代理変数（気候）

樹木気候学は、主に年輪の特性から樹木から過去の気候を推定する科学です。年輪は、生育に適した条件では幅が広く、生育が困難な時期には幅が狭くなります。主な要因は、気温と湿度／水分量です。年輪の他の特性、例えば最大晩材密度（MXD）などは、単純な年輪幅よりも優れた指標であることが示されています。科学者は年輪を用いて、数百年から数千年前の多くの地域の気候を推定してきました。複数の年輪研究（時には他の気候指標記録と組み合わせる）を組み合わせることで、科学者は過去の地域および地球規模の気候を推定してきました（過去1000年間の気温記録を参照）。

古気候学者は、過去の気候における年間平均気温を復元するために葉歯をよく使用し、年間平均降水量の指標として葉の大きさを使用します。^{[ 9 ]}年間平均降水量の復元の場合、一部の研究者は、タフォノミー過程により小さな葉が化石記録に過剰に存在し、復元に偏りが生じる可能性があると考えています。^{[ 10 ]}しかし、最近の研究では、葉の化石記録は小さな葉に大きく偏っていない可能性があることが示唆されています。^{[ 11 ]}_{新しいアプローチでは、}化石の葉の気孔と同位体組成から過去の大気のCO2含有量などのデータを取得し、細胞の_{CO2濃度を測定します。2014 年の研究では}、炭素 13同位体比を使用して過去 4 億年の CO2 量を推定することができ、その結果は CO2 濃度に対する気候の感度が高いことを_示唆し_ています。^{[ 12 ]}

ボーリング孔の温度は温度の代理指標として使用されます。地中を通る熱伝達は遅いため、ボーリング孔のさまざまな深さでの温度測定値は、地球内部からの上昇熱の影響を考慮して調整され、「逆算」（行列方程式を解くための数学的公式）して、一意ではない一連の地表温度値を生成することができます。解が「一意ではない」のは、同じボーリング孔温度プロファイルを生成する可能性のある地表温度の再構築が複数存在するためです。さらに、物理的な制約により、再構築は必然的に「ぼやけ」、過去に遡るほどぼやけが大きくなります。西暦1500年頃の温度を再構築する場合、ボーリング孔の時間分解能は数世紀です。20世紀初頭には、その分解能は数十年であるため、機器による温度記録の有用な検証にはなりません。^{[ 13 ] [ 14 ]}ただし、それらは概ね比較可能です。^{[ 3 ]}これらの確認により、古気候学者は500年前の気温を測定できるという確信を得ました。これは、100年前の気温を測定するには約492フィート（150メートル） 、1,000年前の気温を測定するには1,640フィート（500メートル）の深さのスケールで結論付けられています。^{[ 15 ]}

ボーリング孔は、校正が不要であるという点で他の多くの代替手段よりも大きな利点があります。つまり、実際の温度です。ただし、ボーリング孔は、ほとんどの「地表」気象観測で使用される地表付近の温度（1.5メートル）ではなく、地表温度を記録します。極端な状況や地表に雪がある場合、これらは大きく異なる可能性があります。実際には、ボーリング孔の温度への影響は一般的に小さいと考えられています。2番目の誤差の原因は、地下水による井戸の汚染が温度に影響を与える可能性があることです。水はより新しい温度を「運ぶ」ためです。この影響は一般的に小さいと考えられており、非常に湿度の高い場所でより当てはまります。^{[ 13 ]}これは、サイトが一年中凍結している氷床コアには当てはまりません。

すべての大陸にある600以上のボーリング孔が、地表温度を復元するための指標として使用されてきました。^{[ 14 ]}ボーリング孔が最も集中しているのは北アメリカとヨーロッパです。掘削深度は通常、地球の地殻または氷床に200メートルから1,000メートル以上に及びます。 ^{[ 15 ]}

氷床には少数のボーリング孔が掘削されており、そこの氷の純度が高いため、より長期間の復元が可能となっている。中央グリーンランドのボーリング孔の温度は、「数世紀の寒冷な状態の後、過去150年間で約1℃±0.2℃の温暖化が見られた。これに先立つのは西暦1000年頃を中心とした温暖期で、20世紀後半よりも約1℃暖かかった」ことを示している。南極の氷冠のボーリング孔は、「西暦1年の気温は20世紀後半よりも約1℃暖かかった」ことを示している。^{[ 16 ]}

