PALEOKLIMATOLÓGIA

Paleoklimatológia Feladata: A földtörténeti korok éghajlati viszonyainak rekonstruálása, elemzése Feladata: A földtörténeti korok éghajlati viszonyainak rekonstruálása, elemzése Segédtudományok: 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/ 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: 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 Fizikai módszerek Geológiai, geomorfológiai és őslénytani módszerek Geológiai, geomorfológiai és őslénytani módszerek

Paleoklimatológiai vizsgálatok alkalmazási ideje Műszeres mérések Történelmi leírások Pollen minták tó és mocsári üledékekből Évgyűrűk Oxigén izotóp arányok jégből Gleccserek nyomvonalai Plankton és izotóp óceáni üledékekből Kövek és fossziliák

Fizikai módszerek Izotóp vizsgálatok Izotóp vizsgálatok –Radiokarbon-eljárás (kor) –Oxigén-izotóp módszer (hőmérséklet, víz forrása) –Deutérium koncentráció (hőmérséklet) –További radiometrikus: K, Ar, U, stb. Lumineszcens kormeghatározás (pl. kvarc) Lumineszcens kormeghatározás (pl. kvarc) Mágneses (A Föld polaritásának megváltozása alapján) Mágneses (A Föld polaritásának megváltozása alapján) Egyéb Egyéb

Izotópok koncentrációinak vizsgálata Izotópok koncentrációinak vizsgálata Felezési idő Felezési idő Kialakulás módja Kialakulás módja Hidrogén: H 1, H 2 Hidrogén: H 1, H 2 Szén: C 12, C 14 Szén: C 12, C 14 Oxigén: O 16,O 18 Oxigén: O 16,O 18 3 stabil 3 stabil 17 instabil 17 instabil Izotópos vizsgálatok

Radiokarbon-kormeghatározás = Szénizotópos kormeghatározás: a szerves anyagot tartalmazó, évesnél fiatalabb geológiai és régészeti leletek korának meghatározására alkalmas módszer. Alapja az, hogy a légkörben lévő 14 C-izotóp 5730 év felezési idővel bomlik. Az élő szervezetekben a 12 C és a 14 C aránya állandó. Az elpusztult szervezetekben a 14 C részaránya csökken, s így a 12 C-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 14 C névleges értéke. A vizsgálat határa kb év, ugyanis efelett a 14 C értéke a mintában annyira kicsi, hogy nem lehet megkülönböztetni a háttérsugárzástól. „cal bp”: kalibrált bp, ugyanis a 14 C értéke nem állandó a légkörben sem (kozmikus sugárzás, óceáni rezervoárok, légköri nukleáris kísérletek, fosszilis tüzelőanyagok)

Oxigén-izotóp módszer A kőzetekben, jégfuratokban a 18 O/ 16 O izotóp-arányt határozzák meg és ebből következtetnek a hőm.-re, ugyanis ez az arány a hőmérséklet függvénye O nagyobb koncentrációban van jelen, mint 18 O - H 2 16 O kisebb energia elég a párolgáshoz => párolgáskor a légkörben megnő a H 2 16 O aránya - - Kondenzációkor H 2 18 O-ban gazdag lesz a cseppfolyós víz => A kihulló csapadék 18 O/ 16 O aránya hőmérséklet függő. ( 18 O arány növekedése => hőmérséklet növekedése) Nagyon pontos módszer: 1 °C pontosság

16 O könnyebben párolog => Δ 18 O=-1% 18 O könnyebben esik ki csapadékként Δ 18 O=-2% minél hidegebb van annál több 16 O marad a légkörben Δ 18 O=-4% Antarktisz középső részein => Δ 18 O=-5% az olvadékvíz 18 O hiányos Oxigén-izotóp módszer

Az 18 O koncentráció a csapadékban hőmérséklet függő => hőmérséklet meghatározás Jouzel et al., 1994 Oxigén-izotóp módszer

Fizikai módszerek Radiokarbon-eljárás (kor) Radiokarbon-eljárás (kor) Oxigén-izotóp módszer (hőmérséklet) Oxigén-izotóp módszer (hőmérséklet) További radiometrikus: K, Ar, U 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

