เครื่องวัดอุณหภูมิโบราณเป็นวิธีการที่ใช้ประมาณอุณหภูมิแวดล้อมในช่วงเวลาที่วัสดุธรรมชาติก่อตัวขึ้น เครื่องวัดอุณหภูมิโบราณส่วนใหญ่จะอาศัยความสัมพันธ์เชิงตัวแทนที่ปรับเทียบโดยวิธีเชิงประจักษ์ เช่น อัตราส่วน ของธาตุติดตามในแร่ชีวภาพและตัวแทนจากโมเลกุลอินทรีย์

นักวิทยาศาสตร์ใช้อัตราส่วนไอโซโทปของ^18Oต่อ^16Oในน้ำแข็ง เนื้อเยื่อต้นไม้ โครงกระดูกปะการัง หินงอกหินย้อยและตะกอน เพื่อคำนวณอุณหภูมิในอดีตและ/หรือประมาณปริมาตรของแผ่นน้ำแข็ง^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

น้ำทะเลส่วนใหญ่ประกอบด้วย^H₂¹⁶O _{โดย มี} ^HD¹⁶Oและ H₂¹⁸O _ในปริมาณเล็กน้อย^{[ 3 ]}การแยกส่วน เกิดขึ้นระหว่าง ^การเปลี่ยนแปลงระหว่างเฟสควบแน่นและเฟสไอ^{[ 3 ]} ความดันไอของไอโซโทป ที่หนักกว่าจะต่ำกว่า ดังนั้นไอจะมีอัตราส่วนของไอโซโทปหนักต่ำกว่า (มีค่าไอโซโทปเป็นลบมากกว่า) เมื่อเทียบกับแหล่งที่มันระเหยออกมา^{[ 3 ]}ในทางกลับกัน เมื่อไอควบแน่น ฝนที่ตกลงมาจะมีอัตราส่วนของไอโซโทปหนักสูงกว่าไอที่ตกลงมา เมื่อมวลอากาศเคลื่อนตัวเข้าสู่แผ่นดินหรือจากเส้นศูนย์สูตรไปยังขั้วโลก น้ำที่มีไอโซโทป "หนัก" จะตกลงมาเป็นฝน และส่วนที่เหลือจะเบากว่า (มีค่าไอโซโทปเป็นลบ) ^{[ 2 ]}

ค่าไอโซโทปออกซิเจนมักจะรายงานในรูปของน้ำทะเลมาตรฐานเฉลี่ยหรือ SMOW ^{[ 2 ]}ความแตกต่างจาก SMOW จะแสดงเป็น

${\displaystyle \delta {\ce {^{18}O}}=1000\times \left[{\ce {{\frac {^{18}O}{^{16}O}}}}{\Bigg /}\left({\ce {{\frac {^{18}O}{^{16}O}}}}\right)_{{\ce {SMOW}}}-1\right]}$;

และสูตรที่คล้ายกัน^{สำหรับ} δD [ ^{2 ]}

แมกนีเซียม (Mg) ถูกรวมเข้ากับ เปลือก แคลไซต์ (tests) ของฟอรามินิเฟอรา แพลงก์ตอนและเบนทิก ในฐานะธาตุติดตาม^{[ 4 ]}เนื่องจากการรวม Mg เป็นสิ่งเจือปนในแคลไซต์เป็นกระบวนการดูดความร้อน จึงมีการรวม Mg เข้าไปในผลึกที่กำลังเติบโตมากขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น^{[ 5 ]}ดังนั้น อัตราส่วน Mg/Ca ที่สูงจึงบ่งชี้ถึงอุณหภูมิสูง แม้ว่าปัจจัยทางนิเวศวิทยาอาจทำให้สัญญาณคลาดเคลื่อนได้ก็ตาม Mg มีระยะเวลาคงอยู่ในมหาสมุทรนาน ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะเพิกเฉยต่อผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วน Mg/Ca ในน้ำทะเลต่อสัญญาณได้เป็นส่วนใหญ่^{[ 6 ]}บางครั้งอัตราส่วน Mg/Ca อาจประเมินอุณหภูมิของน้ำทะเลต่ำกว่าความเป็นจริงเนื่องจากการละลายของเปลือกฟอรามินิเฟอรา ซึ่งทำให้ค่า Mg/Ca ลดลง^{[ 7 ]}

