Klimatický vývoj ve viselském glaciálu a v holocénu Stabilní izotopy kyslíku a vodíku Izotop: V přírodě: - 1H218O 16O (8 p + 8 n) 99.76 % 17O (8 p + 9 n) 0.04 % 18O (8 p + 10 n) 0.20 % 1H (1 p) 99.984% 2H (1 p + 1 n; deuterium, D) 0.016% (3H = tritium, is radioactive) Existuje 9 možných kombinací H2O, pouze 2 kombinace jsou důležité z paleoklimatického hlediska: - 1H2H16O (HDO) http://www.suntrek.org/blog/wp-content/uploads/2012/04/ice-core.jpg Paleoklimatické studie na základě izotopů O2 z ledovcových vrtů Páry uvolněné z vodní masy se vyznačují tím, že jsou ochuzené o těžší izotopy deuteria a 18O, zatímco neodpařená voda se obohacuje o D a 18O Tlak vodních par H216O je o: 10 % vyšší než tlak vodních par HDO 1 % vyšší než tlak vodních par H218O Rovnovážný stav – atmosférické srážky obsahují o 10 ‰ méně 18O a o 100 ‰ méně D než průměrná oceánská voda http://www.ux1.eiu.edu/~cfjps/1400/O-isotopes.jpg http://web.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/images/diagram13.gif Vodní páry se v čase čím dál víc ochuzují o těžší izotopy! Kondenzace par – HDO a H218O se z vodních par kondenzují mnohem snáze do kapalného stavu a srážky jsou obohacené o těžké izotopy Izotopické složení vzorku vody je vyjádřeno jako odchylka od průměrného složení standardu mořské vody - Standard Mean Ocean Water (SMOW): δ Totéž platí pro δD Měření v hmotnostním spektrometru: 5 cm3 vzorku vody dáno do izotopické rovnováhy s CO2 H218O + C16O2 ⇔ H216O + C16O18O Vzorek s ionozovaným CO2 je urychlen v magnetickém poli Poměr mezi intenzitou iontových paprsků s hmot-nostním číslem 46 (C16O18O) a 44 (C16O2) je mírou koncentrace 18O ve vzorku! http://static.newworldencyclopedia.org/b/b8/Mass_spectrometer_schematics.png Snižování hodnot δ18O ve vodní páře a kondenzátu v průběhu posunu vzdušné masy z oceánu k horskému ledovci: Kondenzát je z vodních par odstraněn okamžitě v podobě vodních srážek! Hodnoty δ18O ve vodních srázkách odrážejí změny teplot: δ18O se snižuje během posunu vzdušné masy do vyšších zeměpisných šířek a vyšších nadmořských výšek δ18O odráží sezónní výkyvy teplot δ18O klesá se vzdáleností od zdroje vlhkosti δ18O odráží dlouhodobé klimatické oscilace http://web.sahra.arizona.edu/programs/isotopes/images/diagram10.gif Počáteční stav δ18Opáry = -11‰, teplota = 25 °C, finální teplota -30 °C. Při 0 °C je frakcionace s systému vodní páry-déšť nahrazena frakcionací v systému vodní páry-sněhové srážky. δ18O se počítá od počátečního stavu při teplotě 25 °C. Tečkované linie spojují δ18O srážek s teplotou kondenzace (Clark &Fritz 1997, upraveno). Ledovcové vrty – detailní záznam klimatického vývoje ve svrchním pleistocénu a holocénu http://www.volcanocafe.org/wp-content/uploads/2015/06/Albert-National-Ice-Core-Laboratory.jpg http://discoveringantarctica.org.uk/wp-content/uploads/2015/11/ice_core_drilling.jpg http://www.washington.edu/news/files/2015/07/IceCore.jpg Detailní záznam klimatického vývoje ve svrchním pleistocénu a holocénu Grónsko – ledovcové vrty ukazují na výraznou klimatickou variabilitu za posledních 250 tisíc let Nejstarší led – 740 000 let BP, Dome C (Antarktida) Významné elevace na Antarktidě včetně umístění významných ledovcových vrtů (http://cdiac.ornl.gov). Byrd