Přijde potopa? Nebo už byla?...aneb Změny hladiny oceánu v historii Země, role klimatu a pohybů zemské kůry. David Uličný Geofyzikální ústav AVČR

Transkript

1 Přijde potopa? Nebo už byla?...aneb Změny hladiny oceánu v historii Země, role klimatu a pohybů zemské kůry David Uličný Geofyzikální ústav AVČR

2

3 Otázky Proč hladina moře stoupá či klesá? Děje se to všude stejně? Co bude zítra? A co za sto let? Analýza a modelování pohybů hladiny moře na kterémkoli pobřeží je mimořádně složitý geofyzikální problém...

4 Tato přednáška: Koncepty, mechanismy a příčiny změn hladiny oceánu, co a jak lze měřit Aktuální situace, za co může člověk Pohled geologa: k předpovědi budoucích změn musíme rozumět záznamu dějů v historii Země Krátkodobé i dlouhodob cykly a katastrofy Změny hladiny oceánu ve světě skleníkového efektu

5 1. Koncepty Absolutní a relativní změny hladiny Měřítka: rychlost a velikost změn hladiny Mechanismy a příčiny vazby na klima a pohyby povrchu Země

6 Změna mořské hladiny: Absolutní, relativní? hladina moře hloubka vody RELATIVNÍ změna hladiny: měřená lokálně vůči místní referenční úrovni Povrch pevné kontinentální či oceánské kůry: referenční úroveň pro RELATIVNí změnu hladiny eustáze: globální změna hladiny hloubka vody Povrch usazenin na dně

7 Příčiny a parametry změn hladiny oceánu Změny objemu ledu na kontinentech Termohalinní (sterické) změny objemu vody v oceánech Tektonické procesy Miller et al., 2005, Science Změny objemu kapalné vody na kontinentech

8 Co a jak lze měřit? Instrumentální měření - současnost Přímá geologická data: lokální záznam sedimentace a eroze v příbřežních oblastech Časové řady měření z přílivoměrů, satelitní měření výšky hladiny příbřežní sedimenty <20 Ka útesové terasy <130 Ka historie sedimentace v pánvích a na kontinentálních okrajích > 100 Ma přesnost klesá do minulosti Proxy data - nepřímý, ale globálně zaznamenaný projev klimatických změn zejména geochemická data, např. stabilní izotopy O, C...

9 Geologická data vždy relativní změny hladiny pro konkrétní místo hladina moře hloubka vody RELATIVNÍ změna hladiny: měřená lokálně vůči místní referenční úrovni Povrch pevné kontinentální či oceánské kůry: referenční úroveň pro RELATIVNí změnu hladiny eustáze: globální změna hladiny hloubka vody Povrch usazenin na dně

10 Složky relativních změn hladiny: Eustáze globální hladina Izostáze reakce povrchu Země na změny hustoty hmot Země nebo zatížení povrchu (lehčí litosféra plave na těžší astenosféře) GLACIOizostáze pokles nebo výzdvih pevniny v reakci na zatížení ledem či odlehčení

11 Složky relativních změn hladiny: Eustáze globální hladina Izostáze Elastickou deformaci povrchu litosféry vyrovnává tok hmoty v astenosféře: izostatické vyrovnání změn v zalednění se proto projevuje globálně, nejen v samotném místě zatížení Zdroj: Univ. Wisconsin, Green Bay

12 Složky relativních změn hladiny: Eustáze globální hladina Izostáze reakce povrchu Země na změny hustoty hmot Země nebo zatížení povrchu (lehčí litosféra plave na těžší astenosféře) Příklad: pokles okraje kontinentu chladnutím litosféry: cca. 1 mm/rok

13 Složky relativních změn hladiny: Eustáze Izostáze Tektonický pohyb kůry (dán pohybem desek a napětím v litosféře) 250 Ka Dlouhodobý proces... Poloostrov Huon, Papua Nová Guinea: Výzdvih průměrnou rychlostí cca 2m/1000 let Příčina: konvergentní (sbíhavý) pohyb litosférických desek (australská deska pod mikrodesky na okraji Pacifiku South Bismarck Plate)

