Cykle oceaniczne Fischera

Cykle oceaniczne, megacykle Fischera – opracowana przez Alfreda G. Fischera[1] koncepcja sugerująca istnienie w historii Ziemi stosunkowo regularnie występujących naprzemiennych okresów „cieplarni” i „chłodni”, trwających po ok. 30 mln lat. Uzasadnieniem pierwszej nazwy tej hipotezy jest fakt, że przejścia cieplarnia–chłodnia–cieplarnia... Fischer powiązał z charakterystycznymi zmianami termicznej stratyfikacji wód oceanów (zob. stratyfikacja termiczna wody w jeziorze)[2].

Hipoteza Fischera została opracowana na podstawie wyników badań dotyczących fanerozoiku (542 mln lat; paleozoik, mezozoik i kenozoik; zob. tabela stratygraficzna[3] )

Zespół badawczy

Opracowanie koncepcji „megacykli” było poprzedzone wieloletnimi badaniami stratygraficznymi, umożliwiającymi podjęcie próby wykazania korelacji między prawdopodobną temperaturą wody oceanów i zawartością tlenu a biologiczną różnorodnością ekosystemów morskich. Badania prowadziły interdyscyplinarne zespoły naukowców; poza A.G. Fischerem brali w nich udział między innymi[4]:

oraz Friedrich Heller, Giovanni Napoleone, Paolo Cheli, Siro Corezzi, William Lowrie i inni. Wyniki tych badań były publikowane od lat 50. XX wieku, m.in. w cenionych czasopismach Evolution[11] i Geological Society of America Bulletin[12] oraz jako wydawnictwa książkowe[4].

Metody badań

Geologicznym zapisem zachodzących zmian klimatu i ziemskich ekosystemów są profile sedymentologiczne i paleontologiczne. Podstawowe zasady, stosowane w czasie odczytu zapisu geologicznego, sformułował już w XVII w. Nicolaus Steno (anatom, geolog i biskup katolicki, beatyfikowany przez Jana Pawła II)[13]:

  1. każda warstwa jest młodsza od warstwy podścielającej i starsza od warstwy nadległej (zasada superpozycji lub nadległości)
  2. pierwotny układ warstw jest poziomy
  3. nieciągłości warstw występują wskutek nagłych zajść (po zakończeniu depozycji osadów), np. powstania uskoku, erozji, działalności człowieka (zasada ciągłości obocznej)
  4. żyły kominowe, dajki wulkanów lub inne intruzje, czyli utwory przecinające skały danej warstwy, są od nich młodsze.

Dokładniejszą interpretację zapisów umożliwiają[13]:

  • identyfikacja i datowanie skał
  • rozpoznawanie i określanie liczebności skamieniałości organizmów, które zamieszkiwały środowisko w czasie sedymentacji osadów; przyjmuje się, że poszczególne gatunki pojawiały się i znikały na Ziemi równocześnie (w znaczeniu geologicznym).
2
3
Niektóre obiekty badań stratygrafów, paleontologów, geochemików – formacja Horseshoe Canyon, Wielki Kanion Kolorado i skamieniałości przewodnie paleozoiku, mezozoiku i kenozoiku

Skala czasu geologicznego, utworzona na tych podstawach w XIX wieku, została później wycechowana, z użyciem metod datowania izotopowego. Do datowania najmłodszych fragmentów skorupy ziemskiej (wiek < 40 tys. lat) stosuje się izotop 14C, a do datowania skał starszych inne izotopy, np. potasu (wiek > 0,1 mln lat) lub uranu (wiek > 100 mln lat)[14].

Różne stężenia O18 w warstwach skał osadowych są uznawane za dowód różnic temperatury w czasie ich powstawania; duża zawartość O18 świadczy, że organizmy tworzące osady żyły w okresie oziębienia wody[15].
1
2
Modelowanie matematyczne cyrkulacji oceanicznej[16]

Wymienione metody radiometryczne pozwalają określać wiek skał magmowych i metamorficznych, w których nie występują skamieniałości, a metody biostratygraficzne stosuje się w przypadku warstw skał osadowych. Nowe, bardziej uniwersalne metody datowania są wciąż poszukiwane. Do datowania skał magmowych i niektórych skał osadowych zastosowano np. metodę wykorzystującą zjawisko rewersji biegunów magnetycznych, opracowaną przez Allana Coxa[17]. Radiometryczne datowanie skał osadowych o wieku do 65 mln lat umożliwia standardowa krzywa zależności stosunku stężeń dwóch izotopów strontu – 87Sr/86Sr – od wieku próbki (np. szkieletów koralowców, muszli mięczaków i innych skamieniałości zwierząt morskich)[17].

