De studie van vroegere klimaten - paleoklimatologie - omvat de ondervraging van fysieke, chemische en biologische informatie opgeslagen in natuurlijke archieven, zoals ijskernen en oceaansedimenten.

Bijvoorbeeld, metingen op Antarctische ijskernen worden gebruikt om eerdere veranderingen in temperatuur boven de ijskap en mondiale concentraties van atmosferische broeikasgassen te reconstrueren.

Het schatten van temperaturen in het verleden is een fundamenteel stuk in de paleoklimaatpuzzel. Het helpt ons te begrijpen hoe elke regio reageert op belangrijke episodes van wereldwijde klimaatverandering.

Tot nu toe, de meeste informatie die we hebben over temperaturen in het verleden is afkomstig van oceaansedimenten en ijskernen. Deze bevatten chemische eigenschappen die grotendeels veranderen als reactie op temperatuur.

Maar deze vertellen ons alleen over de temperatuur in de oceaanbekkens en poolgebieden.

Hoe zit het met de landmassa's die de rest van het aardoppervlak bezetten - waarop wij leven?

Het blijkt dat de opties in terrestrische omgevingen beperkt zijn:de natuurlijke archieven die we bestuderen, hebben de neiging om de eigenschappen te missen die directe proxy's voor temperatuur zijn.

In een recente studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , we hebben aangetoond dat magnesium (Mg) variaties in een zelden bestudeerd archief - ondergedompelde speleothemen - veranderingen in de oceaantemperatuur over honderdduizenden jaren nabootsen.

Speleothems zijn minerale afzettingen van calciumcarbonaat die zich in grotten vormen.

Stalagmieten zijn de bekendste voorbeelden en worden veel gebruikt in studies van klimaat- en milieuveranderingen in het verleden. Ondergedompelde speleothemen zijn anders. Ze groeien in grotpoelen en meren, en soms onder de grondwaterspiegel.

In onze studie, we hebben een kernmonster geboord uit een verzonken speleothem in Laghetto Basso, een zwembad gelegen in het enorme grottenstelsel Antro del Corchia in Toscane, Italië.

Eerst, we namen een reeks monsters met tussenpozen van één millimeter langs het groeiprofiel van de kern.

Het Mg-gehalte van deze monsters werd geanalyseerd door collega's van de Australian Nuclear Science and Technology Organization.

De resultaten, die de laatste vier ijstijdcycli beslaan (ongeveer de laatste 350, 000 jaar), laten een opmerkelijke correlatie zien met temperatuurpatronen van het zeeoppervlak die zijn geregistreerd in oceaansedimentkernen uit de Noord-Atlantische Oceaan.

Dit was een spannende, maar onverwacht, ontdekking voor ons team omdat het suggereerde dat we een chemische eigenschap hadden gevonden die reageert op temperatuurveranderingen.

Om deze gelijkenis te verifiëren, we richtten onze aandacht op een tijdvak binnen dit interval genaamd Termination II - dit was de periode waarin de voorlaatste ijstijd eindigde, gedateerd tussen 136, 000 en 128, 000 jaar geleden.

Tijdens deze periode van opwarming, de temperatuur van de nabije oceaan is in een paar duizend jaar met 8℃ gestegen, dus we verwachtten een grote toename van de Mg-concentraties in de onder water staande speleothem.

Deze keer, we hebben de speleothem bemonsterd met een laserstraal van drie honderdsten van een millimeter in diameter, en mat de overvloed van verschillende elementen op een massaspectrometer aan de School of Earth Sciences van de Universiteit van Melbourne.

We ontdekten dat de resultaten precies waren zoals we hadden verwacht, maar nog dwingender:een scherpe stijging van Mg vond plaats op precies hetzelfde moment als de scherpe stijging van de oceaantemperatuur die in andere onderzoeken werd gerapporteerd.

Dus, hoe werkt Mg als temperatuursensor?

Mg heeft een sterke affiniteit voor calciumcarbonaatmineralen, vooral calciet. Het kan de positie van calcium (Ca)-ionen in de calcietkristalstructuur innemen. belangrijk, als de temperatuur van de oplossing stijgt, de hoeveelheid Mg die in het calciet terechtkomt neemt ook toe.

Als de Mg-concentratie in de oplossing constant blijft, maar de watertemperatuur stijgt, de Mg-concentratie in het calciet zal toenemen.

Maar er is een hapering.

In grotwateren, de Mg tot Ca-verhouding is zelden constant in de tijd - het verandert afhankelijk van hoeveel water er door de watervoerende laag stroomt op weg naar waar de speleothem groeit.

Dit 'hydrologische effect' weegt meestal veel zwaarder dan de temperatuurafhankelijkheid van Mg.

Maar onder water staande speleothemen, zoals degene die we bestudeerden, zijn verschillend.

Ze groeien ongeveer 10 keer langzamer dan stalagmieten gevormd uit hetzelfde grotwater. Dit komt omdat de reacties die de in het zwembadwater opgeloste ionen overbrengen naar vast calcietkristal extreem traag zijn.

Het lijkt erop dat de temperatuurafhankelijkheid van Mg-partitionering van het zwembadwater naar het calciet aanzienlijk hoger is in de langzaam reagerende omgeving van het zwembad, zodanig dat het elk hydrologisch effect tegengaat.

Al decenia, oceanografen hebben Mg-concentraties in mariene microfossielen en koralen gemeten om de oceaantemperaturen in het verleden te schatten. In dit geval werkt het goed omdat de Mg-variaties in het oceaanwater van de afgelopen paar miljoen jaar relatief klein zijn.

Maar onze studie is de eerste die aantoont dat Mg in een speleothem kan fungeren als een temperatuurproxy. Dit komt omdat wetenschappers nog nooit eerder onder water staande speleothemen hebben overwogen.

Onze volgende stap is om de relatieve veranderingen in het Mg-gehalte om te zetten in absolute temperatuurwaarden om een ​​tijdreeks van temperatuurveranderingen op de plaats van de grot te produceren.

De resultaten van onze studie openen spannende nieuwe mogelijkheden in het zoeken naar aardse records van temperaturen in het verleden.