Kaip mokslininkai sužino, koks buvo Žemės klimatas prieš žmonijos istoriją?

Atokioje Antarktidos vietoje mokslininkas iš ledo išgręžia ilgą, skaidrų cilindrą. Iš pirmo žvilgsnio jis primena paprastą sušalusį sniegą, tačiau kiekvienas jo sluoksnis slepia dalį seniai praėjusių metų istorijos. Kažkur kitur jūros dugne gulinti purvo juosta saugo kitokius pėdsakus – mikroskopinių organizmų liekanas, dulkes ir cheminius signalus. Kaip iš tokių netobulų, laiko paveiktų ženklų atkuriamas pasaulis, kuriame nebuvo nei miestų, nei termometrų, nei žmonių?

Ledas, kuris saugo senovės atmosferą

Vienas svarbiausių paleoklimato tyrimų šaltinių yra poliarinių ledynų gręžiniai. Sniegas Antarktidoje ir Grenlandijoje kaupėsi tūkstančius metų: kiekvienas naujas sluoksnis slėgė ankstesnį, pamažu virsdamas ledu. Tarp šių sluoksnių liko įkalinti nedideli oro burbuliukai – senovinės atmosferos mėginiai.

Laboratorijoje iš jų galima nustatyti anglies dioksido, metano ir kitų dujų koncentraciją. Tai leidžia pamatyti, kaip keitėsi atmosferos sudėtis per dešimtis ar net šimtus tūkstančių metų. Ledo sluoksniuose taip pat randama vulkaninių pelenų, jūros druskos, dulkių ir kitų dalelių. Jos padeda spręsti, ar tam tikru laikotarpiu buvo daugiau ugnikalnių išsiveržimų, stipresni vėjai arba didesnis sausros mastas.

Ledo cheminė sudėtis gali parodyti ir temperatūros pokyčius. Vandens molekulės turi skirtingus deguonies ir vandenilio izotopus – atomų formas, besiskiriančias neutronų skaičiumi. Šiltuoju ir šaltuoju laikotarpiais šių izotopų santykis atmosferoje bei sniege kinta. Išmatuodami tokį santykį, mokslininkai gali apskaičiuoti, kokia buvo temperatūra tuo metu, kai susidarė konkretus sluoksnis.

Vis dėlto ledo „archyvas“ nėra tobulas. Giliausiuose sluoksniuose ledas susispaudžia, todėl vienerių metų ribas atskirti tampa sunkiau. Be to, lede esančios dujos ne visada įkalinamos tą pačią akimirką, kai iškrinta sniegas. Dėl to tyrėjai įvertina galimą paklaidą, o gautus duomenis tikrina kitais metodais.

Jūros dugno purvas ir gyvybės pėdsakai

Vandenynai klimato istoriją saugo nuosėdose. Ant jūros dugno lėtai kaupiasi dulkių, mineralų, vulkaninių dalelių ir mikroskopinių organizmų liekanų sluoksniai. Gręždami dugną mokslininkai iškelia ilgas nuosėdų kolonas, kuriose sluoksniai išsidėstę tarsi laiko juosta.

Ypač svarbios yra vienaląsčių jūrinių organizmų, vadinamų foraminiferomis, kriauklelės. Šios kriauklelės sudarytos iš kalcio karbonato ir susidarydamos įrašo aplinkos sąlygas. Analizuojant deguonies izotopų santykį jose galima spręsti apie senovės jūros temperatūrą ir pasaulinio ledynų tūrio pokyčius. Šaltesniais laikotarpiais daugiau vandens būdavo sukaupta ledynuose, todėl vandenynų cheminis signalas pasikeisdavo.

Nuosėdose išlieka ir žiedadulkės. Jos nukeliauja nuo sausumos į ežerus ar jūrą, o jų santykis leidžia nustatyti, kokia augmenija augo aplinkui. Jei sluoksniuose daug spygliuočių žiedadulkių, tai gali rodyti vėsesnį klimatą, o šilumamėgių augalų pėdsakai – šiltesnes sąlygas. Tam tikrų augalų paplitimas padeda atkurti ir kritulių kiekį, sezonų trukmę bei sausros laikotarpius.

