علم المحيطات القديمة

يمكن استخلاص سجلات درجة حرارة سطح البحر من عينات الرواسب في أعماق البحار باستخدام نسب نظائر الأكسجين ونسبة المغنيسيوم إلى الكالسيوم (Mg/Ca) في إفرازات الأصداف من العوالق، ومن الجزيئات العضوية طويلة السلسلة مثل الألكينون، ومن المرجان الاستوائي بالقرب من سطح البحر، ومن أصداف الرخويات. ^{[ 2 ]}

تُعدّ نسب نظائر الأكسجين (δ¹⁸O ⁾ مفيدة في إعادة بناء درجة حرارة سطح البحر نظرًا لتأثير درجة الحرارة على هذه النسب. يمتصّ العوالق الأكسجين في بناء أصدافها، وبالتالي تكون أقل غنىً بنظير δ¹⁸O ^عند تكوّنها في المياه الدافئة، شريطة أن تكون في حالة توازن ديناميكي حراري مع مياه البحر. ^{[ 3 ]} عندما تترسب هذه الأصداف، تغوص مُشكّلةً رواسب في قاع المحيط، ويمكن استخدام نسبة δ¹⁸O فيها ^{لاستنتاج} درجات حرارة سطح البحر السابقة. ^{[ 4 ]} مع ذلك، لا تُعدّ نسب نظائر الأكسجين مؤشرات مثالية. إذ يُمكن أن يؤثر حجم الجليد المحتجز في الصفائح الجليدية القارية على نسبة δ¹⁸O. ^{فالمياه} العذبة التي تتميز بقيم منخفضة من δ¹⁸O ^تُحتجز في الصفائح الجليدية القارية، ما يؤدي إلى ارتفاع نسبة δ¹⁸O في مياه البحر خلال العصور الجليدية، وبالتالي ^{تكون قيمة δ¹⁸O} في ^أصداف الكالسيت المتكوّنة خلال هذه الفترات أعلى . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

يمكن استخدام استبدال المغنيسيوم بالكالسيوم في أصداف كربونات _{الكالسيوم} كمؤشر لدرجة حرارة سطح البحر التي تشكلت فيها هذه الأصداف. وتتأثر نسب المغنيسيوم إلى الكالسيوم بعدة عوامل أخرى إلى جانب درجة الحرارة، مثل التأثيرات الحيوية، وتنظيف الصدفة، وتأثيرات التحلل بعد الوفاة وبعد الترسيب، على سبيل المثال لا الحصر. ^{[ 2 ]} وبغض النظر عن هذه التأثيرات، فقد نجحت نسب المغنيسيوم إلى الكالسيوم في تحديد كمية التبريد الاستوائي الذي حدث خلال العصر الجليدي الأخير. ^{[ 7 ]}

الألكينونات جزيئات عضوية معقدة طويلة السلسلة تنتجها الطحالب الضوئية. وهي حساسة لدرجة الحرارة ويمكن استخلاصها من الرواسب البحرية. يمثل استخدام الألكينونات علاقةً أكثر مباشرةً بين درجة حرارة سطح البحر والطحالب، ولا يعتمد على معرفة العلاقات الديناميكية الحرارية الحيوية والفيزيائية الكيميائية اللازمة في دراسات كربونات الكالسيوم. _[ 8 ^{] ومن مزايا} استخدام الألكينونات أيضًا أنها ناتجة عن عملية التمثيل الضوئي، مما يستلزم تكوينها في ضوء الشمس في الطبقات السطحية العليا. ولذلك، فهي تسجل درجة حرارة سطح البحر القريبة من السطح بشكل أفضل. ^{[ 2 ]}

