4,5 milliárd év éghajlatának a nyomában. Paleoklimatológiai kisokos

“2000 év éghajlata, ahogy azt még soha nem láttad” című cikkünkben röviden szó esett az úgynevezett proxy, vagyis közvetett adatokról, melyek segítségével rekonstruálhatóak a földtörténet éghajlatváltozásai. A közvetlen mérések előtti több milliárd évnyi földtörténet éghajlatával a paleoklimatológia foglalkozik. A proxy adok különböző típusainak megvannak az erősségei és gyengeségei, emiatt a földtörténet éghajlati viszonyainak leírása során minden esetben több független tudományos kutatás eredményei kerülnek felhasználásra például geológia, biológia vagy történelem tudományterületeiről, hogy időben és térben pontos képet kaphassunk a változásokról.

A paleoklimatológiai rekonstrukciók egyik fontos alapja az uniformitarianizmus elve, mely hasonlóságot vél felfedezni korunk természeti jelenségei és a földtörténeti korok folyamatai között. Az elvet a 17. század végén és a 18. század elején fogalmazta meg a skót származású James Hutton és Charles Lyell, akik felismerték, hogy a természetes folyamatok, mint például egy hegylánc épülése vagy az erózió nem valami hirtelen, geológiai időskálán rövid idő alatt bekövetkező “katasztrófaszerű” eseménynek köszönhető, mint azt korábban hitték, hanem földtörténeti léptékben lassan lejátszódó folyamatok eredménye. Az uniformitarianizmus elve alapján ismerte fel Darwin is, hogy az evolúció hegységképződéshez hasonlóan fokozatos, nagyon hosszú folyamat.

A hasonlóság elve feltételezi továbbá, hogy a napjainkban például adott talajtípushoz vagy növényzethez köthető éghajlati viszonyok a múltban is hasonló környezetet eredményeztek, és a múltban hasonló növényzet/talajból is ugyanígy lehet következtetni a múltbeli éghajlatra. A modern biológia és geológia elengedhetetlen a paleoklimatológiai vizsgálatok során, ugyanakkor az említett “katasztrófizmus” elvet is felhasználják a kutatások során mely fontos szerepet játszik Földünk éghajlatának és élővilágának kialakításában.

Ilyen például a dinoszauruszok hirtelen kihalása vagy napjainkban az olyan jelentős hurrikánok hatása, mint a Katrina. A Katrinához hasonló ősi viharok kutatásával foglalkozik például a paleotempestológia tudománya melyek ismerete a légköri áramlásokban történő változásokhoz szükségesek. A határtalanul izgalmas és összetett paleoklimatológiai kutatásoknak a következőkben röviden bemutatott módszerei a bolygó különböző területein, regionálisan vagy féltekére vonatkozóan, a földtörténet eltérő időszakainak kutatására alkalmasak.

A paleoklimatológiai kutatások főbb módszerei

• Jégfuratelemzés: a sarki jégsapkákban és jégtakarókban a régebbi hóhullások felhalmozódásának vizsgálata, melynek során több kilométeres jégfuratok kémiai és fizikai elemzésével több százezer évre visszamenőleg kaphatunk információt a múlt éghajlatáról. A fagyott rétegekben található oxigén 18 és 16-os számú izotópjainak aránya a hőmérsékletet jellemzi. Ezt kiegészíti a jégbe zárt légbuborékokból megismerhető múltbeli légkör összetételének további vizsgálata, mely alapján képet kaphatunk az üvegházhatású gázok, mint például a szén-dioxid vagy a metán koncentrációjáról, így az üvegházhatás múltbeli mértékéről is. A jégfuratokból következtethetünk továbbá a havas napok számára, a légnedvességre, a vulkáni tevékenységre és a szélsebességre. Az eloikus, vagyis szél által felkapott és elhordott por mennyisége például az éghajlati változások egyik fontos indikátora és szemcsemérettől függően hűtő vagy fűtő hatást kifejtve befolyásolja éghajlatunkat.
• Tavi üledékrétegek vizsgálata: a jégfuratokhoz hasonlóan a tavi üledékből vett minták és azok rétegződése (laminák) is beszédes a kutatók számára. Az üledékben elkülöníthetőek például nyári és téli rétegek. Hideg tél esetén befagy a tó vize, majd nyáron a jégre lerakódott anyagok (porszemcsék, pollenek) leülepednek a tó fenekén és kialakul a nyári réteg. Ha a nyári réteg hiányzik, az utalhat például arra, hogy gleccser alatt helyezkedett el a tó egy ideig, így nem tudott kialakulni a rétegződés. Ez a módszer akár 10-20 ezer évre visszamenőleg is adatokat szolgáltathat. A különböző eredetű geológiai rétegek természetesen megfigyelhetőek nemcsak tavak, hanem tengerek, óceánok helyén is. A leghíresebb példa erre talán a Grand Canyon, amit a földtörténet során kiülepedett különböző ásványok tesznek színessé. A felszínformáló folyamatok és az éghajlatváltozás következtében kialakulhatnak például kősó- és gipsz lerakódások is, melyek elzáródott tengerek kiszáradása után maradtak vissza, így meleg, száraz éghajlatra utalnak.

