La paleoclimatología estudia las características climáticas de la Tierra a lo largo de su historia y se puede incluir como una parte de la paleogeografía. Estudia las grandes variaciones climáticas, sus causas, y da una descripción lo más precisa posible de las características del clima que nos sirve para un momento determinado de la historia de la Tierra. La variación a escala geológica de los factores que determinan el clima actual, como la energía de la radiación solar, situación astronómica y radiación cósmica, relieve y distribución de continentes y océanos, y la composición y dinámica de la atmósfera, constituyen los factores más utilizados en la deducción y explicación de los paleoclimas.
Los estudios del clima pasado (paleoclima) se realizan estudiando los registros fósiles, las acumulaciones de sedimentos en los lechos marinos, las burbujas de aire capturadas en los glaciares, las marcas erosivas en las rocas y las marcas de crecimiento de los árboles. Con base en todos estos datos se ha podido confeccionar una historia climática reciente relativamente precisa, y una historia climática prehistórica con no tan buena precisión. A medida que se retrocede en el tiempo los datos se reducen y llegado un punto la climatología se sirve solo de modelos de predicción futura y pasada.
Son fenómenos geológicos que dependen del clima, deducidos en parte de las condiciones climáticas actuales en la distribución de fauna y flora, mecanismos de formación de sedimentos, relieves fósiles, etc., y son las observaciones normales de mayor valor. Entre los indicadores climáticos paleontológicos tenemos la existencia de fósiles con una estrecha relación sistemática con especies actuales de distribución climática. La flora fósil es una de las más usadas en el Terciario y Cuaternario. Los fósiles con caracteres ecológicos o fisiológicos particulares de significado climático son también muy importantes, como la presencia de arrecifes, hojas de punta acanalada, etc.
Indicadores de clima cálido son la flora de carácter tropical, el gran tamaño de los vertebrados, el desarrollo amplio de calizas y organismos marinos y los arrecifes coralinos. Indicadores de clima frío son la flora de coníferas, la fauna de vertebrados típicos, como el mamut, invertebrados de ambientes fríos como el lamelibranquio Yoldia, etc. Los indicadores litológicos más importantes son las morrenas y depósitos glaciares para climas fríos; los depósitos de bauxitas, caolines, minerales de hierro y manganeso, y cortezas de alteración para climas húmedos; depósitos de sales, series rojas, sedimentos desérticos para climas áridos. Las evaporitas permiten una gran precisión en las determinaciones de temperatura a partir de datos químicos. Los fenómenos de sedimentación con estructuras particulares como huellas de gotas de lluvia, dunas, distribución de loess, régimen de paleocorrientes, etc., tienen interés paleoclimático.
La Paleoclimatología emplea multiplicidad de técnicas para deducir paleoclimas.
En una más extensa escala cronológica, el geólogo debe referirse a registros sedimentarios para fijar datos.
Todos los registros decrecen su utilidad cuanto más se retrocede en el tiempo. Encima no existe hielo por debajo de 1 millón de años, y a su vez colectar muestras e interpretarlas por encima de 800.000 años es dificultosa. Los registros marinos en grandes profundidades, que son la fuente primordial de muchos datos isotópicos, solo existen en las plataformas oceánicas, y que hasta eventualmente pueden ser sepultadas - y solo llegan hasta 140 millones de años. Cualquier sedimento con más edad suele estar corrompido por diagénesis. Consecuentemente, la resolución y confianza matemática en los datos decrece con el tiempo.
Como la interpretación de paleorrelieves glaciares, desérticos, fluviales; análisis de paleocorrientes marinas y distribución de tierras y mares.
El paleomagnetismo aporta datos del mayor interés. Por un lado, permite conocer la paleolatitud de un punto, así como un control de la latitud de los indicadores climáticos. En los últimos años las determinaciones isotópicas de oxígeno en caparazones carbonatados de fósiles ha permitido medir la temperatura ambiental en que se han desarrollado estos organismos y dar gran precisión a las interpretaciones paleoclimáticas.
Las observaciones geológicas que permiten registrar variaciones climáticas de larga duración se basan en el análisis de los anillos de crecimiento de los vegetales, marcas de crecimiento en partes duras de invertebrados y sedimentación de carácter estacional. Se pueden identificar así ciclos climáticos estacionales, anuales y de varios años entre los que destacan ciclos de 11 años, debidos a las manchas solares; de 40.000 años, debido a la inclinación del eje terrestre, de 92.000 años, interpretado por la variación en lá excentricidad de la órbita terrestre y otros cuyo origen no ha sido bien establecido.
La historia climática de la Tierra muestra una sucesión de periodos fríos y cálidos en los últimos mil millones de años. Tres grandes periodos de glaciaciones son indudables, en el Precámbrico, carbonífero-pérmico y Cuaternario. Si se añade la glaciación del silúrico encontramos un ritmo de 150 a 200 millones de años, sugiriéndose una relación con el año galáctico. Estas glaciaciones marcan las etapas climáticas más importantes de la Tierra.
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