Příroda ve čtvrtohorách
Michal Horsák & Jan Roleček
UBZ PřF MU, Brno
II. přednáška – obsah, literatura
Změny klimatu v historii Země: podrobné změny od mladších třetihor a jejich
příčiny, členění kvartéru, geologické procesy
viz text na Wikipedii:
detailní datace geologických období:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Geologick%C3%BD_%C4%8Das
a také poutavý dokument Davida Attenborougha – The first life
rozpad superkontinentu
Pangea před 200 mil. lety
http://cs.wikipedia.org/wiki/Sou
bor:Pangea_animation_03.gif
Klimatické výkyvy v geologické minulosti
 cyklické změny klimatu nejsou pouze záležitostí čvrtohor
 změny klimatu ovlivňují sedimentaci – v sedimentech můžeme rozlišit
cykly 6 řádů: cyklus 1. a 2. řádu
(Vaila 1977)
- 1. řádu: trvání 250–400(500) mil. let,
sledovatelné za poslední 2 miliardy,
výrazně se mění hladiny oceánu (až
stovky metrů)
- 2. řádu: trvání 10–100 mil. let
 oba tyto cykly souvisí s deskovou
tektonikou (tepelným tokem v kůře a plášti):
pohybem litosférických desek, formováním
a rozpadem kontinentů, rozpínáním
mořského dna (vysoká hladina oceánu)
- křivka ukazuje dvě maxima mořské
transgrese (svrchní kambrium a křída)
a jedno maximum regrese (jura)
výška hladiny světového oceánu
Klimatické dopady cyklů 1. a 2. řádu
 desková tektonika ovlivňuje výšku hladiny světového oceánu a také globální
klima
(Nichols 1999)
- dlouhodobě vysoká hladina oceánu
způsobuje klima „skleníkového typu“ –
klima je teplé a stabilní
- dlouhodobě nízká hladina způsobuje
klima „ledárenského typu“ – klima je
chladné a proměnlivé
Pozn.: na konci permu došlo k největšímu
vymírání (vymřelo 95 % známých rodů) většinou
se nevysvětluje změnou klimatu
Klimatické výkyvy v geologické minulosti
 změny klimatu ovlivňují sedimentaci – v sedimentech
můžeme rozlišit cykly 6 řádů:
- 3. řádu: trvání 1–10 mil. let, rovněž podmíněny
rozpínáním mořského dna a lokálním
vulkanismem, také jsou glacieustatického původu
(pohyb kontinentů vlivem váhy ledovců)
- 4.–6. řádu: podmíněny astronomickými silami, tzv.
Milankovičovy cykly
- 4. řádu: trvání 106–410 tis. let, cyklické kolísání
excentricity oběžné dráhy Země
- 5. řádu: trvání cca 41 tis. let, cyklické kolísání
sklonu zemské osy (o 3°) k rovině oběžné dráhy
(větší tepelné rozdíly na severní než na jižní polokouli)
- 6. řádu: trvání cca 25 tis. let, tzv. sumární
lunisolární precesní perioda, zemská osa opisuje
za tuto dobu dvojitou kuželovou křivku, vyvolanou
přitažlivostí Slunce a eliptického tvaru Země, vliv
má i Měsíc
(Vaila 1977)
vzestup mořské hladiny
cyklus 3. řádu, mil. let
Milankovičovy parametry
(Michalík et al. 1999)
cykly 4. řádu,
106–410 tis.
