2-3 Climatic Rezoluție [305999]

Climatologii folosesc o gamă largă de tehnici pentru a extrage, reconstrui, și interpreta istoria evoluției climei Pământului. O mare parte din acest istoric este înregistrat în patru arhive: sedimente, gheață, corali, și copaci. În acest capitol vom examina mai întâi fiecare dintre aceste arhive climatice majore. Apoi, [anonimizat] a [anonimizat].

Interpretarea datelor climatice este ajutată prin utilizarea unor modele climatice pentru a [anonimizat]. În acest capitol vom descrie modele fizice care simulează circulația atmosferei Pământului și oceanul și apoi vom examina conceptul din spatele modelelor folosite pentru a urmări mișcările de masă ale trasoarelor chimice prin intermediul sistemului climatic.

[anonimizat]. Pentru durata imensă a [anonimizat], gheața, coralii, și copacii sunt principalele arhive climatice.

Deși schimbările climatice relativ recente pot fi studiate într-o [anonimizat] – [anonimizat] a Pământului pentru peste 99% din timpul geologic.

[anonimizat] (granule) și forme chimice (dizolvate). [anonimizat]. [anonimizat], urmat de unul sau mai multe cicluri de eroziune și redepunerea suplimentară. [anonimizat]. Acțiunea permanentă a [anonimizat], scade probabilitatea ca înregistrările sedimentare mai vechi vor fi conservate cu trecerea timpului.

Pentru intervale înainte de ultimii 170 [anonimizat]. [anonimizat] o lungă perioadă de timp în regiunile indicate în Figura 2-1: bazinele continentale care conțin lacuri; [anonimizat]; [anonimizat]-a lungul platourilor continentale (coastele submerse de mică adâncime în lungul continentelor) și pante mai abrupte continentale care coboară adânc în ocean.

Sedimentele sunt arhive climatice utile în măsura în care depunerea lor este continuă. Perturbațiilor majore provin de la acțiunea valurilor care ajunge la câțiva metri sub nivelul mării și de furtuni mari ocazionale care ajung până la zeci de metri adâncime pe verticală sub formă de coloană de apă și să erodeze straturile depuse anterior. [anonimizat].

[anonimizat]himbarea nivelului mării, este un factor major care poate întrerupe depunerea sedimentelor. În timp, marea se mișcă în sus și în jos de-a lungul marginilor continentale pe verticală pe o adâncime de aproximativ 200 de metri. Sedimentele pot fi depuse pe marginile superioare când nivelul mării este mare, dar aceste depozite sunt adesea erodate de valuri și furtuni și transportate la mare adâncime, când nivelul mării ulterior scade.

Toți acești factori determină în cele din urmă tipurile de înregistrări climatice păstrate în arhivele de sedimente (vezi Figura 2-1). Sedimentele depuse pe platourile continentale când nivelul mării este în formă de lentilă înaltă, separată prin suprafețe distincte acolo unde a avut loc eroziune. Depunerea este adesea continuă în aceste secvențe, cu cele mai mari rate în regiunile în care râurile livrează sedimentele. Sedimentele depuse în mările interioare de pe continente în perioadele cand oceanul inundă regiunile joase formează secvențe continue care acoperă suprafețe mari.

Sedimentele depuse în lacurile din bazinele continentale sunt conforme cu cadrul structural al depresiunii din roca de bază. Depunerea tinde să fie mai continuă în zonele mai adânci ale lacurilor. Sedimentele din lac care umplu depresiunile lăsate de topirea ghețarilor sunt arhive deosebit de importante din punct de vedere climatic pentru ultimii 20.000 de ani (Figura 2-2).

Gheața și vântul sunt, de asemenea, agenți puternici de eroziune a sedimentelor și de transportul acestora în unele regiuni. Calotele de gheață care ating dimensiunea maximă și apoi încep să se retragă lasă în urmă creste curbate lungi numite morene. Morenele conțin un amestec de resturi nesortate transportate de gheață, variind de bolovani mari la lut foarte fin. Atunci când o calotă glaciară reavansează peste morenele depuse anterior, erodează resturile anterioare și le încorporează în depozite mai noi. Acest tip de înregistrări dezvăluie un istoric climatic și este ca încercarea de a descifra episoade repetate de scriere, care au fost șterse în mare parte pe o tablă. În schimb, resturile grosiere transportate în ocean și care au căzut prin topirea aisbergurilor în sedimentele subiacente pot supraviețui într-un mediu mai protejat.

Vânturile puternice erodează rocile și formează particule de sedimente fine în regiunile cu climat uscat. Vânturile formează dune de nisip care migrează încet peste zonele de deșert, dar reașezarea continuă a particulelor de nisip complică eforturile de a folosi dunele ca arhive climatice. Vânturile, de asemenea, ridica, particule de dimensiuni mai mici de aluviuni, ridicându-le pe verticală în aer și le transportă departe de sursele lor inițiale. În regiunile în care vânturile sunt slabe, nămolul este depozitat în straturi numite loess. Depozitele de loess sunt excelente arhive climatice pentru ultimii 3 milioane de ani, în special în China (Figura 2-3). Sedimentele fine transportate de pe continente de vânturi și depuse în depozitele sedimentare oceanice sunt de asemenea, indicatori utili ai climei.

Pentru perioada geologică mai mică de 100 de milioane de ani, oamenii de știință climatologi au acces la o arhivă suplimentară a schimbărilor climatice: sedimentele conservate în bazinele oceanice. Sedimentele de adâncime care acoperă ultimele milioane de ani, acoperă aproape două treimi din suprafața Pământului (Figura 2-4a). Sedimente mai vechi și mai adânc îngropate au fost recuperate prin metoda Rezoluției JOIDES, folosind o navă capabilă să foreze și să recupereze secvențele de sedimente groase de câțiva kilometri (Figura 2-4B-D).

Deoarece oceanul adânc este, în general, un loc liniștit, cu depuneri relativ continuă, randamentele înregistrări climatice de o calitate mai mare decât cele mai multe înregistrări din teren, unde apa, gheață și vânt erodeze în mod activ depozite. Unele sedimente marine de adâncime sunt supuse unor perturbații, cum ar fi dezlipirea de pante abrupte, eroziunea fizică și reprelucrare de către curenții de pe fundul mării, și dizolvarea chimică de apă corozivă în bazinele mai profunde. În ciuda acestor probleme, multe bazine oceanice au fost site-uri de depunere a sedimentelor continuă pentru zeci de milioane de ani. Depunerile de sedimente este de obicei mult mai lent în ocean decât pe uscat, dar ratele sunt mai mari în regiunile care primesc afluxuri de sedimente erodat din continente din apropiere, în sedimentele de sub apele de suprafață de producție, precum și în regiunile de mare deasupra apelor de fund corozive în cel mai adânc ocean .

Gheața glaciară la temperaturi foarte reci gasite la latitudini mari si altitudini mari, depunerea anuală de zăpadă se poate aduna secvențe continue de gheață care variază în grosime de ghetari mici, de munte zeci până la sute de metri grosime de la coli mult mai mari de gheață de dimensiuni continent câțiva kilometri gros (Figura 2-5). Arhivele glaciologice contin mai multe tipuri de informații climatice, deși este limitată geografic la puținele regiuni în care există gheață (Figura 2) -6. Gheata recuperat din stratul de gheata din Antarctica datează acum înapoi mai mult de 700.000 de ani, si gheata din Groenlanda datele foaie de gheață înapoi 120.000 de ani. foraj de gheață Viitorul este probabil să se extindă aceste înregistrări, chiar mai mult în timp. În contrast, ghețarii cele mai mici, care există în văi montane (chiar și la tropice) să înregistreze doar ultimii 10.000 de ani sau mai puțin schimbărilor climatice. ratele variază de la DEPUNERE cativa centimetri pe an, în cele mai reci și mai uscate zone de metri pe an, în regiunile mai puțin reci, umede. Alte Arhive climatice în zonele de precipitații suff1cient, a apelor subterane, prin percolare se dizolvă și se redepozitele sol și roca de bază de calcar (calcitul sau CaCO3) în peșteri. Aceste depozite conțin înregistrări ale c1imate peste intervale care pot extinde înapoi câteva sute de mii de ani. Copacii sunt arhive climatice variabile pentru intervalul ultimelor câteva zeci, sute, sau (în cazuri excepționale) mii de ani. Straturile exterioare moi de multe tipuri de arbori sunt depozitate în straturi milimetri gros care se transformă în lemn de esență tare. Aceste straturi anuale sunt cel mai bine dezvoltate în regiunile mijlocul lunii latitudine și de înaltă latitudine că experiența de mari schimbări climatice sezoniere (a se vedea figura 2-6).

