Proxy (klimaat)

In de studie van klimaten uit het verleden (paleoclimatologie) zijn klimaatproxies fysieke kenmerken die uit het verleden bewaard zijn gebleven en die de afwezigheid van directe meteorologische metingen1 compenseren en wetenschappers in staat stellen klimatologische omstandigheden over een langer deel van de geschiedenis van de aarde te reconstrueren. Betrouwbare gegevens over het klimaat ontstonden pas in de jaren tachtig van de negentiende eeuw wereldwijd, en proxy’s zijn de belangrijkste manier voor wetenschappers om klimaatpatronen vast te stellen die dateren van vóór die gegevens.

Er is een groot aantal klimaatindicatoren bestudeerd vanuit verschillende geologische omstandigheden. Voorbeelden van indicatoren zijn onder meer metingen van stabiele isotopen uit ijskernen, groeisnelheden in boomringen, samenstelling van subfossiele pollensoorten in sedimenten van meren of foraminiferen in oceaansedimenten, profielen van boorgattemperatuur en stabiele isotopen en mineralogie van koralen en carbonaatspeleothems. In elk geval werd de proxy beïnvloed door een bepaalde seizoensgebonden klimaatparameter bijvoorbeeld zomertemperatuur of moessonintensiteit op het moment dat ze werden afgezet of groeiden. Voor de interpretatie van klimaatproxy’s is een reeks aanvullende onderzoeken nodig, waaronder kalibratie van de proxygevoeligheid voor het klimaat en kruiscontroles tussen proxy-indicatoren.

Reconstructies van de mondiale temperatuur
gedurende de afgelopen 2000 jaar, met behulp van
een combinatie van verschillende proxymethoden

Proxy's kunnen worden gecombineerd om temperatuurreconstructies te produceren die langer duren dan het instrumentele temperatuurrecord en kunnen discussies over de opwarming van de aarde en de klimaatgeschiedenis informeren. De geografische verspreiding van proxy-opnamen is,
net als bij instrumentale opnames, helemaal niet uniform, met meer opnames op het noordelijk halfrond.

Proxy-typen

In de wetenschap is het soms nodig om een variabele te bestuderen die niet direct gemeten kan worden. Dit kan worden gedaan met behulp van "proxymethoden", waarbij een variabele die correleert met de betreffende variabele wordt gemeten en vervolgens wordt gebruikt om de waarde
van de betreffende variabele af te leiden. Indirecte methoden zijn vooral nuttig bij het bestuderen van het klimaat in het verleden, buiten perioden waarin directe temperatuurmetingen beschikbaar zijn

De meeste proxyrecords moeten tijdens hun overlapperiode worden gekalibreerd tegen onafhankelijke temperatuurmetingen, of tegen een directer gekalibreerde proxy, om de relatie tussen temperatuur en proxy te schatten.

Boren naar ijskernen

IJskernmonster genomen door te boren. Foto door Lonnie Thompson, Byrd Polar Research Center.

IJskernen zijn cilindrische monsters van de ijskappen van Groenland, Antarctica en Noord-Amerika. De eerste winningspogingen vonden plaats in 1956 als onderdeel van het Internationale Geofysische Jaar. Als primitief extractiemiddel gebruikte het US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory in 1968 een 23 meter lange elektrische boormachine in Camp Century, Groenland, en Byrd Station, Antarctica. Hun machines konden in 40 tot 50 minuten 4 tot 6 meter ijs doorbreken. Ongeveer 900 meter diep werden kernen gewonnen met een diameter van 110 mm en een lengte van 6 meter. Elk volgend boorteam verbeterde bij elke nieuwe poging zijn extractiemethode.

Proxy

De verhouding van isotopologen van 16O tot 18O watermoleculen in een ijskern helpt bij het bepalen van temperaturen in het verleden en sneeuwophopingen. De zwaardere isotoop (18O) condenseert gemakkelijker naarmate de temperatuur daalt en daalt gemakkelijker als er neerslag valt, terwijl de lichtere isotoop (16O) koudere omstandigheden nodig heeft om te kunnen neerslaan. Hoe verder naar het noorden je moet gaan om hoge niveaus van de 18O-isotoop te vinden, hoe meer de periode wordt gekenmerkt door hoge oppervlaktetemperaturen.

Luchtbellen in ijs, die gevangen broeikasgassen zoals koolstofdioxide en methaan bevatten, zijn ook nuttig bij het vaststellen van klimaatveranderingen uit het verleden.

Van 1989 tot 1992 boorde het Europese Groenlandse ijskernboorproject in centraal Groenland op de coördinaten 72° 35' N, 37° 38' W. Het ijs in deze kern was 3840 jaar oud op een diepte van 770 m, oftewel 40.000 jaar op 2521 m en 200.000 jaar of langer op 3029 m gesteente.
IJskernen op Antarctica kunnen klimaatgegevens van de afgelopen 650.000 jaar onthullen.

Boomringen

Dendroklimatologie is de wetenschap die het klimaat uit het verleden aan de hand van bomen bepaalt, voornamelijk aan de hand van de eigenschappen van jaarlijkse boomringen. Boomringen zijn breder als de omstandigheden de groei bevorderen, en smaller als de tijden moeilijk zijn. Andere eigenschappen van jaarringen, zoals de maximale dichtheid van laathout, bleken betere indicatoren te zijn dan de eenvoudige ringbreedte.

Met behulp van boomringen hebben wetenschappers honderden tot duizenden jaren geleden vele lokale klimaten geschat. Door verschillende boomringstudies te combineren (soms met andere klimaatregistraties) hebben wetenschappers regionale en mondiale klimaten uit het verleden geschat (zie Temperatuurregistratie van de afgelopen 1000 jaar).

Boomringen gezien in een
doorsnede van een boomstam.

Fossiele bladeren

Paleoklimatologen gebruiken vaak bladtanden om de gemiddelde jaartemperatuur in eerdere klimaten te reconstrueren, en ze gebruiken de bladgrootte als maatstaf voor de gemiddelde jaarlijkse neerslag. In het geval van reconstructies van de gemiddelde jaarlijkse neerslag zijn sommige onderzoekers van mening dat tafonomische processen ervoor zorgen dat kleinere bladeren oververtegenwoordigd zijn in het fossielenbestand, wat de reconstructies kan vertekenen. Recent onderzoek suggereert echter dat het fossielenbestand van bladeren mogelijk niet significant gericht is op kleine bladeren. Nieuwe benaderingen halen gegevens zoals het CO2-gehalte van vroegere atmosferen uit fossiele bladhuidmondjes en isotopensamenstelling, waarbij cellulaire CO2-concentraties worden gemeten. Een onderzoek uit 2014 kon de koolstof-13-isotoopverhoudingen gebruiken om de CO2-hoeveelheden van de afgelopen 400 miljoen jaar te schatten, waarbij de resultaten duiden op een hogere klimaatgevoeligheid voor CO2-concentraties.

Boorgaten

Boorgattemperaturen worden gebruikt als temperatuurproxy's. Omdat de warmteoverdracht door de grond traag is, kunnen temperatuurmetingen op een reeks verschillende diepten in het boorgat, aangepast aan het effect van de opstijgende warmte van binnenuit de aarde, worden omgekeerd om een niet-unieke reeks oppervlaktetemperatuurwaarden. De oplossing is "niet-uniek" omdat er meerdere mogelijke reconstructies van de oppervlaktetemperatuur zijn die hetzelfde boorgattemperatuurprofiel kunnen opleveren. Bovendien worden de reconstructies, als gevolg van fysieke beperkingen, onvermijdelijk besmeurd, en worden ze verder terug in de tijd nog verder besmeurd. Bij het reconstrueren van temperaturen rond 1500 na Christus hebben boorgaten een temporele resolutie van enkele eeuwen. Aan het begin van de 20e eeuw bedraagt hun resolutie enkele decennia; daarom bieden ze geen bruikbare controle op het instrumentele temperatuurrecord. Ze zijn echter in grote lijnen vergelijkbaar. Deze bevestigingen hebben paleoklimatologen het vertrouwen gegeven dat ze de temperatuur van 500 jaar geleden kunnen meten. Dit wordt afgesloten met een diepteschaal van ongeveer 150 meter om de temperaturen van 100 jaar geleden te meten en 500 meter om de temperaturen van 1000 jaar geleden te meten.

Boorgaten hebben een groot voordeel ten opzichte van veel andere proxy's, omdat er geen kalibratie nodig is: het zijn werkelijke temperaturen.
Ze registreren echter de oppervlaktetemperatuur en niet de temperatuur nabij het oppervlak (1,5 meter) die wordt gebruikt voor de meeste oppervlakte weerwaarnemingen. Deze kunnen aanzienlijk verschillen onder extreme omstandigheden of als er oppervlaktesneeuw ligt. In de praktijk wordt aangenomen dat het effect op de boorgattemperatuur doorgaans klein is. Een tweede bron van fouten is dat verontreiniging van de put door grondwater de temperaturen kan beïnvloeden, aangezien het water modernere temperaturen met zich meedraagt. Aangenomen wordt dat dit effect over het algemeen klein is en meer van toepassing is op zeer vochtige locaties. Het is niet van toepassing op ijskernen waar de locatie het hele jaar bevroren blijft.

Meer dan 600 boorgaten, op alle continenten, zijn gebruikt als proxy voor het reconstrueren van oppervlaktetemperaturen. De hoogste concentratie boorgaten bestaat in Noord-Amerika en Europa. Hun boordieptes variëren doorgaans van 200 tot meer dan 1.000 meter in de aardkorst of ijskap.

