Im Stille Quelle , betrachtet Rachel Carson den westlichen Beifuß. Denn hier sei die Naturlandschaft beredt für das Zusammenspiel der Kräfte, die sie geschaffen haben, schreibt sie. Es breitet sich vor uns aus wie die Seiten eines offenen Buches, in dem wir lesen können, warum das Land so ist, wie es ist, und warum wir seine Integrität bewahren sollten. Aber die Seiten liegen ungelesen. Sie beklagt das Verschwinden einer bedrohten Landschaft, kann aber genauso gut von Paläoklima-Markern sprechen.

Um zu wissen, wohin du gehst, musst du wissen, wo du warst. Das gilt insbesondere für Klimawissenschaftler, die die gesamte Bandbreite der Veränderungen des Planeten verstehen müssen, um den Kurs unserer Zukunft zu bestimmen. Aber wie kommen sie ohne Zeitmaschine an diese Art von Daten?

hat robert e. Lee eigene Sklaven?

Wie Carson müssen sie die Seiten der Erde lesen. Glücklicherweise hat die Erde Tagebücher geführt. Alles, was jährliche Schichten ablegt – Meereskorallen, Höhlenstalagmiten, langlebige Bäume , winzige Schale Meeresbewohner – zeichnet die Zustände der Vergangenheit getreu auf. Um noch weiter zu gehen, graben Wissenschaftler Sedimentkerne und Eisbohrkerne aus dem Meeresboden und den eisigen Polen aus, die ihre eigenen Memoiren in Asche- und Staubexplosionen und Blasen aus lang gefangenem Gas schreiben.





In gewisser Weise haben wir also Zeitmaschinen: Jeder dieser Stellvertreter erzählt eine etwas andere Geschichte, die Wissenschaftler miteinander verweben können, um ein umfassenderes Verständnis der Vergangenheit der Erde zu erlangen.

Im März veranstaltete das National Museum of Natural History der Smithsonian Institution ein dreitägiges Earth’s Temperature History Symposium, das Lehrer, Journalisten, Forscher und die Öffentlichkeit zusammenbrachte, um ihr Verständnis des Paläoklimas zu verbessern. Bei einem Abendvortrag, Gavin Schmidt , Klimamodellierer und Direktor des Goddard Institute for Space Studies der NASA, und Richard Alley , ein weltberühmter Geologe an der Pennsylvania State University, erklärte, wie Wissenschaftler das vergangene Klima der Erde nutzen, um die Klimamodelle zu verbessern, mit denen wir unsere Zukunft vorhersagen.



Hier ist Ihr Leitfaden für die Klimavergangenheit der Erde – nicht nur das, was wir wissen, sondern wie wir es wissen.

Wie sehen wir das vergangene Klima der Erde?

Es braucht ein wenig Kreativität, um die vergangenen Inkarnationen der Erde zu rekonstruieren. Glücklicherweise kennen Wissenschaftler die wichtigsten natürlichen Faktoren, die das Klima prägen. Dazu gehören Vulkanausbrüche, deren Asche die Sonne blockiert, Veränderungen in der Erdumlaufbahn, die das Sonnenlicht in andere Breitengrade verschieben, die Zirkulation von Ozeanen und Meereis, die Anordnung der Kontinente, die Größe des Ozonlochs, kosmische Strahlenexplosionen und Entwaldung. Die wichtigsten davon sind Treibhausgase, die die Sonnenwärme einfangen, insbesondere Kohlendioxid und Methan.



Wie Carson bemerkte, zeichnet die Erde diese Veränderungen in ihren Landschaften auf: in geologischen Schichten, fossile Bäume , fossile Muscheln, sogar kristallisierte Ratte pinkeln – im Grunde alles wirklich Alte, das erhalten bleibt. Wissenschaftler können diese Tagebuchseiten öffnen und sie fragen, was damals vor sich ging. Baumringe sind besonders fleißige Rekordhalter, die Niederschläge in ihren Jahresringen aufzeichnen; Eisbohrkerne können exquisit detaillierte Berichte über saisonale Bedingungen erstellen, die fast eine Million Jahre zurückreichen.

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Eisbohrkerne enthüllen jährliche Schichten von Schneefall, Vulkanasche und sogar Überreste längst verstorbener Zivilisationen.(NASA's Goddard / Ludovic Brucker)

Was kann uns ein Eisbohrkern sonst noch sagen?

