Paleoklimatologija (stgrč. παλαιος - palaios = drevni, + κλίμα –klima = mjesto, zona + -λογία - –logia = nauka), paleklimatska nauka – je nauka o klimatskim promjenama koje su se zbivale tokom historijske prošlosti planete Zemlje, kao i kosmičke promjene koje su na nju utjecale. Koristi se odgovarajućim zapisima fosilnih ostataka, paleobotaničkih nalaza, iz ledenih pokrivača, godova, sedimenata i stijena, kako bi odredila hronologiju proteklih kretanja klimatskog sistema na Zemlji.Crowley, Thomas J., and North, Gerald R. (1996); Paleoclimatology (Oxford, UK: Clarendon Press) Series : Oxford monographs on geology and geophysics no. 18; .
Rekonstrukcija drevne klime thumb|right|720px|center|Palaeotemperaturni kompresirani grafikoni thumb|360px|Sadržaj atmosferskog kisika tokom protekle milijarde godina U paleoklimatogiji primjenjuje se mnoštvo različitih tehnika i procedura za donošenje zaključka o drevnim klimama. Led Planinski glečeri i polarne kape/ledeni pokrivači čine glavninu izvora paleoklimatoloških podataka. Nedavni projekti na vađenju ledenih jezgara u ledenim kapama Grenlanda i Antarktike pružili su podatke koji potiču od prije nekoliko stotina hiljada godina; preko 800.000 godina u slučaju projekta EPICA. Unutar ovih pronađen je polen, što je omogućilo procjenu ukupne količine biljnog rasta određene godine. Budući da je posmatrani sloj tanak, bilo je moguće određivanju godišnje količine padavina. Određeni slojevi sadrže i pepeo iz vulkanskih erupcija. Zrak zarobljen unutar nanosa snijega nakuplja se u sićušne mjehuriće koji nastaju kada snijeg od slijedeće godine pritisne prošlogodišnji, sve dublje u led unutar ledenika. Zarobljeni zrak pokazao se sveoma vrijednim izvorom za neposredno mjerenje njegovog sastava u vrijeme formiranja leda. Budući da se intenzitet isparavanja molekula vode s neznatno težim izotopima vodika i kisika međusobno blago razlikuju između toplijih i hladnijih perioda, promjene u prosječnoj temperaturi površine okeana odražavaju se u neznatno različitim omjerima između tih izotopa. Prema omjerima navedenih izotopa otkrivani su različiti ciklusi.
Dendroklimatologija Nauka koja prikuplja klimatske informacije iz godišnjih prirasta (godova) drvenastih biljaka. Godovi današnjih stabala velike starosti pružaju podatke unatrag, od nekoliko stoljeća do nekoliko hiljada godina. Iz starijih netaknutih stabala koja se nisu raspala, mogu dobiti informacije iz još starijeg vremenskog razdoblja, tako što se identificiraju obrasci koji se podudaraju sa godovima poznate dobi kod živih stabala. Godovi petrificiranog drveća pružaju paleoklimatološke podatke za mnogo veći vremenski raspon. I sami fosil se datiraju pomoću radioaktivnog datiranja unutar širokog raspona greške. Godovi mogu dati informacije, ne samo o starosti stabla, nego i o preživljenom režimu padavina i temperature tokom određene epohe.
U većem vremenskom rasponu, geolozi se koriste sedimentskim zapisima za otkrivanje podataka o glavnim pokazateljima paleoklimatskih stanja ipromjena.. Sedimentni sadržaj Sedimenti, koji su ponekad okamenjeni i oblikuju stijene, mogu sadržavati ostatke vegetacije, životinja, planktona ili polena, koji mogu biti karakteristični za određene klimatske zone. Biomarkerne molekule, kao što sualkenoni, mogu dati informacije o temperaturi određene formacije. Hemijski zapisi, osobito omjer Mg/Ca u kalcitu u testovima skeleta foraminifera, mogu se koristiti u rekonstrukciji minulih temperatura. Omjeri izotopa stabilnih elemenata, mogu pružati dodatne informacije. Posebno se to odnosi na zapis δ18O koji odgovara promjenama temperature i volumena leda, dok se u zapisu δ13C odražava raspon teško razmrsivih faktora. Sedimentna lica U dužem vremenskom rasponu, kameni zapisi mogu pokazivati znakove spuštanja i podizanja morske razine; štaviše, mogu se identificirati obilježja poput "fosiliziranih" pješčanih dina. Na osnovu toga, može se obuhvatiti duže klimatsko razdoblje, proučavajući sedimentne stijene koje su stare čak i nekoliko milijardi godina. Podjela Zemljine prošlosti u odvojena razdoblja uglavnom se zasniva na vidljivim promjenama u slojevima sedimentnih stijena koji razdvajaju glavne promjene u životnim uvjetima. Oni često odražavaju glavne klimatske promjene u datom području.
