Urgammal is och sten avslöjar svunnet klimat

Ur en vit frigolitlåda tar Malin Stenberg de Serves upp en cylindrisk isbit. Hon håller den nästan som ett spädbarn i famnen, och skojar lite om det.

– Det är faktiskt som en bebis. Det första man gör när man får upp en iskärna är att väga och mäta den.

Malin Stenberg de Serves har själv varit med och tagit upp sådana här borrkärnor av is på Antarktis, så även om hon själv inte längre arbetar med forskning – hon är kommunikatör på institutionen – är hon mycket väl bekant med processen.

Just den här iskärnan är ungefär tusen år gammal och är därmed ett av de yngre proverna här i islabbet på Stockholms universitet. Inpackade i långa svarta plaströr och trälårar finns borrkärnor från Antarktis och Grönland som sträcker sig många tusen år bakåt i tiden.

Inuti isen syns luftbubblor, inkapslade små prover av atmosfären från den tid då isen bildades. Bubblorna i de olika islagren har gett forskare direkta mått på hur koldioxidhalten i luften har varierat.

Borrkärnor som den här är ett av de bästa informationslagren som finns, ett naturligt arkiv över hur klimatet utvecklats genom tiderna. Kunskapen som går att få fram om klimatets utveckling på jorden är mycket relevant i dag när koldioxidhalten i atmosfären ökar så kraftigt.

Även om klimatforskare vet mycket behöver de all information de kan få. Tidigare klimatförändringar fungerar som exempel att testa klimatmodellerna på. Ju bättre modellerna kan reproducera tidigare förändringar, desto pålitligare blir de för att förutsäga vad som kommer att hända med vårt klimat i framtiden. Hur känslig är jordens medel temperatur för koldioxidhalt? Vilka delar av jorden kommer att förändras mest, och hur? Vilka väderförhållanden ska vi förvänta oss?

Isklumpen vi tittar på har blivit bortsorterad, så den kan vi få ta på. Annars är det väldigt noga att förvara isproverna i en obruten fryskedja, och hantera dem under renrumsförhållanden. Det går nämligen att få ut mycket mer information, inte bara om koldioxidhalten, utan också detaljer som går att få fram genom kemiska analyser av extremt små halter av olika ämnen i isen.

– Skulle man nysa på kärnan skulle man ha förstört det, säger Malin Stenberg de Serves.

Genom att studera isen kan forskarna bland annat hitta tecken på vulkanutbrott och se hur den biologiska aktiviteten i havet har ökat och minskat. I is från Grönland kan de till och med urskilja när bilismen växte fram.

Utöver isen finns många andra klimatarkiv på jorden. Malin Kylander är geokemist och universitetslektor vid Stockholms universitet och studerar torv, avlagringar av vitmossa som växt till i tusentals år. Hon beskriver det som en grön glaciär, för precis som isen innehåller torven skikt som bevarar information om hur förhållandena var vid olika tider.

– Att stå på en mosse med 10 000 år av klimathistoria under mina fötter, det känns mäktigt, säger Malin Kylander.

Hon har jobbat mycket med torv från mossar i Småland, och torvmossar nära den skotska kusten.

Att ta upp torv är mycket mindre krångligt än att borra efter is – det kräver inga stora expeditioner eller avancerad utrustning. Det innebär viss möda, men kan göras med ett handredskap som kallas ryssborr (se karusellen nedan). Torven kommer upp i långa korvar, precis som isborrkärnorna, men de är porösa och inte hårda som isen.

Torven innehåller mycket kol, vilket gör den lätt att datera tillförlitligt med kol-14-metoden. För ett tränat öga går det i stort sett att se och känna igen olika klimatskiftningar bara genom att titta på de olika skikten.

I sitt nuvarande forskningsprojekt letar Malin Kylander efter sandkorn inbäddade i torven. Mossen får nämligen allt sitt material från luften, och om det finns sand i torven har den förts dit med vinden. Om sandkornen är större tyder det på kraftigare vindar. Kemiska analyser kan till och med, i vissa fall, berätta vilken riktning sanden kom ifrån, och därmed avslöja vindriktningen.

Det här är mycket viktigt för att göra bättre klimatmodeller, eftersom det fortfarande finns många osäkerheter, menar Malin Kylander.

– Med ett varmare klimat tror vi att stormarna kan bli starkare och komma oftare, men alla klimatmodeller är inte entydiga. Och vi vet inte säkert vilka mekanismer som driver skillnader i stormarnas frekvens och styrka mellan olika perioder, säger hon.

