Zhrnutie redakcie
Štruktúrovaný abstrakt
Abstrakt
Rekonštrukcia PhanDA
Teploty vo fanerozoiku
Fanerozoické klimatické stavy a šírkové gradienty
Fanerozoické GMST a atmosférický CO2
Závery
Zhrnutie metód
Poďakovanie
Doplnkové materiály
Odkazy a poznámky
Elektronické listy (0)
Zhrnutie redakcie
Pochopenie toho, ako sa globálna priemerná povrchová teplota (GMST) menila v priebehu poslednej pol miliardy rokov, teda v období, v ktorom mali evolučné vzorce flóry a fauny taký dôležitý vplyv na vývoj klímy, je nevyhnutné pre pochopenie procesov, ktoré v tomto období podnebie ovplyvňovali. Judd a kol. predstavujú záznam GMST za posledných 485 miliónov rokov, ktorý vytvorili kombináciou proxy údajov s modelovaním klímy (pozri Perspective by Mills). Zistili, že GMST sa pohybovala v rozmedzí od 11° do 36 °C, pričom „zdanlivá“ citlivosť klímy bola ∼8 °C, čo je približne dvoj- až trojnásobok dnešnej hodnoty.
________________________________________________________________________________________ Jesse Smith
Štruktúrovaný abstrakt
ÚVOD
Dlhodobý geologický záznam globálnej priemernej povrchovej teploty (GMST) je dôležitý na pochopenie histórie našej planéty a na zasadenie súčasných klimatických zmien do kontextu. Takýto záznam je potrebný na obmedzenie vzťahu medzi klímou a inými aspektmi zemského systému vrátane vývoja a vymierania života a chemického zloženia atmosféry a oceánov. Okrem toho kvantifikácia vzťahu medzi GMST a koncentráciou oxidu uhličitého (CO2) v atmosfére môže spresniť naše chápanie klimatickej citlivosti Zeme a zlepšiť budúce predpovede v podmienkach antropogénneho otepľovania.
ODÔVODNENIE
Hoci existuje niekoľko rekonštrukcií teplôt z obdobia fanerozoika (posledných 539 miliónov rokov), počas intenzívne skúmanej éry kenozoika (posledných 66 miliónov rokov) sú chladnejšie a menej variabilné ako jednotlivé odhady z kľúčových období, najmä počas bezľadových (skleníkových) intervalov. Tento rozpor naznačuje, že existujúce záznamy o teplotách vo fanerozoiku môžu podhodnocovať minulé teplotné zmeny, a zasluhuje si ďalšie skúmanie pomocou nového prístupu.
VÝSLEDKY
V tejto práci predstavujeme PhanDA, rekonštrukciu GMST, ktorá pokrýva väčšinu obdobia fanerozoika. PhanDA bola vytvorená pomocou asimilácie údajov, metódy, ktorá štatisticky integruje geologické údaje so simuláciami klimatických modelov. PhanDA naznačuje, že teplota Zeme sa za posledných 485 miliónov rokov menila v rozmedzí od 11° do 36 °C. Tento rozsah je väčší ako predchádzajúce rekonštrukcie; PhanDA však dobre súhlasí s nezávislými odhadmi GMST z kenozoika, čo poskytuje dôveru v jeho väčší dynamický rozsah.
PhanDA odhaľuje kľúčové črty vzťahu medzi GMST a teplotným gradientom medzi pólmi a rovníkmi, vrátane polárneho zosilnenia (t. j. väčších teplotných zmien vo vysokých zemepisných šírkach) a plytčenia gradientu s rastúcim GMST. Tropické teploty sa pohybujú v rozmedzí od 22 °C do 42 °C, čo vyvracia myšlienku pevnej hornej hranice tropického tepla a naznačuje, že dávny život sa musel vyvinúť tak, aby vydržal extrémne teplo. PhanDA rozdeľujeme na päť klimatických stavov a zisťujeme, že celkovo strávila Zem počas fanerozoika viac času v teplejších klimatických stavoch ako v chladných.
Existuje silný vzťah medzi GMST PhanDA a CO2, čo naznačuje, že CO2 je dominantným faktorom ovplyvňujúcim podnebie vo fanerozoiku. Konzistencia tohto vzťahu je prekvapujúca, pretože na tejto časovej škále očakávame, že slnečná svietivosť bude ovplyvňovať klímu. Predpokladáme, že zmeny planetárneho albedo a iných skleníkových plynov (napr. metánu) pomohli kompenzovať zvyšujúcu sa slnečnú svietivosť v čase. Vzťah GMST-CO2 naznačuje výrazne konštantnú „zdanlivú“ citlivosť zemského systému (t. j. teplotnú odozvu na zdvojnásobenie CO2 vrátane rýchlych a pomalých spätných väzieb) ∼8 °C, pričom nie je zistiteľná závislosť od toho, či je klíma teplá alebo studená.
ZÁVER
PhanDA poskytuje štatisticky spoľahlivý odhad GMST v období fanerozoika. Zistili sme, že teplota na Zemi sa menila dynamickejšie, ako sa doteraz predpokladalo, a že skleníkové podnebie bolo veľmi teplé. CO2 je dominantným faktorom podnebia vo fanerozoiku, čo zdôrazňuje význam tohto skleníkového plynu pri formovaní histórie Zeme. Konzistentnosť zjavnej citlivosti zemského systému (∼8 °C) je prekvapujúca a zaslúži si ďalšie skúmanie. V širšom zmysle PhanDA poskytuje kritický kontext pre vývoj života na Zemi, ako aj pre súčasné a budúce klimatické zmeny.
Globálna priemerná povrchová teplota PhanDA za posledných 485 miliónov rokov.
Šedé tieňovanie zodpovedá rôznym úrovniam spoľahlivosti a čierna čiara znázorňuje priemerné riešenie. Farebné pásy pozdĺž hornej časti odrážajú stav klímy, pričom chladnejšie farby označujú ľadové (chladné a studené) podnebie, teplejšie farby označujú skleníkové (teplé a horúce) podnebie a sivá farba predstavuje prechodný stav.
Abstrakt
Dlhodobý záznam globálnej priemernej povrchovej teploty (GMST) poskytuje zásadný pohľad na dynamické limity zemskej klímy a komplexné spätné väzby medzi teplotou a širším zemským systémom. V tejto práci predstavujeme PhanDA, rekonštrukciu GMST za posledných 485 miliónov rokov, vytvorenú štatistickou integráciou proxy údajov so simuláciami klimatických modelov. PhanDA vykazuje veľké rozpätie GMST od 11° do 36 °C. Rozdelenie rekonštrukcie na klimatické stavy naznačuje, že viac času sa strávilo v teplejšom než chladnejšom podnebí a odhaľuje konzistentné teplotné gradienty v rámci každého stavu. Medzi koncentráciami atmosférického oxidu uhličitého (CO2) a GMST existuje silná korelácia, ktorá identifikuje CO2 ako dominantný faktor ovplyvňujúci zmeny v globálnej klíme vo fanerozoiku a naznačuje zjavnú citlivosť zemského systému na úrovni ~8 °C.