تُعدّ نسب المغنيسيوم إلى الكالسيوم في الكائنات الحية القاعية من نوعي المنخربات والأوستراكودا أكثر المؤشرات استخدامًا لاستنتاج تاريخ درجة حرارة أعماق البحار . وقد أكدت درجات الحرارة المستنتجة من هذه النسب انخفاضًا في درجة حرارة أعماق المحيط يصل إلى 3 درجات مئوية خلال العصور الجليدية المتأخرة من العصر البليستوسيني. ^{[ 2 ]} ومن الدراسات البارزة دراسة لير وآخرون [2002] الذين عملوا على معايرة درجة حرارة المياه القاعية بنسب المغنيسيوم إلى الكالسيوم في 9 مواقع تغطي أعماقًا متنوعة، وذلك باستخدام ما يصل إلى ستة أنواع مختلفة من المنخربات القاعية (بحسب الموقع). ^{[ 9 ]} وقد توصل الباحثون إلى معادلة لمعايرة درجة حرارة المياه القاعية بنسب المغنيسيوم إلى الكالسيوم، تأخذ شكلًا أُسّيًا. 

${\displaystyle \mathrm {Mg/Ca} =0.867\pm 0.049*\exp(0.109\pm 0.007*\mathrm {BWT} ):}$

حيث Mg/Ca هي نسبة Mg/Ca الموجودة في المنخربات القاعية وBWT هي درجة حرارة المياه القاعية. ^{[ 10 ]}

استُخدمت سجلات الرواسب لاستنتاج معلومات عن الماضي والتنبؤ بالمستقبل، كما استُخدمت في أبحاث علم المحيطات القديمة منذ ثلاثينيات القرن العشرين. ^{[ 11 ]} وقد تطورت أبحاث إعادة بناء النطاق الزمني الحديثة باستخدام أساليب مسح لباب الرواسب. وقد مكّنت هذه الأساليب من إجراء أبحاث مماثلة لتلك التي أُجريت باستخدام سجلات لباب الجليد في القارة القطبية الجنوبية. ^{[ 12 ]} ويمكن لهذه السجلات أن تُقدّم معلومات عن الوفرة النسبية للكائنات الحية الموجودة في وقت معين باستخدام أساليب الإنتاجية القديمة، مثل قياس الوفرة الإجمالية للدياتومات. ^{[ 13 ]} كما يمكن للسجلات أن تُقدّم معلومات عن أنماط الطقس التاريخية ودوران المحيطات، كما وصفها ديشامب وآخرون في بحثهم حول سجلات الرواسب من هوامش تشوكشي-ألاسكا وبيوفورت الكندية. ^{[ 14 ]}

يُعدّ استنتاج الملوحة من السجلات القديمة أكثر صعوبة. إذ يُمكن أن يُوفّر فائض الديوتيريوم في سجلات اللب البحري استنتاجًا أفضل لملوحة سطح البحر مقارنةً بنظائر الأكسجين، كما يُمكن لبعض الأنواع، مثل الدياتومات، أن تُقدّم سجلًا شبه كمي للملوحة نظرًا لوفرة الدياتومات النسبية التي تقتصر على أنظمة ملوحة مُحدّدة. ^{[ 15 ]} وقد طرأت تغييرات على دورة المياه العالمية وتوازن ملوحة المحيطات، حيث أصبح شمال المحيط الأطلسي أكثر ملوحةً، بينما أصبح المحيطان الهندي والهادئ شبه الاستوائيان أقل ملوحةً. ^{[ 16 ] [ 17 ]} ومع التغييرات في دورة المياه، طرأت أيضًا اختلافات في التوزيع الرأسي للملح وخطوط التدرج الملحي. ^{[ 18 ]} كما يُمكن أن تُساهم التدفقات الكبيرة للمياه العذبة وتغيّر الملوحة في انخفاض امتداد الجليد البحري. ^{[ 19 ]}

