Klima v geologické minulosti

Povětrnostní (meteorologické) podmínky charakterizující okamžitý stav troposféry označujeme jako počasí. Dlouhodobý režim počasí na určitém místě Země vytváří podnebí (klima). Podle rozsahu působení prostředí a v něm žijících organismů rozeznáváme tři základní typy klimatu. Je to makroklima, mezoklima a mikroklima, jejichž vlastnosti charakterizují hodnoty vertikálních a horizontálních gradientů meteorologických prvků.

Makroklima - regionální klima, je výsledkem geografické situace a podává dlouhodobý obraz podnebí rozsáhlých klimatických pásů Země (polární, mírný, subtropický, tropický), kontinentů a oceánů a větších zeměpisných celků (tundra, tajga, step, poušť). Jde o klimatické jevy velkého rozsahu, které nejsou ovlivněny aktivním zemským povrchem. Velké rozdíly jsou přitom mezi souší a oceány.

Pevninské podnebí (kontinentální) - se vyznačuje velkým kolísáním klimatických faktorů.

Oceánské podnebí - je mnohem stálejší

Makroklima není závislé na činnosti organismů, naopak samo je ovlivňuje v jejich prostředích a jeho hlavní ekologický význam spočíva ve vymezení vegetačních pásů a v ovlivňování výskytu arozšíření rostlin a živočichů na zemském povrchu.
Mezoklima - lokální klima, je podnebím menších oblastí a je již částečně jejich produktem. Jeho vertikální rozměr činí 800 až 1500 m, horizontální v rozloze od tisíce do statisíců m2, např. podnebí měst, jižní Moravy, Vysokých Tater apod. Může být ovlivněno velkými plochami souvislého vegetačního pokryvu, rozsáhlými vodními plochami (teplotní a vláhová bilance) nebo také člověkem (odlesňování, sídelní zástavba, znečišťování ovzduší).

Mikroklima - poskytuje obraz malých prostorů. Je ovlivněno plochou, na které se vlastnosti aktivního povrchu nemění (např: vrstva vzduchu těsně nad zemí, jeskyně, půdy domů). Zpravidla se jedná o podnebí přízemmní vrstvy vzduchu do výšky asi 2 m, v horizontálním rozsahu do tisíce m2. Významným znakem mikroklimatu jsou strmé gradienty meteorologických prvků (např. světla, tepla, vlhkosti).

Klimatické změny jsou důležitou součástí vývoje Země. Pravděpodobně se staly jednou z hlavních příčin biologické revoluce a dokonce bylo zjištěno, že velké mezníky ve vývoji člověka se kryjí s velkými klimatickými změnami. Zajímavé je, že po každé klimatické změně dochází k negativnímu ovlivnění života na Zemi, v planetárním měřítku se ale tato změna stává hnací silou dalšího vývoje.

Nauka o proměnách klimatu v historii Země se nazývá paleoklimatologie. V poslední době se dostává do popředí kvůli debatám o globálním oteplování. Zabývá se zkoumáním poměrů v minulosti ze sledu vrstev – např. v jezerech, z krápníků nebo z korálových útesů. Z jednotlivých vrstev se dozvídáme víc o podmínkách na Zemi v minulosti a díky tomu zároveň zjišťujeme víc o obdobných jevech, jakými prochází Země i v současnosti. Samozřejmě hraje roli víc faktorů, jako teplota, přísun živin nebo doba slunečního osvitu určitého místa v minulosti. Často chybějí souvrství nebo se nedá přesně identifikovat stáří vrstev. Přesto je dnes možné spolehlivě rekonstruovat klimatické změny pro většinu geologických období, ve většině případů je však neumíme dostatečně dobře interpretovat a říci, co je způsobilo.

