映射:'代理'数据如何揭示地球遥远的遥远的气氛

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百万磅卫星

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温度记录- 只回到1659.这是一个仅仅考虑人类漫游地球的数十万年的时间。

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。

以同样的方式“史前”与书面历史之前的时间涉及一段时间,代理数据在专用记录之前提供了进入气候的洞察。它形成了过去的气候研究的基本部分,被称为“古世教徒学”,同时还帮助支持科学家的理解未来气候如何变化。

在这个深度问答中,碳简报将探究代理数据是什么乐动体育下载app,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,Carbon Bri乐动体育下载appef还制作了一幅互动的美国地图国家海洋和大气管理局(noaa)存档超过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华氏温度发明了什么被认为是现代温度计的第一例.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度他不会在接下来的20年里再设计他的替代规模。)

温度计,连同其他仪器,如晴雨表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。的全球温度最长记录- - - - - -产生共同由这件事英国遇见了Hadley Center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(NOAA),从1880年开始。

年度全球平均水平表面温度从1850 - 2012年起。数据来自NASA Gistemp.NOAA GlobalTempHadley / Uea Hadcrut5伯克利地球以及碳简乐动体育下载app报的原始温度记录。1979 - 2000年的气温Copernicus Era5.(随着重新分析记录于乐动体育app苹果j1979年开始)。异常绘制了1880-1899个基线以显示自预生产以来的变暖。

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·皮尔森教授来自地球和海洋科学院的乐动体育 英超卡迪夫大学.他告诉碳简报:乐动体育下载app

“显然,这些东西无法直接测量,没有时间机器,所以我们需要找到从过去的过去幸存的东西,这些东西是可调整的,其中包含我们可以衡量的东西,我们可以衡量我们对的变量 - 因此,the name ‘proxy’.”

因此,科学家们认为气候“在环境中留下了标记”的方式。Maisa Rojas博士,加州大学洛杉矶分校地球物理系副教授智利大学他是古爱宝质章节(PDF)的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:乐动体育下载app

“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。

这些信息允许科学家们“在过去几百年和千年中研究气候,从而进一步回到时间内,而不是仅使用乐器气候数据”,解释说瓦莱丽Trouet教授,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。她补充说:

“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e douglass.在20世纪早期。他的研究试图通过气候和树木模式的波动连接太阳黑子周期的模式。从这个最早的工作来看,Douglass继续发现上面提到的树林研究实验室。

(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。乐动体育下载app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:

“这种方法由[美国化学家]开创哈罗德·乌雷在战后的几年里帮助启动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描述了他的发现,就像“突然[找到]我自己地质温度计在我手中,“解释了Pearson。

找到了世界上的代理数据?

从南极洲和大西洋海床的冰床到欧洲和东南亚珊瑚的北部森林,在地球的土地和海洋中发现了代理数据。

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绘制乐动体育下载app了这些数据的地图。

使用左侧图例中的类别选择特定的代理或存档类型,以及右上角的按钮可放大和缩小。单击单独的数据点将显示数据,站点名称和NOAA参考网页的链接以获取更多信息的句点。

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代理捕获什么信息?

代理数据可以提供关于一系列气候相关变化的见解。这些包括突然事件 - 例如火山喷发或者洪水- 逐步,长期趋势 - 如变暖和冷却干旱换海水平旋风图案季风季节波动大气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“,如沉积物,冰芯和洞穴形成。这些是“媒体,即[代理]数据被记录在”中,解释说明Allison Cluett.,博士候选人大学在布法罗

例如,Cluett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。

树戒指。信用:克里斯梨/ alamy股票照片。
树戒指。信用:克里斯梨/ alamy股票照片。

因此,科学家的工作是从代理提供的信息中汲取气候数据。在树圈的情况下,这将首先涉及“cross-dating“多个树之间的戒指,以确定每个环的正确年份。

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

移动到化学代理,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。

这些冰气缸钻出冰盖和冰川,可以跑到几公里。地球的冰盖和冰川从数千年的降雪中建立了一大千年,每层都会随着时间的推移而压实 - 捕获微小的空气气泡。通过冰仔细采用横截面,因此提供了这些气泡的时间表。

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“18O“。

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的核内。最丰富的氧同位素是16o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,解释罗伯特莫瓦尼博士,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,从海洋表面蒸发含有沉重同位素的水分子需要更多的能量,并且随着潮湿的空气被输送并冷却,含有较重同位素的水分子优先损失沉淀。”