Záznamy o globálnej priemernej povrchovej teplote (GMST) vo fanerozoickom eóne sú nevyhnutné pre vytvorenie ucelenej histórie našej planéty a presnejšie predpovede budúcich klimatických zmien. V priebehu poslednej pol miliardy rokov sú zmeny globálnej klímy úzko prepojené s evolučnými vzorcami flóry aj fauny (1), tektonikou (2, 3) a chemickým zložením atmosféry a oceánov (4, 5). Pochopenie toho, ako sa teplota zemského povrchu vyvíjala počas tohto intervalu, je preto rozhodujúce pre obmedzenie mechanizmov a spätných väzieb, ktoré sú hnacou silou dlhodobých globálnych zmien. Rozsah a rozloženie GMST vo fanerozoiku poskytuje aj kontext pre prebiehajúce otepľovanie spôsobené človekom. Podobne sú odhady paleo-GMST potrebné na výpočet rovnovážnej klimatickej citlivosti (ECS) (6 - 9) a citlivosti zemského systému (ESS) (10 - 13) - metrík, ktoré sú dôležité na predpovedanie klimatických dôsledkov antropogénnych emisií oxidu uhličitého (CO2) (6, 7).
Rekonštrukcie teploty vo fanerozoiku sa tradične opierajú buď o proxy údaje (14, 15), alebo o modely zemského systému (ESM) (4, 16, 17). Existujúce rekonštrukcie založené na proxy sú buď obmedzené na údaje o teplote morskej hladiny (SST) (18, 19), alebo extrapolujú GMST kombináciou tropického záznamu SST s paleo-Köppenovými klimatickými pásmi (14, 15). Heterogénne časopriestorové pokrytie proxy údajov však môže skresľovať odhady GMST (8, 20, 21) a vernosť údajov aj predpokladov proxy systému je s rastúcim geologickým vekom postupne neistejšia. Naopak, výpočet GMST z celoplošných výstupov povrchovej teploty vzduchu (SAT), ktoré poskytujú ESM, je jednoduchý (4, 16, 17), ale vyžaduje si predpoklady o okrajových podmienkach (napr. koncentrácia skleníkových plynov, objem ľadu), ktoré je náročné obmedziť v hlbokom čase. Priame modelové odhady GMST závisia aj od klimatickej citlivosti ESM (16, 17) a niekedy sa rozchádzajú s geologickými dôkazmi (4, 16, 17). Je pozoruhodné, že existujúce dlhodobé záznamy o fanerozoickej GMST z proxies (14, 15) aj modelov (4, 16, 17) majú tendenciu vykazovať nižšiu teplotnú variabilitu a celkovo chladnejšie teploty ako nezávislé odhady časových úsekov z dobre preskúmaného kenozoika (8, 9, 22-26), čo naznačuje, že dynamický rozsah fanerozoickej teploty môže byť podhodnotený. Tieto nezrovnalosti vyvolávajú pochybnosti o našom chápaní dlhodobej klimatickej histórie Zeme a zdôrazňujú potrebu prehodnotenia pomocou nového prístupu.
V tejto práci predstavujeme PhanDA, najmodernejšiu rekonštrukciu GMST pokrývajúcu posledných 485 miliónov rokov histórie Zeme. PhanDA je založená na asimilácii paleoklimatických údajov (DA), ktorá štatisticky kombinuje proxy údaje so simuláciami ESM s cieľom vytvoriť priestorovo úplnú rekonštrukciu SAT (27). Tento prístup využíva silné stránky proxy údajov aj modelov ako zdrojov informácií, čím poskytuje inovatívny spôsob skúmania časových a priestorových zákonitostí klímy Zeme v priebehu fanerozoika.
Rekonštrukcia PhanDA
Rekonštruujeme fanerozoické GMST pomocou offline metódy Kalmanovho filtra na asimiláciu proxy a modelových informácií (27-29). Metóda bola použitá v novších časových intervaloch na vytvorenie časových radov globálnych zmien (28, 30) a na rekonštrukciu podmienok počas kľúčových časových úsekov vrátane posledného glaciálneho maxima (31) a paleocénno-eocénneho termálneho maxima (PETM) (24). Rámec DA ponúka niekoľko výhod v porovnaní s tradičnými rekonštrukciami len na základe modelu alebo proxy. Po prvé, tento prístup súčasne aktualizuje viaceré klimatické polia bez ohľadu na typ použitých proxy údajov, čo umožňuje rekonštrukciu SAT pri použití proxy údajov SST, a teda zjednodušuje výpočet GMST. Po druhé, keďže DA využíva súbor simulácií ESM namiesto jedného experimentu, výsledky menej závisia od toho, či model beží pri presných hodnotách CO2 alebo či ESM má presnú klimatickú citlivosť. Po tretie, posteriorný súbor sa môže použiť na obmedzenie neistoty. A nakoniec, vďaka zdokumentovaniu všetkých rozhodovacích procesov a poskytnutiu skriptov na spustenie DA je rekonštrukcia PhanDA plne reprodukovateľná a môže sa ľahko aktualizovať a zdokonaľovať, keď budú k dispozícii nové proxy údaje, ESM a predsunuté modely proxy systémov.
V súlade s prístupom nedávnych rekonštrukcií DA (30, 31) sme asimilovali geochemické proxy hodnoty SST, ktoré sme čerpali z databázy PhanSST (21, 29). Terestrické proxy informácie o teplote sme neasimilovali z niekoľkých dôvodov. Po prvé, v súčasnosti nie je k dispozícii komplexná kompilácia údajov o terestrickej SAT v celom fanerozoiku. Po druhé, chýbajú nám formálne modely proxy systémov pre mnohé z terestrických proxy údajov (napr. analýza okrajov listov, palynoflorálne zloženie), ktoré by sme mohli použiť v rámci paleo-DA. A napokon, mnohé súbory terestrických údajov si vyžadujú presné odhady paleoaltimetrie, ktoré - najmä v prípade horských oblastí - sú v hlbokom časovom horizonte veľmi neisté a je nepravdepodobné, že by ich správne reprezentovala hrubá sieť mnohých modelových simulácií. Hoci by začlenenie pozemských údajov zlepšilo odhady DA nad pevninou, vzhľadom na to, že oceány predstavujú ~ 70 % zemského povrchu, údaje o SST by mali byť dostatočne výpovedné na odhad GMST.