Till stor del styrs stormarna av temperaturskillnaderna mellan polerna och ekvatorn, men andra faktorer spelar också in. För att skilja mellan de mekanismer som driver hur ofta och hur starkt det stormar, vill Malin Kylander studera hur vindförhållandena varierat över tid. Till exempel har solen en elva år lång variation i antalet solfläckar, och om förändringar i den här solcykeln har betydelse skulle det märkas över tidsskalor på decennier. Havscirkulationen däremot tar flera tusen år på sig att förändras, och i den mån den påverkar blåsigheten syns det på motsvarande långa tidsskalor.

Torv innehåller alltså mycket information om klimatets historia. Men för att förstå vad som hänt på jorden mycket längre tillbaka i tiden, flera miljoner år, får forskarna vända sig till fossil.

På Naturhistoriska riksmuseet har forskaren Margret Steinthorsdottir ett stort projekt på gång, som ändå ryms på hennes arbetsrum.

För att utforska hur temperatur och klimat hänger ihop med koldioxidhalten vill Margret Steinthorsdottir undersöka hur mängden koldioxid i luften har varierat under olika perioder. Det gör hon genom att räkna antalet klyvöppningar på förstenade löv.

– Klyvöppningar har funnits i 450 miljoner år. De utvecklades när de första växterna tog sig upp på land, berättar hon.

På land måste växter skydda sig med en vattentät yta. Klyvöppningarna är små ventiler som släpper in luft så att växten kan ta upp koldioxid. Samtidigt släpper de ut vattenånga. Om det finns mycket koldioxid i luften behöver växten färre klyvöppningar, vilket också låter växten spara på vatten. Det här sambandet mellan koldioxidhalt och mängden klyvöppningar är väl etablerat och testat i laboratorieförsök.

Trädarten ginkgo, Ginkgo biloba, har funnits i 50 miljoner år. Den är också väldigt lik sina föregångare, som sträcker sig ett par hundra miljoner år tillbaka i tiden. Margret Steinthorsdottir visar fossila blad bredvid färska, och de är nästan identiska.

Hon har gått igenom fossilfynd från olika tider, och avbildat dem under det stora mikroskopet som står i den yttre delen av hennes kontor. På så sätt har hon skapat en tidslinje över koldioxidhalten i luften genom ett antal miljoner år.

Här gömmer sig en gåta, som har lett Margret Steinthorsdottir in på ett nytt spår i sin forskning. Under juratiden för 200 miljoner år sedan visar klyvöppningarna att koldioxidhalten var mellan tre och fyra gånger högre än nu, och det stämmer precis med jordens varma klimat på den tiden. Men mellan jura och vår egen tid ligger tidsepoken miocen, som började för 23 miljoner år sedan och slutade för 5,3 miljoner år sedan. Detta var också en mycket varmare tid än nu. Enligt klimatmodellerna måste koldioxidhalten i luften ha varit minst 800 ppm för att det skulle bli så varmt. Men när Margret Steinthorsdottir räknar klyvöppningar får hon en mycket lägre halt.

– Vi får 450 till 600 ppm.

Eftersom metoderna för att få fram temperaturen anses pålitliga måste något annat vara fel. Antingen var koldioxidhalterna högre än vad ginkgobladen visar, eller också gjorde någon okänd faktor att växthuseffekten var starkare för en given mängd koldioxid under miocen.

Andelen koldioxid i luften har nu nått över 410 ppm, och halten stiger brant. Om det finns någon okänd faktor som gör att klimatet reagerar kraftigt på ökade mängder av växthusgaser, kan dagens modeller ha underskattat den temperaturökning vi står inför. Margret Steinthorsdottir hoppas att det inte är så, men för att ta reda på om hennes metod behöver kalibreras på något sätt har hon påbörjat ett nytt projekt: Global Ginkgo. Vi har ju i dag samma koldioxidhalt över hela jorden, men olika temperaturer.

– Jag vill kolla om klyvöppningarna är märkbart annorlunda i varma jämfört med kalla områden. Om klyvöppningarna underskattar koldioxidhalten i varma områden, då är det sannolikt att detta hände under miocen också.

Margret Steinthorsdottir visar prydliga lådor med prover av ginkgoblad som frivilliga personer har samlat in åt henne i olika länder och världsdelar. Analysen pågår, och vi får vänta på resultatet.

Frågan som Margret Steinthorsdottir jobbar med grundar sig i att forskarna vet hur temperaturen har varierat. En av dem som arbetar med att ta fram temperaturkurvorna är Helen Coxall, som är geolog och paleontolog vid Stockholms universitet. Hon tar upp fossila mikroorganismer som kallas foraminiferer ur sediment från havsbotten. De ger information som ligger till grund för temperaturkurvor 70 miljoner år tillbaka i tiden.

Foraminiferer är inte svåra att hitta, berättar hon.

