Tässä käydään läpi ilmastotutkimusta puiden vuosirenkaiden (lustojen) perusteella, eli dendroklimatologian perusteita. Teksti pohjautuu tuoreeseen katselmusartikkeliin, jonka on kirjoittanut Paul Sheppard (2010). Dendroklimatologia perustuu dendrokronologiaan, jota tässä artikkelissa myös paljon käsitellään. Sheppard määrittelee dendrokronologian näin:
Dendrokronologiaksi kutsuttu tieteenhaara tutkii puiden vuosirenkaita sekä menneen ajan ympäristöoloja ja tapahtumia, joita puiden vuosirenkaat voivat kuvata.
Dendroklimatologia, joka on yksi dendrokronologian osa-alueista, taas käyttää dendrokronologian menetelmiä menneen ajan ilmaston tutkimiseen.
Puut kertovat menneestä ilmastosta. Kuva: Ari Jokimäki.
Historiaa
Jo muinaiset kreikkalaiset tiesivät, että puiden vuosirenkaat muodostuivat vuosittain, ja että niiden leveys oli vaihteleva. Leonardo da Vinci keksi yhdistää puiden vuosirenkaiden leveyden vaihtelun renkaan muodostumisen aikaisiin ympäristöoloihin. Tieteellisesti asiaa tutki ensimmäisenä tiettävästi tähtitieteilijä Andrew Ellicott Douglass 1900-luvun alussa. Tarkastellaanpa Douglassin ensimmäistä aiheeseen liittyvää artikkelia hiukan lähemmin (Douglass, 1909). Aluksi Douglass kuvailee työhypoteesinsa:
(1) puiden vuosirenkaat mittaavat puun ravinnonsaantia; (2) ravinnonsaanti riippuu paljolti kosteuden määrästä erityisesti siellä, missä kosteuden määrä on rajallinen ja puut joutuvat taistelemaan elämästään enemmän kuivuutta kuin kilpailevaa kasvillisuutta vastaan; (3) siksi sellaisissa maissa puiden vuosirenkaat todennäköisesti muodostavat sateisuuden mittarin.
Näiden kolmen askeleen tutkimiseksi Douglass sitten määritteli kolme tehtävää asiaa: puiden kasvukäyrän muodostaminen, kasvukäyrän vertaaminen sateisuuteen ja tukimuksen jatkaminen tarpeeksi pitkälle menneisyyteen, jotta puiden kertomaa voidaan verrata tunnettuihin tähtitieteellisiin tapahtumiin ja vaihteluihin.
Douglass esitteli ensimmäiseksi 25 puun keskiarvon Flagstaffista (joka sijaitsee Arizonassa) kahdeksan vuoden ajalta, jolloin oli sateisuuden havaintoja samalta alueelta. Harmi kyllä, Monthly Weather Review ei tuolloin pystynyt julkaisemaan Douglassin kuvia, joihin hän tekstissään viittasi. Douglass kuitenkin kertoi, että puiden kasvukäyrän yhteys sateisuuteen oli hyvin selvä. Hän vahvisti tämän myös vertaamalla joidenkin puiden mittaussarjoja hiukan kauempana sijainneisiin pitemmän ajan sateisuuden mittaussarjoihin ja edelleen vastaavuus oli hyvä. Tosin tässä jälkimmäisessä tapauksessa Douglass joutui käyttämään muutaman vuoden keskiarvoja. Hän totesikin, että lähialueilla yhteys sateisuuteen on selvä, mutta kauempana (n. 110 km) vastaavuutta yksittäisten vuosien kanssa ei ole. Käyttämällä useiden vuosien keskiarvoa vastaavuus muuttuu kuitenkin jälleen hyväksi myös kauempaa otettujen mittaussarjojen kanssa.
Tämän jälkeen Douglass kuvaili asian perusteita. Hän totesi, että ensimmäiseksi on selvitettävä yksittäisen renkaan muodostumisen ajoitus. Yleensä renkaat ovat selviä, mutta vaikeita tunnistettaviakin on erityisesti puiden keskiosassa (Douglass arvioi epävarmoja tapauksia olevan keskimäärin noin 2 %). Douglass kuvasi kuinka vuosivaihtelu näkyy vuosirenkaissa; kapea tummempi osa syntyi syksyllä ja talvella sekä vaalea leveämpi osa kesällä.