Asimilovali sme celkovo 85 časových úsekov od základov ordoviku po holocén. Každý časový rez vo všeobecnosti predstavuje jeden geochronologický vek (t. j. chronostratigrafický stupeň), hoci sme skombinovali údaje zo susedných stupňov počas šiestich intervalov chudobných na údaje (29) a oddelili sme údaje PETM [pred 56 miliónmi rokov (Ma)] od zvyšku ypresia (56 až 48,07 Ma) vzhľadom na veľké množstvo údajov dostupných počas tohto dobre preskúmaného hypertermálu. Proxy údaje rovnakého typu a na rovnakom mieste boli v rámci každého cieľového štádia spriemerované, čo viedlo k relatívne konzistentnému rozloženiu asimilovaných dátových bodov v čase až do neogénu, kedy sa množstvo údajov výrazne zvyšuje (obr. 1A). Pre každú etapu sme použili 80-členný modelový súbor, vytvorený zo súboru viac ako 850 simulácií vo viac ako 100 časových úsekoch (29, 32), uskutočnených s plne viazaným modelom atmosféry, oceánu a vegetácie Hadleyho centra, HadCM3L (33, 34). Tieto simulácie sú vzorkou rôznych koncentrácií CO2, paleogeografie a štrukturálnych neistôt modelu a pokrývajú široký rozsah klimatických podmienok a GMST (obr. 1B). Náš modelový prior sa obmedzuje na výstupy HadCM3L, pretože pokiaľ je nám známe, je to jediný súbor simulácií, ktorý poskytuje viacero možných klimatických riešení v priebehu fanerozoika [napr. simulácie modelu CESM (35) používajú jedinú trajektóriu CO2]. Na prepojenie proxy hodnôt s klimatickými premennými sme použili zavedené dopredné modely (tabuľka S1), ktoré zohľadňujú priestorovú a časovú variabilitu hodnôt δ18O (δ18Osw), pH a Mg/Ca morskej vody (29).
Obr. 1. Proxy a modelové údaje použité na rekonštrukciu PhanDA.
Časové (A) a priestorové (B) rozloženie etapovo spriemerovaných proxy údajov použitých pri asimilácii. (C) Rozsah (sivý pás) a medián (čierna čiara) GMST v rámci predchádzajúceho modelového súboru pre každú asimilovanú etapu.
Takmer všetky proxy údaje staršie ako krieda pochádzajú z analýz izotopov kyslíka (karbonátových aj fosfátových) fosílií a δ18Osw je kľúčovým predpokladom vlastným týmto proxy systémom. Vedú sa diskusie o tom, či vo fanerozoiku došlo k dlhodobej sekulárnej zmene globálneho priemeru δ18Osw (19, 36, 37). Konečné výsledky, ktoré sú tu uvedené, sú vzorkou dvoch riešení: (i) žiadna sekulárna zmena a (ii) malá nelineárna zmena (t. j. nárast na základnú hodnotu „bez ľadu“ ~ 1 promile (‰) od ordoviku) vyvolaná Snowball Earth (37). Uvažovali sme aj o väčšej zmene δ18Osw navrhovanej v (36) (t. j. nárast o ~5 ‰ od ordoviku), ale zistili sme, že uplatnenie tohto predpokladu viedlo k hodnotám GMST, ktoré boli v porovnaní s geologickými dôkazmi pre väčšinu paleozoika neprimerane chladné a tiež priniesli slabú koreláciu s nezávislými odhadmi teploty zhlukovaných izotopov (29) (obr. S1).
Rekonštrukcia PhanDA sa výrazne líši od modelovej predlohy (porovnaj obr. 1C a 2), čo ilustruje dôležité poznatky získané asimiláciou proxy údajov. Časovo vážený priemer GMST vo všetkých asimilovaných fázach (24° ± 5 °C, 1σ) je teplejší a variabilnejší ako v prípade predchádzajúceho súboru (20° ± 2 °C), ako aj predchádzajúcich rekonštrukcií teploty vo fanerozoiku (4, 14-17) (obr. S2). V kenozoiku, ktorý je relatívne bohatý na údaje, má však PhanDA GMST silnú, takmer 1:1 koreláciu s nezávislými odhadmi GMST v časových úsekoch odvodenými pomocou rôznych metód (8, 22-26, 30) (obr. S3; korelačný koeficient r = 0,90). Zhoda medzi PhanDA a predchádzajúcimi kenozoickými štúdiami dodáva dôveru nami rekonštruovanej GMST počas týchto intervalov bohatých na údaje, ako aj väčší dynamický rozsah PhanDA v porovnaní s predchádzajúcimi rekonštrukciami teploty vo fanerozoiku (4, 14-17).
Obr. 2. História teplôt vo fanerozoiku.
Rekonštrukcia GMST podľa PhanDA za posledných 485 miliónov rokov. Čierna čiara znázorňuje medián, tieňovanie zodpovedá percentilu súboru. Modré obdĺžniky znázorňujú maximálnu šírku zaľadnenia (2) a oranžové prerušované čiary znázorňujú načasovanie piatich veľkých masových vymieraní vo fanerozoiku (36).
Teploty vo fanerozoiku
PhanDA naznačuje, že teplota na Zemi sa v priebehu posledných 485 miliónov rokov pohybovala medzi minimálnymi hodnotami 11 °C [neskorý pleistocén; pred 129 až 11,7 tisíc rokmi (ka)] a maximálnymi hodnotami 36 °C (turon; 93,9 až 89,39 mil. rokov) a vykazuje kľúčové vlastnosti, ktoré sú v súlade s našimi súčasnými poznatkami o podnebí vo fanerozoiku (obr. 2). Rekonštrukcia začína horúcimi podmienkami na začiatku ordoviku, ktoré sa postupne ochladzujú do Hirnantianu (445,21 až 443,07 mil. rokov), čo je v súlade s litologickými dôkazmi o zaľadnení (2) a zhoduje sa s masovým vymieraním v neskorom ordoviku (38). Hoci medián hirnantiánskeho GMST (21 °C) je teplejší ako iné intervaly so známym zaľadnením, expanzívny gondwanský superkontinent zosilnil kontinentálnosť, čím sa v stredných až vysokých zemepisných šírkach vytvorili teploty pod bodom mrazu a umožnil vznik rozsiahlych ľadovcov (doplnkový text a obr. S4). Teplé podmienky v neskorom devóne, ktoré vrcholia vo frazéne (378,9 až 371,1 mil. rokov), sa zhodujú s obdobím zvýšeného vulkanizmu súvisiaceho s vyvrásnením veľkých magmatických provincií Jakutsk-Viluj (39, 40) a Kola-Dneper (39), ako aj s frazénsko-famniánskou biotickou krízou (38). Po oteplení vo frazéne nasleduje dôsledné dlhodobé ochladzovanie do karbónu, pričom v perme zostávajú teploty chladné, ale premenlivé. Impulz oteplenia počas induánu (251,9 až 249,88 mil. rokov), prvej fázy triasu, nasleduje bezprostredne po vulkanizme sibírskych pascí (40) a masovom vymieraní na konci permu (38). V priebehu triasu, jury a väčšiny kriedy naša rekonštrukcia ukazuje dlhodobý trend otepľovania, ktorý kulminuje v skleníkových podmienkach počas turonu, po ktorom nasleduje postupné ochladzovanie na konci druhohôr. V celom kenozoiku GMST presne kopíruje trajektóriu zásobníka δ18O bentických foraminifer (41) [obr. S5; r = -0,96, P < 0,01 (42)]. Maximálne teploty sa dosiahli počas PETM, efemérnej hypertermie spojenej s negatívnou exkurziou izotopov uhlíka (43) a vyvrásnením severoatlantickej ignifikácie (40), pričom teplo sa udržalo až do začiatku eocénu (ypresia). GMST od konca paleogénu do holocénu sa dobre zhoduje s odhadmi rozsahu ľadovcov (2), ktoré naznačujú krátkodobý ústup ľadovcov na začiatku neogénu a rýchlu expanziu počas štvrtohôr.