Wow, es gibt so viel, sagt Alley, die fünf Feldsaisons verbracht hat Kerneis vom grönländischen Eisschild. Überlegen Sie, was ein Eisbohrkern eigentlich ist: ein Querschnitt durch jahrtausendealte Schneeschichten.

Wenn Schnee den Boden bedeckt, enthält er kleine Lufträume, die mit atmosphärischen Gasen gefüllt sind. An den Polen werden ältere Schichten vergraben und zu Eis zusammengedrückt, wodurch diese Räume in Blasen aus vergangener Luft verwandelt werden, wie die Forscher Caitlin Keating-Bitonti und Lucy Chang schreiben Smithsonian.com. Wissenschaftler nutzen die chemische Zusammensetzung des Eises selbst (das Verhältnis der schweren und leichten Sauerstoffisotope in H2O) zu Temperatur einschätzen .In Grönland und der Antarktis extrahieren Wissenschaftler wie Alley unvorstellbar lange Eisbohrkerne – einige mehr als zwei Meilen lange!

Eisbohrkerne sagen uns, wie viel Schnee in einem bestimmten Jahr gefallen ist. Aber sie enthüllen auch Staub, Meersalz, Asche von weit entfernten Vulkanexplosionen, sogar die Verschmutzung, die römische Rohrleitungen hinterlassen haben. Wenn es in der Luft ist, ist es im Eis, sagt Alley. Im besten Fall können wir Eisbohrkerne auf ihre genaue Jahreszeit und ihr genaues Jahr datieren, indem wir ihre Jahresschichten wie Jahrringe hochzählen. Und Eisbohrkerne bewahren diese exquisiten Details, die Hunderttausende von Jahren zurückreichen, und machen sie zu dem, was Alley als den Goldstandard der paläoklimatischen Proxys bezeichnet.

Warten Sie, aber ist die Geschichte der Erde nicht viel länger?

Ja, das ist richtig. Paläoklimaforscher müssen Millionen von Jahren zurückgehen – und dafür brauchen wir Dinge, die noch älter sind als Eisbohrkerne. Glücklicherweise hat das Leben eine lange Geschichte. Der Fossilienbestand des komplexen Lebens reicht bis in die Umgebung zurück 600 Millionen Jahre . Das heißt, wir haben konkrete Proxys für Klimaänderungen, die ungefähr so ​​weit zurückreichen. Einer der wichtigsten sind die Zähne von Conodonten – ausgestorbenen, aalähnlichen Kreaturen – die 520 Millionen Jahre alt sind.

Aber einige der gebräuchlichsten Klima-Proxys auf dieser Zeitskala sind noch winziger. Foraminiferen (bekannt als Forams) und Diatomeen sind einzellige Wesen, die dazu neigen, auf dem Meeresboden der Ozeane zu leben und oft nicht größer als der Punkt am Ende dieses Satzes sind. Da sie über die ganze Erde verstreut sind und es seit dem Jura gibt, haben sie einen robusten Fossilienbestand für Wissenschaftler hinterlassen, um vergangene Temperaturen zu untersuchen. Mit Hilfe von Sauerstoffisotopen in ihren Schalen können wir die Meerestemperaturen vor mehr als 100 Millionen Jahren rekonstruieren.

In jeder vorgelagerten Landzunge, in jedem geschwungenen Strand, in jedem Sandkorn gibt es eine Geschichte der Erde, schrieb Carson einmal. Es stellt sich heraus, dass sich diese Geschichten auch in den Gewässern verstecken, die diese Strände geschaffen haben, und in Kreaturen, die kleiner als ein Sandkorn sind.

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Foraminiferen.(Ernst Haeckel)

Wie viel Gewissheit haben wir für die tiefe Vergangenheit?

Für Paläoklima-Wissenschaftler ist Leben von entscheidender Bedeutung: Wenn Sie Indikatoren für das Leben auf der Erde haben, können Sie die Temperatur anhand der Verteilung von Organismen interpretieren.

Aber wenn wir so weit zurückgegangen sind, dass es nicht einmal mehr Konodontenzähne mehr gibt, haben wir unseren Hauptindikator verloren. In der Vergangenheit müssen wir uns auf die Verteilung von Sedimenten und auf Marker vergangener Gletscher verlassen, die wir extrapolieren können, um grobe Klimamuster anzuzeigen.Je weiter wir also zurückgehen, desto weniger Proxys haben wir und desto weniger granular wird unser Verständnis.Es wird nur neblig und neblig, sagt Brian Huber , ein Smithsonian-Paläobiologe, der zusammen mit einem anderen paläobiologischen Forscher und Kurator bei der Organisation des Symposiums half Scott Flügel.

