树木的情况下进入年轮。还可以分析木材内的同位素,以普遍存在的气候信息。

测量类型:温度

典型的间隔:世纪

典型的时间跨度:数百年

描述:钻孔是钻孔进入地球的窄轴,通常用于提取水或油等物质。随着地表热量垂直向下缓慢扩散到地球,通过钻孔获取不同深度的温度读数可以显示过去地表的温度。虽然直接采集钻孔测量,但它们被归类为代理,因为它们用于间接测量过去的温度。

测量类型:同位素,化学性质,生长速率

典型的间隔:年度

典型的时间跨度:几个世纪

描述:珊瑚从海水中提取的碳酸钙构建它们的硬质骨架。这些骨骼的密度随着季节和年复一年的变化,随着海水温度、水质和可利用营养物质的波动而变化。这些变化体现在与树木相似的年轮上。科学家们从珊瑚中提取小样本来分析这些环,有时需要x⁠-rays射线来识别。对骨骼中氧原子的同位素分析也可以表明海洋温度等变量的变化。虽然海绵不像珊瑚这样的硬脑膜,但它们通过放置碳酸钙或二氧化硅层而生长,这也产生了生长环。

测量类型:冰川范围

典型的间隔:年度

典型的时间跨度:数百年

描述:山地冰川在响应气候条件下,随着时间的推移,它们的长度记录可以用作气候代理。记录⁠-以测量,照片和绘画的形式⁠-经常回到几百年。由退缩冰川未覆盖的植物和其他有机材料的碳约会也可以表明过去的冰川范围。

测量类型:历史

典型的间隔:小时至日

典型的时间跨度:数百年

描述:关于气候的直接和间接信息可以从历史文献中收集。这些记录包括报纸、船只日志、个人日记和教堂记录的天气,而记录葡萄和其他农作物丰收日期的⁠,例如⁠,也可以表明过去的气候条件。照片、地图、图表和绘画都可以是数据的来源。

测量类型:同位素,灰尘,累积率,温室气体浓度

典型的间隔:年度

典型的时间跨度:数十万年

描述:冰盖和冰川形成从数千年的积累和压实雪中。通过冰层钻井来检索“核心”,提供该累积的横截面,从而提供雪建设的时间表。冰中所含的信息包括来自火山爆发的灰尘,提供过去的气氛样本的气泡,以及提供过去的气候证据的同位素。

测量类型:物理和化学性质,贝壳,花粉,昆虫,分子化石,同位素

典型的间隔:数十年到几个世纪

典型时间范围:数百万年

沉积物被冲进湖中,随着时间的推移而累积。像海洋沉积物一样,湖泊沉积物提供了各种气候代用物。碳和氢同位素分析分子化石,如叶蜡(来自植物叶片的保护层),可以用来推断景观和水循环的变化。昆虫的化石遗迹可以用来推断过去的气候。有花植物花粉粒保存在湖泊沉积物中,可以用来推断植被和气候的变化。湖泊沉积物中的木炭量可以用来推断火灾发生频率和强度的变化。

测量类型:粉尘积累,物理和化学性质,分子化石

典型的间隔:几个世纪到千年

典型时间范围:数百万年

描述:风吹淤泥的形成、搬运和沉积⁠——又称“黄土”和“风积尘”⁠——与气候变化密切相关。在干旱时期有大量的灰尘沉积记录⁠-例如,在冰河时期,大部分土地被冰盖和冰川覆盖。陆地上的灰尘沉积可以达到几十或几百米厚。

测量类型:物理和化学性质,贝壳,花粉,分子化石,同位素

典型的间隔:几个世纪到千年

典型的时间跨度:数千万年

描述:每年都有数十亿吨的沉积物堆积在世界各地的海床上。这些沉积物捕捉了当时气候的微小线索⁠-包括微化石,如有孔虫壳,和分子化石,如叶蜡。这些线索的同位素分析可以揭示有关气候的信息。沉积物本身的性质⁠ - 如其尺寸,形状,结构和颜色⁠-也可以随着气候改变。