استُخدمت عدة طرق غير مباشرة لاستنتاج دوران المحيطات في الماضي والتغيرات التي طرأت عليه. وتشمل هذه الطرق نسب نظائر الكربون ، ونسب الكادميوم / الكالسيوم (Cd/Ca)، ونظائر البروتكتينيوم / الثوريوم ( ²³¹ Pa و ²³⁰ Th)، ونشاط الكربون المشع (δ ¹⁴ C)، ونظائر النيوديميوم ( ¹⁴³ Nd و ¹⁴⁴ Nd)، والطمي القابل للفرز (جزء من رواسب قاع البحر يتراوح حجمه بين 10 و63 ميكرومترًا). ^{[ 2 ]} تُستخدم نسب نظائر الكربون ونسب الكادميوم/الكالسيوم كمؤشرات لأن التباين في هذه النسب يعود جزئيًا إلى تغيرات في كيمياء المياه القاعية، والتي ترتبط بدورها بمصدر تكوين المياه العميقة. ^{[ 20 ] [ 21 ]} ومع ذلك، تتأثر هذه النسب بعمليات بيولوجية وبيئية وجيوكيميائية تُعقّد استنتاجات الدوران.

جميع المؤشرات المذكورة مفيدة في استنتاج سلوك الدوران الانقلابي المداري . ^{[ 2 ]} على سبيل المثال، استخدم ماكمانوس وآخرون [2004] نظائر البروتكتينيوم / الثوريوم ( ^231Pa و ²³⁰ Th) لإظهار أن الدوران الانقلابي المداري الأطلسي قد توقف تقريبًا (أو كليًا) خلال العصر الجليدي الأخير. ^{[ 22 ]} يتكون كل من ^231Pa و ²³⁰ Th من التحلل الإشعاعي لليورانيوم المذاب في مياه البحر، حيث يبقى ^{231Pa في عمود الماء لفترة أطول من 230Th} : إذ يبلغ زمن بقاء ^{231Pa حوالي 100-200 عام، بينما يبلغ زمن بقاء 230Th} حوالي 20-40 عامًا. ^{[ 22 ]} في المحيط الأطلسي الحالي ودوران التيارات، يكون انتقال الثوريوم ^-230 إلى المحيط الجنوبي ضئيلاً نظرًا لقصر مدة بقائه، بينما يكون انتقال البازلت ^-231 مرتفعًا. ينتج عن ذلك نسب منخفضة نسبيًا للبازلت ^{-231 إلى الثوريوم -230} ، كما وجدها ماكمانوس وآخرون [2004] في عينة لبية عند خط عرض 33 شمالًا وخط طول 57 غربًا، وعلى عمق 4.5  كيلومتر. عندما يتوقف دوران التيارات (كما هو مفترض) خلال العصور الجليدية، ترتفع نسبة البازلت ^-231 إلى الثوريوم ^{-230 بسبب عدم انتقال البازلت -231} إلى المحيط الجنوبي. كما لاحظ ماكمانوس وآخرون [2004] ارتفاعًا طفيفًا في نسبة البازلت ^{-231 إلى الثوريوم -230} خلال حدث يونغر دراياس ، وهي فترة أخرى في تاريخ المناخ يُعتقد أنها شهدت ضعفًا في دوران التيارات. ^{[ 22 ]}

يمكن استخدام نسب نظائر البورون ( ^δ¹¹B ) لاستنتاج التغيرات الحديثة والقديمة في حموضة المحيط ودرجة حموضته وقلوية مياهه، والتي تتأثر بشكل رئيسي بتركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف _الجوي وتركيز أيونات البيكربونات في المحيط. وقد تم تحديد δ¹¹B ^في الشعاب المرجانية من جنوب غرب المحيط الهادئ، حيث تتغير هذه النسب بتغير درجة حموضة المحيط، مما يدل على أن التقلبات المناخية، مثل تذبذب المحيط الهادئ العقدي (PDO)، يمكن أن تعدل من تأثير تحمض المحيطات الناتج عن ارتفاع تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. _[ ^{23 ] كما} يمكن استخدام δ¹¹B ^في أصداف العوالق كمؤشر غير مباشر لتركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي _خلال الملايين القليلة الماضية من السنين. ^{[ 24 ]}