Hőmérsékleti változások lenyomata illetve annak visszafejtése földtani    képződményekből -elméleti megközelítések és gyakorlati problémák- Kern Zoltán MTA CsFK 2ka Palæoclimate Lendület Kutatócsoport

Tartalom Sarkvidéki és magashegyi jég Cseppkövek A jégüledék keletkezése Kronológiaépítés Stabil izotópok a jégben Fúrólyuk hőmérséklet A stabilizotóp termométer két fő hibája Cseppkövek A cseppkövek keletkezése Kronológia Stabilizotópok a karbonátban Mg-szennyezés, mint független hőmérsékleti jel (ami kimarad: tengeri üledékes szelvények) Az előzetes egyeztetések szerint azokra a forrásokra igyekeztem összpontosítani amelyek a több ezer éves skálán tárgyalt éghajlatváltozásoknál találkozhatunk. A hőmérsékleti információk megőrződése, és visszafejtésére

Sarkvidéki és magashegyi jég I. A felhalmozódó hórétegek gazdag éghajlati/környezeti adatforrások A hóréteg vastagsága az adott évben hullott hómennyiségre ad információt. Hórétegek számlálásával korskálát nyerhetünk. Vulkáni betelepülés Quelccaya, Peru

Sarkvidéki és magashegyi jég II. NorthGRIP, Grönland

A csonthó: átalakulás hóból jéggé (HIDEG SARKVIDÉKI VISZONYOK, OLVADÁS NÉLKÜL) friss hó (convective zone) 50-70 kg/m3 Buborékok megjelenése (lock-in depth) 800 kg/m3 Csak zárt buborékok (close-off depth) 830-840 kg/m3 A csonthó (firn) zónában az egyik legjellemzőbb fizikai változás a sűrűség növekedése a mélységgel. A rétegoszlop tetején gyakorlatilag friss hóról beszélünk 50-70 kg/m3. A friss hó a rárakodó rétegek és a vízpára diffúziója nyomán tömörödik, átkristályosodik ez a csonthó. ~350 kg/m3 sűrűségnél porozitása 60-70%. Az idő előrehaladtával sűrűsége nő, porozitása csökken. kb 550 kg/m3 sűrűségtől a firnszemcsék átrendeződése a sűrűségnövekedés fő oka. Mikor a sűrűség eléri a 800 kg/m3 –t a csatornácskák bezáródnak megjelennek a buborékok. 830-840 kg/m3 –től a jégkristályok közötti járatok bezáródnak, levegő már csak buborékok formájában létezik. Helytől (elsősorban hőmérséklettől és akkumulációtól) függően a csonthó zóna 50-150 m vastag, a bezárt gáz és a bezáró jég korkülönbsége (Δage) párszáz évtől (D-Grönland) párezer évig (Antarktisz közepe) változhat.

DYE-3 sűrűség profil Olvadási rétegek, hirtelen sűrűségnövekedés A mélység, és a nyomás további növekedésével a buborékok még jobban összenyomódnak és a sűrűség eléri a gleccserjégre jellemző 917 kg/m3 –es határt. Érdekes pl. hogy Közép-Grönlandon a 70-100m vastag csonthózónában kb 25m-nek felel meg a pórustérfogat, azaz kb. 25 m-nyi a levegő.

A jégtakaró sematikus folyási szelvénye. A nyilak a folyásirányt jelzik. Amint a rétegek lejjebb kerülnek (azaz későbbi rétegekkel temetődnek el) egyre keskenyebbé válnak és vízszintes irányban elnyúlnak.

