Temperaturændringer ved overgang til Holocæn

Hej Spørg om Fysik
Vi er et 3.g Geovidenskabs hold, der har regnet på temperaturændringen ved overgangen fra sidste istid til Holocæn - se graf.

Når vi laver lineær regression på det stejleste sted på grafen, får vi en temperaturstigning på 0,003 grad C/år, svarende til KUN 0,3 grad C per 100 år!!

Det forstår vi ikke, da vi har hørt, at skiftet fra istid til mellemistid kunne opleves på et enkelt menneskeliv, og at det svarede til at flytte Danmark til Frankrig?

Hvordan hænger det samme?

Med venlig hilsen
C S & P K

Temperaturændringer ved overgang til Holocæn

Hej, Tak fordi I deler jeres undren. Det helt korte svar er, at (den gennemsnitlige) opvarmning i Grønland ved istidens afslutning afhænger af hvilket interval, man beregner gennemsnittet over. Et tilsvarende problem gør sig gældende når man bruger lineær regression i stedet for simpelt gennemsnit.

Uden at kende detaljerne i jeres beregninger, vil jeg fra grafen gætte på, at I har valgt intervallet fra ca. 10 til ca. 12,5 tusinde år før nu til den lineære regression. Mit første spørgsmål er, om det er et godt valg? Men vi kan også se mere overordnet på det og spørge, om det er en god taktik overhovedet at bruge lineær regression, eller med andre ord: er det rimeligt at beskrive skiftet fra istid til mellemistid med en lineær model? Der er ikke nogle objektivt gode svar på disse spørgsmål, men her kommer nogle betragtninger, som jeg håber kaster lys over emnet.

Iskerneforskning er en af de vigtigste kilder til at forstå skiftet fra istid til mellemistid, og Niels Bohr Instituttets Is og Klima-forskningsgruppe (der siden 2007 har været et Grundforskningscenter) har været med siden iskerneforskningens fødsel i 1950erne (læs mere om centeret og dets historie på isogklima.dk). De store iskapper på Grønland og Antarktis er opbygget af sne, der er faldet på overfladen af iskapperne år efter år over hundredetusinder af år.

De enkelte årlag bliver dækket af nyere årlag og trykkes sammen af den overliggende vægt, og udtyndes derfor langsomt men sikkert fordi isen flyder fra de indre dele af isen (hvor der falder mere nedbør end der mistes ved fordampning og afsmeltning til sammen) til randzonerne (hvor der tabes mere is ved afsmeltning og afbrækning af isbjerge, end der falder som nedbør). Årlagene fra istidens afslutning er tykke nok til at vi kan identificere og studere de enkelte lag, år for år. Vi undersøger både den isotopiske sammensætning af isen og isens indhold af urenheder og luftbobler, der indeholder små men velbevarede prøver af fortidens atmosfære. Fra summen af disse analyser kan vi få et ret detaljeret billede af fortidens klima og hvordan det ændrede sig år for år. Dette er grunden til at iskerner spiller så stor en rolle i udforskningen af istidens afslutning: Der er ikke mange andre kilder til fortidens klima, hvor vi kan få så mange forskellige oplysninger om klimaet med en tidslig opløsning på et enkelt år. Samtidig kan vi datere isen meget præcist, så vi også ved hvornår - og ikke mindst hvor hurtigt - ændringerne skete. Ulempen ved iskerner er, at vi primært kan få disse data fra den Grønlandske Indlandsis og det Antarktiske Isskjold, og iskernedata må derfor kombineres med data fra andre kilder for at få et mere komplet billede af de globale klimaændringer. Herunder koncentrerer jeg mig om iskernedata, og holder mig derfor til at tale om istidens afslutning som den så ud set fra hhv. Grønland og Antarktis.

Spørgerens oprindelige graf

Middeltemperaturen på Antarktis er blevet rekonstrueret ved hjælp af hydrogen- og ilt-isotopmålinger fra en lang række iskerner (læs mere på https://www.isogklima.nbi.ku.dk/forskning/rekonstruktion/fortidens_temperaturer/isotoper_deltanotation/ om ilt-isotopmålinger), og rekonstruktionen viser, at temperaturen steg med ca. 10°C mellem 18000 og 11000 år før nu. Opvarmningen skete i to intervaller afbrudt af en pause, men selv den hurtigste del af opvarmningen var relativ langsom, svarende til ca. 4°C pr. årtusinde.

Mens klimaet på Antarktis ændrede sig relativt langsomt, oplevede den nordlige halvkugle - og især det nordatlantiske område - flere bratte klimaændringer i både opadgående og nedadgående retning: Klimaet blev brat varmere cirka 14,7 tusinde år før nu (og indvarslede perioden, der især i Skandinavien kendes som Bølling-Allerød-perioden), og efter en række mere eller mindre gradvise afkølinger nåede temperaturen for ca. 12,9 tusinde år siden atter istidsniveau. I de følgende cirka 1200 år (Yngre Dryas-perioden) var der koldt, inden temperaturen igen brat steg ca. 11,7 tusinde år før nu. I kan tydeligt se disse svingninger i den graf, der ledsager jeres spørgsmål.