Er is een klein aantal boorgaten in de ijskappen geboord; de zuiverheid van het ijs daar maakt langere reconstructies mogelijk. De temperatuur van de boorgaten in Midden-Groenland laat een opwarming zien van ongeveer 1°C ± 0,2°C gedurende de afgelopen 150 jaar, voorafgegaan door een paar eeuwen van koele omstandigheden. Hieraan voorafging een warme periode rond het jaar 1000 na Christus, die warmer was dan het einde van de 20e eeuw. met ongeveer 1°C." Een boorgat in de ijskap van Antarctica laat zien dat de temperatuur in het jaar 1 na Christus ongeveer 1°C warmer was dan aan het einde van de 20e eeuw.

De temperatuur van de boorgaten in Groenland was verantwoordelijk voor een belangrijke herziening van de reconstructie van de isotopische temperatuur, waaruit bleek dat de vroegere aanname dat ruimtelijke helling gelijk is aan temporele helling onjuist was.

Koralen

De skeletringen of banden van oceanische koralen delen ook paleoklimatologische informatie, vergelijkbaar met de ringen van bomen. In 2002 werd een rapport gepubliceerd over de bevindingen van Drs. Lisa Greer en Peter Swart, destijds medewerkers aan de Universiteit van Miami, over stabiele zuurstofisotopen in koraalcalciumcarbonaat. Koudere temperaturen hebben de neiging om ervoor te zorgen dat het koraal zwaardere isotopen in zijn structuur gebruikt, terwijl warmere temperaturen ervoor zorgen dat meer normale zuurstofisotopen in de structuur van het koraal worden opgenomen. Het dichtere zoutgehalte van het water heeft ook de neiging de zwaardere isotoop te bevatten. Het koraalmonster van Greer uit de Atlantische Oceaan werd in 1994 genomen en gedateerd op 1935. Als we naar de gemiddelde jaarlijkse gegevens van 1935 tot ongeveer 1994 kijken, zien we dat ze de vorm hebben van een sinusgolf. Het is periodiek en heeft een
significant patroon van de samenstelling van zuurstofisotopen dat elke twaalf tot vijftien jaar een piek bereikt.
De oppervlaktewatertemperaturen bereikten ook elke twaalf en een half jaar een piek. Omdat het registreren van deze temperatuur echter pas vijftig jaar wordt gedaan, kan de correlatie tussen de geregistreerde watertemperatuur en de structuur van het koraal pas tot op heden worden vastgesteld.

Koraal verbleekt als gevolg van
veranderingen in de
eigenschappen van zeewater

Stuifmeelkorrels

Stuifmeel kan in sediment worden aangetroffen. De plant produceert grote hoeveelheden stuifmeel en is extreem goed bestand tegen rot. Het is mogelijk om een plantensoort te identificeren aan de hand van de stuifmeelkorrel. De geïdentificeerde plantengemeenschap van het gebied op de relatieve timing van deze sedimentlaag zal informatie verschaffen over de klimatologische omstandigheden. De overvloed aan stuifmeel van een bepaald groeiseizoen of jaar hangt gedeeltelijk af van de weersomstandigheden van voorgaande maanden, dus de stuifmeeldichtheid geeft
informatie over de klimatologische omstandigheden op korte termij. De studie van prehistorisch stuifmeel is palynologie.

Dinoflagellatencysten

Dinoflagellaten zijn aanwezig in de meeste aquatische omgevingen en tijdens hun levenscyclus produceren sommige soorten zeer taaie cysten met organische wanden tijdens een rustperiode waarin de omgevingsomstandigheden niet geschikt zijn voor groei. De diepte waarop ze leven is relatief ondiep afhankelijk van de lichtinval en hangt nauw samen met de diatomeeën waarmee ze zich voeden.

Hun verspreidingspatronen in oppervlaktewateren hangen nauw samen met de fysieke kenmerken van waterlichamen, en kustgemeenschappen kunnen ook worden onderscheiden van oceanische assemblages.
De verspreiding van dinocysten in sedimenten is relatief goed gedocumenteerd en heeft bijgedragen aan het begrijpen van de gemiddelde toestand van het zeeoppervlak die het verspreidingspatroon en de overvloed aan taxa bepalen. Verschillende onderzoeken hebben box- en zwaartekrachtkernen in de noordelijke Stille Oceaan samengesteld door ze te analyseren op hun palynologische inhoud, om de verspreiding van dinocysten en hun relaties met de temperatuur van het zeeoppervlak, het zoutgehalte, de productiviteit en de opwelling te bepalen.

