Transcript 2-Paleoklima-UJ-Ildiko - ELTE Meteorológiai Tanszék

PALEOKLIMATOLÓGIA
Paleoklimatológia
• Tárgya
• Az éghajlatot befolyásoló
tényezők
• Kutatási módszerek
Éghajlatváltozások okai
• Csillagászati, fizikai, geológiai
hipotézisek
Éghajlatváltozások a múltban
• Földtörténeti korok éghajlata
• Jégkorszakok
Éghajlat – antropogén hatások
• Ember – történelmi égh. vált.
• Emberi tevékenység hatása
• jövőkép
Grinnell gleccser, Gleccser Nemzeti Park, USA, 1911 és 2000
Paleoklimatológia
• Feladata: A földtörténeti korok éghajlati viszonyainak
rekonstruálása, elemzése
• Segédtudományok:
–
–
–
–
–
–
Csillagászat
Meteorológia
Fizika
Geológia
Őslénytan
Geomorfológia
~ 500 millió év!!!
(A Föld kora ~ 4600 millió év)
Paleoklimatológia
Vizsgálati módszerek:
• Műszeres meteorológiai mérésekkel
/1537: Galilei, hőmérő; 1643: Torricelli, légnyomásmérő/
– A leghosszabb hőm.-i idősor 1659-től Angliára
– Első állomáshálózat Európában: Societas Meteorologica Palatina
(1780)
• Történelmi dokumentumok:
– Évkönyvek, krónikák, közigazgatási és kormányzati feljegyzések,
magánbirtokok adatai, hajózási és kereskedelmi feljegyzések
(a klímára köv.); ősi barlangrajzok, festmények, műalkotások
(a térség flórájára ás faunájára köv.)
• Fizikai módszerek
• Geológiai, geomorfológiai és őslénytani módszerek
Fizikai módszerek
• Radiokarbon-eljárás
(kor)
• Oxigén-izotóp módszer
(hőmérséklet)
• További radiometrikus: K, Ar, U, stb.
• Lumineszens kormeghatározás
(pl. kvarc)
• Mágneses
(A Föld polaritásának megváltozása alapján)
• Egyéb
Radiokarbon-kormeghatározás
= Szénizotópos kormeghatározás: a szerves anyagot
tartalmazó, 50 - 60 000 évesnél fiatalabb geológiai és
régészeti leletek korának meghatározására alkalmas
módszer.
Alapja az, hogy a légkörben lévő 14C-izotóp 5730 év
felezési idővel bomlik. Az élő szervezetekben a 12C és a
14C aránya állandó. Az elpusztult szervezetekben a 14C
részaránya csökken, s így a 12C-é nő.
A két izotóp arányának radiometrikus kormeghatározása
adja a vizsgált anyag abszolút korát.
Radiokarbon-kormeghatározás
A nyers radiokarbon méréseket gyakran a „bp” (before
present) referenciával adják meg.
Jelentése: az 1950 előtti radiokarbon évek számát adja
meg. Alapja az 1950-ben mért légköri 14C névleges
értéke.
A vizsgálat határa kb. 60 000 év, ugyanis efelett a 14C
értéke a mintában annyira kicsi, hogy nem lehet
megkülönböztetni a háttérsugárzástól.
„cal bp”: kalibrált bp, ugyanis a 14C értéke nem állandó a
légkörben sem (kozmikus sugárzás, óceáni rezervoárok,
légköri nukleáris kísérletek, fosszilis tüzelőanyagok)
Oxigén-izotóp módszer
A kőzetekben, jégfuratokban a 18O/16O izotóp-arányt
határozzák meg és ebből következtetnek a hőm.-re,
ugyanis ez az arány a hőmérséklet függvénye.
