Podnebne spremembe na Zemlji 4 – indikatorji preteklega podnebja

Nazaj

Poglej/poslušaj na

Danes lahko vsebnost CO2 v atmosferi, in posledično njeno temperaturo, določimo iz arktičnega ledu za obdobje preteklih 800.000 let, obstaja pa več metod, s katerimi lahko določimo kakšna je bila globalna temperatura podnebja do pred nekaj sto milijonov leti.

Ena od metod je analiza fosiliziranih listov rastlin. Na njihovem površju se namreč nahajajo majhne pore oziroma reže, ki jim pravimo stomata. Skozi njih v rastlino pride CO₂, z njim pa ogljik, ki ga rastlina rabi za svojo rast. Povečana vsebnost CO₂ v ozračju povzroči, da se površinska gostota teh por zmanjša, hkrati pa je manjši tudi delež celic listov, ki so sestavljajo pore. Temu deležu rečemo stomatski indeks, z njim pa lahko določimo koncentracijo CO₂ v atmosferi vse do ordovicija, obdobja, ki se je začelo pred 485, končalo pa pred 444 milijoni let.

Tako so znanstveniki odkrili da je bila koncentracija CO₂ v daljni preteklosti veliko višje od današnje. V zgodnjem paleozoiku, obdobju izpred 541 do 252 milijoni let, je ta koncentracija dosegala celo več kot 4000 ppm, nato je njena vrednost vse do začetka pensilvanija, obdobja med 320 in 286 milijoni let, padala vse do vrednosti, ki so bile podobne današnjim. Med mezozoikom, ki je trajal od pred 252 do 66 miljoni let, je koncentracija CO₂ spet zrasla na 1000-3000 ppm. Zanimivo je, da čeprav je bila koncentracija CO₂ v mezozoiku, manjša kot med paleozoikom, pa je bila globalna temperatura ozračja tekom teh treh geoloških er, približno enaka. To je bilo posledica dejstva, da je bil izsev Sonca pred 420 miljoni let okrog 6 % manjši kot tekom krede in jure.

Drugi način, s katerim lahko ocenimo temperaturo ozračja temelji na vsebnosti izotopov kisika ¹⁸O in ogljika ¹³C v lupinah enoceličnega morskega planktona ter bentosa z imenom foraminifere. Pa začnimo najprej s kisikom.

Kisik je element, ki ga definira to, da vsebuje natanko osem protonov. Večina, kar 99,76% kisikovih atomov v naravi vsebuje tudi 8 nevtronov, kar pomeni, da ima kisik atomsko maso 16 (8 protonov + 8 nevtronov). V naravi pa lahko najdemo kisikove atome, ki vsebujejo več kot 8 nevtronov. Ti izotopi imajo lahko atomsko maso vse do 26, kar pomeni, da je število nevtronov v njih lahko celo 18. Večina teh izotopov ni stabilna, zato radioaktivno razpadejo. Eden od manj pogostih kisikovih izotopov, ki je stabilen je ¹⁸O, torej izotop z desetimi nevtroni, ki predstavlja 0,20 % vseh kisikovih atomov v naravi.

Dva faktorja, ki vplivata na koncentracijo ¹⁸O v oceanih sta hlapenje in precipitacija oz. dež in sneg. Pri tem je glavni faktor različna masa kisikovih izotopov. Ker je ¹⁸O težji od ¹⁶O, slednji lažje hlapi iz oceanov, zaradi česar oceani vsebujejo sorazmerno velik delež ¹⁸O. Ko se vodni hlapi zgostijo, se ¹⁸O zaradi večje mase tudi hitreje izloči iz oblakov, kot ¹⁶O. Ko oblaki dosežejo polarna območja ter visokogorske ledenike, vodni hlapi v njih vsebujejo manj izotopa ¹⁸O kot oblaki nad oceani. Zaradi tega je v snegu in ledu, ki se nahajata v teh ledenikih ter v polarnih območjih, vsebnost ¹⁸O načeloma dokaj nizka. Ko se je v preteklosti podnebje na Zemlji ogrelo, so se ledeniki ter večni led talili, ta voda pa je sčasoma dosegla oceane, kar je na dolgi rok zmanjšalo vsebnost ¹⁸O v njih. Med hladnimi obdobji, torej tudi med ledenimi dobami, se je koncentracija ¹⁸O v oceanih povečala.

