Voor de eerste keer, klimaatwetenschappers hebben een continue, high-fidelity record van variaties in het klimaat op aarde die zich 66 miljoen jaar in het verleden uitstrekken. Het record onthult vier onderscheidende klimaatstaten, die de onderzoekers Hothouse noemden, Warmhuis, Gaaf huis, en ijskast.

Deze grote klimaatstaten bleven miljoenen en soms tientallen miljoenen jaren bestaan, en binnen elk klimaat vertoont het klimaat ritmische variaties die overeenkomen met veranderingen in de baan van de aarde om de zon. Maar elke klimaattoestand heeft een onderscheidende reactie op orbitale variaties, die relatief kleine veranderingen in de mondiale temperaturen veroorzaken in vergelijking met de dramatische verschuivingen tussen verschillende klimaatstaten.

De nieuwe bevindingen, gepubliceerd op 10 september in Wetenschap , zijn het resultaat van tientallen jaren werk en een grote internationale samenwerking. De uitdaging was om klimaatvariaties in het verleden te bepalen op een tijdschaal die fijn genoeg is om de variabiliteit te zien die kan worden toegeschreven aan baanvariaties (in de excentriciteit van de baan van de aarde rond de zon en de precessie en helling van zijn rotatie-as).

"We weten al heel lang dat de glaciaal-interglaciale cycli worden versneld door veranderingen in de baan van de aarde, die de hoeveelheid zonne-energie die het aardoppervlak bereikt verandert, en astronomen hebben deze orbitale variaties in de tijd berekend, " legde co-auteur James Zachos uit, onderscheiden hoogleraar aard- en planetaire wetenschappen en Ida Benson Lynn hoogleraar Ocean Health aan UC Santa Cruz.

"Terwijl we vroegere klimaten reconstrueerden, we konden de koersveranderingen op de lange termijn vrij goed zien. We wisten ook dat er een fijnere ritmische variabiliteit zou moeten zijn als gevolg van orbitale variaties, maar lange tijd werd het onmogelijk geacht om dat signaal te herstellen, "Zei Zachos. "Nu we erin zijn geslaagd de natuurlijke klimaatvariabiliteit vast te leggen, we kunnen zien dat de verwachte antropogene opwarming veel groter zal zijn dan dat."

De afgelopen 3 miljoen jaar is Het klimaat op aarde bevindt zich in een ijshuisstaat die wordt gekenmerkt door afwisselende ijstijden en interglaciale perioden. De moderne mens evolueerde in deze tijd, maar de uitstoot van broeikasgassen en andere menselijke activiteiten drijven de planeet nu naar de klimaatstaten Warmhouse en Hothouse die sinds het Eoceen niet meer zijn gezien, die ongeveer 34 miljoen jaar geleden eindigde. Tijdens het vroege Eoceen, er waren geen poolkappen, en de gemiddelde temperatuur op aarde was 9 tot 14 graden Celsius hoger dan vandaag.

"De IPCC-projecties voor 2300 in het 'business-as-usual'-scenario zullen de mondiale temperatuur mogelijk op een niveau brengen dat de planeet in 50 miljoen jaar niet heeft gezien, ' zei Zachos.

Cruciaal voor het samenstellen van het nieuwe klimaatrecord was het verkrijgen van hoogwaardige sedimentkernen uit diepe oceaanbekkens via het internationale Ocean Drilling Program (ODP, later het Integrated Ocean Drilling Program, IODP, in 2013 opgevolgd door het International Ocean Discovery Program). Handtekeningen van vroegere klimaten zijn vastgelegd in de schelpen van microscopisch plankton (foraminiferen genaamd) bewaard in de zeebodemsedimenten. Na analyse van de sedimentkernen, onderzoekers moesten vervolgens een "astrochronologie" ontwikkelen door de klimaatvariaties die zijn geregistreerd in sedimentlagen te matchen met variaties in de baan van de aarde (bekend als Milankovitch-cycli).

"De gemeenschap ontdekte in het midden van de jaren negentig hoe deze strategie kon worden uitgebreid naar oudere tijdsintervallen. " zei Zachos, die een studie leidde die in 2001 werd gepubliceerd in Wetenschap die de klimaatreactie op orbitale variaties liet zien voor een periode van 5 miljoen jaar die de overgang van het Oligoceen-tijdperk naar het Mioceen omvatte, ongeveer 25 miljoen jaar geleden.

"Dat veranderde alles, want als we dat zouden kunnen doen, we wisten dat we helemaal terug konden gaan tot misschien 66 miljoen jaar geleden en deze voorbijgaande gebeurtenissen en grote overgangen in het aardse klimaat in de context van orbitale schaalvariaties kunnen plaatsen, " hij zei.

Zachos werkt al jaren samen met hoofdauteur Thomas Westerhold aan het University of Bremen Centre for Marine Environmental Sciences (MARUM) in Duitsland, die een enorme opslagplaats van sedimentkernen herbergt. Het Bremen-lab samen met de groep van Zachos bij UCSC genereerde veel van de nieuwe gegevens voor het oudere deel van het record.

Westerhold overzag een cruciale stap, het samenvoegen van overlappende segmenten van het klimaatrecord verkregen uit sedimentkernen uit verschillende delen van de wereld. "Het is een moeizaam proces om deze lange megasplice van klimaatrecords te verzamelen, en we wilden ook de records repliceren met afzonderlijke sedimentkernen om de signalen te verifiëren, dus dit was een grote inspanning van de internationale gemeenschap om samen te werken, ' zei Zachos.

Nu ze een doorlopende, astronomisch gedateerd klimaatrecord van de afgelopen 66 miljoen jaar, de onderzoekers kunnen zien dat de reactie van het klimaat op orbitale variaties afhangt van factoren zoals de hoeveelheid broeikasgassen en de omvang van de poolijskappen.

"In een extreme kassenwereld zonder ijs, er zullen geen feedbacks zijn met betrekking tot de ijskappen, en dat verandert de dynamiek van het klimaat, ' legde Zachos uit.

De meeste van de grote klimaattransities in de afgelopen 66 miljoen jaar zijn in verband gebracht met veranderingen in de niveaus van broeikasgassen. Zachos heeft uitgebreid onderzoek gedaan naar het Paleoceen-Eoceen Thermal Maximum (PETM), bijvoorbeeld, waaruit blijkt dat deze episode van snelle opwarming van de aarde, die het klimaat in een Hothouse-staat dreef, werd geassocieerd met een massale uitstoot van koolstof in de atmosfeer. evenzo, in het late Eoceen, terwijl het kooldioxidegehalte in de atmosfeer daalde, ijskappen begonnen zich te vormen op Antarctica en het klimaat veranderde in een Coolhouse-staat.

"Het klimaat kan onstabiel worden als het een van deze overgangen nadert, en we zien minder voorspelbare reacties op orbitale forcering, dus dat is iets wat we graag beter willen begrijpen, ' zei Zachos.

Het nieuwe klimaatrecord biedt een waardevol kader voor veel onderzoeksgebieden, hij voegde toe. Het is niet alleen nuttig voor het testen van klimaatmodellen, maar ook voor geofysici die verschillende aspecten van de dynamiek van de aarde bestuderen en paleontologen die bestuderen hoe veranderende omgevingen de evolutie van soorten aansturen.

"Het is een belangrijke vooruitgang in de aardwetenschappen, en een belangrijke erfenis van het internationale Ocean Drilling Program, ' zei Zachos.