Studiet av tidigare klimat - paleoklimatologi - involverar förhör av fysiska, kemisk och biologisk information lagrad i naturliga arkiv, såsom iskärnor och havssediment.

Till exempel, mätningar på Antarktis iskärnor används för att rekonstruera tidigare temperaturförändringar ovanför isen och globala koncentrationer av atmosfäriska växthusgaser.

Uppskattning av tidigare temperaturer är en grundläggande del i paleoklimatpusslet. Det hjälper oss att förstå hur varje region reagerar på stora episoder av globala klimatförändringar.

Ända tills nu, den mesta informationen vi har om tidigare temperaturer har kommit från havssediment och iskärnor. Dessa innehåller kemiska egenskaper som förändras till stor del som svar på temperaturen.

Men dessa berättar bara om temperaturen i havsbassängerna och polarområdena.

Hur är det med landmassorna som upptar resten av jordens yta - som vi lever på?

Det visar sig att alternativen i markmiljöer är begränsade:de naturliga arkiven vi studerar tenderar att sakna de egenskaper som är direkta proxies för temperatur.

I en ny studie publicerad i Naturkommunikation , vi visade att variationer i magnesium (Mg) i ett sällan studerat arkiv-nedsänkta speleothems-efterliknar havstemperaturförändringar under hundratusentals år.

Speleothems är kalciumkarbonatmineralavlagringar som bildas i grottor.

Stalagmiter är de mest kända exemplen och används ofta i studier av tidigare klimat och miljöförändringar. Nedsänkta speleothems är olika. De växer i grottbassänger och sjöar, och ibland under grundvattennivån.

I vår studie, vi borrade ett kärnprov från ett nedsänkt speleothem i Laghetto Basso, en pool som ligger inne i det massiva Antro del Corchia -grottsystemet i Toscana, Italien.

Först, vi tog en serie prover med en millimeters mellanrum längs kärnans tillväxtprofil.

Mg -innehållet i dessa prover analyserades av kollegor vid Australian Nuclear Science and Technology Organization.

Resultaten, som täcker de fyra senaste istidscyklerna (ungefär de sista 350, 000 år), visa en anmärkningsvärd korrelation till havstemperaturmönster som registrerats i havssedimentkärnor från Nordatlanten.

Det här var spännande, men oväntat, upptäckt för vårt team eftersom det föreslog att vi hade hittat en kemisk egenskap som reagerar på temperaturförändringar.

För att verifiera denna likhet, vi fokuserade vår uppmärksamhet på en tidsdel inom detta intervall som kallas Avslutning II - detta var perioden då den näst sista istiden tog slut, daterad mellan 136, 000 och 128, 000 år sedan.

Under denna uppvärmningsperiod, närliggande havstemperaturer ökade med 8 ℃ på några tusen år, så vi förväntade oss en stor ökning av Mg -koncentrationerna i det subaqueous speleothem.

Den här gången, vi provade speleotemet med en laserstråle med tre hundradelar millimeter i diameter, och mätte överflödet av olika element på en masspektrometer vid University of Melbourne's School of Earth Sciences.

Vi fann att resultaten var exakt som vi förväntade oss, men ännu mer övertygande:en kraftig ökning av Mg inträffade exakt samtidigt som den kraftiga höjningen av havstemperaturer rapporterades i andra studier.

Så, hur fungerar Mg som temperatursensor?

Mg har en stark affinitet för kalciumkarbonatmineraler, särskilt kalcit. Det kan inta positionen för kalcium (Ca) joner i kalcitkristallstrukturen. Viktigt, när temperaturen på lösningen ökar, mängden Mg som hamnar i kalciten ökar också.

Om Mg -koncentrationen i lösningen förblir konstant, men vattentemperaturen ökar, Mg -koncentrationen i kalciten kommer att öka.

Men det är ett problem.

I grottvatten, Mg till Ca -förhållandet är sällan konstant genom tiden - det förändras beroende på hur mycket vatten som passerar genom akviferberget på väg till där speleotemet växer.

Denna "hydrologiska effekt" uppväger vanligtvis långt över temperaturberoendet för Mg.

Men subaqueous speleothems, som den vi studerade, är olika.

De växer cirka 10 gånger långsammare än stalagmiter som bildas från samma grottvatten. Detta beror på att reaktionerna som överför jonerna lösta i poolvattnet till fast kalcitkristall är extremt långsamma.

Det verkar som att temperaturberoendet för Mg-uppdelning från poolvattnet till kalciten är betydligt högre i poolens långsamma reaktionsmiljö, i en sådan omfattning att den motverkar eventuell hydrologisk effekt.

I årtionden, oceanografer har mätt Mg -koncentrationer i marina mikrofossiler och koraller för att uppskatta tidigare havstemperaturer. Det fungerar bra i detta fall eftersom Mg-variationer mellan hav och vatten under de senaste miljoner åren är relativt små.

Men vår studie är den första som visar att Mg i ett speleothem kan fungera som en temperaturproxy. Detta beror på att forskare inte har övervägt subakliga speleothems tidigare.

Vårt nästa steg är att konvertera de relativa förändringarna i Mg -innehållet till absoluta temperaturvärden för att producera en tidsserie med temperaturförändringar vid grottplatsen.

Resultaten från vår studie öppnar spännande nya möjligheter i sökandet efter markbundna register över tidigare temperaturer.