地图:“代理”数据如何揭示地球遥远过去的气候

由Robert McSweeney和Zeke Hausfather。汤姆普拉特设计。

在任何一个时刻,都采取了数以千计的测量世界的天气。跨越土地,海洋和天空,数据正在手动和自动使用一系列技术,从谦逊的温度计到最新多英镑卫星

经过多年的积累,这些测量结果提供了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馆——美国英格兰中部气温记录-只追溯到1659年。考虑到人类在地球上游荡了几十万年,这只是时间的快照。

幸运的是,地球一直在保留自己的记录。在各种各样的地方藏起来 - 从贝壳和钟乳石到花粉和封口封封 - 自然世界已经记录了千年之千年的潮流和流动。

这被称为“代理数据”——对生物圈不同部分的气候的间接记录。

就像“史前”指的是有文字记载的历史之前的某个时期一样,替代数据提供了在专门记录之前对气候的洞察。它构成了过去气候研究的基础部分,被称为“古气候学”,同时也有助于巩固科学家对未来气候如何变化的理解。

在这种深入的Q&A中,Carbon简短探讨了必威手机官网不同类型的代理数据,科学家如何从他们那里汲取气候数据,以及他们可以在过去,现在和未来中告诉我们地球的气候。

此外,碳简介已经制作了美国必威手机官网的互动地图美国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被认为是什么现代温度计的第一个例子. 它将水银封装在一个玻璃管中,并在侧面有一个标准刻度。十年后,他又加上了以他的名字命名的温标(瑞典天文学家安德斯摄氏不会再制定他另外二十年的替代规模。)

温度计,以及其他仪器,如气压计用于测量空气压力和湿度计对于湿度来说,它继续成为正式气象站的关键部分。这些电台——被屏蔽在一家电视台的百叶窗后面史蒂文森屏幕- 在18世纪的欧洲和美国首次安装,全世纪遍布全世界。

史蒂文森屏幕,包含气象仪器。图片来源:环球影像集团北美有限责任公司/ DeAgostini / Alamy Stock Photo。
史蒂文森屏幕,包含气象仪器。图片来源:环球影像集团北美有限责任公司/ DeAgostini / Alamy Stock Photo。

到了19世纪中叶,有足够的气象站,并在陆地上记录足够的观察结果 - 以及-提供可靠的全球温度测量数据。的全球温度的最长记录- - - - - -产生共同英国气象局哈德利中心东安格利亚大学s气候研究中心——始于1850年。其他的,比如由美国宇航局美国国家海洋和大气管理局始于1880年。

1850-2020年全球平均地表温度。数据从美国宇航局吉斯坦普NOAA全球特姆普哈德利/ UEA HadCRUT5伯克利地球碳简报的必威手机官网原始温度记录。1979-2000年气温哥白尼ERA5(重新分析记录始于1979年)。根据1880-1899年的基线绘制异常曲线,表明自前工业化时期以来气候变暖。

这意味着科学家们对过去一个半世纪以来全球气温的变化有一个强有力的解释。但是,当然,地球比这要古老得多。为了进一步回顾——以及最近才有仪器的地方——科学家需要将目光从直接观测转向以各种形式存在于地球上的间接证据。这是“代理”数据。

“代理”这个词通常被定义为中介或替代 - 通常会参考一个人给予权威投票或代表其他人发言。因此,代理数据是作为地球气候直接观察的替代信息。

“气候替代物是我们用来重建过去气候相关因素变化的东西,如温度、降水、二氧化碳水平——或其他感兴趣的因素,”他解释说保罗·皮尔森教授来自地球和海洋科学学院biwei6868卡迪夫大学.他告诉《碳简报》:必威手机官网

“显然,如果没有时间机器,这些东西是无法直接测量的,所以我们需要找到一些可以追溯到过去的东西,其中包含一些我们可以测量的东西,可以对我们感兴趣的变量做出反应,因此就有了‘代理’这个名字。”

因此,科学家们在寻找气候“在环境中留下印记”的方式博士Maisa罗哈斯,香港大学地球物理系副教授智利大学和一个领先的作者古气候章节(pdf)政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)。她告诉《碳简报》:必威手机官网

“我们世界上有生命的部分——生物圈——会对气候做出反应,因此,它会在许多环境指标上留下标记,我们可以利用这些标记来重建气候。”

这些过去气候的线索散落在地球的各个角落,从巨大的冰原层和湖底的沉积物,到树木生长的年轮和洞穴中高耸的石笋。(见后来部分有关不同代理数据源的更多信息。)

比利时汉苏莱塞洞穴中的石笋。图片来源:邦伯特·帕特里克/阿拉米股票照片。
比利时汉苏莱塞洞穴中的石笋。图片来源:邦伯特·帕特里克/阿拉米股票照片。

这一信息使科学家能够“研究过去几个世纪和几千年的气候,从而比仅使用仪器气候数据追溯到更远的时间”,解释道瓦莱丽Trouet教授,大学的教授树木年轮研究实验室亚利桑那大学和作者树木故事,一本关于树木年轮的书。她补充道:

“通过研究20世纪之前的气候,当气象站数据可用时,我们可以将当前的气候变化放在一个更长期的背景下,研究自然的、非人为驱动的气候变化。”

气候在地球表面留下印记的方式早已被观察到。例如,在15世纪,意大利艺术家和发明家列奥纳多·达·芬奇记录树木年轮的厚度——穿过树干的同心圆——随降雨而变化。

树木年轮年代测定的科学学科——即“树木年代学”——后来由美国天文学家开创道格拉斯在20世纪初。他的研究试图将太阳黑子周期模式与气候波动和树木年轮模式联系起来。从这项最早的工作开始,道格拉斯就建立了上述树木年轮研究实验室。

(从左至右):列奥纳多·达·芬奇、哈罗德·尤里和安德鲁·埃利科特·道格拉斯。
(从左到右):莱昂纳多·达芬奇、哈罗德·尤里和安德鲁·埃利科特·道格拉斯。碳纤维复合材料。必威手机官网

具有悠久历史的另一个代理是“氧同位素组成方解石皮尔森说:

这种方法是[美国化学家]首创的。哈罗德尤里在战后几年内,帮助推出了整个领域古气候学.”

尤里展示了这些贝壳的化学成分(见下一节更多关于同位素的信息)的变化取决于水的温度。提取这些信息,就可以获得生物存活时的气候信息——可以追溯到数百万年前。

尤里将他的发现描述为“突然发现自己有一个。地质温度计皮尔森解释道。

在世界上哪里可以找到代理数据?

从南极洲的冰原和大西洋的海床,到欧洲的北方森林和东南亚的珊瑚,地球上的陆地和海洋都有代理数据。

美国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。凭借其许可,碳简介已映射了此数据。必威手机官网

使用左边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和缩小。点击一个单独的数据点,就会显示数据所涵盖的时间段、站点名称和NOAA参考网页的链接以获得进一步信息。

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代理捕获的信息是什么?

代理数据可以为一系列与气候相关的变化提供洞见。这些包括突发事件——比如火山喷发洪水以及逐渐的、长期的趋势等气候变暖和变冷干旱海平面变化气旋模式季风季节波动的大气中的二氧化碳薄薄的冰盖

代理通常落入三类之一 - 物理,生物或化学 - 解释Pearson教授:

“代理可以是物理的淤泥海底泥可以代表当前的速度,一些生物像年轮的宽度或增长在海洋壳乐队,或其他化学物质的元素和同位素组成,我们可以测量在实验室里。”

这些不同类型的代理已被一系列古社会捕获“档案例如沉积物、冰芯和洞穴形成。这些是“记录[代理]数据的媒体”,解释道Allison Cluett他是哈佛大学的博士生纽约州立大学布法罗分校

例如,克吕特的研究分析了海洋沉积物(档案)中的叶蜡(替代物),以重建格陵兰岛南部的气候。

每种类型的代理都反映了条件的变化,但它们不仅仅是捕获温度或降雨或其他单个变量。相反,他们经常反映几个。因此,古教物程学领域涉及“解开”具体的气候信息,说,罗哈斯博士说。

生物

以树木年轮为例,年轮提供了一种生物记录,表明随着时间的推移,树木是如何增加新的木材层的。每个环包括浅的和暗的部分,浅的部分表示春天和初夏的快速生长,暗的部分表示夏末和秋天的缓慢生长。总的来说,每个年轮代表一棵树一年的寿命。

科学家可以“核心“一棵树通过其行李箱提取横截面。这允许他们分析其戒指而不会损坏树。

树木增长速度可以“响应降水和温度 - 并将取决于树的树,罗哈斯解释道。戒指在温暖,潮湿的年里更广泛,树木越来越多的阳光和降雨以支持增长,而且在干旱期间,戒指将较窄,或者树被害虫,疾病或火灾击中。

树木年轮。信贷:克里斯·皮尔萨尔/阿拉米股票照片。
树木年轮。信贷:克里斯·皮尔萨尔/阿拉米股票照片。

因此,科学家的工作就是从代理提供的信息中提取气候数据。在树木年轮的例子中,这将首先涉及“cross-dating的年轮,以确定每个年轮的正确年份。

然后,利用当地的天气数据记录,科学家可以根据观测到的气候记录校准这些环。简单的关系可以用一个简单的方程来校准,但科学家们使用模型来校准那些更复杂的关系。

如果这两个数据来源很好地匹配,树木的年轮可以用来追溯到更久远的年代——在观测记录开始之前——来分析树木整个生命周期的气候。(见后来部分有关校准代理数据的更多信息。)

树木戒指记录可以回到很长的路上,注意到臭名药物:

“最长的连续树木记录 - 包括每年的测量 - 是德国橡树园时间,这些时间追溯到10,461BC ......但是对于古怪的目的,树木戒指主要用于研究过去〜500到2,000年。”

特鲁埃解释说,在哪些地点最适合进行某些分析是有细微差别的:

“在有利的气候条件下,树木会长得很多,并形成宽阔的年轮。这可能是干旱地区的潮湿条件,如美国西南部,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半岛……为了重建过去的温度,我们使用了寒冷地区的树木年轮。为了重建过去的干旱状况,我们使用了干旱地区的树木年轮。”

当然,还有其他复杂因素。年轮是最突出的树木经历明确的季节在全年。这意味着“中纬度地区的树木比热带地区的树木更能适应气候”,罗哈斯说:

“所以欧洲很好,北美、亚洲北部和南美也很好,安第斯山脉沿线有很多树木可以利用。”

相比之下,热带树木对树枝状学的挑战更为挑战,尽管某些物种仍然形成年度环。

这可以在上面的地图中看到——大部分的树木年轮数据来自北半球的温带和寒带森林。在热带地区,树木年轮数据并非不可能,Trouet补充道——有数百个可用记录,而且“肯定有可能得到更多”。

化学

让我们来看看化学替代品,一个例子是同位素.这为我们提供了一个讨论最著名的古气候档案类型之一——冰核的机会。

这些冰柱是从冰原和冰川中钻出来的,可以延伸到几公里。地球上的冰原和冰川是由数千年的降雪形成的,每一层都随着时间的推移而被压缩,并夹住了微小的气泡。因此,通过冰的横截面可以提供几个世纪以来这些气泡的时间线。

在美国科罗拉多州国家冰核实验室储存在-36C的冰芯的一米米。信用:吉姆西部/ alamy股票照片。
在美国科罗拉多州国家冰核实验室储存在-36C的冰芯的一米米。信用:吉姆西部/ alamy股票照片。

这些气泡是贯穿冰盖或冰川生命周期的微小大气样本。

虽然科学家可以直接分析气泡来确定遥远过去的大气组成,但它们也包含了一种代理估计过去的温度-氧同位素“18 o”。

同位素是与不同数量相同的相同元件的形式中子在原子核内的。氧同位素最丰富的是16 o,有八个中子,给它一个16(八个中子加八)的总原子质量质子)。

18O有两个额外的中子,使它的原子质量为18。因此,18O的原子比16O稍微重一些。当水从海洋蒸发并以雪的形式落在地球两极时,这种重量差异就会产生影响,解释说罗伯特博士Mulvaney的冰川学家英国南极调查,在一篇文章中科学美国人

“简单地说,从海洋表面蒸发含有重同位素的水分子需要更多必威体育在线注册的能量,而且,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。”

Mulvaney说,这两种过程都是温度依赖性,这意味着在冰芯中测量18o可以告诉科学家在过去的那个时候气候的温暖程度多么温暖。

对氧同位素的研究——其中大部分涉及海洋沉积物- “对于20世纪科学的伟大发现是基本的biwei6868冰河时代是由地球的轨道变量的偏心度,轴倾角和岁差来定的。

这些轨道变量被称为米兰科维奇旋回“在开发理论的塞尔维亚科学家Milutin米兰科接下场 - 描述了地球相对于太阳的地位的各种变化的集合如何触发冰龄的开始和结束。

物理

最后,对于三个类别的最后一个类别,一个物理代理的例子是海洋和湖泊沉积物。

每年,数十亿吨的沉积物被冲到世界各地的湖泊和海洋中。随着时间的推移,这些沉积物逐渐堆积起来,随着时间的推移,一层一层地增加。因此,在海底或湖底钻取岩芯可以提供沉积物——以及气候——如何变化的时间表。

德国不莱梅大学海洋环境科学中心的墨西哥湾沉积物岩芯。信贷:dpa图片联盟/阿拉米股票照片。biwei6868
德国不莱梅大学海洋环境科学中心的墨西哥湾沉积物岩芯。信贷:dpa图片联盟/阿拉米股票照片。biwei6868

这些沉积物的大小、形状、结构和颜色都能提供有关当时气候的线索。例如,解释美国地质调查网站

“科学家使用沉积物粒子的尺寸和形状来确定沉积物是否被运输,运输有多远,以及运输环境的有多高能量(例如,海浪在海滩上撞到粗砂颗粒后面的海浪,而且非常小谷物在非常静止的条件下沉积。“

但沉积物也是其他代用物的重要档案。随着沉积层的埋藏,科学家们可以分析各种各样的化石。”foraminifera.是一个经典的例子,皮尔森解释道:

“有孔虫大多是作为浮游生物或在海底生活的单细胞生物分泌的微观外壳。在合适的埋葬条件下,它们的外壳可以在几乎完美的条件下无限期地存活下来。这些贝壳在海底慢慢堆积,产生或多或少连续的代理记录。”

有孔虫用从海水中提取的碳酸钙建造外壳。同位素分析可以揭示这些生物存活时海洋的状况——因此也可以揭示气候。

硅藻。信用:自然历史博物馆/ alamy股票照片。
硅藻。信用:自然历史博物馆/ alamy股票照片。

硅藻是另一个微化石——这次是由二氧化硅制成的外壳。虽然有孔虫仅限于海洋和沿海环境,硅藻也在内陆湖泊中发现。湖泊沉积物是一种生物重建干旱历史的主要自然档案例如,它们所含的硅藻被用来拼合美国中西部极端干旱的记录