Sarkvidéki és magashegyi jég III. kronológia építés Klasszikus módszer: látható rétegzettség, d18O évszakossága (télen jobban; nyáron kevésbé negatív) A jégfuratokban felismerhető rétegek korát, a hozzájuk rendelhető naptári dátumot kézenfekvőnek látszik számlálással megkapni. Lehet vizsgálni első közelítésben a szemmel érzékelhető különbségeket (vizuális sztratigráfia) valamint a kémiai jellemzőket. Az egyik leggyakrabban vizsgált paraméter a jég/víz stabilizotóp-összetétele. Első körben annyit említek, hogy ezt az összetételt télen hulló hóban negatívabb a nyári hóban kevésbé negatív értékek jellemzik, így az évszakos változásokat (lokális maximumok/minimumok) számlálva követhetjük az éveket. A számlálással nyert korokat ellenőrizni független módszerekkel (pl. antropogén eredetű szennyezők, korolható vulkáni közbetelepülések - tefra)!

Sarkvidéki és magashegyi jég IV. A leggyakrabban vizsgált tényező a jég/vízmolekula stabilizotóp összetétele Jelölés: δ18O: 18O/16O; δD: 2H/1H Nem abszolút koncentráció, hanem nemzetközi sztenderdhez viszonyított izotóparányok eltéréssel De akkor nézzünk kicsit utána, hogy mik azok a stabil izotópok, és milyen folyamat okozza a csapadék stabilizotóp-összetételének változását és miért van ennek jelentősége a hőmérsékletrekonstrukció szempontjából. Az azonos protonszámú, de eltérő tömegszámú módosulatokat nevezzük az adott elem stabilizotópjainak. Az oxigénnek három a hidrogénnek 2 stabil izotópja van. Mindkét esetben a könnyű izotóp a gyakori és a nehéz a ritka. Ezeket kombinálva könnyen kiszámolható, hogy a vízmolekulában 12 izotopológ változat képzelhető el, de gyakorlati szempontból, csak az 1 deutériumot, vagy 1 18-as O-t tartalmazónak van jelentősége. A ritka/gyakori arányt mérjük és egy nemzetközi referenciára jellemző aránytól való eltérésként adjuk meg ezrelékben. Delta - ezrelék: d - ‰

Grönlandi csapadék dD összetétele Johnsen et al. (1989) TellusB41, 452 Általánosságban: kevesebb a nehéz izotóp a hidegebb körülmények között keletkezett csapadékban Ezért ezek hőmérsékleti proxinak (helyettesítő adat) kezelhetők

Sarkvidéki és magashegyi jég V. problémák a kronológiával Zasztrugák ~a hófelszín egyenetlenségei Szél=> erózió ill. áthalmozás Akár korábbi évek rétegei is eltűnhetnek, ill. áthalmozódhatnak Különösen a kis akkumulációjú helyeken gond (pl. Kelet-Antarktisz) A jég mozgása. A vízpára diffúziója. Megoldás: Nagy akkumulációjú hely kell Több párhuzamos jégfurat vizsgálata

Sarkvidéki és magashegyi jég IV. kronológia építés d18O Ca2+ NH4+ Ca2+ a porhoz, ezáltal a szélmaximumhoz, kapcsolódik, ami Grönlandon tavasszal van. Az ammónium koncentráció Jelenleg: többszörös szinkronizálás

Sarkvidéki és magashegyi jég VI. több párhuzamos jégfurat vizsgálata Biztosabb kronológia Térbeli különbségek is vizsgálhatók A d18O és dD értékek különbségéből pedig a cirkulációs viszonyok változásai!

A jégtakaró kiépülésének volt-e hatása a tengervíz izotópos összetételére? A világóceán jelenlegi átlagos mélysége = 3500 m Glaciális időszakban ~120m-rel alacsonyabb tengerszint => világóceán átlagos mélysége glaciális idején ~ 3350 m δ18Orec := 0 ‰ (világóceán jelenlegi átlagos összetétele) δ18Ojég= -30 ‰ (a világóceánból hiányzó víz átlagos összetétele) A világóceán glaciális időszaki izotópösszetétele (Izotópos anyagegyensúlyi modellel, egyszerűsítés: felszín állandó) δ18Orec Vrec= δ18OglacVglac+ δ18Ojég Vjég Vrec= Vglac+ Vjég A NOAA honlapjáról kölcsönzött kis összesítő diagramról leolvasható a ~120m-rel alacsonyabb tengerszint. A jelenlegi tengervíz oxigénizotóp összetétele definíció szerint 0, a glaciális maximum idején a jégtakaróba raktározódott víz oxigénizotópos összetétele -30 ezrelék, ezt meg onnan tudjuk, hogy megmérték a jégfuratokban.