W ostatnim półwieczu możliwości badawcze geochemików znacznie się zwiększyły, m.in. dzięki opanowaniu technik oznaczania stężeń izotopów trwałych. Szczególne znaczenie jest przywiązywane do oznaczeń stosunku izotopów tlenu 18O/16O (obecnie 99,759 %16O, 0,037 %17O, 0,204 %18O)[15].

Możliwość określania 18O/16O jest szczególnie cenna w przypadku badań maksimów i minimów plejstocenu, nieformalnie nazywanego epoką lodową (ok. 2,6 mln lat temu). Badania zmian klimatu w tym okresie – prowadzone m.in. przez Harolda C. Ureya – polegają na określaniu udziału 18O np. w muszlach znalezionych w odpowiednich warstwach stratygraficznych; wyznaczony stosunek ilości obu izotopów przeważnie jest równy proporcji w środowisku, w którym muszla była budowana z CO2 lub węglanów (przyswajanych bez względu na liczbę masową tlenu). Stwierdzono, że w okresach narastania lodowców względna zawartość cięższego izotopu w wodzie wzrasta. Jest to związane z większą lotnością wody lżejszej (16O), która po odparowaniu nie wraca do oceanu, (jak to się dzieje w zamkniętym cyklu hydrologicznym) – jest zatrzymywana w tworzącym się lodzie. W miarę postępu zlodowacenia zwiększa się różnica między zawartościami 18O w lodzie i wodzie oceanów (środowisku życia). Wahania stężenia tego izotopu w skamieniałościach różnych warstw pozwoliły wykazać, że w okresie ostatnich 2 mln lat nastąpiło ok. 60 większych wahnięć wskazujących na postęp zlodowacenia (w tym cztery najbardziej wyraźne w ostatnich 800 tys. lat)[15].

Odczytanie zarejestrowanej w skałach i skamieniałościach historii Ziemi jest zadaniem wciąż nierozwiązanym. Na Ziemi równocześnie zachodziły złożone procesy geologiczne i ewolucja biologiczna, zmieniał się skład atmosfery i hydrosfery, zmieniała się aktywność Słońca i odległość Ziemi od Słońca. Zrozumienie przeszłości utrudnia fakt, że w czasie minionych 4,5 mld lat miały miejsce liczne zdarzenia krótkotrwałe, które nie pozostawiły śladów w geologicznym zapisie. Skomplikowane jest również uwzględnienie w interpretacjach tego zapisu zjawisk o charakterze sprzężeń zwrotnych – ujemnych lub dodatnich, czyli sprzyjających utrzymaniu stanu dynamicznej równowagi globalnego ekosystemu lub pogłębiających chwilowe odchylenia od tego stanu[a]. Rozwiązywanie takich problemów bardzo ułatwia zastosowanie nowoczesnych technik modelowania matematycznego. Tworzone są np. złożone klimatyczne modele matematyczne, których celem jest przewidywanie nadchodzących zmian klimatu na podstawie ogólnych praw fizyki oraz wiedzy o czynnikach kształtujących klimat Ziemi w przeszłości i obecnie.

Tętno Ziemi

Określenie „tętno Ziemi” jest stosowane od czasu wydania w roku 1947 popularnej książki The Pulse of the Earth. Jej autorem jest holenderski geolog Johannes H.F. Umbgrove[18], który pisał tę pracę w okresie wojny światowej, część w hitlerowskim więzieniu[18]. Był on jednym z pierwszych geologów, próbujących znaleźć korelacje między wieloma poznanymi już zdarzeniami w historii globu, np. górotwórczością i wulkanizmem, zmianami poziomu morza, różnicowaniem się mórz, temperaturą. Mimo że stosował niedokładne skale czasu, dostrzegł interesujące zbieżności. Wywołał trwające do dzisiaj naukowe polemiki między wytrwałymi poszukiwaczami dowodów istnienia powtarzalnych sekwencji zdarzeń („periodystami” i „cyklomaniakami”) i krytykami tej postawy; Tjeerd H. van Andel pisał na ten temat[18]:

Cykliczna historia Ziemi jest prosta i łatwo przyswajalna, gdy tymczasem przypadkowa sekwencja zdarzeń jest trudna do ustalenia, trudno ją zrozumieć, a polubić – nie sposób.

autor, Tjeerd H. van Andel, Nowe spojrzenia na starą planetę.