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乐动体育 英超冰夜Pearson说,是由地球的轨道变量的偏心,轴向倾斜和PREASION“。

这些轨道变量被称为米兰科维奇旋回塞尔维亚科学家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。

物理

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,数十亿吨沉积物被冲入世界各地的湖泊和海洋中。这些沉积物随着时间的推移积累,每年都会在层上添加层。因此,钻孔钻孔通过海或湖泊的床,可以提供沉积物的时间表 - 而且,气候变化。

来自德国不来梅大学海洋环境科学中心的墨西哥湾的沉积物核心。乐动体育 英超信用:DPA图片联盟/ Alamy股票照片。
来自德国不来梅大学海洋环境科学中心的墨西哥湾的沉积物核心。乐动体育 英超信用:DPA图片联盟/ Alamy股票照片。

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)”。

但沉积物也是其他代理的非常重要的档案。与科学家们可以分析的各种化石埋藏着埋藏。“有孔虫是一个经典的例子,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。同位素分析可以揭乐动体育app苹果j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个有用的气候代理,加入Cluett:

“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。”

叶蜡的同位素分析乐动体育app苹果j“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,当时该区域支持不同植被,永久湖泊和人口

由于代理数据自然累计,其记录可以延伸到该介质存在。因此,对于冰芯中的同位素,例如,只要冰盖或冰川已经到位即可。海洋沉积纪录可以是数百万年,一路走回白垩纪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,解释杰西卡蒂德尼博士,亚利桑那大学的副教授和一个副教授第一作者关于IPCC的第六次评估报告.她告诉碳简报:乐动体育下载app

“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。”

岩化是沉积物在压力下压实的过程,形成固体岩石。这可能自然地“露出”景观,Tierney或科学家可能会钻入他们来获得核心。她补充说:

“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,就像最终二叠纪全球变暖和大众灭绝,和'雪球地球' - 地球完全覆盖在冰上的时间。“
在孟菲普山,萨默塞特,英国的石灰石露头。信用:克雷格木匠摄影/ alamy股票照片。
在孟菲普山,萨默塞特,英国的石灰石露头。信用:克雷格木匠摄影/ alamy股票照片。

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,一个乐动体育 英超科学的进步来自今年早些时候的纸张从17个沉积物核心使用的花粉和木炭数据 - 以及考古学调查以及如何在英国南部的西南南部的斯普利群岛的居民适应在4-5,000年龄约4-5,000岁的青铜时期改变海平面几年前。

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):Brenva Glacier,意大利,1897年。(右):英国殖民登记册的历史气象记录,1830年。
(左):Brenva Glacier,意大利,1897年。(右):英国殖民登记册的历史气象记录,1830年。乐动体育下载app碳短暂的复合。(点击扩展)。

另一个例子是历史照片和速写地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在船舶日志中

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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 测量类型 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 几个世纪 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。对骨骼中氧原子的乐动体育app苹果j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 冰川范围 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 小时到日 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,图表和绘画也可以是数据的来源。
冰核 同位素,尘埃,积累速率,温室气体浓度 数十万年 冰盖和冰川形成从数千年的积累和压实雪中。通过冰层钻井来检索“核心”,提供该累积的横截面,从而提供雪建设的时间表。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 几十年几百年 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)乐动体育app苹果j,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 粉尘积累,物理和化学性质,分子化石 几个世纪到千年 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。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。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 物理和化学性质,贝壳,花粉,分子化石,同位素 几个世纪到千年 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。这些线索的同位素乐动体育app苹果j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,骨头,牙齿,同位素 几十年 数千年 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 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 古代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。乐动体育app苹果j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⁠。
密封毛皮 同位素 几十年 几个世纪到千年 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。
汪教授 同位素,化学性质 几十年几百年 数千年 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。
树戒指 环宽,木质密度,同位素 几千年来 树的年增长率通常通过行李箱记录在戒指中。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。还可以分析木材内的同位素,以普遍存在的气候信息。

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:年度

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。对骨骼中氧原子的乐动体育app苹果j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:年度

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

典型的间隔时间:每天一小时

典型的时间跨度:数百年

描述: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,图表和绘画也可以是数据的来源。

测量类型:同位素,灰尘,累积率,温室气体浓度

典型的间隔:年度

典型的时间跨度:数十万年

描述:冰盖和冰川形成从数千年的积累和压实雪中。通过冰层钻井来检索“核心”,提供该累积的横截面,从而提供雪建设的时间表。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