Klimatologičtí činitelé

Důvodů, proč se klima mění, najdeme velice mnoho. Předpokládá se, že existuje 7 faktorů podílejících se na klimatických změnách:

Kontinentální drift ovlivňoval klimatické změny v celé geologické historii Země, jeho vliv se však neomezuje pouze na starší geologická období. Jedná se o pohyb kontinentálních nebo oceánských desek, tím se přetváří uspořádání kontinentů a mění se i jejich klimatické podmínky. Například při vzniku Panamské šíje v posledním období třetihor dochází k zesílení Golfského proudu, jím se otepluje také Arktický oceán a zvyšuje se výpar. Ten je zdrojem vody pro srážky, deště jsou tedy četnější a intenzivnější a proto rostou ledovce v této oblasti.
Dalším faktorem je posun magnetického pólu, který vede ke změnám v pozici tlakových výší a níží. Jestliže je tato změna trvalá, způsobuje klimatickou změnu.

Klima také ovlivňují rozdíly v intenzitě slunečního ozáření země neboli insolace. Oslunění se mění podle vzdálenosti Země od Slunce a také podle obsahu skleníkových plynů v ovzduší. Změna intenzity ozáření jednotlivých zeměpisných pásem a kontinentů vede ke změnám teplot na rozsáhlých plochách.
Vlivem uvedených tří faktorů se mění směr a síla hlavních mořských proudů, a důsledkem je nastolení nových nepravidelností v teplotách na Zemi. Tím se mění směr větrů, zvyšují se nepravidelnosti v klimatu a roste možnost klimatických změn.

Zvýšená vulkanická aktivita způsobuje zvýšení koncentrace CO2 a obecně skleníkových plynů v ovzduší, což může vést k vyššímu ohřívání Země vlivem skleníkového efektu. Spolu s erupcemi se do ovzduší dostává velké množství prachových částic. Povrch Země může být zastíněn v takové míře, že se snižuje dopad slunečního záření a důsledkem je ochlazování. Podobným případem je dopad asteroidů, který je spojený se vznikem prachového mraku, který také způsobuje ochlazení. Obvykle se poté zvýší koncentrace CO2 v ovzduší a vlivem skleníkového efektu může po delší době proběhnout mírné oteplení, dosahující někdy až hodnot vyšších než teploty před dopadem asteroidu. Vextrémní situaci se může změnit topografie celého kontinentu nebo hloubky části oceánu a následně změny v mořských proudech. Zajímavý je také vliv ledovců na globální klima na Zemi. Rozsáhlé ledovcové plochy výrazně snižují množství absorbovaného tepla povrchem a ovlivňují také množství srážek. Důsledkem je další ochlazování.

V geologické historii Země proběhly změny v koncentraci CO2 v ovzduší. Ty se podílejí spolu s ostatními faktory na klimatických změnách a mohou být vyvolány mnoha způsoby. Jestliže probíhá oteplování, zvyšuje se únik půdního CO2 do atmosféry.

V nynějších změnách klimatu je však důležitý jiný jev. V atmosféře se zvyšuje obsah aerosolů produkovaných lidskou činností. Tím se snižuje průchodnost atmosféry pro krátkovlnné záření a na povrch Země se dostává sluneční záření v menší intenzitě. Důsledkem by mohly být tendence ke snižování globální teploty.

Z přehledu působících faktorů je jasné, že není možné vytrhnout z celého souboru pouze jeden faktor a hledat souvislost mezi ním a průměrnou teplotou Země. Ta totiž závisí na všech těchto faktorech.

VÝVOJ KLIMATU V MINULOSTI ZEMĚ

Vznik Země (archaikum, proterozoikum)