• Gleccserek mozgásának, elhelyezkedésének vizsgálata: a földtörténet során számtalan, ma teljesen jégmentes terület volt jégsapka és gleccserek hazája. A gleccserek lassú útját nyomon követhetjük például a jellegzetes U alakú völgyeket figyelve, melyekből a víz benyomulásakor alakultak ki a fjordok. Ezek eltérnek a folyók V alakú völgyétől. A gleccserek visszahúzódásának a napjainkban zajló globális felmelegedés következményeként most is tanúi lehetünk. A gleccserek mozgása során hurcolt törmelék jellegzetes karcolásokat hagy a kőzeten. A lerakott kavicsos hordalék (moréna) is fontos nyomjelzője a jégkorszak területi kiterjedésének. A más területről jégár által szállított és hátrahagyott, az adott terület jellemzőitől teljesen eltérő összetétellel rendelkező kőzetdarabok, az úgy nevezet ejtett kövek egyik képviselője a “Der Alte Schwede”, az öreg svéd amit Hamburgban fedeztek fel az Elba partján. A kőzetdarabot körülbelül 400 ezer éve szállította a mai Németország területére egy gleccser, ami az ország legöregebb ilyen képződménye.

• Fosszíliák elemzése: az ősi növények és állatok szintén izgalmas nyomjelzői a múlt éghajlati viszonyainak, beleértve a tengerek, óceánok hőmérsékletét is. Példaképp említhetőek a foraminiferák (likacsosházú egysejtű élőlények). A házuk tekeredésének iránya fontos a paleoklimatológiai rekonstrukciók során, ugyanis melegebb víz esetén jobbra tekeredő, hidegebb esetén balra tekeredő házuk alakult ki. A foraminiferák előfordulása olyan gyakori, hogy a légköri szén-dioxid egyik fontos nyelője lehet, ami a maradvány idején jellemző üvegházhatásra utal. Az ősmaradványokból a tengervíz sótartalmára is lehet következtetni, mely utal a légkör energia és vízháztartására is, a vázakban megtalálható kalcium-karbonát arány pedig a vízhőmérséklettel függ össze. Valamint a jégfuratokhoz hasonlóan a fosszíliák vázában az oxigén izotópok aránya a hőmérsékleti viszonyokról is sokat elárul.