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)乐动体育app苹果j,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:粉尘积累,物理和化学性质,分子化石

典型的间隔:几个世纪到千年

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。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

典型的间隔:几个世纪到千年

典型时间跨度:数百万年

描述:每年看到数十亿吨沉积物积累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。这些线索的同位素乐动体育app苹果j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:几千年

典型时间范围: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。乐动体育app苹果j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:年度

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。还可以分析木材内的同位素,以普遍存在的气候信息。

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“通常采取两种形式中的一种。

许多最近的高分辨率代理可以是“校准时间“。这是研究人员希望在最近存在的近期存在的代理价值观和直接观察之间的关系,以及利用这种关系在更远的过去更远的人中推断价值。

例如,如果树木环宽度与1850 - 20000个时期的温度密切相关,则科学家可以在1850年之前使用树木记录 - 例如,从1500到1850开始 - 重建该时段的温度。

第二种方法是校准空间“。这涉及测量跨越空间范围的现代环境的代理,其中控制因素 - 例如温度 - 是众所周知的。当无法与观察记录的直接比较时使用该技术。

例如,可以在现代湖泊沉积物中测量不同种类的花粉,以跨越一系列温度以产生校准。在某些情况下,通过在不同温度下培养生物 - 例如Foraminifera或藻类,也可以在实验室中进行校准。

foraminifera。信用:风景和科学/ alamy股票照乐动体育 英超片。
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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

一个例子是"发散问题“ - 某种树木木质密度记录的趋势”脱钩从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,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基于其他代理记录提供交叉检查的交叉检查,并用于验证过去的模型仿真。

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代理数据如何告知气候科学?乐动体育 英超

如上所述,观察到的全球温度记录只回到1850年,在许多地区,温度记录甚至更短。其他气候记录 - 如地球大气,流出,飓风,野火或太阳能输出的组成 - 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。乐动体育 英超例如,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。

虽然许多研究已经审查了个别代理类型和地点 - 例如,在过去的几十年里,在过去的几十年里,一直专注于使用许多不同的代理,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“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,他们发表彻底分析了过去2000乐动体育app苹果j年的全球表面温度 - 称为第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。

全球平均温度重建(黄线)和不确定性(黄色范围)截至0-2000期第2K联盟页面随着来自COWTAN的观察以及从1850-2017开始的观察。可用的数据NOAA古气候档案

研究人员还在全新的全新世 - 过去12,000年跨越的现代地质时代制作了古怪的地位重建。下图显示了一系列重建(灰度)以及全局平均温度的中值估计(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,没有显示最近的观测结果。可用的数据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建议全新世最大温度可能比其他代理重建估计得多。)

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些方法来解决这个问题。

除了了解过去的温度和其他气候变量的改变之外,代理数据还为科学家提供了如何在未来改变的内容。代理数据提供三个中的一个关键证据那科学家们习惯于更好地估计气候敏感性——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,解释丹奈教授他是华盛顿大学气候科学教授乐动体育 英超布里斯托尔大学,“50米年前,二氧化碳浓度大于今天,行星大幅加热。CO2的代理允许我们量化前者和电作率的温度让我们估计后者“。科学家可以使用这些信息来估算气候敏感性。

然而,他补充说,与这些估计有相当大的不确定性。这是因为“我们没有完整的全球的地理覆盖,因为代理和气候之间的相关性并不完美”。除此之外气候的“敏感性”(当地球在不同的状态下,当大气中的CO2增加或减少时,地球的温度会发生多大的变化) - 如冰河时代 - 未来可能不是“可靠的指标”,因为它在未来的敏感性,Lunt说.

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。乐动体育 英超代理记录可用于帮助评估气候模型.科学家们跑“环球“模拟模型,以了解他们重现过去的气候和代理数据,以防止遥远过去的气候。

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领导着一个国际模型项目深纤维(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?

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,他解释道乐动体育app苹果j:

“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。”

并非所有代理记录都是平等的,指出贾斯汀·马丁博士,一个生态学家美国地质调查.理想的记录通常是“随着时间的推移长,准确,并且足够高的分辨率提供有用的信息”,他讲碳简短。乐动体育下载app然而,这并不总是科学家得到什么,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。”

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,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”。

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,主题上有很多技术文献,通常,我们喜欢在一起使用多个代理,如果我们可以。”

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”。乐动体育 英超尽管如此,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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