22 dec. 2009

Koldioxid genom Fanerozoikum

Koldioxid är en viktig växthusgas, inget tvivel om den saken. Iskärnor visar att den globala temperaturen och atmosfärens koldioxid koncentration är starkt sammankopplade, där koldioxidökningen förstärker en pågående ökning av temperaturen, och vice versa. Men är detta samband mellan koldioxid och temperatur vanligt i Jordens förflutna innan Kvartär? Finns det indikationer i det förflutna på trösklar i koldioxidnivåer där kalla respektive varma perioder alltid infaller vid ett visst koldioxidintervall? Först, låt oss gå in på hur temperaturen har varierat under Jordens förflutna, mer specifikt under de senaste 542 Ma, den eon som kallas för Fanerozoikum.

Temperaturmätningar
Av naturliga skäl är den mest tillförlitliga uppskattningen av den globala temperaturen före Kvartär förekomsten av vidsträckta inlandsisar. Direkta bevis på omfattande nedisningar är tilliter (litifierad morän) och de olika slags märken ismassan lämnar efter sig på den underliggande berggrunden. Således vet vi idag att en kort nedisning inträffade i Ordovicium (ca. 446-444 Ma) och tre längre nedisningar i dels Devon-Karbon (ca. 361-349 Ma), Karbon-Perm (ca. 326-267 Ma) samt den nutida som inleddes för ca. 35 miljoner år sedan. Det finns även flera indirekta indikatorer på nedisningar som med viss försiktighet kan användas, exempelvis:
  • snabba globala förändringar i havsytan som inte kan härledas till tektoniska orsaker
  • enstaka större klaster i finkornigare sediment, så kallade dropp stenar eller ”ice-rafted debris
  • utbredning av olika temperaturkänsliga sedimentära bergarter som evaporiter och rev



Fig. 1. Från Royer m. fl., (2004). a) Temperaturavikelsen under Fanerozoikum jämfört med dagens temperatur.b) Den kosmiska strålningen under Fanerozoikum normaliserat mot dagens kosmiska strålning. c) Blå staplar motsvarar omfattande nedisningar och ljusblå kyligt klimat.

Under isfria perioder när den globala temperaturen varierar mellan kylig till varm kan man rekonstruera temperaturen via syreisotopvariationen över tid i marina karbonater (detta uttrycks som δ18O, kvoten i tusendelar mellan 18O/16O relativt till en standard). Syreisotoperna fraktioneras beroende på temperaturen, ju kallare det är, desto mer 16O evaporerar relativt till 18O och därmed kommer mer av den tyngre syre isotopen av vara tillgänglig för marina organismer (δ18O stiger).

Naturligtvis finns det flera faktorer att beakta för att uppskattningen av dåtida temperaturer via δ18O inte ska bli fel, exempelvis påverkar havens pH (surhet) karbonaternas δ18O. Tidigare rekonstruktionerna tog inte hänsyn till havsvattnets pH, vilket till stor del styrs av koldioxidmängden. Dessutom, om inte hänsyn tas till detta kommer relationen mellan koldioxid och temperaturen att bli felaktigt försvagad. Notera att den dåtida pH-korrigerade temperaturen är överlag högre, vilket stämmer bättre med paleoklimatologiska observationer under Fanerozoikum, särskilt under Mesozoikum, som karaktäriseras av en lång varm period med flera korta, kalla pulser (från indirekta bevis som fallande havsnivåer, droppstenar och även δ18O).

Notera att den kosmiska strålningen (Φ i fig. 1) och den okorrigerade temperaturrekonstruktionen förutspår långa och vidsträckta nedisningar, vilka passar illa med de direkta bevis som finns för de omfattande nedisningarna under Fanerozoikum. Däremot inträffar de mest omfattande nedisningar under Fanerozoikum samtidigt med de djupaste dalarna i den pH-korrigerade temperaturrekonstruktionen. Därmed tyder det på, åtminstone under tidsskalor av miljoner år, att kosmisk strålning har mindre påverkan på klimatet än vad som tidigare har föreslagits.