Dome F 1000 km Ledovcové vrty v Grónsku a na Antarktidě Umístění ledovcových vrtů v Grónsku (Andersen et al. 2004). Vrty hluboké až 3600 m! O čem vypovídají záznamy z ledovcových vrtů? Dansgaard-Oeschgerovy eventy (interstadiály) – Heinrichovy eventy (stadiály) - doloženy z hlubokomořských vrtů Klimatický záznam viselského glaciálu z ledovcových vrtů v Grónsku (GISP2) a na Antarktidě (Byrd). Teplé klimatické výkyvy na Antarktide http://earthwise.bgs.ac.uk/images/e/e5/P915278.png Zjištěno až 24 interstadiálních výkyvů Grónsko – GISP2 D-O eventy - rychlé oteplení (10‒15 °C) v průběhu 20‒50 let, trvá (~500‒2000 let) Bondův cyklus – více D-O cyklů, progresivní pokles teplot mezi dvěma grónskými stadiály Grónské interstadiály – průměrné teploty 5‒6 °C nižší než na ledovci dnes Klimatický záznam svrchního pleistocénu z ledovcových vrtů v Grónsku (GISP2) a intenzita růstu ledovcových mas. D-O cykly, bondovy cykly a heinrichovy stadiály. D-O cyklus – přetrvání teplejšího klimatu, v druhé fázi ochlazení (GS) D-O event Dansgaard-Oeschgerovy cykly – příčiny a důsledky: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Neogloboquadrina-pachyderma_hg.jpg Neogloboquadrina pachyderma http://www.nature.com/nature/journal/v419/n6903/images/nature01089-f3.2.jpg http://www.ic.ucsc.edu/~wxcheng/envs23/lecture6/11_13Thermohaline_circula.jpg Location map of modern ocean surface circulation patterns in the northern North Atlantic. D-O cyklus Náhlé klimatické změny zjištěné z ledovcových vrtů v Grónsku; a – záznam δ18O z GRIP-46, proxy-data atmosférických teplot v Grónsku je vpravo. Číslovaně - D/O teplé eventy. Heinrichovy eventy H1‒H5 označeny černou tečkou. B – časový průběh nedávných D/O eventů 3 (světle modrá), 4 (tmavě modrá), 5 (fialová), 6 (zelená), 7 (oranžová), 10 (červená) (Ganopolski, Rahmstorf 2001). D-O eventy – iniciální výrazné oteplení, poté fáze ochlazování, trvání některých do 1000 let, jiné (8, 12, 19, 20) mnohem déle model pro 60‒70° N Dansgaard-Oeschgerovy interstadiály: Golfský proud neproudí k Islandu, hlubokomořské proudy vznikají pouze jižně od Grónska a Islandu Současný stav (teplý interglaciál): Hlubokomořské proudy se tvoří severně a jižně od Islandu 1. fáze D-O cyklu – výrazné snížení počtu chladnomilných planktonních foraminifer rodu Neogloboquadrina Stadiály - dočasné snížení vlivu termohalinní cirkulace (THC) 2. fáze D-O cyklu – přísun sladké vody do oceánu (kry ledovců) §v současnosti se za hlavní příčinu rychlých Dansgaard-Oeschgerových změn považují změny v charakteru oceánského proudění §vzrustající přísun sladké vody z ledovců do vod severního Atlantiku může na evropském kontinentu způsobit náhlé ochlazení! http://www.nature.com/nature/journal/v419/n6903/images/nature01089-f3.2.jpg a - křivka úrovně mořské hladiny pro MIS-3 korálových teras Huonského poloostrovu, Papua Nová Guinea. Vyznačeny jsou horní a spodní úrovně. b – záznam planktonní foraminifery Neogloboquadrina pachyderma (s.) ve vrtu V23-81 (severní Atlantic). Původní 14C datování z vrtu (+) přepočteno na kalendářní roky. Rozsah hlavních Heinrichových eventů identifikovaných ve vrtech severního Atlantiku, označující chladné periody, jsou vyznačeny modře. Šipky – průměrná datace Heinrichových eventů. c - IRD ze dvou vrtů jižního Atlantiku (TTN057-21 and TTN057-13/1094). IRD peaky jižního Atlantiku odpovídají chladným eventům severního Atlantiku. Heinrichovy eventy https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Approximate_chronology_of_Heinrich_events_vs_Da nsgaard-Oeschger_events_and_Antarctic_Isotope_Maxima.png Heinrichovy eventy Chronologie klimatických událostí posledního (viselského) glaciálu (~posledních 120 000 let) zachycená v polárních ledovcových vrtech a přibližná relativní pozice Heinrichových eventů, původně zachycených v marinních vrtech severního Atlantiku. Fialová linie: δ18O z ledovcového vrtu NGRIP (Grónsko) (NGRIP members, 2004). Oranžové tečky: rekonstrukce teplot v místě NGRIP (Kindler et al., 2014). Tmavě fialová: δ18O z ledovcového vrtu EDML (Antarktida) (EPICA community members, 2006). Šedá pole: hlavní Heinrichovy eventy většinou z oblasti Laurentidy (H1, H2, H4, H5). Šedé šrafy: hlavní Heinrichovy eventy většinou evropského původu (H3, H6). Šedá řídká šrafa + čísla C-14 to C-25: méně výrazné IRD vrstvy v mořských sedimentech severního Atlantiku (Chapman et al., 1999). HS-1 to HS-10: Heinrichovy stadiály (HS, Heinrich, 1988; Rasmussen et al., 2003; Rashid et al., 2003). GS-2 to GS-24: Grónské stadiály (GS, Rasmussen et al., 2014). AIM-1 to AIM-24: Antarktické izotopové maximum (AIM, EPICA community members, 2006). Ledovcové vrty z Antarktidy a Grónska vyneseny pro společné časové škále AICC2012 (Bazin et al., 2013; Veres et al., 2013). H-0 Heinrichovy eventy Hlavní příčina je nestabilita kontinentálního ledovce v oblasti Laurentidy [USEMAP] Model mocnosti ledovcového pokryvu v průběhu MIS 5b a MIS4 (dle Kleman et al. 2013, upraveno). https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/ba/Sand_bei_200_fach_2.jpg H-6 ~ 60‒64 ky BP IRD - 180μm až 3 mm Korelace klimatických záznamů z hlubokomořských vrtů (severní Atlantik) Island-Scotland Owerflow Water Denmark Strait Owerflow Water Planktonní foraminifery (Neogloboquadrina pachyderma) Bentické foraminifery (Cibicioides wuellerstorfi) Antarktický záznam δD (synchronizováno) Bentické foraminifery (Cibicioides wuellerstorfi) – Portugalsko ISOW + DSOW – větve chladného hlubokomořského proudění (NADW – North Atlantic Deep Water) Dobrá korelace záznamu bentických foraminifer Severoatlantický proud (teplý) Hodell et al. (2010) Hodell et al. (2010) shoda bentic. foraminifer a záznamů z Antarktidy dominantně Q a vulkanity (bazalty) Korelace IRD s Heinrichovými eventy a chladnými cykly C19-C21 IRD-proxy data z vrtu JPC-13. Vertikální šedé čárkované linie – pozice Heinrichových eventů (H) a McManus et al. (1994) chladných period (C). Dle Hodell et al. (2010). Procentuální podíl úlomků hornin (a) a záznamy δ18O u bentických foraminifer Cibicioides (b), planktonních Neogloboquadrina pachyderma (c) a Globigerina bulloides. A1-A7 – teplé výkyny (Antarktida) (dle Hodell et al. 2010, upraveno). MIS 5a/MIS4 náhlá změna bentické foraminifery planktonní foraminifery (N. pachyderma) Planktonní foraminifery – odpovídají A1‒A7 Bentické foraminifery – spíše „tisíciletý“ cyklus vrt JPC-13 Korelace IRD s poklesem δ18O u bentických foraminifer (~0,3-0,5 ‰), u planktonních pokles později (~ 1 ‰) nejnižší δ18O jemnozrnný detritický karbonát původ hlavně z Laurentidy (kde δ18O = -5,5‰) vrt U-1308 Po Heinrichových eventech dochází k prudkému oteplení, která ve stupni MIS 3 přecházejí v nejdelší a nejteplejší interstadiály v Grónsku Data δ15N z plynových bublin v ledovcových vrtech ukazují na oteplení počátkem G-IS až o ~ 12 °C! 23 potvrzených Dansgaard-Oeschgerových interstadialů v průběhu posledního glaciálu (11.7-110 ka BP). POZOR!!! nestabilita klimatu v interglacialu eem (110-135 ka BP) Kompletní profil ledovcového vrtu GRIP GRIP – reference pro všechny paleoklimatické studie na severní polokouli do 100 ky BP Holocén (0-11.7 ky BP) – velmi stabilní interglaciální klima planktonní foraminirery Neporušené GRIP vs. GISP2, problém vizuálního záznamu eemského interglaciálu Neporušené vrstvy nad hl. 2500 m Ukloněné vrstvy v hloubce 2757 m (GRIP) Porušená vrstva v hloubce 2873 m. Zvrásněná vrstva v hloubce 2923 m. Event 1 - krátkodobý (20 cm, ~70 let) chladný výkyv v průběhu MIS 5e1 (114 ky BP) V hloubkách pod 2700 m – vrstvy tlakově deformované nejen v mikro-, ale i makroměřítku. Tři teplé výkyvy v rámci MIS 5e (pouze GRIP!) Srovnání záznamů z vrtů NGRIP (Grónsko) a Vostok (Antarktida). Srovnání záznamů z vrtů NGRIP (Grónsko) a δ18O planktonních foraminifer z vrtu u potrugalského pobřeží. Vzrůst δ15N a koncentrace CH4 je v NGRIP je o 7 m hlouběji než odpovídající vzrůst teplot odvozený z δ18O - přirozený rozdíl mezi daty z ledu a vzduchových bublin uvnitř V NGRIP není zaznamenána nestabilita klimatu jako v GRIP NGRIP – North Greenland Ice Core Project Vrt NGRIP prodloužil záznam izotopické klimatické křivky z 90 ka BP na 123 ka BP, zachycena konec eemu, ne však celý eemský interglaciál! postupné snižování teplot Klimatický vývoj ve viselském glaciálu a ledovcový pokryv H1 H0 H3 H2 H4 H6 H5 interstadiály (kontinentální Evropa) První hlavní růst ledovců – 90 až 80 ky BP, IRD v Severním ledovém oceánu (HS8 + HS9) Euroasijský ledovcový pokryv glaciálního maxima časného viselského glaciálu (90-80 ky BP). Ledovec pokrýval severní Skandinávii, Barensovo a Karské moře včetně Svalbardu, Země Fr. Josefa, Severní země a sahal až na Sibiř (Svendsen et al. 2004). Časové zařazení Heinrichových eventů) HS8 HS9 HS7 HS10 Skandinávský ledovec Barenstsko-karský ledovec nejstarší dryas mladší dryas starší dryas Klimatický vývoj ve viselském glaciálu H0 H3 H2 H4 H6 H5 interstadiály (kontinentální Evropa) Euroasijský ledovcový pokryv maxima středně viselského glaciálu (60-50 ky BP). Ledovec pokrýval severní Skandinávii, Barensovo a Karské moře včetně Svalbardu, Země Fr. Josefa, Severní země, ústup zalednění Sibiře (Svendsen et al. 2004). CZ HS8 HS9 HS7 HS10 mladší dryas nejstarší dryas starší dryas H1 Klimatický vývoj ve viselském glaciálu H0 H3 H2 H4 H6 H5 interstadiály (kontinentální Evropa) HS8 HS9 HS7 HS10 objem ledu euroasijského ledovce skandinávský ledovec LGM IRD mladší dryas nejstarší dryas starší dryas H1 Svendsen et al. 2004 Deglaciace Konec LGM a klimatický vývoj na hranici pleistocén/holocén Severní polokoule: H1 (17,5‒16 ky BP), nejstarší dryas (OD, 18‒14,7 ky BP), Bölling/Alleröd (BA, 14,7‒12,9 Ky BP), mladší dryas (YD, 12,9‒11,7 Ky BP) Jižní polokoule: ACR (Antarctic Cold Reversal, 15‒13 Ky BP) starší dryas (Shakun, Carlson 2010) Vzrůst rozdílů teplot mezi glaciálem a interglaciálem směrem k pólům (Shakun, Carlson 2010). 22,1 8,0 22,3 7,4 ~ ‒4,9 °C Glaciály celosvětově: Konec LGM a klimatický vývoj na hranici pleistocén/holocén klimatická variabilita (proxy data, 71 lokalit) koncentrace CO2 (atmosféra) hladina světového oceánu insolace (červen, severní polokoule) klimatická variabilita síla atlantického proudění (AMOC) Klimatická variabilita - nejvíce koreluje se změnami koncentrace atmosférického CO2 a silou atlantického proudění (Shakun, Carlson 2010) Skleníkové plyny a stabilní izotopy z měření na Antarktidě a v Grónsku. a – δ18O z WDC (Antarktida) a odvozené teploty ve východní Antarktidě; b – Atmosférické koncentrace CO2; c – přímý radiační nárůst CO2, CH4 a N2O; d – Atmosférické koncentrace CH4; e - δ18O z NGRIP (Grónsko). Dle Macrott et al. (2014). Konec LGM a klimatický vývoj na hranici pleistocén/holocén globální teploty (odchylky od průměru pro časný holocén) Early teploty zjištěné z kompozitních dat antarktických vrtů (EPICA, Dome C) koncentrace atmosférického CO2 17,5 ky BP – vzůst teplot dříve než vzrůst CO2! prudký nárůst koncentrace CO2 v atmosféře oteplení prudký nárůst koncentrace CH4 v atmosféře Vzrůst koncentrace skleníkových plynů (CO2, CH4) předchází globální oteplování! Rozdíly mezi intenzitou teplotních změn na severní a jižní polokouli - dány změnami AMOC (Atlantická meridionální cirkulace) Shakun et al. (2011) Shakun et al. (2011) Rozsah ledovcových štítů se zmenšoval nejvíce v průběhu stagnace globálních teplot (19 ky BP, mladší dryas, holocén) nejrychlejší ztráta objemu ledovců Globální průměrné oteplování se různou měrou projevovalo v různých oblastech CO2 globální teploty odchylka od časného holocénu model globální teploty odchylka od časného holocénu CO2 Stratigrafie pozdního glaciálu až holocénu Srovnání interstadiálu bølling/allerød na základě klimatické křivky z pylových analýz (arboreální druhy), δ18O (GRIP) a coelopter (Britské ostrovy) (Hoek 2009). Nekalibrovaná data!!! Pozdní glaciál ve střední Evropě Bølling/allerød - interstadiální výkyv (14,7‒12,9 Ky BP), iniciální teplá fáze viselského pozdního glaciálu, následuje mladší dryas. starší dryas (13,9‒13,7 ky BP) bølling allerød Bølling (14,7‒13,9 ky BP) – koncová fáze zániku permafrostu, MAT 2 °C, v lednu -10 °C, červenec 13 °C. Parkové lesy s borovicí, aktivita svahových procesu nižší (vegetace) mladší dryas (12,9‒11,7 ky BP) Holocén_stratigr Stratigrafický záznam holocénu v kontinentální Evropě (Hoek 2009) 0 11,7 ky BP Allerød (13,7‒12.9 ky BP) – MAT v níže položených oblastech 4‒5 °C, v lednu -8 °C, červenec až 15 °C. Celkový rozpad permafrostu, rozvoj lesní vegetace. V ČR – šíření borovice + břízy. Karpatská oblast – modřín + borovice, stále výrazný podíl tundrových prvků. Vrcholové části hor – periglaciální klima, ?ostrovní permafrost Starší dryas (13,9‒13,7 ky BP) – jen asi 200 let, slabé ochlazení, zmenšení srážek, na našem území lesotundra, vrcholové partie hor – až subarktické klima Ložek (2005) Mladší dryas (12,9‒11.7 ky BP) – poslední výrazně studené období