Hoe koud werd de aarde tijdens de laatste ijstijd? De waarheid ligt misschien diep onder meren en kan helpen voorspellen hoe de planeet weer zal opwarmen. Sedimenten in meerbeddingen bevatten chemische gegevens van voorbije eeuwen, waaronder de gelijktijdige toestand van de atmosfeer hierboven. Wetenschappers onder leiding van een professor aan de Rice University en haar collega's hebben een nieuw computermodel bedacht om te interpreteren wat ze onthullen.

Sylvia Dee, een assistent-professor van de aarde, milieu- en planetaire wetenschappen, en haar collega's hebben een computationeel Lake Proxy-systeemmodel gemaakt om gegevens van diep onder het oppervlaktewater van het meer te vertalen op een manier die directer verband houdt met meetbare klimaatmodelvariabelen.

Hun werk maakt deel uit van een openbaar softwareplatform gemaakt door Dee genaamd PRYSM, en wordt beschreven in het tijdschrift American Geophysical Union Paleoceanografie en paleoklimatologie Wetenschappers die het klimaat bestuderen, analyseren geochemische signalen uit archieven zoals koralen en ijskernen, of gecodeerd in de ringen van oude bomen, maar niet iedereen interpreteert de gegevens op dezelfde manier. Dee's zoektocht was om eenvoudige modellen te ontwerpen die helpen om waarnemingen van het klimaat in het verleden uniformer te interpreteren met klimaatmodellen, en in het proces deze onschatbare archieven relevanter te maken voor studies over toekomstige klimaatverandering.

"We hebben simulaties van klimaatmodellen die duizenden jaren teruggaan, " zei Dees, die zich dit jaar bij Rice voegde. "Ze helpen ons de oorzaken van veranderingen in temperatuur en neerslag in het verleden te begrijpen, maar we moeten klimaatgegevens uit het verleden gebruiken om de modellen op waarheid te baseren.

"Bijvoorbeeld, als een klimaatmodel sterke overeenstemming vertoont met de temperatuurreconstructies die we hebben van meren, we zouden kunnen concluderen dat de fysica van dit model robuust is en dat het beter kan simuleren wat er zal gebeuren onder toekomstige antropogene opwarming."

Meerbeddingen slaan bewijs van klimaatgeschiedenis op in gelaagd sediment dat kan worden geanalyseerd en gedateerd door kernen te extraheren. Dee's studie gebruikte klimaatmodelgegevens om de archieven van het meer te verkennen en te begrijpen die wetenschappers gebruiken om atmosferische omstandigheden voor een bepaalde tijd te reconstrueren.

"Sommige van de rijkste geschiedenissen van temperatuur en neerslag die we op aarde hebben, komen van meren, Dee zei. "Mensen meten al jaren indicatoren in sedimenten, maar het is niet eenvoudig om die gegevens te vergelijken met klimaatmodellen.

"Daar kom ik binnen, " zei ze. "Ik maak deel uit van een groep wetenschappers die zich richten op het vertalen van wat klimaatmodellen ons vertellen over veranderingen in het klimaatsysteem in het verleden en wat de gegevens ons vertellen."

Dee en haar team simuleerden meertemperaturen en klimaatarchieven in twee meren in Afrika, Malawi en Tanganyika, die teruggaat tot het laatste glaciale maximum rond 21, 000 jaar geleden, toen de mondiale temperatuur naar schatting tussen de 3 en 5 graden Celsius kouder was dan vandaag.

"Dat is een duidelijk doelwit voor klimatologen, "zei ze. "We hebben aanwijzingen uit het verleden die ons vertellen hoe koud het Afrikaanse continent was. Het is de laatste keer in de klimaatgeschiedenis van de aarde dat er een dramatische verschuiving was in het gemiddelde klimaat als gevolg van koolstofdioxide-forcering, en we gebruiken het als een testbed voor de prestaties van klimaatmodellen."

In de testcase is PRYSM's simulatie onthulde dat de temperatuurproxy's van het meer de luchttemperatuurveranderingen onderschatten. "Mensen nemen over het algemeen aan dat reconstructies van de temperatuur van het meer van sedimenten de veranderingen in de luchttemperatuur weerspiegelen, ' zei Dee. 'We nemen aan dat ze tegelijk veranderen. Onze modelsimulaties laten zien dat het meer het temperatuursignaal feitelijk dempt.

"Bijvoorbeeld, als gemodelleerde luchttemperaturen een opwarming van 4 graden Celsius laten zien sinds het laatste glaciale maximum in Afrika en het meer dempt dat signaal tot 3 graden, we zouden ten onrechte kunnen concluderen dat de luchttemperaturen een volle graad warmer waren dan ze in werkelijkheid waren. We zijn in wezen in staat om te kwantificeren hoeveel fouten we kunnen verwachten bij onze interpretatie van temperatuurveranderingen in het verleden.

Die fouten worden alleen door het meer gemaakt, " ze zei.

"Dat is belangrijk om te weten, Dee zei. "Deze meerreconstructies zijn enkele van de enige beschikbare gegevens om ons te helpen begrijpen hoe de temperatuur zal evolueren op het Afrikaanse continent in een opwarmende wereld. We hopen dat PRYSM helpt deze klimaatveranderingen met meer vertrouwen vast te stellen."

De open source PRYSM is versie 2.0, expliciet ontworpen om klimaatarchieven in meren te modelleren. Dee bouwde de eerste versie om ijskernen te modelleren, koralen, grotafzettingen en boomringcellulose.

Zij en haar collega's zijn van plan om in de loop van de tijd meer bekende paleoklimaatproxy's toe te voegen. Omdat PRYSM open source is, iedereen heeft toegang tot de code (via GitHub) en kan deze verbeteren.

"Ik probeer iedereen in de modellerings- en paleoklimaatgemeenschappen met elkaar te laten praten, Dee zei. "PRYSM is een poging om beide gemeenschappen te laten begrijpen dat we geen appels met peren kunnen vergelijken. We moeten paleoklimaatgegevens en modelsimulaties op een meer formele manier vergelijken, en daarbij, we hopen onze interpretaties van klimaatveranderingen in het verleden drastisch te verbeteren.

"Het mooie van het kunnen krijgen van momentopnamen van temperaturen in het verleden, is dat we hopelijk een breder begrip kunnen opbouwen van hoe de planeet zal reageren op aanhoudende antropogene klimaatverandering, " zei ze. "We hebben directe metingen van wat er de afgelopen 150 jaar is gebeurd. Maar als we verder terug in de tijd kijken, we hebben grotere veranderingen in koolstofdioxide, grotere veranderingen in vulkanisme en grotere ijskappen op aarde. Dat zijn zware hamers. Ze helpen ons te begrijpen hoe het klimaat reageert op sterker forceren."