Paleoklimatologija (stgrč. παλαιος - palaios = drevni, + κλίμα –klima = mjesto, zona + -λογία - –logia = nauka), paleklimatska nauka – je nauka o klimatskim promjenama koje su se zbivale tokom historijske prošlosti planete Zemlje, kao i kosmičke promjene koje su na nju utjecale. Koristi se odgovarajućim zapisima fosilnih ostataka, paleobotaničkih nalaza, iz ledenih pokrivača, godova, sedimenata i stijena, kako bi odredila hronologiju proteklih kretanja klimatskog sistema na Zemlji.[1]
U paleoklimatogiji primjenjuje se mnoštvo različitih tehnika i procedura za donošenje zaključka o drevnim klimama.
U većem vremenskom rasponu, geolozi se koriste sedimentskim zapisima za otkrivanje podataka o glavnim pokazateljima paleoklimatskih stanja ipromjena..
Općenita je pojava da se svim zapisima smanjuje pouzdanost sa ulaskom u sve dublju prošlost. Najstarija ledena jezgra izvađena je na Antarktiku,a bila je stara oko 800.000 godina. Nastavljaju se međunarodni napori na istoj lokaciji, kako bi se izvadila jezgra stara oko 1,2 miliona godina. Duboki morski zapisi, koji čine većinu izotopskih podataka, postoje samo na okeanskim pločama, koje naposlje podliježu raspadanju – najstariji očuvani materijal star je oko 200.200 miliona godina. Stariji sedimenti također su skloniji raspadanju zbog dijageneze. Zbog toga, protekom vremena smanjuju se rezolucija i povjerljivost podataka.
Opće znanje o preciznim klimatskim događajima opada što se više ide u prošlost. Neki poznati događaji zabilježeni su ispod s naznačenom vremenskim raponima .
U ranoj historiji Zemlje, nastale prvobitne plinove odnosili su solarni vjetrovi, sve dok se nije uspostavilo stabilno stanje prve atmosfere. Prema današnjim vulkanološkim dokazima, prva atmosfera sadržavala je 80 % vodene pare, 10 % ugljik-dioksida, 5 do 7 % sumporovodika, te manje količine dušika, ugljik-monoksida, vodika, metana i inertnih plinova.
Ondašnje velike kiše izazvale su stvaranje ogromnih okeana koji su obilovali ostalim agensima, u početku ugljik-dioksidom, a kasnije dušikom i inertnim plinovima. Veliki dio isparenog ugljik-dioksida ubrzo se otopio u vodi i izgradio karbonatne sedimente.
Starost prvih pronađenih sedimenata koji se povezuju s vodom procjenjuje se na 3,8 milijardi godina[3]. Otprilike prije 3,4 milijardi godina dušik je činio velik dio tada stabilne druge atmosfere. Ubrzo će se u procjenu uzimati uticaj živog svijeta, jer su pronađeni tragovi prvih oblika života potiču od prije otprilike 3,5 milijardi godina[4]. Činjenica kako to nije u skladu sa sunčevim zračenjem ranog Sunca, koje je u odnosu na današnje bilo 30 % slabije, opisuje se kao paradoks slabog i mladog Sunca.
Geološki zapisi ipak pokazuju kontinuiranu relativno toplu površinu Zemlje tokom čitavog ranog temperaturnog zapisa, izuzimajući jednu hladnu glacijalnu fazu od prije oko 2,4 milijardi godina. Negdje potkraj kasne arhajske ere, počela je nastajati atmosfera koja je sadržavala kisik, koji su proizvodile fotosintetske alge. Rana osnovna karbonska izotopnost, uglavnom je u skladu s onim što je danas pronađeno [5], a fundamentalna obilježja ciklusa ugljika uspostavljena su najranije prije 4 milijarde godina. Jan Veizer je (2005.) pretpostavio ne samo to da je živi svijet nastao s pojavom stijena, nego i da je tada bio bogatiji nego što je danas, kao i da su fundamentalna obilježja ciklusa ugljika uspostavljena najranije prije 4 milijarde godina[5].
