علم المناخ القديم

يعمل علماء الجيولوجيا الزمنية على تحديد عمر بعض المؤشرات الجيولوجية. ففي السجلات الحديثة لحلقات الأشجار والشعاب المرجانية، يمكن عدّ حلقات السنة الفردية، ومن ثم تحديد السنة بدقة. أما التأريخ الإشعاعي فيعتمد على خصائص العناصر المشعة في هذه المؤشرات. ففي المواد القديمة، يكون جزء أكبر من المادة المشعة قد تحلل، وبالتالي تختلف نسب العناصر المختلفة عن تلك الموجودة في المؤشرات الأحدث. ومن أمثلة التأريخ الإشعاعي التأريخ بالكربون المشع . ففي الهواء، تحوّل الأشعة الكونية النيتروجين باستمرار إلى نظير كربون مشع محدد، وهو الكربون ^-14 . وعندما تستخدم النباتات هذا الكربون للنمو، لا يتم تجديد هذا النظير ويبدأ بالتحلل. وتعطي نسبة الكربون "العادي" إلى الكربون-14 معلومات عن المدة التي انقطعت فيها المادة النباتية عن الغلاف الجوي. ^{[ 18 ]}

كان الغلاف الجوي الأول يتألف من غازات في السديم الشمسي ، وخاصة الهيدروجين . إضافةً إلى ذلك، من المحتمل وجود هيدريدات بسيطة كتلك الموجودة حاليًا في الكواكب الغازية العملاقة مثل المشتري وزحل ، ولا سيما بخار الماء والميثان والأمونيا . ومع تبدد السديم الشمسي، كانت الغازات تتسرب، مدفوعة جزئيًا بالرياح الشمسية . ^{[ 19 ]}

تكون الغلاف الجوي التالي، الذي يتألف في معظمه من النيتروجين وثاني أكسيد الكربون والغازات الخاملة، من انبعاثات الغازات من البراكين ، بالإضافة إلى الغازات الناتجة خلال القصف الشديد المتأخر للأرض بواسطة الكويكبات الضخمة . ^{[ 19 ]} وسرعان ما ذاب جزء كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الماء وتراكم في رواسب الكربونات.

عُثر على رواسب مرتبطة بالماء يعود تاريخها إلى 3.8 مليار سنة مضت. ^{[ 20 ]} قبل حوالي 3.4 مليار سنة، كان النيتروجين المكون الرئيسي للغلاف الجوي الثاني المستقر آنذاك. يجب أخذ تأثير الحياة في الاعتبار مبكرًا نسبيًا في تاريخ الغلاف الجوي، إذ وُجدت دلائل على أشكال حياة مبكرة تعود إلى ما بين 3.5 و4.3 مليار سنة مضت. ^{[ 21 ]} وقد وُصف عدم توافق ذلك تمامًا مع انخفاض الإشعاع الشمسي بنسبة 30% (مقارنةً باليوم) في بدايات الشمس بـ" مفارقة الشمس الفتية الخافتة ".

مع ذلك، يُظهر السجل الجيولوجي سطحًا دافئًا نسبيًا باستمرار خلال كامل السجل الحراري المبكر للأرض، باستثناء مرحلة جليدية باردة واحدة قبل حوالي 2.4 مليار سنة. في أواخر حقبة الأركي ، بدأ غلاف جوي يحتوي على الأكسجين بالتشكل، على ما يبدو من البكتيريا الزرقاء التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي (انظر حدث الأكسجة العظيم )، والتي عُثر عليها كأحافير ستروماتوليتية تعود إلى 2.7 مليار سنة. كان التركيب النظائري الأساسي للكربون في تلك الحقبة ( نسب النظائر ) متوافقًا إلى حد كبير مع ما هو موجود اليوم، مما يشير إلى أن السمات الأساسية لدورة الكربون قد ترسخت منذ حوالي 4 مليارات سنة.