Wie zeigt uns das Paläoklima die Bedeutung von Treibhausgasen?

Treibhausgase wirken, wie der Name schon sagt, durch Einfangen von Wärme. Im Wesentlichen bilden sie eine isolierende Decke für die Erde. (Sie können mehr in die grundlegende Chemie einsteigen Hier .) Wenn Sie sich eine Grafik vergangener Eiszeiten ansehen, können Sie sehen, dass CO2-Werte und Eiszeiten (oder globale Temperatur) übereinstimmen. Mehr CO2 bedeutet wärmere Temperaturen und weniger Eis und umgekehrt. Und wir kennen die Richtung der Kausalität hier, bemerkt Alley. Es besteht hauptsächlich aus CO2 zu (weniger) Eis. Nicht umgekehrt.

Wir können auch auf bestimmte Momentaufnahmen zurückblicken, um zu sehen, wie die Erde auf vergangene CO2-Spitzen reagiert. Zum Beispiel in einer Phase extremer Erwärmung während der Känozoikum Vor etwa 55,9 Millionen Jahren wurde genug Kohlenstoff freigesetzt, um die Menge an CO2 in der Atmosphäre etwa zu verdoppeln. Die infolgedessen heißen Bedingungen richteten verheerende Folgen an und verursachten massive Migrationen und Aussterben; so ziemlich alles, was lebte, ist entweder umgezogen oder ausgestorben. Pflanzen verwelkt. Ozeane versauert und auf die Temperatur von Badewannen erhitzt.

Leider könnte dies ein Vorbote dafür sein, wohin wir gehen. Das ist es, was Klimamodellierern Angst macht, sagt Huber. Bei dem Tempo, das wir vorantreiben, spulen wir die Zeit zurück zu diesen Zeiten extremer Wärme. Aus diesem Grund hilft uns das Verständnis der Rolle von Kohlendioxid beim Klimawandel in der Vergangenheit, den zukünftigen Klimawandel vorherzusagen.

Das hört sich ziemlich schlecht an.

Ja.

Ich bin wirklich beeindruckt, wie viele paläoklimatische Daten wir haben. Aber wie funktioniert ein Klimamodell?

Tolle Frage! In der Wissenschaft können Sie kein Modell erstellen, wenn Sie die Grundprinzipien des Systems nicht verstehen. Die bloße Tatsache, dass wir in der Lage sind, gute Modelle zu erstellen, bedeutet, dass wir verstehen, wie das alles funktioniert. Ein Modell ist im Wesentlichen eine vereinfachte Version der Realität, basierend auf dem, was wir über die Gesetze der Physik und Chemie wissen. Ingenieure verwenden mathematische Modelle, um Strukturen zu bauen, auf die sich Millionen von Menschen verlassen, von Flugzeugen bis hin zu Brücken.

Unsere Modelle basieren auf einem Datenrahmen, von dem ein Großteil aus den Paläoklima-Proxys stammt, die Wissenschaftler aus allen Teilen der Welt gesammelt haben. Deshalb ist es so wichtig, dass Daten und Modelle miteinander im Gespräch sind. Wissenschaftler testen ihre Vorhersagen an Daten aus der fernen Vergangenheit und versuchen, auftretende Unstimmigkeiten zu beheben. Wir können in der Zeit zurückgehen und die Ergebnisse dieser Modelle auswerten und validieren, um bessere Vorhersagen für die Zukunft zu treffen, sagt Schmidt.

Hier ist ein Modell:

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Es ist hübsch. Ich habe gehört, dass die Modelle nicht sehr genau sind.

Modelle liegen naturgemäß immer falsch. Betrachten Sie sie als eine Annäherung, unsere beste Vermutung.

Aber fragen Sie sich: Geben uns diese Vermutungen mehr Informationen als zuvor? Liefern sie nützliche Vorhersagen, die wir sonst nicht hätten? Erlauben sie uns, neue, bessere Fragen zu stellen? Wenn wir all diese Teile zusammenfügen, erhalten wir etwas, das dem Planeten sehr ähnlich sieht, sagt Schmidt. Wir wissen, dass es unvollständig ist. Wir wissen, dass es Dinge gibt, die wir nicht aufgenommen haben, wir wissen, dass wir Dinge eingefügt haben, die ein bisschen falsch sind. Aber die grundlegenden Muster, die wir in diesen Modellen sehen, sind erkennbar … als die Muster, die wir ständig in Satelliten sehen.