Cluett补充说,在海洋沉积物中发现的叶蜡也是一种有用的气候代理物。

“叶片是一组简单的有机分子,这些有机分子被植被广泛产生,既有湖泊景观,在湖泊内都是有用的生物标志物,因为植物将氢原子掺入来自水的这些分子的结构中 - 通常衍生自降水 - 他们用来生长。“

Cluett指出,叶蜡的同位素分析“提供了陆地气候记录,类似于冰核中稳定水同位素的测量”。例如,这种方法已经被用来重建大约11,000-5,000年前“绿撒哈拉”时期的降雨模式,当时该地区的降雨量充足多样的植被、永久性湖泊和人口

由于代理数据是自然累积的,所以它的记录可以追溯到介质存在的地方。例如,对于冰芯中的同位素来说,只要冰盖或冰川存在就可以了。海洋沉积记录可以长达数百万年,一直追溯到白垩纪一亿年前——恐龙时代。这反映出海床存在的时间比树木、珊瑚甚至冰盖都要长得多。

解释说,为了探索地球历史上最古老的部分,古气候学家必须利用岩层杰西卡·蒂尔尼博士他是亚利桑那大学的副教授领导作者政府间气候变化专门委员会的第六个评估报告.她告诉《碳简报》:必威手机官网

“为了研究大约1亿年前的气候变化,我们必须研究陆地上的岩层,其中包含已经石化的海洋或陆地沉积物。”

岩化是沉积物在压力下被压实而形成坚固岩石的过程。Tierney说,这些岩石可能会自然地“露出地面”,或者科学家可能会钻进去获取核心。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,比如二叠纪全球变暖以及大规模灭绝,以及雪球地球’——那时地球完全被冰覆盖。”
英国萨默塞特门迪普山的石灰岩露头。信贷:克雷格·乔纳摄影/阿拉米股票照片。
英国萨默塞特门迪普山的石灰岩露头。信贷:克雷格·乔纳摄影/阿拉米股票照片。

虽然海洋沉积物的潜在记录很长,但可以得出的采样“间隔”更为有限。这些数据可能只能显示从一个世纪到下一个世纪的气候变化,而来自树木年轮和石笋的数据则可以显示从一年到下一年的变化(有关不同类型的代理和存档的更多信息,请参见下面的部分。)

代理数据有助于深入了解人类对环境变化的反应方式。例如,一个biwei6868科学的进步来自今年早些时候的一篇论文,利用来自17个沉积物岩芯的花粉和木炭数据,以及考古调查,展示了在大约4- 5000年前的青铜时代,位于英格兰西南端的锡利群岛的居民是如何适应海平面变化的。

最后,值得突出另一种形式的古典气候档案 - 历史文件。这些可以是日记,日志,照片和甚至绘画携带直接和间接的气候信息。

例如,中世纪的英国庄园记录——由乡村庄园保存的金融和农业记录——提供了收成和牛奶生产的详细信息。科学家们利用这些记录团结在一起的干旱记录几百年前袭击了英格兰

(左):布伦瓦冰川,意大利,1897年。(右):英国殖民记录的历史气象记录,1830年。
(左):意大利Brenva Glacier,1897年。(右):来自英国殖民登记册的历史气象记录,1830年。碳短暂复合。必威手机官网(点击展开)。

另一个例子是如何历史照片和草图地图可以用来重建冰川长度的变化,从而重建气候的波动。

其他形式包括天气描述个人日记,纪录葡萄收获日期和风,天气和海冰盖的描述船舶航海日志

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代理数据的不同来源是什么?