Jedná se o období, kdy se teprve vytvářela Zemská atmosféra. Nejstarší původní atmosféra, kterou tvořily převážně vodíkové páry, unikla do kosmu při zahřátí doprovázejícím vznik planety. Díky silnému vulkanismu se utvořila další, té však naprosto chyběl kyslík a oxid uhličitý. Podobný typ ovzduší mají planety Saturn a Jupiter. Atmosféra Země postupně ztrácela vodík a obohacovala se stále více o oxid uhličitý a dusík. Voda se částečně rozkládala na kyslík a vodík, ten však byl velmi nestálý. Je možné, že Země byla v této fázi nějakou dobu bez atmosféry, jako Měsíc. Další atmosféra se tvořila při postupném vychládání Země uvolňováním plynů z hornin. Ani poslední, čtvrtá atmosféra, která obklopuje Zemi dodnes, nevznikla najednou. Vznikala působením živých organismů, které uvolňovaly kyslík jako produkt metabolismu, dýchání a fotosyntézy. Voda se vytvářela při intenzivní sopečné činnosti. Zprvu jí nebylo na Zemi mnoho, přibližně jen asi 10% dnešních moří, ale postupně jí přibývalo.

Na konci proterozoika dochází k obrovským změnám teplot – na 230 milionů let došlo k mohutnému ochlazení a Země doslova zamrzla, ale pak se rychle přesouvá do horkého klimatu. Jde o nejstarší doklady zalednění na Zemi. Existují úvahy o uplatnění skleníkového jev nebo o dopadu meteoritu do zemské atmosféry, které by vysvětlily tyto náhlé změny teplot. Na rozhraní proterozoika a paleozoika došlo k mohutnému rozšíření rostlin a živočichů. Je jisté, že tento náhlý zlom ve vývoji života byl umožněn prokysličením zemské atmosféry.

Prvohory (palezoikum)

V prvohorách byly souše rozděleny na 2 velké pevniny - Laurasii a Gondwanu. V jižní Gondwaně bylo klima nepříznivé, suché a chladné, protože byla z větší části zaledněná. Africký kontinent se např. tehdy dostal až do oblasti jižního zemského pólu. Zajímavé je, že v Angarské oblasti poblíž severního pólu byly na kmenech dřevin vůbec poprvé zjištěny roční přírůstky, což je jasným důkazem střídání ročních období. Stejně staré kmeny tropických oblastí jsou ale bez letokruhů. Příznivější podmínky pro rozvoj života tedy byly v severnější Laurasii, kde je na počátku prvohor stálé teplé a vlhké klima. Její jižní části, které zahrnovaly i oblast dnešní Evropy, ležely v blízkosti rovníku. Toto příznivé klima hrálo významnou úlohu v dalším rozvoji života, který začal postupně osídlovat sladkovodní prostředí a souš. V ordoviku se klima mění na studené, ze kterého se v siluru a zejména v devonu opět stává tropické klima s vývojem korálových útesů.

V karbonu a permu dochází ke spojení kontinentů v Pangeu a ta se začíná postupně přesouvat na sever. Klima je dál vyrovnané, teplé a bohaté na srážky a napomáhá vývoji obratlovců na souši. Koncem karbonu se klima Pangey vysušuje a ochlazuje a počínaje permem se klimatické podmínky výrazně rozrůzňují. Vznikají oblasti postupujícího sucha a pouští, tím mizí území nížinných bažin a šíří se pouště a polopouště. Vláhy postupně ubývá, klima je v rovníkových oblastech stále teplé, ale srážky se stále více omezují na určitá období v roce a neustále slábnou. Souš je tvořena jednou velikou pevninou, a tak klima je výrazně kontinentální s chladnými zimami.

Konec prvohor je ve znamení jednoho z největších ochlazení v historii Země. Vysvětlení se hledá v snížení skleníkového efektu kvůli uhelné sedimentaci, v sopečné činnosti, změnách ve tvaru kontinentů a dokonce i v kosmických faktorech. Tyto vlivy v souhrnu vyvolaly ekologické katastrofy. Rozsáhlé změny na zemském povrchu vedly k vymírání starých a vzniku nových forem rostlinstva a živočišstva. Během permu a triasu dochází pod vlivem nepříznivého počasí ledových dob k přechodu mezi plazy a savci. Vliv mělo také značné kolísání denních a nočních teplot, které všeobecně začaly rychle klesat, čemuž se studenokrevní plazi museli přizpůsobit.

Druhohory (mezozoikum)

V globálním měřítku se jedná o teplé období. Nadále trvá spojení kontinentů v Pangeu.