Also sollten wir darauf vertrauen, dass sie die Zukunft vorhersagen?

Die Modelle reproduzieren getreu die Muster, die wir in der Vergangenheit, Gegenwart und in einigen Fällen in der Zukunft der Erde sehen. Wir sind jetzt an dem Punkt angelangt, an dem wir frühe Klimamodelle – die aus den späten 1980er und 1990er Jahren, an denen Schmidts Team bei der NASA arbeitete – mit der Realität vergleichen können. Als ich Student war, sagten uns die frühen Modelle, wie es warm werden würde, sagt Alley. Das passiert. Die Modelle sind erfolgreich sowohl prädiktiv als auch erklärend: Sie funktionieren. Je nachdem, wo du stehst, kann das dazu führen, dass du 'Oh goody' sagst! Wir hatten recht! oder Oh nein! Wir hatten recht.

Um die Genauigkeit der Modelle zu überprüfen, greifen die Forscher direkt auf die Paläoklimadaten zurück, die Alley und andere gesammelt haben. Sie lassen Modelle in die ferne Vergangenheit laufen und vergleichen sie mit den Daten, die sie tatsächlich haben.

Wenn wir uralte Klimata der Vergangenheit reproduzieren können, bei denen wir wissen, was passiert ist, sagt uns das, dass diese Modelle ein wirklich gutes Werkzeug für uns sind, um zu wissen, was in der Zukunft passieren wird, sagt Linda Ivany , ein Paläoklima-Wissenschaftler an der Syracuse University. Ivanys Forschungsstellvertreter sind uralte Muscheln, deren Schalen nicht nur die jährlichen Bedingungen, sondern auch einzelne Winter und Sommer über 300 Millionen Jahre aufzeichnen – was sie zu einer wertvollen Möglichkeit macht, Modelle zu überprüfen. Je besser die Modelle die Vergangenheit wiederherstellen können, sagt sie, desto besser können sie die Zukunft vorhersagen.

Das Paläoklima zeigt uns, dass sich das Klima der Erde dramatisch verändert hat. Bedeutet das nicht, dass die heutigen Veränderungen relativ gesehen keine große Sache sind?

Wenn Richard Alley versucht, die Schwere des vom Menschen verursachten Klimawandels zu erklären, beruft er sich oft auf ein bestimmtes jährliches Phänomen: die Waldbrände, die jedes Jahr in den Hügeln von Los Angeles lodern. Diese Brände sind vorhersehbar, zyklisch, natürlich. Aber es wäre verrückt zu sagen, dass es in Ordnung ist, Brandstifter auch Feuer legen zu lassen, da Brände die Norm sind. Ebenso bedeutet die Tatsache, dass sich das Klima über Millionen von Jahren verändert hat, nicht, dass vom Menschen verursachte Treibhausgase keine ernsthafte globale Bedrohung darstellen.

'Unsere Zivilisation basiert auf stabilem Klima und stabilem Meeresspiegel', sagt Wing, 'und alles, was wir aus der Vergangenheit wissen, sagt, dass sich Klima und Meeresspiegel radikal ändern, wenn viel Kohlenstoff in die Atmosphäre eingebracht wird.'

Seit der industriellen Revolution haben menschliche Aktivitäten dazu beigetragen, den Globus um 2 Grad F zu erwärmen, ein Viertel dessen, was Schmidt als Eiszeit-Einheit – die Temperaturänderung, die die Erde zwischen einer Eiszeit und einer Nicht-Eiszeit durchmacht. Die Modelle von heute sagen bis 2100 eine weitere Erwärmung von 2 bis 6 Grad Celsius voraus – mindestens 20-mal schneller als frühere Erwärmungsschübe in den letzten 2 Millionen Jahren.

Natürlich gebe es Unsicherheiten: Wir könnten darüber diskutieren, ob wir etwas zu optimistisch sind oder nicht, sagt Alley. Aber es wird nicht viel darüber diskutiert, ob wir zu beängstigend sind oder nicht.Wenn man bedenkt, wie recht wir vorher hatten, sollten wir die Geschichte auf eigene Gefahr ignorieren.





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