Akreciji kontinenata, koja se desila otprilike prije 3,5 miljardi godina[6] nadodalo se razmještanje tektonskih ploča koja je konstantno razdvajalo kontinente, oblijujući također dugoročnu klimatsku evoluciju i dopuštajući prijenos ugljik-dioksida iz velikih kopnenih karbonatnih spremišta. Slobodni kisik nije postojao sve do prije 1,7 milijardi godina, a to se može vidjeti praćenjem razvoja crvenih dna i kraja slojevitih željeznih formacija. To označava prijelaz iz reducirajuće atmosfere u oksidirajuću. Količina O2 jeimala veće uspone i padove sve do postizanja postojanog stanja, više od 15 %[7]. Slijedeći vremenski raspon bio je fanerozoik, tokom kojega su se počeli pojavljivati oblici višećelijskih životinja, koje su uzimale kisik za disanje.
U prve tri četvrtine Zemljine historij dogodila se samo jedna veća glacijacija. Otprilike 950 miliona godina Zemljina klima pravilno se ciklično se mijenjala između glacijacija i međuledenih doba, te ekstenzivnih tropskih klima; glacijacije su bile opsežne ili su obuhvatale samo polarne kape. Vremenski raspon tih izmjena proteže se na gotovo 140 miliona godina i mogao bi biti povezan sa Zemljinimkretanjem unutar galaktičkih spiralnih krakova, a u poređenju s prethodnim vremenom, značajno je reducirala solarni vjetar[8].
Klima kasnog prekambrija pokazala je izvjesne veće glacijacijske događaje, koji su obuhvatali velike dijelove Zemlje. U tom periodu, kontinenti su bili okupljeni u superkontinent nazvan Rodinija. Pronađeni su masivni depoziti tilita i anomalnih izotopskih zapisa koji potvrđuju (kontroverznu) hipotezu o snježnoj grudi Zemlja. Kako se proterozojski eon bližio kraju, Zemlja se počela zagrijavati. Do početka kambrija i fanerozoika životni oblici bili su mnogobrojni, pogotovo pojavom kambrijske eksplozije kada je prosječna globalna temperatura bila oko +22 °C.
Glavni pokretači u predindustrijskim periodima bile su varijacije insolacije, vulkanskog pepela i ekshalacije, relativna kretanja Zemlje prema Suncu, te tektonskim poremećajima izazvani efekti kod glavnih morskih struja, razvodnica i oscilacija okeana. Rani fanerozoik posebno pokazuje raspon relativno visokog sadržaja ugljik-dioksida i značajne globalne glacijacije[9]. Royer et al. pronašli su 2004.[10] kako je u ostatku fanerozoika nastupila klimatska osjetljivost za koju su izračunali da je bila slična današnjem rasponu odgovarajućih vrijednosti.
Razlika u globalnoj srednjoj temperaturi između Zemlje pod potpunim glacijacijama i Zemlje oslobođene od leda, procijenjena je na približno 10 °C, iako su se veće promjene događale na većim geografskim širinama, dok su na manjim one bile manje. Mogućnost nastanka opsežnih ledenih pokrivača čini se da je bio raspored kontinentalnih kopnenih masa na polovima ili u njihovoj blizini. Kako je tektonika ploča neprestano mjenjala raspored kontinenata, ona je istovremeno i oblikovala dugoročnu klimatsku historiju. Ipak, prisustvo ili odsustvo kopnenih masa na polovima nije bilo dovoljno da ostvari uvjete za glacijacije ili isključi polarne ledene kape. Postoje dokazi iz prošlih toplih perioda u Zemljinoj klimi kada su polarne kopnene mase nalik Antarktiku bile dom listopadnim šumama, umjesto ledenih pokrivača.
