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百万磅卫星

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气温记录-只能追溯到1659年。考虑到人类在地球上游荡了几十万年,这仅仅是一个快照。

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。

这就是所谓的“代理数据”——印记在生物圈不同部分的气候的间接记录。

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金宝搏bet188,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,碳简介已经制作了美国金宝搏bet188的互动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Daniel Gabriel华氏温度发明了被认为是什么这是现代温度计的第一个例子.它将水银密封在一个玻璃管中,并有一个标准刻度在侧面。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,连同其他仪器,如气压计用于测量空气压力和湿度计对于湿度,后来成为正式气象站的关键组成部分。这些站-在百叶窗后面屏蔽史蒂文森的屏幕-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- 产生可靠的全球温度测量。这最长的全球气温记录-产生共同由这件事英国气象局哈德利中心东安格利亚大学气候研究单位-始于1850年。其他的,比如由美国国家航空航天局国家海洋和大气管理局(美国国家海洋和大气管理局),始于1880年。

从1850年到2020年的全球平均地表温度。数据从美国国家航空航天局GISTEMPNOAA GlobalTempHadley / Uea Hadcrut5伯克利地球以及碳简金宝搏bet188报的原始温度记录。1979 - 2000年的气温哥白尼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。

这意味着科学家们对过去一个半世纪左右的全球气温变化有了一个强有力的解释。但是,当然,地球比这要古老得多。为了更深入地回顾过去——对于那些直到最近才有仪器的地方——科学家们需要把目光从直接观察转移到地球上以各种形式锁住的间接证据上。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。

“气候代理是我们用来重建过去气候相关因素的变化,如温度、降水、二氧化碳水平——或任何其他感兴趣的因素,”解释说保罗·皮尔森教授来自地球和海洋科学院的188bet博彩公司怎么样卡迪夫大学.他告诉碳简报:金宝搏bet188

“显然,如果没有时光机,这些东西无法直接测量,所以我们需要找到一些可以追溯到过去的东西,并且包含一些我们可以测量的东西,这些东西会对我们感兴趣的变量产生反应——因此,我们称之为‘代理’。”

因此,科学家们寻找气候“在环境中留下印记”的方式博士Maisa罗哈斯,加州大学洛杉矶分校地球物理系副教授智利大学他是古气候章(pdf)政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)。她讲碳简短:金宝搏bet188

“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。”

这些关于过去气候的线索散落在地球上,从巨大的冰原和湖底的沉积物到树木生长的年轮和洞穴中高耸的石笋。(看后面的一节有关不同的代理数据来源。)

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。

这些信息使科学家能够“研究过去几百年和几千年的气候,从而比仅仅使用仪器气候数据回溯更久远的时间”,解释道瓦莱丽Trouet教授他是美国的一位教授树圈研究实验室亚利桑那大学的作者树木故事这是一本关于年轮的书。她补充道:

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

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年轮的厚度——贯穿树干的同心圆——随着降雨量的变化而变化。

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一个E道格拉斯在20世纪早期。他的研究试图将太阳黑子周期的模式与气候和树木年轮模式的波动联系起来。从这个最早的工作,道格拉斯继续建立了上面提到的树木年轮研究实验室。

(从左至右):列奥纳多·达·芬奇,哈罗德·瑞和安德鲁·艾莉科特·道格拉斯。
(从左至右):列奥纳多·达·芬奇,哈罗德·瑞和安德鲁·艾莉科特·道格拉斯。金宝搏bet188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:

“这种方法由[美国化学家]开创哈罗德尤里在战后几年内,帮助推出了整个领域古气候学。“

乌雷表明,这些壳的化学成分(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把他的发现描述为“突然发现自己有了一个地质温度计皮尔逊解释道。

找到了世界上的代理数据?

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上都发现了代理数据。

NOAA持有档案超过10,000个代理数据集涵盖十几个类别。在得到许可后,Carbon Brief绘制金宝搏bet188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 - 如变暖和冷却干旱海平面变化气旋模式季风季节波动大气二氧化碳或者薄薄的冰盖

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已被一系列古社会捕获“档案,比如沉积物、冰芯和洞穴构造。这些是“(代理)数据被记录的媒体”,解释道Allison Cluett他是麻省理工学院的博士研究生大学在布法罗

例如,克鲁埃特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

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“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。

树的年轮。来源:Chris Pearsall / Alamy Stock Photo。
树的年轮。来源:Chris Pearsall / Alamy Stock Photo。

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。就树木年轮而言,这首先涉及到“cross-dating“年轮”在许多树之间,以确定每个年轮的正确年份。