Douglass kuvaili myös mittausmateriaalin keräystä. Hän aloitti menemällä talviaikaan metsään ja suoritti vuosirenkaiden mittaukset paikanpäällä. Tämän jälkeen näytteiden keräys tehtiin niin, että häntä avustanut henkilö sahautti (ja joissakin tapauksissa Douglass itse valvoi sahausta) puiden kannoista näytteet ja lähetti ne Douglassille kaupunkiin mitattavaksi. Renkaiden leveyden mittaus tapahtui niin, että teräsmitta laitettiin puun sahausnäytteen pintaan vuosirenkaiden kanssa poikittain ja jokaisen renkaan paikka luettiin mitasta suurennuslasin avulla.
Douglass muodosti kaikista mittauksista yhden kasvukäyrän ottamalla kaikkien puiden keskiarvon kullekin vuosirenkaalle. Tutkiessaan tuloksena syntynyttä kasvukäyrää hän löysi siitä 11 vuoden jaksollisuuden, joka näkyi myös paikan lämpötilasarjassa. Douglass yhdisti sen auringonpilkkujaksoon siten, että Auringon vaikutus vaikutti sateisuuteen, joka sitten vaikutti puiden kasvuun. Asian innokkaille harrastajille Douglassin artikkelin yhteydessä on annettu hänen mittaussarjansa taulukoituna.
Dendrokronologia kasvoi sen jälkeen tieteenhaarana. Se levisi myös muihin maihin. Nykyään mittaussarjoja onkin kaikkialta, josta niitä on ollut mahdollista saada. Tropiikissa mittaussarjat ovat harvassa, koska vähäinen vuodenaikojen vaihtelu aiheuttaa puulajeille tasaisen kasvun, niin että näkyviä vuosirenkaita ei oikein tahdo syntyä. Tähän on mahdollisesti tiedossa parannusta, sillä röntgenkuvauksella on onnistuttu paljastamaan näkymättömät vuosirenkaat puuaineksessa olevaan kalsiumiin perustuen (Poussart et al., 2006). Tätä ennenkin on ollut joitakin menetelmiä trooppisten puiden vuosirenkaiden mittaukseen, mutta ne ovat olleet epätarkkoja ja työläitä. Muitakin lupaavia menetelmiä on kehitetty (Ohashi et al., 2009).
Kronologian muodostaminen
Ensimmäinen asia puiden vuosirenkaiden kronologiaa tehtäessä on paikan valinta. Ei riitä, että valitaan paikka, jossa kasvaa puita. Paikoissa, joissa puut joutuvat elämään kuivissa oloissa, puiden vuosirenkaat indikoivat kosteusolosuhteita eli sateisuutta. Paikoissa, joissa puiden kasvua hillitsee lämpötila, puiden vuosirenkaat indikoivat lämpötilaa.
Kun paikka on valittu, on seuraavaksi valittava puut, joista näytteet otetaan. Puiden valintaan vaikuttavat näennäinen ikä ja niiden kasvupaikka. Kasvupaikan suhteen oleellista on eritoten mahdollisten häiriötekijöiden läsnäolo. Tällaisia ovat esim. todisteet tulipaloista, erikoiset tuuliolosuhteet, eliöstön häirintä (lähinnä puille eikä näytteenottajalle – hyttysien ei pidä antaa häiritä tätä tärkeää työtä), tulivuoren purkaukset ja ihmisen toiminta.
Näytteiden ottamisen jälkeen on seuraavaksi ajoitettava vuosirenkaat. Jos ajoitus epäonnistuu, ei muodostetulla kronologialla ole oikeastaan mitään virkaa. Tässä yhteydessä vertaillaan monien puiden (eli kronologiaa varten on otettava näytteitä useammasta puusta) vuosirenkaita ja sovitetaan niiden renkaat toisiinsa, jolloin yksittäisten puiden vuosirenkaat asettuvat oikeaan ajanjaksoonsa. Sovittaminen tehdään tarkastelemalla erityisen ohuiden ja leveiden renkaiden muodostamia kuvioita ja sitä, miten ne sopivat eri puissa yhteen. Jos kaikissa valitun alueen puissa näkyy selkeästi samat erityispiirteet renkaiden leveyksissä, voidaan muodostetun kronologian ajoitus katsoa käytännössä varmaksi. Muodostettaessa kauan sitten kuolleiden puiden kronologioita, ajoitukseen käytetään yleensä radiohiiliajoitusta, jossa muutamasta kronologiaan kuuluvasta puusta lähetetään laboratorioon ajoitettavaksi radiohiilen perusteella. Tämä menetelmä ei kuitenkaan ole kovin tarkka, vaan siinä joudutaan tyytymään joidenkin kymmenien tai jopa satojen vuosien tarkkuuteen.