Wyrażając uznanie dla twórców teorii wielkich cykli przytoczył równocześnie opinię H. L. Menkena[19][20]:

Każdy złożony problem ma swe rozwiązanie, które jest proste, eleganckie i całkowicie błędne.

autor, H. L. Menken (według T. van Andela)

Mimo wielu opinii krytycznych poszukiwania „periodystów” są wciąż kontynuowane. Niektóre z okresowych zmian warunków meteorologicznych w poszczególnych miejscach powierzchni Ziemi oraz na całym globie nie budzą wątpliwości i są regularne. Należą do nich zmiany spowodowane m.in.[14]:

Zgromadzono dużą liczbę dowodów potwierdzających cykliczność oscylacji stanu oceanów i atmosfery między El Niño i La Niña oraz między ujemną i dodatnią fazą NAO oscylacji północnoatlantyckiej (cykl kilkuletni),

1
2
2
2
Cykle Milankovicia – złożenie zmian o okresach: 22 tys. lat (precesja), 41 tys. lat (nachylenie osi precesji) i 100 tys. lat (ekscentryczność orbity)[21]

Wolniejsze i mniej regularne zmiany klimatu Ziemi były związane z wędrówką kontynentów (zob. tektonika płyt)[22][23][24]. Kontynenty nieustannie przesuwają się na swoich płytach po półpłynnej astenosferze, z czym wiąże się powstawanie nowej płyty oceanicznej w strefach spreadingu z równoczesnym zagłębianiem się i przetapianiem płyty starej (pokrytej osadami) w strefie subdukcji. Co ok. 500 mln lat powstaje ponownie jeden superkontynent (zob. cykl Wilsona nazywany cyklem superkontynentalnym, ewolucja kontynentów).

Rozpad Pangei – część cyklu superkontynentalnego[23][24]

Wśród najdokładniej poznanych zdarzeń wymienia się:

  • 1100 mln lat temu – powstanie superkontynentu o nazwie Rodinia (750 mln lat temu rozpada się na Laurencję, kraton Konga i Proto-Gondwanę),
  • 600 mln lat temu – powstanie superkontynentu Pannocji (550 mln lat temu rozpad się na kontynenty paleozoiku),
  • 250 mln lat temu – powstanie superkontynentu Pangei (ok. 180 mln lat temu pęka – powstają Gondwana i Laurazja; Laurazja daje początek Ameryce Północnej i Eurazji; Gondwana rozpada się na Amerykę Południową, Afrykę, Antarktydę, Australię i Indie, które w czasie ostatnich 100 mln lat dryfują w stronę Azji).

Z procesami rozpadu superkontynentów oraz z wędrówką powstających fragmentów i ich kolizjami wiązały się inne zjawiska decydujące o klimacie Ziemi, silnie wzajemnie powiązane, m.in. wulkanizm i orogeneza, powstawanie i zanikanie basenów morskich, zmiany klimatu na przemieszczających się kontynentach, powstawanie i topnienie lądolodów, zmiany warunków cyrkulacji wody oceanicznej i powietrza.

Geochemicy-periodyści uznają, że zarejestrowane w skałach zmiany stanu Ziemi są skutkiem złożenia wszystkich wymienionych zmian okresowych i cyklicznych (wynik złożenia robi wrażenie zmian chaotycznych)[25][26][27]. Podejmują się interpretacji stratygraficznych zapisów mimo świadomości, że są one niekompletne i trudno oczekiwać pełnego sukcesu.

1
Dudnienie
– przykład złożenia dwóch fal, np. akustycznych[25][26][27]
2
Zmiany temperatury na Ziemi
w czasie ostatnich 180 mln lat[28]
Dwa przykłady składania zmian cyklicznych – prosty przypadek dudnienia i zmiany temperatury na Ziemi, które geolodzy-periodyści uważają za złożenie wielu różnych okresowych zmian, o różnym okresie i amplitudzie
1
Masowe wymierania i zmiany bioróżnorodności[29]
2
Zmienność poziomu morza[30]
Fanerozoik – ostatnie ok. 540 mln lat

Skrajne stany oceanu według Fischera

U podstaw hipotezy megacykli Fischera leży jego spostrzeżenie, że okresom występowania oceanów[31]:

  • ciepłych – w przybliżeniu odpowiadają niezależnie stwierdzane okresy transgresji,
  • zimnych – w przybliżeniu odpowiadają okresy regresji.

Podstawowa różnica między właściwościami wody oceanów cieplarni i chłodni dotyczy jej gęstości. Tworzenie się płytkich mórz, szeroko rozlewających się w strefie międzyzwrotnikowej, sprzyjało intensywnemu parowaniu i zwiększaniu się zasolenia wody (zob. kryzys messyński). Przemieszczanie się takiej wody powierzchniowej do oceanów przypomina współczesny spływ wód z Morza Śródziemnego do Atlantyku – ich gęstość sprawia, że zgłębiają się pod warstwę oceanicznej wody powierzchniowej. Według Fischera powszechność tego zjawiska w okresach transgresji mórz powodowała, że wody abisalne oceanów były dużo cieplejsze niż obecnie, a strumienie natlenionej wody powierzchniowej spływały w głąb znacznie wolniej. Miało to istotny wpływ na rozwój morskich biocenoz i tempo gromadzenia się dennych osadów (źródeł obecnie eksploatowanych złóż ropy naftowej)[16].