• Cseppkövek, barlangok vizsgálata: a barlangok és cseppkövek a múltbeli éghajlat és éghajlatváltozás jellemzőit is hordozzák. A tavi üledékhez hasonlóan éves rétegek (laminák) vizsgálata lehetséges, melyek évszakos váltakozást mutatnak. A karbonátok széntartalmának 13 és 12-es izotóp aránya alapján következtetni lehet a felszínen jellemző talaj biológiai aktivitására és ezáltal az éghajlatra.
• Pollenanalízis: a pollenek, melyek megtalálhatóak a jégfuratokban és az üledékekben, képet adnak a régmúlt idők növényzetéről és ez alapján következtetni lehet az éghajlatra. Kihívás a kutatóknak, hogy megállapítsák, a vizsgált pollenek a mintavétel területéről származnak-e vagy más területről horda őket el a szél. Ennek a kérdésnek a tisztázása fontos, hogy megállapíthassák, milyen dús volt a vegetáció, sőt a porviharokhoz hasonlóan a légköri áramlási viszonyokról is információt hordoz.
• Évgyűrű vizsgálat: a fák évgyűrűinek vizsgálata nemcsak kormeghatározásra használható, hanem a hőmérsékleti és nedvességi viszonyokról is képet kaphatunk több száz, akár ezer éve visszamenőleg. Pihenő és vegetációs évszakok váltakozását figyelhetjük meg az évgyűrűk színe és vastagsága alapján. A pihenő időszakban vékonyabb és sötétebb, a vegetációs évszakban vastagabb és világosabb a gyűrű. A vastag évgyűrű meleg, csapadékos, míg a vékonyabb hűvösebb, szárazabb évekre utal. A fosszíliákhoz hasonlóan a fák esetében is használhatjuk az oxigén 18-as izotópjának arányát mint hőmérsékleti bizonyítékot.
• Korallok vizsgálata: a fák évgyűrűihez hasonlóan a korallok esetében is megfigyelhető egy évszakos váltakozás a kalcium-karbonát vázukban. A váz sűrűsége változik attól függően, hogy hogyan változott a vízhőmérséklet, a fény és a víz tápanyag-összetétele. Az évgyűrűkhöz hasonlóan a korallok kora is meghatározható. Fontos továbbá, hogy tetten érhetőek az olyan, a napjainkban zajló gyors ütemű felmelegedéshez hasonló extrém éghajlati változások, amik ártalmasak a korallokra.
• Erdős területek kiterjedése: paleoklimatológiai adat annak a határvonalnak vagy átmeneti területnek a meghatározása, mely elválasztotta azon területeket, ahol még élhető volt az éghajlat a fák számára, és ahol már nem. Ez a vonal melegebb éghajlat esetén a pólusok felé, illetve magasabb tengerszint feletti magasságokra húzódik. Jégkorszak esetén az ellenkezője jellemző.
• Pocokhőmérséklet: a növényzethez hasonlóan az állatvilág is jó indikátora az éghajlatnak. A barlangok talajrétegeiben megtalálható bagolyeleség maradékok, például rágcsálók fogai alapján következtetni lehet a fajok összetételére és ez alapján a hőmérséklet és csapadékviszonyokra.

Emberi tevékenységhez köthető (antropogén) adatforrások

• Szupermély fúrások: antropogén eredetű proxy adatokat lehet nyerni a szupermély fúrásokból, melyeknek célja többek között ásványlelőhelyek, nyersanyagforrások felfedezése, és persze a puszta emberi kíváncsiság volt. A szupermély fúrások leghíresebb és legmélyebb példája a Kola-félszigeten készült több mint 12 ezer méter mély fúrás, melynek célja nemes egyszerűséggel az volt, hogy a lehető legmélyebbre fúrjanak a Föld mélyébe. A bolygón több ezer mélyfúrás található, melyekből több száz évre visszamenőleg nyerhetünk hőmérsékleti információt.
• Történelmi feljegyzések, műalkotások elemzése, barlangrajzok: a történelmi forrásoknak számtalan formája van. A legrégebbiek közé tartoznak a barlangrajzok, ahol az ősember által ismert növény és állatvilág, és a mindennapi szokásaik elevenedtek meg, beleérve például a jellemző ruházatot, utalva az éghajlati viszonyokra. Gondolhatunk akár a régészeti leletekből kikövetkeztetett ősi életvitellel kapcsolatos bizonyítékokra is, vagy az első földművelő kultúrák szobraira, írásaira. De paleoklimatológiai utalások lehetnek még festményeken, írott szövegekben, az első tudósok, megfigyelők feljegyzéseiben. Fontos források a hajónaplók is, melyek már sok esetben aránylag megbízható és rendszeres méréseket tartalmaztak, vagy akár a mezőgazdasággal foglalkozó írások is. A környezettörténeti források feldolgozásának fontos magyar alakja volt Réthly Antal klimatológus, aki több száz évnyi történeti feljegyzést dolgozott fel munkássága során, hogy a lehető legpontosabb képet kapja hazánk éghajlatáról a 17.-19. századra vonatkozólag.