Koldioxid
Vad reglerar atmosfärens koncentration av koldioxid och hur kan vi överhuvudtaget veta något om hur atmosfären utvecklats under de senaste 600 Ma åren, i detta fall med avseende på koldioxid?

På geologiska tidsskalor kontrolleras atmosfärens innehåll av CO2 huvudsakligen av kemisk vittring1 (hydrolys) av Ca-Mg silikater och den vulkaniska aktiviteten, vilket förenklat kan skrivas:

CO2+(Ca,Mg)SiO2 = (Ca,Mg)CO3+SiO2 (1)

Det vill säga, reaktionen från vänster till höger beskriver hydrolysen av Ca-Mg silikater i bergrunden på grund av att koldioxid i vatten bildar en svag syra. Allt eftersom reaktionen fortskrider till vänster dras koldioxid ur atmosfären och koldioxidnivåerna sjunker. Ca2+ och Mg2+ förs ut till haven där de sedimenterar som biogent och kemisk utfällda karbonater. När reaktionen går från höger till vänster beskriver den upphettningen av Ca-Mg karbonater, via vulkanism, metamorfism och diagenes, vilket frigör koldioxid till haven och atmosfären under bildandet av Ca och Mg silikater. Geokemiska modeller (GEOCARB III) av atmosfärens koldioxidinnehåll baserade på marina sediments 87Sr/86Sr-kvot bygger på att denna kvot varierar i takt med vilket håll reaktion (1) går, då 87Sr/86Sr-kvoten skiljer sig åt mellan kontinenterna och manteln. Stigande 87Sr/86Sr-kvoter indikerar minskande koldioxidnivåer i atmosfären och tvärtom, det vill säga; snabbare vittring av kontinenter leder till ökat inflöde av kontinenternas Sr-isotopsignatur till haven vilket även minskar mängden koldioxid atmosfären och vice versa.

Flera proxy studier används vid rekonstruktionen av atmosfärens koldioxidnivå innan Kvartär, som : δ13C i pedogena karbonater (karbonater i "fossila" jordmåner, eng. paleosols), fytoplankton och levermossor (eng. liverworts), antalet stomata i växters ( C3-växter) blad, samt δ11B i planktoniska foraminiferer. Alla dessa metoder bygger på principen att de samvarierar med koldioxid i dag samt att de kan mätas tillförlitligt i ”Jordens arkiv”. Genom det vi vet om hur de olika proxierna relaterar till dagens förhållanden kan vi applicera denna kunskap på hur dessa har varierat i det förgångna.



Fig. 2. Radiative forcing från CO2 och solen genom Fanerozoikum. Viktigt att ha i åtanke är att Solen var svagare i Jorden förflutna, under nedisningen i senare delen av Ordovicium (ca. 440 Ma) var instrålningen ca. 4 % lägre än vad den är idag. Därmed var koldioxidtröskeln för nedisning betydligt högre än dagens. I grafen antas det att luminositeten ökat linjärt från 94.5 % av dagens ljusstyrka. Värdena är relaterade till de förindustriella nivåerna (CO2 = 280 ppm; solens luminositet = 342 W/m2). De mörka banden representerar perioder där direkta bevis för omfattande nedisning existerar. Efter Royer (2006)



Fig. 3. Koldioxid och temperatur variationen från slutet på Ordovicium till idag (460-0 Ma). Perioder med starka indikationer på utbredda inlandsisar markeras av mörkgråa staplar. Ljusgråa staplar markerar kyligt klimat. Horisontella prickade linjer representer möjliga trösklar för globalt kalla händelser respektive omfattande nedinsningar. Därmed kan 1000 ppm vara en tröskel till globalt sett kallt klimat och 500 ppm vara en tröskel till omfattande nedisningar. Efter Royer (2006).

Vad kan vi dra för slutsatts av att koldioxidnivåerna i atmosfären över lag samvarierar under Fanerozoikum (Fig. 2-3)? Ja, att koldioxid är den primära orsaken till klimatförändringar är inte säkert, men sett till vad Jordens förflutna säger oss så finns det mycket som indikerar på att koldioxid med stor sannolik är en av flera viktiga faktorer, som solens luminositet, kontinenternas konfiguration, Jordens albedo, orbitala parametrar, som styr det globala klimatet. Är man lagd åt det cyniska hållet kan man i alla fall glädja sig åt att om koldioxidnivåerna fortsätter att stiga kommer de utgöra en liten försäkring mot framtida istider.