Porównanie dwóch stanów oceanu według Fischera[31]
Skrajne stany oceanu według Fischera[31]
Cechy oceanuStan chłodni (np. dzisiejsza Ziemia)Stan cieplarni (np. ocean okresu kredowego )
rozwarstwieniesilne, stabilnemniej wyraźne i niestabilne
temperatura wód powierzchniowych
w strefie okołobiegunowej		< 2 °C12–15 °C
temperatura wód powierzchniowych
w strefie równikowej		> 25 °Cniewiele wyższa niż w stanie chłodni
temperatura wód przydennych+ 2 °C w interglacjale
+ 1 °C w glacjale		do 15 °C w strefie równikowej
do ok. 10 °C w strefie okołobiegunowej
szybkość cyrkulacji pionowej (powstawanie osadów)ożywiony przepływ bogatych w tlen wód przydennych, silne utlenianie, mało materii organicznej w osadachmała gęstość wód powierzchniowych powoduje powolny przepływ wód przydennych o małej zawartości tlenu, nie utleniona materia organiczna pogrzebana w osadach (powstawanie ropy naftowej)
produktywność ekosystemuzróżnicowana, np. wysoka produktywność małych obszarów upwellinguniska
biocenozaekosystemy mało zróżnicowane o dużej liczebności populacji (zakwity mórz, m.in.plankton jednogatunkowy)ekosystemy bardzo zróżnicowane gatunkowo, lecz mniejsza liczebność populacji (m.in. wielkie gady morskie)

Na podstawie analizy korelacji danych dotyczących masowych wymierań, poziomu morza, wulkanizmu i klimatu, obejmujących okres ponad 600 mln lat, Fischer wyodrębnił następujące fazy megacyklu[18]:

Kontynuatorzy prac Alfreda Fischera (m.in. John Veevers) opracowali ulepszone wersje megacykli, dalej sięgające w przeszłość i wybiegające w przyszłość (z uwzględnieniem antropopresji – efektu cieplarnianego wywołanego przez człowieka)[18].

Opinie

W zakończeniu rozdziału książki „Nowe spojrzenie na starą planetę” zatytułowanego „Inne czasy, inne oceany” Tjeerd H. van Andel napisał[2]:

Oto pożywka dla pomysłów lecz dopóki nie zdobędziemy znacznie większej wiedzy – pomysłów bardzo ostrożnych.

oraz:

Zwolennicy eustatycznych zmian poziomu morza gwałtownie sprzeciwiają się tej idei i podkreślają słabość materiału dowodowego oraz usiłują wykazać, że gdyby był on lepszy, wszyscy uznaliby ciepłą Ziemię jedynie za produkt naszej wyobraźni. Do chóru wątpiących dołączyło wielu specjalistów zajmujących się modelowaniem klimatu, bowiem nie będąc w stanie sporządzić modelu o ciepłych biegunach, sądzą oni, że coś jest nie w porządku z dowodami. Przypuszczam, że w każdym z nas siedzi trochę uniformitarianizmu, ale w tym przypadku dobrze byłoby zawierzyć zdrowemu rozsądkowi. [...] Na razie wydaje się rozsądne, by zaufać przede wszystkim materialnym dowodom i pozostać przy opowieści o dwóch stanach oceanu, czy też dwóch stanach Ziemi...

autor, Tjeerd H. van Andel, „Nowe spojrzenie na starą planetę”.

Uwagi

  1. ↑ Popularnym przykładem ujemnego sprzężenia zwrotnego jest zahamowanie solnego transportera ciepła przez słodką wodę z topniejących lodowców (zob. Północnoatlantyckie wody głębinowe). Często przytaczany przykład sprzężenia dodatniego dotyczy roli zmiennego albedo – pokrycie śniegiem i lodem okolic biegunowych powoduje zwiększenie ilości odbijanego promieniowania słonecznego, czyli zmniejsza ilość energii pochłanianej i sprzyja rozwojowi zlodowacenia.