14 earthobservatory.nasa.gov... i krátkodobé epizody Ostrov Nias, západně od Sumatry: zemětřesení M 8.7 Výzdvih pobřeží až o 2,5 m Ukazují korálové útesy Na suchu (snímek z ) Příčina: konvergentní (sbíhavý) pohyb dvou litosférických desek (australská deska pod desku Sunda)

15 Složky relativních změn hladiny: Eustáze Izostáze Tektonický pohyb kůry (dán pohybem desek a napětím v litosféře) Sedimentace... a kompakce stlačování sedimentu -může hrát zásadní roli

16 Rychlost sedimentace>>rychlost relativního vzestupu hladiny: regrese, postup břežní linie do moře Delta (Lena) earthobservatory.nasa.gov

17 Rychlost sedimentace << rychlost relativního vzestupu hladiny: transgrese, ústup břežní linie Estuarie (Chesapeake Bay) říční údolí zaplavená po vzestupu mořské hladiny earthobservatory.nasa.gov

18 Přímý záznam pohybů hladiny na pobřeží a ve fosilních vrstvách je zatížen lokálními faktory, nepřesnostmi a mezerami, které narůstají s geologickým stářím Jak tedy získat globální signál změn hladiny? Nepřímý záznam proxy data údaje získané z kompletnějších přírodních archivů, zejména poměry izotopů O v oceánských sedimentech (ve vápnitých schránkách mikrofosilií)

19 Izotopy kyslíku: při vypařování je mořská voda ochuzována o lehčí izotop 16 O... kondenzace: vypařování: K pólu K rovníku δ 18 O = 0...ale pokud je recyklován zpět, poměr 18 O/ 16 O (vyjadřován jako δ 18 O) v oceánské vodě se nemění

20 Při zalednění zůstává více 16 O na pevnině, v ledu... K pólu K rovníku... a v oceánech je více těžšího izotopu 18 O než před zaledněním; zároveň klesá hladina δ 18 O roste známka zalednění

21 Nosič dat... Kyslík z mořské vody je do CaCO 3 ve schránkách dírkovců (foraminifer) i jiných živočichů zabudován v izotopické rovnováze s mořskou vodou Výběr druhů může eliminovat vliv teploty vody na δ18o

22 Záznam: cyklické změny izotopových poměrů v oceánských sedimentech Ruddiman, Earth s Climate.

23 MIN Hladina MAX holocén pleistocén Poslední glaciální cyklus cca. 100 tis. let výkyv hladiny až 130 m Ruddiman, Earth s Climate.

24 Rytmus dob ledových a meziledových: Milankovičovy orbitální cykly Precese zemské osy (c. 20 tis. let) Náklon zemské osy (c. 40 tis. let) Excentricita oběžné dráhy (c. 2160, 400 a 100 tis. let) Zdroj: Wikimedia Commons

25 Jak se orbitální cykly promítají do změn klimatu, zalednění a změn hladiny oceánu? Velmi zjednodušeně: cyklické změny v úhrnném množství sluneční energie dopadající na různé části Země za jednotku času; tzv. insolace [W/m2] Náklon zemské osy (c. 40 tis. let): mění se úhel dopadu slunečních paprsků na dané místo Precese a excentricita: společně mění délku ročních období a intenzitu slunečního záření

26 Souhrnné působení orbitálních cyklů na klima ČAS LET

27 2. Současnost a blízká budoucnost Měření globálních změn hladiny v průmyslové éře Předpověď pro další dekády Následky pro dnešní pobřeží

28 Globální změna hladiny, IPCC 2007 přílivoměrná data (tide gauges) sat. Bindoff et al., 2007 IPCC 4 th Assessment Report

29 Podíl dílčích faktorů... Současný globální vzestup 3.3 mm/rok... Z toho teplota vody 1.6 mm/rok, zbytek tání ledu Člověk versus příroda: pre-industriální růst < 0.8 mm (15-25% souč. hodnot) Zbytek, tj. 2.5 mm-rok je antropogenní Miller et al. 2009, Global and Planetary Change

30 ...to je stále ještě pomalejší než přirozené tání ledu na počátku holocénu Máme z toho být nervózní? Jak se globální změna hladiny oceánu projevuje ve srovnání s dalšími procesy na obydlených pobřežích?