يؤثر التغير المستمر للقارات بفعل حركة الصفائح التكتونية على التطور طويل الأمد للغلاف الجوي من خلال نقل ثاني أكسيد الكربون من وإلى مخازن الكربونات القارية الكبيرة. لم يكن الأكسجين الحر موجودًا في الغلاف الجوي حتى حوالي 2.4 مليار سنة مضت، خلال حدث الأكسجة العظيم ، ويُشير ظهوره إلى نهاية تكوينات الحديد الشريطية . حتى ذلك الحين، كان أي أكسجين ينتج عن عملية التمثيل الضوئي يُستهلك في أكسدة المواد المختزلة، وخاصة الحديد. لم تبدأ جزيئات الأكسجين الحر بالتراكم في الغلاف الجوي إلا عندما بدأ معدل إنتاج الأكسجين يتجاوز توافر المواد المختزلة. كانت تلك النقطة بمثابة تحول من غلاف جوي مختزل إلى غلاف جوي مؤكسد . شهد الأكسجين (O₂ ₎ تقلبات كبيرة حتى وصل إلى حالة استقرار تزيد عن 15% بنهاية حقبة ما قبل الكمبري. ^{[ 22 ]} كانت الحقبة التالية هي حقبة البشائر ، والتي بدأت خلالها أشكال الحياة الحيوانية متعددة الخلايا التي تتنفس الأكسجين بالظهور.

تذبذبت نسبة الأكسجين في الغلاف الجوي على مدى الـ 600 مليون سنة الماضية، وبلغت ذروتها عند 35% ^{[ 23 ]} خلال العصر الكربوني ، وهي نسبة أعلى بكثير من نسبتها الحالية البالغة 21%. وتتحكم عمليتان رئيسيتان في تغيرات الغلاف الجوي: الأولى هي استخدام النباتات لثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى إطلاق الأكسجين؛ والثانية هي تحلل البيريت والانفجارات البركانية التي تُطلق الكبريت في الغلاف الجوي، والذي يتأكسد وبالتالي يقلل من نسبة الأكسجين. ومع ذلك، تُطلق الانفجارات البركانية أيضًا ثاني أكسيد الكربون، الذي تستطيع النباتات تحويله إلى أكسجين. ولا يُعرف السبب الدقيق لتغير نسبة الأكسجين في الغلاف الجوي. وترتبط الفترات التي ترتفع فيها نسبة الأكسجين في الغلاف الجوي بالتطور السريع للحيوانات. ويحتوي الغلاف الجوي اليوم على 21% من الأكسجين، وهي نسبة كافية للتطور السريع للحيوانات. ^{[ 24 ]}

امتدت حقبة ما قبل الكمبري بين نشأة الأرض قبل 4.6 مليار سنة ( Ga ) و542 مليون سنة مضت. ويمكن تقسيمها إلى حقبتين: الأركية والبروتيروزية، واللتان يمكن تقسيمهما بدورهما إلى عصور. ^{[ 27 ]} يُعدّ إعادة بناء مناخ ما قبل الكمبري أمرًا صعبًا لأسباب عديدة، منها قلة المؤشرات الموثوقة، وقلة السجل الأحفوري المحفوظ جيدًا وغير الشامل عمومًا (خاصةً بالمقارنة مع حقبة البشائر). ^{[ 27 ] [ 28 ]} ورغم هذه التحديات، توجد أدلة على عدد من الأحداث المناخية الكبرى عبر تاريخ ما قبل الكمبري: فحدث الأكسجة العظيم ، الذي بدأ قبل حوالي 2.3 مليار سنة (بداية حقبة البروتيروزية)، تشير إليه المؤشرات الحيوية التي تُظهر ظهور الكائنات الحية القادرة على التمثيل الضوئي. بسبب ارتفاع مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي نتيجةً لحدث الأكسدة العظيم، انخفضت مستويات غاز _{الميثان} (CH4 ) بسرعة، مما أدى إلى تبريد الغلاف الجوي وتسبب في العصر الجليدي الهوروني. ولمدة مليار سنة تقريبًا بعد العصر الجليدي (منذ 2 إلى 0.8 مليار سنة)، من المرجح أن الأرض شهدت درجات حرارة أكثر دفئًا، كما تشير إلى ذلك الأحافير الدقيقة للكائنات حقيقية النواة ذاتية التغذية الضوئية، ومستويات أكسجين تتراوح بين 5 و18% من مستوى الأكسجين الحالي على الأرض. في نهاية حقبة البروتيروزويك، توجد أدلة على أحداث جليدية عالمية متفاوتة الشدة، مما أدى إلى ظهور ما يُعرف بـ" الأرض الكروية الثلجية ". ^{[ 27 ]} وتدعم هذه النظرية مؤشرات مختلفة، مثل الرواسب الجليدية، والتآكل القاري الكبير المعروف باسم عدم التوافق العظيم ، والصخور الرسوبية المعروفة باسم الكربونات الغطائية التي تتشكل بعد فترة ذوبان الجليد. ^{[ 29 ]}

