Dalam Silent Spring, Rachel Carson mempertimbangkan sagebrush Barat. "Karena di sini lanskap alamnya fasih dari interaksi kekuatan yang telah menciptakannya, " tulisnya. “Itu tersebar di hadapan kita seperti halaman-halaman sebuah buku terbuka di mana kita dapat membaca mengapa tanah itu seperti apa adanya, dan mengapa kita harus menjaga integritasnya. Tapi halaman-halamannya tidak terbaca. ”Dia menyesali hilangnya bentang alam yang terancam, tetapi dia mungkin juga berbicara tentang penanda paleoklimat.
Untuk mengetahui ke mana Anda akan pergi, Anda harus tahu di mana Anda berada. Itu terutama berlaku bagi para ilmuwan iklim, yang perlu memahami berbagai perubahan planet ini untuk memetakan arah masa depan kita. Tetapi tanpa mesin waktu, bagaimana mereka mendapatkan data seperti ini?
Seperti Carson, mereka harus membaca halaman-halaman Bumi. Untungnya, Bumi telah menyimpan buku harian. Apa pun yang menempatkan lapisan tahunan — karang laut, stalagmit gua, pohon berumur panjang, makhluk laut bercangkang kecil — dengan setia mencatat kondisi masa lalu. Untuk melangkah lebih jauh, para ilmuwan mengeruk inti sedimen dan inti es dari dasar lautan dan kutub es, yang menulis memoar mereka sendiri dalam semburan abu dan debu serta gelembung gas yang terperangkap lama.
Maka, dalam arti tertentu, kita memiliki mesin waktu: Masing-masing proksi ini menceritakan kisah yang sedikit berbeda, yang dapat dijalin bersama oleh para ilmuwan untuk membentuk pemahaman yang lebih lengkap tentang masa lalu Bumi.
Pada bulan Maret, Museum Nasional Sejarah Alam Institut Smithsonian mengadakan Simposium Sejarah Suhu Bumi tiga hari yang mempertemukan para guru, jurnalis, peneliti, dan masyarakat untuk meningkatkan pemahaman mereka tentang paleoklimat. Selama kuliah malam, Gavin Schmidt, pemodel iklim dan direktur Institut Goddard untuk Studi Antariksa NASA, dan Richard Alley, ahli geologi terkenal di Pennsylvania State University, menjelaskan bagaimana para ilmuwan menggunakan iklim masa lalu Bumi untuk meningkatkan model iklim yang kita gunakan untuk memprediksi masa depan kita.
Inilah panduan Anda tentang masa lalu iklim Bumi — bukan hanya apa yang kita ketahui, tetapi bagaimana kita mengetahuinya.
Bagaimana kita melihat iklim Bumi di masa lalu?
Dibutuhkan sedikit kreativitas untuk merekonstruksi inkarnasi masa lalu Bumi. Untungnya, para ilmuwan mengetahui faktor alami utama yang membentuk iklim. Mereka termasuk letusan gunung berapi yang abu menghalangi matahari, perubahan dalam orbit Bumi yang menggeser sinar matahari ke lintang yang berbeda, sirkulasi lautan dan es laut, tata letak benua, ukuran lubang ozon, ledakan sinar kosmik, dan penggundulan hutan. Dari jumlah tersebut, yang paling penting adalah gas rumah kaca yang memerangkap panas matahari, terutama karbon dioksida dan metana.
Seperti yang dicatat Carson, Bumi mencatat perubahan-perubahan ini dalam bentang alamnya: di lapisan geologis, pohon fosil, cangkang fosil, bahkan kencing tikus yang mengkristal — pada dasarnya segala sesuatu yang benar-benar tua yang dapat dilestarikan. Para ilmuwan dapat membuka halaman buku harian ini dan bertanya kepada mereka apa yang sedang terjadi saat itu. Lingkaran pohon merupakan pencatat yang rajin, mencatat curah hujan di lingkaran tahunan mereka; inti es dapat menyimpan akun yang sangat terperinci tentang kondisi musiman selama hampir satu juta tahun.
Inti es mengungkapkan lapisan salju tahunan, abu vulkanik, dan bahkan sisa-sisa peradaban yang telah lama mati. (Goddard / Ludovic Brucker dari NASA) Apa lagi yang bisa dikatakan inti es?
