Paleoklimatoloji ve Polenler

Küresel iklim değişikliği, özellikle sanayi devriminin getirdikleriyle çağımızın en önemli konularından biri haline geldi. Bununla beraber, iklim araştırmaları önem kazandı ve iklimbilimcilerin sayısı günden güne artıyor. Peki, nedir bu iklimbilim? İklimbilim, bir zaman dilimi içerisinde gözlenen hava koşullarını araştıran bilim dalı olarak tanımlanıyor. İklimbilim araştırmalarının en önemli kısmını oşinografi (yani okyanus araştırmaları) ve biyojeokimya oluşturuyor. Oşinograflar, denizel canlı ve ekosistem dinamiklerini, okyanus akıntılarını, dalgaları, jeofiziksel akışkanlar dinamiğini, levha tektoniği ve deniz tabanı jeolojisini inceliyorlar. Biyojeokimyacılar ise doğal ortamın *(biyosfer, hidrosfer, atmosfer, litosfer ve pedosfer ) bileşimini denetleyen kimyasal, fiziksel, jeolojik ve biyolojik tüm süreçleri ve reaksiyonları araştırıyor, karbon ve nitrojen gibi kimyasal element döngülerini inceliyorlar.

Bir de paleoklimatologlar var ki, bu insanlar, iklimin güncel hallerinden çok geçmişteki hallerini merak ediyorlar. Fakat bu geçmiş, yüzyılları değil, milyonlarca yılı kapsayan bir süreçten, yani yeryüzünün tarihinden oluşuyor. Peki, paleoiklimbilimciler (paleoklimatologlar) iklim koşullarının jeolojik geçmişteki hallerini nasıl anlayabiliyorlar? Aslında bu sorunun pek çok yanıtı var: buzullardan elde edilmiş karotlar (silindirik buz kesitleri), ağaç halkaları, polen fosilleri, mercanlar, göl ve okyanus tabanlarından elde edilmiş çökel karotları (dipteki kum-çamur malzemeden elde edilmiş silindirik kesitler), denizel canlıların fosilleri (sert-kabuk kısımları) ve gözle görülemeyen mikron boyutunda fosiller. Tüm bu örneklere paleoiklimsel vekiller adı veriliyor (İngilizcesi Proxy). Bu vekiller sayesinde geçmişteki iklimsel koşullar, ayrıntılı şekilde ortaya konulabiliyor. Bu terimi akılda tutmak gerek.

Buzul çağı gibi geçmiş jeolojik dönemlerdeki hava sıcaklıklarını belirlemek için oksijen atomunun izotopları kullanılıyor. Oksijen atomunun biri 16O, diğeri ise daha ağır olan 18O olmak üzere iki **kararlı izotopu bulunuyor. 16O dünyada %99,8 oranında bulunurken, 18O sadece %0,2 oranında bulunuyor. Oksijen atomu su molekülünün yapısına katılıyor ve oksijenin hafif olan kararlı izotopu daha hızlı hareket ederek reaksiyonlara daha çabuk katılırken, ağır olan izotop geride kalıyor. Böylelikle su buharlaştığında su buharı hızlıca reaksiyona katılmış olan hafif kararlı izotoplarca zenginleşmiş iken, kalan su, ağır olan kararlı izotopça zenginleşiyor. Bu temel prensibe kinetik ayrışma deniyor. Bu durumun aynısı, su moleküllerinden oluşan deniz ve göllerde de gözlemlenebildiğinden yüksek sıcaklıkların ve dolayısıyla buharlaşma oranının yüksek olduğu bölgeler ağır oksijen izotoplarınca zenginleşiyor; fakat buharlaşmanın daha az olduğu soğuk sularda, hafif oksijen izotopları buharlaşmayla ayrılamadığından, hafif oksijen izotopları da bolca bulunuyor. İşte bilim insanları bu ağır izotopun hafif izotopa oranından hava sıcaklıklarını tespit edebiliyorlar (18O/16O). Bu oranı belirtmek için delta yani “δ18O” sembolü kullanılıyor. Bu oranın geçmiş dönemlerdeki değişen değerleri farklı sıcaklıklara karşılık geldiğinden, geçmiş iklim koşulları ortaya çıkıyor. Örneğin buzul dönemlerinde, buzul karotlarındaki delta – oksijen – 18 değerleri günümüzdekinden çok daha düşük değerler gösteriyor. Ancak dikkat: Buzul dönemlerindeki “buzullardan” alınan örnekler daha negatif değerler gösteriyor, o dönemlerdeki deniz suyu değil! Buzul dönemlerinde, günümüzden çok daha büyük oranda bir su kütlesi buzullarda depolandığı ve buzulların büyük çoğunlu da kutuplara yakın olduğu için buzullarda depolanan su izotopça hafif iken, kalan deniz suyu ağır izotoplarca günümüzdeki değerlerine göre daha da zenginleşmiş oluyor.