เคมีของคาร์บอเนต (ซึ่งขึ้นอยู่กับค่า pH) ยังสามารถส่งผลต่อการรวมตัวของ Mg เข้าสู่แคลเซียมคาร์บอเนตได้ ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงใช้ไอโซโทปของโบรอน (ตัวแทนของค่า pH ในมหาสมุทร) หรือค่า CO2 ในบรรยากาศ₍ซึ่งสามารถใช้ในการประมาณค่า pH ในมหาสมุทร) จากช่วงเวลาที่สนใจเพื่อใช้การแก้ไขกับบันทึก Mg/Ca การแก้ไขนี้จะแยกการเปลี่ยนแปลงใน Mg/Ca ที่เกิดจากความแปรปรวนของอุณหภูมิเพียงอย่างเดียว^{[ 8 ]}ทำให้สามารถสร้างอุณหภูมิขึ้นใหม่ได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น

สตรอนเทียม (Sr) รวมอยู่ในอะราโกไนต์ของปะการัง ซึ่งเป็นแร่ธาตุที่ปะการังสร้างขึ้นสำหรับโครงกระดูก^{[ 9 ] [ 10 ]}ที่อุณหภูมิสูงขึ้น การรวมตัวของสิ่งเจือปน Sr ในอะราโกไนต์จะลดลง และอัตราส่วน Sr/Ca ในโครงกระดูกปะการังจะต่ำลง^{[ 11 ]}ปะการังสามารถให้บันทึกอุณหภูมิที่มีความละเอียดสูงเป็นพิเศษ (ต่ำกว่ารายเดือน) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกลุ่มที่มีอัตราการเติบโตสูง^{[ 11 ]}บันทึกที่มีความละเอียดสูงมีความจำเป็นสำหรับการสร้างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามฤดูกาลขึ้นใหม่ ซึ่งปัจจุบันเป็นแหล่งที่มาของความไม่แน่นอนในแบบจำลองสภาพภูมิอากาศ^{[ 1 ]}ความแปรปรวนของอัตราส่วน Sr/Ca ในน้ำทะเล โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ใกล้ชายฝั่งที่มีการไหลของแม่น้ำสูง สามารถทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการตีความอุณหภูมิ Sr/Ca ได้^{[ 12 ]}แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดอีกประการหนึ่งอาจมาจาก " ผลกระทบทางชีวภาพ " หรือความแปรปรวนในธรณีเคมีที่มาจากสรีรวิทยาของปะการังมากกว่าความแปรปรวนของอุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น ความผันแปรตามฤดูกาลของอัตราการเติบโตของปะการังอาจเปลี่ยนแปลงการรวมตัวของ Sr/Ca ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในบันทึกทางธรณีเคมี^{[ 13 ]}แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดอีกประการหนึ่งในการสอบเทียบ Sr/Ca มาจากไดอะเจเนซิสซึ่งส่วนหนึ่งของแร่อะราโกไนต์ดั้งเดิมละลายและแร่ใหม่ตกผลึกขึ้นมาแทนที่ เนื่องจากแร่ใหม่เหล่านี้ไม่ได้ก่อตัวภายใต้เงื่อนไขเดียวกันกับแร่โครงสร้างดั้งเดิม จึงอาจทำให้เกิดความผิดปกติของอุณหภูมิที่ผิดพลาดในอนุกรมเวลา^{[ 14 ]}

การสร้างอุณหภูมิ Sr/Ca ขึ้นใหม่จำเป็นต้องมีการสอบเทียบโดยอิงจากสมาชิกสมัยใหม่ของกลุ่มอนุกรมวิธานเดียวกันที่เก็บตัวอย่างจากสถานที่เดียวกัน^{[ 15 ]}ข้อกำหนดนี้อาจเป็นข้อจำกัดเมื่อไม่มีตัวอย่างเปรียบเทียบสมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม นักวิจัยบางคนกำลังสำรวจศักยภาพในการพัฒนาเครื่องวัดอุณหภูมิปะการังโบราณแบบ "สากล" โดยใช้สัดส่วนธาตุติดตามที่ได้รับอิทธิพลจากอุณหภูมิหลายตัวร่วมกัน^{[ 16 ] [ 17 ]}ธาตุเหล่านี้ได้แก่ สตรอนเทียม แมกนีเซียม โบรอน (B) ยูเรเนียม (U) และลิเธียม (Li) ^{[ 16 ]} พบว่า B/Ca และ U/Ca แปรผันตามอุณหภูมิ แต่ยังได้รับอิทธิพลอย่างมากจากค่า pH และความเข้มข้นของคาร์บอเนตในแอ่งของเหลวสร้างแคลเซียมภายในของปะการังด้วย^{[ 17 ]}