Przypisy

  1. ↑ Alfred Fischer, Emeritus Professor of Earth Sciences. [w:] University of Southern California > Dana and David Dornsife College>faculty & staff [on-line]. dornsife.usc.edu/. [dostęp 2012-06-28]. (ang.).
  2. ↑ a b Tjeerd H. Van Andel (tłum Władysław Studencki): Nowe spojrzenie na Starą Planetę. Zmienne oblicze Ziemi. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1997, s. 147–163, 185–186. ISBN 83-01-12244-7.
  3. ↑ Źródło: Graham, Joseph, Newman, William, and Stacy, John, 2008, The geologic time spiral—A path to the past (ver. 1.1): U.S. Geological Survey General Information Product 58, poster, 1 sheet; według Wikimedia Commons.
  4. ↑ a b Wybrane publikacje Alfreda Georga Fischera – prace indywidualne i współautorstwo:
    Alfred George Fischer, The Echinoid Fauna of the Inglis Member, Moodys Branch Formation. Florida Geological Survey, 1951. [dostęp 2012-06-28]. (ang.).,
    Henry Van Wagenen Howe, Alfred George Fischer, New Tertiary Ostracode Fauna from Levy County, Florida. Survey, State Board, 1951. [dostęp 2012-06-28]. (ang.).,
    Alfred George Fischer, The Echinoid Fauna of the Inglis Member, Moodys Branch Formation. Florida Geological Survey, 1951. [dostęp 2012-06-28]. (ang.).,
    Henry Van Wagenen Howe, Alfred George Fischer, The Echinoid Fauna of the Inglis Member, Moody Branch Formation. Survey, State Board, 1951. [dostęp 2012-06-28]. (ang.).,
    Howard T. Odum, Alfred George Fischer, Pt. I Dissolved Phosphorus in Florida Waters: Pt. II Petrology of Eocene Limestones in and Around the Citrus-Levy County Area, Florida. Survey, State Board, 1953. [dostęp 2012-06-28]. (ang.).
    A.G. Fischer, Latitudinal Variations in Organic Diversity. „Evolution”. 14 (1), s. 64–81, March 1960. [dostęp 2012-06-28]. (ang.). ,
    A.G. Fischer, Geological Time-Distance Rates: The Bubnoff Unit. „Geological Society of America Bulletin”. 80 (3), s. 549–552, March 1969. [dostęp 2012-06-28]. (ang.). ,
    M.A., Arthur, A.G. Fischer, „Geological Society of America Bulletin”. 88, s. 367–371, 1977. (ang.). Sprawdź autora:1.; cyt. według Climate in Earth History: Studies in Geophysics,
    M.A. Arthur, Alfred G. Fischer, Upper Cretaceous–Paleocene magnetic stratigraphy at Gubbio, Italy I. Lithostratigraphy and sedimentology. „Geological Society of America Bulletin”. 88 (3), s. 367–371, March 1977. [dostęp 2012-06-28]. (ang.). ,
    W. Alvarez, M.A. Arthur, A.G. Fischer, W.Lowrie, G.Napoleone, I. Premoli Silva, W.M. Roggenthen, Upper Cretaceous–Paleocene magnetic stratigraphy at Gubbio, Italy V. Type section for the Late Cretaceous-Paleocene geomagnetic reversal time scale. „Geological Society of America Bulletin”. 88 (3), s. 383–389, March 1977. [dostęp 2012-06-28]. (ang.). ,
    A.G. Fischer, Long-Term Climatic Oscillations Recorded in Stratigraphy, [w:] Long-Term Climatic Oscillations Recorded in Stratigraphy, [w:] Climate in Earth History: Studies in Geophysics [online], National Academy of Sciences, 1982, s. 97–105, ISBN 0-309-10784-9 [dostęp 2012-06-28] (ang.).,
    G. Napoleone, I. Premoli Silva, F. Heller, P. Cheli, S. Corezzi, A. G. Fischer Eocene magnetic stratigraphy at Gubbio, Italy, and its implications for Paleogene geochronology. „Geological Society of America Bulletin”. 94 (2), s. 181–191, February, 1983. [dostęp 2012-06-28]. (ang.). 
  5. ↑ Walter Alvarez. [w:] Cal Poly Pomona Chapter of the NASA Opportunities for Visionary Academics [on-line]. www.csupomona.edu. [dostęp 2016-03-04]. (ang.).; „Walter Alvarez”, w: www Department of Earth & Planetary Science
  6. ↑ Ida Kubiszewski (Topic Editor: Cutler Cleveland): Howard T. Odum Collection. [w:] The Encyclopedia of Earth [on-line]. www.eoearth.org. [dostęp 2017-03-24]. (ang.).; H.T. Odum w University of Florida, UF Science Library General Collection
  7. ↑ Michael Arthur, Professor of Geosciences. [w:] Geoscience Faculty Pages [on-line]. www3.geosc.psu.edu/people/. [dostęp 2016-03-04]. (ang.).
  8. ↑ Isabella Premoli Silva Full Professor Recent Publications 2005-present. [w:] Strona internetowa [on-line]. unimi.it. [dostęp 2012-07-04]. (ang.).
  9. ↑ H. V. Anderson: In Memory of Henry Van Wagenen Howe. [w:] Strona internetowa "Gulf Coast Section SEPM" [on-line]. www.gcssepm.org. [dostęp 2012-07-04]. (ang.).
  10. ↑ Geology and Geological Engineering Faculty and Staff > William M. Roggenthen. [w:] South Dakota, Scool of Mines and Technology (SMT) [on-line]. geology.sdsmt.edu. [dostęp 2012-07-04].
  11. ↑ Evolution; International Journal of Organic Evolution. „Prezentacja czasopisma w wiley.com”. onlinelibrary.wiley.com. ISSN 1558-5646. (ang.). ; Ed. Daphne Fairbairn, IF: 5,146
  12. ↑ Geological Society of America Bulletin, [w:] Strona internetowa czasopisma [online], gsabulletin.gsapubs.org, ISSN 0016-7606, Online ISSN 1943-2674 [dostęp 2012-07-04] (ang.).; publ. od 1890; IF 4,327
  13. ↑ a b Tjeerd H. Van Andel op.cit.: Nowe spojrzenie na Starą Planetę. s. 23–24.
  14. ↑ a b c Tjeerd H. Van Andel op.cit.: Nowe spojrzenie na Starą Planetę. s. 32.
  15. ↑ a b c Tjeerd H. Van Andel op.cit.: Nowe spojrzenie na Starą Planetę. s. 59–60.
  16. ↑ a b Tjeerd H. Van Andel op.cit.: Nowe spojrzenie na Starą Planetę. s. 151–157.
  17. ↑ a b Tjeerd H. Van Andel op.cit.: Nowe spojrzenie na Starą Planetę. s. 36–37.
  18. ↑ a b c d e Tjeerd H. Van Andel op.cit.: Nowe spojrzenie na Starą Planetę. s. 183–184.
  19. ↑ Tjeerd H. Van Andel op.cit.: Nowe spojrzenie na Starą Planetę. s. 16.
  20. ↑ About H. L. Mencken. [w:] Biogram [on-line]. www.menckenhouse.org. [dostęp 2012-07-04]. [zarchiwizowane z tego adresu (2012-02-04)]. (ang.).
  21. ↑ Tjeerd H. Van Andel op.cit.: Nowe spojrzenie na Starą Planetę. s. 74–75.
  22. ↑ R. Damian Nance, Thomas R. Worsley, Judith B. Moody: The Supercontinent Cycle. [w:] Scientific American, July 1988, ss. 72–79 [on-line]. www.as.wvu.edu/biology. [dostęp 2012-07-04]. (ang.).
  23. ↑ a b Murphy, J. Brendon R. Damian Nance,. Łańcuchy górskie i cykl superkontynentalny. „Świat Nauki”, s. 38–46, 1992. (pol.). 
  24. ↑ a b Ian W.D. Dalziel. Zanim powstała Pangea. „Świat Nauki”, s. 40–45, 1995. (pol.). 
  25. ↑ a b W jakim stopniu klimat jest prognozowalny? [Źródło: AURA]. [dostęp 2012-07-11]. (pol.).
  26. ↑ a b Fizyk domowy sumuje drgania; Symulacja, Symulacja komputerowa. [w:] www.interklasa.pl/portal [on-line]. [dostęp 2012-07-11]. (pol.).
  27. ↑ a b Antoni Adamczyk: Składanie drgań harmonicznych. Dudnienia. Krzywe Lissajous. [w:] PW Wykłady i Animacje z Fizyki Ogólnej [on-line]. [dostęp 2012-07-11]. (pol.).
  28. ↑ Źródło: Haq et al. 1987, Ross & Ross 1987, Ross & Ross 1988; według Wikimedia Commons.
  29. ↑ R.A. Rohde, R.A. Muller (2005), Cycles in fossil diversity, Nature 434: 209–210; według Wikimedia Commons.
  30. ↑ Źródło: J.A. Eddy, OIES, and R.S. Bradley, University of Massachusetts; według Wikimedia Commons.
  31. ↑ a b c Tjeerd H. Van Andel op.cit.: Nowe spojrzenie na Starą Planetę. s. 160–164.

