Et nyt termometer til at studere vores tidligere klima

Studiet af tidligere klimaer - palæoklimatologi - involverer afhøring af fysiske, kemiske og biologiske oplysninger lagret i naturlige arkiver, såsom iskerner og havsedimenter.

For eksempel, målinger på Antarktis iskerner bruges til at rekonstruere tidligere ændringer i temperatur over indlandsisen og globale koncentrationer af atmosfæriske drivhusgasser.

At estimere tidligere temperaturer er en grundlæggende brik i palæoklimapuslespillet. Det hjælper os med at forstå, hvordan hver region reagerer på store episoder af globale klimaændringer.

Indtil nu, de fleste af de oplysninger, vi har om tidligere temperaturer, er kommet fra havsedimenter og iskerner. Disse indeholder kemiske egenskaber, der i høj grad ændres som reaktion på temperaturen.

Men disse fortæller os kun om temperaturen i havbassinerne og polarområderne.

Hvad med de landmasser, der optager resten af ​​Jordens overflade - som vi lever på?

Det viser sig, at mulighederne i terrestriske miljøer er begrænsede:de naturlige arkiver, vi studerer, har en tendens til at mangle de egenskaber, der er direkte proxyer for temperatur.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , vi viste, at magnesium (Mg) variationer i et sjældent undersøgt arkiv - nedsænkede speleothems - efterligner havtemperaturændringer over hundredtusinder af år.

Speleothems er calciumcarbonatmineralaflejringer, der dannes i huler.

Stalagmitter er de bedst kendte eksempler og er meget brugt i undersøgelser af tidligere klima- og miljøændringer. Nedsænkede speleothems er forskellige. De vokser i hulebassiner og søer, og nogle gange under grundvandsspejlet.

I vores undersøgelse, vi borede en kerneprøve fra en neddykket speleothem i Laghetto Basso, en pool beliggende inde i det massive Antro del Corchia grottesystem i Toscana, Italien.

Først, vi tog en række prøver fordelt med en millimeters mellemrum langs kernens vækstprofil.

Mg-indholdet i disse prøver blev analyseret af kolleger ved Australian Nuclear Science and Technology Organisation.

Resultaterne, som dækker de sidste fire istidscyklusser (ca. de sidste 350, 000 år), viser en bemærkelsesværdig sammenhæng med havoverfladetemperaturmønstre registreret i havsedimentkerner fra Nordatlanten.

Det var spændende, men uventet, opdagelse for vores team, da det antydede, at vi havde fundet en kemisk egenskab, der reagerer på temperaturændringer.

For at bekræfte denne lighed, vi fokuserede vores opmærksomhed på et tidsudsnit inden for dette interval kaldet Termination II – dette var en periode, hvor den næstsidste istid sluttede, dateret mellem 136, 000 og 128, 000 år siden.

I denne periode med opvarmning, nærliggende havtemperaturer steg med 8℃ i løbet af et par tusinde år, så vi forventede en stor stigning i Mg-koncentrationer i det undervandige speleothem.

Denne gang, vi prøvede speleothem ved hjælp af en laserstråle tre hundrededele af en millimeter i diameter, og målte mængden af ​​forskellige grundstoffer på et massespektrometer ved University of Melbourne's School of Earth Sciences.

Vi fandt ud af, at resultaterne var nøjagtigt, som vi forventede, men endnu mere overbevisende:en kraftig stigning i Mg indtraf på nøjagtig samme tidspunkt som den kraftige stigning i havtemperaturerne, der er rapporteret i andre undersøgelser.

Så, hvordan fungerer Mg som temperatursensor?

Mg har en stærk affinitet til calciumcarbonatmineraler, især calcit. Det kan indtage positionen af ​​calcium (Ca) ioner i calcitkrystalstrukturen. Vigtigt, når opløsningens temperatur stiger, mængden af ​​Mg, der ender i calcitet, stiger også.

Hvis Mg-koncentrationen i opløsningen forbliver konstant, men vandtemperaturen stiger, Mg-koncentrationen i calciten vil stige.

Men der er et problem.

I hulevand, Mg til Ca-forholdet er sjældent konstant gennem tiden – det ændrer sig alt efter, hvor meget vand der passerer gennem akviferklippen på vej til, hvor speleothem vokser.

Denne 'hydrologiske effekt' opvejer normalt langt temperaturafhængigheden af ​​Mg.

Men undervandige speleothems, som den vi studerede, er forskellige.

De vokser omkring 10 gange langsommere end stalagmitter dannet af det samme hulevand. Dette skyldes, at reaktionerne, der overfører ionerne opløst i poolvandet til fast calcitkrystal, er ekstremt langsomme.

Det ser ud til, at temperaturafhængigheden af ​​Mg-fordeling fra bassinvandet til calcit er betydeligt højere i poolens langsommereaktionsmiljø, i en sådan grad, at det modvirker enhver hydrologisk effekt.

I årtier, oceanografer har målt Mg-koncentrationer i marine mikrofossiler og koraller for at estimere tidligere havtemperaturer. Det fungerer godt i dette tilfælde, fordi hav-vand Mg variationer over de sidste par millioner år er relativt små.

Men vores undersøgelse er den første, der viser, at Mg i et speleothem kan fungere som en temperaturproxy. Dette skyldes, at videnskabsmænd ikke har overvejet undervandige speleothems før.

Vores næste trin er at konvertere de relative ændringer i Mg-indholdet til absolutte temperaturværdier for at producere en tidsserie af temperaturændringer på grottestedet.

Resultaterne fra vores undersøgelse åbner op for spændende nye muligheder i søgningen efter terrestriske registreringer af tidligere temperaturer.