Дендроклиматология

Изменение ширины годичных колец привело к аномалиям летней температуры за последние 7000 лет, на основе образцов голоценовых отложений на полуострове Ямал и ныне живущих хвойных пород Сибири.

Дендроклиматология — это наука об определении климата прошлого по деревьям (в первую очередь по свойствам годовых колец деревьев ). Годичные кольца шире, когда условия благоприятствуют росту, и уже, когда времена трудные. другие свойства годовых колец, такие как максимальная плотность поздней древесины Было показано, что (MXD), являются лучшими показателями, чем простая ширина колец. Используя годичные кольца, ученые оценили климат многих местных регионов на протяжении сотен и тысяч лет назад. Объединив многочисленные исследования годичных колец (иногда с другими климатическими данными ), ученые оценили прошлый региональный и глобальный климат.

Преимущества

Годичные кольца особенно полезны в качестве индикаторов климата , поскольку их можно точно датировать с помощью дендрохронологии , то есть сопоставления колец от образца к образцу. Это позволяет двигаться назад во времени, используя образцы умерших деревьев, даже используя образцы из зданий или археологических раскопок. Еще одним преимуществом годичных колец является то, что они четко размечены по годовому приросту, в отличие от других косвенных методов, таких как бурение скважин . Кроме того, годичные кольца реагируют на многочисленные климатические воздействия (температуру, влажность, облачность), так что можно изучать различные аспекты климата (а не только температуру). Однако это может быть палка о двух концах.

Ограничения

Наряду с преимуществами дендроклиматологии есть некоторые ограничения: мешающие факторы , географический охват, кольцевое разрешение и трудности сбора. В этой области разработаны различные методы, позволяющие частично справиться с этими проблемами.

Смешивающие факторы

Существует множество климатических и неклиматических факторов, а также нелинейных эффектов, влияющих на ширину годичных колец. Методы выделения отдельных факторов (представляющих интерес) включают ботанические исследования для калибровки влияний на рост и выборку «ограничивающих насаждений» (которые, как ожидается, будут реагировать в основном на интересующую переменную).

Климатические факторы

Климатические факторы, влияющие на деревья, включают температуру, осадки, солнечный свет и ветер. Чтобы дифференцировать эти факторы, ученые собирают информацию с «ограничивающих позиций». Примером ограничивающего древостоя является верхняя граница деревьев: здесь ожидается, что деревья будут больше подвержены влиянию колебаний температуры (которые являются «ограниченными»), чем изменений осадков (которые чрезмерны). И наоборот, ожидается, что на более низкие линии деревьев будут больше влиять изменения осадков, чем изменения температуры. Это не идеальный обходной путь, поскольку множество факторов по-прежнему влияют на деревья даже на «ограничивающей стойке», но это помогает. Теоретически сбор образцов из близлежащих ограничивающих насаждений разных типов (например, верхней и нижней линий деревьев на одной и той же горе) должен позволить математически решить множество климатических факторов. .

Неклиматические факторы

Неклиматические факторы включают почву, возраст деревьев, пожары, конкуренцию между деревьями, генетические различия, вырубку леса или другие нарушения со стороны человека, воздействие травоядных животных (особенно выпас овец), нашествия вредителей, болезни и _{CO 2} концентрацию . Для факторов, которые случайным образом изменяются в пространстве (от дерева к дереву или от одного дерева к другому), лучшим решением является сбор достаточного количества данных (больше выборок), чтобы компенсировать мешающий шум. Возраст дерева корректируется с помощью различных статистических методов: либо сопоставления сплайновых кривых с общей записью дерева, либо использования деревьев одинакового возраста для сравнения за разные периоды (региональная стандартизация кривых). Тщательное изучение и выбор места помогают ограничить некоторые мешающие эффекты, например, выбор мест, нетронутых современным человеком.

Нелинейные эффекты

В целом климатологи предполагают линейную зависимость ширины колец от интересующей переменной (например, влажности). Однако если переменная изменится достаточно сильно, реакция может выровняться или даже стать противоположной. Домашний садовник знает, что комнатное растение можно поливать водой или переливать. Кроме того, возможно возникновение эффектов взаимодействия (например, «температура, умноженная на осадки» может влиять на рост, а также на температуру и осадки сами по себе. Кроме того, «ограничивающий стенд» помогает в некоторой степени изолировать интересующую переменную. Например, «ограничивающий стенд» помогает в некоторой степени изолировать интересующую переменную). , на верхней линии дерева, где дерево «ограничено холодом», маловероятно, что нелинейное воздействие высокой температуры («перевернутое квадратичное») окажет численно значимое влияние на ширину кольца в течение вегетационного периода.