Nagyon pontos módszer: 1 °C pontosság
Fizikai módszerek
• Radiokarbon-eljárás (kor)
• Oxigén-izotóp módszer (hőmérséklet)
• További radiometrikus: K, Ar, U
-
Tavak, folyók üledékanalízise
Óceánfenék üledékanalízise
Gleccserek, sarki jégpáncélok furatmintái
Fosszíliák izotópanalízise
Korallzátonyok kémiai- és izotópanalízise
Speleotemek kémiai- és izotópanalízise
Édesvízi tavak,
folyók medréből
vett üledékek
analízise
Mintavevő
HMS Challenger, 1872
JOIDES Resolution
(8000 + 2100 méter)
Óceáni üledékek
analízise
Elsősorban a kontinentális
jégtakaró mennyiségét adja
vissza
 Heinrich-események
Az utolsó eljegesedés tengeri
üledékeiben talált 6 különleges
réteg, mely a jégtakarókból
származó jégarmada úszásával
kapcsolatos.
 MIS időszakok (Marine
Isotope Stages)
Heinrich események
Nagy mennyiségű
kontinentális víz kerül az
Atlanti-óceánba
Jégfurat-analízis
Pár száz métertől ~3 km-ig mély furatok…
Jégfurat-analízis
~ 3 km mély furatok:
(I. fele: ~ 10 000 év,
II. fele: ~ 250 000 év)
Grönland
- GRIP = Egyesült Európai Grönlandi Jégfurat Projekt
(Greenland Icecore Project)
- GISP2 = Amerikai Jégfurat Projekt (Greenland Ice Sheet Project)
- NGRIP = North Greenland Ice core Project
Antarktisz:
- EPICA = European Project for Ice Coring in Antactica (Dome C)
- VOSTOK, Dome F, stb.
Jégfurat-analízis
Jégfurat-analízis
Jégfurat-analízis (Dome C, Antarktisz)
Jégfurat-analízis (Dome C, Antarktisz)
Vostoki furat (1999):
~ 440 e év
Dome C (2005):
~ 650 e év
Jégfurat-analízis
Jégfurat-analízis
Következtetések:
- lokális (pl. hófelhalmozódás, ebből: csapadék, T)
- regionális (pl. szél szállította tengeri só)
- globális (pl. jégbezárt gázok (pl. CO2, CH4, stb.))
Jégbezárt gázok:
Akkori atmoszféra!!!
~ 300 évig van légcsere
Ha CO2 v. CH4 nő  T nő
Óceáni üledékből vett
fosszíliák izotópanalízise
Mikroszkópikus méretű
kagylók, csigák, ún.
„FORAMINIFERÁK” elemzése
Előfordulási arányuk alapján
 tengervíz hőmérséklete
18O
és 16O izotóparányok
számítása
Korallzátony analízis
Korallzátony analízis
Új- Guinea Houn-félsziget 130
ezer éves korallok
Izotopikus és vegyi elemzése 
14 különböző korszak
elkülönítése
Eredmények: az El Niño jelenleg
a legerősebb
A jégkorszak idején 50%-kal
gyengébb volt
Speleotemek
analízise
(karbonát alapú barlangi üledékes
kőzetek, pl. sztalaktit, sztalagmit)
CaCO3
13C
12C
18O
16O
Geológiai, geomorfológiai és őslénytani
módszerek és megfigyelések (1)
Közvetett források, ún. proxi adatok segítségével, melyek a
klímát indirekt módon detektálják. (Hosszabb időtávra
használhatók, de kevésbé pontosak)
Felmerülő problémák lehetnek:
• Idősorok összevetése több forrás esetén
• Reakcióidő figyelembevétele (pl. megkövülés ideje)
• Meteorológiai interpretáció, vagyis az értelmezés
Geológiai, geomorfológiai és őslénytani
módszerek és megfigyelések (2)
• Növényi és állati maradványok alapján
• Virágporok analitikai vizsgálata (Pollenanalízis) (klíma)
/ pl. szárazabb klíma esetén a tölgy mennyisége nő /
• Fák évgyűrűi alapján (Dendroklimatológia)
• Kőzetek elszíneződése alapján (klíma)
/ pl. vörös szín (vas-oxid)  melegebb éghajlat
barna (vas-hidroxid)  nedves-mérs. éghajlat /
• Kőzetek, üledékek mésztartalma alapján (tengervíz hőm.)
