Kvartérní klimatický cyklus, klimatické výkyvy I., II. A III. řádu Martin Ivanov, Ústav geologických věd PřF MU, Brno Kvartérní klimatický cyklus •klimatické výkyvy - paleontologicky a sedimentologicky často nelze různě staré výkyvy vzájemně odlišit. Nejvýraznější cykly I. řádu •klimatický cyklus odráží změny v sedimentaci, tvorbu půd, vznik určitých rostlinných a živočišných společenstev •jednotlivé sledy se opakují, vytváří klimatický cyklus •základní cyklus vždy začíná určitým teplým obdobím, následuje studené Klimat_cyklus • 1. fáze •kataglaciální fáze (závěr glaciálu, časný interglaciál) – rychlé oteplování, rozvoj vegetace •tání permafrostu, intenzivní svahové a fluviální periglaciální procesy, zeslabování mrazového zvětrávání hornin •vyznívání sprašové sedimentace, zánik geliflukce •vývoj meandrujících řek 2. fáze •teplé a vlhké interglaciální období, humidní morfogeneze •tvorba lesních parahnědozemí na spraších •rozšíření vegetace •zeslabení svahových a fluviálních procesů, ustávání eolické činnosti, erozní + sedimentační klid Ložek (1999) Klimat_cyklus • 3. fáze •dlouhé anaglaciální období – řada teplých a studených výkyvů, celkové ochlazení, aridizace •úbytek lesní vegetace •mrazové zvětrávání, svahové procesy, promrzání, permafrost •převaha divočících a anastomózních vodních toků, na počátku laterální eroze, termoeroze •ukládání mocných poloh štěrků a písků, vznik syngenetických ledových klínů 4. fáze •pokračující ochlazování klimatu, rozšiřování studených stepí, hodně ukládání spraše 5. fáze •ochlazování, pokračování periglaciálních geomorfologických procesů, permafrost •intenzivní mrazové zvětrávání, geliflukce, plošný splach, všechny kryogenní struktury •tundrová vegetace •převaha divočících a anastomózních řek, místy sprašová sedimentace •akumulace štěrků a písků v údolích, na svazích akumulace zvrstvených sutí 6. fáze •hlavní sprašové období pleniglaciálu, mocné pokryvy spraší •suché klima •permafrost s nejnižší teplotou a největší hloubkou •vývoj sprašové stepi a tundry, v nejvyšších polohách studené pouště •rozsáhlá tvorba mrazových klínů, fluviální sedimentace zpomalená Kvartérní podnebné výkyvy Teplá období (v něm. Warmzeit) - řadíme sem interglaciály, a postglaciál (holocén). Studená období - průměrná teplota ve srovnání s dneškem výrazně snížená. Přehled podnebných výkyvů •výkyvy I. řádu •výkyvy II. řádu •výkyvy III. řádu •11 700 B2K – ústup kontinentálního ledovce v již. Finsku, Evropa – oteplení •intenzivní rozvoj vegetace •výrazné oslabení svahových a eolických procesů •rychlé zvyšování teploty •ochlazení mezi atlantikem a subboreálem Výkyvy I. řádu - holocén •teplota •biologická činnost •geologická činnost Holocén_stratigr Průměrná roční teplota (odchylky od dnešních průměrných teplot) během holocenního klimatického optima (6000 - 5500 BC). Holocenní sedimenty - svahové sedimenty, hrubé hlinité sutě, osypy (krasové + pískovcové oblasti), organické sedimenty, eolické písky (malé přesypy v údolních nivách), povodňové hlíny a písky údolních den (mocnost až přes 10 m), jemnozrnné fluviální sedimenty Holocén_stratigr •spodní holocén - vznik jezer – Švarcenberk (Třeboňská pánev) Skladba lesa borovice + bříza > osika, jalovec, vrba, jeřáb Krušné hory – vysokohorská tundra, ta rychle mizí Boreál – výrazné oteplení, převaha borových lesíků s lískou, průnik dubu, jilmu, lípy, javoru