6. Paleoklimatologie změna klimatu – klimatické výkyvy se zřetelně vyjádřeným dlouhodobým trendem (ochlazování, oteplování) v časovém intervalu 103 roků a více, podmíněným změnou základních klimatotvorných faktorů • paleoklimatické údaje nepřímé (proxy) údaje o klimatu z období přesahujícího 102 let – informace o klimatu je „zakódována“ v podobě nějaké měřené charakteristiky (letokruhy, jezerní sedimenty, ledovcová jádra aj.) a musí být získána na základě nalezení vztahu mezi takovou charakteristikou a parametrem klimatu – časově homogenní záznam – problém možné změny předpokládané vazby v minulosti • princip aktuálnosti • problém datace 6.1 Přírodní proxy data Charakteristiky paleoklimatických zdrojů dat 6.1.1 Ledovcová jádra Schematický řez ledovcovou čapkou 1 – zóna akumulace, 2 – zóna ablace, 3 – tečení ledu K analýze ledovcových jader se vybírají ledovce s permanentní převahou akumulace nad ablací (Antarktida, Grónsko, ledovcové čapky ve velehorách). Vrty do ledovců – získání, uchování a analýza ledovcového jádra. Koncentrace prachových částic • vyjadřuje počet nerozpustných částic určité velikosti v 1 ml vzorku • ovlivněna místními podmínkami (zdroj, vítr, srážky) • nárůst prachových částic – snížení propustnosti atmosféry – pokles teploty - organické zbytky (pyl aj.) Izotopy jsou dány kolísáním hmoty v atomech každého prvku. Každé jádro atomu je tvořeno protony (počet v jádře vždy stejný) a neutrony (počet může kolísat). Atomy kyslíku mají vždy 8 protonů, ale buď 8 (16O – 99,76 %), 9 (170 – 0,04 %) a 10 neutronů (18O – 0,20 %). Analýza poměru izotopů kyslíku δ18O = (R – R0) / R0, kde R je poměr naměřených koncentrací v ledovcovém jádru a R0 je srovnávací poměr izotopů v oceánu, přičemž R, resp. R0 = c(18O) / c(16O) Poměr δ18O je nepřímo úměrný teplotě a vyjadřuje: • teplotu vzduchu při kondenzaci • atmosférické procesy mezi zdrojem vodní páry a místem depozice • místní podmínky během změny firnu v led • nadmořskou výšku a zeměpisnou šířku lokality Koncentrace síranových iontů SO42- je odrazem biogenní produkce a vulkanické činnosti. Velmi dobře korelují především s vulkanickou činností – výrazné stopy velkých vulkanických erupcí. Proxy indikátorem je také elektrická vodivost ledu. - vzduchové bubliny uzavřené v ledu umožňují analyzovat koncentraci skleníkových plynů (CO2, NH4) Koncentrace izotopu berylia 10Be jako proxy indikátoru sluneční činnosti • výsledek interakce kosmického záření a slunečního větru (parametr sluneční aktivity) 6.1.2 Letokruhy Dendrochronologie je nauka používající letokruhových analýz k datování událostí. Dendroklimatologie – využívá existující chronologie letokruhových charakteristik (šířka, hustota, izotopy) pro rekonstrukci klimatu. • základní princip dendroklimatologické rekonstrukce vychází z tzv. faktoru v minimu znamenajícího, že okolní podmínky se blíží limitní hranici přežití organismu • horní hranice lesa – teplota vzduchu • dolní hranice lesa – srážky Měřené charakteristiky letokruhů Datování letokruhových řad • stromy jednoho druhu v daném regionu vykazují určitou podobnost letokruhových řad • standardní chronologie pro druh a oblast Standardizace • odstranění růstového trendu • vytvoření bezrozměrné indexové chronologie pro stanoviště (oblast) Brázdil, R., Dobrý, J., Kyncl, J., Štěpánková, P. (1997): Rekonstrukce teploty vzduchu teplého půlroku v oblasti Krkonoš na základě letokruhů smrku v období 1804–1989. Geografie – Sborník České geografické společnosti, 102, č. 1, s. 3–16. Brázdil, R., Štěpánková, P., Kyncl, T., Kyncl, J. (2002): Fir tree-ring reconstruction of MarchJuly precipitation in southern Moravia (Czech Republic), 1376-1996. Climate Research, 20, č. 3, s. 223-239. 6.1.3 Pylová analýza • palynologie – vědní disciplína studující pylová zrna a spory • pylová zrna jsou uchovávána v jezerech, rašeliništích, sedimentech • vlastnosti pylových zrn: − morfologické charakteristiky jsou specifické pro rody a druhy rostlin − jsou produkovány ve velkém množství a široce rozšiřovány − jsou extrémně odolné v sedimentárním prostředí − vyjadřují původní vegetaci v době, kdy došlo k jejich ukládání, tedy vypovídají i o klimatických podmínkách té doby - percentuální zastoupení jednotlivých druhů pylových zrn se vyjadřuje pylovým diagramem Změny vegetace probíhají v různých měřítcích, přičemž v menším prostorovém a časovém měřítku se jedná o neklimatologické faktory (požáry, škůdci, sukcese, vliv člověka aj.). 6.1.4 Varvy - vrstevnaté (páskované) sedimenty formující se ročně ve vodním prostředí vlivem sezónní změny počasí (jezera, též sedimenty v mořích a oceánech) Chronologie varv může být na základě znalosti vazby regionálních klimatologických charakteristik a procesu sedimentace využita k paleoklimatologické rekonstrukci (např. množství srážek, odtok, teplota vzduchu). 