Klimaforskning er et stort fagfelt, og det er mange ulike metoder som brukes for å forstå hvordan klimaet har vært tidligere, hvordan det er nå, og hvordan det kan bli i fremtiden. I dette kapitlet skal vi se på noen av de viktigste metodene som brukes i klimaforskning.
25.1 Observasjoner - målinger av dagens klima
Direkte observasjoner gir oss nøyaktige data om klimaet slik det er her og nå. Moderne instrumenter har gjort det mulig å overvåke klimasystemet med stadig økende presisjon og dekning.
Målestasjoner: Verden over finnes et nettverk av tusenvis av bakkebaserte værstasjoner (som vi jobbet med i kapittel 14.1.1). Disse måler kontinuerlig sentrale klimavariabler som temperatur, lufttrykk, nedbør, vindstyrke og luftfuktighet. I havet brukes bøyer, skip og faste installasjoner til å måle blant annet havtemperatur, saltholdighet og havnivå. Disse langvarige måleseriene, noen over 150 år gamle, er fundamentale for å kunne identifisere klimaendringer.
Satellitter: Siden 1970-tallet har satellitter revolusjonert klimaforskningen ved å gi oss et globalt overblikk over klimasystemet. Satellitter måler et bredt spekter av variabler, som overflatetemperatur på land og i hav, utbredelsen av snø og is, endringer i havnivå, konsentrasjonen av drivhusgasser i atmosfæren og endringer i vegetasjon. De gir oss et sammenhengende bilde av hele jorden og er spesielt verdifulle for å overvåke fjerntliggende områder som polområdene og de store verdenshavene.
Droner og autonome farkoster: I de senere årene har droner og autonome undervannsfarkoster blitt viktige verktøy. De kan samle inn data med svært høy oppløsning i områder som er farlige eller vanskelig tilgjengelige for mennesker. Droner kan for eksempel brukes til å kartlegge smeltingen av en isbrekant i detalj, mens havglidere kan samle inn data fra ulike havdyp over lange perioder.
Disse direkte observasjonene er avgjørende for å forstå de fysiske prosessene i klimasystemet, som beskrevet i kapitlene om atmosfæren og havet. De er også kritiske for å overvåke konsekvensene av klimaendringer, som tining av permafrost og endringer i økosystemer.
25.2 Proxydata - arkivene fra fortidens klima
For å forstå klimaet før instrumentelle målinger begynte, må forskerne ty til indirekte kilder, kjent som proxydata. Dette er naturlige arkiver som har lagret informasjon om fortidens klima. Ved å analysere disse kan vi rekonstruere klimaet tusenvis, og til og med millioner, av år tilbake i tid.
Isborekjerner: Snø som faller i polområdene, som på Grønland og i Antarktis, blir over tid presset sammen til is. I denne isen fanges små luftbobler som inneholder prøver av den gamle atmosfæren. Ved å bore dype kjerner i isen kan forskere analysere disse luftboblene og måle tidligere konsentrasjoner av drivhusgasser som CO₂ og metan. Forholdet mellom ulike oksygenisotoper i selve isen kan også brukes til å beregne temperaturen da snøen falt.
Bilde: “A scientist is examining an ice core recovered from 2 km deep in Antarctica which contains a record of how and why the climate changed in the past.” Kendrick15435, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons Dryppsteiner: I mange grotter vokser stalagmitter og stalaktitter (dryppsteiner) sakte over tusenvis av år. De bygges opp lag for lag av mineraler fra vann som drypper ned. Disse lagene fungerer som årringer, og kjemiske analyser av dem, spesielt av oksygenisotoper, kan gi informasjon om nedbørsmengder og temperatur i regionen.
En forsker som jobber i en grotte. Kilde: Bcerrato1 på Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0 Havbunns- og innsjøsedimentkjerner: På bunnen av hav og innsjøer avsettes det kontinuerlig partikler som synker ned, lag på lag. Disse sedimentene inneholder rester av pollen, plankton og andre organismer. Ved å bore ut kjerner av disse sedimentene kan forskere analysere innholdet. For eksempel kan typen pollen fortelle hvilke planter som vokste i området, noe som indikerer klimaet på land. Skall fra små marine organismer (foraminiferer) i havbunnssedimenter kan analyseres for å avdekke fortidens havtemperatur.
“Marine sediment core recovered off southeast Alaska reveals fine-scale greenish layering, a response to climate change, and gray layers of volcanic ash, August 2004”. Bergarter: Geologiske formasjoner og bergarter gir oss ledetråder om klimaet over svært lange tidsperioder (millioner av år). For eksempel vitner kullavsetninger om et varmt og fuktig klima med frodig plantevekst, mens skuringsstriper i fjellet og moreneavsetninger er klare tegn på tidligere istider.