31 Mnoho delt velkých řek je významně ochuzeno o sediment v důsledku stavby přehrad tím vzrůstá zranitelost deltových pobřeží: již nyní v důsledku lidské činnosti dochází ke zrychlení subsidence o řád rychleji, než stoupá hladina oceánu

32 K poklesu povrchu delty kromě přirozené kompakce sedimentů přispívá také čerpání ropy, plynu a podzemní vody Delta Mississippi, Louisiana jpl.nasa.gov

33 Delta Pádu: intenzivní těžba metanu v 60. letech, pokles povrchu deltové plošiny až 6cm/rok, po ukončení těžby návrat k rychlostem subsidence odpovídajícím hl. kompakci Bangkok: intenzivní čerpání podzemní vody Syvitski 2008 (Sustain Sci)

34 Předpověď: Statický model GIS: plocha deltové plošiny Mississippi ponořené po 1m relativního vzestupu hladiny, při nulovém přínosu sedimentu (a absenci katastrofických záplav) Blum & Roberts, 2009 (Nature Geoscience)

35 3. Z perspektivy geologického času... Jak se chovala hladina oceánu v geologické minulosti? Známe pravidelné (tj. předpovídatelné) změny hladiny či katastrofické události? Do jaké míry jim rozumíme a jak se to promítá do krátkodobých či dlouhodobých předpovědí?

36 Dnešek a čtvrtohory: Hladina (m) IPCC 2007 Globální hladina za poslední 2000 let téměř stabilizována... Čas (tis. let)... Po vzestupu o ~120 m na konci posledního zalednění Church et al., 2008 (Sustainability Science)

37 vzestup hladiny během holocénu zatím poslední tání na konci glaciálního období neodehrával se hladce, předpověditelně a bez katastrof či paradoxů výkyvy v oteplování, náhlé zaplavování izolovaných sníženin Černé moře: izolované jezero před cca. 10 tis. let

38 Hypotéza Noemovy potopy náhlé zaplavení oblasti Černého moře v raném holocénu (Ryan & Pitman, 1989; Ryan et al., 2003) hladina jezera 80 m pod dnešní úrovní moře Černé moře: izolované jezero před cca. 10 tis. let

39 Hypotéza Noemovy potopy náhlé zaplavení oblasti Černého moře v raném holocénu (Ryan & Pitman, 1989; Ryan et al., 2003) hladina jezera 80 m pod dnešní úrovní moře katastrofické zaplavení přes Bosporskou úžinu před cca lety Nová data z vrtů v deltě Dunaje: podstatně menší rozdíl hladin (30m), ale katastrofické zaplavení není vyloučeno (Giosan et al. 2009; Quaternary Science Reviews)

40 Čtvrtohory, časové měřítko Ka: globální cykly glaciálů a interglaciálů orbitálně řízená glacieustáze robustní signál cykly zalednění z posledních cca 0,9 milionu let: pozvolné ochlazování a rychlé oteplení MIN Teplota, hladina MAX MIN Teplota, hladina MAX

41 Čtvrtohory, časové měřítko Ka: globální cykly glaciálů a interglaciálů dosud ne zcela jasné vazby dílčích cyklů insolace a koncentrace skleníkových plynů, ALE extrapolace orbitálních cyklů umožňuje pokus o předpověď přírodních trendů změn teploty a hladiny do budoucnosti, v měřítku Ka (další ochlazení už mělo začít W. Ruddiman, hypotéza overdue glaciation, 2003)