Se även: AGU 2009: "Den största reglerratten"

1Även fotosyntesen och mängden kol som begravs i marken inverkar på atmosfärens halt av CO2 men den är av mindre betydelse, och detta samband kan skrivas:

CO2+H2O = CH2O+O2 (2)

Denna reaktion är den som reglerar mängden syre i atmosfären, vilket produceras via fotosyntesen när reaktion (2) går till höger samtidigt som organiskt material begravs i sediment och för en tid stuvas undan kol-cykeln. När reaktion (2) går till vänster beskriver den oxidationen av organiskt material eller upphettning av sedimentära bergarter rika på organiskt material.

Refferenser i urval:
Berner, R. A. GEOCARBSULF: A combined model for Phanerozoic atmospheric O2 and CO2 . Geochim. Cosmochim. Acta 70, 5653–5664 (2006).
Berner, R.A., Kothavala, Z., 2001. GEOCARB III: A revised model of
atmospheric CO2 over Phanerozoic time. Am. J. Sci. 301, 182–204.
DeConto, R. M. & Pollard, D. Rapid Cenozoic glaciation of Antarctica induced by declining atmospheric CO2 . Nature 421, 245–249 (2003).
Fletcher B. J. et al., 2008. Atmospheric carbon dioxide linked with Mesozoic and early Cenozoic climate change. Nature Geoscience 1, 43-48.
Carne R.E., J.M. Eiler, J. Veizer et al., 2007. Coupling of surface temperatures and atmospheric CO2 concentrations during the Palaeozoic era. Nature 449, 198-202
Huber, B.T., Norris, R.D., MacLeod, K.G., 2002. Deep-sea paleotemperature record of extreme warmth during the Cretaceous. Geology 30, 123–126.
Kump, L. R. Reducing uncertainty about carbon dioxide as a climate driver. Nature 419, 188–190 (2002).
Montanez, I.P., Tabor, N.J., Niemeier, D., et al. 2007. CO2-forced climate and
vegetation instability during Late Paleozoic deglaciation. Science,315, 87-91.
Royer, D. L., Berner, R. A., Montanez, I., Tabor, N. J. & Beerling, D. J. CO2 as a primary driver of Phanerozoic climate change. GSA Today 14, 4–10 (2004).
Royer, D. L. CO2 -forced climate thresholds during the Phanerozoic. Geochim. Cosmochim. Acta 70, 5665–5675 (2006).
Shaviv, N.J., and Veizer, J., 2003, Celestial driver of Phanerozoic climate?: GSA Today, v. 13, no. 7, p. 4–10.
Siegenthaler, U. et al. Stable carbon cycle-climate relationship during the late Pleistocene. Science 310, 1313–1317 (2005).
Veizer, J., Godderis, Y., and François, L.M., 2000, Evidence for decoupling of atmospheric CO2 and global climate during the Phanerozoic eon: Nature, v. 404, p. 698–701.

12 kommentarer:

  1. Med hänsyn taget till felmarginaler finns det visst en korrelation mellan temperatur och kosmiska strålar igenom hela fanerozoikum (se på sida 14 figur 11 här). Även om temperaturkurvan justeras för pH så sammanfaller toppar och dalar i graferna för temp. respektive kosmisk strålning.

    Korrelationen mellan temperatur och koldioxid kan bero på att lösligheten i vatten är temperaturberoende så det är inte lätt att skilja på orsak och verkan här. Det kan mycket väl vara så att ökad temperatur leder till ökad kolioxidhalt.

    När det gäller korrelationen mellan kosmiska strålar och temperatur kan man däremot vara ganska säker på att höjd temperatur inte påverkar mängden kosmisk strålning. Eller hur?