Puiden vuosirenkaiden tärkein mitattava asia on niiden leveys. Joskus mitataan myös erikseen voimakkaan (kesä) ja vähäisen kasvun (syksy-talvi) leveydet kustakin vuosirenkaasta. Myöskin saatetaan mitata puuaineksen tiheys, jolloin yleensä erityisesti ollaan kiinnostuneita kesän kasvukauden puuaineksen tiheydestä, joka yleensä indikoi lämpötilaa. Joskus mitataan myös hiilen isotooppeja puuaineksesta.
Vuosirenkaiden mittaussarjat tarkistetaan niin, että niistä etsitään voimakkaasti poikkeavia arvoja, jotka eivät näytä sopivan muuhun sarjaan. Tämän jälkeen vuosirengassarjoista poistetaan ylimääräiset trendit. Puiden vuosirenkaiden leveys pienenee luonnollisesti puun paksuuden mukaan puun ytimestä reunaan mennessä. Tämä pieneneminen ei kuvaa puun ympäristöoloja millään lailla ja on poistettava mitatusta sarjasta ennenkuin siitä aletaan tulkita ilmastollisia olosuhteita. Tämä vaihe on hyvin haastava. Nykyisillä menetelmillä trendinpoistovaiheessa saatetaan poistaa myös hyvin pitkäaikaisia ilmaston vaihteluita, joita ei voida erottaa puun luonnolliseen kasvuun liittyvästä trendistä.
Seuraavaksi eri puiden vuosirengassarjat yhdistetään kronologiaksi. Kronologioissa käytetään yleensä 20 tai enemmän yksittäistä puuta. Tätä yhdistettyä kronologiaa voi sitten käyttää alueen ilmasto-olojen tulkintaan.
Kalibrointi ja ilmaston tulkinta
Ennen kuin kronologiasta voidaan tulkita jotain ilmastoon liittyvää asiaa, on kronologiaa ensin verrattava kyseisen asian mittaussarjoihin ja kalibroitava kronologia kyseisten mittaussarjojen kanssa. Puiden vuosirenkaista saadaan tulkittua asioita ainoastaan yhden vuoden tai yhden kasvukauden tarkkuudella, joten vertailumittauksetkin on järjestettävä vastaavanlaisiksi. Vertailumittauksina voidaan käyttää yksittäistä mittausasemaa tai monien läheisten mittausasemien keskiarvoa.
Kronologia on siis kalibroitava vertailtavan asian kanssa yhteensopivaksi. Jos kronologia kertoo puiden vuosirenkaiden leveyden millimetreissä, emme voi lukea siitä esimerkiksi lämpötila-arvoja suoraan. Karkeasti ottaen kalibroinnissa vain sovitetaan vuosirenkaiden leveyden mitta-asteikko kuvaamaan lämpötila-asteikkoa.
Kalibroinnissa käytetään erilaisia tilastollisia menetelmiä, kuten kalibroidun vuosirengaskronologian ja vertailumittausten keskinäisen korrelaation laskeminen. Tästä tuloksena saadaan lukuarvo siitä, kuinka hyvin nämä kaksi vastaavat toisiaan. Tämä lukuarvo siis kertoo kuinka hyvin vuosirengaskronologia kuvaa vertailussa ollutta ilmastollista asiaa. Jos kronologiaa on verrattu vaikkapa alueen lämpötilamittauksiin ja korrelaation laskennassa on saatu hyvä vastaavuus näiden kahden välillä, kronologian voidaan katsoa kuvaavan lämpötilaa ja sitä voi silloin pitää kelvollisena ”lämpötilamittarina”.
Voidaan tietysti kysyä, että jos meillä on alueelta oikeitakin lämpötilamittauksia, niin mitä järkeä yleensäkään on yrittää lukea lämpötilaa puiden vuosirenkaista? Meillä ei kuitenkaan ole lämpötilamittauksia kuin 1800-luvulta alkaen parhaissa tapauksissa ja paikallisesti mittauksia on yleensä vasta 1900-luvulta alkaen. Puiden vuosirengaskronologioilla päästään ajassa taaksepäin usein paljon kauemmas, joten voimme käyttää puiden vuosirengaskronologioita menneiden aikojen lämpömittarina.