下表总结了气候代理的关键档案,它们提供的数据以及它们覆盖的典型间隔和时间跨度。

代理存档 测量类型 典型的间隔 典型的时间跨度 描述
钻孔 温度 世纪 数百年 钻孔是钻入地球的窄轴,通常用于提取水或油等物质。当地表的热量慢慢地垂直扩散到地球上时,通过钻孔获取的不同深度的温度读数可以显示地表过去的温度。虽然井眼测量是直接进行的,但它们被归类为一个代理,因为它们被用来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 世纪 珊瑚从他们从海水中提取的碳酸钙构建它们的硬质骨架。这些骨骼的密度随季节和年份的变化而变化,随海水温度、水质和可获得的营养物质的变化而变化。这些变化表现在与树木相似的年轮上。科学家从珊瑚中提取小样本来分析这些环,有时需要x -⁠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。尽管海绵不像珊瑚那样形成坚硬的外骨骼,但它们是通过叠层碳酸钙或二氧化硅来生长的,这也会产生生长环。
冰川 冰川的程度 一年 数百年 随着时间的推移,高山冰川会随着气候条件的变化而生长或退缩,因此它们的长度记录可以作为气候指标。记录⁠——以测量、照片和绘画的形式⁠——通常可以追溯到几百年前。在冰川消退过程中发现的植物和其他有机物质的碳年代测定也可以表明冰川过去的范围。
历史文件 历史 小时一天 数百年 可以从历史文件中收集有关气候的直接和间接信息。这些包括报纸、船只日志、个人日记和教堂记录中的天气记录,而记录的收获日期⁠——葡萄和其他作物的丰收日期,例如⁠——也可以显示过去的气候条件。照片、地图、图表和绘画都可以成为数据的来源。
冰核 同位素,灰尘,积累速度,温室气体浓度 一年 几十万年了 冰盖和冰川是由数千年积雪的积累和压实而形成的。向下钻穿冰层以获取一个“核心”,这提供了一个横剖面⁠,也因此提供了雪形成的时间轴⁠。冰中包含的信息包括火山爆发的尘埃,提供过去大气样本的气泡,以及提供过去气候证据的同位素。
湖泊沉积物 物理和化学性质,贝壳,花粉,昆虫,分子化石,同位素 几十年到几个世纪 数百万年 沉积物被冲进湖泊并随着时间积累。像海洋沉积物一样,湖泊沉积物提供了多种气候代用物。碳和氢同位素分析分子化石,如叶蜡(来自植物叶子的保护层)可以用来推断景观和水循环的变化。昆虫的化石可以用来推断过去的气候。开花植物的花粉颗粒被保存在湖泊沉积物中,可以用来推断植被和气候的变化。湖泊沉积物中木炭的含量可以用来推断火灾发生的频率和强度的变化。
黄土 粉尘堆积、物理化学性质、分子化石 世纪到千年 数百万年 被称为“黄土”和“风积尘”⁠的风沙的形成、运输和沉积与气候变化密切相关。在干燥时期(⁠)记录了大量的灰尘沉积——例如,在冰期,大部分土地被冰原和冰川覆盖。陆地上的尘埃沉积可达数十米或数百米厚。
海洋沉积物中 物理和化学性质、贝壳、花粉、分子化石、同位素 世纪到千年 数百万年 每年都有数十亿吨的沉积物堆积在世界各地的海床上。这些沉积物捕获了有关那个时代气候的微小线索⁠——包括微化石,如有孔虫壳,和分子化石,如叶蜡。对这些线索的同位素分析可以揭示气候信息。沉积物本身的属性⁠——比如它的大小、形状、结构和颜色⁠——也会随着气候而变化。
包大鼠米德斯 花粉,昆虫,植物残余,骨骼,牙齿,同位素 几十年 几万年 背包鼠,也被称为木鼠,建造垃圾堆,随着时间的推移,可以通过它们的尿液结晶,保存内容物数千年。这些“贝冢”包含植物、骨头、牙齿、昆虫、贝壳和种子的残留物,可以对其同位素含量进行年代测定和分析,从而提供气候信息。
岩石露头 理化性质,贝壳,花粉,昆虫,牙齿,植物化石,分子化石,同位素 千禧年 数亿年 古老的沉积岩提供了最古老的地球气候档案。与海洋和湖泊沉积物一样,可以在其中测量许多不同的替代物。通过分析植物的气孔,植物化石提供了一个重建二氧化碳水平的机会。化石哺乳动物牙齿的形状和状况可以提供过去气候条件的信息。例如,食草动物牙齿上的磨损表面可以指示植被⁠– 因此,气候也是如此⁠– 过去的。
海豹毛皮 同位素 几十年 世纪到千年 数千年来,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,这些元素是海豹从它们所吃的猎物中积累起来的。因此,不同同位素的浓度可以指示过去的食物链结构,从而指示当时的环境条件。
汪教授 同位素,化学性质 几十年到几个世纪 几万年 洞穴洞穴是指洞穴的构造,如钟乳石(悬挂在洞穴天花板上)和石笋(从地面上升起)。它们是由矿物沉积物⁠——主要是碳酸钙⁠——的积累形成的,地下水通过岩石渗透。同位素和微量元素的变化可以用来确定过去的气候。
树的年轮 环宽,木材密度,同位素 一年 几千年 一棵树的年生长量通常记录在树干的年轮中。每个年轮每年都有一个较亮的部分(春季/初夏生长较快)和一个较暗的部分(夏末/秋季生长较慢)。增长量⁠– 因此,环的宽度⁠– 反映当时的气候条件。例如,树木在温暖、潮湿的环境中生长较快,而在寒冷和干燥的环境中生长较慢。树木可以“取芯”以去掉一个小十字架⁠–树干的一部分,以便在不损坏树木的情况下接近环。木材中的同位素也可以被分析以提供气候信息。

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:钻孔是钻入地下的狭窄竖井,通常用于提取水或石油等物质。当地表的热量慢慢地垂直扩散到地球上时,通过钻孔获取的不同深度的温度读数可以显示地表过去的温度。虽然井眼测量是直接进行的,但它们被归类为一个代理,因为它们被用来间接测量过去的温度。