    PS. Passa gärna på att läsa igenom hela Kirkbys artikel. Det är en bra översikt över kunskapläget när det gäller klimat och kosmiska strålar. DS

    SvaraRadera
  2. Bengt
    Den figur du hänvisar till är den som jag har i Fig. 1, den okorrigerade δ18O, vilken baseras på Veizer et al., (2000). Graf 1 visar faktiskt skillnaden mellan korrigerade och okorrigerade data. Den T som du hänvisar till (den okorrigerade alltså) stämmer, som jag skrev i inlägget, dåligt med andra paleoklimatologiska observationer under Fanerozoikum (däremot stämmer de korrigerade bättre mot dessa observationer).

    Se gärna AGU seminariet där du kan se att inte ens reversaler i Jordens magnetfält (när Jorden således fullkomligt dränks i kosmisk strålning och partiklar från solen) påverkar klimatet ett dugg. Så, kosmisk strålning verkar inte vara drivande på någon tidskala, den är troligast högst sekundär eller ännu lägre parameter att ha i åtanke när det gäller klimatet.

    Ju mer och bättre utvecklingen när det gäller proxystudier blir, desto mer pekar de mot en samvariation av CO2 och T. Om du inte tror mig, passa på och läs ref. som finns i inlägget.
    Mvh
    Calle P

    SvaraRadera
  3. Jag förstår din invändning om Veizers arbete och det förbiseende han gjort. Men även om temperaturnivåerna är annorlunda i den korrigerade versionen så är periodiciteten densamma och överensstämmelsen med GCR-periodiciteten är god.

    Det geomagnetiska fältet är av underordnad betydelse när det gäller kosmiska strålar inom det energiområde som är aktuellt för molnbildning. Därför är effekten liten (men påvisbar)vid reversals eller s.k. Laschamps events. Jag har titta igenom föreläsningen från AGU-mötet som ni har på er hemsida och fastän Richard B. Alley verkar vara duktig och verkar veta vad han pratar om så har han inte full koll på kosmiska strålar och klimat. Han uppfattar Laschamps events som en falsifiering av denna hypotes, vilket det alltså inte är. Kirkby skriver om Laschamps events i artikeln jag länkade till ovan (på sida 12-13) och hade Alley läst på ordentligt hade han sluppit sprida denna felaktiga information.

    Samma gäller er på Uppsalainitiativet – ni hackar och gnager på hypotesen om modulering av kosmiska strålar, men ni saknar djupare förståelse för dess mekanismer. Återigen – läs gärna igenom Kirkbys översiktsartikel.

    SvaraRadera
  4. Beng A
    Jag förstår inte riktigt vad du menar. Att kosmisk strålnig (KS) inte driver klimatet är ganska tydligt (åtminstone på längre tidskalor). Enligt KS skulle Mesozoikum varit kallare än dagens nuvarande nedising, men denna tid domieras av värme. Sen förutspår KS långa kalla cykler (ca. 140 Ma), det finns inget som tyder på dylika långa nedisningar. Med andra ord, det förefaller mycket säkert att KS är en klart underordnad faktor för klimatet under 0.1-1 Ma tidskalan.

    Återigen, när det gäller reversaler, så förstår jag inte riktigt vad du menar. Laschamps event var den senaste misslyckade reversalen (eng. excursion)när det geomagnetiska fältet kraftigt sjönk utan att ändra polaritet. En reversal är när polerna byter plats och under denna tiden är magnetfältet frånvarande. Om Alley syftar på en reversal eller exkursion kommer jag inte ihåg, men att han är okunnig om KS kan jag inte se. Exempelvis, i den text du hänvisar till står det "If cosmic rays are indeed forcing the climate then there should be a climatic response to geomagnetic
    reversals or excursions
    ". Men då borde du även anse att Kirby (som skrev texten du hänvisar till) är lika okunnig om mekanismerna bakom KS och klimat som Alley och även vi på U är.

    Jag replikerar med det motsatta, att hypotesen om kosmisk strålning försvaras med näbbar och klor oavsett vad som läggs fram.
    Mvh
    Calle P

    SvaraRadera
  5. Enligt KS skulle Mesozoikum varit kallare än dagens nuvarande nedising. Vem säger det? Det finns andra saker än kosmiska strålar som på verkar klimatet (som t.ex. kontinentaldrift och koldioxid) så det är svårt att anlägga någon absolut skala när det gäller temperaturen.