În apele limpezi sunlit la latitudini tropicale și subtropicale, corali formează benzi anuale de CaCO3 care dețin mai multe tipuri de informații despre geochimic climatice (a se vedea figura 2-6). coralii individuale pot trăi pentru perioade de timp de ani la zeci sau sute de ani. În ultimii o mie de ani, oamenii au păstrat arhivele istorice ale fenomenelor legate de climă. Exemplele includ timpul de înflorire a cireși în Japonia, succesul sau eșecul recoltele de struguri și cereale în Europa, iar numărul de zile cu gheață extinse mare în regiuni, cum ar fi Islanda și Hudson Bay în Canada. Aceste înregistrări preced (și, în majoritatea cazurilor, supra-tur) înregistrările instrumentale ale ultimelor 100 la 200 de ani. Primele termometre pentru măsurarea climei a apărut în secolul al XVIII-lea, dar ingeniozitatea umană a creat instrumente acum pentru a măsura climatice de la distanță din spațiu (Figura 2-7). 2-2 Dating înregistrări climatice Records climatice in arhivele sedimentar mai vechi sunt datate printr-un proces în două etape. În primul rând, oamenii de știință folosesc tehnica datarii radiometrice pentru a măsura dezintegrarea izotopilor radioactivi în roci. (Izotopi sunt forme de element chimic care au același număr atomic, dar diferă în masă.) Datele sunt obținute pe roci magmatice cristaline dure că, odată ce au fost topite și apoi răcite la so1id formă. În a doua etapă, datele obținute din roci magmatice oferă constrângeri asupra vârstele de roci sedimentare care apar în straturi între roci magmatice și formează principalele arhive ale pământurilor istoriei climatice timpurie.

Datarea radiometrică și radiometrice Corelare datarea se bazează pe descompunerea radioactivă a unui izotop părinte la un izotop fiică. Părintele este un izotop radioactiv instabil al unui element, și descompunerea radioactivă se transformă în izotop stabil al unui alt element (fiica). Această descompunere are loc la o rată cunoscută, constanta degradare, care este o măsură a probabilității unei putrezire părinte-to-fiică pe cantitatea de bază prezentă pe unitatea de timp. Această rată de descompunere în vigoare formează un ceas cu care putem măsura vârstei. Un eveniment de un fel este necesar pentru a începe acest ceas ticăie. Roca eruptivă, care este cel mai frecvent utilizat pentru datarea este bazalt, care se răcește rapid din revărsări de lavă topită. Evenimentul care începe ceasul ticăie este răcirea acestui material, până la punctul în cazul în care nici părintele nici izotopul fiica poate migra în interiorul sau în afara masei topite. În acest moment, roca formează un sistem închis, una în care singurele modificări apărute sunt cauzate de dezintegrarea radioactivă internă.

In cel mai simplu exemplu de un sistem închis, dezintegrarea unui părinte la o fiică produce modificările prezentate în Figura 2-8: părintele dezintegrează departe exponențial, în timp ce fiica arată o creștere exponențială exact opusă (și compensarea) din abundență. Timpul de înjumătățire este o măsură convenabilă a ratei la care are loc acest proces: un timp de înjumătățire este timpul necesar pentru o jumătate părinte prezent la putrezire fiica. Prima jumătate de viață reduce la jumătate mamă abundența sa inițială, cea de a doua se reduce la jumătate din această jumătate (un sfert), și așa mai departe. Observați similitudinea dezintegrarii radioactive la conceptul de timp de răspuns de la capitolul 1.

Deoarece părinții radioactive au o gamă largă de perioade de înjumătățire, fiecare este cel mai util într-o altă parte a istoriei Pământuri (Tabelul 2-1). izotopi radioactivi rămân utili pentru cel puțin cinci sau șase jumătăți de 1ives după ceasul este setat, dar după acest punct prea mic al părintelui poate fi lăsată pentru a permite datarea re1iable. Lunga serie, degradare lenta de uraniu (U) pentru a conduce (Pb) este util pentru roci, care sunt aproape la fel de vechi ca și Pământul în sine. Dezintegrarea de potasiu (K) la argon (Ar) este utilizat pe scară largă pentru intalniri mare parte din istoria Pământuri. Mai mulți factori pot complica datarea radiometrica. Spre deosebire de cazul simplu prezentat în figura 2 -8, abundența inițială a izotopului fiica este rareori zero,: de obicei, o anumită sumă a fost deja prezentă în roca eruptiva când ceasul dezintegrare a fost stabilit. Alte probleme apar atunci când sistemul nu rămâne complet închisă la migrarea părinte sau fiice izotopi. Dacă ambele roci vulcanice și sedimentare sunt prezente într-o anumită regiune, rocile magmatice pot fi folosite pentru a constrânge vârstele secvențelor sediment. Vârsta fiecărui strat de sedimente pot fi obținute din rocile magmatice din apropiere bazat pe care este mai în vârstă sau mai tineri decât celălalt. De exemplu, un strat de rocă eruptivă, care se întinde pe partea de sus a unui strat de sedimente trebuie să s1ight1y momentul subliniat că acestea datează sedimentul a fost depozitat și deci asigură o vârstă minimă pentru acel strat de sedimente. În practică, este rar pentru a găsi destul de eruptivă în oricare locație la data de sedimente în acest fel. În schimb, secvențele de sedimente sunt datate de o datare combinationof și corelarea folosind fosile sau alte caracteristici în sedimentele. Metoda fosilă se bazează pe faptul că o secvență unică și nerepetată organismelor a apărut și au dispărut prin Pământuri întreaga istorie și a lăsat rămășițe fosilizate. Cele fosile cele mai utile sunt cele care sunt cel mai scurt durată, dar punct de vedere geografic cea mai răspândită. În cazul în care scurta existenta acestor specii pot fi datate re1iably în sedimente, în cel puțin câteva zone folosind roci din apropiere magmatice, vârstele care sunt obținute pot fi transferate în sedimente și în alte regiuni care contin aceleasi fosile de scurta durata, dar nu au Datarea radiometrică. Alte caracteristici fizice sau chimice care prezintă modele în mod distinct diferite (cum ar fi straturi de cenușă) pot fi utilizate într-un mod similar.

Radiocarbon în înregistrarea mai tineri geologice, o metodă diferită, datarea radiocarbon, este utilizat pe scară largă pentru sedimente în prezent lac și alte tipuri de arhive purtătoare de carbon. Neutronii care se revarsă în mod constant în atmosfera Pământuri din 14N spațiu convertit (azot gazos) la 14C (un izotop instabil de carbon). Vegetale și animale de viață forme pe Pământ folosesc de carbon din atmosferă pentru a construi ambele cochilii lor tare si tesuturilor moi, si o mica parte din carbon utilizat este 14C radioactiv. Moartea plantei sau animalului obturează de schimb de carbon cu atmosfera și începe ceasul ticăie degradare. 14c părintele dezintegreaza la fiica 14N, un gaz care scapă în atmosferă. Cantitatea de 14C care a fost pierdut când un eșantion este analizat este măsurată prin examinarea unui izotop stabil de carbon (2C), care nu a fost îndepărtată prin dezintegrare radioactivă. Deoarece jumătate din cantitatea inițială de 14C se pierde prin dezintegrare radioactivă la fiecare 5780 de ani, radiocarbon este cel mai util de peste cinci sau șase vieți și jumătate (înapoi acum aproximativ 30.000 de ani), dar, în unele cazuri, poate fi aplicat în ultimii 50.000 de ani sau mai mult (vezi Tabelul 2-1).