Napriek všeobecnej zhode medzi PhanDA a ostatnými záznamami globálnych zmien existujú určité obdobia, keď sa PhanDA odchyľuje od zavedených modelov. Napríklad, hoci celkovo chladnejšie podmienky počas karbónu a permu sa v podstate zhodujú s načasovaním neskorej paleozoickej doby ľadovej (LPIA), minimum GMST sa vyskytuje skôr (serpuchov; 330,34 až 323,4 mil. rokov) ako maximá v údajoch o výskyte ľadovcov (44) a šírke zaľadnenia (2) (kasimovsko-gelián; 307,02 až 298,89 mil. rokov). Záznamy o výskyte ľadovcov a rozsahu ľadu však v konečnom dôsledku poskytujú len malý prehľad o objeme ľadu. Mnohé z tradičných glaciálnych indikátorov (napr. diamantity) môžu mať neľadovcový pôvod (45), čo komplikuje interpretáciu horninového záznamu, a obmedzený výskyt starších hornín a slabá kontrola veku môžu sťažovať rozlíšenie medzi izolovanými alpskými ľadovcami a rozsiahlymi ľadovými plochami (45, 46). Nedávne práce napríklad naznačujú, že priestorovo diachrónny záznam glaciálu LPIA na Gondwane odráža meniace sa polohy depocentier, keď sa kontinent posúval na východ cez južný pól (45, 46). Okrem toho časť vnímaného časového nesúladu pravdepodobne súvisí s časovým spriemerovaním teplotných a glaciálnych údajov v etapách, v ktorých došlo k expanzii aj ústupu ľadovcov (46). Je tiež možné, že glaciálne indikátory z LPIA sú skreslené smerom k mladším fázam doby ľadovej v dôsledku depozičných a konzervačných skreslení (47). Viaceré línie dôkazov totiž naznačujú skorší vrchol zaľadnenia. Na konci serpuchovského obdobia je globálna niekoľkomiliónová nekonformita, ktorá sa zhoduje s nárastom predpokladaných rozmerov glaciálu (46, 48) a vážnou krízou biodiverzity (49). Okrem toho nedávna štúdia nachádza dôkazy o trvalej deglaciácii v širokom páse južnej Gondwany počas posledného karbónu (50), čo naznačuje, že vrchol LPIA musel nastať skôr. Tu prezentovaná trajektória GMST sa dobre zhoduje s týmito revidovanými interpretáciami vývoja LPIA.
Podobne, hoci PhanDA vykazuje dobrú zhodu s odhadmi časových úsekov z kenozoika (obr. S3), je tu pozoruhodná odchýlka so záznamom izotopov kyslíka bentických foraminifer (41) počas stredného miocénu (obr. S5C). Počas štádia Serravallian (13,82 až 11,63 mil. rokov) a Torton (11,63 až 7,25 mil. rokov) PhanDA naznačuje relatívne teplé teploty, ale hodnoty bentických látok sú pomerne obohatené o 18O. To by mohlo naznačovať, že nárast bentického δ18O po strednom miocénnom klimatickom optime predstavuje skôr rast ľadovej pokrývky ako globálne ochladenie. Okrem toho, hoci GMST odhadnuté škálovaním bentických údajov (51) sú takmer nerozlíšiteľné od PhanDA počas neskorého neogénu a kvartéru, sú systematicky posunuté vo zvyšku kenozoika (obr. S5C), čo naznačuje, že predpoklady škálovania použité v (51) nezachytávajú v plnej miere skleníkové teploty. Veľká časť tohto nesúladu je pravdepodobne spôsobená „pH efektom“ na δ18O foraminifer. Aplikovaním teoretickej korekcie pH (52, 53) na bentické δ18O pred ich škálovaním sa získajú odhady GMST, ktoré sa tesne približujú vzťahu 1:1 s PhanDA (obr. S5D).
Fanerozoické klimatické stavy a šírkové gradienty
Vo všeobecnosti sa predpokladá, že klíma Zeme osciluje medzi dvoma dominantnými režimami: ľadovcovými intervalmi s jednopólovými alebo dvojpólovými kontinentálnymi ľadovými pokrývkami a strmými teplotnými gradientmi od pólu ku rovníku a skleníkovými intervalmi, ktoré nemajú rozšírené kontinentálne ľadové pokrývky a vykazujú plytké teplotné gradienty v zemepisnej šírke (54). PhanDA poskytuje vnútorne konzistentnú rekonštrukciu celého poľa, čo umožňuje cennú príležitosť skúmať časovú premenlivosť klimatických stavov (obr. 3A) a priestorové vzory, ktoré ich definujú (obr. 3D). Medián GMST z každého štádia sme zaradili do piatich kvantilov, z ktorých každý predstavuje iný klimatický stav (obr. 3B; „coldhouse“, „coolhouse“, „transitional“, „warmhouse“ a „hothouse“). Kvantily sú priradené len na základe GMST, takže sú nezávislé od apriórnych znalostí alebo predpokladov o klimatickom systéme (napr. objem ľadu a koncentrácie CO2 v atmosfére). Okrem toho sú kvantily priradené na úrovni štádia (ktoré má premenlivé trvanie), a nie na úrovni pevného časového kroku, čo umožňuje ich použitie na kvantifikáciu toho, koľko času sa strávilo v každom stave (obr. 3C).
Obr. 3. Klimatické stavy vo fanerozoiku.
(A) Časový rad klimatických stavov Zeme, pričom každému štádiu je priradený stav v súlade s kvantilmi definovanými v paneli (B) a výška každého obdĺžnika je škálovaná mediánom GMST daného štádia. (B) Graf jadrovej hustoty rozdelenia mediánových hodnôt GMST s každým z piatich definovaných kvantilov (ktorých rozsah je uvedený v zátvorkách pod označením každého stavu). (C) Koláčový graf znázorňujúci podiel času stráveného v jednotlivých klimatických stavoch v rámci celého fanerozoika. (D) Šírkový gradient prízemnej teploty vzduchu spojený s každým z klimatických stavov (farebné pásy znázorňujúce 16. až 84. percentil, farebné čiary znázorňujúce mediánovú hodnotu).