测量类型:同位素,化学性质,生长速率

典型的间隔时间:一年

典型的时间跨度:几个世纪

描述:珊瑚从海水中提取碳酸钙来形成坚硬的骨骼。这些骨骼的密度随季节和年份的变化而变化,随海水温度、水质和可获得的营养物质的变化而变化。这些变化表现在与树木相似的年轮上。科学家从珊瑚中提取小样本来分析这些环,有时需要x -⁠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。尽管海绵不像珊瑚那样形成坚硬的外骨骼,但它们是通过叠层碳酸钙或二氧化硅来生长的,这也会产生生长环。

测量类型:冰川范围

典型的间隔时间:一年

典型的时间跨度:数百年

描述:山地冰川随着时间的推移而生长和退缩,以适应气候条件,因此记录它们的长度可以作为气候指标。记录⁠——以测量、照片和绘画的形式⁠——通常可以追溯到几百年前。在冰川消退过程中发现的植物和其他有机物质的碳年代测定也可以表明冰川过去的范围。

测量类型:历史的

典型间隔:小时到天

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到。这些包括报纸、船只日志、个人日记和教堂记录中的天气记录,而记录的收获日期⁠——葡萄和其他作物的丰收日期,例如⁠——也可以显示过去的气候条件。照片、地图、图表和绘画都可以成为数据的来源。

测量类型:同位素、灰尘、累积率、温室气体浓度

典型的间隔时间:一年

典型时间跨度:几十万年

描述:冰盖和冰川是由数千年的积雪堆积和压实而形成的。向下钻穿冰层以获取一个“核心”,这提供了一个横剖面⁠,也因此提供了雪形成的时间轴⁠。冰中包含的信息包括火山爆发的尘埃,提供过去大气样本的气泡,以及提供过去气候证据的同位素。

测量类型:物理和化学性质,贝壳,花粉,昆虫,分子化石,同位素

典型间隔:几十年到几百年

典型时间跨度:百万年

描述:沉积物被洗涤到湖泊中并通过时间累积。像海洋沉积物一样,湖泊沉积物提供了多种气候代用物。碳和氢同位素分析分子化石,如叶蜡(来自植物叶子的保护层)可以用来推断景观和水循环的变化。昆虫的化石可以用来推断过去的气候。开花植物的花粉颗粒被保存在湖泊沉积物中,可以用来推断植被和气候的变化。湖泊沉积物中木炭的含量可以用来推断火灾发生的频率和强度的变化。

测量类型:灰尘积聚,物理和化学性质,分子化石

典型间隔:世纪到千年

典型时间跨度:百万年

描述:风吹淤泥的形成,运输和沉积为“黄土”和“Eolian粉尘”⁠-与气候变化密切相关。在干燥时期(⁠)记录了大量的灰尘沉积——例如,在冰期,大部分土地被冰原和冰川覆盖。陆地上的尘埃沉积可达数十米或数百米厚。

测量类型:物理和化学性质,贝壳,花粉,分子化石,同位素

典型间隔: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。这些沉积物捕获了有关那个时代气候的微小线索⁠——包括微化石,如有孔虫壳,和分子化石,如叶蜡。对这些线索的同位素分析可以揭示气候信息。沉积物本身的属性⁠——比如它的大小、形状、结构和颜色⁠——也会随着气候而变化。

测量类型:花粉,昆虫,植物残余,骨骼,牙齿,同位素

典型的间隔:几十年

典型的时间跨度:几万年

描述:背包鼠,也被称为木鼠,建造垃圾堆,随着时间的推移,可以通过它们的尿液结晶,保存内容物数千年。这些“贝冢”包含植物、骨头、牙齿、昆虫、贝壳和种子的残留物,可以对其同位素含量进行年代测定和分析,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:千年

典型时间跨度:数亿年

描述:古代沉积岩提供最古老的地球气候档案。与海洋和湖泊沉积物一样,可以在其中测量许多不同的代理。通过对口气的分析,工厂化石提供了重建二氧化碳水平的机会。化石哺乳动物的牙齿的形状和状况可以提供有关过去的气候条件的信息。例如,食草动物牙齿上的磨损表面可以指示植被⁠-,因此,过去的气候⁠。

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

海豹的皮毛被用来制作保暖防水的衣服和鞋子已经有数千年的历史了。这些皮肤含有碳和氮等元素的同位素,这些元素是海豹从它们所吃的猎物中积累起来的。因此,不同同位素的浓度可以指示过去的食物链结构,从而指示当时的环境条件。

测量类型:同位素,化学性质

典型间隔:几十年到几百年

典型的时间跨度:几万年

洞穴洞穴是指洞穴的构造,如钟乳石(悬挂在洞穴天花板上)和石笋(从地面上升起)。它们是由矿物沉积物⁠——主要是碳酸钙⁠——的积累形成的,地下水通过岩石渗透。同位素和微量元素的变化可以用来确定过去的气候。

测量类型:环宽,木质密度,同位素

典型的间隔时间:一年

典型的时间跨度:千年

描述:树的年增长率通常通过行李箱录制在戒指中。每一圈都有一个灯光部分(春夏/初夏的快速增长)以及每年增长的夜晚(晚夏/秋季缓慢增长)。增长量⁠-,因此环的宽度⁠-反映了时间的气候条件。例如,树木在温暖,潮湿的条件下越来越快地生长,冷干燥和干燥。树木可以是“核心”,以去除行李箱的小横梁部分,以便在不损坏树的情况下进入环。还可以分析木材内的同位素,以普遍存在的气候信息。

在杰西卡·蒂尔尼医生的帮助下制作的表。

如何校准和使用代理数据?