– De finns i stort överflöd – på vissa håll består sedimentet på havsbotten helt och hållet av dem.

Proverna ser ut som klickar av gyttja. Gyttjan tvättas i ett särskilt såll, som fångar upp foraminifererna. De är ungefär så stora som saltkorn. Sedan kan Helen Coxall och hennes kollegor studera dem under mikroskop. Vilka arter som finns i provet ger en del information om miljön och klimatet i havet när de levde.

För att få fram temperaturen är det särskilt kraftfullt att analysera halterna av de stabila isotoperna av syre i foraminiferernas skelett (se infografiken). Andelen av den tyngre isotopen syre-18 varierar på ett sätt som hänger väldigt nära ihop med både vattentemperaturen och andelen is på land. För att skilja mellan de två parametrarna tittar forskarna också på till exempel hur mycket magnesium som finns i foraminiferernas skal, vilket beror på temperaturen.

På liknande sätt analyseras också stabila isotoper av kol. Andelarna av respektive kolisotop påverkas av olika biologiska processer, och kan visa den biologiska aktiviteten på en viss plats vid en viss tidpunkt.

Resultaten från olika typer av kemiska analyser från många platser i världen läggs ihop med varandra, och hundratusentals mödosamt analyserade prover passas ihop till en tidsserie. Då framträder de intressanta mönstren.

Bland annat går det tydligt att se de långsamma variationerna som beror på förändringar i solinstrålningen, som i sin tur beror på variationer i jordens bana och jordaxelns lutning. Det kallas för Milanković-cykler, efter en serbisk forskare som studerade dem under början av 1900-talet. Andra variationer tolkas med hänsyn till de här bakgrundsvariationerna.

Milanković-cyklerna styrs alltså av astronomiska faktorer, men det finns också sådant som händer på jordytan och i själva jorden som förändrar klimatet över ännu längre tid. Alasdair Skelton studerar den här typen av förändringar, över tidsskalor som täcker in en stor del av jordens hela existens. Han är professor i geokemi och petrologi (läran om stenar) vid Stockholms universitet.

Här spelar kontinentaldriften en viktig roll. När det finns kontinenter vid polerna kan till exempel tillväxten av glaciärer bli kraftigare. Det i sin tur är en självförstärkande effekt, för när det finns mycket is reflekterar jorden bort större del av solljuset i stället för att absorbera det, och det blir kallare.

Andra geologiska processer påverkar koldioxidhalten i luften. Vulkanutbrott kan visserligen på kort sikt kyla ner jorden eftersom de tillför partiklar som reflekterar bort solljuset – men den stora effekten är att de tillför koldioxid från jordens inre. När nya bergskedjor växer upp ger det motsatt verkan. När jorden veckas och nytt berg friläggs ökar nämligen en reaktion som kallas kemisk erosion som tar bort kol ur luften.

– I ett geologiskt perspektiv, och om vi bortser från vår egen påverkan på klimatet, så lever vi en av jordens kallare perioder nu. Det beror till stor del på tillkomsten av Himalaya, säger Alasdair Skelton.

Himalaya är en ung bergskedja, där den här effekten fortfarande spelar stor roll.

Jorden har verkligen gått igenom drastiska förändringar, och det syns i själva stenen. Vissa bergarter bildas i vissa klimat. Ett tränat öga kan också se sådant som om glaciärer skrapat berget eller lämnat moränkanter, eller om det har funnits isberg som smält och släppt ifrån sig inbäddade stenar.

– Jag kan sätta fingret på en plats i berget där medeltemperaturen gått från -50 grader till +35 grader, säger Alasdair Skelton.

Han talar om slutet av en period som kallas snöbollsjorden. Mycket tyder på att jorden för mer än 635 miljoner år sedan i flera omgångar blev helt täckt av is för att sedan ganska hastigt tina upp igen.

Vår planet har alltså gått igenom svindlande förändringar genom årmiljonerna. Men i dag har vi ett speciellt läge, eftersom det är vi människor som står för en av de processer som raskt ändrar jordens förutsättningar, påpekar Alasdair Skelton. Vi tar upp kol och olja som tagit miljoner år att bildas och lagras i marken, och släpper ut det bundna kolet i luften under loppet av några få decennier. Det här är något helt annat än de naturliga variationerna.

Därmed är vi tillbaka till det som gör forskning om jordens klimathistoria mycket aktuell och viktig.

– Om vi inte fortsätter att försöka lära oss mer om hur klimatet fungerar, kommer vi inte att förstå vilka de känsliga delarna i klimatsystemet är, säger Helen Coxall.

Forskarna lär sig fortfarande, och det vore förödande att inte samla in så mycket information som möjligt, menar hon.