Cyste van een dinoflagellaat
Peridinium ovatum

Op dezelfde manier werd in een onderzoek een kern met een diepte van 576,5 m uit 1992 in het centrale Santa Barbara Basin gebruikt om oceanografische en klimatologische veranderingen in de regio gedurende de afgelopen 40.000 jaar vast te stellen.

Sedimenten van meren en oceanen

Net als bij hun onderzoek naar andere indicatoren onderzoeken paleoklimatologen zuurstofisotopen in de inhoud van oceaansedimenten.
Op dezelfde manier meten ze de varve-lagen (slib of afgezette fijne en grove klei) die de sedimenten van het meer stratificeren.
Varven worden voornamelijk beïnvloed door:

- Zomertemperatuur, die de energie weergeeft die beschikbaar is om seizoensgebonden sneeuw en ijs te smelten.

- Sneeuwval in de winter, die de mate van sedimentverstoring tijdens het smelten bepaalt.

- Neerslag

Diatomeeën, foraminiferen, radiolariërs, ostracoden en coccolithoforen zijn voorbeelden van biotische indicatoren van de toestand van meren en oceanen die vaak worden gebruikt om klimaten uit het verleden te reconstrueren. De soortenverdeling van deze en andere waterdieren die in sedimenten bewaard zijn gebleven, zijn nuttige indicatoren. Optimale omstandigheden voor soorten die in sedimenten worden bewaard, dienen als indices. Onderzoekers gebruiken deze aanwijzingen om te onthullen hoe het klimaat en de omgeving eruit zagen toen de wezens stierven.
De zuurstofisotoopverhoudingen in hun omhulsels kunnen ook worden gebruikt als indicatoren voor de temperatuur.

Waterisotopen en temperatuurreconstructie

Isotopenfractionering vindt plaats tijdens wisselingen tussen gecondenseerde en dampfasen, de dampspanning van zwaardere isotopen is lager, dus damp bevat relatief meer van de lichtere isotopen en wanneer de damp condenseert bevat de neerslag bij voorkeur zwaardere isotopen. Van groote invloed is het verschil tussen
de oceaantemperaturen waar het vocht verdampte en de plaats waar de uiteindelijke neerslag plaatsvond. Rekening houdend met het feit dat de neerslag zich boven de inversielaag vormt.

Empirisch gekalibratie gebeurt op basis van metingen van temperatuur 0,67 ‰/°C voor Groenland en 0,76 ‰/°C voor Oost-Antarctica. De kalibratie gebeurde aanvankelijk op basis van ruimtelijke variaties in temperatuur en er werd aangenomen dat dit overeenkwam met temporele variaties.

Meer recentelijk heeft boorgatthermometrie aangetoond dat voor glaciale-interglaciale variaties a = 0,33 ‰/°C [30], wat impliceert dat glaciale-interglaciale temperatuurveranderingen twee keer zo groot waren als eerder werd aangenomen.

Een in 2017 gepubliceerde studie riep de eerdere methodologie om de paleo-oceaantemperaturen van 100 miljoen jaar geleden te reconstrueren in twijfel, wat suggereert dat deze gedurende die tijd relatief stabiel is geweest, veel kouder.

Membraanlipiden

Een nieuwe klimaatproxy verkregen uit turf (bruinkool, oude turf) en bodems, membraanlipiden bekend als glyceroldialkylglyceroltetraether (GDGT), helpt bij het bestuderen van paleo-omgevingsfactoren, die de relatieve verdeling van verschillend vertakte GDGT-isomeren controleren. Deze vertakte membraanlipiden worden geproduceerd door een tot nu toe onbekende groep anaërobe bodembacteriën. Sinds 2018 is er een decennium aan onderzoek dat aantoont dat in minerale bodems de mate van methylering van bacteriën (brGDGT's) ), helpt bij het berekenen van de gemiddelde jaarlijkse luchttemperaturen. Deze proxymethode werd gebruikt om het klimaat van het vroege Paleogeen te bestuderen, op de grens van het Krijt en het Paleogeen, en onderzoekers ontdekten dat de jaarlijkse luchttemperaturen, boven land en op de middelste breedtegraad, gemiddeld ongeveer 23-29 ° C (± 4,7 ° C) bedroegen. , wat 5–10 °C hoger is dan de meeste eerdere bevindingen.

Pseudo-proxy

De vaardigheid van de algoritmen die worden gebruikt om proxygegevens te combineren tot een mondiale hemisferische temperatuurreconstructie kan worden getest met behulp van een techniek die bekend staat als "pseudoproxies". Bij deze methode wordt de output van een klimaatmodel bemonsterd op locaties die overeenkomen met het bekende proxynetwerk, en wordt het geproduceerde temperatuurrecord vergeleken met de algehele (bekende) temperatuur van het model.

Bronnen: Wikipedia-fr, Wikipedia-en

Categorieën: Klimaat en klimaatverandering I Weer en klimaat A tot Z