สิ่งมีชีวิตในทะเลบางชนิดจะเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อตอบสนองต่ออุณหภูมิ ทำให้การเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบเหล่านี้สามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้อุณหภูมิพื้นผิวทะเล ได้ ^{[ 18 ]}มีความสัมพันธ์เชิงบวกระหว่างอุณหภูมิและจำนวนวงแหวนไซโคลเพนเทนที่พบในเยื่อหุ้มเซลล์ของอาร์เคียในมหาสมุทร^{[ 1 ]}ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบในการสะสมของอาร์เคียในแกนตะกอนทะเลจึงถูกนำมาใช้เพื่อสร้างอุณหภูมิในอดีต ความสัมพันธ์นี้เรียกว่าตัวบ่งชี้อุณหภูมิ TEX ₈₆ ^{[ 1 ]}ซึ่งตั้งชื่อตามอะตอมคาร์บอน 86 อะตอมในโมเลกุลไขมัน^{[ 18 ]}ตัวบ่งชี้ที่คล้ายกันใช้การเปลี่ยนแปลงในความอิ่มตัวของอัลคีโนนในเยื่อหุ้มเซลล์ของแพลงก์ตอนพืช^{[ 18 ]} เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องวัดอุณหภูมิในอดีตแบบคาร์บอเนต การวัดอุณหภูมิด้วยอัลคีโนนและ TEX ₈₆ยังคงมีความแข็งแกร่งสำหรับเมทริกซ์ที่เปลี่ยนแปลงไปจากการเกิดไดอะเจเนซิส^{[ 1 ]}

ขนาดรูปร่างและความชุกของลักษณะต่างๆ เช่น ปลายใบที่หยดน้ำ ('ลักษณะทางกายภาพของใบ') แตกต่างกันระหว่างป่าฝนเขตร้อน (หลายชนิดมีใบขนาดใหญ่ ขอบเรียบ และมีปลายใบที่หยดน้ำ) และป่าผลัดใบในเขตอบอุ่น (ใบขนาดเล็กกว่าเป็นเรื่องปกติ ขอบใบหยักเป็นเรื่องปกติ) และมักมีความแปรผันอย่างต่อเนื่องระหว่างพื้นที่ต่างๆ ตามระดับความลาดชันของสภาพภูมิอากาศ เช่น จากสภาพอากาศร้อนไปเย็น หรือจากปริมาณน้ำฝนสูงไปต่ำ^{[ 19 ]}ความแปรผันระหว่างพื้นที่ต่างๆ ตามระดับความลาดชันของสิ่งแวดล้อมนี้สะท้อนถึงการปรับตัวของสายพันธุ์ต่างๆ ที่มีอยู่เพื่อสร้างสมดุลระหว่างความต้องการในการดักจับพลังงานแสง การจัดการการได้รับและการสูญเสียความร้อน ในขณะเดียวกันก็เพิ่มประสิทธิภาพของการแลกเปลี่ยนก๊าซการคายน้ำและการสังเคราะห์ แสงให้สูงสุด การวิเคราะห์เชิงปริมาณของลักษณะทางกายภาพของใบพืชพรรณสมัยใหม่และการตอบสนองต่อสภาพภูมิอากาศตามระดับความลาดชันของสิ่งแวดล้อมส่วนใหญ่เป็นแบบตัวแปรเดียวแต่ แนวทาง แบบหลายตัวแปรจะรวมลักษณะใบหลายอย่างและพารามิเตอร์สภาพภูมิอากาศเข้าด้วยกัน อุณหภูมิได้รับการประมาณ (ด้วยความแม่นยำที่แตกต่างกัน) โดยใช้ลักษณะทางกายภาพของใบสำหรับพืชใบไม้ในยุคครีเทเชียสตอนปลายและยุคซีโนโซอิก โดยหลักแล้วใช้สองแนวทางหลัก: ^{[ 20 ]}