• Kőszén-, kőolaj- és földgáztelepek (klíma)
/ meleg/mérs. és csapadékos éghajlatra utalnak /
Kínai löszpadok
rétegelemzése
Sötét rétegek: volt vegetáció
Meleg, nedves klíma
Világos rétegek:
nincs vegetáció,
hideg, száraz klíma
Geológiai, geomorfológiai és őslénytani
módszerek és megfigyelések (3)
• Sókőzetek alapján
/ kősó és gipszrétegek, melyek beltavak, elzáródott tengerrészek
kiszáradásával keletkeznek  szárazabb égh. /
• Gleccserek felszínalakító munkájának nyomai alapján
/ U  V alakú völgyek /
• Gleccsertavak alján lerakódott hordalékrétegek alapján
/ vastagság, szemcseösszetétel és színeződés alapján  az egymást
követő nyarak és telek hőm. és csap. viszonyai /
• Gleccserek mozgása, hóhatár változása
Nunavut gleccser, Baffin sziget, Kanada
Gleccserek
• Hó- és jéglerakódással
összegyűlt jégfolyam
• Összenyomódás, részleges
olvadás, újra kristályosodási
folyamatok
• Évi előrehaladása néhány m
• Kialakulás feltétele: a télen
lehullott hó nem tud teljesen
elolvadni minden évben
(földrajzi szélesség, magasság)
• Több tízezer, több százezer
évre visszamenőleg adhat
információkat
Az északi hemiszféra 18000 évvel ezelőtti és jelenlegi
tengeri jég, kontinentális hó és jég,
illetve gleccser-borítottsága
Jelenleg a Földön 15,8 millió négyzetkilométert borít hó/jég/gleccser.
Ez a teljes kontinentális felszín 10 %-a (kb. Dél-Amerika területe).
18000 ezer évvel ezelőtt
(az utolsó jégkorszak
leghidegebb időszakában)
Hó- és jég borította a mai:
Németországot,
Lengyelországot,
Brit szigeteket,
Skandináv félszigetet,
Kanadát,
az USA egy hányadát
(pl. New Yorkot)
a
a
a
a
A Föld teljes kontinentális
felszínének 32 %-át!!!!!!
A déli hemiszféra 18000 évvel ezelőtti és jelenlegi
tengeri jég, kontinentális hó és jég,
illetve gleccser-borítottsága
Alig van különbség a jelenlegi, s a 18000 ezer évvel ezelőtti
hó/jég/gleccser borítottság között!!!!!
ELŐSZÖR: 1837-ben Louis Agassiz
Elmélete: valaha az északi hemiszféra jelentős hányadát jég
borította
Megfigyelései:
- Skócia
- Anglia
- Skandináv félsziget
- Svájc
- Olaszország
- Franciaország
- Észak-Amerika
Bizonyíték:
Magányos nagy kövek (bedrock)
Nunavut, Baffin sziget, Kanada
Bedrock
• Óriás kövek
• Egymástól néhány km
távolságra
• Általában sima völgyek legalján
• Valaminek oda kellett szállítani,
emelni őket
• Louiz Agassiz szerint:
A. gleccserfolyamok szállították
B. a földköpeny
megemelkedése
(erről bebizonyosodott, hogy
nem lehetséges)
Louis Agassiz
második bizonyítéka, evidenciája:
az U alakú letarolt völgyek
A folyók vágta völgyek V alakúak
A gleccserek vágta völgyek U alakúak
Baffin hegység fjordjai, Kanada – U völgyek
Louis Agassiz
harmadik bizonyítéka, evidenciája:
sziklákon talált párhuzamos rajzolatok
(az U alakú letarolt völgyek,
s az óriás kövek környékén)
Ezeket csak a mozgó gleccserek
„rajzolhatták” az általuk szállított
kövek által
Baffin hegység, Kanada – sziklakarcolatok
James Croll (1896)
Elfogadta Louis Agassiz
bizonyítékait
Ő az okokat kereste
(A Nap sugárzása változik,
vagy belső okok???)