Časový rad klimatických stavov ako celok vykazuje dve výrazné oscilácie prvého rádu medzi obdobiami tepla (v ranom paleozoiku a neskorom mezozoiku až ranom kenozoiku) a obdobiami chladu (v neskorom paleozoiku a neskorom kenozoiku), ktoré sú oddelené prechodnými intervalmi (obr. 3A). Tieto oscilácie odrážajú dlhodobú cyklickosť v iných záznamoch globálnych zmien, ako je napríklad eustatická hladina mora, a s najväčšou pravdepodobnosťou sú spôsobené cyklom superkontinentov (3, 15, 55). Časové trendy vo všeobecnosti sledujú litologické dôkazy o zaľadnení (2, 44, 46). Počas glaciálu LPIA aj neskorého kenozoika sa posuny z teplého do prechodného stavu zhodujú so skorým výskytom ľadovcových usadenín (faménium, 371,1 až 359,3 mil. rokov, resp. rupelium, 33,9 až 27,29 mil. rokov) (2). Podobne sa prechod k trvalým chladným podmienkam v neskorom kenozoiku vyskytuje počas poslednej fázy miocénu (mesian; 7,25 až 5,33 mil. rokov), čo sa zhoduje s prvými dôkazmi o ľadovcových úlomkoch na severnej pologuli (56) a dôkazmi o poklese CO2, ktorý sa blíži k navrhovanej prahovej hodnote pre bipolárne zaľadnenie (57, 58). Za predpokladu, že stavy chladiarne a chladiarne spoločne predstavujú ľadovcové režimy, zatiaľ čo stavy teplárne a skleníka predstavujú skleníkové režimy, potom skleníkové podnebie bolo dominantným režimom počas posledných 485 miliónov rokov, čo predstavuje 41 % času fanerozoika, zatiaľ čo ľadovcové podmienky prevládali 31 % času (obr. 3C). Chladiarenské stavy, podobne ako naša súčasná klíma, sú počas fanerozoika pomerne zriedkavé (13 %).
Identifikovali sme časovo nezávislý vzorec v zónovo spriemerovaných teplotách vzduchu pri rôznych klimatických stavoch (obr. 3D), čo znamená, že GMST v rámci každého z piatich klimatických stavov sa dosahuje prostredníctvom odlišných meridionálnych distribúcií SAT. V súlade s polárnym zosilnením je zmena teplôt medzi jednotlivými stavmi najväčšia vo vysokých zemepisných šírkach, sprevádzaná nezanedbateľnými rozdielmi v tropických teplotách (obr. 3D). Tento model vedie k silnej negatívnej korelácii medzi GMST a tropicko-polárnym teplotným gradientom [LTG; r = -0,90, P < 0,01 (42); obr. S6A] (29). Hoci táto korelácia existuje aj v modelových prioroch, rozsah LTG v PhanDA je oveľa širší, čo odráža vplyv proxy údajov (obr. S6, B a C). V celom fanerozoiku sa rozdiel teplôt medzi tropmi a pólmi (ΔTlat) pohybuje od hodnôt ΔTlat = 30° až 48 °C počas chladného podnebia po ΔTlat = 14° až 25 °C počas teplého podnebia (obr. S6A a S7 a tab. S2). Táto hodnota ΔTlat v skleníku sa dobre zhoduje s rozsahom hodnôt gradientu SST, ktoré sa uvádzajú z klimatického optima na začiatku eocénu (59-61). Okrem toho sme zistili, že ľadovcové (coldhouse a coolhouse; ΔTlat = 23° až 48 °C) LTG sú väčšie a variabilnejšie ako skleníkové (warmhouse a hothouse; ΔTlat = 14° až 27 °C) LTG, čo sa dá očakávať od dynamicky sa meniaceho množstva polárnej pevniny a morského ľadu. Malé rozdiely v LTG štádií s podobným GMST počas ľadovcových intervalov možno pripísať rozdielom v ich kontinentálnych konfiguráciách, čo zdôrazňuje úlohu, ktorú paleogeografia (a kontinentálnosť) zohráva pri určovaní šírkového rozsahu ľadovej pokrývky (doplnkový text a obr. S4). V priebehu posledných 90 mil. rokov PhanDA naznačuje rozsah ΔTlat = 17° až 48 °C. Tento rozsah je oveľa väčší ako nedávna rekonštrukcia Gaskella a kol. (62) (ΔTlat = 15° až 28 °C). V tejto štúdii sa však uvádzajú šírkové gradienty SST, nie SAT, a preto sa zmenšený rozsah očakáva, pretože SST LTG je počas ľadovej klímy potlačená, keď sa teplota oceánu približuje k bodu mrazu morskej vody. Keď vypočítame SST LTG z PhanDA, zistíme dobrú zhodu so štúdiou Gaskella a kol. (ΔTlat = 18° až 27 °C pre posledných 90 mil. rokov; ΔTlat = 16° až 30 °C pre fanerozoikum; tabuľka S2).
Možnosť hornej hranice tropického tepla počas skleníkových intervalov (t. j. tropického termostatu) je predmetom dlhodobých diskusií (63 - 65). Priemerné tropické teploty SAT z rekonštrukcie PhanDA sú veľmi variabilné (obr. S7) a pohybujú sa od 22° do 31 °C (medián = 27 °C) počas ľadových intervalov do 32° až 42 °C (medián = 36 °C) počas skleníkových intervalov. Priemerné hodnoty tropickej SST počas vrcholného mezozoika (turon; 40 °C) a kenozoika (PETM; 38 °C) sú v dobrej zhode s predchádzajúcimi štúdiami dokumentujúcimi extrémne vysoké hodnoty tropickej SST počas týchto časových intervalov (63, 66, 67). Tieto zistenia spoločne vyvracajú myšlienku, že existuje pevný tropický termostat, čo je v súlade s proxy dôkazmi vytvorenými v poslednom desaťročí (59, 65), ako aj s pozorovaniami a modelovými štúdiami (64, 68).
Keďže GMST je plošne vážený priemer a ~ 40 % povrchu Zeme sa nachádza v trópoch, teploty v nízkych zemepisných šírkach majú na GMST silný vplyv. Preto sú najteplejšie tropické teploty (~40 °C) spojené s vysokými (>30 °C) hodnotami GMST. Hoci nemožno ignorovať možnosť, že diagenéza skreslila proxy záznamy smerom k vyšším teplotám, konzistencia medzi maximálnymi hodnotami GMST počas paleozoika, mezozoika a kenozoika (34°, 36° a 34°C) - éry charakterizované rôznymi dominantnými proxy systémami, depozičnými prostrediami a taxónmi - poskytuje podporu, že vysoké GMST sú skutočnou a trvalou črtou fanerozoika. Okrem toho sú naše kenozoické horúce GMST (počas eocénu a PETM) v dobrej zhode s predchádzajúcimi prácami (8, 24) (obr. S3).