let, odpovídá
glaciálům,
(supercykly
excentricity)
cykly 5. řádu,
41 tis. let,
odpovídá
glaciálům
cykly 6. řádu, 26
tis. let, odpovídá
glaciálům,
(precesní cykly)
(http://en.wikipedia.org/wiki/File:Precessing_
Kepler_orbit_280frames_e0.6_smaller.gif)
Vliv precese orbity v návaznosti na roční období
 všimněte si měnící se vzdálenosti od Slunce v určitém ročním období,
severní pól přivrácen ke slunci (červená šipka) – jaro a léto na severní polokouli
(Wikipedia)
Základní cykly v sedimentačním záznamu
(Michalík et al. 1999)
Klimatické výkyvy v geologické minulosti
 „The Snowball Earth“ – nejrozsáhlejší
zalednění v historii Země (pravděpodobně
celé planeta pokryta ledem) v cryogenu, před
cca 630 mil. let, přežití života v okolí
hlubokomořských riftů (u tzv. hlubok. kuřáků)
 běžné situace v prekambriu, asi z důvodu
o 15 % nižší koncentrace CO2 (tepelné
ztráty bez „skleníkových“ plynů v atmosféře)
 několik ledových dob i během fanerozoika
(Veizer et al. 1999)
Klimatické výkyvy od třetihor
 vývoj teploty během posledních 65 miliónů let, hodnota 0 (vpravo dole, viz
šipka) odpovídá dnešní průměrné teplotě na Zemi
 první třetina třetihor výrazně teplá, poté trvalé ochlazování, ale s výkyvy
 před 34 mil. let tvorba antarktického ledovce, před 25 mil. taje a 13 mil. let
expanduje zpět na dnešní stav
 grónský a severoamerický ledovec se začínají tvořit až před 3 mil., lety
milióny let (Wikipedia)
Klimatické výkyvy od třetihor
 koncem třetihor o něco tepleji než dnes, jen malé výkyvy
 pleistocén, zejména jeho druhá polovina, typický velkými a cyklickými
výkyvy (glaciály a interglaciály)
 důvody nástupu ledové doby nejsou zcela jasné, souhra více faktorů:
- pokles koncentrace skleníkových plynů (CO2 a metan) v atmosféře
(hlavně vlivem nižší vulkanické aktivity)
- pohyb kontinentů – ovlivňuje hromadění sněhu a tím zvyšuje albedo,
mořských proudů i proudění větru
- změny planetárních parametrů (Milankovičovy parametry)
- změny intenzity slunečního záření, dopady meteoritů
(Wikipedia)
Teorie litosférické tektoniky
 Alfred Wegener (1880–1930): německý klimatolog
- 1915: formuloval teorii kontinentálního driftu – shoda
pobřeží Jižní Ameriky a Afriky, a nově i analýza fosilií
- kontinenty plují na tekutém plášti Země (nepřesné)
 dnes teorie deskové tektoniky: litosféra tvořená z desek,
které se proti sobě posouvají jako skládačka po tekuté
astenosféře (vlivem konvenčních proudů)
dobová karikatura inspirovaná
Wegenerovou teorií (Dawkins 2009)
hluboké a pomalé
konvenční proudy,
které pohybují deskami
proces rozšiřování mořské
dna mezi vzdalujícími se
deskami
Rozložení a pohyb litosférických desek
 současná rychlost pohybu litosférických desek (cm/rok), (přirovnává se k
rychlosti růstu nehtů)
Rozložení kontinentů – změny mořských proudů
 změny polohy kontinentů a jejich vliv na mořské proudy během posledních
175 mil. let
 Jura – počátek rozpadu superkontinetu Pangea; až o něco později se
začíná rozpadat jižní Gondwana
(podle van Andel 1985 a Strahler & Strahler 1987 )
Pozice kontinentů a glaciální periody
 tři možné pozice kontinentů, které blokují či redukují proudění teplé vody
od rovníku k pólům
- kontinent sedí přesně na pólu (jako Antarktida dnes)
- polární moře má povahu pevniny (jako Arktický oceán dnes)
- superkontinent pokrývá většinu rovníku (jako Rhodinia v cryogenu,
před 700 mil. lety – první superkontinent)
Rekonstrukce superkontinentu
Rhodinia
Pozitivní zpětná vazba a termohalinní oceánský výměník
 pro příchod glaciálu na konci třetihor pravděpodobně zásadní pozice
kontinentů – dostatek pevniny v blízkosti pólu, kde se v zimě hromadí sníh
 Milankovičovy oscilace na konci třetihor – podoba glaciálů a interglaciálů
 pozitivní zpětnou vazbou se:
- zvyšuje albedo – více záření se odrazí a méně absorbuje – pevnina se
ochlazuje – tím se hromadí více sněhu – dále se zvyšuje albedo – atd.
- následná redukce plochy lesa také zvyšuje albedo
- oceánický termohalinní výměník – přenos tepla z tropů k pólům (Golfský
proud), snížení salinity vlivem tání
v teplých obdobích
– porušení cirkulace
– ochlazení
(Wikipedia)
 naopak suché glaciální
klima snižuje srážky
potřebné k zalednění
Golfský proud a jeho vliv
 Golfský proud rozvádí teplo z rovníkových oblastí na pobřeží Evropy –
porušením jeho cirkulace by došlo k výraznému ochlazení evropského
klimatu (tak jako během glaciálů)
(Pokorný 2011)
Současné povrchové teploty severního Atlantiku,
do 0 °C (tmavě fialová) až po 35 °C (červená)
Kolísání arktického a antarktického zalednění
 rozsah minimálního (černě) a maximálního (šedě) zalednění severní a jižní
polokoule
 rozdíly na severní polokouli jsou vyšší v řádech – význam zhuštění
kontinentů u severního pólu
(Wikipedia)
Vrty ledovcem – klíč k poznání klimatických změn
 s myšlenkou přišel už A. Wegener – 25 m hluboký vrt Grónským ledovcem
 technicky náročné, zvládnuto až na konci 80. let, vrty až do 3 km
 v Antarktidě několik vrtů (Vostok, EPICA, Dome C – stáří až 1 milion let)
 grónské vrty (GRIP, GISP2) mladší (100 tis. let), ale velmi podrobné – roční
vrstvičky (díky vydatnějším srážkám – kvalitní chronologie)
(Wikipedia)
Vrty ledovcem – měřitelné veličiny
 pH ledu odráží sopečnou činnost
 obsah a charakter prachových částic ukazuje na zdroj a celkové množství
prachu v atmosféře (viz obr.)