测量类型:花粉,昆虫,植物残余,骨头,牙齿,同位素

典型的间隔:几十年

典型的时间跨度:数千年

描述:包鼠,也被称为木鼠,可以建造瓦砾堆,随着时间的推移,它们的尿液会结晶,将其中的东西保存数千年。这些“贝冢”中含有植物、骨头、牙齿、昆虫、贝壳和种子的残留物,可以通过同位素含量确定年代并进行分析,从而提供气候信息。

测量类型:物理和化学性质,贝壳,花粉,昆虫,牙齿,植物化石,分子化石,同位素

典型的间隔:几千年

典型时间范围:数亿年

描述:古老的沉积岩提供了地球气候最古老的档案。与海洋和湖泊沉积物一样,可以在其中测量许多不同的代用物。植物化石提供了一个机会,通过分析它们的气孔来重建二氧化碳水平。哺乳动物化石牙齿的形状和状况可以提供过去气候条件的信息。例如,食草动物牙齿的磨损表面可以表明过去的植被⁠,因此,气候⁠。

测量类型:同位素

典型的间隔:几十年

典型的时间跨度:几百年到几千年

描述:密封毛皮/皮肤已经使用了数千年来制造温暖和防水衣服和鞋类。这些皮肤含有碳和氮等元素的同位素,这些同位素是海豹通过捕食猎物积累起来的。因此,不同同位素的浓度可以表明过去的食物链结构,从而表明当时的环境条件。

测量类型:同位素,化学性质

典型的间隔:数十年到几个世纪

典型的时间跨度:数千年

描述:Speleothems是洞穴形成,如钟乳石(悬挂从洞穴天花板)和石笋(从地板上升)。它们是由矿物沉积物的构建形成,主要是碳酸钙通过岩石渗透地进行地下水携带。同位素和微量元素的变化可用于确定过去的气候。

测量类型:环宽,木材密度,同位素

典型的间隔:年度

典型时间跨度:数千年

描述:树木的年生长通常是通过树干的年轮记录下来的。每一个年轮都有一个较轻的部分(在春季/初夏生长快)和一个较暗的部分(在夏末/秋季生长慢)。年轮的数量⁠以及年轮的宽度⁠反映了当时的气候条件。例如,树木在温暖潮湿的环境中生长较快,而在寒冷干燥的环境中生长较慢。树木可以“取芯”,移走树干的一个小截面⁠,以便在不损害树木的情况下进入年轮。还可以分析木材内的同位素,以普遍存在的气候信息。

jessica Tierney博士的帮助下生产的表。

如何校准和使用代理数据?

由于代用指标不能直接测量气候变量,因此需要将氧同位素值、树轮宽度或其他代用指标转化为气候变量,如温度或降雨量。这种转换被称为"校准“通常采取两种形式中的一种。

最近近期的高分辨率代理可以是“calibrated-in-time”。这是研究人员希望在最近存在的近期存在的代理价值观和直接观察之间的关系,以及利用这种关系在更远的过去更远的人中推断价值。

例如,如果树木环宽度与1850 - 20000个时期的温度密切相关,则科学家可以在1850年之前使用树木记录 - 例如,从1500到1850开始 - 重建该时段的温度。

第二种方法是“calibration-in-space”。这涉及到在现代环境的广泛空间范围内测量代理,在这些环境中,控制因素(如温度)是已知的。当无法与观测记录进行直接比较时,可使用这种技术。

例如,可以在现代湖泊沉积物中测量不同种类的花粉,以跨越一系列温度以产生校准。在某些情况下,通过在不同温度下培养生物 - 例如Foraminifera或藻类,也可以在实验室中进行校准。

foraminifera。信用:风景和科学/ alamy股票照biwei6868片。
foraminifera。信用:风景和科学/ alamy股票照biwei6868片。

然而,在某些情况下,不止一个因素会影响代理估计。例如,树木年轮的宽度可能取决于一个地点的降雨量和温度,研究人员希望确保他们不会将干旱误解为一段低温时期。研究人员可以利用复杂的统计模型来区分影响代理测量的不同因素。

此外,代理值与气候变量之间的关系可能不会随时间保持稳定。例如,如果变化的气候变得树木宽度和相关的树木增长 - 比依赖于温度依赖性更多的降雨,可能会停止有用。这发生了一些刷毛松树记录