Ботанические выводы для исправления мешающих факторов

Ботанические исследования могут помочь оценить влияние мешающих переменных и в некоторых случаях помочь скорректировать их. Эти эксперименты могут быть либо экспериментами, в которых все переменные роста контролируются (например, в теплице, ), частично контролируемых (например, эксперименты FACE [Увеличение концентрации свободных частиц в воздухе] — добавьте ссылку) или когда условия в природе контролируются. В любом случае важно то, что множество факторов роста тщательно фиксируются, чтобы определить, что именно влияет на рост. (Вставьте ссылку на документ Фенноскандинавии. ). Благодаря этой информации можно более точно понять реакцию ширины колец, а выводы на основе исторических (неконтролируемых) годичных колец станут более точными. По сути, это похоже на принцип ограничивающего стенда, но он носит более количественный характер — как калибровка.

Проблематика дивергенции

Основная статья: Проблема дивергенции

Проблема расхождения заключается в несоответствии между температурами, измеренными термометрами ( инструментальными температурами) с одной стороны, и температурами, восстановленными по плотности поздней древесины или ширине годичных колец, с другой стороны, на многих участках границы деревьев в северных лесах .

Хотя визуализация и анализ данных термометров в значительной степени предполагают существенную тенденцию к потеплению, годичные кольца на этих конкретных участках не демонстрируют соответствующего изменения максимальной плотности поздней древесины или, в некоторых случаях, их ширины. Это касается не всех подобных исследований. Там, где это применимо, температурный тренд, полученный только по годичным кольцам, не покажет какого-либо существенного потепления. Таким образом, температурные графики, рассчитанные на основе инструментальных температур и этих показателей годичных колец, «расходятся» друг от друга с 1950-х годов, что и послужило источником этого термина. Это расхождение поднимает очевидные вопросы о том, имели ли место другие, непризнанные расхождения в прошлом, до эры термометров. Есть данные, свидетельствующие о том, что расхождение вызвано деятельностью человека и поэтому ограничивается недавним прошлым, но использование затронутых прокси-серверов может привести к переоценке прошлых температур, занижая текущую тенденцию потепления. Продолжаются исследования объяснений и способов устранения несоответствия между анализом данных годичных колец и данными, полученными с помощью термометра.

Географический охват

Деревья не покрывают Землю. Полярный и морской климат невозможно оценить по годичным кольцам. В влажных тропических регионах, Австралии и южной Африке деревья обычно растут круглый год и не имеют четких годовых колец. В некоторых лесных районах на рост деревьев слишком сильно влияют многочисленные факторы (нет «ограничивающего насаждения»), чтобы можно было провести четкую реконструкцию климата. . Проблема покрытия решается путем ее признания и использования других косвенных источников (например, ледяных кернов, кораллов) в трудных районах. В некоторых случаях можно показать, что интересующий параметр (температура, осадки и т. д.) одинаково варьируется от района к району, например, анализируя закономерности в инструментальных записях. Тогда оправдано распространение выводов дендроклиматологии на территории, где не удалось получить подходящие образцы годичных колец.

Кольцевое разрешение

Годичные кольца показывают влияние на рост в течение всего вегетационного периода. Изменения климата вглубь периода покоя (зимы) не будут зафиксированы. Кроме того, разные времена вегетационного периода могут быть более важными, чем другие (например, май или сентябрь) для ширины кольца. Однако обычно ширина кольца используется для определения общего изменения климата в течение соответствующего года (приблизительно). Другая проблема — «память» или автокорреляция . Дереву, подвергшемуся стрессу, может потребоваться год или два, чтобы оправиться от тяжелого сезона. Эту проблему можно решить путем более сложного моделирования (член «запаздывания» в регрессии) или путем уменьшения оценок навыков хронологий.