 obsah těžkého izotopu kyslíku (δ18O) – dlouhodobé teplotní křivky
 obsah izotopu 10Be je měřítkem intenzity kosmického záření (suma energie,
kalibrace radiokarbonových datací)
 hlavně analýza paleoatmosféry ze vzduchových bublinek (korelace
skleníkových plynů s globálními teplotami)
(Wikipedia)
Teplota
CO2
Množství prachu
Stratigrafie kvartéru: MIS a OIS fáze
 MIS = marine isotope stages, marine oxygen-isotope stages; OIS = oxygenisotope
stages
– jedná se o milníky střídání teplých a chladných fází v paleoklimatu Země
– odhadují se na základě obsahu a poměru izotopů kyslíku (18O a 16O) z
vrtů mořskými sedimenty, nověji i antarktickým či grónským ledovcem
– základní myšlenka a klasifikace od C. Emilianiho: množství těchto
izotopů se v kalcitu schránek organizmů mění v závislosti na teplotě
okolní vody, nyní se přikládá větší vliv změnám objemu kontinentálních
ledovců
– více než 100 fází bylo nalezeno do současnosti (za posledních 6 milionů
let), v budoucnu se předpokládá klasifikace za
posledních 15 mil. let
– fáze přesně odpovídají Milankovičovým cyklům,
terestrickým sedimentům, dendrochronologickým
i dalším údajům
– MIS jsou však detailnější a úplnější než
všechny terestrické ekvivalenty
sledy mořských sedimentů u
pobřeží Grónska (Wikipedia)
Základní MIS fáze kvartéru
• MIS 1 – 11 kya (= tisíců let), konec
mladšího dryasu, označuje začátek
holocénu
• MIS 2 – 24 blízko LGM
• MIS 3 – 60
• MIS 4 – 71 (74)
• MIS 5 – 130, včetně eemu, dále členěn
na a-e subfáze:
• MIS 5a – 84,74
• MIS 5b – 92,84
• MIS 5c – 105,92
• MIS 5d – 115,105
• MIS 5e – 130,115
• MIS 6 – 190
• MIS 7 – 244
• MIS 8 – 301
• MIS 9 – 334
• MIS 10 – 364
• MIS 11 – 427
• MIS 12 – 474
• MIS 13 – 528
• MIS 14 – 568
• MIS 15 – 621
• MIS 16 – 659
• MIS 17 – 712 (689)
• MIS 18 – 760 (726)
• MIS 19 – 787 (736)
• MIS 20 – 810 (763)
• MIS 21 – 865 (790)
některé starší fáze, v mya (miliony let)
• MIS 22 – 1.03 mya, označuje konec
periody „Bavelian" v Evropě
• MIS 62 – 1.75, konec periody „Tiglian"
• MIS 103 – 2.588, konec pliocénu a
začátek pleistocénu
Místní chronologie kvartéru
 celkem přes 50 cyklů, ale významných je 5-7 koncových cyklů (intenzivní)
 terminologie se geograficky různí (např. pevninské vs. horské zalednění, Evropa vs.
Amerika)
(Wikipedia)
Alpy S America S Evropa J AmerikaUK tis. let
11 550 let
Členění kvartéru dle evropského dělení
11 550 let
2,588 mil. let
(Chlupáč et al. 2002)
 pro nás nejpoužívanější terminologie, alpská (vlevo) a severoevropská
starší
mladší
glaciál x interglaciál
holocén
viselský (Würm)
eemský
(Riss/Würm)
vartský (mladší Riss)
Treene
sálský (starší Riss)
holštýnský
(Mindel/Riss)
elsterský (Mindel)
cromerský
(Günz/Mindel)
weybourneský (Günz)
tegelénský
(Donau/Günz)
butleyský (Donau)
11,6
100
135
225
240
350
370
470
485
590
610
počátek
tis. let
ca 1000
Členění kvartéru u nás (Ložek 2007)
Archeologické členění kvartéru
 paleolit (starší doba kamenná)
- starší: 2,6–0,3 mil. let – Homo habilis, H. ergaster, H. erectus
- střední: 0,3–0,04 mil. let – Homo sapiens neandertalensis
- mladý: 40–13 tis. let – Homo sapiens sapiens
- pozdní: 13–10 tis. let BP (cal.)
 mezolit (střední doba kamenná): 10–8 tis. let BP (cal.)