Media użyte na tej stronie

North season.jpg
Autor: Tauʻolunga, Licencja: CC0
The Earth at the start of the 4 (astronomical) seasons as seen from the north and ignoring the atmosphere (no clouds, no twilight).
Pangea animation 03.gif
Animation of the break-up of the supercontinent Pangaea and the subsequent drift of its constituents, from the Early Triassic to recent (250 Ma to 0).
Eccentricity half.svg
An orbit with an eccentricity of 0.5.
WaveInterference.gif
Autor: Adjwilley, Licencja: CC BY-SA 3.0
The sum (blue) of two sine waves (red, green) is shown as one of the waves increases in frequency. The two waves are initially identical, then the frequency of the green wave is gradually increased by 25%. Constructive and destructive interference can be seen.
Horseshoe Canyon Alberta Nov 1988.jpg
(c) Anky-man, CC-BY-SA-3.0
Horseshoe Canyon Formation exposed in Horseshoe Canyon near Drumheller, Alberta
Gyroscope precession.gif
Precession on a gyroscope. Note that the angular momentum vector is pointing starting at the top point towards the fixed point (also applies to the gimbal).
Fischers oceans.svg
Autor: Joanna Kośmider, Licencja: CC BY-SA 3.0
Oceany zimne i ciepłe - "chłodnia" i "cieplarnia" według Fischera (megacykle Fischera)
Earth obliquity range.svg
Range of the tilt of Earth's axis of rotation (obliquity). Present tilt is 23.4°.
Iceage time-slice hg.png
Autor: Hannes Grobe/AWI, Licencja: CC BY 3.0