Relativno topli lokalni minimum između jure i krede poklopio se s raširenom tektonskom aktivnošću, npr. raspadom superkontinenata. U dugoročnoj evoluciji smjene toplih i hladnijih klima, pojavljivale su se mnoge kratkoročne klimatske fluktuacije , a ponekad i snažnije od izmjena glacijalnih i interglacijalnih perioda u ledenim dobima. Neke od najozbiljnijih fluktuacija, poput paleocensko-eocenskog termalnog maksimuma, mogu se povezati s ubrzanim klimatskim promjenama, koje su nastale usljed iznenadnih urušaja prirodnih rezervoara metan-klatrata u okeanima.
Sličan događaj nakon udara meteorita, izazvao je ozbiljnu klimatsku promjenu koja je označena kao uzrok masovnom izumiranju na prijelazu iz krede u tercijar. Ostali veći prijelazi bili su permsko-trijaska i ordovicijsko-silurska izumiranja, uz različite pretpostavlje uzroke.
Kvartarna subera uključuje aktuelnu klimu. U tom se razdoblju zbio ciklus ledenih doba, tokom proteklih 2,2-2,1 miliona godina (od prije kvartara u kasnom periodu neogena).
Na grafikonu, na desnoj strani, uočljiv je velika 120.000-godišnja periodičnost ciklusa, uz zapanjujuću asimetriju krivulja. Vjeruje se kako je ova asimetrija posljedica složenih interakcija mehanizama povratne sprege. Utvrđeno je kako se ledena doba produbljuju progresivnim koracima, a oporavak na interglacijalne uvjete pojavljuje se u jednom velikom koraku.
Geološki kratkoročne (<120.000 godina) temperature vjerojatno su izazvane orbitnim faktorima (Milankovićevi ciklusi) koji su uvišestručeni promjenama u stakleničkim plinovima. Raspored kopnenih masa na Zemljinoj površini vjerovatno utiče i na djelotvornost tih prisilnih efekata u orbiti.
Kontinentalni drift utiče na termohalinsku cirkulaciju koja prenosi toplinu između ekvatorskih regija i polova, kao što to čini širina polarnog ledenog pokrova.
Vremenska dinamika ledenih doba tokom geološke historije, dijelom je pod kontrolom položaja kontinentalnih ploča na površini Zemlje. Kada su kopnene mase koncentrirane blizu polarnih područja, postoji povećana vjerovatnoća da će se tamo akumulirati snijeg i led. Male promjene u sunčevoj energiji mogu poremetiti ravnotežu između ljēta tokom kojih se zimska snježna masa u potpunosti otapa i onih u kojima se zimski snijeg zadržava do slijedeće zime. Vidi[11]
Poređenja rekonstrukcije kontinenata u tektonici ploča i paleoklimatskih istraživanja pokazuju da Milankovićevi ciklusi imaju najveći efekt tokom geoloških era, kada su kopnene mase bile koncentrirane u polarnim područjim, kao što je to današnji slučaj. Danas su Grenland, Antarktik, sjeverni dijelovi Evrope, Azija i Sjeverna Amerika locirani tako da bi i mala promjena u sunčevoj energiji poremetila ravnotežu između cjelogodišnjeg zadržavanja snijega/leda i potpunog ljetnog otapanja. Prisustvo snijega i leda dobro je proučeno u objašnjenju mehanizma pozitivne povratne sprege za klimu. Danas se smatra kako je Zemlja još uvijek sklona pojavi glacijacija. Drugi predloženi faktor u dugoročnoj promjeni temperature je hipoteza izdizanja i trošenja, koju je prvi predložio T. C. Chamberlin (1899.), a kasnije, neovisno o njemu, isto su učinili i Maureen Raymo i suradnici 1988. Ova hipoteza polazi od mogućnosti da su planinski lanci, tokom izdizanja, izlagai minerale trošenju, što izaziva njihovu hemijsku konverziju u karbonate, čime se uklanja CO2 iz atmosfere, pa se Zemlja počine hladiti. Drugi su pominjali slične efekte, koji nastaju uslijed promjena u prosječnoj razini podzemne vode i posljedičnih promjena u biološkoj aktivnosti ispod površine i razine pH.