A jégtakaró kiépülésének volt-e hatása a tengervíz izotópos összetételére? A világóceán jelenlegi átlagos mélysége = 3500 m Glaciális időszakban ~120m-rel alacsonyabb tengerszint => világóceán átlagos mélysége glaciális idején ~ 3380 m δ18Orec := 0 ‰ (világóceán jelenlegi átlagos összetétele) δ18Ojég -30 ‰ (a világóceánból hiányzó víz átlagos összetétele) A világóceán glaciális időszaki izotópösszetétele (Izotópos anyagegyensúlyi modellel, egyszerűsítés: felszín állandó) δ18Orec Vrec= δ18OglacVglac+ δ18Ojég Vjég Vrec= Vglac+ Vjég Kettes egyenletből kifejezve Vjeget egyesbe helyettesítve, majd elosztva a konstansnak tekintett felszínnel δ18Orec hrec= δ18Oglachglac+ δ18Ojég (hrec-hglac) δ18Oglac = (δ18Orechrec- δ18Ojég (hrec-hglac))/ hglac=(0 ‰ *3500m-(-30 ‰ )*120m)/3380m=1,06 ‰

Paleotemperature of the Holocene

Furólyuk hőmérsékleti - egy valódi direkt középhőmérsékleti adat A jégtakarót alulról a geotermikus hő fűti (konstans hővel). Ezért látunk melegedést az alsó régióban a GRIP alatt pl kb -8,5C , ami a vastag jégtakaró okozta rétegterhelés okán megnövekedett nyomás miatt már elég ahhoz, hogy a jég elérje olvadáspontját,. A jégösszletben 1500 m körül találták a leghidegebb zónát. A piros görbe az a számított profil, amit akkor kapnánk, ha a jelenlegi hőmérsékleti és akkumulációs viszonyokkal épült volna fel a jégösszlet. A kék görbe a fúrólyukakban mért profil. A mért adatok modellezését csatolt áramlási és jégfolyási modellel inverz Monte Carlo módszerrel végezték. Dahl-Jensen et al. (1998) Science 282: 268

Furólyuk hőmérsékleti - egy valódi direkt középhőmérsékleti adat A reális fúrólyukhőmérsékleteket eredményező szimulált középhőmérsékleti meneteket mutatják az ábrák. A piros vonal az átlag, a fehér a 95%-os megbízhatósági tartomány. Dahl-Jensen et al. (1998) Science 282: 268

Sodemann et al. (2008a), JGR 113, D12111, Sodemann et al. (2008b), JGR 113, D03107

Hol várható és milyen idős a legöregebb antarktiszi jég? Jouzel & Masson-Delmotte (2010) QSR 29: 3683-3689

Cseppkövek – a „földalatti „időjárás CaCO3 Félbevágot, polírozott, 20cm magas álló cseppkő szén oxigén 18O 16O 13C 12C stabilizotóp !!

Cseppkövek – Urán-sorozatos kormeghatározással 238U bomlási sor „tiszta” kalcitnál ~600 ka A kalcit rácsba beépülő urán. Ha nem szennyezett a kalcit ~600 ezer évig használható a jelenlegi méréstechnikával

Cseppkövek – a „földalatti „időjárás Egy lehetséges éves barlangklíma ciklus és a kapcsolódó proxi paraméterekben észlelhető (várt) változások

Cseppkövek – a jelátvitel A környezeti jelek a barlangi rendszeren „szűrődnek át”. Ezzel rendszerint gyenülnek az elsődleges éghajlati információk, illetve interferálódnak más pl. a növényzet

Cseppkövek – a vizsgálódás időléptékét a technikai szabja meg Cseppkövek vizsgálatánál a mintavételi, analitikai eljárástól függő elérhető felbontás. Ugyancsak nem mellékes a vizsgált minta, vagy szakasz növekedési üteme.