Hodnoty GMST uvádzané počas hociakých intervalov však vyvolávajú otázku, či niektoré regionálne teploty na súši mohli prekročiť teplotnú hranicu pre mnohobunkový život. Experimenty naznačujú, že väčšina moderných organizmov má hornú teplotnú toleranciu ~35° až 40 °C (69). Rastliny adaptované na horúce púšte môžu aktívne rásť pri teplote 40 °C alebo mierne nad ňou, ale nad 45 °C vykazujú prudký pokles rýchlosti fotosyntézy (70) a nad ~50 °C dochádza k nezvratnému poškodeniu listov (71).
Tieto limity vychádzajú z moderných organizmov, ktoré počas miliónov rokov nezažili selekciu na prežitie pri vyšších teplotách, než sú tie moderné, takže je možné, že počas dlhších období tepla sa u organizmov vyvinuli adaptácie na prežitie extrémneho tepelného stresu. Hoci v súčasnosti neexistujú fylogenetické ani fosílne dôkazy na podporu tejto hypotézy (71), fyziologické a biochemické adaptácie na vysokú teplotu by sa vo fosílnom zázname dali len ťažko rozoznať. Ak však predpokladáme, že tieto hranice sú v čase statické, počas vrcholných teplých klimatických období by kontinentálne teploty 45° až 50 °C boli pre suchozemské ekosystémy náročné.
V konečnom dôsledku potenciál suchozemských organizmov odolávať extrémnym horúčavám závisí nielen od GMST alebo priemernej ročnej teploty, ale aj od sezónnych (a denných) teplôt, ako aj od vlhkosti, ktorá ovplyvňuje tepelný stres (72, 73). PhanDA nerekonštruuje tieto ukazovatele, pretože na to, aby sa to urobilo spoľahlivo, by boli potrebné vysoko verné terestrické proxy údaje v celom fanerozoiku a PhanDA asimiluje len proxy údaje SST. Dôkladné skúmanie obývateľnosti počas dávnych teplých klimatických období preto presahuje rámec tejto štúdie. Ak však chceme získať všeobecnú predstavu o rozsahu oblastí s extrémnymi teplotami počas teplého podnebia, môžeme sa obrátiť na produkt PETM-DA (24). PETM-DA vytvára GMST podobnú ako PhanDA (obr. S3; 34 °C), ale používa inú modelovú prioritu (simulácie vykonané pomocou iCESM1.2), asimiluje niektoré proxy údaje o pozemskej teplote a je tiež overený na základe nezávislých údajov o pozemskej teplote (24). PETM-DA zobrazuje veľké kontinentálne oblasti, v ktorých priemerné teploty teplých mesiacov (WMMT) prekročili 45 °C (obr. S8A). Mnohé žijúce rastliny a živočíchy však dočasne tolerujú extrémne teplo (70, 74), preto je dôležité zohľadniť aj teploty počas chladnejších častí roka. Priemerné teploty studeného mesiaca (CMMT) PETM-DA identifikujú len niekoľko izolovaných oblastí, kde extrémne teplo pretrváva po celý rok, a ktoré preto pravdepodobne neboli obývateľné (obr. S8B). Okrem toho fragmentovaná paleogeografia PETM má za následok viacero regionálnych refúgií vo vyšších zemepisných šírkach a nadmorských výškach a v pobrežných oblastiach, a to aj v rámci trópov (doplnkový text a obr. S8 a S9). Výstižnými príkladmi regiónov refúgií sú severozápadná Južná Amerika a India, kde PETM-DA prináša miernejšie teploty (pretože rekonštruované úhrny zrážok sú vysoké) (24) a kde sa vyskytovala vysoká floristická a faunistická diverzita (75, 76). Je teda pravdepodobné, že aj pri hodnotách GMST ~ 35 °C zostali rozsiahle oblasti, v ktorých sa ekosystémom mohlo dariť.
Fanerozoické GMST a atmosférický CO2
Atmosférický CO2 má dominantný vplyv na GMST v súčasnosti aj v geologickej minulosti (5, 77, 78). V súlade s týmto očakávaním PhanDA GMST úzko sleduje rekonštruovaný CO2 (29) počas fanerozoika (obr. 4A) a existuje významná pozitívna korelácia medzi (logaritmicky transformovaným) CO2 a GMST (obr. 4B; r = 0,72, P < 0,01 (42)). Táto korelácia je obzvlášť silná v kenozoiku (r = 0,97, P < 0,01), kde je hustota údajov o GMST aj paleo-CO2 najväčšia, ale je vysoká aj počas paleozoika, ktoré je na údaje porovnateľne chudobné (r = 0,73, P < 0,01). Naopak, počas mezozoika nie je medzi CO2 a GMST žiadny zreteľný vzťah (r = -0,37, P = 0,18). Pri rekonštrukcii CO2 v mezozoiku sa používajú údaje zo štyroch typov proxy systémov CO2 a nie je tu jasná dominancia jedného konkrétneho proxy systému (obr. S10A). Mezozoikum sa však od paleozoika a kenozoika líši tým, že nezahŕňa (podstatné) chladné a studené stavy, takže rozsah klimatických stavov zastúpených v tomto období je menší ako v ostatných dvoch. Hoci sa rozpätie údajov väčšinou prekrýva s celkovým trendom, stlačený rozsah CO2 (a veľké neistoty) sťažuje zistenie vzťahu medzi CO2 a GMST (obr. 4, A a B). Slabý vzťah vyplýva aj zo skutočnosti, že rekonštruovaný CO2 sa nezvyšuje v celom období strednej kriedy, čo je nezrovnalosť, ktorá bola zaznamenaná v predchádzajúcich prácach (79). Hoci to môže predstavovať skutočné oddelenie CO2 a GMST, môže to byť aj dôsledok neúplných znalostí o tom, ako rôzne proxies kódujú informácie o CO2 v minulosti (11). Na vyriešenie tejto „mezozoickej hádanky“ je potrebná ďalšia práca skúmajúca proxies CO2 aj teploty.
Obr. 4. Vzťah medzi fanerozoickou teplotou a atmosférickým CO2. (A) PhanDA GMST (hore) a rekonštruovaný atmosférický CO2 (dole), vyriešené na úrovni stupňov. Rekonštrukcia CO2 (29) je vo veľkej miere založená na údajoch od Foster et al. (2017) (78) v paleozoiku a mezozoiku a na údajoch od Rae et al. (2021) (80) v kenozoiku. Tieňovanie odráža percentily, rovnako ako na obr. 1. (B) PhanDA GMST verzus CO2, farebne odlíšené podľa geologických období. Yorkova regresia (86), ktorá zohľadňuje neistotu v premenných prediktora aj odpovede, je znázornená čiernou prerušovanou čiarou. (C) Rozsahy CO2 pre každý z klimatických stavov definovaných na obr. 3. Svetlé a tmavé pásy znázorňujú 5. až 95., resp. 16. až 84. percentil. Hrubá plná čiara znázorňuje mediánovú hodnotu a prerušovaná čiara medián s vylúčením údajov z mezozoika, kde je hodnota CO2 neistejšia.
