Paleoklimatologia

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 mm. jääkausiajat. Muinaisia lämpötiloja päätellään mm. hapen eri lajien määristä, hyönteislajistoista ja kasvilajistoista.

Maan pintalämpötilan vaihtelut

Mittaukset jääkairausnäytteistä

Ilmaston kehittymistä tutkitaan mm. seuraamalla happi-isotooppien suhteita jäätiköissä. Jäähän kairataan hyvin syvä reikä, josta saadaan pötkömäisiä jäänäytteitä. Jää on veden eräs olomuoto. Hapessa on ainakin kahta isotooppia eli muunnosta, yleisempi ja kevyempi O-16 ja harvinaisempi, raskaampi O-18. Raskaan hapen määrä ilmoitetaan lukuna δ¹⁸ eli delta-O18.

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

Vedessä H₂O on kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi. Raskasta O-18:aa sisältävä vesi haihtuu suuren painonsa vuoksi hivenen hitaammin kuin kevyempi, tavallinen vesi, jossa on O-16:ta. Pilvet syntyvät haihtuneesta vedestä ja lumisade taas pilvistä. Jäätiköt syntyvät pilvistä sataneesta lumesta. Suurin osa raskashappisesta vedestä haihtuu päiväntasaajan seuduilta. Raskashappista vettä kulkeutuu jonkin verran korkeillekin leveysasteille. Päiväntasaaja-alueiden pintavesien lämpötila ei juurikaan laske jääkauden alkaessa.

Jääkauden aikainen päiväntasaajan ja napojen normaalia suurempi lämpötilaero edistää raskashappisen (O-18-veden) kulkeutumista napojen lähellä kasvaviin jäätiköihin. Näin ollen suuret O-18-määrät jäässä kertovat ilmaston kylmenemisestä, koska jääkausi viilentää nimenomaan ilmastoa napojen lähettyvillä. Vanhempi lumi on alempana kuin uudempi lumi. Näin kairaamalla jäähän reikä voidaan jääpötköstä mitata isotooppien vaihteluita. 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 esim. 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 mm. 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 O-18. 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 Sr87/Sr86 pitoisuudet kertovat meren suolaisuudesta. Aragoniitissa CaCO3 strontium korvaa kalsiumia riippuen lämpötilasta. Näin jos meriveden lämpötila on korkea, on paljon SrCO3:ta CaCO3:n 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 esim. marunan Artemisia ja ruohojen Poacaeae siitepölyjen määrän kasvu, ja puiden, esim. männyn Picea 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, esim. 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 esim. hiili-14 menetelmällä.

Tietokonesimulaatiot

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

Katso myös

• Jääkausiajat
• Lössikerrostumat
• 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 Berkley.
• NOAA Paleoclimatology
• AGU Paleoclimatology and climate system dynamics
• Paleoclimatology in the 21st Century
• Environmental Literacy Council
• Climate change and Palaeoclimatology News Archive
• The Uplift-Weathering Hypothesis
• NASA's GISS paleoclimate site
• CalPal - Cologne Radiocarbon Calibration & Paleoclimate Research Package