V triasu je podnebí poměrně stabilní, mírné suché a teplé. Šíření mělkých moří mělo za následek teplejší klima s tropickým, subtropickým i mírným pásem sahajícím dost daleko k pólům. Rozsáhlé vnitrozemské oblasti se postupně pokrývaly pouštěmi, protože byly mimo dosah vlhkých oceánských větrů. Výrazným rysem triasového podnebí je skutečnost, že na Zemi chyběl rovníkový vlhký pás a pouštní oblasti se rozprostíraly od tropů až po jižní polární kruh. Klimatické podmínky byly celkově natolik příznivé, že v některých oblastech dokonce mohlo vznikat uhlí. Objevují se i krytosemenné rostliny a první savci. Na konci triasu došlo k ústupu moří z pevnin a tedy i k ochlazení klimatu. Přestože tento jev netrval dlouho, vedl ke změně celých ekosystémů a k vyhynutí mnoha skupin zvířat. Poté však nastalo opět dlouhé teplé období.

V juře se Pangea začíná rozpadat a objevuje se Atlantský oceán, a proto se teplé klima postupně zvlhčuje a sílí vliv vlhčího vzduchu do nitra kontinentů. Díky zaplavování pevnin moři se klima mění v teplé a vlhké. Široký rovníkový pás, rozprostírající se zhruba mezi dnešním Grónskem a Jižní Afrikou, se vyznačoval stabilní teplotou. Průměrná teplota moří se pohybovala v rozmezí od 20 do 300C a směrem k pólům se přirozeně snižovala, ale ani tam nikdy neklesla pod 100C. Nebyly tedy vytvořeny ani polární ledovce.

Klimatické podmínky v křídě byly velmi příznivé a mnohem vyrovnanější než dnes. V polárních krajích neexistovala trvalá sněhová ani ledová pokrývka, i když teplota v zimních měsících jistě občas poklesla pod bod mrazu. Nejteplejší a nejstabilnější klima zavládlo uprostřed křídy, tedy asi před 110 miliony let. 0d té doby prakticky až dodnes má průměrná teplota na Zemi, až na drobné výkyvy, klesající tendenci. Během křídy se kontinenty od sebe oddělují skoro do takové podoby, jak je známe dnes. Současně vznikají velká pásemná pohoří jako Andy, Skalnaté hory, Alpy a Himaláj. Vznik nových malých kontinentů od základu změnil mořské proudění, vyzdvižení pevnin způsobilo pokles hladiny moře a změnilo říční síť. V křídě se ještě více zvětšily plochy moří a oceánů a tím se na Zemi vytvořily podmínky pro účinnější absorpci slunečního tepla. Čím větší část zemského povrchu nejvíce vystaveného slunečnímu záření připadá na vodní hladiny, tím méně tepla se odráží zpět a může být využito k oteplování Země. Souše však sluneční energii odrážejí a tím se podnebí ochlazuje. Ze začátku křídy se většina povrchu souše na Zemi nalézala v rovníkovém pásu, a tak se na pevninách se ochladilo. Avšak nyní, když se velké kontinenty rozpadly na menší celky oddělené mořem a když se navíc vzdálily od rovníkového pásu, nastaly na Zemi daleko příznivější tepelné podmínky a stálé, teplé a oceánské klima. Tento efekt se ještě umocnil, když byly rozsáhlé části kontinentů zaplaveny mělkými moři. Dopadem je postupné zarovnávání povrchu země, zvětrávání hornin. Vyvíjejí se jeskyně krasů a jsou položeny základy plochých, zarovnaných povrchů typických pro středo- a západoevropskou krajinu na sever od Alp.