Elsődlegesen csillagászati
okokra gondolt
(Vulkán-teória, hibás)
Jövő éghajlata???!
•
•
•
•
Tengeri üledékekből: T, időjárási minta
Jégfuratokból: T, múltbeli légkör
Korallokból: jégtakaró
Fák évgyűrűiből: aszályok, csapadék
 Óriási kirakójáték
Az éghajlatváltozások okai
Az éghajlati ingadozásokat magyarázó elméletek:
/ az eljegesedésre keresik az okot/
• Csillagászati hipotézisek
• Fizikai hipotézisek
• Geológiai hipotézisek
Csillagászati hipotézisek
• A napsugárzás váltakozó intenzitása:
•
•
A Nap sugárzásának intenzitása 200-250 millió éves
ritmus szerint változik, 1%-os vált.  0,72°C-os globális
DT
A Naprendszer időnként interstelláris porfelhőn halad át:
lecsökkenti a Földre jutó napsugárzás mennyiségét
Milankovich – Bacsák elmélet:
A Föld pályaelemeinek periodikus változásai okozzák az
éghajlatváltozásokat:
- excentricitás (~95e)
- perihelion-eltolódás (~22e)
- évszakok váltakozása
- tengelyelhajlás (~41e)
- szögsebességváltozás (~21e)
Az orbitális pálya excentricitása (~ 95e év)
Lineáris exc.:
e=e/a
= 0,0167
×
b
a
e ×
Tengelyelhajlás (~ 41e év)
A változás értéke: 0.00013°/év
A tengely körüli forgás változása (precesszió) (~ 21e év),
és a perihelion-eltolódás (~ 22e év)
Ez megegyezik a
szögsebesség
változásával,
hiszen W = v / r
Az évszakok változása
Milutin Milankovich
(1943)
Elfogadta Louis Agassiz
és James Croll
eredményeit
Továbbfejleszti, pontosítja
650 000 évre
visszamenőleg kiszámolta a
sugárzási bevételt a Föld
pályaelemeinek
megfelelően
A SZUPERPONÁLT ORBITÁLIS PERIÓDUSOK OKOZTA
SUGÁRZÁSVÁLTOZÁSOK
A nyári besugárzás görbéje az északi félteke 65o szélességen.
(tengelyelhajlás, az excentricitás, s a szögsebesség
változásainak hatásai)
Csillagászati hipotézisek
Milankovich – Bacsák elmélet:
Klímamodellek szerint elfogadható, ha azt is figyelembe
vesszük, hogy a CO2 alacsonyabb hőm.-en jobban elnyelődik.
Az eljegesedés kedvező feltételei akkor alakulnak ki, ha:
- maximális a földpálya lapultság,
- minimális tengelyelhajlás,
- és a naptávol nyáron következik be
 A sarkvidékeken erősödik a lehűlés, csökken a nyári
besugárzás,  fokozatos hó- és jégfelhalmozódás
A jégkorszaknak „kedvez”, ha a téli besugárzás > nyári besug.
A pályaelemek mindig változtak!!!
Imbrie (1984)
Újabb becslések
az orbitális
paraméterek
ciklikus változásaira
~ 800.000 év
1. Excentricitás
2. Szögseb. vált.
3. Tengelyelhajlás
4. Szuperponált
hatások
Fizikai hipotézisek
• Simpson-elmélet:
Ha nő a Földre jutó sug. mennyisége  emelkedik a hőm. 
a hőm. növekedés mértéke arányos az átlaghőm.-tel  a
trópusi övezeteben nagyobb, a sarkokon kisebb mértékű a
melegedés  felerősödik a mérs. övi cirk.  megélénkül a
ciklontev.  megnő a felhőzet és több lesz a csapadék.