แนวทาง แบบ ตัวแปรเดียวที่อิงตามการสังเกตว่าสัดส่วนของชนิดไม้ใบเลี้ยง คู่ที่มี ขอบใบเรียบ (เช่น ไม่มีฟัน) (0 ≤ _ขอบP ≤ 1) ในพืชพรรณแปรผันตามสัดส่วนกับอุณหภูมิเฉลี่ยรายปี (MAT ^{[ 21 ]} ) ^{[ 22 ]}กำหนดให้พืชฟอสซิลต้องถูกแยกออกเป็นมอร์โฟไทป์ (เช่น 'ชนิด') แต่ไม่จำเป็นต้องระบุชนิด สมการการถดถอย LMA ดั้งเดิมได้มาจากป่าในเอเชียตะวันออก^{[ 23 ]}และมีดังนี้:

ข้อผิดพลาดของการประมาณค่าสำหรับ LMA จะแสดงเป็นข้อผิดพลาดการสุ่มตัวอย่างแบบทวินาม: ^{[ 24 ]}

${\displaystyle \sigma \lbrack {\text{LMA}}\rbrack =c{\sqrt {\frac {P_{\text{margin}}(1-P_{\text{margin}})}{r}}}}$

2

โดยที่ c คือความชันจากสมการการถดถอย LMA, P _marginตามที่ใช้ใน ( 1 ) และrคือจำนวนชนิดที่ให้คะแนนสำหรับประเภทขอบใบสำหรับพืชใบไม้ฟอสซิลแต่ละชนิด การปรับเทียบ LMA ได้รับการกำหนดขึ้นสำหรับภูมิภาคสำคัญของโลก รวมถึงอเมริกาเหนือ^{[ 25 ]}ยุโรป^{[ 26 ]}อเมริกาใต้^{[ 27 ]}และออสเตรเลีย^{[ 28 ]} สภาพแวดล้อมริมแม่น้ำและพื้นที่ชุ่มน้ำมีสมการการถดถอยที่แตกต่างกันเล็กน้อย เนื่องจากมีพืชที่มีขอบเรียบน้อยกว่าตามสัดส่วน^{[ 29 ]}

CLAMP เป็นวิธีการแบบหลายตัวแปรที่อิงตามชุดข้อมูลของพืชพรรณในซีกโลกตะวันตกเป็นหลัก^{[ 30 ]}ต่อมาได้มีการเพิ่มชุดข้อมูลจากพืชพรรณในภูมิภาคอื่นๆ ของโลก^{[ 31 ] [ 32 ]}การวิเคราะห์ความสัมพันธ์แบบแคนอนิก (Canonical Correlation Analysis)ถูกนำมาใช้ร่วมกับลักษณะใบ 31 ประการ แต่ชนิดของขอบใบเป็นองค์ประกอบสำคัญของความสัมพันธ์ระหว่างสถานะทางสรีรวิทยาและอุณหภูมิ การใช้ CLAMP ทำให้สามารถประมาณค่า MAT ได้ด้วยค่าความคลาดเคลื่อนมาตรฐานที่น้อย (เช่น CCA ± 0.7–1.0 °C) นอกจากนี้ยังสามารถประมาณค่าพารามิเตอร์อุณหภูมิเพิ่มเติมได้โดยใช้ CLAMP เช่น อุณหภูมิเฉลี่ยของเดือนที่หนาวที่สุด (CMMT) และอุณหภูมิเฉลี่ยของเดือนที่อบอุ่นที่สุด (WMMT) ซึ่งให้ค่าประมาณสำหรับสภาวะเฉลี่ยในฤดูหนาวและฤดูร้อนตามลำดับ

เนื่องจากสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีความทนทานต่ออุณหภูมิที่แตกต่างกัน การเปลี่ยนแปลงของกลุ่มสิ่งมีชีวิตในแกนตะกอนจึงสามารถแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้^{[ 33 ]}กลุ่มสิ่งมีชีวิตที่ส่วนบนของแกนตะกอนถูกนำมาใช้เพื่อสร้างความสัมพันธ์ระหว่างความชุกของสิ่งมีชีวิตและอุณหภูมิสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ไวต่ออุณหภูมิ จากนั้นความสัมพันธ์เหล่านี้จะถูกนำมาใช้เพื่ออนุมานอุณหภูมิจากข้อมูลที่อยู่ลึกลงไปในแกนตะกอน แหล่งที่มาของข้อผิดพลาด ได้แก่ อัตราการผสม ( การกวนทางชีวภาพ ) ในตะกอน ซึ่งสามารถผสมกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่สะสมในเวลาที่ต่างกันเข้าด้วยกันได้^{[ 33 ]}