Kisik v oceanih pa s pridom uporabljajo enocelična bitja, ki jim pravimo ferominifere, ki na Zemlji obstajajo že več kot 500 milijonov let. Ta bitja so sestavni del planktona na površju oceanov, ter bentosa na njihovem dnu. Kisik, ki se v oceanih nahaja v soleh, kot je kalcijev karbonat, ferominifere uporabijo za izgradnjo svojih lupin. Ko umrejo, se njihove lupine potopijo na morsko dno, kjer tvorijo usedline. Usedline lupin foraminifer pa so zelo koristni fosili, saj z njihovo analizo lahko z veliko natančnostjo določimo njihovo starost ter relativno vsebnost izotopa ¹⁸O v njih.

Ker se voda na dnu oceanov meša veliko bolj, kot na njihovem površju, lahko iz bentoških foraminifer ocenimo globalno temperaturo ozračja. Na sliki spodaj je prikazana relativna vsebnost ¹⁸O v fosilih bentoških foraminifer tekom zadnjih 10 milijonov let. Vidimo, da se tekom zadnjih treh milijonov let relativna vsebnost ¹⁸O zmanjšuje, kar pomeni, da se je tekom tega obdobja temperatura ozračja znižala v primerjavi z bolj daljno preteklostjo.

Za določanje pretekle temperature ozračja pa lahko uporabimo še en dokaj redek izotop. Od petnajstih izotopov ogljika, ki jih najdemo v naravi, sta stabilna le ¹²C ter ¹³C. Slednji predstavlja 1,1 % delež ogljikovih atomov v naravi. Kot bomo videli, ključno vlogo spet igra različna masa obeh izotopov.

Morska bitja, ki asimilirajo CO₂ s fotosintezo, ko so na primer alge in plankton, lažje absorbirajo ¹²C kot težji ¹³C. V obdobjih tako imenovane povečane produktivnosti, ko je teh bitij v oceanih več, se relativna vsebnost ogljika ¹³C v oceanih poveča. Planktonske ter bentoške foraminifere uporabljajo ogljik za lupine, hkrati pa je prisoten v njihovih izločkih, ki se potem nabirajo na morskem dnu. Med obdobji povečane produktivnosti se tako poveča relativen delež ¹³C v fosilih foraminifer.

Po drugi strani se relativni delež ¹³C zmanjša, med hladnimi obdobji, ko se poveča površina kopnega, s tem pa tudi erozija kopnega. Vsebnost ¹³C v prsti je namreč dokaj nizka, saj prst vsebuje ostanke mrtvih rastlin, ki, prav tako kot morske rastline, težje absorbirajo ¹³C kot ¹²C. Zaradi povečane erozije, prst prinese v oceane več ¹²C, kar ima za posledico zmanjšanje relativne koncentracije ¹³C.

Tako iz relativne vsebnosti ¹³C v lupinah bentoških foraminifer lahko določimo nivo morske gladine v preteklosti. Ko se morska globina zviša, to je tekom toplejših obdobij, se zmanjša površina kopnega, s tem pa tudi erozija, kar povzroči povečane vrednosti ¹³C. Nižja morska globina, tekom hladnejših obdobij, pa pomeni povečanje erozije ter manjšo vsebnost ¹³C v lupinah foraminifer.

Literatura

1. Time Scavengers, Carbon & Oxygen Isotopes, https://timescavengers.blog/introductory-material/what-is-paleoclimatology/proxy-data/carbon-oxygen-isotopes/
2. Time Scavengers, Foraminifera, https://timescavengers.blog/paleo-live/our-research-explained/foraminifera/
3. Thpanorama, Foraminiferine značilnosti, morfologija, klasifikacija, življenjski cikel, https://sl.thpanorama.com/articles/biologa/foraminfera-caractersticas-morfologa-clasificacin-ciclo-de-vida.html
4. Jodie Howe , Doktorska dizertazija, University of Leeds/BAS, pobarval Robert Nichols, 2003.