Tidigare och framtida trender i global medeltemperatur som sträcker sig över de senaste 67 miljoner åren. Syreisotopvärden i djuphavsbentiska foraminifer från sedimentkärnor är ett mått på global temperatur och isvolym. Temperaturen är relativ till det globala medelvärdet 1961-1990. Data från iskärnposter för de senaste 25, 000 år illustrerar övergången från den sista istiden till den nuvarande varmare perioden, holocen. Historiska data från 1850 till idag visar den tydliga ökningen efter 1950 som markerar början av antropocen. Framtida prognoser för global temperatur för tre scenarier med representativa koncentrationsvägar (RCP) i relation till det bentiska djuphavsrekordet tyder på att klimattillståndet år 2100 kommer att vara jämförbart med det Miocena klimatoptimala (~16 miljoner år sedan), långt över tröskeln för kärnbildning av kontinentalisar. Om utsläppen är konstanta efter 2100 och inte stabiliseras före 2250, det globala klimatet år 2300 kan komma in i växthusvärlden från den tidiga eocenen (~50 miljoner år sedan) med dess många globala uppvärmningshändelser och inga stora inlandsisar vid polerna. Kredit:Westerhold et al., CENOGRID
För första gången, klimatforskare har sammanställt en kontinuerlig, högtrohetsregistrering av variationer i jordens klimat som sträcker sig 66 miljoner år in i det förflutna. Rekordet avslöjar fyra distinkta klimattillstånd, som forskarna kallade Hothouse, Värmehus, Coolt hus, och Icehouse.
Dessa stora klimattillstånd höll i sig i miljoner och ibland tiotals miljoner år, och inom var och en visar klimatet rytmiska variationer som motsvarar förändringar i jordens omloppsbana runt solen. Men varje klimatstat har ett distinkt svar på orbitalvariationer, som driver relativt små förändringar i globala temperaturer jämfört med de dramatiska förändringarna mellan olika klimattillstånd.
De nya rönen, publicerad 10 september in Vetenskap , är resultatet av årtionden av arbete och ett stort internationellt samarbete. Utmaningen var att bestämma tidigare klimatvariationer på en tidsskala som är tillräckligt fin för att se variationen som kan tillskrivas omloppsvariationer (i excentriciteten av jordens omloppsbana runt solen och precessionen och lutningen av dess rotationsaxel).
"Vi har länge vetat att glacial-interglaciala cykler taktas av förändringar i jordens omloppsbana, som ändrar mängden solenergi som når jordens yta, och astronomer har beräknat dessa omloppsvariationer bakåt i tiden, " förklarade medförfattaren James Zachos, framstående professor i jord- och planetvetenskap och Ida Benson Lynn professor i havshälsa vid UC Santa Cruz.
"När vi rekonstruerade tidigare klimat, vi kunde se långsiktiga kursförändringar ganska bra. Vi visste också att det borde finnas finare rytmisk variation på grund av orbitala variationer, men under lång tid ansågs det omöjligt att återställa den signalen, " sa Zachos. "Nu när vi har lyckats fånga den naturliga klimatvariationen, vi kan se att den förväntade antropogena uppvärmningen kommer att bli mycket större än så."
Under de senaste 3 miljoner åren, Jordens klimat har varit i ett ishustillstånd som kännetecknas av omväxlande glaciala och interglaciala perioder. Moderna människor utvecklades under denna tid, men utsläpp av växthusgaser och andra mänskliga aktiviteter driver nu planeten mot klimattillstånden Warmhouse och Hothouse som inte har setts sedan eocentiden, som slutade för cirka 34 miljoner år sedan. Under den tidiga eocenen, det fanns inga polarisar, och den globala genomsnittstemperaturen var 9 till 14 grader Celsius högre än idag.
"IPCC:s prognoser för 2300 i scenariot 'business-as-usual' kommer potentiellt att bringa den globala temperaturen till en nivå som planeten inte har sett på 50 miljoner år, sa Zachos.