A klímamodellek szerint nem fogadható el!
• A légköri CO2 koncentrációjának változásai
CO2 mint üvegházgáz
• A légkörbe kerülő vulkáni hamu mennyiségének változásai
Fizikai hipotézisek
Vulkáni tevékenység
•
•
•
•
A kitörések erősségének mérőszáma: DVI (Dust Veil Index)
Kalibrálására: Krakatau 1883 = 1000 DVI
Egy kitörés hatását 4 évre becsülik (j függő)
Egy vulkánkitörés sugárzási deficitet okoz, mely 20-30 % is
lehet.
• A DVI problémája, hogy a részecskéket nem különbözteti
meg  új index: VEI (Volcanic Explosity Index)
Geológiai hipotézisek
• Wegener-elmélet (kontinensvándorlás):
•
az okot nem, csak a helyet adja meg
Tektonikai folyamatok, mint hegységképződési folyamatok:
- Nagy földtömegek emelkednek ki és válnak hóval borítottá
 hűtő hatás
- A szárazföld-tenger eloszlással változik a Föld kisugárzása.
Jégkorszak, ha a sarkokon szárazföld van.
(Az Antraktiszon már 20 millió évvel ezelőtt elkezdődött az
eljegesedés)
A rekonstruált múltbeli éghajlat
A holocén időszak éghajlat-változásai
• Földünk jelenleg annak a jégkorszaknak az egyik
interglaciális időszakában van, amely már legalább 2 millió
évvel ezelőtt elkezdődött.
• Jégkorszak: állandó eljegesedés a tengerszinten, a csapadék
hó formájában. Glaciális (erős, azaz sarki jégmezők és
magashegyi gleccserek ott, ahol interglaciálisban nem),
interglaciális (szerényebb)
• A holocén a negyedidőszak 2. szakasza, amely napjainkig
tart. (A negyedidőszak 1. szakaszában, a pleisztocénben
4 nagy eljegesedés volt a Földön (Günz-, Mindel-, Riss-,
Würm-korszak)
•  az utolsó eljegesedés végétől számítjuk a holocént ( 10-
12 ezer év)  pl. Baltitenger kialakulása gleccserek helyén.)
A holocén időszak éghajlat-változásai
A holocén időszak éghajlat-változásai
A holocénben az éghajlat nem különbözött lényegesen a
maitól.
Kisebb ingadozások:
• a XII. sz. és XV. sz. eleje: a XX. sz. közepéhez hasonlóan
•
•
•
•
meleg éghajlat
15001850: Kisjégkorszak  pl. Alaszka eljegesedése
XIX. sz. óta felmelegedés, XX. végén a legintenzívebb
19101945: hőm. emelkedés (főleg az Éi féltekén és a
poláris területeken volt jelentős  oka: naptevékenység,
vulkanizmus), majd csökkenés
19762000: hőm. emelkedés (oka: emberi tevékenység)
A holocén időszak éghajlat-változásai
A holocén időszak éghajlat-változásai
A Negyedidőszak
A negyedidőszak kezdete az első „jelentős” lehűlés.
De mi is az a jelentős???
Megegyezés kérdése…
Olaszországi feltárás: 1,8 millió év
/ 1950: 680 000 év /
Negyedidőszak utolsó
400.000 évének idősorai
hasonlóságot mutatnak:
1. Csillagászati hatások
szuperponáltja
2. Tengeri fosszíliák
izotópelemzése (O18)
3. Kínai löszpadok
rétegelemzése
4. Antarktiszi
jégfuratminták
elemzése(O18)
Eredmények
GRIP:
/ Dansgaard et al., 1993, Nature /
3028,8 méteres furat:
• Egy 8,21 ezer évvel ezelőtti d18O minimumtól eltekintve az
eredmények egy figyelemreméltó stabil éghajlatról tanúskodnak az
elmúlt 10 ezer évben.