„frakcionációs faktor” Hőmérsékletfüggés: 1000·lnα (calcite-H2O) Frakcionáció: izotópmegoszlás különböző komponensek között Termodinamikai számítások alapján: az 18O és 16O izotópok karbonátokban és vízben történő megoszlása hőmérsékletfüggő. Például: Kalcit-víz oxigénizotóp- frakcionáció Temperature (°C)  Ha ismerjük a víz összetételét, a hőmérséklet számítható, és fordítva is igaz. Oxigén izotópos paleotermometria Fő probléma: a vízösszetételt ritkán tudjuk pontosan.

De a napjaink csapadékvizére/vagy ha van mért adat akkor az aktuális csepegő vízre jellemző értéket szoktuk venni. A kicsapódott karbonát izotópösszetételét mérjük. S ha semmi nem szól az egyensúlyi frakciónáció ellen, akkor az ábrán látható görbék valamelyikével szokták becsülni a keletkezési hőmérsékletet. Az egyensúlyi kiválás ellenőrzésére ún. Hendy teszt.

Hendy teszt 11300 ±573 (uncorrected age) (uncorrected 10271 ± 309 10072 ± 441 8960 ± 1115 8914 ± 253 8071 ± 330 7709 ± 212 7302 ± 277 5892 ± 134 4806 ± 74

Azt már láttuk, hogy a cseppkövet uralkodóan az oldatból kicsapódó CaCO3 építi fel. Szerkezetileg ez úgy szemléltethető, hogy a karbonát anionokat kalcium kationok kötik össze, és ezek így rendeződnek rácsba. Ám a karsztvíz nem csupán Ca2+ és CO32- ionok úszkálnak. A kristályosodáskor beépülnek más ionok is a rácsba. Elsősorban a Ca2+ helyére. Érdekes pl. a Mg2+

DMg = (Mg/Ca)calcite/(Mg/Ca)solution Mert a magnézium beépülése (DMg az ún megoszlási együttható) azaz a kicsapódott kalcitra és az anyaoldatra vonatkozó magnézium-kálcium arány hányadosa. A magnézium-kálcium arányt a karsztvízben megmérhetjük, és rétegenként a cseppkőben is. Rétegenként meghatározva a megoszlási együttható múltbéli alakulását független módszerrel adható hőmérsékletbecslés. Data: Huang & Fairchild 2001, Farirchild et al. 2010 Figure from Fairchild & Baker, 2012

Ha a független hőmérsékletbecslésünk megvan, és a kicsapódott karbonátra a 18O/16O arányt meg tudjuk mérni, akkor a frakcionációs egyenlet segítségével a víz 18O/16O összetétele kiszámítható.

A Mg és a Sr koncentrációja a csapadékmennyiségtől függ A Mg és a Sr koncentrációja a csapadékmennyiségtől függ. A d18O értéke a hőmérséklet és a csapadékmennyiség mellett a csapadék forrását is jelzi (Mg,Sr és d18O szétválása). Cruz et al. (2007)

Heinrich események (H1, H2, …): hirtelen nagy mennyiségű kontinentális jégtömeg kerül az óceánba 17 ky: éles változás a d18O értékében: hőmérséklet globális növekedése = megnövekedett csapadékmennyiség + jégsapka olvadása 17 ky YD: Younger Dryas: 13-11ky = É-Atlanti tengerfelszín lehűlése ~~ Heinrich esemény ? 1. Heves esőzések: gyors leszivárgás: nincs talaj CO2-nek szerepe 2. Környező kőzet beoldódása megnőtt

Köszönöm a megtisztelő figyelmet!