Náměty dlouhodobých projektů pro popularizaci geografie

Předkládaný projekt se zaměřuje na pochopení metod, které se používají k výzkumu změn krajiny v minulosti. Projekt má následující základní části:

1) Seznámení s proxy daty

2) Analýza makrozbytků - vyzkoušíme si, jak se to dělá

 

Seznámení s proxy daty

Tato část se skládá ze dvou částí:

1A) Úvod do problematiky proxy dat - prostřednictvím úvodního textu níže

1B) Proxy na nečisto

1A: Text pro úvod do problematiky proxy dat

Změna krajiny v čase je jednou z klíčových otázek, kterou se v současné době geografie zabývá. Poznání principů fungování přírodních systémů je důležité zejména proto, že nemáme jiný zdroj informací, jak odhadnout budoucí vývoj (krajiny - prostředí, kde žijeme), než analýzu přírodních systémů v minulosti s následným odhadem jejich vývoje v budoucnosti.

Toto se týká i jednotlivých procesů - historická paměť lidstva je z hlediska fungování přírodních systémů velmi omezená (krátká). Některé procesy (a jsou to právě ty nejdůležitější, které mění podmínky v celých regionech nebo i na globální úrovni zcela zásadním způsobem) působí s velmi dlouhou časovou amplitudou. Není jiná možnost, jak je zkoumat a umožnit lidstvu, aby se s jejich případným působením vyrovnalo, než výzkum jejich projevů v minulosti.

Příkladem může být jedna z nejničivějších přírodních katastrof "současnosti". 12. 5. 2008 zasáhlo venkovskou čínskou provincii Sichuan zemětřesení s magnitudem 7,9. Následkem katastrofy bylo zabito asi 80 000 lidí a asi 370 000 lidí bylo zraněno. Milióny lidí byly zemětřesením zasaženy, nuceny změnit nebo opravovat příbytky. Problémem této události byl zejména její výskyt v oblasti, kde zemětřesné riziko bylo považováno pouze za střední až malé. Zjistilo se, že k podobným zemětřesením zde (zejména z důvodu existence odolných hornin na zlomu a strmého úklonu zlomoví plochy) dochází po přibližně 2 700 letech (v roce 2013 došlo k následnému otřesu, opět s ničivými účinky s magnitudem 6,6).

Takovéto události nemůžeme sledovat na základě psaných záznamů (kronik apod.) ani měření, které máme k dispozici. Ani historické (psané) záznamy totiž nemají dostatečný časový dosah a jsou zatíženy subjektivní interpretací pisatele, který nemusel být očitým svědkem. Přímá měření jsou sice přesná, ale i z pohledu fungování daleko běžnějších (tedy vyskytujících se s kratší časovou amplitudou) procesů jsou velmi krátkodobá (sahající maximálně desetiletí do minulosti).

K výzkumu vývoje krajiny proto využíváme tzv. proxy data. To jsou data, která nejsou přímým měřením, ale z jejichž podstaty vyplývá vazba na sledovanou charakteristiku (např. vlhkost, teplotu) nebo aktivitu daného procesu (prach nebo oxidy síry v ledovcích jako proxy chladných a suchých období respektive vulkanických erupcí apod.).

Problém měřítka aneb Proxy data v letech

Jako přírodní procesy i proxy data jsou velmi různorodá. Příkladem mohou být letokruhy stromů, jejichž šířka přináší informaci o charakteru počasí, které panovalo. Stromy reagují na klima, které panuje v konkrétním roce (resp. části roku), přirůstáním jarního a letního dřeva, které má různou hustotu, a tedy i barvu. Je pravdou, že většina současných stromů nepokrývá svým dřevem příliš dlouhé období, ale postupným výzkumem se podařilo (výzkumem a shromažďováním vzorků dřev z historických staveb) pokrýt letokruhy různých druhů celý holocén.

Problém měřítka aneb Proxy data ve staletích a tisíciletích

Stejně jako stromy i ledovce zvětšují každoročně svou mocnost (tedy pokud mají positivní roční bilanci a sníh, který napadne v zimě, neroztaje v letních měsících) a přirůstá v podobě tzv. ročních vrstev. Postupným připadáváním v každém roce jsou sněhové vrstvy postupně stlačovány a dostávají se do větších hloubek. Ze sněhu se stává ledovcový led. Po provedení vrtu v ledovci můžeme analyzovat složení ledu (resp. vody), která se na ledovci uložila před mnoha lety, také můžeme analyzovat složení vzduchu, který se i v ledovcovém ledu zachovává, a konečně prach, který je rovněž v ledu uložen. Získáváme proxy data (například obsah skleníkových plynů v atmosféře), která mohou vypovídat o klimatu a podmínkách v dávných obdobích až po statisíce let zpět. Takto staré údaje získáváme z vrtů v několik kilometrů mocných kontinentálních ledovcích (Antarktida, Grónsko).

