Maanalaiset lämpötilamittaukset pintalämpötilan indikaattorina – osa 2

Jatkoa osasta 1.

Maanalainen lämpötila

Kaksi päätekijää vaikuttaa maanalaiseen lämpötilaan: pinnan lämpötilan muutokset ja maapallon ytimestä tuleva lämpö. Maan ytimestä tuleva lämpö vaihtelee hyvin hitaasti miljoonien vuosien aikaskaalalla. Pinnan lämpötilan muutokset taas vaihtelevat verrattain nopeasti. Nämä kaksi vaikutusta on mahdollista erottaa toisistaan juuri ytimestä tulevan lämmön muutoksien hitauden ansiosta. Kun lämpötilakehitystä tutkitaan satojen tai tuhansien vuosien aikavälillä, voidaan ytimestä tuleva lämpövirta olettaa vakioksi, jolloin siitä voidaan erottaa lyhytaikaiset vaihtelut maan pinnan lämpötilamuutoksista johtuviksi.

Pinnan lämpötilamuutokset siirtyvät syvemmälle maahan lämpöaaltoina. Aaltojen voimakkuus laskee voimakkaasti syvemmälle mentäessä ja voimakkuuden lasku riippuu aaltojen taajuudesta; nopeat muutokset pienenevät nopeammin kuin hitaat muutokset. Tästä johtuu yllämainittu vuotuisten muutoksen näkyminen syvemmällä kuin päivittäisten muutosten. Tästä myös johtuu, että vaikka päivittäiset ja vuotuiset pintalämpötilan muutokset ovat paljon voimakkaampia kuin pitempiaikaiset ilmastonmuutokset, päivittäiset ja vuotuiset pintalämpötilan muutokset eivät näy muutamaa kymmentä metriä syvemmällä, mutta pitempiaikaiset ilmastonmuutokset näkyvät. Pinnan lämpötilan muutokset etenevät sellaisella nopeudella, että tuhannen vuoden lämpötilamuutokset näkyvät tyypillisesti maassa ylimmässä 500 metrissä.

Mitatusta lämpötilaprofiilista on siis erotettava maan ytimestä tulevan lämmön vakaa vaikutus. Tämän erotuksen jälkeen on jäljellä profiili, jota kutsutaan jäännöslämpötilaprofiiliksi. Lopullinen pinnan lämpötilarekonstruktio tehdään jäännöslämpötilaprofiilista. Rekonstruktioita on tehty kahdella tavalla; suoralla ja käänteisellä mallilla. Suorassa mallissa ensin oletetaan ilmastolle tietty historia ja siitä lasketaan miten sen pitäisi näkyä maan alla. Tulosta verrataan sitten havaintoihin. Oletettua ilmastohistoriaa korjataan sopivammaksi ja taas verrataan. Näin etsitään havaintoihin sopiva malli ja tämän mallin antama pintalämpötilan kehitys on haluttu rekonstruktio. Käänteisissä malleissa pinnan lämpötila johdetaan suoraan havainnoista.

Kun rekonstruktio tehdään useiden porausreikien yhdistelmästä, saadaan monet häiriötekijät poistettua ainakin osittain. Häiriötekijät ovat pääosin porausreiälle ominaisia, eivätkä näy useissa porausrei’issä samanaikaisesti, joten useiden porausreikien yhteiset, samanaikaisesti muuttuvat piirteet voidaan katsoa kuvaavan ilmaston vaihtelua. Lisäksi rekonstruktiota verrataan yleensä alueelta mitattuun pintalämpötilan mittaussarjaan, jotta voidaan varmistua rekonstruktion kuvaavan pintalämpötilaa ainakin ajalta, jolloin molemmista on tuloksia olemassa.

Maanalaisten lämpötilojen käyttöä rajoittaa rekonstruktioissa niiden ajallisesti huono erottelukyky, eli se, että ne eivät näytä nopeita vaihteluita samaan tapaan kuin esimerkiksi puiden vuosirenkaat, jotka näyttävät vuosittaisen vaihtelun. Hyvänä puolena on se, että maanalaisista lämpötiloista tehdyn rekonstruktion antamat lämpötilat esittävät hyvin pitemmän ajan keskimääräistä lämpötilaa. Lisäksi maanalaisia lämpötilamittauksia on tehty paljon ja hyvällä maantieteellisellä kattavuudella. Esimerkiksi eteläiseltä pallonpuoliskolta on olemassa paljon maanalaisia lämpötilarekonstruktioita, kun muita rekonstruktioita sieltä on vähän. Onpa Suomestakin tehty maanalaisiin lämpötiloihin perustuvia rekonstruktioita.