O altă tehnică se bazează pe seria de dezintegrare același uraniu (U), utilizate pentru roci magmatice data (vezi Tabelul 2 – 1), dar folosește într-un mod diferit de corali data. corali Ocean încorporează o cantitate mică de 234U și 238U (dar nu 23 ° Th) din apa de mare în cochilia (ea înlocuind calciu). Cand coralii mor, părintele (238U) dezintegrează lent și produce 230th în scheletul de coral. În acest caz, cu toate acestea, produsul fiica (230th) nu este stabil, dar departe cu dezintegrează radioactiv un timp de înjumătățire de 75.000 de ani. Treptat valoarea prezentă a 230th în corali se îndreaptă spre un nivel care să reflecte un echilibru între dezintegrarea lentă a părintelui U și pierderea mai rapidă a fiicei 23 ° Th. Ceasul oferit de raportul Th / U este utilă pentru datarea în ultimele câteva sute de mii de ani. Această tehnică este, de asemenea, utilizat pentru intalniri stalactite si stalagmite depozite în peșteri. Numărarea Straturi anuale Unele arhive climatice conțin straturi anuale care pot fi folosite în prezent arhivele prin simpla numărare înapoi în timp de la an la an, din prezent. Aceste straturi anuale formează din cauza schimbărilor sezoniere în acumularea de materiale distincte. Formele cele mai vizibile ale stratificarea anuale în gheață (ghețarilor de munte și foi de gheata) sunt alternanțe între straturile mai închise care conțin praful suflat de pe regiunile sursă continentale în timpul sezonului uscat, cu vânt și straturi mai ușoare marchează parte a anului, cu puțin sau deloc praf (Figura compușii 2-9A). Aceste cuplete lumina / intuneric formeaza straturi anuale care sunt ușor vizibile în părțile superioare ale gheata, dar sunt întinse treptat și subțiate mai adânc în gheață, în cazul în care acestea nu pot fi ușor identificate. Vârstele acestor părți mai profunde ale gheata sunt de obicei estimate prin metode bazate pe modele de modul în care f1ows de gheață. Sedimentele în unele lacuri contin couplets anuale numite varves (Figura 2) -9B. Aceste straturi sunt deosebit de frecvente în părțile mai profunde ale lacurilor care conțin puțin sau deloc de susținere a vieții de oxigen. Lipsa de oxigen suprima sau elimina organismele care trăiesc în partea de jos, care altfel ar oblitera straturile anuale subțiri prin activitatea lor fizică. couplets Varve rezultă de obicei din alternanțe sezoniere între depunerea de resturi minerale bogate lumină hued și sedimente mai întunecate bogate în materii organice.

În regiunile de variațiile sezoniere marcate de climă, arbori produc straturi anuale numite inele de copac (Figura 2-9C). Aceste inele sunt alternări între straturi groase de tesut 1ighter lemn (celuloză), format prin creșterea rapidă în primăvara și subțire, straturi de culoare închisă care marchează încetarea creșterii în toamna și iarna. Deoarece cei mai mulți arbori individuali 1ive nu mai mult de câteva sute de ani, intervalul de timp pentru care această tehnică datând poate fi utilizată este limitată, dar în unele zone distincte variații de la an la an, în grosime de inel copac poate fi folosit pentru a condimenta înregistrările din mai tineri arbori cu înregistrări de la arbori mai vechi ale căror trunchiuri fosili pot fi găsite în continuare peisajului. In oceanele tropicale, corali înregistrează schimbările sezoniere în textura calcit (CaCO3) încorporate în scheletul lor (Figura 2) -9D. Părțile 1ighter ale benzilor de corali sunt stabilite în timpul verii, în timpul intervale de creștere rapidă, iar straturile mai întunecate sunt stabilite în timpul iernii, atunci când creșterea încetinește. coralii individuale datate în acest fel rareori trăiesc mai mult de câteva zeci de ani sau cel mult câteva sute de ani, dar înregistrările anterioare pot fi sp1iced în cele mai mici (ca cu inele de copac). Corelând Records cu cicluri orbitale Un alt mod de înregistrări climatice în prezent este de a utiliza amprenta caracteristică a variațiilor în Pământuri orbită solară într-un exercițiu de tuning. Modificări în pamanturi orbită în jurul Soarelui modifica cantitatea de radiatii solare primite de sezon și de latitudine. Momentul acestor variații orbitale este cunoscută foarte precis de la calcule astronomice (Partea 111), și procesele fizice care se leagă de aceste schimbări orbitale la răspunsurile climatice pe Pământ au devenit destul de bine înțelese în ultimele decenii. Cele două exemple mai proeminente sunt schimbări în puterea musonii latitudini scăzute și creșterea ciclică și dezintegrarea calotelor mare latitudine. Din cauza acestor relații, oamenii de știință climatice pot data multe dintre răspunsurile climatice prin conectarea acestora pământuri către conducătorul auto extern bine datate, furnizate de variațiile orbitale. Aceasta tehnica ofera oamenilor de stiinta cu datarea absolută a răspunsurilor climatice peste multe milioane pământuri de ani.

Cronometre interne în anumite cazuri, tehnicile de numărare straturilor anuale și de tuning orbitale pot servi unui scop similar cu mult mai mult în timp. Chiar și în absența unor date radiometrice cu vârsta absolută (în ani înainte de prezent), unele arhive climatice conțin cronometre interne cu care oamenii de știință climatice pot măsura timpul scurs (durata în ani). De exemplu, varves anuale depuse în sedimente lac de milioane de ani în urmă supraviețui încă astăzi într-o regiune protejată câteva. Determinarea vârsta reală a acestor secvențe prin numărarea varves înapoi în timp din prezent este imposibilă, deoarece varves au fost revolta depuse în mod continuu până în prezent. Cu toate acestea, varves furnizează un Cronometrul intern cu care să contoriza anul care sa scurs în timpul intervalului când au fost depuse. Aceste informații pot ajuta la interpretări climatice.

2-3 Climatic Rezoluție

Măsura în care detaliile de informații climaterice pot fi rezolvate depinde în principal de interacțiunea dintre doi factori: (1) procesele care perturbă inițial înregistrarea climei în timpul și la scurt timp după depunerea și (2), rata la care înregistrarea este îngropată sub sedimente suplimentare și protejate de perturbări suplimentare. Cele mai multe arhive Arhive sedimente sedimentare utilizate pentru studii climatice formează în medii marine-consum redus de energie neafectate de valurile turbulente și furtuni. Perturbarea primar după particulele sedimentează pe fundul mării este agitare fizică de organisme adânci de locuit (Figura 2-10). Organisme vii pe suprafața sedimentelor se amestecă bine straturile superioare. Un număr mare de animale sma11er se cufunda în sedimente, dar ele fac acest lucru numai rar, și sedimente subterane sunt din ce în ce protejate de cele mai multe tulburări în care acestea sunt îngropate. Eventual sedimentele trec sub regiunea de amestecare activă și să devină parte a înregistrării permanente sedimentară.

Ratele tipice de depunere a sedimentelor de la fel de mult ca de metri pe an, în secvențe marine și de coastă milimetri pe an, în lacuri de milimetri pe o mie de ani în unele sedimente de adâncime. Tarifele pot varia la nivel local în jurul acestor valori medii cu un factor de 10 din cauza unor factori cum ar fi cantitatea de sedimente furnizate la nivel local de râuri sau redistribuite de curenți. Gradul de perturbare de organisme care se mișcă peste și vizuini în suprafața sediment variază, de asemenea, cu mediul. În regiunile de coastă extrem de productive, organisme mari vizuini zeci de centimetri sau chiar metri în jos, în sedimente. Relativ neproductive bazinele oceanice adânci au mai puține și mai mici, organismele care trăiesc în fund, care de obicei vizuini în jos nu mai mult de câțiva centimetri. Cele mai multe lacuri au, de asemenea, mai puține și mai puțin adânci Burrowers. Ca urmare, rezoluția înregistrărilor sedimentare variază în funcție de mediu. Lacurile de obicei au cele mai bune sedimentele de rezoluție și adâncime ocean cele mai sărace, cu toate că depunerea la nivel local rapidă poate îmbunătăți rezoluția în unele zone ale oceanului. După particulele trec prin straturile superioare, nu mai departe de amestecare are loc decât dacă eroziunea reexposes secvența înapoi la interfața sediment-apă. Creșterea presiunii și pierderea apei cauzate de îngropare profundă de sedimente compact, treptat, straturile de sedimente și le transformă în rocă moale, dar nu reduc dramatic rezoluția care le pot oferi.