 neolit: 5200–4300 let BC
 eneolit: 4300–2100 let BC
 doba bronzová: 2100–800 let BC
 doba železná: 800–0 let BC
(Wikipedia)
Srovnání stratigrafického členění na základě různých metod
 viz: http://www.quaternary.stratigraphy.org.uk/charts/
Možná členění holocénu
(Pokorný 2011, sestavila D. Dreslerová)
 chronologické a
biostratigrafické členění
pozdního glaciálu a holocénu
 „Dansgaard–Oeschger events“: během posledního glaciálu došlo k velmi
rychlým a krátkodobým oteplením (asi 25 krát, viz červené šipky)
- doloženo z vrtů Grónským ledovcem (doba od konce eemského intergalciálu)
- vrty antarktickým ledovcem ukazují, že se totéž dělo i v předešlých glaciálech
 „Heinrich events“: uvolnění ledových mas do sev. Atlantiku při zemětřesení,
tání ledu porušilo termohalinní cirkulaci – ochlazení klimatu, H1-6 (viz obr.)
- odhaleny v oceánských sedimentech – 6 vrstev s vysokým podílem písku
kontinentálního původu (až 3 mm – nemohly přinést proudy), dnes potvrzeno vrty
ledovcem)
Dansgaard–Oeschgerovy a Heinrichovy události
(Wikipedia)
vrcholný glaciál
Bondův cyklus a Bondovy události
 Bondův cyklus popisuje cyklickou změnu sluneční aktivity (ca 1500 let)
 „Bond events“: klimatické fluktuace ca 1470 ± 500 let během holocénu
- primárně doloženy střídáním sedimentů unášených ledovcem
- změny sluneční aktivity – sesuvy ledovce do severního Atlantiku
- interglaciální obdoba glaciálních Dansgaard–Oeschgerových událostí
- většina nemá jasný klimatický signál: některé korelují s výrazným ochlazením
(např. "slavný" event 8200), jiné z aridizací některých oblastí
Číslo Datace (BP) Možné důsledky
0 ≈0.5 ka Malá doba ledová
1 ≈1.4 ka Velké stěhováni národů
2 ≈2.8 ka
Sucho ve východním Mediteránu počátkem
1. st. BC, možný důvod kolapsu pozdně
bronzové kultury
3 ≈4.2 ka
aridizace Mezopotámie – kolaps
Akadského impéria, konec starého Egypta
4 ≈5.9 ka
extrémní aridizace, počátek vysychání
Sahary, změna koryta Nilu
5 ≈8.2 ka
"event 8,200" – výrazné a rychlé ochlazení
(3,3 °C za 20 let!) na 2-4 století (ovál)
6 ≈9.4 ka
"Erdalen event" glaciální aktivity v Norsku,
chladný výkyv v Číně
7 ≈10.3 ka
8 ≈11.1 ka Přechod z mladšího dryasu do boreálu (Pokorný 2014)
Příčiny příchodu glaciálu – shrnutí
 kontinenty (teplotně nestabilní) v severských výškách (hromadění sněhu)
 pokles koncentrace skleníkových plynů v atmosféře
 porušení oceánické cirkulace – snížení rozvodu tepla od rovníku k pólům
(změna salinity vlivem nárůstu ledovců)
 vyzdvižení Tibetského plato – porušení atmosférické cirkulace – vysušení
atmosféry – snížení rozvodu tepla od oceánu ke kontinentu
 snížení plochy vegetace (hlavně tropických lesů) suchem a chladem – teplo
ze slunečního záření se odráží
 všechny tyto faktory jsou v pozitivní zpětné vazbě (př. hromadění sněhu –
roste albedo planety, růst ledovců, vysušení atmosféry, další ochlazování
planety…)
 tyto jevy zesilují účinek stále probíhajících Milankovičových cyklů
 pozn.: klimatolog William Ruddiman se pomocí modelování snaží dokázat, že lidstvo
(zejména šířením zemědělství) ovlivňuje klima planety již ca 5000 let – "bez tohoto
působení by údajně již přišel další glaciál"
Literatura
Dawkins R. (2011): Největší show pod Sluncem. Argo/Dokořán, Praha, pp. 246–256.
Chlupáč I., Brzobohatý R., Kovanda J., Stráník Z. (2002): Geologická minulost České republiky.
Academia, Praha.
Ložek V. (2007): Zrcadlo minulosti. Česká a slovenská krajina v kvartéru. Dokořán, Praha.
Pokorný P. (2011): Neklidné časy. Kapitoly ze společných dějin přírody a lidí. Dokořán, Praha.
Pokorný P. (2014): Čert vždy na velkou hromadu nosí. Ledovcové hodiny, tsunami a proměna světa
před 8200 lety. Vesmír, 93: 556-558.