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。)

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

说到化学替代物,其中一个例子是同位素.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。

这些冰柱是从冰原和冰川中钻出来的,可以绵延数公里。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紧,从而形成微小的空气气泡。通过冰的横截面,可以得到这些气泡几个世纪以来的时间线。

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。

这些气泡是冰原或冰川形成过程中大气的微小样本。

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评估过去的温度-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中。最丰富的氧同位素是16 o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,解释罗伯特博士Mulvaney他是一名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金博宝188备用地址能量,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。”

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。

研究氧同位素,大部分的氧同位素涉及海洋沉积物- “对于20世纪科学的伟大发现是基本的188bet博彩公司怎么样冰河时代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,数十亿吨的沉积物被冲进世界各地的湖泊和海洋。随着时间的推移,这些沉积物一层又一层地堆积起来。因此,在海底或湖底钻一个岩芯可以提供一个沉积层——以及气候——如何变化的时间线。

德国不来梅大学海洋环境科学中心的墨西哥湾沉积物核心。188bet博彩公司怎么样资料来源:dpa图片联盟/ Alamy Stock Photo。
德国不来梅大学海洋环境科学中心的墨西哥湾沉积物核心。188bet博彩公司怎么样资料来源:dpa图片联盟/ Alamy Stock Photo。

这些沉积物的大小、形状、结构和颜色都可以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。“

有孔虫用从海水中提取的碳酸钙来建造它们的外壳。同位素分析可以揭示这些生物生存时的海洋环境,以及气候。

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。

硅藻是另一个微生物 - 这次用二氧化硅制成的壳。虽然foraminifera是仅限于海洋和沿海环境在美国,内陆湖泊也发现了硅藻。湖泊沉积物是一种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组装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种有用的气候代谢物,Cluett补充道:

“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。“

叶蜡的同位素分析“提供类似于冰芯中稳定水同位素的稳定水同位素的陆地气候记录”。例如,这种方法已被使用,例如,在11,000-5,000年前的“绿色撒哈拉”期间重建降雨模式,当时该区域支持多样的植被,永久的湖泊和人口

由于代理数据是自然积累的,它的记录可以追溯到该媒介存在的时间。例如,对于冰芯中的同位素来说,只要冰盖或冰川已经存在,就会产生同位素。海洋沉积记录可以长达数百万年,可以一直追溯到白垩纪时期100米年 - 恐龙的时间。这反映了海底比树木,珊瑚甚至冰盖所存在的事实。

探讨地球历史的最古老的部分,古生物性研究员必须使用岩层,解释杰西卡·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.她讲碳简短:金宝搏bet188

“在大约100亿年前学习气候变化,我们必须在陆地上工作,其中包含已被思维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,比如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。“
英国萨默塞特的门迪普山的石灰岩露头。资料来源:Craig Joiner摄影/ Alamy Stock Photo。
英国萨默塞特的门迪普山的石灰岩露头。资料来源:Craig Joiner摄影/ Alamy Stock Photo。

虽然来自海洋沉积物的潜在记录很长,但可以得到的采样“间隔”是有限的。这些数据可能只能显示气候从一个世纪到下一个世纪的变化,而树木年轮和石笋等数据可以显示每年的变化。(有关不同类型的代理和存档的更多信息,请参阅下面的部分。)

代理数据可以帮助我们了解人类对环境变化的反应方式。例如,一个188bet博彩公司怎么样科学的进步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,照片和甚至绘画携带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。科学家用这些记录团结在一起的干旱记录达到英格兰数百年前。

(左):布伦瓦冰川,意大利,1897年。(右):1830年英国殖民地记录的气象历史记录。
(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。金宝搏bet188(点击展开)。