Straturi de gheață Miezurile anuale de zăpadă sunt vizibile la suprafețele multor ghețarilor de munte și foi de gheață depuse rapid (a se vedea figura compușii 2-9A). Ca zăpada este îngropată și recristalizat încet în gheață, straturile anuale rămân rezolvabile la o adâncime care depinde de grosimea lor inițială, la momentul depunerii. Sub acest nivel, stratificarea este pierdut. În probele prelevate de pe foaia de gheață din Groenlanda, în cazul în care depunerea de zăpadă este rapidă, stratificarea anuală poate rămâne zeci detectabilă de mii de ani în trecut. În foaia de gheață polară care acoperă estul Antarcticii, în cazul în care doar o mică cantitate de zăpadă se acumulează în fiecare an, stratificarea anual nu poate avea loc chiar la suprafața gheții. Inele de copaci și coralii la latitudini medii și mari în cazul în care copacii produc straturi anuale, inele de copac deveni o înregistrare permanentă a schimbărilor climatice anuale cu excepția cazului în care acestea sunt mai târziu deranjat de incendiu sau de plictisitor sporadice de insecte sau de excavare de păsări. În mod similar, benzile de CaCO3 corali formează o înregistrare permanentă a schimbărilor sezoniere anuale climatice. Tipurile de arhive climatice, durata maximă de timp a înregistrărilor pe care le conțin, și cea mai înaltă rezoluție realizabile în fiecare arhivă sunt rezumate în Figura ianuarie doi-1 într-o scară de timp jurnal, care se schimbă de puterile de 10. De asemenea, afișate în partea de sus sunt timpul se intinde acoperit de principalele părți ale acestei cărți.

date climatice

arhive climatica conțin mulți indicatori ai climei rămas singur menționate ca proxy-uri climatice. climatologi folosesc termenul proxy (adică înlocuitor), deoarece procesul de extragere a semnalelor climatice din acești indicatori nu este directă, cum ar fi citirea temperaturii dintr-un termometru. In schimb, oamenii de știință trebuie să stabilească mai întâi mecanismul prin care semnalele climatice sunt înregistrate de indicatorii proxy, în scopul de a descifra schimbările climatice. (Desigur, chiar si un termometru tipic se bazează pe o măsurătoare-proxy înălțimea unei coloane de mercur calibrate pentru a indica temperatură.)

Cele două Procurile climatice care sunt utilizate cel mai frecvent sunt: ​​(1) proxy biotice, care se bazează pe modificări în componența grupurilor de plante și animale, și (2) procurilor geologice-geochimice, care sunt măsurători ale mișcărilor în masă a materialelor prin sistemul climatic , fie ca particule discrete (fizice) sau sub formă de (chemica1) dizolvat.

2-4 Biotic date,

Deoarece nu există nici pe fundul mării mai vechi de 170 de milioane de ani, reconstituiri la scară largă de medii oceanice anterioare nu sunt posibile. Ca urmare, fosilele de pe continente sunt principala proxy climatice pentru intervale de dimensiuni mai mari tectonică. Cele mai multe dintre organismele care au existat vreodată pe Pământ sunt acum dispărut, iar mai mult în timp ne uităm, mai puțin de recunoscut fosilele sunt. Folosind proxy-uri biotice pentru a reconstitui climatul din trecut peste scale de timp mai lungi tectonice necesită adesea o încredere în asemănarea formelor trecute cu omologii lor moderne, fie în aspectul general sau în funcții specifice, care pot fi măsurate. Deoarece resturile fosile de plante tind să fie mai numeroase decât cele ale animalelor în înregistrări geologice de pe continente, vegetația joacă un rol central în reconstrucția climate antice. Adesea, prezența unei forme critice singur sensibile la temperatură este util ca un indicator climatic.

De exemplu, climate mai calde zeci de milioane de ani în urmă, sunt deduse din prezența palmier cum ar fi copaci la latitudini nordice (Imagine 2 – 12). Pentru recordul continental mai tineri, climatologii folosesc mai frecvent abundența relativă a vegetației sensibile la climă indicat prin asamblaje de polen depozitate în sedimente (Imagine 2 – 1 3). granule de polen Minute sunt produse în număr foarte mare de vegetație, distribuite în mare parte de vânt, și depozitate în lacuri, în cazul în care acestea sunt păstrate în apele sărac în oxigen. Polenul poate fi identificată inițial de tip majoră vegetație (copaci, iarbă și arbuști) și apoi subdivizată în continuare (molizi indica zonele cu climă rece, stejarul indica caldura). ramasite mai mari de vegetație, care nu pot fi transportate departe de punctele lor de origine sunt, de asemenea, examinate pentru a se asigura că polenul într-o secvență de lac este reprezentativ al vegetației din apropiere. Aceste macrofossils mari includ conuri, semințe, și frunze. In oceane, patru grupe majore de formatoare coajă animale și planctonul de plante sunt folosite pentru reconstituiri climatice (Figura 2-14). Două grupuri formează cochilii din calcit (CaCO3). animale globulare de dimensiuni nisip numit foraminifera planktic (stânga sus) populează straturile superioare ale oceanului. alge sferice mici, numite Coccolithophoridae secreta plăci mici numite coccoliths (stânga jos) în apele sunlit. Două alte grupuri de planctonului cochilie tare secreta cochilii de opalescent silice (Si02 * H20) și tind să prospere în apele de suprafață productive, bogate în substanțe nutritive. Diatomee (dreapta sus) sunt de dimensiuni nămol planctonul de plante, de obicei, în formă, fie cazemate sau ace. Radiolaria (dreapta jos) sunt animale de dimensiuni nisip cu cochilii ornate de multe ori în formă de căști de protecție militare premoderne.

Sedimentele bogate in fosile CaCO3 apar în apele oceanului deschise la adâncimi mai mari de 3 500-4000 metri (Imagine 2 – 1 5). Sub acest nivel, apele de fund corozive se dizolvă she11s calcit. diatomee-decorticate locuiesc Si02 = delte și alte zone de coastă și se extrage de silice din apă râu care curge de pe teren, dar abundența lor de-a lungul coastelor este mascat de afluxul de noroi erodate de teren. Radiolaria și diatomee sunt abundente în regiunile din Antarctica și ecuatoriale, unde apele extrem de productive upwell de mai jos. Planctonului și polen trăsături pe acțiuni care le fac deosebit de util ca proxy-uri climatice. Ambele sunt distribuite pe scară largă: planctonului trăiesc în toate oceanele și polen sunt produse peste tot pe continente, cu excepția sub foi de gheata. De asemenea, deoarece resturile fosile ale acestor două grupuri sunt atât de abundente în sedimente (de obicei mii într-o probă de dimensiuni lingura), abundențe lor relativă poate fi determinată cu un grad mult mai ridicat de precizie decât acele tipuri de fosile care apar doar sporadic. Populații de plancton și polen în diferite domenii, de asemenea, tind să fie dominate de un număr redus de specii cu preferințe climatice bine definite. Singurele alte organisme cu intervale și abundența comparabile sunt insecte, care rareori lasă rămâne fosili.

Cele mai multe dintre speciile de plancton și a vegetației care trăiesc astăzi au fost prezente pe Pământ pentru sute de mii de milioane de ani. Preferințele climatice ale acestor specii moderne pot fi determinate cu precizie prin compararea distribuțiilor lor actuale pentru măsurători ale climei actuale. Aceste preferințe moderne climatice pot fi apoi folosite pentru a reconstitui climatul din trecut din asamblaje fosili, cu o mare precizie în arhive sedimente vechi de când câteva milioane de ani sau mai mult.

2-5 Geological and Geochemical Data

Mișcări în masă a materialelor prin sistemul climatic sunt legate de procesele de eroziune, de transport, și depunerea, în principal, de apă, dar și de gheață și vânt. Cele mai multe studii climatice ale pieselor mai vechi ale istoriei pamanturi se bazează pe resturile fizice depuse în arhive sedimentare pe continente ca proxy-ul principal pentru deducție climatul din trecut. De exemplu, texturi de sedimente ne poate spune despre eroziunea și depunerea ulterioară a resturilor nesortate de foi de gheata vechi în medii reci, dune de nisip care se deplasează peste deserturi, în condiții extrem de aride, și depunerea de apă în medii umede. Cu toate că aceste tipuri de sedimente sunt utile pentru efectuarea unor deducții generale despre climă, săraci, datând de control și prevalența eroziune studiu detaliat al multor înregistrări mai vechi continentale difcu1t și a1teration depozitelor crește odată cu trecerea timpului. În contrast, sedimentele oceanice din ultimii 170 de milioane de ani oferă depunerea relativ continuă, o mai bună întâlnire, și o acoperire geografică largă. Ca urmare, distribuția tipurilor de sedimente care transporta informații distincte despre c1imate pot fi mapate, și schimbări în modelele lor de depunere pot fi cuantificate ca fluxuri de înmormântare (măsuri ale masei de sedimente depozitate pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp). Sedimente este erodat de teren și depozitate în bazinele oceanice în două forme. Una este resturile erodate și transportate sub formă de particule discrete sau granule, ca urmare a intemperiilor fizice, procesul prin care apa, vântul și gheața detașeze fizic bucati de roca de bază și de a le reduce la fragmente mai mici. Un exemplu este prezentat în Figura 2-16 este resturile grosier rafted gheața (nisip și pietriș) erodate de foi de gheata si livrate de ghetarii care se topesc în apele oceanului. Alte exemple includ sedimente fine (silts și eoliene argile) ridicate de pe continente și suflate în ocean de vânturi și sedimente fluviale transportate într-o gamă largă de dimensiuni de cereale de râuri în ocean.

Tehnici geologice și geochimice poate descoperi sursele originale de sedimente formate de intemperii fizice. numărul microscop boabe de dimensiuni de nisip din sedimente marine se pot distinge surse diferite pe baza unor tipuri de minerale distincte. In ultimii ani, analize geochimice ale elementelor și izotopi distinctive au devenit o metodă suplimentară de urmărire granule minerale înapoi la anumite regiuni sursă de pe continente. A doua cale majoră de eliminare a sedimentelor din teren este prin alterarea chimică și transportul ulterior al ionilor dizolvați (ioni încărcați sau compuși), oceanele în râuri (Figura 2-17). alterarea chimică are loc în principal în două moduri: (1) prin dizolvare, în care rocile carbonatice (cum ar fi calcar, realizate din CaCO3) și roci evaporite (cum ar fi roca de sare, făcută din NaCl) se dizolvă în apă, și (2) de hidroliză, în care se adaugă apă la intemperii minerale derivate din roci continentale realizate din silicati, cum ar fi basa1ts și granitului. Ambele procese depind de faptul că CO2 atmosferic și ploaie (H20), se combină în soluri și crevase de rocă pentru a forma acid carbonic (H2CO3), un acid slab care atacă rocile chimic. După intemperii, râuri răpesc multe materiale dizolvate, inclusiv ioni (Ca2, Mg2, K, SR2, CD2 și C1-) și complecși de ioni (HCO3, CO3-2 și SiO (OH) 2). Unii dintre ionii dizolvați (Si4, CA2 și CO3-2) sunt utilizate de plancton pentru a forma cochilii lor (vezi Figurile 2-14 și 2-17). O fracțiune mică se termină în cochilii de foraminifere bentonice, animale de dimensiuni de nisip care trăiesc pe fundul mării și forma calcit (CaCO3) învelișul ionilor de Ca2 și CO3-2 în apele adânci. Deoarece toate cojile din calcit și opal (Si02 • H20), care sunt conservate în sedimente ocean sunt produsele chimice intemperii pe uscat și de ioni de transport în râuri, acestea sunt utile pentru urmărirea schimbărilor în fluxuri pe scară largă de calciu, siliciu , carbon și oxigen în timp. Pentru că este nevoie de o lungă perioadă de timp în laborator pentru a analiza proprietățile chimice ale probelor individuale prelevate din secvențe sedimentare groase, mai multe studii recente au apelat la tehnici de logare care detectează rapid și înregistrează proprietăți fizice sau chimice cheie ale sedimentelor. miezuri Sediment sunt deplasate printr-o unitate de detectare care foloseste undele sonore sau alte tehnici nedistructiv pentru a sesiza proprietățile de sedimente la un ritm rapid, fără a le deranja.

O gamă largă de date c1imatic importante sunt de asemenea stocate în izotopii elementelor din coji de calcit ale organismelor planktic și foraminifere bentonice. Cazurile care vor fi examinate în detaliu în capitolele ulterioare includ izotopii de oxigen, care înregistrează modificările în volumul global de gheață și la temperaturi de ocean locale (capitolele 6 și 9); și izotopi de carbon, care urme mișcările de material organic printre rezervoare de pe continente, în aer, și în ocean (Capitolul 10). proxy-uri geochimice suplimentare devin treptat disponibile peste partea mai tânără pământurilor lungă istorie climatică. La scale de timp orbitale, miezuri de gheață conțin mostre de aer din atmosfere trecute, inclusiv concentrațiile dioxidului de gaze cu efect de carbon (CO2) și metan (Capitolul 10). Alte proxy-uri importante în nuclee de gheață includ modificări în grosimea zăpezii depuse (raportat la conținutul de temperatură și umiditate a aerului), în cantitate de praf livrat de vânturi din diferite continente; și în izotopi de oxigen și hidrogen, care măsoară temperatura aerului peste stratul de gheata. depozitele Pestera conțin înregistrări ale apelor subterane derivate din precipitații atmosferice. Modificări în compoziția chimică a acestui apă reflectă modificările în sursele originale ale vaporilor de apă, în calea de transport atmosferic la locul de precipitații, cât și în mediul de apă subterană (Capitolul 10). depozite sedimentare în lacurile înregistra nu numai schimbări în polen, dar fluctuațiile de asemenea conduse climaterică în nivelurile lacurilor (capitolele 12 și 1 3) și alte trasori chimice acum în curs de investigare activa. Copacii înregistrează cantitatea de celuloză depozitată în fiecare strat anual (determinată de lățimea și densitatea inelelor) ca un index al schimbărilor în precipitații în timpul sezonului ploios în zonele uscate și schimbările temperaturilor de vară în regiunile reci (Capitolul 16). benzi anuale de corali conțin o gamă largă de informații chimice, inclusiv raporturile de izotopi de oxigen, care înregistrează modificările temperaturii și precipitațiilor (Capitolul 16).

Modele climatice

Oamenii de știință care extrage înregistrări din arhivele climatice poate descoperi pământuri noi tendințe în mod inevitabil, care au fost anterior necunoscute. De obicei, explicațiile propuse pentru tendințele sunt testate cu ajutorul modelelor climatice, deoarece modelele pus numere pe idei. Dar, de asemenea, modele de a simplifica unele aspecte ale realității, iar rezultatele pe care le furnizează trebuie să fie evaluate critic. În această secțiune vom examina două tipuri de modele numerice (de calculator), folosite de oamenii de știință climatice. Modelele climatice fizice accentuează funcționarea fizică a sistemului c1imate, în special circulația atmosferei și ocean, dar, de asemenea, interacțiuni cu vegetație (biologie) și cu urme de gaze atmosferice (chimie). Modelele climatice geochimice urmări mișcarea trasoare chimice distincte prin sistemul climatic.

2-6 Clima Modele fizice

Majoritatea modelelor fizice sunt construite pentru a simula funcționarea sistemului climatic așa cum există astăzi. Sistemul climatic modern este descris pe site-ul de companie de la www.whfreeman.com/ruddiman2e. Simularea climei moderne se numește caz de control. Modelele trebuie să simuleze climat modern, destul de bine pentru a fi de încredere ca un instrument pentru a explora climatul din trecut. Simu1ations de climatul din trecut au loc într-un proces în trei etape (Figura 2 1 8). Primul pas este de a alege experimentul care urmează să fie executați prin specificarea de intrare ale modelului. Unul sau mai multe aspecte ale reprezentării modele ale lumii moderne sunt modificate de la forma lor actuală a ref1ect modificările cunoscute au avut loc în trecut. De exemplu, nivelul de CO2 din atmosfera modelului poate fi mărită sau micșorată, înălțimea munților săi ridicat sau coborât, foi de gheață îndepărtate sau adăugate, sau poziția continentelor mutat. Aceste caracteristici care sunt modificate pentru a testa ipoteze ale schimbărilor climatice sunt numite condițiile limită.