    I ett inlägg ovan bad du mig titta igenom AGU-seminariet och det har jag gjort och jag kan berätta att Alley pratar om en s.k. misslyckad reversal (Laschamps event) och menar att det skulle utgöra ett bevis mot hypotesen om kosmiska strålar. Kirkby förklarar i sin artikel varför Alley har fel: Laschamps event hade väldigt kort tidsutsträckning. Samtidigt använde man ett filter på 3000 år för temperaturen. Lashamps event beräknas ha varat i 1500 år och en eventuell signal filtrerades alltså bort av Wagner et. al.(som jag tror är den artikel Alley hänvisar till). Kirkby refererar till en rad andra artiklar som visar på klimatrespons på Laschamps event och resonerar även kring att effekten var beroende på latitud.

    Allt detta står att läsa om i Kirkbys artikel som du inte verkar ha läst igenom. Jag kan i.o.f. sig förstå att du inte hinner läsa igenom alla artiklar som jag länkar till, men att du inte orkar titta igenom Alleys föreläsning som du själv hänvisar till tycker jag är ett konstigt sätt att föra diskussion på.

    Vill passa på att önska dig och alla här på UI en God jul!

    SvaraRadera
  6. Bengt A
    Kan inte förstå varför du så envetet ska försvara kosmisk strålning (KS). Se på Fig 1 och dra dina egna slutsater hur viktig KS är för klimatet under Fanerozoikum. Om du inte litar på det jag skrev kan du läsa refferenserna. Om du trots det fortfarande påstår att KS har någon större påverkan på klimatet under denna tid så är du helt imun mot vad vetenskapen säger.

    Jag håller med om att det framstår osäker i nuläget att avskriva KS på kortare tidskalor, även om jag har mycket svårt att se att sådana extrema händelser (reversaler)inte skulle märkas längre än ca. 3 Ka då klimatet, via negativa återkopplingar, borde reagera kraftigt på dylika händelser. De borde märkas tydligar under de senaste 5 Ma då 24 sådan magnetiska reversaler har skett.
    God fortsättning.
    Mvh
    Calle P

    SvaraRadera
  7. Bengt A
    Byt för skojs skull ut Veizer mot Mann. I båda fallen handlar det om tidiga, banbrytande studier i nya forskningsfält, som med tiden har förbättrats.Är det några som anklager Veizers studie från 2000 för fusk och manipulering av data för att passa hypotesen om kosmisk strålning?
    Mvh
    Calle P

    SvaraRadera
  8. Calle
    Jag tror inte att du, och inte heller Alley, har uppfattat vilken betydelse de kosmiska strålarnas energinivåer har:

    1. De primära kosmiska strålarna (som mestadels utgörs av protoner) behöver ha energier i nivåer uppåt 10 GeV för att ha effekt på molnbildning, vilket sker genom sekundära partiklar (mestadels myoner).

    2. Det geomagnetiska fältet är för svagt för att ha någon större inverkan på partiklar inom detta energiområde.

    3. Om det geomagnetiska fältet försvinner (som vid revesals eller Laschamps event) så innebär det endast en mindre förändring för kosmiska strålar inom detta energiområde och därmed sker ingen större förändring av molnbildning.

    4. Den effekt som ändå uppstår är mer uttalad vid låga latituder p.g.a. att det geomagnetiska fältet där normalt har mer skyddande effekt (jämfört med fältet närmare polerna som har högre inklination).

    Jag vet inte om du har någon kritik att rikta mot någon av punkterna 1-4 ovan? Om inte så innebär det att det argument som Alley framför i sin föreläsning som ett bevis emot Svensmarks hypotes faller.


    Du säger Jag håller med om att det framstår osäker i nuläget att avskriva KS på kortare tidskalor, även om jag har mycket svårt att se att sådana extrema händelser (reversaler)inte skulle märkas längre än ca. 3 Ka då klimatet, via negativa återkopplingar, borde reagera kraftigt på dylika händelser. De borde märkas tydligare under de senaste 5 Ma då 24 sådan magnetiska reversaler har skett. Jag vet inte vad du menar här med negativ återkoppling? Det är mest bara Lindzén och Spencer som brukar prata om negativ återkoppling och ni på UI brukar hävda en stark positiv återkoppling. Menar du inte positiv återkoppling fast förändringen är i negativ riktning?