Ežerų nuosėdos dažnai suteikia dar smulkesnę vietos informaciją. Jose gali būti išlikę dumblių likučiai, vabzdžių dalys, anglis po gaisrų ar smėlio sluoksniai, kuriuos į ežerą atnešė staigus potvynis. Toks derinys leidžia atskirti ilgalaikę klimato kaitą nuo trumpų, bet reikšmingų įvykių.

Fosilijos, medžiai ir uolienų cheminiai signalai

Klimato pėdsakų ieškoma ne tik lede ar purve. Fosilijos atskleidžia, kokiomis sąlygomis galėjo gyventi senovės augalai ir gyvūnai. Anglies telkiniai, pavyzdžiui, rodo, kad praeityje kai kuriuose regionuose klestėjo vešli, drėgna augmenija. Dykumų smiltainis gali liudyti apie ilgai vyravusias sausas sąlygas, o senoviniai rifai – apie šiltas, seklias jūras.

Uolienose išlikę cheminiai elementai taip pat turi klimato istorijos fragmentų. Kai kurių izotopų santykis gali parodyti temperatūrą, kritulių kilmę ar senovinių vandenynų sudėtį. Geologai analizuoja ir vadinamuosius klimato indikatorius: ledynų paliktas rėvas uolienose, vėjo supustytas dulkes, senovinių dirvožemių sluoksnius ar mineralus, susidariusius tik tam tikro drėgnumo sąlygomis.

Laikotarpiams, apimantiems kelis pastaruosius tūkstančius metų, ypač naudingi medžių rievėmis pagrįsti tyrimai. Plačios rievės dažnai susiformuoja palankesniais augimo metais, siauros – per šaltį, sausrą ar kitą stresą. Skirtingų medžių rievės gali būti sugretintos, todėl sukuriamos ilgos chronologinės sekos. Kai kurios jų siekia kelis tūkstančius metų.

Tačiau viena medžio rievė nepasako visos planetos istorijos. Ji atspindi konkretaus regiono sąlygas, todėl sausra vienoje vietoje nebūtinai reiškia visuotinį atšalimą. Dėl to mokslininkai vengia remtis vienu šaltiniu ar vienu regionu.

Kaip iš fragmentų sudaromas bendras vaizdas

Pirmiausia reikia nustatyti, kada susidarė tiriamas sluoksnis ar mėginys. Tam naudojamas radioaktyvusis datavimas, vulkaninių pelenų sluoksnių palyginimas, ledinių sluoksnių skaičiavimas ir kiti metodai. Kai kuriais atvejais padeda anglies izotopo metodas, tinkamas palyginti jauniems organiniams likučiams. Senesniems geologiniams laikotarpiams taikomi kiti radioaktyviais skilimais pagrįsti būdai.

Tada skirtingi duomenys lyginami tarpusavyje. Jei ledo šerdyje sumažėjęs šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekis sutampa su vėsesnės augmenijos pėdsakais nuosėdose ir ledynų paliktomis žymėmis uolienose, pasitikėjimas tokia rekonstrukcija išauga. Klimato modeliai padeda patikrinti, ar išmatuoti pokyčiai dera su žinomais Žemės orbitos, vandenynų srovių ar vulkanizmo pokyčiais.

Mokslininkai taip pat nurodo ne tikėtinas klaidas, bet ir neapibrėžtumą. Senovės klimato rekonstrukcija nėra viena tiksli temperatūros kreivė, nubrėžta iki paskutinio laipsnio. Tai geriausiai turimais duomenimis pagrįstas intervalas, kuriame matyti aiškios tendencijos, bet išlieka vietos abejonėms.

Būtent daugybė nepriklausomų įrodymų leidžia pažvelgti į laikus, kai žmogus dar nebuvo tapęs planetos klimato veiksniu. Ledas, purvas, fosilijos ir uolienos kalba skirtingomis „kalbomis“, tačiau jų signalai, sugretinti vienas su kitu, sudaro stebėtinai nuoseklų Žemės praeities pasakojimą.