JOIDES Resolution (5900 m víz m üledék) HMS Challenger, 1872

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)

Nagy mennyiségű kontinentális víz kerül az Atlanti-óceánba Heinrich események

Jégfurat-analízis Pár száz métertől ~3 km-ig mély furatok…

Jégfurat-analízis ~ 3 km mély furatok: I. fele: ~ év, II. fele: ~ év Grönland - GRIP = Egyesült Európai Grönlandi Jégfurat Projekt (Greenland Icecore Project) GISP2 = Amerikai Jégfurat Projekt (Greenland Ice Sheet 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) => 740 e év - VOSTOK => 440 e év, Dome F, stb.

Jégfurat-analízis Két fontos helyszíne: Grönland, Antarktisz

Jégfurat-analízis (Dome C, Antarktisz)

Vosztok, Antarktisz

Jégtömörödés mértéke /Vostok-i furatmintában/

Jégfurat-analízis

Következtetések: - lokális (pl. hófelhalmozódás, ebből: csapadék, T) - regionális (pl. szél szállította tengeri só) - globális (pl. jégbezárt gázok (pl. CO 2, CH 4, stb.)) Jégbezárt gázok: Akkori atmoszféra!!! ~ 300 évig van légcsere Ha CO 2 v. CH 4 nő  T nő

Óceáni üledékből vett fosszíliák izotópanalízise Mikroszkópikus méretű kagylók, csigák, ún. „FORAMINIFERÁK” elemzése Előfordulási arányuk alapján  tengervíz hőmérséklete 18 O és 16 O izotóparányok számítása

Korallzátony analízis

Új- Guinea Houn-félsziget 130 ezer éves korallok Izotopikus és vegyi elemzése  14 különböző korszak elkülönítése 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. sztalagtit, sztalagmit) CaCO 3 16 O 12C12C 18O18O 13C13C

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 Idősorok összevetése több forrás esetén Reakcióidő figyelembevétele (pl. megkövülés ideje) Reakcióidő figyelembevétele (pl. megkövülés ideje) Meteorológiai interpretáció, vagyis az értelmezés Meteorológiai interpretáció, vagyis az értelmezés

Geológiai, geomorfológiai és őslénytani módszerek és megfigyelések (2) Növényi és állati maradványok alapján Növényi és állati maradványok alapján Virágporok analitikai vizsgálata (Pollenanalízis) (klíma) Virágporok analitikai vizsgálata (Pollenanalízis) (klíma) / pl. szárazabb klíma esetén a tölgy mennyisége nő / Fák évgyűrűi alapján (Dendroklimatológia) Fák évgyűrűi alapján (Dendroklimatológia) Kőzetek elszíneződése alapján (klíma) / pl. vörös szín (vas-oxid)  melegebb éghajlat Kőzetek elszíneződése alapján (klíma) / pl. vörös szín (vas-oxid)  melegebb éghajlat barna (vas-hidroxid)  nedves-mérs. éghajlat / Kőzetek, üledékek mésztartalma alapján (tengervíz hőm.) Kőzetek, üledékek mésztartalma alapján (tengervíz hőm.) Kőszén-, kőolaj- és földgáztelepek (klíma) 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 Sókőzetek alapján / kősó és gipszrétegek, melyek beltavak, elzáródott tengerrészek kiszáradásával keletkeznek  szárazabb égh. / Gleccserek felszínalakító munkájának nyomai alapján 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 / Gleccsertavak alján lerakódott hordalékrétegek alapján / vastagság, szemcseösszetétel és színeződés alapján  az egymást követő nyarak és telek hőm. és csap. viszonyai / Gleccserek mozgása, hóhatár változása Gleccserek mozgása, hóhatár változása