Al doilea pas este exploatarea efectivă a modelului. Legile fizice care conduce fluxul de energie termică prin sistemul climatic pamanturi sunt încorporate în funcționarea internă a modelului. Atunci când un experiment este rulat, aceste legi intră în joc într-o simulare de climat. Al treilea pas este de a analiza datele de ieșire climatice care se desprinde din experiment. Datele de simulare pot fi apoi utilizate pentru a evalua ipotezele testate. De exemplu, are o anumită modificare în condiții limită citate într-o ipoteză (nivelul de CO2 atmosferic, la o altitudine de munte, sau poziția continentală) afectează clima în modul în care ipoteza propusă? Adesea ieșire date climatice pot fi testate pe baza datelor geologice independente, care nu a participat la proiectul experimental (Imagine 2 – 1 8). De exemplu, dacă un model alerga simulează vânturi puternice într-o regiune specifică pentru un anumit interval de timp geologic, oamenii de știință pot proba miezuri de sedimente din acea zonă pentru a verifica dacă este sau nu particulele mai mari de praf windblown au fost depozitate în locurile indicate de simulare. Neconcordanțe între datele geologice și de ieșire de date c1imate de modele de circulație fizice pot implica mai multe probleme posibile: condiții-cheie de frontieră au fost specificate incorect sau au fost omise din experiment; modelul nu simula în mod adecvat o parte a sistemului climatic; sau datele geologice utilizate pentru comparație cu producția modelului au fost interpretate greșit. În ciuda acestui interval de posibile probleme, cauza principală a nepotriviri-model de date este de multe ori destul de evident pentru a conduce la rafinamente utile în condiții limită, în interpretarea datelor sau în construcții model. Știința de a reconstrui climatul din trecut se mișcă mai departe cel mai bine atunci când punctele forte și limitările atât datele și modelele sunt testate în mod constant împotriva celuilalt. Această revizuire începe cu modele de circulatie atmosferica, apoi se uită la modele de ocean, și în cele din urmă pe scurt recenzii, modele fizice care simulează schimbări în gheață și vegetație.

Modele atmosferice Modele de atmosfera pamanturi variază foarte mult în complexitate. Modelele sunt simple mai puțin costisitoare pentru a rula și poate simula evoluția climei pe intervale lungi de timp (mii de ani), dar le lipsește sau peste simplifica părți importante ale sistemului climatic. Modelele complexe încorporează o reprezentare fizică mai completă a sistemului climatic, dar ele fac acest lucru la costul de a fi mai lent, mai scumpe, și capabil de a simula instantanee doar scurte de climat peste câțiva ani. Modelele One-dimensionale coloane sunt cel mai simplu tip de model fizic al atmosferei. Ele simulează o coloană verticală unică de aer care reprezintă structura medie a atmosferei întregii planete. Această coloană de aer este împărțit în straturi care sunt strâns distanțate în apropierea suprafeței Pământuri și sunt mai rari la altitudini mai mari. Fiecare strat conține constituenți climaterică importanți, cum ar fi gazele cu efect de seră și particulele de praf. Suprafața Pământuri este reprezentată de o va1ue medie globală care are proprietăți medii la nivel global ale apei, pământul și gheața. One-dimensional (1-D) modele oferă o modalitate de a obține o înțelegere inițială a efectelor climatice ale modificărilor concentrațiilor de gaze cu efect de seră și de particule din aer numite aerosoli, cum ar fi cenușă vulcanică și praf. Două-dimensional (2-D) modele sunt un pas spre o imagine mai completă a sistemului climatic. Un tip de 2-D model include o atmosferă cu mai multe straturi verticale și o a doua dimensiune, care reprezintă proprietățile fizice mediate de latitudinea pământuri. O a doua dimensiune (chiar și o simplif1ed, medie unul) face posibilă utilizarea acestor modele pentru a simula procese care variază de la pol la ecuator, deoarece zăpadă și gheață apar mai ales la latitudini mai mari. Deoarece modelele 2-D pot simula intervale lungi de timp rapid și cu costuri reduse, acestea sunt folosite pentru a explora interacțiunile pe termen lung între suprafața oceanului, gheața marină, și pe uscat. Ele sunt, de asemenea, utilizate în combinație cu modele de foi de gheață lent în schimbare (Capitolul 9). Modele tridimensionale atmosferice generale de circulație (A-GCM) oferă încă mai complete reprezentări numerice și simulări ale sistemului climatic. Aceste 3 -D modele au capacitatea de a reprezenta mai multe caracteristici cheie: distribuția spațială a terenurilor, apă și gheață; elevația munți și foi de gheață; cantitatea și distribuția pe verticală a gazelor cu efect de seră în atmosferă; și variațiile sezoniere ale radiației solare.

Condițiile la limită pentru A-GCM experimente sunt specif1ed pentru sute de cutii de model de rețea, cum ar fi cele prezentate în Figura 2 – 1 9. Limitele verticale ale cutiilor de grilă sunt stabilite linii a1ong de latitudinea și longitudinea la (și mai sus) Pământuri suprafață , iar dimensiunea caseta se micșorează în apropierea polilor, deoarece liniile de longitudine converg acolo. Granițele orizontale ale cutiilor grilei diviza atmosfera de-a lungul liniilor de altitudine egală deasupra nivelului mării. Modelele au, în general 10 până la 20 straturi verticale care sunt mai strâns distanțate în apropierea Pământuri de suprafață deoarece interacțiunile cu terenuri, apă, și suprafețele de gheață din atmosfera inferioară sunt mai complexe decât debitul mai lin mai mare în atmosferă.

Funcționarea A-GCM încorporează legile fizice și ecuațiile care guvernează circulația atmosferei Pământuri: mișcarea fluidului de aer; conservarea masei, energie și alte proprietăți; și legile gazelor care acoperă dilatarea și contracția aerului. Cutiile individuale de rețea în A-GCM interactioneaza cu vecinii lor imediați. ruleaza model începe cu atmosfera într-o stare de repaus. După încălzire solară face ca aerul să înceapă să se miște, modelul este condus suficient de mult timp pentru atmosfera pentru a ajunge la o stare de echilibru (Figura 2-20). Equilibrium apare atunci când derivei pe termen lung în datele climatice simulat dispare. Oscilațiile care rămân sunt analoage cu schimbări pe termen scurt în vreme peste zile și săptămâni. Rularea experimente climatice pe curent generație A-GCM necesită o simulare de cel puțin 20 de ani de climă. Primii 15 ani de simulare sunt intervalul spin-up, folosit pentru a lasa modelul atinge o stare de eguilibrium. Ultimii 5 ani de simulare a produce datele climatice care formează producția reală a modelului. Pentru controlul caz simularea climei moderne, ieșirea climatice date din GCM sunt comparate cu măsurătorile regionale instrumentale ale temperaturii, precipitații, presiune și vânturi în sistemul c1imate prezent în medie pe ultimele câteva decenii (de exemplu, Figura 2 -2 1). Domenii de dezacord majore între producția modelului și observații instrumentale devin adesea centrul de îmbunătățiri suplimentare ale modelului.

După cum sa menționat mai devreme, experimentele A-GCM pe climatul din trecut necesită oamenii de știință pentru a specifica schimbări majore în condiții de frontieră pe baza probelor geologice din istorie pamanturi. Într-o abordare, numit un test de sensibilitate, doar o condiție limită este modificată în raport cu configurația de astăzi. În cazul în care producția unui astfel de experiment este comparat cu ieșirea de la caz moderne de control, diferențele climatice dintre cele două pârtii izola și dezvăluie impactul unic cauzat de schimbarea în această condiție o limită. În contrast, o reconstrucție c1imate presupune schimbarea tuturor condițiilor de frontieră cunoscute în același timp, pentru a încerca să simu1ate starea de completă a sistemului c1imate la un moment dat în trecut. Această abordare este mai ambițios decât un test de sensibilitate, deoarece toate potențial critic.