Atlantik – MAAT o 3 °C vyšší než dnes, vlhkost až o 100%. Listnaté lesy – dub, jilm, lípa, javor. Formování dnešní vegetační stupňovitosti Člověk – zemědělec, pastevec Negativní dopad na vývoj rostlinných společenstev – kácení lesů, eroze •interglaciály - dle fauny a flóry - podnebí na jejich vrcholu poněkud teplejší a podstatně vlhčí než dnes •roční průměr teploty - o 2-3 °C vyšší než dnes, u nejstarších interglaciálů až o 4-5 °C. •humidita klimatu - ještě výraznější - srážky o 75-100% vyšší než dnes, oceánské klima sahalo hluboko do kontinentů •interglaciály střední Evropy - úplné zalesnění i v dnes nejsušších a nejteplejších oblastech. •stepní ostrůvky jen v místech kde reliéf a podklad postup lesa zastavily Interglaciály - flóra a fauna, jejíž druhové bohatství a klimatické nároky odpovídají současným poměrům v téže oblasti nebo jsou vyšší Výkyvy I. řádu - interglaciály Půdy - vývoj je stejně intenzivní jako u půd současných, obvykle však intenzivnější, a to ve směru k humidním typům. Terra_rossa luvizem typická (prachovice) Starší pleistocén – od PK VII – braunlehmy, od PK X - rotlehmy Mladší pleistocén – luvizemě (illimerizované půdy) Last_Intergl_4_1 Last_Intergl_4_1a Průměrné roční srážky během maxima eemského interglaciálu (asi 120 ky BP). Výkyvy I. řádu - glaciály •glaciály - období s výrazně sníženou průměrnou teplotou ve srovnání s dneškem •průměrné snížení teploty - 8-9 °C, tj. asi 0 °C a méně (v našich zeměp. šířkách) •zalednění a periglaciální jevy (pokles hladiny moře, studené stepi až tundry, často subarktický ráz) •drsné pevninské klima, někdy značně aridní Vlhká období Suchá období činnost mrazu - mechanické mrazové zvětrávání, soliflukce zesprašovatění, intenzivní eolická činnost P3070822 Svrchní pleistocén – pleniglaciál (73 ka BP – 13 ka BP) •studené a suché úseky na začátku a na konci (převaha zimních srážek) •LGM – Last Glacial Maximum (cca 20 ka) – MAAT: -6 až –8 °C, v lednu –18 až –20 °C (Severoněmecká nížina) •Střední Evropa – MAAT: -3 až –5 °C, kontinentální charakter podnebí, dlouhé zimy (-20 °C), krátká léta •nedostatek lesa, ve výškách 400-500 m n.m. – kamenitá tundra, nad 1000 m n.m. – studená poušť • nejvíce mrazových klínů, pseudomorfózy po ledových klínech, kryogenní zvětrávání, geliflukce, kryoturbace Glacialy_I P P Česko QuatChronoChart_v2004b_big Last_gl_st_2_1 Průměrné srpnové teploty (minimální odchylky od dnešního stavu) během maxima posledního glaciálu (asi 20-18 ky BP). Last_gl_st_2_1a Interstadiály – MAAT: ani polovina současného průměru, tj. v nízkých teplých oblastech střední Evropy dosahuje okolo 2-3 °C, v klimatickém optimu až 4 °C. Výkyvy II. řádu •interstadiály - zřetelně teplejší než průměr chladného období, avšak chladnější než dnes. Odděleny jsou studenými nárazy - stadiály •lesy nejsou souvislé, mají ráz lesostepi nebo parkové tajgy. Výskyt větších porostů odolných dřevin - borovice (Pinus), modřín (Larix), smrk (Picea), v nejteplejších úsecích ochuzené doubravy •interstadiální výkyvy se kupí v počátečních fázích glaciálů, od předcházejícího integlaciálu jsou odděleny jen nevýraznými studenými výkyvy Interglaciály – existence slabších studených výkyvů, klima nikdy nedosahuje pleniglaciálního rázu Last_glac_9 oscilace Průměrné roční teploty (minimální odchylky od současných teplot) během interstadiálu (denekamp) posledního