42 Dále do minulosti, před čtvrtohorní glaciální cykly: vyschlé Středozemní moře Přítok vody z Atlantiku negativní srážková bilance Středozemí konec miocénu (~6 Ma): tektonický výzdvih v oblasti Gibraltaru, zároveň nižší hladina oceánu oddělení Středozemního moře od přítoku z Atlantiku... opakované vysychání, sedimentace solí, pouště

43 a gibraltarský vodopád Vrstvy solí uložené v pouštních slaných jezerech Eroze gibraltarské úžiny při opakovaném naplňování Středozemního moře z Atlantiku Loget & Van den Driessche, 2006

44 Hladina (m vůči dnešní úrovni) A ještě dále do minulosti: dlouhodobý záznam od prvohor dodnes Terciér, kvartér (třetihory, čtvrtohory) greenhouse Dlouhodobý odhad, podle Millera et al Mesozoikum (druhohory) icehouse Hallam 1992 Geologický čas (miliony let) Haq et al (Exxon) Paleozoikum (prvohory) Zdroj: Wikimedia Commons, image Global Warming Art

45 Dlouhodobé cykly s periodou stovek Ma: skleníkové a ledárenské klima Icehouse, ledárna : velké teplotní rozdíly mezi póly a rovníkem střídání ledových a meziledových dob Velké amplitudy a rychlosti změn hladiny oceánu Greenhouse, skleník : Malé teplotní rozdíly mezi póly a rovníkem Žádné zalednění Nízké amplitudy a rychlosti změn hladiny oceánu nejsou řízeny střídáním ledeových dob

46 Hladina (m vůči dnešní úrovni) Terciér, kvartér (třetihory, čtvrtohory) Kolize desek Eurasie,Afrika, Indie rozpad Pangey greenhouse Mesozoikum (druhohory) Kolize desek, superkontinent Pangea Geologický čas (miliony let) Haq et al (Exxon) Paleozoikum (prvohory) Rozpad superkontinentu Pannotia Zdroj: Wikimedia Commons, image Global Warming Art

47 Kontinentální desky tvoří superkontinent: icehouse superkontinent zabraňuje uvolňování části tepla z pláště kumulace tepla, výzdvih kontinentu kolize desek: výzdvih a zmenšení plochy kontinentální kůry, tedy více prostoru v oceánech nízká rychlost tvorby nové oceánské kůry, málo CO2 uvolňováno do atmosféry Oceány: velké plochy starší, chladné oceánské kůry Veevers, To vše vede ke zvětšení prostoru v oceánech a k ústupu moří z kontinentálních šelfů

48 Kontinentální desky jsou rozptýlené: greenhouse rozpad superkontinentu, nové středooceánské hřbety mezi malými kontinenty rychlá tvorba nové oceánské kůry teplo a CO 2 uvolňovány z pláště do atmosféry: skleníkový efekt oceány: velké plochy mladé, horké oceánské kůry... to vše vede ke zmenšení objemu oceánských prostor a k výstupu moří na kontinentální šelfy Veevers, 1990 Blakey?

49 Křída: období extrémního skleníkového Koncentrace CO 2 v atmosféře podstatně vyšší než současná Termální maximum střední teplota oceánu o 15 C vyšší než dnes Malý rozdíl teplot rovníkpóly Mírné klima v polárních oblastech Žádné permanentní kontinentální zalednění klimatu

50 Zaplavení kontinentů: kulminace dlouhodobého vzestupu hladiny před cca miliony let (hranice cenoman-turon) maximální hladina oceánu cca. 90 m nad dnešní úrovní (+- 50m) Národní třída Globální paleogeografie, turon (90 Ma); Zdroj: Ron Blakey,

51 Změny hladiny oceánu v křídě tradiční pohled: Dlouhodobě vysoká hladina oceánu Změny hladiny jen pomalé a nevýrazné, není led Sedimentologický výzkum v 90. letech: první indicie změny tohoto pohledu na skleníkový svět křídy; doklady ze Severní Ameriky a střední Evropy

52 Česká křídová pánev: průliv mezi ostrovy Střední Evropy

53 DMR Česká křídová pánev dnes... Křídové sedimenty až 800 m nad mořem... díky pozdějšímu tektonickému výzdvihu Praha

54 ...a před 93 miliony let Zdroj: Čech in Voigt et al., 2008.