“Wow, ada banyak sekali, ” kata Alley, yang menghabiskan lima musim di lapangan untuk menggali es dari lapisan es Greenland. Pertimbangkan apakah inti es itu sebenarnya: penampang lapisan salju yang turun selama ribuan tahun.
Ketika salju menyelimuti tanah, itu berisi ruang udara kecil yang diisi dengan gas atmosfer. Di kutub, lapisan yang lebih tua terkubur dan dikompres menjadi es, mengubah ruang-ruang ini menjadi gelembung udara masa lalu, sebagaimana ditulis oleh peneliti Caitlin Keating-Bitonti dan Lucy Chang di Smithsonian.com. Para ilmuwan menggunakan komposisi kimia es itu sendiri (rasio isotop oksigen berat dan ringan dalam H2O) untuk memperkirakan suhu. Di Greenland dan Antartika, para ilmuwan seperti Alley mengekstrak inti es yang sangat panjang — sekitar lebih dari dua mil!
Inti es memberi tahu kami berapa banyak salju yang turun selama tahun tertentu. Tetapi mereka juga mengungkapkan debu, garam laut, abu dari ledakan vulkanik yang jauh, bahkan polusi yang ditinggalkan oleh pipa ledeng Romawi. "Jika di udara itu di es, " kata Alley. Dalam kasus terbaik, kita dapat menentukan tanggal inti es dengan musim dan tahun yang tepat, menghitung lapisan tahunan mereka seperti lingkaran pohon. Dan inti-inti es mempertahankan detail-detail indah ini selama ratusan ribu tahun, menjadikannya apa yang oleh Alley disebut "standar emas" proksi paleoklimat.
Tunggu, tapi bukankah sejarah Bumi lebih lama dari itu?
Ya itu betul. Ilmuwan paleoklimat perlu kembali jutaan tahun — dan untuk itu kita membutuhkan hal-hal yang bahkan lebih tua dari inti es. Untungnya, hidup memiliki catatan panjang. Catatan fosil kehidupan kompleks mencapai kembali ke suatu tempat sekitar 600 juta tahun. Itu berarti kami memiliki proksi yang pasti untuk perubahan iklim yang akan kembali kira-kira sejauh itu. Salah satu yang paling penting adalah gigi conodont — makhluk yang punah, mirip belut — yang berusia 520 juta tahun.
Tetapi beberapa proksi iklim yang paling umum pada skala waktu ini bahkan lebih kecil. Foraminifera (dikenal sebagai "forams") dan diatom adalah makhluk bersel tunggal yang cenderung hidup di dasar laut, dan seringkali tidak lebih besar dari periode di akhir kalimat ini. Karena mereka tersebar di seluruh bumi dan telah ada sejak Jurassic, mereka telah meninggalkan catatan fosil yang kuat bagi para ilmuwan untuk menyelidiki suhu masa lalu. Dengan menggunakan isotop oksigen di kulitnya, kita dapat merekonstruksi suhu lautan lebih dari 100 juta tahun yang lalu.
"Di setiap tanjung outthrust, di setiap pantai melengkung, di setiap butiran pasir ada cerita tentang bumi, " Carson pernah menulis. Cerita-cerita itu, ternyata, juga bersembunyi di perairan yang menciptakan pantai-pantai itu, dan pada makhluk yang lebih kecil dari sebutir pasir.
Foraminifera. (Ernst Haeckel) Berapa banyak kepastian yang kita miliki untuk masa lalu yang dalam?
Bagi para ilmuwan paleoklimat, kehidupan sangat penting: jika Anda memiliki indikator kehidupan di Bumi, Anda dapat menginterpretasikan suhu berdasarkan distribusi organisme.
Tetapi ketika kita telah kembali sejauh ini sehingga tidak ada lagi gigi conodont, kita telah kehilangan indikator utama kita. Di masa lalu kita harus bergantung pada distribusi sedimen, dan penanda gletser masa lalu, yang dapat kita ekstrapolasi untuk mengindikasikan pola iklim secara kasar. Jadi semakin jauh kita melangkah, semakin sedikit proksi yang kita miliki, dan semakin sedikit granular pemahaman kita. "Itu hanya menjadi foggier dan foggier, " kata Brian Huber, seorang ahli paleobiologi Smithsonian yang membantu mengatur simposium bersama dengan sesama ilmuwan penelitian paleobiologis dan kurator Scott Wing.