Det nya globala klimatrekordet CENOGRID (nedre panelen) är det första som kontinuerligt och exakt spårar hur jordens klimat har förändrats sedan dinosauriernas stora utrotning för 66 miljoner år sedan. Rekordet genererades med hjälp av syre (visas) och kolisotoper från små mikrofossiler som hittats i djuphavssediment som samlats upp av IODP-fartyget R/V JOIDES Resolution (visas på bilden) och visar det naturliga omfånget av klimatförändringar och variabilitet över senaste 66 miljoner åren. Kredit:Thomas Westerhold / Adam Kutz
Avgörande för att sammanställa det nya klimatrekordet var att få högkvalitativa sedimentkärnor från djuphavsbassänger genom det internationella Ocean Drilling Program (ODP, senare det integrerade havsborrprogrammet, IODP, efterträddes 2013 av International Ocean Discovery Program). Signaturer från tidigare klimat registreras i skalen av mikroskopiskt plankton (kallade foraminifera) som bevaras i havsbottensedimenten. Efter att ha analyserat sedimentkärnorna, forskare var sedan tvungna att utveckla en "astrokronologi" genom att matcha klimatvariationerna som registrerats i sedimentlager med variationer i jordens omloppsbana (känd som Milankovitch-cykler).
"Samhället kom på hur man skulle utöka denna strategi till äldre tidsintervall i mitten av 1990-talet, sa Zachos, som ledde en studie publicerad 2001 i Vetenskap som visade klimatsvaret på orbitalvariationer under en 5-miljonårsperiod som täckte övergången från oligocen till miocen, för cirka 25 miljoner år sedan.
"Det förändrade allt, för om vi kunde göra det, vi visste att vi kunde gå hela vägen tillbaka till för kanske 66 miljoner år sedan och sätta dessa övergående händelser och stora övergångar i jordens klimat i sammanhanget av variationer i omloppsskala, " han sa.
Zachos har samarbetat i flera år med huvudförfattaren Thomas Westerhold vid University of Bremen Center for Marine Environmental Sciences (MARUM) i Tyskland, som rymmer ett stort förråd av sedimentkärnor. Laboratoriet i Bremen tillsammans med Zachos grupp vid UCSC genererade mycket av de nya uppgifterna för den äldre delen av posten.
Westerhold övervakade ett kritiskt steg, skarva samman överlappande segment av klimatrekorden som erhållits från sedimentkärnor från olika delar av världen. "Det är en tråkig process att sammanställa denna långa megasplice av klimatrekord, och vi ville också replikera posterna med separata sedimentkärnor för att verifiera signalerna, så detta var en stor ansträngning av det internationella samfundet som arbetar tillsammans, sa Zachos.
Nu när de har sammanställt en kontinuerlig, astronomiskt daterade klimatrekord under de senaste 66 miljoner åren, forskarna kan se att klimatets reaktion på orbitala variationer beror på faktorer som växthusgasnivåer och polarisarnas utbredning.
"I en extrem växthusvärld utan is, det kommer inte att finnas några återkopplingar som involverar inlandsisen, och det förändrar klimatets dynamik, " förklarade Zachos.
De flesta av de stora klimatomställningarna under de senaste 66 miljoner åren har förknippats med förändringar i växthusgasnivåer. Zachos har gjort omfattande forskning om Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM), till exempel, visar att denna episod av snabb global uppvärmning, som drev klimatet till ett hothouse-tillstånd, var förknippat med en massiv utsläpp av kol i atmosfären. Liknande, i slutet av eocen, när atmosfärens koldioxidnivåer sjönk, inlandsisar började bildas i Antarktis och klimatet övergick till ett Coolhouse-tillstånd.
"Klimatet kan bli instabilt när det närmar sig en av dessa övergångar, och vi ser mindre förutsägbara svar på orbital forcering, så det är något vi skulle vilja förstå bättre, sa Zachos.
Det nya klimatrekordet ger en värdefull ram för många forskningsområden, han lade till. Det är inte bara användbart för att testa klimatmodeller, men också för geofysiker som studerar olika aspekter av jordens dynamik och paleontologer som studerar hur förändrade miljöer driver arternas utveckling.
"Det är ett betydande framsteg inom geovetenskapen, och ett stort arv från det internationella havsborrprogrammet, sa Zachos.