Трудности со сбором

Годичные кольца необходимо получать в природе, часто из отдаленных регионов. Это означает, что для правильного картографирования объектов необходимы особые усилия. Кроме того, пробы необходимо отбирать в сложных (часто на склонах) условиях. Обычно годичные кольца собираются с помощью ручного бура, что требует навыков, чтобы получить хороший образец. Лучшие образцы получаются при спиле дерева и его разрезании. Однако это требует большей опасности и наносит ущерб лесу. Это может быть запрещено в определенных районах, особенно в отношении самых старых деревьев на нетронутых участках (которые представляют наибольший научный интерес). Как и всем экспериментаторам, дендроклиматологам иногда приходится принимать решение извлечь максимальную пользу из несовершенных данных, а не выполнять повторную выборку. Этот компромисс усложняется, поскольку сбор проб (в полевых условиях) и анализ (в лаборатории) могут быть значительно разделены во времени и пространстве. Эти проблемы сбора данных означают, что сбор данных не так прост и дешев, как традиционная лабораторная наука.

Другие измерения

Первоначальная работа была сосредоточена на измерении ширины годичных колец — ее легко измерить, и она может быть связана с климатическими параметрами. Но ежегодный прирост дерева оставляет и другие следы. В частности, максимальная плотность поздней древесины (MXD) является еще одним показателем, используемым для оценки переменных окружающей среды. Однако его труднее измерить. Другие свойства (например, анализ изотопов или химических следов) также были опробованы, в первую очередь, Л. М. Либби в ее статье 1974 года «Температурная зависимость соотношений изотопов в годичных кольцах». Теоретически, множественные измерения на одном и том же кольце позволят дифференцировать мешающие факторы (например, осадки и температуру). Однако большинство исследований по-прежнему основано на ширине колец на предельных насаждениях.

Измерение концентрации радиоуглерода в годичных кольцах оказалось полезным для воссоздания прошлой активности солнечных пятен , причем данные теперь охватывают период более 11 000 лет.

См. также

• Палеоклиматология
• Таблица исторических и доисторических климатических показателей
• Температурный рекорд за последние 2000 лет
• Варве

Ссылки

• Либби, LM; Пандольфи, ЖЖ (1974). «Температурная зависимость изотопных отношений в годичных кольцах» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 71 (6): 2482–6. Бибкод : 1974PNAS...71.2482L . дои : 10.1073/pnas.71.6.2482 . ПМЦ   388483 . ПМИД   16592163 .
• Бриффа, К.; Кук, Э. (1990). «Раздел 5.6: Методы анализа функции отклика». В Куке, Эдвард; Кайрюкштис, Леонардас (ред.). Методы дендрохронологии: приложения в науках об окружающей среде . Спрингер. ISBN  978-0-7923-0586-6 .
• Фриттс, Гарольд К. (1976). Годичные кольца и климат . Академическая пресса. ISBN  978-0-12-268450-0 .
• Хьюз, Малкольм К.; Светман, Томас В.; Диас, Генри, ред. (2010). Дендроклиматология: успехи и перспективы . Спрингер. ISBN  978-1-4020-4010-8 .
• Лакман, Б.Х. (2007). «Дендроклиматология». В Элиасе, Скотт А. (ред.). Энциклопедия четвертичной науки . Том. 1. Эльзевир. стр. 465–475. ISBN  978-0-444-51919-1 .
• Швайнгрубер, Фриц Ганс; Федеральный научно-исследовательский институт леса, снега и ландшафта (1996). «Гл. 19». Годицы деревьев и дендроэкология окружающей среды . Берн: Пол Хаупт. ISBN  978-3-258-05458-2 .

Внешние ссылки

• Бриффа, Кейт. «Деревья как индикаторы климата прошлого» . Университет Восточной Англии. Архивировано из оригинала 5 сентября 2006 г.
• Годичные кольца: исследование изменения климата , учебное пособие Афина для K-12
• Международный банк данных о годичных кольцах , поддерживаемый программой NOAA Палеоклиматологической и Всемирным центром палеоклиматологических данных.
• Гриссино-Майер, Анри Д. «Идеальные веб-страницы с кольцами деревьев» . Университет Теннесси в Ноксвилле. Архивировано из оригинала 7 августа 2013 г. Проверено 25 ноября 2007 г.
• Лорри, Дрю (март 2008 г.). «Бегущие кольца вокруг изменения климата» . Национальный институт исследований воды и атмосферы.