Korali Prstenovi na skeletima korala slični su godovima drveća, samo što ovi odgovaraju na različite okolinske uvjete, kao što je temperatura vode i djelovanje valova. Iz ovog izvora, pomoću odgovarajuće opreme, može se saznati o dinamici temperature morske površine i salinitet vode tokom proteklih nekoliko stoljeća. δ18O iz koralno crvenih algi pruža korisne aproksimacije površinske temperature mora na većim geografskim širinama, na kojima su ograničene mogućnosti primjene mnogih tradicijskih tehnika.
Ograničenja Općenita je pojava da se svim zapisima smanjuje pouzdanost sa ulaskom u sve dublju prošlost. Najstarija ledena jezgra izvađena je na Antarktiku,a bila je stara oko 800.000 godina. Nastavljaju se međunarodni napori na istoj lokaciji, kako bi se izvadila jezgra stara oko 1,2 miliona godina. Duboki morski zapisi, koji čine većinu izotopskih podataka, postoje samo na okeanskim pločama, koje naposlje podliježu raspadanju – najstariji očuvani materijal star je oko 200.200 miliona godina. Stariji sedimenti također su skloniji raspadanju zbog dijageneze. Zbog toga, protekom vremena smanjuju se rezolucija i povjerljivost podataka.
Planetarni vremenski raspon
Opće znanje o preciznim klimatskim događajima opada što se više ide u prošlost. Neki poznati događaji zabilježeni su ispod s naznačenom vremenskim raponima . Paradoks slabog mladog Sunca (početak) Snježna gruda Zemlja (~800 milijuna godina) Andsko-saharska glacijacija (~450 milijuna godina) Permsko-trijasno izumiranje (251,4 milijuna godina) Paleocenski-eocenski termalni maksimum (paleocen-eocen, 55 milijuna godina) Mlađi Dryas/Veliko smrzavanje (~11.000 godina) Holocenski klimatski optimum (~7.000-3.000 godina) Klimatske promjene iz 535.-536. (535.-536. n.e.) Srednjovjekovni topli period (900.-1300.) Malo ledeno doba (1300.-1800.) Godina bez Sunca (1816.)
Historija atmosfere Najranija atmosfera U ranoj historiji Zemlje, nastale prvobitne plinove odnosili su solarni vjetrovi, sve dok se nije uspostavilo stabilno stanje prve atmosfere. Prema današnjim vulkanološkim dokazima, prva atmosfera sadržavala je 80 % vodene pare, 10 % ugljik-dioksida, 5 do 7 % sumporovodika, te manje količine dušika, ugljik-monoksida, vodika, metana i inertnih plinova.
Ondašnje velike kiše izazvale su stvaranje ogromnih okeana koji su obilovali ostalim agensima, u početku ugljik-dioksidom, a kasnije dušikom i inertnim plinovima. Veliki dio isparenog ugljik-dioksida ubrzo se otopio u vodi i izgradio karbonatne sedimente.
Druga atmosfera Starost prvih pronađenih sedimenata koji se povezuju s vodom procjenjuje se na 3,8 milijardi godinaB. Windley: The Evolving Continents. Wiley Press, New York 1984. Otprilike prije 3,4 milijardi godina dušik je činio velik dio tada stabilne druge atmosfere. Ubrzo će se u procjenu uzimati uticaj živog svijeta, jer su pronađeni tragovi prvih oblika života potiču od prije otprilike 3,5 milijardi godinaJ. Schopf: Earth’s Earliest Biosphere: Its Origin and Evolution. Princeton University Press, Princeton, N.J., 1983. Činjenica kako to nije u skladu sa sunčevim zračenjem ranog Sunca, koje je u odnosu na današnje bilo 30 % slabije, opisuje se kao paradoks slabog i mladog Sunca.