55 Paleogeografie střední cenoman, ~ 96 Ma: říční údolí odvodňující Český masív rozvodí Ploché vyvýšeniny rozvodí Uličný, Špičáková et al., 2009

56 TURONIAN Sled mladšího cenomanu až turonu, lom Pecínov u Rynholce: záznam fází zaplavování: od výplně říčního údolí po otevřené moře opuky, otevřené moře??~95 Ma prachovce, mělký průliv 35m ~94 Ma CENOMANIAN ~93.5 Ma ústí estuarie příbřežní močál říční prostředí Podloží: zvětralé horniny karbonu (ml. paleozoikum) Carbonif.

57 Paleogeografie mladší cenoman, ~ 94 Ma: mělký mořský průliv SZ-JV Vynořené oblasti Hloubka cca m Uličný, Špičáková et al., 2009

58 Později byl český křídový průliv zaplňován sedimenty z přilehlých ostrovů... Písčité delty dnes pískovce skalních měst Uličný, Laurin & Čech 2009 (Sedimentology)

59 ...které zaznamenaly množství změn hladiny křídového moře

60 postupné zatopení české křídové pánve známo již asi 150 let...ale naše data ukazují i při korekci vlivu tektonických pohybů a sedimentace na oscilace hladiny o frekvencích 400 až << 100kyr a amplitudě ~5-10m, místy i >20m. Stáří Ma K pevnině Pohyby pobřeží Do moře Uličný, Laurin & Čech 2009 (Sedimentology)

61 to není v souladu s dosavadní představou o skleníkovém klimatu; rychlosti změn hladiny >10m/Myr podle současných znalostí musí být řízeny táním ledu Podpora z výzkumu v Severní Americe (Plint 1991, 1996; Uličný 1999; Miller et al., 2003, 2005; Laurin & Sageman 2007; Varban & Plint 2008) Možnost orbitálně řízených klimatických změn s krátkodobým zaledněním v Antarktidě i při skleníkovém režimu?? Přímé důkazy zatím skryty pod ledem vnitrozemí Antarktidy

62 Periody pohybů hladiny v křídě se blíží hodnotám orbitálních cyklů (problémy s datováním zatím neumožňují zcela přesné určení) a rychlosti svědčí pro existenci ledu... Numerický model (i když pro mladší období než křída) ukazuje na možnost vzniku a zániku malých, dynamických kontinentálních ledovců v Antarktidě v časovém měřítku Milankovičkových cyklů i ve skleníkovém globálním klimatu; DeConto a Pollard, skleníkový svět období křídy má možná více společného s naším, než jsme dosud předpokládali

63 Tak jak je to s tou potopou? V geologické minulosti bylo potop mnoho a další nastanou v budoucnu, řízené klimatickými cykly i dalšími přírodními faktory Pro nejbližší budoucnost v řádu desetiletí nás čeká globální vzestup hladiny v decimetrech Na pobřežích silně zasažených lidskou činností - težbou uhlovodíků, vody a ochuzením řek o sediment je pokles povrchu pod úroveň moře již nyní řádově rychlejší než celkový globální vzestup hladiny

64 Současná civilizace je adaptována na poměrně mimořádnou situaci téměř stabilizované globální hladiny oceánu v posledních ~2000 let, zároveň přispívá k její rychlé destabilizaci Pro předpověď dalšího vývoje, modelování chování klimatického systému s rostoucí koncentrací CO 2 a pro adekvátní reakci v dalších desetiletích potřebujeme podstatně lépe porozumět vazbám mezi orbitálními cykly, skleníkovými plyny a zaledněním Zásadní je nyní výzkum hraničních situací mezi skleníkovým a icehouse klimatickým modem v geologické minulosti Děkuji Vám za pozornost. Poděkování kolegům: Jiří Laurin, Lenka Špičáková (GFÚ), Stanislav Čech (ČGS)