一个例子是"分歧的问题“ - 某种树木木质密度记录的趋势”脱钩从1950年后的观测温度中得出的结论。虽然世界上一些地区的木材密度和年轮宽度与1950年之前观测到的气温相当,但一些——尽管不是全部——年轮记录未能捕捉到在那之后观测到的快速升温。

然而,这类事件是有问题的,因为研究人员必须努力确保在观测记录可用之前的其他时期,代理值和气候变量之间的关系不会出现类似的差异。

在某些情况下,是现代气候监测网出现之前有限的历史观测可以使用用于基于其他代理记录提供交叉检查的交叉检查,并用于验证过去的模型仿真。

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代理数据如何告知气候科学?biwei6868

如上所述,观察到的全球温度记录只回到1850年,在许多地区,温度记录甚至更短。其他气候记录 - 如地球大气,流出,飓风,野火或太阳能输出的组成 - 可能有更短的历史观测记录。

因此,在乐器记录开始之前了解地球系统的不同方面的变化,科学家必须依赖于代理测量。

代理在许多方面都对现代气候科学的发展起到了促进作用。biwei6868例如,过去80万年温室气体浓度和温度的代理记录已经帮助科学家了解冰河时期周期的驱动因素——包括二氧化碳的关键作用进行中。

虽然许多研究已经审查了个别代理类型和地点 - 例如,在过去的几十年里,在过去的几十年里,一直专注于使用许多不同的代理,以更好地了解区域或全球变化。

这一点很重要,因为像南极洲这样的单一地区,随着时间的推移,其温度或其他气候变量的变化可能比整个地球要大得多。这些“multiproxy气候重建“在其他因素中检查了空气温度,干旱,降水,海面温度,海平面,海冰和植被的变化。

例如,最近的自然这项研究汇集了“大量海洋表面温度的地球化学指标”,试图重建最近一次冰河期的全球温度最后冰川最大值.然后,研究人员对其产生的结果验证了衍生自Ice Cores和Speleothems的180同位素记录。

最大的多分X重建之一是从过去的全局变化(页面该项目始于1991年,由来自125个不同国家的数千名古气候学家合作开展。

2019年,他们发表彻底分析了过去2000年的全球表面温度 - 称为第2克项目。下图显示了在团队审查的所有不同方法上的结果重建。黄线显示​​他们检查的所有古古怪的代理重建的中位数,而黄色阴影区域显示了代理重建的不确定性范围(2.5%至97.5百分位数)。红线显示1850年后观察到的全局表面温度。

全球平均温度重建(黄线)和不确定性(黄色范围)截至0-2000期页面2 k的财团以及考坦和韦从1850年到2017年的观察结果。可在NOAA古气候档案

研究人员还重建了整个全新世(跨越12000年的现代地质时代)的古气候。下图显示了全球平均气温的重建范围(灰带)和估计中值(黄线)。

从公元前10050年到公元1950年的全球平均地表温度重建(黄线)和不确定性(灰色范围)温度12 k数据库.由于基础数据的低时间分辨率,没有显示最近的观测结果。可在NOAA古气候档案

(值得注意的是,全茂温度重建的不同方法之间存在一些不同的分歧最近的一个纸建议全新世最大温度可能比其他代理重建估计得多。)

随着时间重现的深入较低的时间分辨率他们往往有。换句话说,10,000年前的记录可能只表示在100年期间或更长时间的平均温度值,而最近的代理数据往往更接近20年的平均值。

这有点限制了科学家将早期代理重建的能力与现代温度记录进行比较,而无需应用类似的长期平均,虽然研究人员已经发现有些方法来解决这个问题。

除了了解过去的温度和其他气候变量的改变之外,代理数据还为科学家提供了如何在未来改变的内容。代理数据提供三个中的一个关键证据那科学家们习惯于更好地估计气候敏感性——这决定了如果二氧化碳浓度翻倍,未来地球会变暖多少。

例如,解释丹奈教授他是华盛顿大学气候科学教授biwei6868布里斯托尔大学,“50米年前,二氧化碳浓度大于今天,行星大幅加热。CO2的代理允许我们量化前者和电作率的温度让我们估计后者“。科学家可以使用这些信息来估算气候敏感性。