    Angående tidsskalor så tror man att reversaler sker snabbt, i storleksordningen tusentals år, vilket är väldigt lite på en geologisk tidsskala. Vi har inga klimatproxies med denna upplösning för denna långa geologiska tidsperiod och kan därför inte se en eventuell klimatrespons på en magnetisk reversal. Så här är min gissning lika god som din.

    SvaraRadera
  9. Bengt A
    Först vill jag bara säga att det är bra att vi äntligen är överens om att den kosmiska strålningens (KS) förefaller vara av mindre betydelse för klimatet under Fanerozoikum.

    Till dina punkter, ja, jag har hört dessa förut. Kanske du ska skriva ett e-mail till Kirby oxå med dessa punkter, då även han anser att Jordens magnetfält påverkar klimatat. "If cosmic rays are indeed forcing the climate then there should be a climatic response to geomagnetic
    reversals or excursions".


    Av intresse kan vara att Jordens magnetfält av naturliga skäl är noll vid polerna, vilket innebär att här borde KS påverkan kunna avläsas, speciellt med tanke på att områdena runt polerna har extremt lite partiklar i luften. Så, om KS har noll påverkan vid polerna har noll påverkan så torde det tala emot KS.

    Med negativ återkopploing menar jag hur KS genom att öka jordens albedo orsakar en T minskning vilket i sin tur via återkopplingar orsakar mer T-minskning.

    Än så länge går iskärnor bara tillbaka de senaste ca. 750 000 åren. De tre senaste reversalerna skedde ca. 0.8, 0.9 och 1.1 Ma. med andra ord, det dröjer inte länge innan vi har högupplösta arkiv att tillgå när de senaste reversalerna inträffade.

    SvaraRadera
  10. Ja - det finns en klimatrespons på Laschamps event och rimligen på andra misslyckade och lyckade reversaler. Något både jag och Kirkby skriver. Varför läser du inte det vi skriver?

    Så, om KS har noll påverkan vid polerna har noll påverkan så torde det tala emot KS. Det är tydligt att du inte förstår mekanismen bakom hur kosmiska strålar påverkar molnbildning och klimat (Allt står att läsa i exempelvis Kirkbys artikel ovan). Jag tar det en gång till:

    Eftersom det geomagnetiska fältet normalt har liten modulerande påverkan på kosmiska strålar runt polerna så gör det inte så stor skillnad om fältet försvinner. Effekten kan förväntas vara mer uttalade närmare ekvatorn.

    SvaraRadera
  11. Bengt A
    Kul att du hela tiden uttalar dig om vad lite jag kan "om mekanismen bakom hur kosmiska strålar påverkar molnbildning och klimat". Har du inte ens övervägt att det är stor skillnad på densiteten av nukleationskärnor i luften i ekvatoriella områden(särskilt kontinentala) jämfört med över inlandsisar där borrkärnorna tas?

    Sen angående Kirbys tolking av Laschamp event från Kina och Brasilien så har de, vad jag kan se, förklarats genom förändringar i havscirkulationen, inte i kosmisk strålning. Kirby verkar tämligen partisk i sin text, vilket är lätt att vara om man känner starkt för en hypotes.

    SvaraRadera
  12. Calle

    Har du inte ens övervägt att det är stor skillnad på densiteten av nukleationskärnor i luften i ekvatoriella områden(särskilt kontinentala) jämfört med över inlandsisar där borrkärnorna tas? Jodå, och skillnaden mellan havs- och kontinentalområden har jag försökt förklara bl.a. i denna tråden.

    Angående Kirkby så är förhåller han sig kritiskt vetenskaplig till teorin om kosmiska strålars påverkan på klimatet. Han ger en översikt och pekar på områden där kunskapsläget är osäkert och ytterligare forskning behövs, detta gäller exempelvis nukleationsprocessen.

    SvaraRadera

Tips: Använd gärna signatur när du kommenterar. Det underlättar samtalet