Nunavut gleccser, Baffin sziget, Kanada

Gleccserek Hó- és jéglerakódással összegyűlt jégfolyam Hó- és jéglerakódással összegyűlt jégfolyam Összenyomódás, részleges olvadás, újra kristályosodási folyamatok Összenyomódás, részleges olvadás, újra kristályosodási folyamatok Évi előrehaladása néhány m Évi előrehaladása néhány m Kialakulás feltétele: a télen lehullott hó nem tud teljesen elolvadni minden évben (földrajzi szélesség, magasság) Kialakulás feltétele: a télen lehullott hó nem tud teljesen elolvadni minden évben (földrajzi szélesség, magasság) Több tízezer, több százezer évre visszamenőleg adhat információkat Több tízezer, több százezer évre visszamenőleg adhat információkat

Az északi hemiszféra 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 Föld teljes kontinentális felszínének 32 %-át!!!!!! a a a a

A déli hemiszféra évvel ezelőtti és jelenlegi tengeri jég, kontinentális hó és jég, illetve gleccser-borítottsága Alig van különbség a jelenlegi, s a ezer évvel ezelőtti hó/jég/gleccser borítottság között!!!!!

Elmélete: valaha az északi hemiszféra jelentős hányadát jég borította Megfigyelései: Bizonyíték: Magányos nagy kövek (bedrock) ELŐSZÖR: 1837-ben Louis Agassiz - Skócia - Anglia - Skandináv félsziget - Svájc - Olaszország - Franciaország - Észak-Amerika

Nunavut, Baffin sziget, Kanada

Bedrock Óriás kövek Óriás kövek Egymástól néhány km távolságra Egymástól néhány km távolságra Általában sima völgyek legalján Általában sima völgyek legalján Valaminek oda kellett szállítani, emelni őket Valaminek oda kellett szállítani, emelni őket Louiz Agassiz szerint: Louiz Agassiz szerint: A. gleccserfolyamok szállították A. gleccserfolyamok szállították B. a földköpeny megemekledése B. a földköpeny megemekledése (erről bebizonyosodott, hogy nem lehetséges) (erről bebizonyosodott, hogy nem lehetséges)

Louis Agassiz második bizonyítéka: 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: 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 Tengeri üledékekből: T, időjárási minta Jégfuratokból: T, múltbeli légkör Jégfuratokból: T, múltbeli légkör Korallokból: jégtakaró Korallokból: jégtakaró Fák évgyűrűiből: aszályok, csapadék Fák évgyűrűiből: aszályok, csapadék  Óriási kirakójáték

Az éghajlatváltozások okai Az éghajlati ingadozásokat magyarázó elméletek: / az eljegesedésre keresik az okot/ Csillagászati hipotézisek Csillagászati hipotézisek Fizikai hipotézisek Fizikai hipotézisek Geológiai hipotézisek Geológiai hipotézisek

Csillagászati hipotézisek A napsugárzás váltakozó intenzitása: A napsugárzás váltakozó intenzitása: A Nap sugárzásának intenzitása millió éves ritmus szerint változik, 1%-os vált.  0.72°C-os globális  T A Naprendszer időnként intersztelláris porfelhőn halad át: A Naprendszer időnként intersztelláris porfelhőn halad át: lecsökkenti a Földre jutó napsugárzás mennyiségét Milankovich – Bacsák elmélet: Milankovich – Bacsák elmélet: A Föld pályaelemeinek periodikus változásai okozzák az éghajlatváltozásokat: - excentricitás (~95e) - tengelyelhajlás (~41e) - szögsebességváltozás (~21e) - perihelion-eltolódás (~22e) - évszakok váltakozása

b ×× e a Lineáris exc.:  = e / a  = e / a = 0,0167 = 0,0167 Az orbitális pálya excentricitása (~95e év) Az orbitális pálya excentricitása (~ 95e év)

Tengelyelhajlás (~41e év) Tengelyelhajlás (~ 41e év) A változás értéke: °/év

A tengely körüli forgás változása (precesszió) (~21e év), A tengely körüli forgás változása (precesszió) (~ 21e év), és a perihelion-eltolódás (~22e év) és a perihelion-eltolódás (~ 22e év) Ez megegyezik a szögsebesség változásával, hiszen  = v / r

Az évszakok változása

Milutin Milankovich (1943) Elfogadta Louis Agassiz és James Croll eredményeit Továbbfejleszti, pontosítja évre visszamenőleg kiszámolta a sugárzási bevételt a Föld pályaelemeinek megfelelően