Düşey skala delta oksijen-18 değerlerini, yatay skala ise günümüzden önce bin yılları ifade ediyor.
Grafik son buzul maksimumu ve günümüzdeki delta – oksijen – 18 değişimlerini gösteriyor, NASA.

Dolayısıyla paleoklimatologlar, buzullardan alınan karotların (örneklerin) bünyesindeki su moleküllerinin geçmişteki oksijen izotop oranlarını belirleyebildikleri gibi, denizlerde yaşayan ve bünyelerine deniz suyunu alan bu canlıların öldükleri zamanı, yaşlandırma yöntemleriyle tespit edebildiklerinden, fosilleştiklerinde iskeletlerinde biriken oksijen izotop oranlarını da belirleyebilmekteler. Böylelikle geçmişteki hava sıcaklıklarını da! Buzul örneklerinden elde edilen ve buzul dönemlerini temsil eden δ18O değerleri günümüze oranla daha düşük iken, o dönemlerde yaşamış canlıların fosillerinden elde edilen δ18O değerleri günümüze göre daha yüksek ölçülüyor. Bu izotop oranlarının grafikleri çizilerek günümüzden önce hangi yılların buzul dönemlerini, hangi yılların buzularası dönemleri temsil ettiği ortaya konulabiliyor. Aynı oksijenin kararlı izotopları gibi, hidrojenin kararlı izotopları olan 1H and 2H (döteryum) da benzer şekilde vekil veri olarak kullanılabiliyor. Buz örneklerinin içinde hapsolan hava kabarcıkları da, geçmiş dönemlerin bileşimlerini taşıdıklarından, geçmişte nasıl iklim koşullarının hakim olduğuna dair bilgi verebiliyorlar. 1989’dan 1992’ye kadar yürütülen Greenland Buz Karotu Sondaj Projesi kapsamında, geçmiş 200.000 yıldan fazla bir süreyi içeren iklim kayıtlarını oluşturan buz karotları alındı.

Çökel karotlarından elde edilen foraminiferlerin (fosillerin) mikroskoptaki görünümü, USGS

Diğer vekil verilerden birini de oksijen ve göl tabanlarından yapılan sondajlardan elde edilen örnekler (karotlar) oluşturuyor. Bu örneklerin kimyasal ve fiziksel özellikleri, fosil içerikleri gibi pek çok bileşeni geçmiş iklim koşullarını araştırmada kullanılabiliyor. Bunların nasıl vekil veri olarak kullanıldıklarını anlayabilmek için, öncelikle sedimantasyon kavramını ve yeryüzündeki jeolojik kayaç döngüsünü düşünmek gerekiyor. Yeryüzündeki kayaçlar volkanik, sedimanter ve metamorfik olmak üzere 3’e ayrılıyor. Volkanik kayaçlar, magmanın yeryüzüne yükselmesiyle volkanlardan lav olarak yüzeye çıkması, yani volkanik aktivite sonucu oluşuyor. Ayrıca volkanik patlamalar sonucu volkan konisinden yayılan patlama ürünleri de bu grubu oluşturuyor. Metamorfik yani başkalaşmış kayaçlar ise, yeryüzünde bulunan kayaçların çeşitli jeolojik ve tektonik süreçler geçirerek, (levha tektoniği, jeotermal sıvılarla etkileşim, deprem gibi) yüksek sıcaklık ve basınca maruz kalarak kimyasal bileşimini tamamen değiştirmesi sonucu oluşuyorlar. Sedimanter, yani çökel kayaçlar ise tüm kayaçların yağmur, kar, rüzgar gibi atmosferik (meteorolojik) unsurlara maruz kaldıklarında ayrışmaları; yine aynı unsurlar tarafından taşınmaları (nehirler, dalgalar, vs.) ve başka bir yerde birikerek taşlaşmaları (sementasyon) sonucu oluşuyor. Paleoiklimbilimcilerin deniz ve göl tabanlarından elde ettikleri örnekler de işte bu çökellerden oluşuyor. Metamorfik, volkanik ve çökel kayaçlar bir döngüsellik içinde birbirine dönüşüyor ve buna da jeolojide kayaç döngüsü adı veriliyor.