Bagaimana paleoclimate menunjukkan kepada kita pentingnya gas rumah kaca?
Gas rumah kaca, seperti namanya, bekerja dengan memerangkap panas. Pada dasarnya, mereka akhirnya membentuk selimut isolasi untuk Bumi. (Anda bisa mendapatkan lebih banyak ke dalam kimia dasar di sini.) Jika Anda melihat grafik Zaman Es di masa lalu, Anda dapat melihat bahwa tingkat CO2 dan Zaman Es (atau suhu global) sejajar. Lebih banyak CO2 sama dengan suhu yang lebih hangat dan lebih sedikit es, dan sebaliknya. "Dan kita tahu arah penyebabnya di sini, " catat Alley. "Ini terutama dari CO2 ke es (kurang). Bukan sebaliknya. ”
Kita juga dapat melihat kembali foto-foto spesifik pada waktunya untuk melihat bagaimana Bumi merespons lonjakan CO2 masa lalu. Misalnya, dalam periode pemanasan ekstrem selama era Kenozoikum Bumi sekitar 55, 9 juta tahun yang lalu, cukup banyak karbon yang dilepaskan hingga sekitar dua kali lipat jumlah CO2 di atmosfer. Akibatnya, kondisi yang panas menimbulkan kekacauan, menyebabkan migrasi besar-besaran dan kepunahan; hampir semua yang hidup entah pindah atau punah. Tanaman layu. Lautan diasamkan dan dipanaskan hingga mencapai suhu bak mandi.
Sayangnya, ini mungkin pertanda bagi tujuan kita. “Inilah yang menakutkan bagi pemodel iklim, ” kata Huber. “Pada tingkat yang akan kita capai, kita semacam meringkuk kembali ke masa-masa kehangatan ekstrem ini.” Itulah mengapa memahami peran karbon dioksida dalam perubahan iklim masa lalu membantu kita memperkirakan perubahan iklim di masa depan.
Kedengarannya sangat buruk.
Ya.
Saya sangat terkesan dengan banyaknya data paleoclimate yang kami miliki. Tetapi bagaimana cara kerja model iklim?
Pertanyaan bagus! Dalam sains, Anda tidak dapat membuat model kecuali Anda memahami prinsip-prinsip dasar yang mendasari sistem. Jadi fakta bahwa kita dapat membuat model yang baik berarti kita memahami bagaimana ini semua bekerja. Model pada dasarnya adalah versi realitas yang disederhanakan, berdasarkan pada apa yang kita ketahui tentang hukum fisika dan kimia. Insinyur menggunakan model matematika untuk membangun struktur yang diandalkan jutaan orang, mulai dari pesawat terbang hingga jembatan.
Model kami didasarkan pada kerangka kerja data, yang sebagian besar berasal dari proxy paleoclimate yang telah dikumpulkan para ilmuwan dari setiap sudut dunia. Itulah mengapa sangat penting bagi data dan model untuk saling berkomunikasi. Para ilmuwan menguji prediksi mereka pada data dari masa lalu yang jauh, dan mencoba untuk memperbaiki perbedaan yang muncul. “Kita dapat kembali ke masa lalu dan mengevaluasi dan memvalidasi hasil dari model-model ini untuk membuat prediksi yang lebih baik untuk apa yang akan terjadi di masa depan, ” kata Schmidt.
Berikut modelnya:
Cantik sekali. Tapi saya dengar modelnya tidak terlalu akurat.
Sesuai sifatnya, model selalu salah. Pikirkan mereka sebagai perkiraan, tebakan terbaik kami.