Dendrokronologi (trærnes årringer): Trær danner en ny vekstring hvert år. Bredden på disse ringene påvirkes av klimatiske forhold som temperatur og nedbør. I gode vekstår blir ringene brede, mens de i kalde eller tørre år blir smale. Ved å analysere årringene fra gamle trær, både levende og døde, kan forskere rekonstruere klimaet med årlig oppløsning flere hundre til tusen år tilbake i tid.
Koraller og skjell: I likhet med trær har koraller og skjell årlige vekstringer. Den kjemiske sammensetningen av korallskjelettet varierer med havtemperaturen og vannkvaliteten der de vokser. Forskere kan bore ut kjerner fra store korallkolonier for å få detaljert informasjon om klimaforholdene i tropiske hav.
Isbreavsetninger: Morener er rygger av stein og løsmasser som isbreer har skjøvet foran seg og lagt igjen. Ved å kartlegge og datere disse moreneryggene kan forskere bestemme den tidligere utbredelsen av isbreer og dermed identifisere kaldere perioder i fortiden.
Kunst og kultur: Historiske dokumenter, malerier, sagaer og skipslogger kan også fungere som en form for proxydata. De gir kvalitative beskrivelser av uvanlige værhendelser, gode og dårlige avlinger, og tidspunkt for når innsjøer og elver frøs til. Selv om de ikke er presise vitenskapelige målinger, kan de gi verdifull supplerende informasjon om klimaet de siste århundrene.
Ved å kombinere data fra alle disse ulike kildene, kan forskere sette sammen et detaljert bilde av hvordan og hvorfor klimaet har variert tidligere. Denne kunnskapen er avgjørende for å teste og forbedre klimamodellene som brukes til å forutsi fremtidens klima.
25.3 Metoder for å tolke proxydata
For å hente ut klimainformasjon fra proxyarkivene, bruker forskere en rekke avanserte analysemetoder. Her ser vi på noen av de mest sentrale.
δ¹⁸O-metoden – et termometer for fortiden
En av de viktigste metodene for å rekonstruere fortidens temperaturer er å analysere forholdet mellom to ulike oksygenisotoper: den lette ¹⁶O og den tyngre ¹⁸O. Nesten alt oksygen er ¹⁶O, men en liten andel er ¹⁸O. Forholdet mellom disse, kjent som δ¹⁸O (delta-O-atten), er svært temperaturavhengig og fungerer som et geokjemisk termometer.
\[ \delta^{18}\text{O} = \left( \frac{(^{18}\text{O}/^{16}\text{O})_{\text{prøve}}}{(^{18}\text{O}/^{16}\text{O})_{\text{standard}}} - 1 \right) \times 1000 \text{‰} \tag{25.1}\]
Prosessen er basert på at vannmolekyler med den lette ¹⁶O-isotopen fordamper lettere fra havet enn de tyngre vannmolekylene med ¹⁸O. Når klimaet er kaldt, skjer følgende:
Mer vann med ¹⁶O fordamper fra havet og transporteres mot polene.
Dette vannet faller som snø og blir bundet i de store isdekkene.
Resultatet er at isen på polene blir relativt rik på ¹⁶O (får en lav δ¹⁸O-verdi), mens havet som blir igjen blir relativt rikt på ¹⁸O (får en høy δ¹⁸O-verdi).
Ved å analysere δ¹⁸O-verdiene i isborekjerner, kan forskere derfor si noe om temperaturen da snøen falt. En lavere δ¹⁸O-verdi i isen indikerer en kaldere periode.
Tilsvarende kan man analysere skallene til små marine organismer (foraminiferer) fra havbunnssedimentkjerner. Disse organismene bygger skallene sine av kalsiumkarbonat (CaCO₃) fra vannet de lever i. Skallene vil derfor reflektere δ¹⁸O-verdien i havet på den tiden. En høyere δ¹⁸O-verdi i disse skallene indikerer et kaldere globalt klima med store isdekker.
Sjøisindikatorer i havbunnssedimenter
Utbredelsen av sjøis er en svært viktig klimaindikator, spesielt i polarområdene. Havbunnssedimenter inneholder flere spor som kan brukes til å rekonstruere tidligere sjøisdekke. Forskere ser på en blanding av mikrofossiler og kjemiske biomarkører:
Mikrofossiler: Visse arter av kiselalger (diatomeer) er tilpasset et liv i eller ved kanten av sjøisen. Funn av fossiler fra disse artene i et sedimentlag er et sterkt tegn på at det var sjøis i området. Motsatt vil en høy konsentrasjon av fossiler fra plankton som lever i åpent hav, tyde på isfrie forhold.