Den relative timing er således, at pausen i den antarktiske opvarmning passer perfekt med Bølling-Allerød-perioden, hvor Grønland oplevede varme temperaturer (se f.eks. Pedro et al., 2011, www.clim-past.net/7/671/2011/ og https://www.isogklima.nbi.ku.dk/forskning/klimaforandringer/modellering_dynamik/bipolare_vippe/). Sammenhængen skyldes den såkaldte bi-polære vippe, der groft sagt siger, at når Grønland er varm, transporterer de atlantiske havstrømme varme fra syd mod nord, hvorved Antarktis langsomt afkøles, mens Antarktis ophober energi når Grønland har kolde forhold på grund af en mindre effektiv nordgående varmetransport. Nogle områder oplever klimaændringer, der minder mest om grønlandske forhold, nogle følger antarktiske forhold, mens temperaturen i andre områder (heraf mange på lave breddegrader) udviklede sig anderledes. Vi kan derfor ikke ud fra iskernerne alene udtale os ret sikkert om hvor hurtigt "Jordens temperatur" ændrede sig, da der er ekstremt store regionale forskelle (læs f.eks. Pedro et al., 2015, dx.doi.org/10.1038/ngeo2580)

Men nu tilbage til temperaturændringerne på Grønland: Som nævnt ovenfor skiftede klimaet brat mod varmere forhold i Grønland cirka 14,7 og 11,7 tusinde år før nu, formentlig som følge af hurtige ændringer i den nordatlantiske havstrøms styrke.

Her viser vi, at den atmosfæriske cirkulation skiftede grundlæggende fra ét cirkulationsmønster til et andet på ganske få år, mens temperaturen (rekonstrueret fra ilt-isotopmålinger) ændrede sig på en menneskealder med betydelige variationer mellem data fra forskellige iskerner og mellem de to bratte opvarmninger. I artiklen bruger vi en afart af lineær regression til at beskrive skiftet: den såkaldte rampe-fitting, der beskriver skiftet som en lineær ændring fra ét konstant niveau til et andet. Pointen ved rampe-fitting er, at man ikke selv (subjektivt) vælger præcis hvor den mest bratte lineære ændring er placeret, men at man ved hjælp af statistiske metoder bestemmer den rampe, der bedst beskriver data i en periode fra flere århundrede før til flere århundrede efter den mest bratte del af klimaskiftet. Man fitter altså et konstant niveau før omslaget, et konstant niveau efter omslaget, samt omslagets varighed til datasættet. Den statistiske metode tager i øvrigt højde for at data kan have forskellig varians før, under og efter skiftet, og at data kan have autokorrelation, dvs. at klimasystemet har en slags hukommelse. Det er ikke så nemt præcist at omregne ændringer i ilt-isotopforhold til temperaturer, men resultaterne viser at temperaturen på Grønland formentlig ændrede sig mere end 10°C på maksimalt et halvt århundrede. Det er cirka 50 gange hurtigere end den mest bratte opvarmning af Antarktis under istidens afslutning (der skete mens Grønland var i den kolde Yngre Dryas-periode).

Der findes en alternativ måde at bestemme amplituden af den meste bratte del af fortidens klimaændringer. Metoden udnytter at N2-molekyler indeholdende forskellige isotoper af nitrogen opfører sig lidt forskelligt i den øverste del af iskappen, hvor luften stadig kan bevæge sig mellem is-krystallerne. Læs mere om metoden på http://geoweb.princeton.edu/people/bender/lab/research_ice_cores.html. Metoden er mere præcis end iltisotop-metoden hvad angår temperaturændringens størrelse, men kan til gengæld ikke fastlægge den præcise varighed af ændringerne. Resultaterne fra denne uafhængige metode bekræfter at den meste bratte del af opvarmningerne i Grønland 11,7 og 14,7 tusinde år før nu havde en amplitude på hhv. 10,5°C og 12,5°C indenfor et århundrede (Læs f.eks. Kindler et al., 2014.

Jeg håber at I hermed har fået svar på jeres spørgsmål og har fået et indtryk af hvordan iskerner kan hjælpe med at afkode hvordan (og hvor hurtigt) fortidens klima ændrede sig i fortiden. Jeg håber også at I har fået en fornemmelse af hvorfor det er vigtigt at kombinere data fra mange kilder og mange regioner for at skabe et fyldestgørende billede af klimaændringerne og dermed komme nærmere på at forstå de mekanismer, der lå bag klimaændringerne, og som for nogle mekanismers vedkommende også kan være vigtige for fremtidens klimaændringer.

Venlige hilsner
Sune O. Rasmussen