După cum sa menționat mai devreme, experimentele A-GCM pe climatul din trecut necesită oamenii de știință pentru a specifica schimbări majore în condiții de frontieră pe baza probelor geologice din istorie pamanturi. Într-o abordare, numit un test de sensibilitate, doar o condiție limită este modificată în raport cu configurația de astăzi. În cazul în care producția unui astfel de experiment este comparat cu ieșirea de la caz moderne de control, diferențele climatice dintre cele două pârtii izola și dezvăluie impactul unic cauzat de schimbarea în această condiție o limită. În contrast, o reconstrucție c1imate presupune schimbarea tuturor condițiilor de frontieră cunoscute în același timp, pentru a încerca să simuleze starea completă a sistemului climatic, la un moment dat în trecut. Această abordare este mai ambițios decât un test de sensibilitate, deoarece toate conditiile potential critice la limită sunt rareori cunoscute suficient de bine pentru a specifica ca intrare pentru simulare. Această metodă este folosită în principal pentru a studia climate deglacial din ultimii 20.000 de ani glaciar maximă și, un interval pentru care numeroase înregistrări datate prin metode există 14C. La fiecare 1 la 2 ani puterea de cele mai bune lumi calculatoare crește cu un factor de 10. În timp, această creștere a puterii de calcul a redus treptat dimensiunea orizontală a cutiilor de rețea utilizate în GCM. cutii grilă tipice au fost o dată 8 latitudine cu 1 0 de longitudine, sau încă 1000 km pe o parte. Mai recent, cutii de rețea GCM au fost reduse la 2 de latitudine cu 3 ° de longitudine, sau nu mai mult de 300 km pe o parte. Rezultatul a fost îmbunătățit rezoluția de contururi de coastă din continente (inclusiv istmuri înguste) și ale mărilor mici, insule mai mari ocean, și lacuri mari. Pentru prima dată, A-GCM poate vedea acum (care este, rezolva) Nou Zea1and! Dimensiunea scădere a dozelor de distribuție a îmbunătățit, de asemenea, modul în elevație este reprezentată în GCM. Deși modelele de rezoluție joasă a capturat forma rotunjită de bază de foi largi ridicate platouri si gheata, au netezit gamele ridicate, dar înguste muntoase ca Anzilor în blobs joasă altitudine. Modelele cu rezolutie mai mare distinge din ce în ce mai înguste aceste caracteristici. Creșterea puterii de calculator a permis, de asemenea, modelatori să includă mai multe aspecte ale sistemului climatic în recenta A-GCM. Caracteristici ale sistemului climatic, cum ar fi nivelurile de umiditate a solului sau a tipurilor de vegetație care au o dată care urmează să fie stabilită la valori moderne și nu au fost lăsate să interacționeze cu atmosfera de modele sunt acum incluse ca componente interactive.

Procesul de modelare nu este un echilibru într-o direcție marș spre succes. încercările inițiale de a include noi componente în modele sunt adesea atât de crud încât să facă rezultate simulări climatice mai realiste decât cele obținute din modele care au avut loc pur și simplu acele componente fixe la valori moderne. Numai cu reprezentări mai rafinate fac componentele nou adăugate efectua într-un mod realist și să facă simulări care rezultă în mod clar superioare versiunilor anterioare. Ocean GCMS Modele de circulație oceanului sunt într-un stadiu ușor mai primitiv de dezvoltare decât GCM atmosferice. Unul dintre motive este faptul că cercetătorii climatice știu mult mai puțin despre circulația modernă a oceanelor, procese deosebit de critice, cum ar fi episoade scurte dar intense de formare de apă adâncă la latitudini mari. Ca urmare, oamenii de știință nu au ca we11 definit un obiectiv modern pentru modelele ocean de a se reproduce. Modele tridimensionale ocean (O-GCM) sunt similare cu A-GCM (Figura 2-22). Limita inferioară este fundul mării, rupt în trepte plane marcare limite între cutii individuale de rețea oceanului. Limita superioară a modelului oceanului este limita de aer de mare. Cutiile de grilă orizontale care subdivid ocean acoperă în mod tipic 3 până la 4 O latitudine și longitudine. Cele zeci sau așa verticale straturi în ocean sunt mai strâns distanțate în apropierea suprafeței mării, unde fluxul este mai rapid și interacțiunile cu atmosfera sunt mai complexe, decât la o adâncime mai mare, în cazul în care f1ow oceanul este mai lent. ieșire c1imate date tipice din experimente O-GCM include temperatură ocean, salinitate și extinderii ghetii. La fel ca modelele atmosferice, cele mai multe GCM ocean sunt limitate de dimensiunea cutiile lor de rețea. Ele nu pot capta forma de deschideri foarte mici, cum ar fi gura modernă a Mării Mediterane, la strâmtoarea Gibraltar. Aceste deschideri înguste sunt importante în circulație pe scară largă a oceanului și critice pentru succesul simulări ocean de model. Cele mai multe modele de ocean, de asemenea, nu se poate rezolva încă detalii ale f1ow în curenți înguste, rapide, cum ar fi Gulf Stream. Modelele care includ structura completă a oceanului nu sunt cuplate direct la modelele atmosferice. Problema cu acest lucru este faptul că aerul și apa răspunde la schimbările climatice la rate diferite și, astfel, pune cereri de calcul diferite pe fiecare tip de model. Modelele Ocean poate ignora interacțiunile care au loc pe un ciclu de zi cu zi, deoarece aceste schimbări pe termen scurt au efecte neglijabile asupra circulației mai oceanului. Ca rezultat, O-GCM nevoie pentru a calcula modificări on1y în timp etape separate de o lună sau mai mult. În schimb, modificările de zi cu zi sunt critice pentru modele ale atmosferei rapid răspuns. Prin urmare, A-GCM trebuie să se calculeze modificările în etape de timp separate de doar câteva ore, iar costul simulând aceeași cantitate de timp «modelul este mai scump.

Această incompatibilitate fundamentală între cele două tipuri de modele pot fi depășite printr-o abordare cunoscută sub numele de cuplare asincron. Această procedură implică o serie în curs de desfășurare se execută, în primul rând folosind atmosfera de a conduce ocean, apoi oceanul de a conduce atmosfera, și așa mai departe. Ocean și atmosferă de schimb de căldură, apă și vaporii de apă, și impulsul acționat de vânt. Mergând înainte și înapoi între modelele de ocean și atmosferă păstrează cele două sisteme de la prea departe de legătură unul cu celălalt. Cu modelul atmosferic rula numai la intervale de timp selectate, computerul nu trebuie să facă calcule pe termen scurt ale circulației atmosferice prin întreaga simulare, iar simularea generală poate progresa mult mai repede. In ultimii ani, modele au fost dezvoltate ca cuplu oceanul mai direct la o versiune simplificată a circulației atmosferei. Modele de gheață foaie de gheață foi de dimensiuni Continent cresc încet și micșora peste mii la zeci de mii de ani (a se vedea tabelul 1-1). A-GCM poate simula efectele instantanee pe care aceste mase largi, înalte, reflectorizante de gheață au pe restul sistemului climatic, inclusiv circulația atmosferei și oceanul din apropiere. Ieșirea dintr-o centrare GCM se întinde câțiva ani de timp simulat poate fi, de asemenea, examinate pentru a vedea dacă o foaie de gheață acumulată sau pierdute în masă în timpul scurtei simulare. Răspunsul spune modelatori dacă gheața s-ar fi topit sau crescut lent, sau a rămas la dimensiunea constantă în condițiile climatice simulate.

A-GCM poate reproduce doar instantanee de scurtă durată ale circulației atmosferei, și ca urmare, acestea nu pot simula evoluția lentă a foi de gheata pe intervale lungi de timp. Pentru a afla mai multe despre acest răspuns pe termen lung, oamenii de stiinta climatice crea modele fizice ale foilor de gheață. Un tip simplificat de model de gheață coli are două dimensiuni, una verticală și alta care prezintă variații medii cu latitudinea dar omitand orice reprezentare de longitudine. Aceste 2-D modele de gheață foaie au fost folosite pentru a simula creșterea și decăderea de foi de gheață în emisfera nordică peste zeci de mii de ani, ca răspuns la schimbările în radiații solare cauzate de schimbari in pamanturi orbita. Modelele simulează caracteristici, cum ar fi modificări ale acumulării de gheață și topirea cu elevație gheață, flux în gheață, și depresia rocii subiacente prin greutatea gheții. Modelele foaie gheata 2-D pot fi de asemenea legate de modelele 2-D circulație atmosferică pentru a simula interacțiunile dintre foile de gheață, atmosfera și suprafața totală. Unele modele de foi de gheata sunt tridimensionale, cu gheata de acumulare pe o suprafață de teren specificată (cum ar fi Antarctica) împărțit în cutii de rețea 50 la 100 de kilometri pe o parte. Vegetație Modele Vegetația este o componentă activă în sistemul climatic, precum și reprezentarea vegetației în modelele climatice a progresat prin mai multe etape. Timpurie A-GCM fie ignorate în totalitate de vegetație sau specificată o reprezentare a vegetației moderne, care nu interacționează cu schimbările climatice simulate de model. Mai multe modele recente încorporează vegetație într-un mod interactiv. O astfel de abordare de modelare funcționează în două etape. În primul rând, datele climatice derivate ca ieșire dintr-un experiment GCM (modificarea temperaturii și precipitațiilor) sunt utilizate ca intrare pentru un model de vegetație care simulează schimbările care rezultă în vegetație. Apoi schimbările simulate în vegetație sunt utilizate ca intrare pentru un alt experiment GCM care simulează efectele suplimentare de feedback climatice cauzate de schimbările în vegetație (crește în primul rând sau scăderile în reciclarea vaporilor de apă și în ref1ectivity suprafeței Pământuri). O altă abordare încorporări o Submodel vegetație mai direct în modelul principal.