Biomarkører: En enda mer presis metode er å se etter spesifikke kjemiske forbindelser som kun produseres av organismer knyttet til is. Et eksempel er biomarkøren IP₂₅ (Ice Proxy with 25 carbons), et molekyl som utelukkende lages av kiselalger som lever i arktisk sjøis. Tilstedeværelsen av IP₂₅ i et sedimentlag er derfor et direkte bevis på sesongbasert sjøis. Ved å analysere blandingen av disse indikatorene kan forskere skille mellom perioder med permanent isdekke, sesongvariert is, isfrie somre eller tilstedeværelsen av polynyaer (permanente områder med åpent vann omgitt av is).
Foraminiferanalyse – et havtermometer
Foraminiferer er mikroskopiske, encellede organismer som lever i havet og bygger et skall av kalsiumkarbonat (CaCO₃). Når de dør, synker skallene til bunns og bevares i havbunnssedimenter.
Metoden baserer seg på at ulike arter foraminiferer foretrekker forskjellige havtemperaturer. Noen arter trives kun i kaldt polarvann, mens andre bare finnes i varme, tropiske strøk.
Ved å identifisere hvilke arter som finnes i et sedimentlag og telle deres relative mengde, kan forskere rekonstruere overflatetemperaturen i havet den gangen sedimentet ble avsatt. Denne metoden er spesielt kraftfull fordi den gir kvantitative estimater av fortidens temperatur og utfyller δ¹⁸O-analysen, som også ofte utføres på de samme foraminiferskallene.
δ¹³C – et arkiv for vegetasjon
På samme måte som med oksygen, kan man analysere forholdet mellom den lette karbonisotopen ¹²C og den tyngre ¹³C. Dette forholdet, δ¹³C, gir spesielt god informasjon om fortidens vegetasjon. Planter tar opp CO₂ fra atmosfæren gjennom fotosyntesen, men ulike plantetyper foretrekker den lette ¹²C-isotopen i ulik grad.
C3-planter (de fleste trær og busker i tempererte og kalde strøk) diskriminerer sterkt mot ¹³C og får en lav δ¹³C-verdi.
C4-planter (typisk gress og planter i varme, tørre strøk) diskriminerer mindre og får en høyere δ¹³C-verdi.
Når planter dør og brytes ned, overføres deres karbonprofil til jordsmonnet. Vann som siver gjennom jorda og ned i grotter, tar med seg dette karbonsignalet. I dryppsteiner (stalagmitter) blir dette signalet bevart i lagene av kalsiumkarbonat. En endring fra lav til høy δ¹³C i en dryppstein kan derfor indikere at landskapet over grotten endret seg fra skog (C3) til gresslette (C4), noe som ofte er et tegn på et tørrere eller varmere klima.
Pollenanalyse – landskapets historie
Pollenanalyse er en metode for å rekonstruere fortidens vegetasjon ved å studere fossile pollenkorn i innsjø- og havbunnssedimenter. Planter produserer pollen i store mengder, og hvert pollenkorn har en unik form som gjør at man kan identifisere hvilken planteart eller slekt det kommer fra. Pollenkornenes ytre vegg er ekstremt motstandsdyktig og bevares godt i oksygenfattige miljøer som på bunnen av en innsjø.
Ved å hente opp en sedimentkjerne og analysere pollensammensetningen lag for lag nedover i kjernen, kan forskere se hvordan vegetasjonen i området har endret seg over tid. For eksempel vil et lag med mye furu- og bjørkepollen, etterfulgt av et lag dominert av eikepollen lenger oppe, indikere en klimaendring mot varmere forhold.
25.4 Eksempler på analyse av isborekjerner og havbunnssedimentkjerner
For å forstå hvordan de ulike metodene brukes i praksis, kan vi se for oss at vi analyserer en kjerne fra henholdsvis en innlandsis og fra havbunnen.
Analyse av en isborekjerne
Når en isborekjerne hentes opp fra Grønland, deles den inn i seksjoner og analyseres lag for lag. Forskerne ser etter en rekke ulike signaler som til sammen gir et helhetlig bilde av fortidsklimaet:
Visuell analyse: Først telles de årlige lagene for å etablere en tidsskala. Mørke lag blir undersøkt nærmere. Et slikt lag kan være vulkansk aske (tefra), som kan kjemisk kobles til et bestemt utbrudd og gi en svært nøyaktig datering. Andre mørke lag kan inneholde sot fra skogbranner eller ørkenstøv fra Sahara, som indikerer tørre og forblåste perioder. [Bilde av et mørkt askelag i en lys isborekjerne]
Isotopanalyse: Små prøver av isen smeltes og analyseres for oksygenisotoper. En kurve over δ¹⁸O-verdiene nedover i kjernen vil vise de store temperatursvingningene, som istider og mellomistider.