Koncentrácie CO2 sa stupňujú so stavmi klímy definovanými na obr. 3 (obr. 4C), hoci s veľkými rozpätiami súvisiacimi s neistotami spojenými s rekonštrukciou CO2 a skutočnou variabilitou CO2 a GMST medzi jednotlivými etapami. Pozoruhodné je, že mediánová hodnota CO2 počas chladných intervalov [307 objemových častí na milión (ppmv)] je blízko modelovo odvodenej prahovej hodnoty pre kenozoické bipolárne zaľadnenie (280 ppmv) (58) a mediánová hodnota CO2 pre prechodné intervaly (790 ppmv) sa dobre zhoduje s navrhovanou prahovou hodnotou pre unipolárne zaľadnenie (750 ppmv) (58). Aj keď je rozsah veľký, mediánové hodnoty CO2 v skleníkových intervaloch (871 ppmv) sú v porovnaní s odhadmi z dobre preskúmaných skleníkových intervalov, ako je napríklad raný eocén (~1500 ppmv), trochu nízke (9, 80).
Tento rozpor je spôsobený zmätočne nízkymi (~775 ppmv) odhadmi skleníkového CO2 z kriedy, a to napriek dostatočným dôkazom o extrémnom teple (79). Vynechanie mezozoických štádií zvyšuje mediánovú hodnotu skleníkového CO2 na 1199 ppmv, čo je v lepšom súlade s kenozoickými dôkazmi (obr. 4C).
Konzistentný vzťah medzi CO2 a GMST v celom zázname je trochu prekvapivý vzhľadom na to, že na časovom horizonte fanerozoika očakávame, že pri zmene klímy zohrávajú úlohu faktory, ktoré nie sú spojené s CO2, vrátane zmien slnečnej svietivosti a iných skleníkových plynov. Nárast slnečného žiarenia o ~4,2 % od začiatku ordoviku (78, 81, 82) vedie k nárastu slnečného žiarenia (ΔFsolar) o ~9,8 W m-2, ak sa predpokladá, že albedo planéty (α) je konštantné (29). Predchádzajúce práce naznačovali, že vyšší obsah CO2 kompenzoval nižšiu slnečnú svietivosť na začiatku paleozoika (78), avšak ak by to tak bolo, údaje z paleozoika by sa na našom krížovom grafe CO2 verzus GMST mali nachádzať ďaleko napravo od údajov z kenozoika. Namiesto toho sa paleozoické odhady CO2 počas skleníkových aj ľadových intervalov do veľkej miery prekrývajú s kenozoickými (obr. 4B).
Zahrnutie nárastu slnečného žiarenia (29) zhoršuje vzťah medzi zmenou celkového pôsobenia (ΔF, vzhľadom na predindustriálny čas) a GMST (r = 0,53) a vytvára hodnoty ΔF, ktoré sú nižšie ako predindustriálny priemer (t. j. záporné) v 84 % paleozoika (obr. S11, A a B), napriek podstatným dôkazom, že globálne teploty boli počas väčšiny tohto obdobia vyššie ako predindustriálna hodnota. To vytvára záhadu, v ktorej sú paleozoické hodnoty CO2 zdanlivo príliš nízke na to, aby kompenzovali zníženú slnečnú konštantu. Tento výrazný rozpor bol zaznamenaný už skôr v modelových štúdiách z obdobia fanerozoika (4, 16) a je nezávislý od výberu rekonštrukcie CO2 (napr. obr. 2b z Foster et al., 2017) (78). Lineárny nárast ΔFsolar v priebehu fanerozoika však vychádza zo zjednodušujúceho predpokladu konštantného planetárneho albedu. Malé zmeny α môžu spôsobiť veľké rozdiely v čistom množstve slnečného žiarenia dopadajúceho na planétu. Napríklad lineárny nárast α za posledných 485 miliónov rokov len o 0,03 plne kompenzuje zmenu slnečnej svietivosti (obr. S11C).
Albedo planéty je ovplyvnené atmosférickým (napr. oblaky a aerosóly) aj povrchovým (napr. pomer pevniny a oceánu, rozsah ľadu a vegetačný kryt) albedom (83). Väčšinu faktorov, ktoré ovplyvňujú α, je ťažké ohraničiť v hlbokom časovom horizonte; jednou zložkou, ktorá je však relatívne dobre ohraničená z rekonštrukcií tektonických dosiek, je zmena pomeru rozlohy pevniny a oceánu v porovnaní s dneškom (29, 84). Vplyv týchto paleogeografických zmien na energetickú bilanciu planéty možno považovať za forsírovanie (ΔFgeog) (29, 81). V ordoviku tvorili subaerické kontinenty len ~15 % celkovej plochy planéty (v porovnaní s ~30 % dnes), pričom táto hodnota sa v priebehu paleozoika kvázi lineárne zvyšovala (obr. S12). To má za následok celkovo nižšie albedo povrchu pre paleozoikum, a teda pozitívny vplyv. Zohľadnenie ΔFgeog zlepšuje koreláciu s GMST (r = 0,69) tým, že čiastočne kompenzuje nižšie slnečné žiarenie (obr. S11, E a F). Korelácia je však stále nižšia ako v prípade, keď sa berie do úvahy len pôsobenie CO2, čo naznačuje, že na α mali vplyv buď iné faktory, alebo že ďalšie vplyvy pomohli kompenzovať nižšiu slnečnú svietivosť. Zmeny koncentrácií stopových skleníkových plynov (napr. metánu, oxidu dusného a ozónu) takmer určite prispeli k energetickej bilancii Zeme v rôznych obdobiach fanerozoika. Napríklad modelové štúdie naznačujú, že hojné karbonské a permské močiare mohli produkovať viac metánu (85), čo mohlo pomôcť kompenzovať nižší obsah CO2 a slnečné pôsobenie počas LPIA.
Budúca práca na modelovaní vplyvu koncentrácií stopových skleníkových plynov a obmedzenie vývoja albedo v priebehu fanerozoika pomôže objasniť úlohu faktorov, ktoré nie sú spôsobené CO2, a prečo sa zdá, že sa vylučujú tak, že CO2 je tak silne korelovaný s GMST.