Maapallon pintalämpötila porausreikien rekonstruktioista

Porausreikärekonstruktioista on myös koostettu globaaleja analyysejä. Kuten kaikissa muissakin rekonstruktioissa ja pintalämpötila-analyyseissä, porausreikien lämpötilamittauksista tehdyissä rekonstruktioissa on ratkaistava se, miten yhdistää eri lähteistä saadut mittaukset toisiinsa järkevällä tavalla. Asiasta on paljon tutkimusta, mainittakoon alla esiteltyjen globaalien analyysien lisäksi mm. Mann et al. (2003) ja Pollack & Smerdon (2004). Globaalius on tässä kuten muissakin rekonstruktiomenetelmissä hiukan suhteellinen käsite, koska merten pohjista otettuja porausreikämittauksia ei käytetä (merten pohjien mittaukset eivät ole tarpeeksi syvältä – ne ovat yleensä vain muutaman metrin syvyydeltä) eikä porausreikien globaali jakauma ole tasainen edes maan päällisissä porausrei’issä.

Tässä tehtyjä globaaleja rekonstruktioita ja niiden tuloksia lyhyesti:

Huang et al. (1997) käyttävät maanalaisia lämpövirtamittauksia 20000 vuoden lämpötilarekonstruktioon. Heidän tuloksensa näyttävät, että holoseenikauden alku ja keskivaiheet olivat nykyistä lämpimämpiä ja lisäksi oli nykyistä lämpimämpi jakso noin 500-1000 vuotta sitten. Heidän tärkein tuloksensa oli kuitenkin lienee tämä:

Vaikka lämpötilan vaihtelut ovat voimakkaasti tasattuja tämän tyyppisessä rekonstruktiossa, tulokset muistuttavat selvästi myöhäisen kvartäärikauden yleisiä piirteitä, jotka näkyvät muissa prokseissa.

Pollack et al. (1998) – globaali analyysi 358 porausreiästä 500 vuoden ajalta kertoo, että:

…1900-luvulla Maapallon keksimääräinen pintalämpötila on kasvanut noin 0,5°C ja 1900-luku on ollut lämpimin viimeisistä viidestä vuosisadasta. Maanalaiset lämpötilat myös osoittavat, että Maapallon keskimääräinen lämpötila on kasvanut noin 1,0°C viimeisen viiden vuosisadan aikana.

Huang et al. (2000) – myöskin 500 vuoden ajalta, mutta 616 porausreiästä:

Tulokset vahvistavat 1900-luvun epätavallisen lämpenemisen, jonka pintalämpötilamittaukset ovat paljastaneet, mutta tulokset viittaavat, että kumulatiivinen muutos viimeisen viiden vuosisadan ajalta on ollut noin 1K ylittäen viimeaikaiset arviot perinteisistä ilmastoprokseista.

Pollack & Huang (2000) – katselmusartikkelina kertailee lähinnä em. töiden tuloksia 600 porausreiästä ja 500 vuoden ajalta:

Globaalina kokonaisuutena tarkasteltaessa porausreikien mittaustulokset osoittavat lämpötilan nousseen viimeisen 500 vuoden aikana noin 1 K:n verran, josta puolet on tapahtunut 1900-luvun aikana (kuva 7). Tämä arvio 1900-luvun lämpenemisestä on trendiltään samanlainen kuin sääasemilta tehdyistä pintalämpötilan mittauksista määritelty pinnan lämpeneminen (Jones et al 1999b). Kun tämä trendi lisätään aiempien vuosisatojen hitaampaan lämpenemiseen, 1900-luku erottuu lämpimimpänä vuosisatana viimeisimmästä viidestä, joka on samanlainen tulos kuin on saatu monista viimeaikaisista monia prokseja käyttävistä rekonstruktioista (Overpeck et al 1997; Jones et al 1998; Mann et al 1998, 1999), joissa ei käytetty maanalaisia lämpötiloja.