グリーンランドの掘削孔温度の測定により、同位体温度復元に関する重要な見直しが行われ、「空間勾配は時間勾配に等しい」という従来の仮定が誤りであることが明らかになった。

海洋サンゴの骨格の輪、つまり帯状構造も、樹木の年輪と同様に、古気候学的情報を共有している。2002年、当時マイアミ大学の研究員であったリサ・グリア博士とピーター・スワート博士による、サンゴの炭酸カルシウム中の安定酸素同位体に関する研究結果が発表された。低温ではサンゴの構造に重い同位体が使われる傾向があり、高温ではより通常の酸素同位体がサンゴの構造に組み込まれる傾向がある。また、塩分濃度が高い水も、重い同位体を含む傾向がある。グリアが大西洋から採取したサンゴのサンプルは1994年に採取され、年代は1935年に遡る。グリアは自身の結論を次のように回想している。「1935年から1994年頃までの年間平均データを見ると、正弦波の形をしていることがわかります。周期性があり、酸素同位体組成に顕著なパターンがあり、約12～15年ごとにピークを迎えます。」表面水温も12年半ごとにピークを迎えており、一致している。しかし、この水温の記録は過去50年間しか行われていないため、記録された水温とサンゴの構造との相関関係は、それほど昔まで遡って調べることはできない。^{[ 17 ]}

花粉は堆積物中に見られます。植物は大量の花粉を生成し、花粉は分解に対して非常に強い耐性を持っています。花粉粒から植物種を特定することが可能です。その堆積層から相対的な時間におけるその地域の特定された植物群落は、気候条件に関する情報を提供します。特定の植生期間または年の花粉の豊富さは、前の月の気象条件に部分的に依存するため、花粉密度は短期的な気候条件に関する情報を提供します。^{[ 18 ]}先史時代の花粉の研究は花粉学です。

齧歯類の群集は、考古学的および古生物学的遺跡での頻繁かつ広範な分布、狭い行動圏、生息地の特異性、高い繁殖率、急速な進化速度により、広範囲にわたる地理的スケールで高い時空間解像度を提供する、過去の局地的な気候および環境条件を推測するための一般的に有用な生物学的指標として認識されています^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}。生物気候分析アプローチと空間一般化線形混合モデルを組み合わせるなどの高度な手法は、西パレアルクティックなどの地域におけるさまざまな過去の期間の大陸規模の表面温度（年間平均気温（MAT）、最も暖かい月の平均気温（MTWA）、最も寒い月の平均気温（MTCO）など）を再構築するために利用されてきました^{[ 22 ]}。

渦鞭毛藻はほとんどの水生環境に生息し、その生活環において、一部の種は成長に適さない環境条件の休眠期間のために、非常に耐性のある有機壁のシストを生成する。生息深度は比較的浅く（光の透過に依存する）、餌となる珪藻と密接に関連している。表層水における分布パターンは水体の物理的特性と密接に関連しており、沿岸群集は外洋群集と区別することもできる。堆積物中の渦鞭毛藻シストの分布は比較的よく記録されており、分類群の分布パターンと存在量を決定する平均的な海面条件の理解に貢献している（^{[ 23 ]}）。^{[ 24 ]}や^{[ 25 ]}を含むいくつかの研究では、北太平洋でボックスコアと重力コアを収集し、花粉学的内容を分析し、渦鞭毛藻シストの分布と海面水温、塩分、生産性、湧昇との関係を明らかにしている。同様に、^{[ 26 ]}と^{[ 27 ]は、}サンタバーバラ海盆中央部で1992年に水深576.5mで採取されたボックスコアを使用して、この地域の過去4万年間の海洋学的および気候学的変化を決定しています。

古気候学者は、他の指標を用いた研究と同様に、海洋堆積物中の酸素同位体を調べます。同様に、湖底堆積物を構成する年縞（堆積した細粒および粗粒のシルトまたは粘土）^{[ 28 ]}の層を測定します。湖底年縞は主に以下の要因によって影響を受けます。