A SZUPERPONÁLT ORBITÁLIS PERIÓDUSOK OKOZTA SUGÁRZÁSVÁLTOZÁSOK A nyári besugárzás görbéje az északi félteke 65 o szélességen. (tengelyelhajlás, az excentricitás, s a szögsebesség változásainak hatásai)

Csillagászati hipotézisek Milankovich – Bacsák elmélet: Klímamodellek szerint elfogadható, ha azt is figyelembe vesszük, hogy a CO 2 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 ~ év 1. Excentricitás 2. Szögseb. vált. 3. Tengelyelhajlás 4. Szuperponált hatások

Fizikai hipotézisek Simpson-elmélet: 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 CO 2 koncentrációjának változásai A légköri CO 2 koncentrációjának változásai CO 2 mint üvegházgáz A légkörbe kerülő vulkáni hamu mennyiségének változásai A légkörbe kerülő vulkáni hamu mennyiségének változásai

Fizikai hipotézisek Vulkáni tevékenység A kitörések erősségének mérőszáma: DVI (Dust Veil Index) A kitörések erősségének mérőszáma: DVI (Dust Veil Index) Kalibrálására: Krakatau 1883 = 1000 DVI Kalibrálására: Krakatau 1883 = 1000 DVI Egy kitörés hatását 4 évre becsülik (  függő) Egy kitörés hatását 4 évre becsülik (  függő) Egy vulkánkitörés sugárzási deficitet okoz, mely % is lehet. Egy vulkánkitörés sugárzási deficitet okoz, mely % is lehet. A DVI problémája, hogy a részecskéket nem különbözteti meg  új index: VEI (Volcanic Explosity Index) A DVI problémája, hogy a részecskéket nem különbözteti meg  új index: VEI (Volcanic Explosity Index)

Geológiai hipotézisek Wegener-elmélet (kontinensvándorlás): Wegener-elmélet (kontinensvándorlás): az okot nem, csak a helyet adja meg Tektonikai folyamatok, mint hegységképződési folyamatok: 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. Jégkorszak, ha a sarkokon szárazföld van. (Az Antraktiszon már 20 millió évvel ezelőtt elkezdődött az eljegesedés) (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. 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) 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) 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 (  ezer év)  pl. Balti  tenger kialakulása gleccserek helyén.)  az utolsó eljegesedés végétől számítjuk a holocént (  ezer év)  pl. Balti  tenger kialakulása gleccserek helyén.)

Proxy adatok helyszínei Források: Fa évgyűrűk Fa évgyűrűk Talajfúrások Talajfúrások Jégfuratok Jégfuratok Történelmi adat Történelmi adat “Egyéb” “Egyéb” Hőmérséklet Hőmérséklet

Reconstructed Surface Temperatures Climate Change 2001: The Scientific Basis, Houghton, J.T., et al. (eds.), Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2001

Eredmények /Vostok/ Az Antarktisz felmelegszik amikor Grönland lehűl, és lehűl, amikor Grönland melegedni kezd Blunier et al., Nature, 1998 A CH 4 -on alapuló É-D korreláció Blunier et Brook, Science, 2001 Rahmstorf, Nature, 2002

Eredmények Dome C: / Siegenthaler et al., 2005, Science / az elmúlt év erős éves periodicitást mutat (óceáni analízisek alapján is), oka nem teljesen tiszta az elmúlt év erős éves periodicitást mutat (óceáni analízisek alapján is), oka nem teljesen tiszta A jelenlegi légkör különleges: az elmúlt évben nem volt magasabb sem CO 2 sem a CH 4 értéke, mint az Ipari forradalom előtt A jelenlegi légkör különleges: az elmúlt évben nem volt magasabb sem CO 2 sem a CH 4 értéke, mint az Ipari forradalom előtt A CO 2 és a CH 4 erős kapcsolatban egymással és a T-tel A CO 2 és a CH 4 erős kapcsolatban egymással és a T-tel A jelen interglaciálishoz hasonló volt a MIS13 és MIS15 A jelen interglaciálishoz hasonló volt a MIS13 és MIS15