由于代理没有直接测量气候变量,因此需要转换以将氧同位素值,树木宽度或其他代理测量变成气候变量,例如温度或降雨。转换被称为“校准通常有两种形式。

可以使用更多最新的高分辨率代理”calibrated-in-time”。这是研究人员寻找代理值和直接观测之间的关系,在最近的气候观测期间存在,并利用这种关系推断更遥远的过去的值。

例如,如果树的年轮宽度与1850-2000年期间的温度密切相关,科学家就可以利用1850年之前的树木年轮记录——比如说,从1500年到1850年——来重建那个时期的温度。

第二种方法是“calibration-in-space”。这涉及到在现代环境中广泛的空间范围内测量代理,其中的控制因素,如温度,是已知的。当无法与观测记录进行直接比较时,就会使用这种技术。

例如,可以在现代湖泊沉积物中测量不同种类的花粉,这些沉积物跨越不同的温度范围,以便进行校准。在某些情况下,也可以通过在不同温度下培养生物体(如有孔虫或藻类)在实验室进行校准。

有孔虫。图片来源:Scenics & Scibiwei6868ence / Alamy Stock Photo。
有孔虫。图片来源:Scenics & Scibiwei6868ence / Alamy Stock Photo。

然而,在某些情况下,影响代理估计的因素不止一个。例如,树木的年轮宽度可能取决于一个地区的降雨量和温度,研究人员希望确保他们不会把干旱误解为低温时期。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着时间的推移保持稳定。例如,如果气候变化使树木年轮宽度——以及与之相关的树木生长——更多地依赖于降雨而不是温度,那么这个代理可能就不再有用了。这发生在一些猪鬃松记录

这是“分歧的问题“–某些树木年轮木材密度记录倾向于”分离“从1950年之后的观察到的温度。虽然世界上一些地区的木质密度和树木宽度在1950年之前的观察到的温度良好,但一些 - 虽然不是全部 - 树木记录未能在该点之后捕获快速观察的变暖。

然而,这类事件是有问题的,因为研究人员必须尝试并确保在代理值和气候变量之间的关系中,类似的差异在观测记录可用之前的其他时期没有发生。

在某些情况下,在现代气候监测网络出现之前有限的历史观察可以使用提供基于其他代理记录的重构的交叉检查,并验证过去的模型模拟。

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代理数据如何为气候科学提供信息?biwei6868

如上所述,全球气温的观测记录只能追溯到1850年,在许多地区,气温记录甚至更短。其他气候记录——如地球大气成分、气流、飓风、野火或太阳输出——可能有更短的历史观测记录。

因此,为了了解仪器记录开始之前地球系统各方面的变化,科学家们不得不依赖替代测量。

代理人在许多方面都是有助于发展现代气候科学的方式。biwei6868例如,过去80万年的温室浓度和温度的代理记录有助于科学家了解冰河年龄循环的驱动因素 - 包括二氧化碳的关键作用在这个过程中。

虽然许多研究已经检查了个别的代理类型和地点——例如一个特定的珊瑚礁或洞穴——但在过去几十年里,重点一直是将一些不同的代理结合起来,以更好地了解区域或全球变化。

这很重要,因为诸如南极洲的单个位置可能在温度或其他气候变量中表现出比整个地球的时间更大的波动。这些 ”多分歧气候重建“研究了空气温度、干旱、降水、海面温度、海平面、海冰和植被等因素的变化。

例如,最近自然研究将“海面温度的大量地球化学代理集合”拉动,以便在最近的最近冰河时代重建全球温度,称为最后的冰川最大. 然后,研究人员根据来自冰芯和洞穴的18O同位素记录验证了他们的结果。

最大的多代理重建之一来自过去的全球变化(页面)项目,来自1991年开始的125个不同国家的成千上万的古生单质学家之间的合作。

2019年,他们发表对过去2000年全球地表温度的全面分析——称为页面2 k项目下图显示了团队研究的所有不同方法的结果重建。黄线显示了他们检查的所有古气候替代重建的中位数,而黄色阴影区域显示了替代重建的不确定性范围(2.5%到97.5%)。红线显示1850年后观测到的全球表面温度。

全球平均地表温度重建(黄线)和不确定性(黄范围)页面2 k的财团以及1850-2017年Cowtan和Way的观测结果。资料载于NOAA古古司机档案

研究人员还对整个全新世的古气候代用物进行了重建,全新世是跨越过去12000年的现代地质时代。下图显示了重建的范围(灰色区域)以及全球平均温度的中值估计(黄线)。

全球平均表面温度重建(黄线)和不确定性(灰色范围)从10,050Bc到AD1950的时间温度12K数据库.由于基础数据的低时间分辨率,最近未显示出现的观察结果。资料载于NOAA古古司机档案