Analyse av luftbobler: Luften som er fanget i isen, analyseres for å måle fortidens konsentrasjon av drivhusgasser som CO₂ og metan. Forskerne finner en sterk sammenheng mellom temperaturen (fra δ¹⁸O) og CO₂-nivået.
Analyse av en havbunnssedimentprøve
En sedimentkjerne fra havbunnen i Nord-Atlanteren kan gi et annet, men komplementært bilde. Her analyseres innholdet i sedimentene:
Mikrofossilanalyse: Sedimentprøvene vaskes og siktes for å isolere skallene fra foraminiferer. Artsfordelingen brukes til å rekonstruere havtemperaturen. En økning i kaldtvannsarter kan signalisere en avkjøling.
Isotopanalyse: De samme foraminiferskallene analyseres for δ¹⁸O. En økning i δ¹⁸O-verdien i skallene reflekterer både lavere havtemperatur og en økning i globalt isvolum (siden mer ¹⁶O er bundet i is på land). Dette bekrefter signalene fra isborekjernene.
Analyse av sjøisindikatorer: Samtidig undersøkes sedimentene for IP₂₅ og is-assosierte kiselalger. En høy konsentrasjon av disse sammenfallende med kaldtvannsforaminiferer og høye δ¹⁸O-verdier, gir et sterkt bevis på at området hadde et utstrakt sjøisdekke i perioden.
Ved å kombinere disse ulike datasettene fra både is og hav, kan forskere sette sammen et detaljert og robust bilde av hvordan og hvorfor klimaet har variert tidligere. Denne kunnskapen er avgjørende for å teste og forbedre klimamodellene som brukes til å forutsi fremtidens klima.
Oppgave 25.14 (Oppgave 20 – sedimentkjerne fra havbunn) I denne oppgaven skal du jobbe med en sedimentkjerne fra grensen mellom Norskehavet og Barentshavet. Sedimentkjernen har fått navnet GS14-190-01PC.
Figur 1 viser kart i ulik målestokk hvor plasseringen for kjerneprøven er markert. Figur 1a viser også to andre sedimentprøvestasjoner, vi skal ikke jobbe med disse i denne oppgaven.
Figur 2 viser ulike proxydata fra sedimentkjernen GS14-190-01PC.
Figur 3 viser fordeling av planktonmarkører ved ulike typer sjøisdekke i nordområdene.
Figur 2 viser proxydata fra sedimentkjernen GC14-190-01PC for perioden mellom 15 000 og 31 000 år siden, altså i den siste glasiale perioden.
Det er fire grafer i figuren. Den nederste grafen er markert med a, den nest nederste med b, deretter med c, og den øverste er markert med d.
a \(δ^{18}O\)-innholdet i en kaldtvannsforaminifer som man finner i havbunnssedimentene. Benevning er gitt i ‰.
b Sedimentasjonsrate beregnet av modeller. Benevning er gitt i antall cm per tusen år.
c \(IP_{25}\)-konsentrasjon i havbunnssedimentene. \(IP_{25}\) dannes av mikroalger som lever i sjøis. Benevning er gitt i antall nanogram per gram sediment.
d Dinosterol-konsentrasjon i havbunnssedimentene. Mengden dinosterol sier noe om hvor mye plankton det har vært i havmassene. Benevning er gitt i antall nanogram per gram sediment.
LGM = Large Glacial Maximum, altså den perioden hvor isutbredelsen var på sitt største.
Figuren ovenfor viser hvordan ulike sjøisdekker gir ulike blandinger i havbunnssedimentene. Isalger er markert i lyseblå farge, løsmasser som er transportert av is, med svart farge, oppblomstring av planteplankton i overflaten med grønnfarge, mens algerester (døde alger) som synker mot bunnen, også er i blått og grønt.
Du ser i figur 1a og b at kjerneprøven er tatt like utenfor der det var maksimal isutbredelse under siste istid (LGM).
a) Gjør rede for hva forskere kan finne ut ved å ta en sedimentprøve fra havbunnen fra posisjonen der sedimentprøve GS14-190-01PC er hentet.
Figur 2a viser hvordan nivåene av \(\delta ^{18} O\) varierer med alderen på sedimentene fra kjerneprøven GS14-190-01PC.
b) Forklar hva som skjer med isutbredelsen i området når \(\delta ^{18} O\)-verdiene er lavest.
c) Studer figur 2 og 3. Velg minst to ulike tidsperioder. Gjør kort rede for sjøisforholdene i de valgte tidsperiodene.