A furat maradék részeiben viszont nagy és hirtelen d18O ugrásokat
találtak.
• A Holocéntől eltekintve az Észak-Atlanti térség klímáját viszonylag
nagy instabilitás uralta az elmúlt 230 ezer évben.
Ez éles ellentétben áll a Holocén extrém stabilitásával és azt sejteti,
hogy ez a stabilitás inkább kivétel, mint szabály.
Ez vonatkozik az elmúlt nagy eljegesedési korszakokra is, vagyis
kérdéses, hogy a jelenkor éghajlata stabil marad-e a növekvő légköri
szennyeződések ellenére is.
Eredmények
GISP2:
/ Alley et al., 1994, Nature /
2250 méteres furat:
• Az utolsó nagy eljegesedés végén bekövetkező melegedés számos
hirtelen vissza-fordulattal jellemezhető, melyek közül a legismertebb
az ún. Younger Dryas esemény.
Oxigén-izotóp vizsgálatok alapján ez periódus nagyon hirtelen (kb. 50
év) ért véget, míg porkoncentráció vizsgálatok egy még gyorsabb
változásról (≤20 év) tanúskodnak.
A Younger Dryas esemény vége: kb. 11,5±0,2 ezer év BP
• a késő glaciális éghajlat-oszcilláció kapcsolatban van az óceáni
termohalin cirkulációval az óceáni mélyvíz felemelkedésén és a
felszíni meleg áramlatokon keresztül
 Milankovich lassú átmenetű periodicitás
• Fiatal Dryes időszak
11-13 ezer évvel
ezelőtt = jelentős
melegedés
260
Jégtömörödés mértéke
/Vostok-i furatmintában/
Vostok firn
Density
0.3
0
0
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
100
20
20
60
80
40
depth (m)
40
1 000
60
2 000
80
2 600
280
300
320
340
360
100
100
120
120
380
0
CO2 concentration (ppmv)
Gas evolution
2 900
0.02
0.04
0.06
0.08
Closed Porosity
Air hydrates
Material evolution
Years after the snow fall
500
Eredmények
/Vostok/
A CH4-on alapuló É-D korreláció
Az Antarktisz
felmelegszik amikor
Grönland lehűl, és
lehűl, amikor Grönland
melegedni kezd
Rahmstorf, Nature, 2002
Blunier et Brook, Science, 2001
Blunier et al., Nature, 1998
Eredmények
/Vostok/
Vostok:
Dome C:
/ Siegenthaler et al., 2005,
Science /
• az elmúlt 740 000 év
erős 100 000 éves
periodicitást mutat
(óceáni analízisek
alapján is), oka nem
teljesen tiszta
• A jelenlegi légkör
különleges: az elmúlt
650 000 évben nem volt
magasabb sem CO2 sem
a CH4 értéke, mint az
Ipari forradalom előtt
• A CO2 és a CH4 erős
kapcsolatban egymással
és a T-tel
• A jelen interglaciálishoz
hasonló volt a MIS13 és
MIS15
Eredmények
Eredmények
Climate and Greenhouse Gases during the last 650 Kyrs
1700 ppbv
375 ppmv
Vostok
EPICA Dome C
Pépin et al ( 2001)
Petit et al (1999)
Delmotte et al (2004)
Indermuehle et al (submitted)
EPICA project members (2004)
Spahni et al (submitted)
300
260
240
4
220
200
0
180
-2
-4
800
-6
700
-8
600
-10
500
400
700000
600000
500000
400000
300000
Age (yr BP)
200000
100000
0
CH4 (ppbv)
D (°C)
2
CO2 (ppmv)
280
Spekulatív múlt- jövő összehasonlítási séma
a globális melegedésre (Crowlley, 1989)
Köszönöm a figyelmet!