2-7 Geochemical Models

Modelele geochimice sunt folosite pentru a urmări mișcările de materiale (numite trasoare pământuri geochimici) prin sistemul climatic. Spre deosebire de modelele de circulație fizice, cele mai multe modele geochimice nu reproduc procesele fizice care guvernează fluxul de aer și apă. In schimb, modelele trace sursele, ratele de transfer, și final soarta depozițional a două componente majore: particulele de sedimente care rezultă din alterarea fizică (vânt, apă și gheață) și ioni dizolvați produși de alterare chimică (dizolvare sau hidroliză). Mișcările de trasoare pot fi evaluate în cazul în care acestea nu sunt create sau distruse de dezintegrare radioactivă de-a lungul drum. Modelele geochimice pot urmări, de asemenea, schimburi de materiale, cum ar fi biogeochimice izotopi de carbon sau oxigen, care ciclu înainte și înapoi între atmosferă, ocean, gheața și vegetația. One-Way Transfer Modele tipul cel mai de bază a modelului piese transferurile de materiale de la sursă sau surse de la site-urile finale ale depunerilor, cum ar fi resturile erodate de teren și depozitate în sedimente ocean său. Dacă materialul depus are caracteristici geochimice distincte, pot fi analizate și abundența sa cuantificată în termenii unei rate-sale rata de flux de îngropare în acea arhivă sedimentar (Figura devine 2-2 3). De exemplu, oamenii de știință pot cuantifica rata de aflux de gheață rafted moloz la mare latitudine oceane polare prin extragerea tuturor sedimentelor, care este mai mare sau de dimensiuni nisip și separarea boabelor minerale din cochilii de planctonului fosil. Această analiză cuantifică un proces de schimbări în producția și fluxul de aisberguri, care este direct legate de climă. Analiza poate fi realizată cu un pas mai departe prin numărarea resturile rafted gheața sub un microscop pentru a se separa in diferite tipuri de cereale (cum ar fi resturi vulcanice, cuart, calcar). Compoziția acestor boabe poate oferi o idee generală a regiunilor sursă (de exemplu, în Atlanticul de Nord, resturile vulcanice, care a venit din Islanda, și cuarț, calcar, care au venit din Europa sau America de Nord). Alte subdiviziuni se pot face prin analiza boabelor de compoziția lor izotopică sau alte caracteristici chimice distincte. Acest nivel de analiză s-ar putea spune oamenilor de știință climatice, care regiune dintr-un anumit continent a fost sursa unora dintre boabe. O situație mai complicată apare în cazul în care materialul examinat este fin granulat și a fost derivat din mai multe surse. De exemplu, nămol fin și argilă depozitată în Oceanul Atlantic de Nord ar fi fost din America de Nord sau Europa rafted-gheață, suflate de Africa de Nord de furtuni de praf, sau transportate în curenți de adâncime din alte surse. Deși este ușor de a măsura rata totală de acumulare de sedimente fine pe unitatea de timp, nu este practic pentru a încerca să se separe particulele mici individuale.

Atunci când subdiviziune a materialului fin este imposibil fizic, analiza chimică oferă o alternativă, în cazul în care fiecare sursă de sedimente fin este marcat cu o valoare chimică distinctă. Un marker de chimic tipic este raportul dintre izotopi ai unui singur element. Aceste intrări diferite se combină pentru a determina valoarea medie a sedimentului cu granulație fină (vezi figura 2-23). Scopul acestui tip de analiză este de a înțelege modul în care fluxurile individuale se combină pentru a crea această valoare medie. Rezervoare chimice O abordare diferită de modelare este utilizat pentru trasori geochimice care sunt transportate în formă dizolvată. Modelele de echilibru de masă împart sistemele în rezervoare, sau pământuri inclusiv atmosfera, ocean, gheață, vegetație și sedimente. Oceanul este cel mai important rezervor: primește aproape toate produsele erosiona1 de pe continente, interacționează cu toate celelalte rezervoare, și-l depozite trasoare în arhive sedimentare bine conservate. Rezervorul ocean este oarecum analog cu o cadă de baie (Figura 2-24). Acesta primește gradual intrările trasoare geochimice, în același mod în care apa se scurge încet de la un robinet într-o cadă mare, și pierde ieșirile geochimic-trasoare Ca se scurge încet, printr-un canal de scurgere a apei. Trasorul rămâne, de asemenea, în ocean pentru o anumită sumă de timp, modul în care apa nu intr-o cada drippy, neetanșe.

În cazul în care ratele de flux ale unui trasor în și dintr-un anumit rezervor (ocean) sunt egale, sistemul este declarat a fi la starea de echilibru: nici un câștig net sau pierderea trasorului are loc în rezervor. Prin analogie, în cazul în care picura din robinet și scurgerea în jos de scurgere sunt perfect echilibrate, nivelul apei în cada va rămâne aceeași, chiar dacă noua apa intră în mod continuu și iese din cada. Timpul de staționare este timpul necesar pentru un trasor geochimică să treacă printr-un rezervor. În analogie cada, timpul de staționare este momentul în care molecula medie a apei ia pentru a trece de la robinet la scurgere. Pentru un rezervor la starea de echilibru (o cadă cu un nivel de apă neschimbat), timpul de rezidență este

Timp de staționare = mărimea rezervorului Rata / FIux în (sau out)

Rezervor-Exchange Modele Metodele discutate la acest punct au fost bazate pe transferuri mass-un mod în care marcatorii geochimici părăsesc sistemul climatic interactiv fiind îngropat în sedimente pe fundul mării și izolate din contactul cu alte rezervoare de milioane de ani. Un alt important schimb este mișcarea unui trasor geochimice înainte și înapoi între două (sau mai multe) rezervoare (Figura 5) devine 2-2. În acest caz, trasorul nu vine niciodată în permanență să se odihnească în oricare rezervor. In schimb, aceasta este mișcarea între rezervoare, care este de interes pentru oamenii de știință climatice. Ca și înainte, trasorul este în mod natural etichetat cu o valoare distinctivă, dar în acest caz se mișcă înainte și înapoi între un rezervor mai mare (de obicei, ocean) și una mai mică (de multe ori foi de gheață sau vegetație). Istoria schimburilor este de obicei detectată în înregistrarea de sedimente din rezervor mai mare (ocean), dar scopul este de a monitoriza schimbările în dimensiunea rezervoarelor mici (volumul de gheață sau cantitatea de vegetație). Un exemplu este transferul de apă între foi ocean și gheață pe scara de timp orbitale (discutate în capitolele 9 și 12).

In schimb, aceasta este mișcarea între rezervoare, care este de interes pentru oamenii de știință climatice. Ca și înainte, trasorul este în mod natural etichetat cu o valoare distinctivă, dar în acest caz se mișcă înainte și înapoi între un rezervor mai mare (de obicei, ocean) și una mai mică (de multe ori foi de gheață sau vegetație). Istoria schimburilor este de obicei detectată în înregistrarea de sedimente din rezervor mai mare (ocean), dar scopul este de a monitoriza schimbările în dimensiunea rezervoarelor mici (volumul de gheață sau cantitatea de vegetație). Un exemplu este transferul de apă între foi ocean și gheață pe scara de timp orbitale (discutate în capitolele 9 și 12). Schimburile de apă între rezervor relativ mic stocate în foi de gheață de pe uscat și din rezervor mult mai mare lăsat în urmă în ocean pot fi urmărite folosind faptul că compoziția izotopică a oxigenului in moleculele H20 in foi de gheata este diferită de compoziția medie din ocean. Măsurători ale compoziției izotopului de oxigen din ocean, în cochilii de planctonul oferă o modalitate de a estima schimbările anterioare ale volumului de gheață stocate pe uscat. O altă aplicație utilă de analiză de schimb rezervor examineaza fluxuri de carbon, printre multe rezervoare sale. Fondanți de carbon între rezervor relativ mic de carbon stocat în vegetație a terenurilor și rezervorul de carbon mult mai mare în ocean pot fi urmărite prin utilizarea faptului că carbonul terestru are un raport izotopic de carbon în mod distinct diferit de cel al carbonului marin (Capitolul 11). Transferurile nete de carbon terestru de pe uscat pe mare poate fi detectată prin examinarea compoziției medie a izotopilor de carbon din ocean înregistrate în cochilii de calcit (CaCO3) organisme îngropate în sedimente ocean.