Beltrami (2002) – 500 vuoden globaali rekonstruktio 826 lämpötilaprofiilista:

Tulokset osoittavat, että keskimääräinen globaali maalämpötila ja maan lämpövirtaus ovat kasvaneet keskimäärin 0,45°K ja 18,0 mWm2 viimeisen 200 vuoden aikana ja 0,9°K viimeisen viidensadan vuoden aikana.

Huang et al. (2008) – nykyaikaistettu versio tutkimuksesta Huang et al. (1997). Tämäkin tutkimus on 20000 vuoden ajalta ja tässä käytetään maanalaisia lämpövirtamittauksia ja maanalaisia lämpötilamittauksia yhdistettynä nykyajan pintalämpötilan mittauksiin. Heidän rekonstruktionsa on esitetty kuvassa 2. Tutkimuksen tulokset ovat pääpiirteiltään samansuuntaiset kuin vuoden 1997 tutkimuksessa, mutta yksityiskohdat ovat hiukan hioutuneet:

Rekonstruktiot näyttävät lämpötiloiksi keski-holoseenikauden lämpimälle jaksolle noin 1-2 K yli vertailutason [vuosien 1961 ja 1990 välisen jakson lämpötilojen keskiarvo], keskiajan lämpökauden maksimi noin vertailutasolla tai hiukan alle, pienen jääkauden minimi noin 1 K alle vertailutason ja 1900 luvun lopun lämpötilat noin 0,5 K yli vertailutason.


Kuva 2. Globaalin pintalämpötilan poikkeaman rekonstruktio maanalaisista lämpötilan ja lämpövirran mittauksista tehtynä ja yhdistettynä nykyajan pintalämpötilamittauksiin. Korkeimmalle nouseva kohta on holoseenin lämpöhuippu (n. 6000 vuotta sitten). Alin kohta on viimeisin jääkausi. Muita mainitsemisen arvoisia kohtia kuvaajassa ovat keskiajan lämpökausi (pieni huippukohta n. 1000 vuotta sitten), pieni jääkausi (pari sataa vuotta sitten) ja 1900-luvun loppu (kohdassa nolla vuotta sitten). Lämpötilapoikkeaman nollakohta on vuosien 1961 ja 1990 välisen jakson lämpötilojen keskiarvo. Kuvan mittaussarja on otettu NOAA Paleoclimatology -sivustosta ja on peräisin tutkimuksesta Huang et al. (2008).

Kiitos Kaitsulle, Eskolle ja Jarille hyvistä kommenteista.

Lähteet

Beltrami (2002), ”Climate from Borehole Data: Energy Fluxes and Temperatures since 1500”, Eos Trans. AGU, 83(47),
Fall Meet. Suppl., [tiivistelmä, koko artikkeli]

Huang et al. (1997), ”Late Quaternary temperature changes seen in world-wide continental heat flow measurements”, Geophys. Res. Lett., 24(15), 1947–1950, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Huang et al. (2000), ”Temperature trends over the past five centuries reconstructed from borehole temperatures”, Nature 403, 756-758, doi:10.1038/35001556, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Huang et al. (2008), ”A late Quaternary climate reconstruction based on borehole heat flux data, borehole temperature data, and the instrumental record”, Geophys. Res. Lett., 35, L13703, doi:10.1029/2008GL034187, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Mann et al. (2003), ”Optimal surface temperature reconstructions using terrestrial borehole data”, J. Geophys. Res., 108(D7), 4203, doi:10.1029/2002JD002532, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Pollack et al. (1998), ”Climate Change Record in Subsurface Temperatures: A Global Perspective”, Science 9 October 1998:
Vol. 282. no. 5387, pp. 279 – 281, DOI: 10.1126/science.282.5387.279, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Pollack & Huang (2000), ”Climate Reconstruction from Subsurface Temperatures”, Annual Review of Earth and Planetary Sciences, Vol. 28: 339-365, doi:10.1146/annurev.earth.28.1.339, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Pollack & Smerdon (2004), ”Borehole climate reconstructions: Spatial structure and hemispheric averages”, J. Geophys. Res., 109, D11106, doi:10.1029/2003JD004163, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Advertisements

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: