STRUČNÁ HISTORIE VÝZKUMU OCEÁNŮ ÚVOD DO OCEÁNOGRAFIE

STRUČNÁ HISTORIE VÝZKUMU OCEÁNŮ ÚVOD DO OCEÁNOGRAFIE NÁPLŇ PŘEDNÁŠKY Historie expedic a průzkumu mořského prostředí Vznik a vývoj světového oceánu a moří Základní abiotické podmínky Úvod do oceánografie a mořské biologie Globální cykly (voda, energie,..) Charakteristika Středozemního moře Miloslav Petrtýl http://home.czu.cz/petrtyl/ TÉMATICKÉ ZAMĚŘENÍ Jedná se o MULTIDISCIPLINÁRNÍ VĚDNÍ OBOR, který se snaží pochopit, popsat a využít principy a jevy biotických i abiotických složek světových oceánů. OCEÁNOGRAFIE MOŘSKÁ BIOLOGIE (mikro, fyto, zoo) FYZIKA, CHEMIE, GEOLOGIE, PRVNÍ EXPEDICE Dlouhé zámořské plavby byly umožněny rozvojem plavidel, mapových podkladů, navigačních přístrojů, etc. James Cook 18. století objevné výpravy vznik map Charles Darwin 19. století výpravy na lodích Begle a následně Challenger. Základní výbava pro biologický průzkum. Výsledkem plavby mimo jiné bylo: Přes 4700 nově popsaných druhů organismů První systematická mapa proudů a teplot v oceánech Na základě dat z těchto plaveb formuloval Darwin svou evoluční teorii PLAVBA BEAGLE 300 let př. n. l. v dobách Alexandra velikého potápěčské zvony přes exoskelety PRŮZKUM HLUBIN k ponorkám a batyskafům 1

PRŮZKUM HLUBIN NOVODOBÉ PRŮZKUMY William Beebe a Otis Barton přelom 19 20 století Ideální tvar odolný vysokému tlaku = KOULE (sphere) BATISFÉRA závislá díky lanu na mateřské lodi, Hloubky kolem 1000 m, rekordní ponory do 60. let 20. stol Bathysphere and Beyond WCS William Beebe (vlevo) a Frederick Otis Barton (vpravo) s batysférou (1930 1932) August a Jacques Piccard podmořské údolí tektonického původu, nejhlubší místo na Zemi, hloubka 10 994 m Průzkum Mariánského příkopu: 23. ledna 1960 švýcarský vědec August Piccard vynálezce BATYSKAFU (bathos hloubka, skafos loď) oceánolog Jacques Piccard (syn) + americký poručík Don Walsh dosáhli dna Mariánského příkopu K velkému překvapení byl na dně objeven život (ryby, bezobratlí) Batiskaf TRIESTE Deepest Dive: The Story Of The Trieste Jacques Yves Cousteau (1910 1997) Par 18 m de fond (1942) Francouzský námořník a popularizátor oceánů a moří Významným způsobem posunul lidské možnosti ve studiu a záznamu života pod hladinou moří a oceánů. Vývoj nezávislých dýchacích přístrojů Aqua lung společně s Francouzem Émilem Gagnanem Vývoj dokumentární techniky Známý dokumentární cyklus o plavbách lodi Calypso film The Life Aquatic with Steve Zissou (2004) film The Odyssey (2016) 2

Hans Hass (1919 2013) Diving in the Red Sea (1951) Rakouský biolog, průkopník přístrojového potápění a popularizátor života v mořích. Technická vylepšení dýchacích přístrojů Technická vylepšení UW foto video Ochrana životního prostředí Dokumentární filmy Popularizující knihy James Cameron březen 2012 Long Way Down: Mariana Trench Deepsea Challanger Mariánský příkop s moderní záznamovou technikou Co bude dál?? Možná dýchání kapalin (okysličené perfluorokarbony) VZNIK OCEÁNŮ A MOŘÍ PANGEA &TÉTHYS Před 250 200 mil. lety oddělení desek LAURASIA &GONDWANA Superkontinent PANGEA (všechny země) Paleozoik mezozoik 300 200 mil. let př. n. l. Obklopující oceán Panthalassa Panthalassa Panthalassa Rozpad na Gondwanu a Laurasii Vznikl mělký teplý praoceán TETHYS Panthalassa Dnes se na místě Tethys nachází Středozemní moře 3

