In Silent Spring beschouwt Rachel Carson de westerse alsem. "Want hier is het natuurlijke landschap welsprekend van het samenspel van krachten die het hebben gecreëerd", schrijft ze. “Het wordt voor ons verspreid als de pagina's van een open boek waarin we kunnen lezen waarom het land is wat het is en waarom we de integriteit ervan moeten behouden. Maar de pagina's liggen ongelezen. 'Ze klaagt over het verdwijnen van een bedreigd landschap, maar ze kan net zo goed praten over markeringen van paleoklimaat.
Om te weten waar je naartoe gaat, moet je weten waar je bent geweest. Dat geldt met name voor klimaatwetenschappers, die de volledige verschuivingen van de planeet moeten begrijpen om de koers van onze toekomst in kaart te brengen. Maar zonder een tijdmachine, hoe krijgen ze dit soort gegevens?
Net als Carson moeten ze de pagina's van de aarde lezen. Gelukkig heeft de aarde dagboeken bijgehouden. Alles wat jaarlijkse lagen neerlegt - oceaankoralen, grotstalagmieten, langlevende bomen, kleine beschilderde zeedieren - registreert getrouw de omstandigheden van het verleden. Om verder te gaan, baggeren wetenschappers sedimentkernen en ijskernen uit de bodem van de oceaan en de ijzige polen, die hun eigen memoires schrijven in uitbarstingen van as en stof en bellen van lang gevangen gas.
In zekere zin hebben we dus tijdmachines: elk van deze proxy's vertelt een iets ander verhaal, dat wetenschappers samen kunnen vlechten om een vollediger begrip van het verleden van de aarde te vormen.
In maart organiseerde het National Museum of Natural History van het Smithsonian Institute een driedaags Earth's History History Symposium dat leraren, journalisten, onderzoekers en het publiek samenbracht om hun begrip van paleoklimaat te vergroten. Tijdens een avondcollege legden Gavin Schmidt, klimaatmodel en directeur van het Goddard Institute for Space Studies van NASA, en Richard Alley, een wereldberoemde geoloog aan de Pennsylvania State University, uit hoe wetenschappers de klimaten in het verleden gebruiken om de klimaatmodellen te verbeteren die we gebruiken om te voorspellen onze toekomst.
Hier is uw gids voor het klimaatverleden van de aarde - niet alleen wat we weten, maar ook hoe we het kennen.
Hoe kijken we naar het vroegere klimaat van de aarde?
Er is wat creativiteit voor nodig om de vorige incarnaties van de aarde te reconstrueren. Gelukkig kennen wetenschappers de belangrijkste natuurlijke factoren die het klimaat bepalen. Ze omvatten vulkaanuitbarstingen waarvan de as de zon blokkeert, veranderingen in de baan van de aarde die het zonlicht naar verschillende breedtegraden verplaatst, de circulatie van oceanen en zeeijs, de indeling van de continenten, de grootte van het ozongat, explosies van kosmische stralen en ontbossing. Hiervan zijn de belangrijkste broeikasgassen die de hitte van de zon vasthouden, met name koolstofdioxide en methaan.
Zoals Carson opmerkte, registreert de aarde deze veranderingen in zijn landschappen: in geologische lagen, fossiele bomen, fossiele schelpen, zelfs gekristalliseerde rattenplas - eigenlijk alles wat echt oud is dat bewaard blijft. Wetenschappers kunnen deze dagboekpagina's openen en vragen wat er op dat moment aan de hand was. Boomringen zijn bijzonder ijverige archieven, die regenval vastleggen in hun jaarringen; ijskernen kunnen prachtig gedetailleerde overzichten bijhouden van seizoensomstandigheden die bijna een miljoen jaar teruggaan.
IJskernen onthullen jaarlijkse lagen sneeuwval, vulkanische as en zelfs overblijfselen van lang overleden beschavingen. (Goddard van NASA / Ludovic Brucker) Wat kan een ijskern ons nog meer vertellen?