6.1.5 Koráli Koráli – oceány nízkých šířek, produkují většinou jednoleté růstové pásky – možnost sestavení dlouhých chronologií. Měřené chemické ukazatele obrážejí parametry prostředí v době růstu: povrchové teploty oceánů (SST), salinita, srážky, vertikální promíchávání, říční přítok, výživnost vody, původ vodních mas, antropogenní vlivy aj. 6.1.6 Geotermické vrty Vliv dlouhodobého oteplení o hodnotu D (t0 → ti) a následného ochlazení o hodnotu d (ti → tk) na změnu profilu teploty podloží s rostoucí hloubkou. Měření teplotních profilů - nepórovité horniny nebo permafrost (teplo se šíří vedením, neovlivněné podzemní vodou). Výhody: • nízkofrekvenční signál (velké klimatické události) • měřené anomálie jsou přímým termofyzikálním důsledkem minulých změn • informace bez monitoringu v reálném čase Nevýhody: • nákladné vrty (využitelnost existujících) • rekonstrukce nejasná v detailech • vztah teplota půdy – teplota vzduchu 6.2 Časová periodizace geologické minulosti Země 6.3 Principiální paleoklimatické poznatky • 4,6 až ~2,5 Ga (a – rok) – Země bez zalednění při nižší solární konstantě (Faint Sun Paradox) – snížené záření kompenzováno zesíleným skleníkovým efektem • ~2,5 Ga – doklady pro první zalednění (dosažena mezní teplota pro vznik zalednění) • ~2,5 až 0,9 Ga – Země bez ledovců přes nízkou svítivost Slunce a slabší skleníkový efekt • 0,9 až 0,6 Ga – tři hlavní fáze zalednění (včetně ledu v nízkých šířkách) • 600 až 100 Ma – převážně mírné klima s dvěma fázemi růstu ledu – velká sezónní kolísání na superkontinentech (Gondwana, Pangea) • 100 až 50 Ma – mírné klima bez zalednění (změny v rozdělení pevnin-oceánů nemohou adekvátně vysvětlit vysoké polární teploty) – snad vysoké koncentrace CO2 • 50 až ~3 Ma – postupné ochlazování a vysušování Země – faktory: tektonika litosférických desek, CO2 (snad dvojnásobek koncentrace mezi 50–3 Ma), oceánský transport tepla – menší vliv zdvihu Tibetu a Kordiller v Severní Americe; významná role náhlých přechodů (abrupt transitions), kdy systém rychle přešel do nového rovnovážného stavu (zpětná vazba led-albedo, termohalinní instabilita); zalednění: Antarktida asi 40 Ma, Grónsko 3–4 Ma, střední šířky 2,4–3,2 Ma • 3,0 až 0,0 Ma – četné oscilace ledovcových štítů s teplými intervaly jako dnes – významné změny v termohalinnní cirkulaci a složení atmosféry (CO2, CH4); poslední glaciální maximum 18 000 a BP; sucho od kontinentálního zalednění směrem k rovníku; časná stadia interglaciálů - velmi vlhké tropy (pluviály) 6.4 Změny klimatu v kvartéru • posledních 2,48 miliónů let se dělí na holocén (cca 12 tisíc let před současností - BP) a pleistocén • 15-20 kvartérních klimatických cyklů – střídání glaciálů a interglaciálů • holocén – současný interglaciál, jsme na rozhraní jeho druhé a třetí třetiny, silně ovlivněn činností člověka • periodizace holocénu – postglaciální klimatické optimum (6000–8000 let BP) 6.5 Časová měřítka pravděpodobně působících klimatotvorných faktorů • 109 a – dlouhodobé kolísání svítivosti Slunce (kompenzace nižší svítivosti skleníkovým efektem) • 107–108 a – paleogeografické faktory (např. kontinentální drift, změny oceánské cirkulace) • 106 a – tektonické fluktuace a snad dlouhodobé změny orbitální insolace? • 103–105 a – externí vlivy (orbitální působení), interní vlivy zpětných vazeb v systému pevnina – moře – vzduch – led (včetně CO2) • 100–102 a – sluneční proměnlivost, vulkanická činnost, vnitřní zpětné vazby a interakce v systému oceán - atmosféra Význam paleoklimatického modelování pro poznání minulých kllimat a jejich příčinné podmíněnosti. 6.6 Hypotézy klimatických změn za nejvěrohodnější hypotézu objasňující kvartérní klimatické cykly je považována Milankovičova astronomická hypotéza • graf ekvivalentních šířek pro 65º s.š. (šířky, které dostávají v současnosti v tzv. letním kalorickém půlroce stejné množství slunečního tepla jako v minulosti 65º) • růst ekvivalentní šířky – ochlazení a naopak Insolace na 65o s. š. v posledních 400 000 letech podle parametrů zemské dráhy (a) v porovnání s objemem kontinentálního ledu odvozeného podle δ18O v mořských sedimentech (b) s hlavními komponentami téže frekvence. (c) dokumentuje koherenci mezi radiačním působením a kontinentálním zaledněním. Nevýznamné jsou změny v insolaci způsobené změnami excentricity zemské dráhy 6.7 Globální oteplování a paleoklimatologie • paleoklimatologie ukazuje na reálnost možných teplotních změn při růstu koncentrací skleníkových plynů • v porovnání se současností jiné geografické podmínky a působící faktory Literatura: Bradley, R. S. (1999): Paleoclimatology. Reconstructing Climates of the Quaternary. Academic Press, San Diego, London, Boston, New York, Sydney, Tokyo, Toronto, 610 s. Crowley, T. J., North, G. R. (1991): Paleoclimatology. Oxford University Press, Clarendon Press, New York, Oxford, 349 s. Schweingruber, F. H. (1996): Tree Rings and Environment. Dendroecology. Paul Haupt, Bern, Stuttgart, Vienna, 609 s.