KONTINENTÁLNÍ DRIFT Pohyb světadílů teorie deskové tektoniky Teorie navržená roku 1912 němcem Alfredem Wegenerem Zoogeografie distribuce taxonů organizmů na Zemi SVĚTOVÝ OCEÁN Největší kontinuální biotop světa = HLUBOKÝ OCEÁN PACIFIK TICHÝ OCEÁN Mariánský příkop Největší Nejhlubší Nejvíce ostrovů Vulkanická aktivita Příkop vzniká na rozhraní Pacifické desky, která se podsouvá pod desku Filipínskou. Maximální změřená hloubka příkopu: 10 911 metrů Velký přítok sladké vody Středoatlantský hřbet Atlantik INDICKÝ OCEÁN 4

JIŽNÍ OCEÁN SEVERNÍ LEDOVÝ OCEÁN Obklopuje Antarktidu 60. Rovnoběžka Průměrná hloubka 4500m Antarktický cirkumpolární proud Absence pevniny na pólu Větší část roku pod ledem Omezená lodní doprava 1958 USS Nautilus antarktida ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA Děje v a nad oceány ovlivňují i klimatické podmínky nad pevninou SVĚTOVÝ OCEÁN 71% povrchu Země 90% ze všech biotopů (3D struktura) objem 1 305 000 000 km3 obsahuje téměř 99 % vody, která není vázána v horninách 9/10 celkového odparu moří a oceánů se vrací zpět ve srážkách padajících na jejich hladinu. VODA OBECNĚ Nezvykle vysoká teplota varu a mrznutí Paradox vody lehčí je pevná fáze (led) Hustotní anomálie: 4 C Vysoká měrná tepelná kapacita (4180 J) a vodivost (to způsobuje velký klimatický vliv) Výborné rozpouštědlo polárních a iontových látek, amfoterní charakter Povrchové napětí (smáčivost/nesmáčivost) Animace struktury a chování molekul(y) vody ANIMACE VODA V molekule vody jádro atomu kyslíku s6 protony přitahuje 2 elektrony atomů vodíku silněji než jejich vlastní jádra díky tomu sdílené elektrony stráví při oběhu více času na straně kyslíku a ten pak získává slabý záporný náboj vodíky vykazují slabý náboj kladný tento typ vazby se nazývá polární kovalentní vazba určité oblasti (póly) molekuly mají slabý pozitivní či negativní náboj. 5

MOŘSKÁ VODA POVRCHOVÁ HUSTOTA Hustota závisí na teplotě, salinitě a tlaku (nejvyšší při 3,98 ) kromě vrstev u hladiny a dna je moře výrazně vertikálně stratifikováno a vodní masy se nemísí => většina živočichů se orientuje na horizontální podněty V místech s velkým výparem a mrznutím klesá těžší povrchová voda dolů Atlantická pumpa Miloslav Petrtýl 2015, ČZU, Teplota v oceánu Povrchová teplota vody velká vodní masa stabilní teplota, denní kolísání 0,2 0,3 C podle zeměpisné šířky: tropické pásmo hladina 26 až 29 C, teplotní stratifikace, u dna 2,5 C mírné pásmo sezónní změna u hladiny o 6 C, mělká moře až o 15 C polární moře hladina i dno 1,8 C Zamrzá až při teplotě 1.9 C Teplota v oceánu a vzestupné proudy : teplotní stratifikace v teplých mořích znemožňuje přísun (návrat) živin z hypolimnia a ze dna proto jsou v tropickém pásmu hluboká moře (dál od pobřeží) málo produktivní živiny mohou dodat pouze vzestupné proudy z hlubin nebo studené proudy zasahující do tropického pásma Teplota v oceánu a vzestupné proudy : v mořích arktických a antarktických je teplotní rozdíl mezi hladinou a dnem nepatrný není stratifikace, živiny se mohou dostávat vzestupnými proudy do eufotické zony : dostatek živin, světla proto je v polárních mořích vysoká primární produkce, mnoho zooplanktonu a bohatství ryb i mořských ptáků a savců UPWELLING 6

Hydrostatický tlak Hydrostatický tlak na hladině tlak přibližně 101,3 kpa (1,013 bar) s hloubkou roste tlak vody na každých 10 m o 100 kpa (1 atm) v 10 m je tedy dvojnásobný, ve 20 m trojnásobný... úměrně tlaku se zmenšuje objem plynu (v 10 m poloviční) Boyle Mariottůvzákon voda však objem nezmenšuje při tlaku 40 MPa (hloubka vody 4000 m) zmenší voda svůj objem pouze o 2 % (nestlačitelnost kapalin) v hloubkách žijící organismy nemají v těle prostory vyplněné vzduchem ovlivňuje rozpouštění dusíku v krvi (tzv. kesonová nemoc) U organismů splynovými vakuolami, ryb splynovým měchýřem stejně jako u potápějících se ptáků a savců dochází při zvyšování tlaku kvelkým změnám objemu vzduchu vsouladu sjeho stlačitelností (podle Boyle Mariottova zákona). Se zvyšujícím se tlakem se zvyšuje rozpustnost CO 2, a ten zvyšuje rozpustnost vápníku ve vodě a tím se zvyšuje i stabilita systému uhličitan : hydrogenuhličitan. Hlubinní živočichové proto obtížně kryjí fyziologickou potřebu vápníku, což se projevuje redukcí jejich koster. Světelné podmínky Voda funguje jako výrazný filtr pro světlo Organismy se adaptují zbarvením na hloubkové podmínky Kontrastní zbarvení hladinových druhů 250 700m tmavá záda, stříbrné boky a fotofory na břišní straně, rudo průhlední korýši 700m a více uniformní tmavá nebo červená Stálost prostředí přeje specialistům Světelné podmínky proti vnitrozemským vodám proniká do podstatně větších hloubek (více modrá část spektra) voda je čistší kompensační bod fotosynthesy leží na širém moři kolem hloubky 200 m maximální fotosynthesa asi v ½ až 1/3 intensity hladinového světla MOŘSKÁ VODA Zřejmě kolébka života na Zemi Je v ní rozpuštěna většina přirozených látek, ale Cl, Na a Mg tvoří naprostou většinu Průměrná salinita 3.5% (35g soli v 1kg mořské vody) Obsah rozpuštěných látek : průměrně 3,5 % (35 promile) hmotnosti mořské vody tvoří rozpuštěné látky z toho 2,7 % NaCl pořadí aniontů: chloridy, sírany, nepatrně uhličitanů pořadí kationtů: Na, Mg, podstatně méně Ca, K živiny jen v miliontinách promile Autor: Hannes Grobe, Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research, Bremerhaven, Germany 7

Obsah rozpuštěných látek : Velká pufrační kapacita slané vody ph 8,2 lokální rozdíly salinity: příbřežní a kontinentální saliny kolem 25 % vnitrozemská moře vyslazovaná řekami jen 0,2 0,8 % (Balt), 1,8 % Černé m., tam často mrtvé hlubiny hypolimnia bez kyslíku rozklad organické hmoty Obsah rozpuštěných látek : hustota mořské vody: 1 litr váží 1,025 kg umožňuje existenci živočichů o hmotnosti 100 t osmotické poměry: pro mnoho organismů je to isotonické prostředí (pití vody) ne pro ryby: ze sladkých vod ŽIVINY OTEVŘENÝ OCEÁN Živiny na širém moři jen ve stopách, zejména limitující je N (na rozdíl od vod vnitrozemských, kde je málo P) do moře jsou přinášeny z pevnin řekami v moři vstupují do velmi rychlého koloběhu látek z něj odcházejí v mrtvých organismech do sedimentů zpět jen vzestupné proudy (upwelling). ŽIVINY POBŘEŽÍ jiná situace je při pobřeží, nebo v mělkých vodách kontinentálních šelfů při pobřeží se proto vyskytuje řada specifických biotopů, vesměs vysoce produktivních: pobřežní útesy mořské louky (cévnaté rostliny trávy) kelpové lesy (chaluhy) mangrovové porosty korálové útesy Mrtvé moře - 330 g/l Rudé moře - 42 g/l Středozemní moře - 38 g/l Černé moře - 19 g/l Baltické moře - 4 g/l Obsah rozpuštěných látek : Mořský biocyklus: Světový oceán je spojitý: 3 až 7 oceánů navzájem propojených Členění : 1) oceanické pásmo 2) kontinentální šelf (k. práh, k. lavice): pevninské desky vyčnívají pod hladinu oceánu různě daleko (několik až stovky km) vysoce produktivní mělčiny Autor: Plumbago from en.wikipedia.org 8

Eufotická vrstva Afotická vrstva Pelagiál Litorál Profil dna Batymetrický profil Epipelagic ( 250m) Mesopelagic ( 1000m) Bathypelagic ( 2700m) Abyssopelagic ( cca 100m nad dnem) Benthopelagic (Benthic boundary zone) >6000 m 2 Mořské dno Gradienty v oceánech Vertikální souvisí s teplotou hlavně v mírných zem. šířkách (termoklina) a se salinitou v chladných oblastech (haloklina) Většina primární produkce je soustředěna do eufotické zóny Produktivita závisí na relativní pozici eufotické zóny a hranice vlivu větru Většina nutrientů sedimentuje a musí se dostat zpět do eufotické zóny, buď vetrikální migraci, difuzí (velmi pomalé), nebo pomocí upwelling. V zimě v šířkách nad 40 teplotní gradienty mizí 9

Batymetrický profil Batymetrický profil Biomasa rovnoměrně ubývá s hloubkou (v 1000m je asi 10% oproti eufotické zóně, v 4000m jen 1%), ale někdy má maximum v 500 700m. Neplatí to ale pro bentopelagické mrchožrouty Naopak biodiverzita přibývá až do 1 2 Km, kde má maximum Většina produkce je v eufotické zóně, hlubší vrstvy jsou tedy z ní zásobovány: Sedimentací Aktivní migrací (většinou jen do 1000m, někdy ale až do 1700m u Myctphophidae Spadem mrtvol ( benzínové pumpy ) Na světle nezávislé ekosystémy Mořský biocyklus: kontinentální šelf : obvyklý pokles asi 2m na 1km od pobřeží končí pevninským svahem = zlom do hlubin průměrná hloubka oceánu 3 800 m maximální hloubka cca 11 000 m příkopy (pevnina: průměrná výška 700 m) Kontinentální šelf: Vlastní pobřeží pevniny: zkrápěná příbojová zona = supralitorál eulitorál = zóna mezi hranicí přílivu a odlivu sublitorál = trvale zatopený šelf Dmutí oceánu (tide) skládáním přitažlivých sil Slunce a Měsíce se zvedá a klesá hladina oceánů = příliv a odliv rozdíl 0,3 (na moři) až 16 m periodicita dmutí je asi 12 ½ hodiny, denní zpoždění cca 50 minut skočné dmutí (příliv) jednou za dva týdny se sčítá vliv Slunce a Měsíce hluché dmutí naopak Pohyb vody v moři: vzniká působením větru na hladinu, rozdíly teplot v různých zeměpisných šířkách a oblastech, nerovnoměrným ohříváním vody, zemskou rotací, přítokem vody z pevniny, místní sopečnou činností a zemětřesením projevuje se jako: 1) mořské proudy 2) vlnění hladiny 10

Vlnění hladiny: tlakem větru na hladinu se částice vody zvedají a klesají nahoru a dolů téměř nepostupují vpřed jednotlivé částice opisují kruhové dráhy =Langmuirovy spirály s osou kolmou na směr vln (vyznačena řádkami pěny) každé dvě sousední spirály rotují opačně v místě kde je hloubka menší než polovina vlnové délky vodní vlny začne pohyb vody interagovat se dnem (wave base) typicky má mořská vlna délku 10 30m, tj. hloubka interakce se pohybuje mezi 5 15m Miloslav Petrtýl 2015, ČZU, Vlnění hladiny: výška vln do 12 m (max. až 28 m) délka (rozestup) vln 300 m, max. 1100 m vlny může vytvářet i vítr působící velmi daleko divoké moře za bezvětří vlnění se šíří rychlostí 60 km/hod. u pobřeží se vlny řadí podél břehu interakce Langmuirových spirál se dnem litorálu Vlny vyvolané tektonickými jevy: podmořské zemětřesení nebo sopečný výbuch vyvolá pokles nebo vzestup dna následkem je vytvoření vysoké vlny (až 38m) tsunami, která se šíří oceánem (cca 800 až 1500 km/hod) a u pobřeží se silně zvyšuje a zalije pevninu až 3 km daleko při této vlně voda postupuje vpřed na počátku je nápadný odliv!!! 11

Tsunami Směrem ke břehu zkracování šířky Směrem ke břehu nárůst výšky Směrem ke břehu snížení rychlosti Mořské proudy Souhrou všech sil působících na vodu oceánu vzniká pohyb vodních mas v oceánu = mořské proudy. Na severní polokouli ve směru hodin. ručiček, na jižní p. proti směru, dále jsou formovány rozložením pevninských ker, polohou atmosférických cyklon a anticyklon a pravidelných větrů (pasáty). Horizontální (mělká) cirkulace v Atlantiku Mořské proudy Bariéry v podobě kontinentů spolu s Coriolisovými silami (efekt vlivem rotace Země) tvarují mořské proudy do podoby velkých vírů (ocean gyres). podle teploty vodních mas se tvoří vrstvy odělené slabšími skočnými vrstvami (termoklina) vrstvy o různé teplotě, mají různou hustotu a pohybují se v různých hloubkách, různým směrem a různou rychlostí. svým pohybem přenášejí teplo po celé planetě a zásadně ovlivňují klima Země (nad pevninami i vodami). podle svého původu ne/obsahují a ne/přemísťují živiny. Mořské proudy MOŘSKÉ PROUDY ANIMACE INTERNÍ Coriolisův efekt působí pohyb vodních mas ~45 od působení větru (doprava na severu, doleva na jihu). Každa další vrstva (do hloubky) je ovlivněna méně a méně Součin těchto sil tvoří ve vertikálním profilu napříč vrstvami Ekmanovu spirálu Tyto spirály působí Ekmanůvpohyb transport. 12

MOŘSKÉ PROUDY ANIMACE EXTERNÍ Klimatické oscilace dva velké systémy atmosférické cirkulace: ENSO a NAO ENSO = El Niño Southern Oscillation: v důsledku rozdílu atmos. tlaku nad Jižní Amerikou a Austrálií vane vítr Pacifikem od Ameriky k JV Asii, Indii, Africe a nese vláhu a srážky také zvedá hladinu moře o 20 až 40 cm ENSO Tento stav trvá po většinu roku, u záp. pobřeží Jižní Ameriky umožňuje stálý přísun studených vod bohatých živinami z Antarktidy = Humboldtův proud normálně se přerušuje na několik týdnů kolem Vánoc teplá voda Pacifiku se zhoupne zpět živiny nejsou, potrava není, ryby zmizí ENSO (Jižní oscilace El Niño) jednou za 4 až 6 let se tento přechodný stav prodlouží na několik měsíců: = El Niño peruánský rybolov zkolabuje v JV Asii sucho a požáry v Indii hladomor, revolty, atd. v záp. části USA kalamitní počasí NAO (North Atlantic Oscillation) pro Evropu je významnější NAO = Severoatlantická oscilace obě oscilace spolu souvisejí přes systém atmosférické cirkulace NAO je dána rozdílem atmosférického tlaku azorské tlakové výše a islandské tlakové níže konvenčně Lisabon Reykjavík 13

NAO (North Atlantic Oscillation) podle rozdílu tlaků v období prosinec březen zasahuje vliv teplého Golfského proudu dále nebo méně daleko do evropské pevniny tím se posouvá rozhraní mezi vlhčím a teplotně méně kontrastním atlantským a sušším a teplotně kontrastním klimatem kontinentálním západovýchodně zejména výrazný efekt ve střední Evropě STŘEDOZEMNÍ MOŘE Mare Internum Mare Mediterraneum STŘEDOZEMNÍ MOŘE CHARAKTERISTIKA STŘEDOZEMNÍ MOŘE CHARAKTERISTIKA 2.600.000 km 2 necelé 1% světového oceánu Celková délka pobřeží 22 500 km Max. hloubka 5120 m Teplota v zimě 11 C až 16 C, v létě 20 28 C salinita 36 39 (slanější, než světový oceán, větší odpar) Příliv většinou do 0,5 m. Středozemní moře je spojeno s Atlantským oceánem Gibraltarským průlivem, s Černým mořem průlivy Dardanely a Bospor a Marmarským mořem, s Rudým mořem umělým Suezským průplavem (migrace nepůvodních druhů!). Četné ostrovy a souostroví: Baleárské, Sicílie, Sardinie, Korsika, Malta, Kréta, Kypr, Kyklady, Sporady aj. Největší přítoky: Ebro (Španělsko) Rhôna (Francie) Pád (Itálie) Nil (Egypt) Pobřežní oblasti Středozemního moře byly kolébkou řady vyspělých starověkých kultur (Egypt, Řecko, Řím). Evropská část Středozemí patří mezi ekonomicky nejvýznamnější oblasti světa Hlavní oblast cestovního ruchu v Evropě. Hustá námořní doprava. 200.000.000 turistů ročně VELKÝ TLAK ZE STRANY ČLOVĚKA NA PŘÍRODNÍ ZDROJE HLOUBKOVÝ PROFIL Krétské moře Levantské moře Coll, Marta, et al. "The biodiversity of the Mediterranean Sea: estimates, patterns, and threats." PloS one (2010) 14