"Wauw, er is zoveel", zegt Alley, die vijf veldseizoenen besteedde aan het boren van ijs uit de Groenlandse ijskap. Overweeg wat een ijskern eigenlijk is: een dwarsdoorsnede van lagen sneeuwval die millennia teruggaan.
Wanneer sneeuw de grond bedekt, bevat het kleine luchtruimtes gevuld met atmosferische gassen. Aan de polen worden oudere lagen begraven en samengeperst tot ijs, waardoor deze ruimtes worden omgezet in bubbels lucht uit het verleden, zoals onderzoekers Caitlin Keating-Bitonti en Lucy Chang in Smithsonian.com schrijven . Wetenschappers gebruiken de chemische samenstelling van het ijs zelf (de verhouding van de zware en lichte isotopen van zuurstof in H2O) om de temperatuur te schatten. In Groenland en Antarctica extraheren wetenschappers zoals Alley ondenkbaar lange ijskernen - sommige meer dan twee mijl lang!
IJskernen vertellen ons hoeveel sneeuw er in een bepaald jaar is gevallen. Maar ze onthullen ook stof, zeezout, as van verre vulkanische explosies, zelfs de vervuiling achtergelaten door Romeins sanitair. "Als het in de lucht is, is het in het ijs", zegt Alley. In de beste gevallen kunnen we ijskernen dateren naar hun exacte seizoen en jaar, waarbij hun jaarlijkse lagen zoals boomringen worden geteld. En ijskernen behouden deze prachtige details die honderdduizenden jaren teruggaan, waardoor ze wat Alley 'de gouden standaard' van paleoklimaat proxy's noemt.
Wacht, maar is de geschiedenis van de aarde niet veel langer dan dat?
Ja dat klopt. Paleoklimaatwetenschappers moeten miljoenen jaren teruggaan - en daarvoor hebben we dingen nodig die zelfs ouder zijn dan ijskernen. Gelukkig heeft het leven een lang record. Het fossielenbestand van het complexe leven gaat terug tot ergens rond de 600 miljoen jaar. Dat betekent dat we duidelijke maatstaven hebben voor veranderingen in het klimaat die ongeveer zover gaan. Een van de belangrijkste zijn de tanden van conodonts - uitgestorven, palingachtige wezens - die 520 miljoen jaar teruggaan.
Maar enkele van de meest voorkomende klimaatproxy's op dit tijdsschema zijn nog minuscuul. Foraminifera (bekend als "forams") en diatomeeën zijn eencellige wezens die de neiging hebben om op de oceaanbodem te leven, en zijn vaak niet groter dan de periode aan het einde van deze zin. Omdat ze over de hele aarde verspreid zijn en al sinds het Jura bestaan, hebben ze een robuust fossielenbestand achtergelaten voor wetenschappers om temperaturen in het verleden te onderzoeken. Met behulp van zuurstofisotopen in hun schalen kunnen we oceaantemperaturen van meer dan 100 miljoen jaar geleden reconstrueren.
"Op elke landtong, op elk golvend strand, in elke zandkorrel is er een verhaal over de aarde", schreef Carson ooit. Die verhalen blijken zich ook te verbergen in de wateren die die stranden hebben gecreëerd, en in wezens die kleiner zijn dan een zandkorrel.
Foraminiferen. (Ernst Haeckel) Hoeveel zekerheid hebben we voor een diep verleden?
Voor paleoklimaatwetenschappers is het leven cruciaal: als je indicatoren hebt voor het leven op aarde, kun je de temperatuur interpreteren op basis van de verdeling van organismen.
Maar wanneer we zo ver terug zijn gegaan dat er geen conodonttanden meer zijn, zijn we onze belangrijkste indicator kwijt. In het verleden moeten we vertrouwen op de verdeling van sedimenten en markers van gletsjers uit het verleden, die we kunnen extrapoleren om grofweg klimaatpatronen aan te geven. Dus hoe verder we teruggaan, hoe minder proxy's we hebben en hoe minder gedetailleerd ons begrip wordt. "Het wordt alleen maar mistiger en mistiger", zegt Brian Huber, een Smithsonian paleobioloog die het symposium hielp organiseren samen met collega-paleobioloog-onderzoekswetenschapper en curator Scott Wing.