كانت العوامل الرئيسية المؤثرة في العصور ما قبل الصناعية هي تغيرات الشمس، والرماد البركاني والانبعاثات، والحركات النسبية للأرض باتجاه الشمس، والتأثيرات التكتونية مثل التيارات البحرية الرئيسية، وأحواض تصريف المياه، وتذبذبات المحيطات. في حقبة الحياة الظاهرة المبكرة، ارتبط ارتفاع تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بزيادة أو تفاقم ارتفاع درجات الحرارة العالمية. ^{[ 30 ]} وجد رويير وآخرون (2004 ) ^{[ 31 ]} حساسية مناخية لبقية حقبة الحياة الظاهرة، حُسبت لتكون مماثلة لنطاق القيم الحديثة.

يُقدّر الفرق في متوسط ​​درجات الحرارة العالمية بين الأرض المغطاة بالجليد بالكامل والأرض الخالية منه بنحو 10  درجات مئوية، مع ملاحظة تغيرات أكبر بكثير عند خطوط العرض العليا وتغيرات أصغر عند خطوط العرض الدنيا. ^{[ 32 ]} ويبدو أن أحد متطلبات تكوّن الصفائح الجليدية واسعة النطاق هو وجود كتل أرضية قارية عند القطبين أو بالقرب منهما. كما أن إعادة ترتيب القارات باستمرار بفعل حركة الصفائح التكتونية يُمكن أن يُؤثر على تطور المناخ على المدى الطويل. ومع ذلك، فإن وجود أو غياب الكتل الأرضية عند القطبين لا يكفي لضمان حدوث التجلد أو استبعاد وجود القمم الجليدية القطبية. وتوجد أدلة على فترات دافئة سابقة في مناخ الأرض عندما كانت الكتل الأرضية القطبية المشابهة للقارة القطبية الجنوبية موطنًا للغابات النفضية بدلًا من الصفائح الجليدية.

يتزامن الحد الأدنى المحلي الدافئ نسبيًا بين العصر الجوراسي والعصر الطباشيري مع زيادة في الاندساس والنشاط البركاني في منتصف المحيط ^{[ 33 ]} بسبب تفكك قارة بانجيا العظمى .

إلى جانب التطور طويل الأمد بين المناخات الحارة والباردة، شهدت الأرض العديد من التقلبات المناخية قصيرة الأمد، المشابهة، بل وأحيانًا أشد، من حالات العصر الجليدي الحالي المتغيرة، سواءً كانت جليدية أو بين جليدية . وقد تكون بعض أشد هذه التقلبات، مثل ذروة الاحترار في العصر الباليوسيني-الإيوسيني ، مرتبطة بتغيرات مناخية سريعة ناتجة عن انهيارات مفاجئة لمكامن الميثان الكلاثراتية الطبيعية في المحيطات. ^{[ 34 ]}

يُعتقد أن حدثًا واحدًا مشابهًا، يتمثل في تغير مناخي حاد ناتج عن اصطدام نيزك، قد يكون سببًا لانقراض العصر الطباشيري-الباليوجيني . ومن بين العتبات الرئيسية الأخرى انقراض العصر البرمي-الترياسي ، وانقراض العصر الأوردوفيسي-السيلوري، مع وجود أسباب مختلفة مُقترحة.

يشمل العصر الجيولوجي الرباعي المناخ الحالي. وقد شهدنا دورة من العصور الجليدية على مدى 2.2 إلى 2.1 مليون سنة الماضية (بدأت قبل العصر الرباعي في أواخر العصر النيوجيني ).