Tetapi tanyakan pada diri Anda: apakah tebakan-tebakan ini memberi kita lebih banyak informasi daripada sebelumnya? Apakah mereka memberikan prediksi yang bermanfaat yang tidak akan kita miliki? Apakah mereka mengizinkan kami untuk mengajukan pertanyaan baru yang lebih baik? "Ketika kita menggabungkan semua bagian ini, kita berakhir dengan sesuatu yang sangat mirip planet ini, " kata Schmidt. “Kami tahu itu tidak lengkap. Kami tahu ada hal-hal yang belum kami sertakan, kami tahu bahwa kami telah memasukkan hal-hal yang sedikit salah. Tetapi pola dasar yang kita lihat dalam model ini dapat dikenali ... sebagai pola yang kita lihat di satelit sepanjang waktu. "
Jadi kita harus percaya mereka untuk memprediksi masa depan?
Model-model itu dengan setia mereproduksi pola-pola yang kita lihat di masa lalu, masa kini Bumi — dan dalam beberapa kasus, masa depan. Kita sekarang berada pada titik di mana kita dapat membandingkan model iklim awal — model akhir 1980-an dan 1990-an yang dikerjakan tim Schmidt di NASA — dengan kenyataan. "Ketika saya masih mahasiswa, model awal memberi tahu kami bagaimana itu akan hangat, " kata Alley. “Itu sedang terjadi. Model-model tersebut berhasil diprediksi dan juga jelas: mereka bekerja. "Tergantung di mana Anda berdiri, itu mungkin membuat Anda berkata" Ya ampun! Kami benar! "Atau" Oh tidak! Kami benar. "
Untuk memeriksa akurasi model, para peneliti kembali ke data paleoclimate yang dikumpulkan Alley dan yang lainnya. Mereka menjalankan model ke masa lalu yang jauh, dan membandingkannya dengan data yang sebenarnya mereka miliki.
“Jika kita dapat mereproduksi iklim masa lalu purba di mana kita tahu apa yang terjadi, itu memberi tahu kita bahwa model itu adalah alat yang sangat baik bagi kita untuk mengetahui apa yang akan terjadi di masa depan, ” kata Linda Ivany, seorang ilmuwan paleoklimat di Universitas Syracuse. Proksi penelitian Ivany adalah kerang purba, yang cangkangnya mencatat tidak hanya kondisi tahunan tetapi musim dingin dan musim panas yang berlangsung selama 300 juta tahun — menjadikannya cara berharga untuk memeriksa model. "Semakin baik model memulihkan masa lalu, " katanya, "semakin baik mereka memprediksi masa depan."
Paleoclimate menunjukkan kepada kita bahwa iklim Bumi telah berubah secara dramatis. Bukankah itu berarti bahwa, dalam arti relatif, perubahan hari ini bukan masalah besar?
Ketika Richard Alley mencoba menjelaskan gravitasi perubahan iklim buatan manusia, ia sering menyebut fenomena tahunan tertentu: kebakaran hutan yang membakar di perbukitan Los Angeles setiap tahun. Kebakaran ini dapat diprediksi, siklus, alami. Tapi itu gila untuk mengatakan bahwa, karena api adalah norma, tidak apa-apa membiarkan pelaku pembakaran juga membakar. Demikian pula, fakta bahwa iklim telah berubah selama jutaan tahun tidak berarti bahwa gas rumah kaca buatan manusia bukanlah ancaman global yang serius.
"Peradaban kita didasarkan pada iklim dan permukaan laut yang stabil, " kata Wing, "dan semua yang kita tahu dari masa lalu mengatakan bahwa ketika Anda menaruh banyak karbon di atmosfer, iklim dan permukaan laut berubah secara radikal."
Sejak Revolusi Industri, aktivitas manusia telah membantu menghangatkan bumi 2 derajat F, seperempat dari apa yang dianggap Schmidt sebagai "Unit Zaman Es" - perubahan suhu yang dilalui Bumi antara Zaman Es dan Zaman non-Es. Model hari ini memprediksi 2 hingga 6 derajat Celcius lagi pemanasan pada tahun 2100 — setidaknya 20 kali lebih cepat dari serangan pemanasan sebelumnya selama 2 juta tahun terakhir.
Tentu saja ada ketidakpastian: "Kita bisa berdebat tentang apakah kita menjadi terlalu optimis atau tidak, " kata Alley. "Tapi tidak banyak perdebatan tentang apakah kita terlalu menakutkan atau tidak." Mengingat betapa benarnya kita sebelumnya, kita harus mengabaikan sejarah dengan risiko kita sendiri.