Ahogy azt már említettünk, nincs egyetlen univerzális módszer a múlt éghajlatának leírására. Egyes minták a hőmérséklet vagy a nedvességviszonyokról adnak információt, más minták a légkör összetételéről. A bemutatott bizonyítékok azonban mit sem érnek, ha nem tudjuk mikor keletkeztek.

A paleoklimatológiában használt kormeghatározási módszerek

 Ahhoz, hogy a különböző eredmények alapján egy összefüggő képet kaphassunk az éghajlatról, az egyik legfontosabb, hogy a földtörténeti eseményeket valamilyen módon időrendbe lehessen helyezni. A fák évgyűrűinek, vagy a korallok vázának vizsgálatát már említettük, de milyen további abszolút és relatív módszerek lehetnek a kormeghatározásra?

• Abszolút kormeghatározás:

Ide tartozik a radiometrikus kormeghatározás. Az egyetlen abszolút kormeghatározási módszer, ami több száz évnél hosszabb időszakra működik. Az alapja a kémiai elemek felezési idejének ismerete. Egy kémiai elemnek különböző változatai, úgynevezett izotópjai vannak, ezek az atommagban található protonok számában megegyeznek, azonban eltér a neutronszámuk. Ezek a neutronszámban eltérő úgynevezett nuklidok radioaktív elemek esetén idővel egy spontán folyamat során másik nukliddá alakulnak át, ez a radioaktív bomlás. Az úgynevezett anyaizotóp egy másik elemmé alakul.

A kormeghatározás során vizsgálják az anya- és leányizotópok arányát a mintában. A felezési idő azt mutatja meg, hogy mennyi ideig tart amig az anyaizotópok fele leányizotóppá alakul. Így a felezési idő ismeretében vizsgálható a minta kora. Ez a módszer a hőmérséklettől, nyomástól és egyéb változóktól függetlenül végbemegy. Igazán régi minták esetén használják például a 14-es számú szénizotópot. A C14 felezési ideje 5730 év, viszont körülbelül 10 feleződés után már annyira kis mennyiségben van jelen, hogy csak az elmúlt 50-60 ezer évre visszamenőleg működik. Egyes izotópok felezési ideje azonban több millió, sőt, esetenként milliárd év, így a földtörténet igen korai pillanataiba is bepillantást engednek nyerni.

• Relatív kormeghatározás:

Ide tartozik a szuperpozíció elve. Bizonyos esetekben nem lehet radiometrikus kormeghatározást végezni. Ekkor egy jóval olcsóbb, de kevésbé precíz módszer lehet a szuperpozíció elvére hagyatkozni, melynek lényege, hogy az idősebb réteg például üledékes kőzetben mélyebben helyezkedik el, mint a fiatalabb. Ez az évgyűrűk vizsgálatához hasonlóan egy relatív kormeghatározási módszer. Fontos megemlíteni, hogy például egy mélyebben elhelyezkedő 1 m-es jégfurat a jég tömörödése következtében hosszabb idősort tartalmaz, mint egy ugyanolyan hosszú felszínhez közelebbi minta.

A tudomány fejlődésével az ismert módszerek és új felfedezések is egyre pontosabb proxy adatokat szolgáltatnak, ezáltal egyre megbízhatóbb képet kapunk az elmúlt néhány milliárd évről. A térben és időben elhelyezett különféle forrásokból származó proxy adatok hasonló változásra engednek következtetni például a hőmérsékletben, akkor válik a paleoklimatológiai esemény elfogadottá a kutatók által.

Írta: Szabó Amanda Imola – Meteorológus-éghajlatkutató, doktorandusz az ELTE TTK Meteorológiai Tanszékén és a Másfél fok egyik állandó szerzője.