na našem území s periglaciální morfogenezí. MAT v níže položených oblastech ČR asi -3 °C, leden -18 °C, červenec asi 10 °C. Zastavení vývoje lesní vegetace, postup tundry, vývoj nesouvislého permafrostu, mrazové zvětrávání kryoturbace, svahové deformace starší dryas (13,9‒13,7 ky BP) bølling allerød mladší dryas (12,9‒11,7 ky BP) (Hoek 2009) Krkonoše, Hrubý Jeseník, Šumava – keřová tundra až arkticko-alpinská poušť, lišejníky, mechy oteplení až o 7 °C za 50 let! Klimatický vývoj v holocénu Záznam δ18O z ledovcového vrtu GISP2 a vyhlazená časová série δ18O (300 leté průměry). Černé obdélníky nahoře – IRD vrstvičky v vrtů v Severním Atlantiku. Dole záznam jílových minerálů z vrtu v Egejském moři. Holocenní studené intervaly v Sev. Atlantiku korelují s chladnými a suchými intervaly na severním okraji východního Středomoří (Ehrmann et al. 2007). Holocén 11,7 ky BP http://geology.gsapubs.org/content/35/7/639/F3.large.jpg chladné eventy Začátek holocénu – rychlý růst teplot (preboreál) poté klima vcelku stabilní Pylová data z různých regionů Evropy ukazují na výraznou časovou a prostorovou diferenciaci (Davis et al. 2003). Holocenní klimatické optimum – projevilo se v severní Evropě, jižní Evropa - ochlazování zimní odchylky letní odchylky 8,2 ky BP Pylové záznamy z jezerních sedimentů (Skandinávie) Seppä et al. (2007). 8,2 ky BP – významné ovhlazení, v pylových záznamech sev. Evropy v době 8,3‒8,0 Ky BP absence teplomilných dřevin 11700 Stratigrafie holocénu Pokorný et al. (2012). ? radiometrická data (14C, nekalibrovaná) Holocén_stratigr Atlantik (8,0‒5,1 14C ky BP) – v první polovině MAT o 3 °C a srážky až o 100 % vyšší než dnes, rozvoj listnatých lesů, ústup stepí i alpinských holí, rychlý růst rašelin a slatin Preboreál (10‒8,9 14C ky BP) – MAT asi o 3 °C nižší než dnes, vzestup teplot + vlhkosti, koncen preboreálu klima srovnatelné s dnešním. Převaha borovice a břízy, dále osika, jalovec vrba, jeřáb. Vysokohorské oblasti - tundra Boreál (8,9‒8,0 14C ky BP) – MAT o 2‒3 °C vyšší než dnes, vzestup vlhkosti, borové lesy + líska (zpožděný nástup lesní vegetace) 10 8,9 8 5,1 2,4 Nejvlhčí a nejteplejší období holocénu Subboreál (5,1‒2,4 14C ky BP) – zpočátku MAT o 1 °C vyšší než dnes, střídání sušších a vlhčích i teplejších a chladnějších období, ubývání srážek, zhoršení klimatu Subatlantik (2,4 až dodnes 14C ky BP) – vzrůstající vliv člověka, na začátku ještě chladněji (asi o 1 °C než dnes), v tomto úseku ve vyšších polohách maximum jedle, buku a smrku, v nižších polohách habr a dub. Středověk – výrazné narušení vegetace Holocén_stratigr 10 8,9 8 5,1 2,4 https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c1/2000_Year_Temperature_Comparison.png „malá doba ledová“ 14. až 19. století bølling/allerød nejstarší dryas mladší dryas převážně písčitá sedimentace (glacilimnická), absence organiky hrubozrnné až velmi jemnozrnné silty, (limnická sedimentace, gyttja), přechod do rašeliniště (slatiny) Vočadlová et al. (2015) preborál borál atlantik subatlantik subboreál zdvihlá rašelinná kupa Černé jezero (Český les) kalibrovaná data Černé jezero (Český les) Vočadlová et al. (2015) počátek holocénu – výrazná tvorba jezer, pak zazemňování, vznik rašelinných sedimentů