The prelude, initiation and progression of the current ice age is shown in six different time slices of temperature change (180 Mio yr, 800 kyr, 150 kyr, 18 kyr, 1 kyr, 120 yr). The grey shaded box is the extracted time slice given in the following graf in a higher resolution. Start reading from upper right to upper left:

  • The decrease in temperature during the last 35 million years is due to changes in ocean current systems controlled by the movement and distribution of the continents (plate tectonic). This long-term cooling is the prelude to the ice age of the Quaternary.
  • Climate variations (glacial/interglacial cycles) during the ice age of the last 2 Million years are controlled by Milankovitch cycles in the earth orbit around the sun (excentricity, obliquity, precission).
  • The last glacial/interglacial cycles show a saw tooth shape - with a steep increase in temperature at the termination of a glacial and a slow cooling towards the following glacial.
  • The last glacial ended at about 18 kyr (21 calendar kiloyears before present), followed by a temperature increase of some degree up to the Holocene climate optimum, interrupted by a short cooling event (Younger Dryas).
  • The medival warm period is followed by the little ice age presumably caused by changes in the radiation of the sun.
  • During the last 100 years, a prominent temperature increase starting at the end of the 20th century calls for influence of mankind on climate caused by burning of fossil fuel.

Please keep in mind: All grafs are principle scetches and do NOT reflect the most recent knowledge of climate change in detail!

Detailed original description:

(1) Mean global temperature through the last 180 million years, derived from oxygen isotope analyses of various marine and terrestrial deposits (from L.A. Frakes, Climates Through Geologic Time, Elsevier, Amsterdam, 1979). The present (ca. 1900) condition, for reference, is shown as a horizontal line. Of note are (1) a global cooling trend since the time of the Cretaceous, when global surface temperatures were 8-10°C warmer than today, and (2) the onset of a continuing series of deeper, periodic glacial/interglacial oscillations in the latest, Quaternary period. Also shown (dark band) is the range of modeled surface temperature based on a doubling of atmospheric CO2, projecting an increase from present values of about 2-5°C (Crowley, 1990 doi:10.1175/1520-0442(1990)003<1282:ATASGA>2.0.CO;2). Note that a different linear time scale is used for each of the three geologic divisions.

(2) Surface temperature through the last 850,000 years, derived from measurements of the ratio of 16O to 18O in fossil plankton which had settled to the sea floor and were recovered in a deepsea core from the equatorial Pacific Ocean (Shackleton and Opdyke, 1973 doi:10.1016/0033-5894(73)90052-5). The changes mainly reflect variations in global ice volume; the scale used here was added to show schematically the probable associated changes in global average surface temperature, based on a model-derived difference of 4-6°C between full glacial and full interglacial conditions (Clark, Carbon Dioxide Review, Oxford University Press, New York, 1982). The reference line at 15°C corresponds to surface temperatures of the modern era. The glacial/interglacial oscillations, characteristic of the Pleistocene epoch, are now thought to be induced by periodic variations in the orbit of the earth and in its axis of inclination (the Milankovitch effect), which act together to bring about systematic changes in the seasonal distribution of sunlight over the surface of the planet.

(3) Air temperature over Antarctica, expressed as a difference from the modern surface temperature value. These estimates are derived from hydrogen/deuterium ratios measured in an ice core from the Vostok station in Antarctica (Jouzel et aI., 1987 doi:10.1038/329403a0). Of note are the present (Holocene) and the preceding, somewhat warmer "Eemian" interglacial periods, each characterized by a rapid onset to an early interglacial maximum temperature,and a subsequent, slower decline. The glacial period between, called the Wisconsin glaciation in the Americas, is itself characterized by significant variations in temperature that fall systematically to a coldest extreme (maximum glaciation) about 20,000 years before the present (B.P.).

(4) Variations in surface temperature, estimated from a variety of sources, principally isotope ratios from Greenland ice cores, for the last 18,000 years. The onset and subsequent character of the present interglacial or Holocene epoch are depicted. Of note are century-scale oscillations in temperature, identified in the Greenland record and in certain European lakes, during the period of deglaciation between about 15,000 and 10,000 years B.P., and a broad Holocene maximum about 5000-6000 years B.P., when summer temperatures may have been 1-2°C warmer than the present era. At these expanded scales, the temperature excursions depicted in this and the subsequent graph are the most conjectural of the set (modified from J.T. Houghton et aI., Climate Change: The IPCC Assessment, Cambridge University Press, Cambridge, 1990).