glaciálu (35-25 ky BP). Last_gl_intst_3_1 Last_gl_intst_3_1a Výkyvy III. řádu •drobnější výkyvy teploty a hlavně vlhkosti, případně změny podnebného režimu (např. vystřídání drsného pevninského klimatu oceánštější fází) Sprašové komplexy •ve sprašových sériích - přerušení tvorby spraše a vznik odvápněných, velmi slabě vyvinutých hnědých půd (nebo šedých - iniciální stadium černozemí) •fauna - vyšší zastoupení vlhkomilných forem, avšak podržující si studený ráz •výskyt šedých horizontů - nejslabší výkyvy se zvýšenou vlhkostí spraš_Brno Spraš_Věst_1 Výkyvy II. řádu Problém lesa a stepi •stepi - po stránce mikroklimatické jsou kontinentálnější - zahrnují otevřené formace od tundrovitých luk po xerotermní skály v chráněných polohách •lesy - po stránce mikroklimatické jsou oceánštější - zahrnují společenstva dřevin od severské tajgy po submediteránní sucholesy Lesy_stepi_schem Iversenův (1964) cyklus vegetačních fází a stanovištních podmínek ve vzájemných souvislostech. Teplé výkyvy Studené výkyvy zalesnění, zvyšuje se oceanita, zvláště v mikroklimatickém měřítku bezlesá období, vzestup kontinentality lesní prvky - obecně méně odolné vůči mrazu a rychlým změnám teploty stepní prvky - velmi odolné vůči mrazu, bez problému snáší glaciální klima Geografická pozice střední Evropa - nápadné rozdíly mezi lesní (interglaciální) a stepní (glaciální) faunou a flórou; jv. evrop. části Ruska - stepní ráz v chladném i teplém období, rozdíly mnohem menší Význam vegetace Vegetační pokryv v kvartéru Quercus macrocarpa. Picea rubens. •vegetační pokryv - ovlivňuje pochody sedimentační, erozní, půdotvorné, usměrňuje podnebí •rozšíření a stanovištní nároky vyšších rostlin jsou známy mnohem lépe než u živočichů (snadná dostupnost) •listnatý les - zjara holý, umožňuje rychlé prohřátí půdy - bohatá přízemní vegetace •jehličnatý les - dlouho studené Zachování rostlinných zbytků Obecný model odnosu semen do jezerních sedimentů. semena_distrib •organické sedimenty, hlavně rašeliny - dostatek pylových zrn, větší zbytky i plody. Rašeliny - zvláštní význam pro poznání holocénu •slatiny a jezerní uloženiny - převážně teplé výkyvy •travertiny a strukturní pěnovce - otisky různých rostlinných částí (listů plodů aj.). Pyly jen podružně. Výhoda - makrovzorky jsou autochtonní •tufity (Porýní), jíly •klastické sedimenty - obecně nepříznivé pro zachování (uhlíky, zuhelnatělá dřeva a kmeny v říčních nivách) Mnoho druhů je velmi obtížné doložit (např. stepní vegetace) - doplnění o paleontologická (např. paleomalakozoologická) studia. Biostratigrafické využití Domin. vegetační typy v záp. Evropě v době před 9 ky, 6 ky, 3 ky a dnes Pyly_2_7 •detailní stratigrafie - zachycení vegetačního vývoje jednotlivých interglaciálů •počátek pleistocénu - vymizení terciérních prvků, dočasně přežívají v teplejších obdobích (tegelen, waal) - Phellodendron, Magnolia, Pterocarya, Tsuga...) •cromer - relikty terciérní flóry jen nepartné (Celtis, Pterocarya), flóra dostává současný ráz •studená období - pylové rozbory spraší a jeskynních uloženin •mnohé druhy se dnes ve střední Evropě nevyskytují - glaciály - Dryas, Koenigia, Selaginella, Artemisia...; ingerglaciály - Brasenia, Dulichium, Celtis, Thuja, Pterocarya Bez větších vývojových změn, avšak podnebné výkyvy silně mění složení Paleoekologický význam Dnešní stav vegetačního pokryvu v Evropě: A - Arktická