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

把多年的数据放在一起,这些数据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。

在这种深入的Q&A中,Carbon简短探讨了亚慱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,Carbon Bri亚慱官网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他不会在接下来的20年里再设计他的替代规模。)

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- 在18世纪的欧洲和美国首次安装,全世纪遍布全世界。

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-对全球气温进行可靠的测量。的最长的全球气温记录- - - - - -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 GlobalTemp哈德利/ UEA HadCRUT5伯克利地球以及碳简亚慱官网报的原始温度记录。1979 - 2000年的气温哥白尼ERA5(重新分析记录始于1yabo亚博体育app下载979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·皮尔森教授地球和海洋科学学院亚慱彩票APP卡迪夫大学.他告诉碳简报:亚慱官网

“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和一个领先的作者古气候章(pdf)政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)。她告诉碳简报:亚慱官网

“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。(看后来部分更多关于代理数据的不同来源。)

比利时hansur - lesse洞穴中的石笋。资料来源:Bombaert Patrick / Alamy Stock Photo。
比利时hansur - lesse洞穴中的石笋。资料来源:Bombaert Patrick / Alamy Stock Photo。

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木年轮研究实验室亚利桑那大学的作者树的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。

树木年轮测定的科学原则——被称为“树木年代学”——后来由美国天文学家开创一个E道格拉斯在20世纪初。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。亚慱官网碳短暂的复合。

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:

"这种方法是由[美国化学家]首创的哈罗德尤里在战后的几年里帮助启动了整个领域古气候学.”

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。

代理数据究竟在哪里找到的?

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。

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。亚慱官网

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海平面变化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,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纽约州立大学布法罗分校

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

以树木年轮为例,年轮记录了树木是如何随着时间的推移增加新的木材层的。每一个年轮由亮部和暗部组成——苍白部代表春季和初夏的快速生长,而黑暗部代表夏末和秋季的缓慢生长。综合起来,每个年轮代表了一棵树的一年。

科学家可以“核心"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。(看后来部分有关校准代理数据的更多信息。)

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。”

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,还有其他的并发症。年轮在四季分明的树木中最为突出。这意味着“中纬度的树木比热带的树木对气候更敏感”,罗哈斯说:

“所以欧洲很好,北美、北亚和南美也很好,安第斯山脉沿线有很多你可以利用的树木。”

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上看到——大部分的树木年轮数据来自北半球的温带和北方森林。在热带地区,树木年轮数据并非不可能获得,Trouet补充道——有数百个可用的记录,而且“绝对有可能获得更多”。

化学

说到化学替代物,其中一个例子是同位素.这也为我们提供了一个机会来讨论最著名的古气候档案类型之一——冰芯。

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。

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。

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,大部分的氧同位素涉及海洋沉积物- "是20世纪科学伟大发现的基础亚慱彩票APP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。亚慱彩票APP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。亚慱彩票APP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。”foraminifera.是一个经典的例子,皮尔逊解释道:

有孔虫主要是生活在海底的浮游生物,由单细胞生物分泌的微小贝壳。在合适的掩埋条件下,它们的贝壳可以在近乎完美的条件下无限期地存活。这些贝壳在海底慢慢堆积,形成了一个或多或少连续不断的代理记录。”

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yabo亚博体育app下载示这些生物生存时的海洋环境,以及气候。

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关键自然档案例如,它们所含的硅藻被用来组装美国中西部有极端干旱的记录

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yabo亚博体育app下载,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.她告诉碳简报:亚慱官网

“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。”

岩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,一个亚慱彩票APP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):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):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。亚慱官网碳短暂的复合。(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,以及风、天气和海冰覆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。

代理归档 类型的测量 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。虽然钻孔测量是直接进行的,但它们被归类为一种代理,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yabo亚博体育app下载同位素分析也可以表明海洋温度等变量的变化。虽然海绵不像珊瑚那样有坚硬的外骨骼,但它们是在碳酸钙或二氧化硅层上生长的,这也会产生年轮。
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。
历史文献 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 物理和化学性质,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)yabo亚博体育app下载,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 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、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 几千万年 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yabo亚博体育app下载分析可以揭示有关气候的信息。沉积物本身的性质⁠——比如它的大小、形状、结构和颜色⁠——也会随着气候变化而变化。
包鼠的贝冢 花粉,昆虫,植物残余,骨骼,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“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 理化性质,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。yabo亚博体育app下载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⁠。
海豹毛皮 同位素 几十年 几百年几千年 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。
汪教授 同位素,化学性质 几十年几百年 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 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:钻孔是钻入地球的狭窄竖井,通常用于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。虽然钻孔测量是直接进行的,但它们被归类为一种代理,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形成坚硬的骨骼。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yabo亚博体育app下载同位素分析也可以表明海洋温度等变量的变化。虽然海绵不像珊瑚那样有坚硬的外骨骼,但它们是在碳酸钙或二氧化硅层上生长的,这也会产生年轮。

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

典型的间隔时间:几十年到几百年

典型的时间跨度:数百万年

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)yabo亚博体育app下载,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: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、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yabo亚博体育app下载分析可以揭示有关气候的信息。沉积物本身的性质⁠——比如它的大小、形状、结构和颜色⁠——也会随着气候变化而变化。

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:数万年

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

典型的时间跨度: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。yabo亚博体育app下载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

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

典型的间隔时间:几十年到几百年

典型的时间跨度:数万年

描述:洞穴植物是洞穴的组成部分,如钟乳石(悬挂在洞穴顶部)和石笋(从地面上升)。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以用来确定过去的气候。

测量类型:环宽,木材密度,同位素

典型的间隔时间:一年

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。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"校准通常有两种形式。

许多最近的高分辨率代理可以是“calibrated-in-time”。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股票照亚慱彩票APP片。
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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。这发生了一些狐尾松记录

一个例子是"分歧的问题-一些年轮木材密度记录的趋势解耦从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?亚慱彩票APP

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。

代理在许多方面都对现代气候科学的发展起到了促进作用。亚慱彩票APP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 ”multiproxy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,最近的自然研究将“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。

最大的多代理重建之一来自过去的全球变化(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,他们发表对过去2000年全球表yabo亚博体育app下载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,最近未显示出现的观察结果。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。)

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——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,解释丹教授水汽,气候科学教授亚慱彩票APP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对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艾姆间冰期那很可能和今天一样暖和,甚至比今天还要暖和——这可以提供证据,说明随着全球变暖,所有这些因素可能会如何变化。

代理为气候科学提供信息的另一种方式是通过建模。亚慱彩票APP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。”

Lunt解释说,这样做的好处是双重的:

“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领导着一个国际模型项目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?

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。

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,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yabo亚博体育app下载:

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

并不是所有的代理记录都是平等的贾斯汀·马丁博士,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”。亚慱官网然而,这并不总是科学家们得到的,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“都受到以这种或那种方式进行保护的反复无常的影响”。

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,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”。亚慱彩票APP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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