然而,他补充说,这些估算存在相当大的不确定性。这是因为“我们对整个地球没有完全的地理覆盖,也因为代理和气候之间的相关性并不完美”。此外,气候的“敏感性”(当大气中的二氧化碳增加或减少时,地球的温度会发生多大的变化)当地球处于不同的状态时——比如冰河时期——Lunt说,这可能不是未来气候敏感性的“可靠指标”。

代理数据还可以帮助确定对海平面冰盖植被在过去的温暖时期。一个例子是前一个205,000年前的中间峡地期间 - 叫做eemian这可能比今天温暖或温暖 - 这可以提供关于所有这些因素如何随着世界变暖而变化的证据。

代理为气候科学提供信息的另一种方式是通过建模。biwei6868代理记录可用于帮助评估气候模型.科学家们跑“环球“模拟模型,以了解他们重现过去的气候和代理数据,以防止遥远过去的气候。

Lunt解释说,这样做的好处是双重的:

“一个与代理数据吻合的模型可以被自信地用来提高我们对那段时期的理解……如果一个模型与过去的代理证据吻合,那么在某些情况下,这可以增加它对未来模拟的信心。”

Lunt领导着一个国际模型项目深纤维(深度模型互通项目)。该项目旨在承认气候模型通常对地球相对近期评估的事实,而全球温度可能正在达到数百万年(“深度”)的水平,他解释道。

DeepMIP使用代理数据评估模型Lunt说,并了解过去的气候系统,“特别是超温暖的早始新世气候最佳时期(EECO, ~ 5000万年前)和古新世-始新世最大热时期(PETM, ~ 5500万年前)。”

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代理数据的局限性是什么?

正如上面的章节所强调的,识别、提取、解释和校准代理数据以产生气候记录的过程绝不简单。因此,这种复杂的技术有其缺陷和局限性。

Cluett说,代理数据是间接的,所以Cluett说。因此,虽然代理正在记录环境的变化,但科学家需要考虑到当地条件和任何可能在游戏的范围内的任何更广泛的影响。

例如,在本地范围内,“在不同的系统中,代理和它们的环境之间的关系可能会不同,因此了解你工作的系统对于准确解释代理数据至关重要,”她说。

例如,Pearson,世界海洋中同位素的总体量随时间而变化。这影响了对个人记录的分析,他解释说:

“世界冰盖的大小的变化会改变整个海洋同位素比,因此对[代理]记录感到印记。”

并非所有代理记录都是平等的,指出贾斯汀·马丁博士,一个生态学家美国地质调查.理想的记录通常是“随着时间的推移长,准确,并且足够高的分辨率提供有用的信息”,他讲碳简短。必威手机官网然而,这并不总是科学家得到什么,他说:

“一些代用指标可能不能覆盖很长一段时间,或者可能只能提供缺乏特定日期的气候变化的相对估计。其他的可能只能提供几十年、几个世纪或更长的时间内测量的可变性的非常粗略的估计。”

所有代理人“受到一种方式的虚拟化的失败者”,添加了Pearson。

例如,对于历史文档,较旧的记录通常用处不大。一本关于温度重建的书美国国家研究委员会他指出,“爱尔兰和挪威的编年史中保存着可以追溯到公元一千年中期的天气记录”,但他表示,“这些记录的年代并不精确,而且对天气和气候的描述经常被夸大”。

皮尔森表示,所有这些复杂情况意味着,“可能存在很大的误差,这不仅来自我们的分析精度,还来自代理数据的校准程度,或可能来自目标变量的校准程度”。他补充说:

“由于这些原因,主题上有很多技术文献,通常,我们喜欢在一起使用多个代理,如果我们可以。”

这些障碍也使古怪的气门成为“有点疯狂的科学”,Pearson笔记和“关于过去的某些了解是非常困难的”。biwei6868尽管如此,他说:

“这也非常令人兴奋,因为时间尺度可能很大,我们使用的代理只有我们的科学想象力和测量感兴趣事物的能力所限制。”

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