มีแนวโน้มทางอุณหพลศาสตร์เล็กน้อยที่ไอโซโทปหนักจะสร้างพันธะกัน ซึ่งเกินกว่าที่คาดหวังจากการ กระจาย แบบสุ่มหรือแบบสุ่มของความเข้มข้นของไอโซโทปเดียวกัน^{[ 34 ]}ส่วนเกินจะมากที่สุดที่อุณหภูมิต่ำ (ดูสมการของ Van 't Hoff ) โดยการกระจายของไอโซโทปจะสุ่มมากขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น^{[ 34 ]}พร้อมกับปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดของการแยกส่วนไอโซโทปสมดุลผลกระทบนี้เกิดขึ้นจากความแตกต่างของพลังงานจุดศูนย์ระหว่างไอโซ โทโพ ล็อก^{[ 34 ]}แร่คาร์บอเนตเช่นแคลไซต์มีกลุ่ม CO ₃ ²⁻ที่สามารถเปลี่ยนเป็นก๊าซ CO ₂ได้โดยการทำปฏิกิริยากับกรดฟอสฟอริกเข้มข้น ก๊าซ CO ₂จะถูกวิเคราะห์ด้วยเครื่องสเปกโทรเมตรมวลเพื่อกำหนดปริมาณของไอโซโทโพล็อก^{[ 35 ]}พารามิเตอร์ Δ ₄₇คือความแตกต่างของความเข้มข้นที่วัดได้ระหว่างไอโซโทโพล็อกที่มีมวล 47 u (เมื่อเทียบกับ 44) ในตัวอย่างและตัวอย่างสมมติที่มีองค์ประกอบไอโซโทปโดยรวมเหมือนกัน แต่มี การกระจาย แบบสุ่มของไอโซโทปหนัก^{[ 35 ]} Δ ₄₇มีความสัมพันธ์กับกำลังสองผกผันของอุณหภูมิ^{[ 35 ]}ดังนั้น การวัด Δ ₄₇ จึง เป็นการประมาณอุณหภูมิที่คาร์บอเนตก่อตัวขึ้น การวัดอุณหภูมิโบราณ ด้วย^13C - ^18Oไม่จำเป็นต้องมีความรู้ล่วงหน้าเกี่ยวกับความเข้มข้นของ^18Oในน้ำ (ซึ่งวิธี δ ^{18O จำเป็นต้องใช้ [ 35 ]} ) ทำให้สามารถ ใช้เครื่องวัดอุณหภูมิโบราณ ^{ด้วย 13C} - ^18Oกับตัวอย่างบางชนิดได้ รวมถึงคาร์บอเนตน้ำจืดและหินที่มีอายุเก่าแก่มาก โดยมีความคลุมเครือน้อยกว่าวิธีการอื่นๆ ที่ใช้ไอโซโทปเป็นพื้นฐาน ปัจจุบันวิธีการนี้ถูกจำกัดด้วยความเข้มข้นต่ำมากของไอโซโทโพล็อกมวล 47 หรือสูงกว่าใน CO2 _ที่ผลิตจากคาร์บอเนตธรรมชาติ และด้วยความขาดแคลนเครื่องมือที่มีอาร์เรย์ตรวจจับและความไวที่เหมาะสม^{[ 36 ]}การศึกษาปฏิกิริยาการเรียงลำดับไอโซโทปประเภทนี้ในธรรมชาติมักเรียกว่าธรณีเคมี "ไอโซโทปแบบรวมกลุ่ม" ^{[ 34 ] [ 36 ]}

• บันทึกอุณหภูมิทางธรณีวิทยา
• ประวัติความร้อนของโลก
• ลำดับเหตุการณ์ของการเกิดธารน้ำแข็ง
• รายชื่อช่วงเวลาและเหตุการณ์ในประวัติศาสตร์ภูมิอากาศ
• แรงแผ่รังสี
• นิเวศวิทยาบรรพกาล
• สมุทรศาสตร์โบราณ
• ภูมิอากาศวิทยาโบราณ
• พร็อกซี