Všechny tyto jevy ovlivnily počasí na Zemi, klima se náhle prudce ochlazuje a stupňují se roční výkyvy. Díky neobyčejně dlouho trvajícím příznivým klimatickým podmínkám se vytvořily stabilní, ale úzce specializované ekosystémy, které byly velmi citlivé na jakékoli změny prostředí. To potvrzuje reakce křídového rostlinstva i živočišstva na tyto poklesy teplot, které způsobily vyhynutí mnoha zvířat (např. dinosaurů) a vymizení mnoha rostlinných skupin, které se nedokázaly přizpůsobit změnám.Další teorií může být pád velkého meteoritu, který způsobil náhlé prudké ochlazení klimatu. Ale je důležité, že po každé takové události se rovnováha na Zemi opět obnovila.

Třetihory (terciér)

V třetihorách se opět otepluje. Teplé zóny zemského klimatu jsou velmi široké, lesy pokrývají i polární krajiny a klima je stálé a teplé. Pokračuje a vrcholí alpinské vrásnění, v Evropě dochází k rozsáhlé sopečné činnosti. Mělká moře zaplavují části pevnin, např. i části severní Evropy. Na území Čech panuje klima podobné vlhkým tropům Indočíny. Celosvětovým jevem jsou pozvolné změny klimatu. Probíhá tzv. aridizace, vysoušení pevnin. V jejím důsledku ustupují tropické a subtropické pralesy, nahrazuje je les mírných pásem s výraznými ročními výkyvy, který se postupně prosvětluje, až z něj vznikají velké otevřené a travnaté stepi. Nakonec z nich vznikají polopouště a pouště. S tím souvisela i období sucha během roku. Otevřený terén způsoboval rychlou migraci zvířat po celém kontinentě a jejich veliké rozšíření. Na rozhraní mladších a starších třetihor dochází k zvýšené sopečné aktivitě a k obrovským změnám ve tvaru souší a moře, a tak se klima částečně ochlazuje. V Čechách panuje chladné subtropické klima podobné dnešní Číně. Dochází k mohutnému rozvoji savců.
V nejstarších třetihorách dochází k prudkému krátkodobému ochlazení, které silně ovlivňuje flóru i faunu mírných pásem a způsobuje výrazný zlom v evropských podmínkách. Mělo na to i tentokrát vliv spojení kontinentů, k němuž došlo vynořením pevninských šíjí nebo zánikem mořských zálivů. I když pak až do konce eocénu (tedy 20 mil. let) nastupuje teplé období, ráz fauny a flóry mírných pásem se stále více přibližuje dnešku. V tomto období se setkáváme už s nejstaršími předky člověka. V oligocénu dochází opět k ochlazování a postupně vznikají ledovce na pólech.

Na konci třetihor už nastupují ledové doby. Příčiny tohoto jevu nejsou úplně vysvětleny, ale uvažujeme o působení těchto faktorů : Celková teplota povrchu Země byla proti zbytku třetihor poměrně nízká. Na severu i na jihu se nalézala pevnina nebo alespoň ostrovy, kde se mohl začít kumulovat kontinentální ledovec. Asi před 2.5 milióny let se zdvihal Tibet, a tím se odklonily dráhy větrů, přinášejících vláhu, směrem k severu. Tato vláha vymrzá a hromadí se v podobě ledu. Zároveň klesá podmořský práh u Grónska a teplé mořské proudy, které jsou doprovázeny vlhkými větry, pronikají hluboko na sever. Zde slábnou, ale zesilují sněžení. Díky těmto podmínkám roste ledovec, který dál odráží sluneční záření a ochlazuje klima.

Čtvrtohory (kvartér)