S CO2 vyneseným v priestore log2, sklon lineárnej regresie medzi CO2 a GMST naznačuje zmenu GMST o 7,7° ± 0,3 °C na zdvojnásobenie CO2 (1σ; na základe Yorkovej regresie (86), ktorá zohľadňuje chyby v CO2 aj GMST). Táto hodnota je konzistentná v kenozoiku (8,2° ± 0,4 °C; obr. S13A), paleozoiku (7,8° ± 1,5 °C; obr. S12B) a v kenozoiku a paleozoiku spolu (8,0° ± 0,4 °C; obr. S12C). Túto metriku, ktorá kvantifikuje dlhodobú odozvu GMST na CO2, nazývame „zdanlivá“ citlivosť systému Zeme (AESS). Podobne ako tradičná ESS (10), aj AESS zahŕňa rýchle (napr. oblaky a morský ľad) aj pomalé (napr. rast a rozpad ľadovej pokrývky) klimatické spätné väzby. Implicitne však predpokladá aj to, že vplyv zmien slnečnej svietivosti, paleogeografie, skleníkových plynov iných ako CO2 alebo iných forcingov sa určitým spôsobom kompenzuje (ako sa skúma vyššie).
Z týchto dôvodov nie je AESS porovnateľná s konvenčnou ECS, ktorá podľa IPCC AR6 predstavuje 2° až 5 °C pre súčasnú klímu (7). Hodnota AESS podľa PhanDA sa však dobre zhoduje s odhadmi (a je priamo porovnateľná s odhadmi) ESS len na báze CO2 za posledných 10 miliónov rokov (tiež 8 °C) (11) a za posledných 800 tisíc rokov (7° až 13 °C) (12, 13). Na rozdiel od niektorých modelových štúdií, ktoré naznačili, že citlivosť klímy sa zvyšuje pri vyšších GMST (61, 81, 87), nepozorujeme štatisticky spoľahlivú závislosť od stavu AESS ani v kenozoiku, ani v paleozoiku, aspoň na úrovni štádia. Je potrebná ďalšia práca, aby sme pochopili, prečo je hodnota AESS taká konzistentná v celom fanerozoiku a čo určuje jej veľkosť ~8 °C.
Závery
Asimilácia údajov využíva paleoteplotné proxy informácie a modelové simulácie, pričom využíva veľký katalóg geologických údajov, ako aj naše najlepšie fyzikálne poznatky o podnebí vo fanerozoiku (obr. 1). Výsledný produkt, PhanDA, je štatisticky spoľahlivá a vnútorne konzistentná rekonštrukcia GMST za posledných 485 miliónov rokov a naznačuje, že teplota Zeme sa menila dynamickejšie, ako sa doteraz predpokladalo (obr. 2).
Záznam sme rozdelili do piatich kvantilov alebo klimatických stavov (obr. 3) a tieto rozdiely sme použili na preukázanie toho, že nezávisle od času a v priebehu celého fanerozoika sú GMST v rámci každého klimatického stavu spojené s podobnými LTG. Okrem očakávaného polárneho zosilnenia PhanDA naznačuje veľký rozsah tropických teplôt medzi piatimi klimatickými stavmi (22° až 42 °C).
PhanDA GMST vykazuje silný vzťah s atmosférickými koncentráciami CO2 (obr. 4), čo dokazuje, že CO2 bol dominantným faktorom riadiacim globálne klimatické zmeny v priebehu fanerozoika. Keďže sa však v priebehu času menila aj slnečná svietivosť, tento vzťah je dosť záhadný; dlhodobé zmeny planetárneho albedo alebo zmeny v koncentráciách stopových skleníkových plynov môžu pomôcť vyriešiť tento rozpor. Vzťah medzi CO2 a GMST tiež naznačuje relatívne konzistentnú AESS ~8 °C v priebehu celého fanerozoika. To naznačuje, že fanerozoický GMST je vysoko predvídateľný v časovom horizonte niekoľkých miliónov rokov, ak sú známe koncentrácie CO2, ale že naše chápanie toho, ako sa vplyvy a spätné väzby v hlbokých časových horizontoch navzájom vyvažujú alebo posilňujú, je neúplné.
Zhrnutie metód nasledujúci text je nepresný, chýbajú indexy a vzorce sádzané zrejme v editore tex
Pri asimilácii údajov PhanDA sa používa metóda Kalmanovho filtra so štvorcovou odmocninou v režime offline, implementovaná v MATLAB-e pomocou balíka kódu DASH v4.2.1 (27).
Stručne povedané, súbor posteriorných stavov (Xpost) sa vypočíta z
(i) súboru priorných stavov zo simulácií ESM (Xprior);
(ii) proxy údajov (Yobs);
(iii) odhadovaných proxy hodnôt (Yest), ktoré sú modelované dopredu zo súboru priorných stavov; a (iv) Kalmanovho filtra (K). Tieto premenné sú spojené pomocou zovšeobecnenej rovnice:
(rovnica v tex)(1)
Podrobnosti o každej z týchto premenných a spôsobe ich zostavenia možno nájsť v doplnkových materiáloch (29). Stručne povedané, simulácie ESM použité v Xprior pochádzajú z plne prepojeného modelu atmosféry, oceánu a vegetácie Hadleyho centra, HadCM3L (33, 34), a proxy údaje použité v Yobs boli čerpané z databázy PhanSST (21), ktorá obsahuje viac ako 150 000 proxy odhadov z piatich geochemických proxy systémov pre SST. Yest alebo predpovedané hodnoty proxy sme vypočítali z našich modelových priorov pomocou zavedených forwardových modelov (tabuľka S1), pričom sme zohľadnili priestorovú a časovú variabilitu hodnôt δ18O, pH a Mg/Ca morskej vody. Kalmanov zisk, K:
(rovnica v tex)(2)
váži a rozkladá nové informácie získané pridaním proxy údajov pomocou kovariancie (cov) medzi predchádzajúcim stavom a klimatickou odchýlkou v mieste proxy, kovariancie odhadov proxy a neistoty samotných proxy hodnôt (R). Pomocou asimilácie údajov sme rekonštruovali globálne podmienky v 85 časových úsekoch naprieč fanerozoikom, ktoré vo všeobecnosti zodpovedajú geochronologickým vekom (t. j. chronostratigrafickým etapám). Aby sa lepšie vyselektovali neistoty súvisiace s výberom predchádzajúceho súboru (Xprior), predpokladmi o chemickom zložení morskej vody potrebnými na výpočet Yest a neistotou proxy (R), každá etapa sa asimilovala 420-krát, pričom sa iterovalo cez všetky permutácie rôznych scenárov.
Niektoré podmnožiny modelových priorov prinášajú nerealistické výsledky (napr. nerealisticky strmé vysoké teplotné gradienty v zemepisnej šírke); vytvorili sme automatický skríningový protokol na označenie a odstránenie týchto asimilácií. Medián a neistota GMST každého časového úseku sa potom vypočítali pomocou plošne váženého priemeru SAT z neoznačených súborov Xpost.
Úplný opis metód použitých pri asimilácii údajov, určovaní teplotných gradientov a klimatických stavov v zemepisnej šírke, konštrukcii záznamu atmosférického CO2 a odhade klimatických faktorov v celom období fanerozoika sa nachádza v doplnkových materiáloch (29).
Poďakovanie
Simulácie klimatického modelu sa uskutočnili pomocou výpočtových zariadení Výskumného centra pre pokročilé výpočty na Bristolskej univerzite