Geološki zapisi ipak pokazuju kontinuiranu relativno toplu površinu Zemlje tokom čitavog ranog temperaturnog zapisa, izuzimajući jednu hladnu glacijalnu fazu od prije oko 2,4 milijardi godina. Negdje potkraj kasne arhajske ere, počela je nastajati atmosfera koja je sadržavala kisik, koji su proizvodile fotosintetske alge. Rana osnovna karbonska izotopnost, uglavnom je u skladu s onim što je danas pronađeno Celestial climate driver: a perspective from four billion years of the carbon cycle Geoscience Canada, March, 2005 by Jan Veizer, a fundamentalna obilježja ciklusa ugljika uspostavljena su najranije prije 4 milijarde godina. Jan Veizer je (2005.) pretpostavio ne samo to da je živi svijet nastao s pojavom stijena, nego i da je tada bio bogatiji nego što je danas, kao i da su fundamentalna obilježja ciklusa ugljika uspostavljena najranije prije 4 milijarde godina.
Treća atmosfera Akreciji kontinenata, koja se desila otprilike prije 3,5 miljardi godinaVeizer in B. F. Windley (ed.), The Early History of the Earth, John Wiley and Sons, London, p. 569., 1976 nadodalo se razmještanje tektonskih ploča koja je konstantno razdvajalo kontinente, oblijujući također dugoročnu klimatsku evoluciju i dopuštajući prijenos ugljik-dioksida iz velikih kopnenih karbonatnih spremišta. Slobodni kisik nije postojao sve do prije 1,7 milijardi godina, a to se može vidjeti praćenjem razvoja crvenih dna i kraja slojevitih željeznih formacija. To označava prijelaz iz reducirajuće atmosfere u oksidirajuću. Količina O2 jeimala veće uspone i padove sve do postizanja postojanog stanja, više od 15 %. Slijedeći vremenski raspon bio je fanerozoik, tokom kojega su se počeli pojavljivati oblici višećelijskih životinja, koje su uzimale kisik za disanje.
Klima tokom geoloških doba Prekambrijska klima U prve tri četvrtine Zemljine historij dogodila se samo jedna veća glacijacija. Otprilike 950 miliona godina Zemljina klima pravilno se ciklično se mijenjala između glacijacija i međuledenih doba, te ekstenzivnih tropskih klima; glacijacije su bile opsežne ili su obuhvatale samo polarne kape. Vremenski raspon tih izmjena proteže se na gotovo 140 miliona godina i mogao bi biti povezan sa Zemljinimkretanjem unutar galaktičkih spiralnih krakova, a u poređenju s prethodnim vremenom, značajno je reducirala solarni vjetarN. J. Shaviv “Cosmic Ray Diffusion from the Galactic Spiral Arms, Iron Meteorites and a possible Climatic Connection”, Physical Review Letters, 89, 051102, 2002.
Klima kasnog prekambrija pokazala je izvjesne veće glacijacijske događaje, koji su obuhvatali velike dijelove Zemlje. U tom periodu, kontinenti su bili okupljeni u superkontinent nazvan Rodinija. Pronađeni su masivni depoziti tilita i anomalnih izotopskih zapisa koji potvrđuju (kontroverznu) hipotezu o snježnoj grudi Zemlja. Kako se proterozojski eon bližio kraju, Zemlja se počela zagrijavati. Do početka kambrija i fanerozoika životni oblici bili su mnogobrojni, pogotovo pojavom kambrijske eksplozije kada je prosječna globalna temperatura bila oko +22 °C.
Klima fanerozoika thumb|Klimatske promjene tokom proteklih 500 miliona godina thumb|Promjene koncentracija ugljik-dioksida tokom proteklih 500 miliona godina Glavni pokretači u predindustrijskim periodima bile su varijacije insolacije, vulkanskog pepela i ekshalacije, relativna kretanja Zemlje prema Suncu, te tektonskim poremećajima izazvani efekti kod glavnih morskih struja, razvodnica i oscilacija okeana. Rani fanerozoik posebno pokazuje raspon relativno visokog sadržaja ugljik-dioksida i značajne globalne glacijacijeJán Veizer, Yves Godderis, Louis M. François: Evidence for decoupling of atmospheric CO2 and global climate during the Phanerozoic eon. Nature, Bd. 408, S. 698-701, 7. Dezember 2000. Royer et al. pronašli su 2004.Royer, Dana L. and Robert A. Berner, Isabel P. Montañez, Neil J. Tabor, David J. Beerling (2004) "CO2 as a primary driver of Phanerozoic climate", in GSA Today July 2004, volume 14, number 3, pages 4-10. Retrieved online 2nd May 2009 kako je u ostatku fanerozoika nastupila klimatska osjetljivost za koju su izračunali da je bila slična današnjem rasponu odgovarajućih vrijednosti.