Pro čtvrtohory je charakteristické je opakované ochlazování klimatu v řadě ledových dob (tzv. glaciálech), oddělených od sebe teplejšími úseky dob meziledových (interglaciálů). Jejich počátek se odhaduje přibližně před 1,6 miliony let. Skutečně velkých ledových dob můžeme napočítat nejméně 22, ale někdy se uvádí až 50. Soudí se, že průměrná roční teplota, která dnes ve střední Evropě dosahuje 8 - 90C, byla v ledových dobách o 11 - 150C nižší; pohybovala se tedy pod bodem mrazu. V meziledových dobách byla naopak o 3 - 50C vyšší. Také průměrné roční srážky byly v ledových dobách nižší a v meziledových vyšší než dnes. Podnebí v glaciálech a interglaciálech není zcela monotónní, dochází ke krátkodobým teplejším či chladnějším výchylkám klimatu. Doby ledové ovlivňovaly velikost pevnin a moří. Projevuje se zde eustáze - jev, při kterém dochází k poklesu mořských hladin, protože vodu přijímají ledovcové štíty. Tento pokles mohl být až o desítky metrů. Dnes pokrývá ledovec 10% zemského povrchu, tomu odpovídá 26 mil. km3 vody. Přitom ledovce dosahují v Grónsku a Antarktidě značné mocnosti: 3000 - 4000 m. Kdyby toto množství ledu roztálo, hladina oceánů by se zvýšila o 50 m a zaplavila by ohromná území včetně mnoha velkých měst jako New York, Rio de Janeiro nebo Londýn. Bylo zjištěno, že v glaciálech byly pevninské ledovce kolem pólů ještě větší - pokrývaly až 30% zemského povrchu, což představovalo 80 mil. km3 vody. Odtáváním tohoto ledu za meziledových dob voda oceánů stoupla až o 140 m. V posledním interglaciálu před 130 až 115 000 lety se např. zvýšila hladina moře v takové míře, že Skandinávie byla ostrovem. V současné době žijeme v holocénu, což je vlastně zatím poslední meziledová doba.

Podle různých teorií, jež se snažily tento jev ochlazení naší Země vysvětlit, k tomu docházelo díky změnou insolace neboli oslunění, které vyjadřuje množství sluneční energie dopadající na zemský povrch. Insolace se mění podle vzdálenosti Země od Slunce a podle obsahu skleníkových plynů v atmosféře. Další teorie se zabývá periodickým oslabováním slunečního záření způsobeným mohutnými sopečnými výbuchy, které vrhly do atmosféry sopečný popel a prach, nebo poklesem obsahu CO2 v atmosféře, což zrychlilo vyzařování tepla do vesmíru.
Jedním z účinků může být, že před 3 milióny let byla původně vlhká a teplá východní Afrika, kterou pokrýval tropický porost a zeleň, přeměněna v suchou, travnatou savanu.
Nejrozšířenějším vysvětlením je nástup první doby ledové. Obrovský ledový příkrov na severní polokouli měl za následek nízké teploty v severním Atlantiku. Podle tohoto tvrzení se pak z oceánu vypařovalo méně vody, což vedlo k nižšímu výskytu srážek nad Afrikou. Střídání cyklů doby ledové vedlo nejen k vyschnutí Afriky, ale také k větším rozdílům v globálním klimatu. Různorodost podnebí je však také důležitá pro vývoj lidského rodu. Dokázala totiž umožnit vznik druhů. Lidský rod se tedy rozdělil do několika druhů, ale do dnešních dnů přežil v průběhu klimatických změn pouze Homo sapiens díky své výborné přizpůsobivosti (narozdíl např. od neandrtálce, který byl zvyklý žít v chladném prostředí). Dalším z účinků dob ledových bylo zrychlující se vymírání suchozemských druhů savců a ochuzování fauny, které vlivem změn klimatu, prostředí a člověka pokračuje dodnes. Pro čtvrtohory je přitom příznačné, že tyto vymírající rody se již nenahrazují jinými, jak tomu až bylo ve všech minulých dobách. Bylo zjištěno, že od roku 1600 dodnes zmizelo z povrchu Země dalších 200 rodů zvířat a tento trend se stále urychluje.

O člověku dnešním mluvíme v době vzdálené od nás asi 15 000 let. V té době se výrazně změnilo klima, v důsledku ustupujícího ledovce se krajina začala pokrývat tundrou a lesními porosty. Pokleslo množství srážek, což vedlo v některých tropických územích k šíření pouští. Lidstvo se stěhovalo do míst s příznivým klimatem a dostatkem vláhy, zejména k tokům velkých řek, kde začaly vznikat první civilizace.