Predloženo je da dugoročna galaktička kretanja Sunca imaju glavni uticaj na Zemljinu klimu. Postoje njegova dva glavna vida, a prvo i najznačajnije krtanje je Sunčevo kretanje po svojoj orbiti oko galaktičkog centra, uz period obrta od oko 240 miliona godina[13]. Budući da se ovaj period razlikuje od rotacijskog perioda galaktičkih spiralnih krakova, Sunce i Zemlja zajedno s njim, periodično prolaze kroz krakove (procjene perioda nisu pouzdane i razlikuju se od 143 milijuna godina[12] do 176 milijuna godina[14]).
Drugo kretanja Sunca je oscilatorno klateće, slično plutajućoj bovi, koje je periodično potrebno Suncu za prolaz kroz galaktički disk. Period klatećeg kretanja je oko 67 miliona godina, tako da se prolaz kroz galaktičku ravninu zbiva svakih 33 miliona godina.[15]. Uzročna veza između tih galaktičkih gibanja i klime postulirana je efektom reduciranja protoka kozmičkih zraka prilikom ulaska u gušće regije galaktike[12].
Veizer smatra da je smanjenje protoka kosmičkih zraka u pozitivnoj korelaciji s padom temperature, te predlaže kako bi moguća uzročna veza bila povećana ionizacija aerosola u atmosferi. što bi stvaralo više kondenzacijskih jezgara za formiranje oblaka. Stoga Zemljin albedo raste, odražavajući intenzitet sunčevog zračenja i snižavajući temperaturu Zemlje.[10]. Tvrdnje Henrika Svensmarka kako protok kosmičkih zraka snažno utiče na kratkoročne klimatske promjene, ipak su jako kontroverzne i mnogi ih dovode u pitanje.[16][17]. Predloženo je također da postoji izvjesna korelacija između tih galaktičkih ciklusa i geoloških perioda. Razlog tome je u postulatu, prema kojem Zemlja doživljava mnogo udarnih događaja pri prolazu kroz galaktičke regije visoke gustoće. Događajima masovnog izumiranja mogu pridonijeti i klimatske promjene i iznenadni udari.[14].
U objašnjavanju dugoročne evolucije Zemljine klime, Jan Veizer[5] i Nir Shaviv[12] predložili su interakciju kosmičkih zraka, solarnog vjetra i raznih magnetnih polja. Prema Shavivu, rano Sunce je zračilo snažniji solarni vjetar sa zaštitnim efektom protiv kosmičkih zraka. U tom ranom dobu, umjeren efekt staklenika usprediv s današnjim, bio bi dovoljan za objašnjenje Zemlje bez leda i paradoksa slabog i ranog Sunca.[18]. Solarni minimum, prije otprilike oko 2,4 milijardi godina konzistentan je s uspostavljenom modulacijom protoka kosmičkih zraka koja nastaje varijabilnom stopom zvjezdane formacije u Mliječnoj stazi, a u tadašnje vrijeme naznačen je i događaj masovnog izumiranja. U posljednjih milijardu godina, solarni vjetar značajno je utihnuo. Tek su u ovom novijem vremenu prolasci heliosfere kroz spiralne krakove galaksije mogli omogućiti snažan i pravilan modulirajući utjecaj koji liči na gore opisane. Tokom vrlo dugog perioda, energijski izdaci Sunca postupno su se povećavali, po stopi od 5 % na milijardu (109) godina, te će nastaviti tako rasti sve dok ne dosegnu kraj svoje današnje faze stelarne evolucije.