• 夏の気温は、季節の雪や氷を溶かすのに利用できるエネルギーを示しています。
• 冬の降雪量は、融解時に堆積物に及ぼす影響の程度を決定する。
• 降雨量^{[ 29 ]}

珪藻、有孔虫、放散虫、介形虫、円石藻は、湖や海洋の状態を示す生物指標の例であり、過去の気候を復元するためによく使用されます。堆積物中に保存されているこれらの生物やその他の水生生物の種の分布は、有用な指標となります。堆積物中に保存されている種の最適な条件は手がかりとなります。研究者はこれらの手がかりを使用して、生物が死んだときの気候や環境がどのようなものであったかを明らかにします。^{[ 30 ]}また、殻の酸素同位体比は温度の指標としても使用できます。^{[ 31 ]}

海水は主に_H₂¹⁶Oで構成され、少量のHD¹⁶OとH₂¹⁸Oが含まれています^。ここ_で^Dは重水素、つまり中性子が1つ多い水素を表します。ウィーン標準平均海水（VSMOW）では、^DとH^の比は155.76 × 10⁻⁶ 、O-18とO-16の比は2005.2 ^{× 10⁻⁶}です。同位 体分別は凝縮相と気相の切り替え時に起こります。重い同位体の蒸気圧は低いため、気相には比較的軽い同位体が多く含まれ、気相が凝縮すると、沈殿物には重い同位体が優先的に含まれるようになります。VSMOWとの差はδ¹⁸O = 1000‰で表され^ます。${\textstyle \times \left({\frac {([{}^{18}O]/[{}^{16}O])}{([{}^{18}O]/[{}^{16}O])_{\mathrm {VSMOW} }}}-1\right)}$δDについても同様の式が成り立ちます。降水量のδ値は常に負の値になります。^{[ 32 ]} δに最も影響を与えるのは、水分が蒸発した場所と最終的な降水が発生した場所の海水温の差です。海水温は比較的安定しているため、δ値は主に降水が発生した場所の温度を反映します。降水が逆転層より上で形成されることを考慮すると、線形関係が得られます。

δ ¹⁸ O = aT + b

これは、温度とδの測定値から経験的に較正され、グリーンランドではa = 0.67 ‰ /°C 、東南極では0.76 ‰/°Cとなっています。較正は当初、温度の空間的変動に基づいて行われ、これが時間的変動に対応すると想定されていました。 ^{[ 33 ]}最近では、ボーリング孔温度測定により、氷期と間氷期の変動についてはa = 0.33 ‰/°Cであることが示されており、^{[ 34 ]}氷期と間氷期の温度変化は以前考えられていたよりも2倍大きいことを示唆しています。

2017年に発表された研究では、1億年前の古海洋温度を復元する従来の方法論に疑問を呈し、その期間の温度は比較的安定しており、はるかに寒かったことを示唆した。^{[ 35 ]}

泥炭（亜炭、古代泥炭）や土壌から得られる新しい気候指標であるグリセロールジアルキルグリセロールテトラエーテル（GDGT）と呼ばれる膜脂質は、異なる分岐構造を持つGDGT異性体の相対分布を制御する古環境要因の研究に役立っている。研究著者らは、「これらの分岐膜脂質は、まだ知られていない嫌気性土壌細菌群によって生成される」と述べている。^{[ 36 ]} 2018年現在鉱物土壌中の細菌のメチル化度（brGDGTs）が年間平均気温の計算に役立つことを示す研究が10年間行われてきました。この代理指標法は、白亜紀-古第三紀境界の古第三紀初期の気候の研究に使用され、研究者らは、陸上および中緯度における年間平均気温が約23～29℃（±4.7℃）であり、これはこれまでのほとんどの研究結果よりも5～10℃高いことを発見しました。^{[ 37 ] [ 38 ]}

プロキシ記録を組み合わせて半球全体の気温を再構築するために使用されるアルゴリズムの予測精度は、「擬似プロキシ」と呼ばれる手法を使用してテストできます。この方法では、気候モデルからの出力が既知のプロキシネットワークに対応する場所でサンプリングされ、生成された気温記録がモデルの（既知の）全体の気温と比較されます。^{[ 39 ]}