(5) Variations in surface air temperature estimated from a variety of sources, including temperature-sensitive tree growth indices and written records and accounts of various kinds, largely from western Europe and eastern North America. Of note is a possible protracted global warming through the Medieval period, when surface temperatures may have averaged about 0.3°C warmer than the A.D. 1900 reference. It was followed by a longer period of much colder conditions, loosely termed the Little Ice Age, when the estimated global mean temperature may have fallen about 0.6°C below the reference norm, reflecting global temperatures almost 1°C lower than the values attained during the middle of the current century (modified from a not-to-be-taken-literally schematic in Houghton et al., 1990).

(6) Globally averaged, direct measurements of the combined sea surface temperature and air temperature over the land, shown in this case relative to 1951-80. A stepped warming of about 0.6°C is evident, qualified in the consensus 1990 IPCC Report as 0.3-0.6°C to reflect uncertainties in the data used (from J.T.Houghton et aI., 1990).
Sea currents hot house 2.PNG
Sea currents on "hot house" state in Earth. Continents does not prevent circulation of warm ocean current in equator.
Sea currents ice house 2.PNG
Earth in "ice house" state. There is no warm current that circulates round of world. On polar region there is strong circulating cold ocean current circum pole.
Phanerozoic Climate Change.png
Autor: Dragons flight, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Expansion showing climate change during the last 65 million years. Note that the scales are not numerically the same since they are based on measurement different types of taxa under different conditions.

This figure shows the long-term evolution of oxygen isotope ratios during the Phanerozoic eon as measured in fossils, reported by Veizer et al. (1999), and updated online in 2004.[1] Such ratios reflect both the local temperature at the site of deposition and global changes associated with the extent of permanent continental glaciation. As such, relative changes in oxygen isotope ratios can be interpreted as rough changes in climate. Quantitative conversion between these data and direct temperature changes is a complicated process subject to many systematic uncertainties, however it is estimated that each 1 part per thousand change in δ18O represents roughly a 1.5-2 °C change in tropical sea surface temperatures (Veizer et al. 2000).

Also shown on this figure are blue bars showing periods when geological criteria (Frakes et al. 1992) indicate cold temperatures and glaciation as reported by Veizer et al. (2000). The Jurassic-Cretaceous period, plotted as a lighter blue bar, was interpreted as a "cool" period on geological grounds, but the configuration of continents at that time appears to have prevented the formation of large scale ice sheets.

All data presented here have been adjusted to 2004 ICS geologic timescale.[2] The "short-term average" was constructed by applying a σ = 3 Myr Gaussian weighted moving average to the original 16,692 reported measurements. The gray bar is the associated 95% statistical uncertainty in the moving average. The "long-term average" is a σ = 15 Myr Gaussian average of the short-term record (see notes).

On geologic time scales, the largest shift in oxygen isotope ratios is due to the slow radiogenic evolution of the mantle. A variety of proposals exist for dealing with this, and are subject to a variety of systematic biases, but the most common approach is simply to suppress long-term trends in the record. This approach was applied in this case by subtracting a quadratic polynomial fit to the short-term averages. As a result, it is not possible to draw any conclusion about very long-term (>200 Myr) changes in temperatures from this data alone. However, it is usually believed that temperatures during the present cold period and during the Cretaceous thermal maximum are not greatly different from cold and hot periods during most of the rest the Phanerozoic. However, recently this has been disputed by Royer et al. (2004), who suggest that the highs and lows in the early part of the Phanerozoic were both significantly warmer than their recent counterparts.

Common symbols for geologic periods are plotted at the top and bottom of the figure for reference.

Long-term evolution

The long-term changes in isotope ratios have been interpreted as a ~140 Myr quasi-periodicity in global climate (Veizer et al. 2000) and some authors (Shaviv and Veizer 2003) have interpreted this periodicity as being driven by the solar system's motions about the galaxy. Encounters with galactic spiral arms can plausibly lead to a factor of 3 increase in cosmic ray flux. Since cosmic rays are the primary source of ionization in the troposphere, these events can plausibly impact global climate. A major limitation of this theory is that existing measurements can only poorly constrain the timing of encounters with the spiral arms.

The more traditional view is that long-term changes in global climate are controlled by geologic forces, and in particular, changes in the configuration of continents as a result of plate tectonics.
Geological time spiral.png
A diagram of the geological time scale
Stratigraphy of the Grand Canyon.png

Stratigraphy of the Grand Canyon. "Grand Canyon 'yardstick' of geologic time: A guide to the

canyon’s geologic history and origin."
Phanerozoic Sea Level.png
Autor: unknown, Licencja: CC-BY-SA-3.0