Hoe toont paleoklimaat ons het belang van broeikasgassen?
Broeikasgassen werken, zoals hun naam al doet vermoeden, door warmte vast te houden. In wezen vormen ze uiteindelijk een isolerende deken voor de aarde. (Je kunt hier meer over de basischemie vertellen.) Als je naar een grafiek van afgelopen ijstijden kijkt, kun je zien dat CO2-niveaus en ijstijden (of mondiale temperatuur) op één lijn liggen. Meer CO2 staat gelijk aan warmere temperaturen en minder ijs, en omgekeerd. "En we kennen hier wel de richting van het oorzakelijk verband", merkt Alley op. “Het gaat voornamelijk van CO2 naar (minder) ijs. Niet andersom."
We kunnen ook op tijd terugkijken op specifieke snapshots om te zien hoe de aarde reageert op eerdere CO2-pieken. Bijvoorbeeld, in een periode van extreme opwarming tijdens het cenozoïcum van de aarde, ongeveer 55, 9 miljoen jaar geleden, kwam er voldoende koolstof vrij om de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer te verdubbelen. De consequent hete omstandigheden veroorzaakten grote schade en veroorzaakten enorme migraties en uitstervingen; vrijwel alles wat leefde, bewoog of stierf uit. Planten verwelkt. Oceanen verzuurd en opgewarmd tot de temperatuur van badkuipen.
Helaas is dit misschien een voorbode voor waar we naartoe gaan. "Dit is wat eng is voor klimaatmodelbouwers", zegt Huber. "Met de snelheid waarmee we gaan, keren we de tijd terug in deze perioden van extreme warmte." Daarom helpt het begrijpen van de rol van kooldioxide in de afgelopen klimaatverandering ons toekomstige klimaatverandering te voorspellen.
Dat klinkt best slecht.
Yep.
Ik ben echt onder de indruk van hoeveel paleoklimaatgegevens we hebben. Maar hoe werkt een klimaatmodel?
Grote vraag! In de wetenschap kun je geen model maken tenzij je de basisprincipes van het systeem begrijpt. Het feit dat we goede modellen kunnen maken, betekent dus dat we begrijpen hoe dit allemaal werkt. Een model is in wezen een vereenvoudigde versie van de werkelijkheid, gebaseerd op wat we weten over de wetten van natuur- en scheikunde. Ingenieurs gebruiken wiskundige modellen om structuren te bouwen waarop miljoenen mensen vertrouwen, van vliegtuigen tot bruggen.
Onze modellen zijn gebaseerd op een gegevenskader, waarvan een groot deel afkomstig is van de paleoklimaat-volmachten die wetenschappers uit alle uithoeken van de wereld hebben verzameld. Daarom is het zo belangrijk dat gegevens en modellen met elkaar in gesprek zijn. Wetenschappers testen hun voorspellingen op gegevens uit het verre verleden en proberen eventuele discrepanties op te lossen. "We kunnen teruggaan in de tijd en de resultaten van deze modellen evalueren en valideren om betere voorspellingen te doen voor wat er in de toekomst gaat gebeuren", zegt Schmidt.
Hier is een model:
Het is mooi. Ik hoor echter dat de modellen niet erg nauwkeurig zijn.
Door hun aard zijn modellen altijd verkeerd. Zie ze als een benadering, onze beste gok.
Maar stel jezelf de vraag: geven deze gissingen ons meer informatie dan we eerder hadden? Bieden ze nuttige voorspellingen die we anders niet zouden hebben? Kunnen ze ons nieuwe, betere vragen stellen? "Als we al deze stukjes samenvoegen, eindigen we met iets dat erg lijkt op de planeet", zegt Schmidt. “We weten dat het onvolledig is. We weten dat er dingen zijn die we niet hebben opgenomen, we weten dat we dingen hebben toegevoegd die een beetje verkeerd zijn. Maar de basispatronen die we in deze modellen zien, zijn herkenbaar ... als de patronen die we altijd in satellieten zien. "
Dus we moeten erop vertrouwen dat ze de toekomst voorspellen?