(值得注意的是,全新世温度重建的不同方法之间存在一些分歧最近的一篇论文这表明全新世的最高温度可能比其他替代重建的估计要低得多。)

进一步回到时间重建去了低时间分辨率他们倾向于这样做。换句话说,一万年前的记录可能只代表了100年或更长时间内的平均温度值,而更近期的代理数据往往更接近20年的平均值。

研究人员认为,这在一定程度上限制了科学家在不采用相似的长期平均值的情况下,将早期的代理重建数据与现代温度记录进行比较的能力找到有一些方法可以解决这个问题。

除了了解过去温度和其他气候变量是如何变化的之外,代理数据还为科学家们提供了未来可能发生变化的线索。代理数据提供以下三种数据之一关键证据科学家们用来更好地估计气候敏感性- 如果二氧化碳浓度加倍,这决定了将来温暖的地球会有多少。

例如,解释丹教授水汽,气候科学教授biwei6868布里斯托大学他说:“5000万年前,二氧化碳浓度比现在高,地球明显变暖。二氧化碳的代用物使我们能够量化前者,而温度的代用物使我们能够估计后者”。科学家可以利用这些信息来估计气候敏感性。

然而,他补充说,这些估计存在相当大的不确定性。这是因为“我们没有对整个地球的完整地理覆盖,也因为代理人和气候之间的相关性并不完美”。此外,气候的“敏感性”伦特说,当地球处于不同的状态时(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)——比如冰河时期——可能不是未来敏感性的“可靠指标”。

代理数据还可以帮助确定更改海平面冰盖植被在过去的温暖时期。一个例子是大约125000年前的前一次间冰期——被称为艾姆间冰期这可能和今天一样温暖,或者比今天更温暖——这可以为所有这些因素如何随着世界变暖而改变提供证据。

代理提供气候科学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.科学家运行”后报“需要对模型进行模拟,看看它们在复制过去气候和代理数据方面有多好,以检验遥远过去的气候。”

伦特解释说,这样做的好处有两方面:

“一个与代理数据一致的模型可以放心地使用,以改善我们对那个时间段的理解...... [和]如果模型与过去的代理证据一致,那么在某些情况下,这可以给予增加的信心它的模拟未来。“

Lunt领导一个叫做国际建模项目DeepMIP(深度时间模型相互比较项目)。他解释说,该项目的构思是为了认识到这样一个事实,即气候模型通常是根据地球相对较近的过去进行评估的,而全球温度可能会达到数千万年来从未见过的水平(“深时间”)。

DeepMIP使用代理数据评估模型并了解过去的气候系统,Lunt说 - “特别是超温早期的初级期限最佳(EECO,〜50米年前)和古世茂 - 何人热最大(PETM,〜55米前)”。

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代理数据有哪些局限性?

由于上面的突出显示,识别,提取,解释和校准代理数据以产生气候记录的过程是什么,但直接。因此,这种复杂的技术具有它们的陷阱和局限性。

克吕特说,根据定义,代理数据是间接的。因此,当代理记录环境变化时,科学家需要同时考虑当地条件和可能发挥作用的任何更广泛的影响。

例如,在局部范围内,“代理和它们的环境之间的关系可能在不同的系统中有所不同,因此了解你所工作的系统对于准确解释代理数据至关重要,”她说。

例如,皮尔森指出,世界海洋中的同位素总量会随着时间发生变化。这影响了对个人记录的分析,他解释道:

“世界冰盖大小的变化会改变整个海洋的同位素比例,因此会在(代理)记录上留下印记。”

他指出,并非所有的代理记录都是平等的贾斯汀博士博士的一位生态学家美国地质调查局.他告诉《碳简报》,理想的记录通常是“长,日期准确,随着时间的推移具有足够高的分辨率,以提供有用的信息”。必威手机官网然而,科学家们得到的并不总是这样,他说:

“一些代理可能不会覆盖很长的时间段,或者可以仅提供缺乏某些日期的时间的气候变异性的相对估计。其他人可能只提供几十年来或更长的变异性的非常粗糙的变异性。“

皮尔森补充说,所有的代理“都受到保存方式的变化无常的影响”。

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理事会注意到,在第一个千年广告中,有“在爱尔兰和挪威人中保留的天气记录”,但“他们的约会是不精确的,天气和气候的描述通常被夸大”。

皮尔逊说,所有这些复杂性意味着,“可能存在相当大的误差条,这不仅来自我们的分析精度,还来自代理是否或可能与感兴趣的目标变量校准的好坏”。他补充说:

“由于这些原因,有很多关于这个主题的技术文献,总的来说,如果可以的话,我们喜欢一起使用多个代理。”

皮尔森指出,这些障碍还使古气候“有时成为一门令人发狂的科学”,“关于过去的某些知识很难获得”。尽管如此,他说:biwei6868

“这也很令人兴奋,因为时间尺度可能是巨大的并且我们使用的代理仅受我们的科学想象力和衡量感兴趣的事物的能力。”

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