Градиент температуры поверхности моря (SST) от экватора к полюсам определяет широкие климатические пояса Земли. В то время как современные SST достигают замерзания в обоих полушариях, из «парниковых» эпизодов геологического прошлого имеется множество свидетельств того, что в приполярных морях было намного теплее, чем сейчас, и они поддерживали свободные ото льда полюсы и создавали более теплые океанические донные воды, чем те, которые происходят в настоящее время.
Знание того, как градиенты SST изменялись с течением времени, имеет ключевое значение для понимания долгосрочных глобальных климатических тенденций, включая виды переноса тепла и воздействие различных уровней радиационного воздействия. Изотопный анализ кислорода раковин планктонных фораминиферов, обитавших на поверхности моря в прошлые парниковые периоды, такие как меловой и палеогенный периоды, позволил получить данные о теплых полярных морях, но он также показал удивительно низкие температуры в тропиках. Однако некоторые недавние исследования поставили под сомнение достоверность большей части фораминиферных данных для количественной реконструкции климата из-за диагенетических эффектов.
Если в раковины планктона на дне моря или во время раннего захоронения добавляется достаточное количество нового кальцита, кажущиеся температуры «поверхности моря» могут отражать сочетание поверхностных (теплых) и донных (холодных) сигналов. Это может быть особенно вводящим в заблуждение в тропиках, где наблюдается максимальная разница температур между этими средами. Тем не менее, вероятность такого диагенетического компонента была оспорена
Сохранение раковины фораминифера
К глубоководным участкам с наиболее полными многовидовыми данными о тропических изотопах относятся участки 865 и 1209 Программы океанического бурения (ODP), расположенные в океане Пасифик. Фораминиферы из этих мест и Танзании были исследованы с использованием отраженного света (RL) и сканирующей электронной микроскопии (SEM) с высоким разрешением для определения состояния сохранности оболочек. Танзанийские образцы прозрачны и светоотражающи под световым микроскопом, придавая им "стеклянный" вид. Эта особенность контрастирует с непрозрачными, меловыми белыми раковинами с обоих глубоководных участков моря.
При небольшом увеличении раковины с помощью SEM обнаруживают сходные черты поверхности стен, такие как поры, межпоровые гребни и другие орнаменты. Однако при высоком разрешении глубоководные участки имеют вездесущую текстуру эквантных кристаллитов, обычно 1 мкм в диаметре, с очевидными кристаллическими гранями. Это контрастирует с хорошо сохранившимися танзанийскими экземплярами, которые имеют микрозернистую структуру, схожую с неизмененной современной раковиной. Хотя глубоководные фораминиферы из участков 865 и 1209 также были описаны как хорошо сохранившиеся, наши наблюдения показывают, что они были полностью перекристаллизованы (т.е. заменены неоморфным кальцитом). Они также страдали от частичного растворения и зарастания более крупными диагенетическими кристаллами на их поверхностях, особенно на площадке 1209.
Ожидается, что рекристаллизация глубоководных фораминиферных раковин в холодной морской флоре не только приведет к смещению изотопных палеотепловых оценок кислорода в сторону нереально низких температур, но и к уменьшению изотопных различий между различными видами из разных мест обитания. Ученые проанализировали ряд различных видов, которые жили бы на разных глубинах в толще воды и в разное время года. Мы отмечаем, что в каждом случае танзанийские сообщества имеют гораздо более значительные изотопные различия между видами, чем обычно отмечаются на глубоководных участках. Хотя сравнения между различными местоположениями никогда не могут быть однозначными, контраст в межвидовых различиях подтверждает представление о диагенетическом компоненте более 50% в глубоководных данных.
Максимальная температура в основном >30 °C, что редко достигается в современном открытом океане, а в других районах было бы еще теплее. Характерной особенностью этого рекорда является относительная постоянство в подразумеваемых SST от раннего эоцена "климатического оптимала" (около 52 млн. лет назад) до раннего олигоцена. Ученые не обнаружили доказательств существенного охлаждения SST , как это утверждалось в течение многих лет на основе данных глубоководных планктонных изотопов. Значения позднего эоцена и раннего олигоцена могут указывать на несколько более низкие температуры, но эти данные также могут быть интерпретированы как результат воздействия небольшого количества дополнительного льда на планету в это время. Палеоцен и самые ранние данные по эоцену могут свидетельствовать о тенденции тропического потепления в течение этого периода, однако для изучения этой возможности требуется больше данных.
Бентические фораминиферные оболочки глубоководных участков имеют диагенетические текстуры, сходные с планктоническими формами. Однако с осторожностью их значения изотопов кислорода можно интерпретировать как ослабленную запись температуры донной воды, поскольку и биоминерализация, и рекристаллизация происходили бы при контакте с холодным дном или поровыми водами. Массы донных вод на участках 865 и 1209 (океанические промежуточные воды) были получены из высоких широт в течение длительного времени, и поэтому их записи изотопов кислорода подразумевают полярность охлаждения через эоцен.
Учитывая теплый стабильный тропический климат, о котором свидетельствует рекорд Танзании, сложно объяснить планктонные изотопные тенденции в изотопах кислорода в глубоководных районах путем охлаждения поверхности, поэтому ученые интерпретировали эти тенденции как отражающие изменения в диагенетическом компоненте морской флоры и фауны. На обоих участках наблюдается снижение количества ракушек, о котором сообщалось выше, что подтверждается наблюдениями. Возможно, степень диагенетического отпечатка на обеих площадках 865 и 1209 увеличилась от палеоцена через эоцен, поскольку донные воды стали более насыщенными, холодными и коррозийными, и этот эффект мог быть более серьезным на более глубокой площадке (площадка 1209).
Композитный отчет по керну Танзании содержит прекрасно сохранившиеся фораминиферные оболочки из самых разных эпох в палеогене. Геохимические сертификаты атмосферного углекислого газа указывают на высокие, но снижающиеся уровни за этот период. Модели эоценового климата с высокими концентрациями CO2 предсказывают, что тропические SST были значительно теплее современных, что хорошо согласуется с нынешними данными и знаниями о распределении чувствительных к температуре организмов. Кроме того, теплые тропические температуры необходимы для генерации активных тропических циклонов, которые недавно были предложены в качестве механизма поддержания безледовых полюсов в условиях тепличного климата в прошлом.
В отличие от данных наблюдений в открытом море, полученные учеными данные также предполагают значительные перепады температур от поверхности моря до морской флоры и от экватора до полюсов, например, такие, которые необходимы для поддержания глубоководной конвекции. Однако эти данные также создают новую проблему для исследований климатической модели, которая заключается в воспроизведении полярного охлаждения через эоцен, в то время как SST в тропиках, возможно, оставались неизменными или лишь незначительно сократились. Одним из таких механизмов могло бы стать нелинейное сокращение переноса тепла тропическими штормами в ответ на охлаждение.