De modellen reproduceren getrouw de patronen die we in het verleden, heden en in sommige gevallen van de aarde zien. We zijn nu op het punt waar we vroege klimaatmodellen - die van de late jaren 1980 en 1990 waaraan Schmidt's team bij NASA werkte - kunnen vergelijken met de realiteit. "Toen ik student was, vertelden de vroege modellen ons hoe het zou opwarmen", zegt Alley. “Dat gebeurt. De modellen zijn zowel voorspellend als verklarend: ze werken. ”Afhankelijk van waar je staat, zou je kunnen zeggen:“ Oh godzijdank! We hadden gelijk! 'Of' Oh nee! We hadden gelijk. '
Om de nauwkeurigheid van modellen te controleren, gaan onderzoekers meteen terug naar de paleoklimaatgegevens die Alley en anderen hebben verzameld. Ze voeren modellen naar het verre verleden en vergelijken ze met de gegevens die ze daadwerkelijk hebben.
"Als we oude klimaten uit het verleden kunnen reproduceren waarin we weten wat er is gebeurd, dan weten we dat die modellen echt een goed hulpmiddel voor ons zijn om te weten wat er in de toekomst gaat gebeuren", zegt Linda Ivany, een paleoklimaatwetenschapper aan de Syracuse University. De onderzoeksmachten van Ivany zijn oude mosselen, waarvan de schelpen niet alleen de jaarlijkse omstandigheden registreren, maar ook individuele winters en zomers die 300 miljoen jaar teruggaan - waardoor ze een waardevolle manier zijn om modellen te controleren. "Hoe beter de modellen worden in het herstellen van het verleden, " zegt ze, "hoe beter ze zullen zijn in het voorspellen van de toekomst."
Paleoklimaat laat ons zien dat het klimaat op aarde dramatisch is veranderd. Betekent dit niet dat, in relatieve zin, de veranderingen van vandaag geen probleem zijn?
Wanneer Richard Alley de ernst van door de mens veroorzaakte klimaatverandering probeert uit te leggen, roept hij vaak een bepaald jaarlijks fenomeen op: de bosbranden die elk jaar in de heuvels van Los Angeles oplaaien. Deze branden zijn voorspelbaar, cyclisch, natuurlijk. Maar het zou gek zijn om te zeggen dat, aangezien branden de norm zijn, het prima is om brandstichters ook te laten branden. Evenzo betekent het feit dat het klimaat in de loop van miljoenen jaren is veranderd niet dat door de mens veroorzaakte broeikasgassen geen ernstige wereldwijde bedreiging vormen.
"Onze beschaving is gebaseerd op een stabiel klimaat en zeespiegel", zegt Wing, "en alles wat we uit het verleden weten, zegt dat wanneer je veel koolstof in de atmosfeer stopt, het klimaat en de zeespiegel radicaal veranderen."
Sinds de industriële revolutie hebben menselijke activiteiten ertoe bijgedragen de aarde 2 graden F te verwarmen, een kwart van wat Schmidt een "ijstijd-eenheid" beschouwt - de temperatuurverandering die de aarde doormaakt tussen een ijstijd en een niet-ijstijd. De modellen van vandaag voorspellen nog eens 2 tot 6 graden Celsius van opwarming tegen 2100 - minstens 20 keer sneller dan eerdere periodes van opwarming in de afgelopen 2 miljoen jaar.
Natuurlijk zijn er onzekerheden: "We kunnen een debat hebben over de vraag of we een beetje te optimistisch zijn of niet, " zegt Alley. "Maar niet veel discussie over of we te eng zijn of niet." Als we bedenken hoe goed we eerder waren, zouden we de geschiedenis op eigen risico moeten negeren.