لاحظ في الرسم البياني على اليمين الدورية القوية التي تبلغ 120 ألف عام للدورات، والتباين الملحوظ في المنحنيات. يُعتقد أن هذا التباين ناتج عن تفاعلات معقدة لآليات التغذية الراجعة. وقد لوحظ أن العصور الجليدية تتعمق تدريجيًا، لكن التعافي إلى ظروف ما بين العصور الجليدية يحدث دفعة واحدة كبيرة.

يُظهر الرسم البياني على اليسار تغير درجة الحرارة على مدى الـ 12000 سنة الماضية، من مصادر مختلفة؛ المنحنى الأسود السميك هو المتوسط.

يشمل نظام مناخ الأرض الغلاف الجوي ، والغلاف الحيوي ، والغلاف الجليدي ، والغلاف المائي ، والغلاف الصخري ، ^{[ 42 ]} ومجموع هذه العمليات من أغلفة الأرض هو ما يؤثر على المناخ. تعمل غازات الاحتباس الحراري كقوة داخلية مؤثرة في نظام المناخ. تركز اهتمامات خاصة في علوم المناخ وعلم المناخ القديم على دراسة حساسية مناخ الأرض استجابةً لمجموع هذه القوى المؤثرة. يُسهم تحليل مجموع هذه القوى في تمكين العلماء من وضع تقديرات شاملة وحاسمة حول نظام مناخ الأرض. تشمل هذه التقديرات أدلة على أنظمة مثل تقلب المناخ طويل الأجل (الانحراف المداري، وميل محور الأرض)، وآليات التغذية الراجعة (تأثير البياض الجليدي)، والتأثير البشري. ^{[ 43 ]}

أمثلة:

• الدوران الحراري الملحي (الغلاف المائي)
• الحياة (المحيط الحيوي)

• تحدد دورات ميلانكوفيتش المسافة بين الأرض والشمس وموقعها. الإشعاع الشمسي هو إجمالي كمية الإشعاع الشمسي الذي تتلقاه الأرض.
• تعتبر الانفجارات البركانية قوة خارجية مؤثرة. ^{[ 44 ]}
• ^{[ 44 ]} التغييرات البشرية في تكوين الغلاف الجوي أو استخدام الأراضي.
• الأنشطة البشرية التي تتسبب في انبعاثات غازات الدفيئة البشرية المنشأ والتي تؤدي إلى الاحتباس الحراري العالمي والتغيرات المناخية المرتبطة به.
• تعتبر الكويكبات الكبيرة التي لها تأثيرات كارثية على مناخ الأرض من العوامل الخارجية المؤثرة. ^{[ 45 ]}

على مدى ملايين السنين، يُعدّ ارتفاع السلاسل الجبلية وما يتبعه من عمليات تجوية للصخور والتربة، بالإضافة إلى انغماس الصفائح التكتونية ، جزءًا هامًا من دورة الكربون . ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]} تعمل التجوية على عزل _ثاني أكسيد الكربون من خلال تفاعل المعادن مع المواد الكيميائية (وخاصة تجوية السيليكات مع _ثاني أكسيد الكربون )، وبالتالي إزالة _ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتقليل التأثير الإشعاعي. أما التأثير المعاكس فهو النشاط البركاني ، المسؤول عن ظاهرة الاحتباس الحراري الطبيعية ، من خلال انبعاث _ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، مما يؤثر على دورات التجلد (العصر الجليدي). وقد أشار جيم هانسن إلى أن البشر ينبعث منهم _ثاني أكسيد الكربون بمعدل أسرع بعشرة آلاف مرة مما كانت عليه العمليات الطبيعية في الماضي. ^{[ 49 ]}

تُعدّ ديناميكيات الصفائح الجليدية ومواقع القارات (وما يرتبط بها من تغيرات في الغطاء النباتي) عوامل مهمة في التطور طويل الأمد لمناخ الأرض. ^{[ 50 ]} كما توجد علاقة وثيقة بين _ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحرارة، حيث يُؤثر ثاني _أكسيد الكربون بشكل كبير على درجات الحرارة العالمية عبر تاريخ الأرض. ^{[ 51 ]}