Ilmasto-olojen tulkintaa kalibroidusta kronologiasta tehtäessä oletetaan, että puiden vuosirenkaat reagoivat ilmastoon samalla tavalla nykyään kuin ennenkin. Tämä oletus ei aina pidä paikkaansa, mutta peruslähtökohtana se on hyvä. Täytyy vain pitää aina mielessä tällaisten epävarmuustekijöiden olemassaolo.
Muitakin epävarmuustekijöitä on. Vuosirengaskronologioiden vastaavuus tietyn ilmastoparametrin (esim. lämpötilan) kanssa ei koskaan ole täydellinen. Puiden kasvuun vaikuttaa aina moni asia vaikka yksi tekijä olisikin tärkein. Siksi puiden vuosirenkaat eivät koskaan kerro esimerkiksi lämpötilaa aivan täsmälleen. Tämän vuoksi ei kannata yrittää tulkita yksittäisten vuosien lämpötila-arvoja puiden vuosirengaskronologioista vaan keskittyä pitempiaikaisiin muutoksiin, joita vuosirengaskronologiat kuvaavat paremmin.
Eräs viime aikoina kovasti puhuttanut epävarmuuden lähde on ollut ns. ”divergenssiongelma”. Asianmukaisesti käsitellyt puiden vuosirengaskronologiat kuvaavat yleisesti ottaen hyvin lämpötiloja aina 1960-luvulle saakka, mutta sen jälkeen monissa paikoissa mitatut lämpötilat ja vuosirengaskronologiat lähtevät poikkeamaan toisistaan voimakkaasti. Ilmiötä esiintyy eniten pohjoisen pallonpuoliskon boreaalisella metsävyöhykkeellä. Syytä tähän ei vielä tiedetä varmasti. Ehdotettuja syitä ovat mm. lisääntyneen kuivuuden aiheuttama stressi, puiden heikentynyt tai muuttunut reaktio lämpenemiseen, vuodenaikojen olosuhteiden muuttuminen, auringonsäteilyn väheneminen ja kalibrointimenetelmien virheellisyys (D’Arrigo et al. 2008).
Kaikkine epävarmuuksineenkin puiden vuosirenkaat ovat tärkeä ilmastotiedon lähde. Ne ovat yksi harvoista menneen ilmaston mittareista, jotka kertovat asioita vuoden tarkkuudella. Lisäksi monet kronologiat ulottuvat pitkälle menneisyyteen, jopa tuhansien vuosien taakse. Pisimmät kronologiat ulottuvat yli 10 000 vuoden taakse (Eronen, 2002).
Kiitos kommenteista Jarille.
Lähteet
D’Arrigo, Rosanne, Rob Wilson, Beate Lieperta ja Paolo Cherubini, 2008, On the ‘Divergence Problem’ in Northern Forests: A review of the tree-ring evidence and possible causes, Global and Planetary Change
Volume 60, Issues 3-4, February 2008, Pages 289-305, doi:10.1016/j.gloplacha.2007.03.004. [tiivistelmä, koko artikkeli]
Douglass, A. E., 1909, Weather cycles in the growth of big trees. Monthly Weather Review 1909, 37:225–237. [tiivistelmä, koko artikkeli]
Eronen, Matti, 2002, Puulustot: ympäristömuutosten tietopankki, Tieteessä tapahtuu 6/2002. [koko artikkeli]
Ohashi, Shinta, Naoki Okada, Tadashi Nobuchi, Somkid Siripatanadilok and Teera Veenin, 2009, Detecting invisible growth rings of trees in seasonally dry forests in Thailand: isotopic and wood anatomical approaches, Trees – Structure and Function, Volume 23, Number 4 / August, 2009, DOI: 10.1007/s00468-009-0322-3. [tiivistelmä]
Poussart, P. M., S. C. B. Myneni, and A. Lanzirotti (2006), Tropical dendrochemistry: A novel approach to estimate age and growth from ringless trees, Geophys. Res. Lett., 33, L17711, doi:10.1029/2006GL026929. [tiivistelmä, koko artikkeli]
Sheppard, Paul R., 2010, Dendroclimatology: extracting climate from trees, Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change, Published Online: 16 Apr 2010. [tiivistelmä, koko artikkeli]
Ilmastotieto 