另一个例子是如何历史照片和地图草图可以用来重建冰川长度的变化,以及气候的波动。

其他形式包括天气描述个人日记,记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。

代理归档 类型的测量 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 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。这些骷髅的密度从季节和一年的季节和年度发生变化,在海水温度,水清晰度和可用营养中的波动。这些变化在年生长戒指中揭示了与树木中的每年增长环。科学家从珊瑚采取小型样品来分析这些戒指,有时需要X¼射线来识别。骨架中包含的氧原子的同位素分析还可以在诸如海洋温度的变量中发出变化。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 冰川的程度 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⁠——通常可以追溯到几百年前。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。
历史文件 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,灰尘,积累速度,温室气体浓度 一年 数十万年过去了 冰原和冰川是积雪经过数千年的积累和压实而形成的。通过钻穿冰层来获取一个“核心”,可以得到一个交叉的⁠-堆积的部分,因此可以得到一个雪堆积的时间轴⁠-up。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 几十年到几个世纪 数百万年 沉积物被洗净到湖泊中并通过时间积累。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用于推断出射频和强度的变化。
黄土 灰尘堆积,物理化学性质,分子化石 几百年几千年 数百万年 风吹淤泥的形成,运输和沉积称为“黄土”和“Eolian粉尘”⁠-与气候变化密切相关。当冰盖和冰川覆盖大部分土地时,在干燥时期⁠ - 例如,在干燥期间记录大型除尘沉积物。土地上的灰尘沉积物可以达到数十或数百米厚。
海洋沉积物中 物理和化学性质,贝壳,花粉,分子化石,同位素 几百年几千年 数百万年 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。
包大鼠米德斯 花粉,昆虫,植物残余,骨头,牙齿,同位素 几十年 几万年 打包鼠,也被称为木鼠,可以用它们的尿液建造碎片堆,并随着时间的推移形成结晶,将其中的东西保存数千年。这些“Middens”含有植物,骨骼,牙齿,昆虫,壳种和种子的残余物,可用于其同位素含量,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 千禧年 数百万年 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,食草动物牙齿上的磨损表面可以指示植被⁠-,因此,过去的气候⁠。
海豹毛皮 同位素 几十年 几百年几千年 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的结构,因此的环境条件。
speleothems. 同位素,化学性质 几十年到几个世纪 几万年 洞穴生物是洞穴的组成部分,比如钟乳石(悬挂在洞穴天花板上)和石笋(从地面上升起)。它们是由矿物沉积形成的⁠-主要是碳酸钙⁠-由渗透岩石的地下水携带。同位素和微量元素的变化可用于确定过去的气候。
树的年轮 环宽,木材密度,同位素 一年 数千年的 树木的年生长通常通过树干的年轮来记录。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。木材内部的同位素也可以通过分析来提供气候信息。

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:珊瑚从海水中提取的碳酸钙构建它们的硬质骨架。这些骷髅的密度从季节和一年的季节和年度发生变化,在海水温度,水清晰度和可用营养中的波动。这些变化在年生长戒指中揭示了与树木中的每年增长环。科学家从珊瑚采取小型样品来分析这些戒指,有时需要X¼射线来识别。骨架中包含的氧原子的同位素分析还可以在诸如海洋温度的变量中发出变化。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

典型的间隔时间:一年

典型的时间跨度:数百年

描述:高山冰川随时间的变化而生长和消退,因此其长度的记录可以用来作为气候的代理。记录⁠——以测量、照片和绘画的形式⁠——通常可以追溯到几百年前。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:历史的

典型的间隔时间:每天一小时

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,尘埃,积累速率,温室气体浓度

典型的间隔时间:一年

典型的时间跨度:几十万年

描述:冰盖和冰川形成从数千年的积累和压实雪中。通过钻穿冰层来获取一个“核心”,可以得到一个交叉的⁠-堆积的部分,因此可以得到一个雪堆积的时间轴⁠-up。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

典型的时间跨度: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用于推断出射频和强度的变化。

测量类型:灰尘积累,物理和化学性质,分子化石

典型的时间间隔:几百年到几千年

典型的时间跨度:数百万年

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。当冰盖和冰川覆盖大部分土地时,在干燥时期⁠ - 例如,在干燥期间记录大型除尘沉积物。土地上的灰尘沉积物可以达到数十或数百米厚。

测量类型:物理和化学性质,贝壳,花粉,分子化石,同位素

典型的时间间隔:几百年到几千年

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:数万年

描述:包装大鼠,也称为Woodrats,构建可随时间结晶的碎片桩,其尿液会保持内容数千年。这些“Middens”含有植物,骨骼,牙齿,昆虫,壳种和种子的残余物,可用于其同位素含量,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

典型的时间跨度: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:几个世纪到千年

千百年来,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的结构,因此的环境条件。

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:数万年

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)。它们是由矿物沉积形成的⁠-主要是碳酸钙⁠-由渗透岩石的地下水携带。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。木材内部的同位素也可以通过分析来提供气候信息。

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。

许多最近的高分辨率代理可以是“校准时间”。这是研究人员寻找代理值和最近气候观测期间的直接观测之间的关系,并使用这种关系来推断更遥远的过去的值。

例如,如果树轮宽度与1850-2000年期间的温度密切相关,那么科学家就可以利用1850年之前的年轮记录——比如1500 - 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,这些沉积物可以跨越不同的温度范围,以产生一个校准。在某些情况下,校准也可以在实验室中进行,通过在不同温度下培养生物,如有孔虫或藻类。

foraminifera。信用:风景和科学/ alamy股票照188bet博彩公司怎么样片。
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然而,在某些情况下,超过一个因素会影响代理估计。例如,树木宽度可能取决于降雨和温度的位置,研究人员希望确保它们不会在低温下误解干旱。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。这发生了一些狐尾松记录

这是“分歧的问题-一些年轮木材密度记录的趋势解耦“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,这些事件存在问题,因为研究人员必须尝试并确保在观察记录的可用性之前的其他时段期间没有发生在代理值和气候变量之间的关系中的相似分歧。

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用于提供基于其他代理记录的重建的交叉检查和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?188bet博彩公司怎么样

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——如地球大气的组成、水流、飓风、野火或太阳输出——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。

代理人在许多方面都是有助于发展现代气候科学的方式。188bet博彩公司怎么样例如,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。

在过去的几十年里,虽然很多研究都考察了单个代理的类型和位置——比如一个特定的珊瑚礁或洞穴——但人们关注的焦点是将多个不同的代理结合起来,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“多分歧气候重建研究了气温、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,研究人员用来自冰芯和洞穴化石的18O同位素记录来验证他们的结果。

最大的多分X重建之一是从过去的全局变化(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年全球表面温度的全面分析第2克项目。下图显示了团队检查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间值,而黄色阴影区域显示了替代重建的不确定范围(2.5百分位数到97.5百分位数)。红线显示的是1850年以后观测到的全球表面温度。

全球平均地表温度重建(黄色线)和不确定性(黄色范围)从0年至2000年第2K联盟页面以及考坦和韦从1850年到2017年的观察结果。可在NOAA古古司机档案

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)。

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,没有显示最近的观测结果。可在NOAA古古司机档案

(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篇论文这表明全新世最高温度可能比其他替代重建模型所估计的要低得多。)

进一步回到时间重建去了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。

这在一定程度上限制了科学家在没有采用类似的长期平均方法的情况下,将早期的代理重建数据与现代温度记录进行比较的能力已经找到了有一些方法可以解决这个问题。

除了了解气温和其他气候变量在过去是如何变化的,代理数据还为科学家提供了未来可能如何变化的线索。代理数据提供三种数据之一关键证据科学家们用来更好地估计其范围气候敏感性- 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,解释丹教授水汽他是华盛顿大学气候科学教授188bet博彩公司怎么样布里斯托大学“5000万年前,二氧化碳浓度比现在高,地球也明显变暖。二氧化碳的代理让我们可以量化前者,而温度的代理让我们可以估计后者。”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更改海平面冰盖植被在过去的温暖时期。一个例子是12万5千年前的间冰期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。

代理提供气候科学的另一种方式是通过建模。188bet博彩公司怎么样代理记录可用于帮助评估气候模型.科学家运行”追算“我们需要模拟模型,看看它们能在多大程度上重现过去的气候和代理数据,以检验遥远过去的气候。”

这是两倍的好处,解释说:

“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,该项目的构想是基于这样一个事实,即气候模型通常是根据地球相对较近的过去进行评估的,而全球气温可能会达到数千万年(“深度时间”)未曾见过的水平。

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?

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,代理数据的定义是间接的。因此,在代理记录环境变化的同时,科学家需要考虑当地条件和任何可能发挥作用的更广泛的影响。

例如,在本地规模上,“代理与其环境之间的关系可能在不同的系统中不同,因此了解您所做的系统在准确地解释代理数据时至关重要”。

例如,皮尔森指出,世界海洋中同位素的总量可以随着时间的推移而变化。这影响了对个人记录的分析,他解释道:

“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。”

并不是所有的代理记录都是平等的贾斯汀博士博士,一个生态学家美国地质调查.他告诉碳简报,理想的记录通常是“长时间的、准确的、随着时间的推移具有足够高的分辨率,以提供有用的信息”。金宝搏bet188然而,这并不总是科学家们得到的,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,通过历史文档,旧记录通常不太有用。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”。

所有这些并发症都意味着“可能存在相当大的错误栏,这不仅仅是我们的分析精度,而且校准了代理的程度是或者可以到目标的目标变量”,Pearson说。他补充说:

“由于这些原因,有很多关于这个主题的技术文献,一般来说,如果可以的话,我们喜欢一起使用多个代理。”

皮尔森指出,这些障碍也使得古气候学“有时有些令人抓狂”,而且“关于过去的某些知识很难获得”。188bet博彩公司怎么样尽管如此,他说:

“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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