Kayaç döngüsü temsili, Exploring the Environment (ETE) Takımı

Bu biriken çökeller en alttan üste doğru yaşça gençleşiyor, yani en alttaki çökeller daha eski zamanları temsil ederken, en üstteki çökeller günümüze denk geliyor. Yani bu çökellerin yaşını bildiğimiz zaman, bize onu aldığımız bölgenin düşey bir takvimini sunuyor! Her bir santimetre farklı bir zamana karşılık geliyor. Ancak kaç santimetrenin hangi seneye denk düştüğünü o bölgedeki çökellerin birikim hızı belirliyor. Biz bu çökellerin yaşlarını nasıl tespit edebiliyoruz? Tabii ki, içerdikleri fosiller aracılığıyla! Fosillerin yaşlarını radyojenik yaşlandırma yöntemleriyle tespit ettiğimizde, bulunduğu seviyenin hangi yıla denk düştüğünü de bulabiliyoruz.

“Peki, bu seviyelerin hangi yıllara denk geldiğinden, çökellerin kaç yaşında olduğundan bize ne, ne işimize yarıyor ki?” diyorsanız eğer, geçmiş iklimler sorusunu aklınızda bulundurarak tekrar değerlendirmelisiniz. Hangi seviyenin, hangi zamana denk geldiğini belirleyerek, o seviyeden elde edeceğimiz vekil verilerle hangi zamanda hangi iklim koşullarının hakim olduğunu da belirleyebiliriz. Bingo! Tüm bu uğraşlar, aslında santimetre boyutundaki çamurlardan geçmiş iklim koşullarıyla ilgili birazcık bilgi edinebilmek için.

Bu çamur seviyelerinden elde edilebilecek vekil verilere pek çok örnek verilebilir, ama ben bunların içinden pek bir ilginç olan polenlere değineceğim. Hayvanların öldükten sonra arkalarında sert dokularını (kavkı veya iskelet) veya izlerini fosil olarak bıraktıkları gibi, bitkiler de arkalarında, kendilerini üreten polenleri iz olarak bırakırlar. Bu polenler havada rüzgarla, akarsular tarafından denizlere taşınırlar ve suda kendi ağırlıklarıyla çökerek, çökellerin içinde sıkışırlar. Örneğin, günümüzden 3-4 milyon yıl önce yaşamış bitkilerin, ağaçların polenlerini Marmara Denizi ya da Karadeniz açıklarından, deniz tabanından aldığımız çökel örneklerinde bulabilmekteyiz. Bu çökellerin yaşını bildiğimizde, o dönemde nasıl bir bitki topluluğunun hakim olduğunu da tespit edebiliriz! Bir bölgede hakim olan bitki topluluklarını, bitki ve ağaç türlerini bilmek demek aslında o bölgenin iklim koşullarını bilmek demektir. Çünkü örneğin bir muz ağacı, zeytin ağacı ya da palmiyenin kutuplarda yetişemeyeceğini tahmin edebiliriz!

Polenlerin mikroskoptaki görünümü: üstteki üç resim köknar ağacına ait, 4 numara buğdaygillerden,
16 numara meşe ağacı, 21 numara çam ağacı, 22-23 ladin ağacı, 25-26 ise fındık ağacına ait.

Polenlerin türlerinin, yapılarının ve hangi bitkilere ait olduklarının belirlenmesi ve tanımlanması yöntemine palinoloji adı veriliyor. Palinoloji, paleoekoloji ve paleoiklim çalışmalarında kullanılan bir dal olduğu gibi, arkeolojik çalışmalarda da kullanılabiliyor. İnsanların yetiştirdiği buğday, zeytin, fıstık gibi bitkilerin yoğun olarak yetiştirildiği bölge ve zaman dilimleri geçmiş dönemlerde insanların tarım kültürlerine ve yerleşim düzenlerine dair bilgiler sunuyor.

*Biyosfer dünyadaki yaşamın, tüm ekosistemlerin toplamını; hidrosfer bir gezegenin bünyesinde bulunan tüm su kütlesini; litosfer yeryüzünün katı-kabuk yüzeyini; pedosfer ise yeryüzündeki toprak ve toprak oluşum süreçlerini tanımlıyor.
** Kararlı izotop: Radyoaktif bozunmaya / yarılanmaya uğramayan izotoplar.

 

Kaynaklar

http://web.viu.ca/earle/geol-412/oxygen%20Isotope%20fractionation.pdf
http://pubs.usgs.gov/of/of00-304/htmldocs/chap09/ USGS]. Clockwise from top left: ''Ammonia beccarii'', ''Elphidium excavatum clav.
http://www.giss.nasa.gov/research/briefs/schmidt_01/specmap.GIF
http://www.cotf.edu/ete/modules/msese/earthsysflr/rock.html

2 Comments

Yorum yap
  1. 1
    Evrim

    Merhaba,
    Yaziniz gercekten cok iyi, belirtmek istedim. Iklim degisikligi masteri yapiyorum ve tam da sinavima calisirken turkce kaynak olarak boyle guzel bir yaziyi kesfetmek beni cok mutlu etti. Tesekkur ederim.

+ Leave a Comment