a alpinská vegetační zóna; B - boreální a hemiboreální; M - mediteránní; P - Panonsko-ponticko-anatolská; T - teplá veget. zóna se světlými listnatými lesy. •vzájemný poměr rozsahu lesa a stepi, vzácněji i vytyčení přesné hranice (les se prolíná s otevřenými plochami •vztah vegetace k půdě - studená období (především spraše) - chladnomilné druhy, silný podíl slanomilných (Plantago maritima, Chenopodiaceae) •studené období - není důležitá průměrná teplota, ale obsah minerálních látek v půdě •teplá období, postglaciál - s příchodem humidního klimatu - vyšší podíl dřevin, stoupá intenzita půdních pochodů Cyklus vzniku a ústupu lesní formace byliny - dřeviny - světlé porosty (borovice, líska) - uzavřené lesy - zabahňování lesů - rašelinění - ústup lesa Vývoj flóry - hranice pliocén / pleistocén, spodní pleistocén • •studená období - převaha porostů odolných jehličnanů - Pinus, Picea; nezakryté plochy pokryty nenáročnou bylinnou vegetací Plioc_pleistc konec neogénu - střední Evropa - smíšené lesy + vymizelé prky - Taxodium, Sciadopitys, Liquidambar, Liriodendron, Phellodendron, Nyssa, Magnolia, Tsuga... Přítomny i dnes běžné rody - Quercus, Fagus, Carpinus, Betula, Alnus, Ulmus, Fraxinus... počátek kvartéru - ochlazení - vystřídání náročných dřevin odolnějšími porosty s převahou jehličnanů - Pinus, Picea; přítomnost volných ploch (pyly nedřevin) 35% 5% Sequoia, Taxodium, Sciadopitys, Tsuga, Carya, Pterocarya, Eucommia, Nyssa, Liquidambar, Aesculus Quercus, Tilia, Fagus, Umlus, Fraxinus, Alnus Vývoj flóry - střední pleistocén • Pylový diagram zachycující část cromerského interglaciálního komplexu (cromer IV), sz. Německo. TX - Taxus, PI - Pinus Diploxylon, PC - Picea, AB - Abies, BE - Betula, CO - Corylus, QU - Quercus, UL - Ulmus, TI - Tilia, FA - Fagus, CA - Cerpinus, PT - Pterocarya, AL - Alnus, BX - Buxus, IL - Ilex, HE - Hedera, BP Doprovodná fauna (Anglie + kontinent) cromerské vrstvy v Anglii a výskyty na kontinentu - doprovodná fauna savců - Elephas antiquus, Ursus deningeri, Stephanorhinus etruscus, Alces latifrons, Cervus elaphus, Capreolus capreolus, Sus scrofa, Bison schoetensacki, Hippopotamus amphibius. Vývoj člověka Jedny z nejstarších nálezů člověka v Evropě - Mauer (Německo), Španělsko, Francie, Maďarsko, Řecko - Homo erectus heidelbergensis cromerský interglaciální komplex (4 teplé + 3 chladné výkyvy) - vegetační poměry připomínající současnost: Quercus, Carpinus, Tilia, Fraxinus, Ulmus, Acer. Řada dnes v Evropě vymřelých zástupců: Brasenia, Dulichium, Azolla filiculoides Vývoj flóry - střední pleistocén Pylový diagram holsteinského interglaciálního komplexu, sz. a z. alpská oblast. TX - Taxus, PI - Pinus Diploxylon, PC - Picea, AB - Abies, BE - Betula, CO - Corylus, QU - Quercus, UL - Ulmus, TI - Tilia, FA - Fagus, CA - Cerpinus, PT - Pterocarya, AL - Alnus, BX - Buxus, IL - Ilex, HE - Hedera. Fáze A - protokratická - zóna Betula-Pinus - boreální lesní fáze v dalším průběhu obahuje teplomilné zástupce - Quercus, Ulmus (trvání: 1000-2000 let). Fáze B - 1. část mesokratické fáze - zóna Quercus, příp. Quercus-Ulmus - smíšené doubravy + Corylus. Quercus > Corylus. Typické lesíky s Alnus + Taxus (trvání: 4000-5000 let). Fáze C - 2. část mesokratické fáze - zóna Abies-Carpinus - Abies >> Carpinus (trvání: 5000-6000 let). Fáze D - telokratická - zóna Pinus, příp. Pinus-Picea - ústup teplomilných, nástup boreálních lesů s Pinus, Picea a Betula (trvání: asi 2000 let). elsterské zalednění - ústup teplomilných prvků daleko k jihu, případně vymizení, v nezaledněných oblastech - otevřené formace (stepi, tundry). Na příznivých místech - Betula, Picea Vývoj flóry - svrchní pleistocén Fáze A - protokratická - zóna Betula-Pinus - rozšíření Betula, Pinus, dále Salix, Juniperus, Hippophaë; smíšené doubravy - Quercus, Ulmus (trvání: 1000 let). Fáze B - 1. část mesokratické fáze - zóna Quercus - Quercus, Ulmus, Corylus, dále Alnus, Taxus. (trvání: 2000-3000 let). Fáze C - 2. část mesokratické fáze - zóna Carpinus - úbytek doubrav, přibývá Picea (trvání: 4000 let). Fáze D - telokratická - zóna Pinus-Picea, příp. Pinus - ústup náročných listnáčů, nástup jehličnanů s Pinus, hojná Betula (trvání: asi 4000 let). Pylový diagram eemského interglaciálního komplexu, sz. střed. Evropa. TX - Taxus, PI - Pinus Diploxylon, PC - Picea, AB - Abies, BE - Betula, CO - Corylus, QU - Quercus, UL - Ulmus, TI - Tilia, FA - Fagus, CA - Cerpinus, PT - Pterocarya, AL - Alnus, BX - Buxus, IL - Ilex, HE - Hedera. sálské zalednění - podobný vývoj jako v elsteru Vývoj flóry - svrchní pleistocén Vegetační pokryv v Evropě asi 20 ky BP. A (bílá): arktická vegetace (tundra); A/P (řídké body): stepní tundra; P (husté body): stepi s roztroušenými, vzájemně oddělenými lesními stanovišti. •amersfoortský interstadiál rozvoj lesů, převaha Pinus-Betula, dále Picea, Quercus, Alnus, Fraxinus, Ulmus = podstatné oteplení •ústup lesa - studené parkové formace s Pinus-Betula, v bylinách výrazně chladnomilní zástupci, např. Saxifraga •brörupský interstadiál - zalesnění, převaha Pinus-Betula, dále Picea abies, Picea omoricoides •odderadský interstadiál - podobný brörupskému viselské zalednění - počátek glaciálu - neúplný vývoj studených společenstev - lesostep - Pinus, Betula pleniglaciál - převaha studených stepí, korelace interstadiálů je dosud nejistá Vývoj flóry - svrchní pleistocén •bylinná vegetace - vývoj studených travnatých stepí, výrazná sprašová sedimentace, rozvoj Chenopodiaceae, Plantago maritima Pylový diagram intergstadiálu brörup, sz. Německo, alpská oblast. TX - Taxus, PI - Pinus Diploxylon, PC - Picea, AB - Abies, BE - Betula, CO - Corylus, QU - Quercus, UL - Ulmus, TI - Tilia, FA - Fagus, CA - Carpinus, PT - Pterocarya, AL - Alnus, BX - Buxus, IL - Ilex, HE - Hedera. Pylový diagram intergstadiálu odderade, sz. Německo, alpská oblast. Použitá literatura Bradley, R. S., 1999: Paleoclimatology. Reconstructing Climates of the Quaternary, 2-nd Edition. - In: R. Dmowska, J. R. Holton (Eds.): International Geophysics Series, 1-613. Harcourt Academic Press, Burlington. Gibbard, P., 2003: History of the northwest Euro¨pean rivers during the past three million years. - http://www-qpg.geog.cam.ac.uk/research/nweurorivers. Lang, G., 1994: Quaträre Vegetationsgeschichte Europeas: Methoden und Ergebnisse. - 1-462. Gustav Fischer Verlag, Jena. Lowe, J. J., 1997: Reconstructing Quaternary Environment. - 1-446. Prentice Hall, Harlow, Essex. Ložek, V., 1973: Příroda ve čtvrtohorách. - 1-372. Academia, Praha. Musil, R., 2000: Natural Environment. - Anthropologie, 38, 3, 307-310. Wilson, R. C. L., Drury, S. A., Chapman, J. L., 2000: The Great Ice Age: Climate Change and Life. - 1-267. Routledge, The Open University, London.