PALEOKLIMATOLÓGIA

Grinnell gleccser, Gleccser Nemzeti Park, USA, 1911 és 2000 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

JOIDES Resolution (8000 + 2100 méter) 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 minták analízise -- ANTARKTISZ

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 Föld teljes kontinentális felszínének 32 %-át!!!!!! a a a a a

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: Bizonyíték: Magányos nagy kövek (bedrock) - Skócia - Anglia - Skandináv félsziget - Svájc - Olaszország - Franciaország - Észak-Amerika

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

Jövő éghajlata???! 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) - tengelyelhajlás (~41e) - szögsebességváltozás (~21e) perihelion-eltolódás (~22e) évszakok váltakozása

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

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!!!

ciklikus változásaira 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:  Milankovich lassú átmenetű periodicitás / 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

Jégtömörödés mértéke /Vostok-i furatmintában/

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:

Eredmények 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

Spekulatív múlt- jövő összehasonlítási séma a globális melegedésre (Crowlley, 1989)

Köszönöm a figyelmet!