Helénský příkop 5200m Africká deska najíždí pod Evropskou Oblast příkopu je vhodným ekosystémem pro celoroční populaci vorvaňů. Frantzis A. et al. 2003. Current knowledge of the cetacean fauna of the Greek Seas. The Journal of Cetacean Research Management Teplota vody v létě Teplota vody v zimě Odhaduje se, že cesta průměrné kapky středozmním mořem trvá průměrně 150 let. Levantský proud Povrchové proudy 15

Hlubinné proudění SOLNÁ MESSINSKÁ KRIZE (6 mil. let př.n.l.) Hlubokomořské výzkumné vrty prokázaly r. 1970 přítomnost silné vrstvy evaporitů pode dnem Středozemního moře kamenná sůl + sírany Její stáří je datované na 5 6 mil. let př.n.l Dočasné přerušení spojení s Atlantikem, vysychání a tvorba rozsáhlých solných plání Pozůstatkem jsou: Kaspické moře, balaton a Aralské jezero Hlubokomořská fauna je tak výrazně chudší než v Atlantiku K tomuto vyschnutí zřejmě došlo opakovaně Výrazný vliv na současnou biotu SOLNÁ MESSINSKÁ KRIZE (6 mil. let př.n.l.) BIODIVERZITA Zhruba 17.000 druhů mořských organizmů 20 30% druhů ve Středozemním moři je endemických. Biodiverzita klesá ze severo západu k jihovýchodu, což je provázáno s gradientem úživnosti a produkce prostředí. Větší biodiverzita je v pobřežních částech (platné obecně) Narůstá množství nově popisovaných druhů Narůstá množství nepůvodních invazivních druhů Coll, Marta, et al. "The biodiversity of the Mediterranean Sea: estimates, patterns, and threats." PloS one 5.8 (2010) GRADIENT PRIMÁRNÍ PRODUKCE Coll, Marta, et al. "The biodiversity of the Mediterranean Sea: estimates, patterns, and threats." PloS one (2010) 16

BIODIVERZITA V OHROŽENÍ Oproti tomu degradace prostředí, znečištění, eutrofizace a přelovení populací mořských organizmů (tuňáci, ) Rybolov než 65% všech rybích populací ve Středozemním moři mimo bezpečné biologické limity Téměř vyhuben tuleň středomořský Monachus monachus, který je dnes považovaný za světově nejohroženějšího savce. Změny druhové diverzity v severním Jadranu Větší druhy spíše mizí (lov), menší přibývají (invaze) depleted (>50% decline), rare (>90% decline), extirpated (100% decline) Římská říše roku 117 o.l. TURISMUS ANTROPOGENNÍ TLAK 200 milionů turistů ročně Jaderské moře je vedlejší část Středozemního moře, ležící mezi Apeninským a Balkánským poloostrovem mezi Apeninami a Dinárským pohořím plocha přibližně 132 000 km² dlouhé je 800 km a široké mezi 150 až 200 km Na jihu je Otrantský průliv, široký 71 km, spojuje s Jónským mořem Průměrná slanost vody činí 38,3, v severní části moře je o něco nižší vlivem přítoku říční vody 17

DĚKUJI ZA POZORNOST http://home.czu.cz/petrtyl/morska biologie/ 18