Na obrázku z Britské Kolumbie (Kanada) vidíme "roční vrstvy", jak se ukládaly v tomto malém horském ledovci. Světlý sníh byl uložen v zimě, tmavé vrstvy jsou spojeny s akumulací v teplejším období, kdy okolí ledovce nebylo pokryto sněhem.

1B: vlastní seznámení se s proxy daty

Právě prostřednictvím dat z ledovců se studenti seznámí s proxy daty. Paleoklimatická "proxy" data jsou na internetu dostupná z celého světa prostřednictvím prohlížečky dat firmy NOAA. Najedeme si proto na tuto stránku, kde si vyhledáme oblast Grónska, z jehož ledovce jsou odebírány vrty přinášející údaje o změnách klimatu na severní polokouli.

V rámci projektu seznámíme studenty s postupem, jak získávat a zpracovávat proxy data z internetu. Následně si studenti sami vyberou a zpracují data z libovolného vrtu. Výsledky prezentují a seznamují s nimi spolužáky.

Postup získávání dat:

1) S prohlížečkou paleoklimatických dat NOAA se studenti nejprve musí naučit pracovat. Ovládání je však intuitivní. Nejprve nastavíme polohu na oblast Grónska a pomocí nástroje pro zvětšení a zmenšení (v levé části) Grónsko postupně zvětšujeme. Modré trojúhelníky nám ukazují polohu vrtů. Vrstvu musíme mít "zapnutou" - zaškrtnutí v legendě (okno v pravé části).

 Nastavení polohy a rozlohy na Grónsko v legendě - okno vpravo - jsou z proxy dat zaškrtnuté pouze vrty v ledovcích.

2) Po kliknutí na příslušný vrt se nám zobrazí příslušné údaje (tabulka dole v obrázku). Data si stáhneme poklikáním na ikonku vlevo.

Získání údajů ke konkrétnímu vrtu a stažení dat.

3) Data obdržíme v textovém souboru. U každého datasetu je popsáno, během jakého výzkumného projektu byla data pořízena, a níže je pak uvedeno, co je v jednotlivých sloupcích (včetně jednotek, v jakých jsou data uvedena).

Textový soubor, ze kterého získáváme data. 

4) Data dále zpracováváme v libovolném tabulkovém editoru (např. Excel). Proxy vizualizujeme prostřednictvím vhodného typu grafu.

Na obrázku je graf ukazující relativní změnu (od současného stavu) v obsahu izotopů ¹⁸O v ledu z grónského kontinentálního ledovce. Nízké hodnoty indikují chladná a suchá období. Na obrázku je zachyceno období od posledního glaciálního maxima (poslední období, kdy ledovce měly největší rozsah) až po konec pleistocénu (tedy poslední "doby ledové"). 

2) Analýza makrozbytků

Analýza makrozbytků (jedná se o odolné části rostlinných pletiv, jako jsou semena, větvičky, kousky kůry jehlice, je metodou, která je velmi vhodná, pokud chceme studenty prakticky seznámit s paleorekonstrukcí, kdy určujeme, jakým způsobem se měnily ekosystémy v okolí nějaké zazemněné (nebo zazemňované) nádrže. Části rostlin do nádrže spadly a jsou uloženy ve vrstvách (v sedimentech), které vždy odpovídají určitému období zazemňování nádrže. Studenti sami v rámci projektu poznají, jakým způsobem se takovéto paleorekonstrukce provádí a jak se okolí dané nádrže měnilo.

Pohled na zazemněnou nádržku, velmi vhodnou pro odebrání vpichovací  sondy

Proč makrozbytky?

Analýza proxy dat buď vyžaduje náročné laboratorní vybavení (například určení obsahu izotopů, složení plynů, podílu a charakteru prachových částic apod.), nebo značné teoretické a praktické znalosti (například provedení pylové analýzy, kdy musíme být schopni od sebe poznat různé druhy pylů, což je velmi náročné a vyžaduje dlouhodobou praxi). Stejně tak "skutečná" analýza makrozbytků vyžaduje mnohaleté zkušenosti. My ale nebudeme analyzovat vrt sahající tisíce let do minulosti. Najdeme si zazemněný nebo zarůstající rybníček nebo zarůstající říční rameno, kdy předpokládáme, že v sedimentech nalezneme části rostlin, které se nachází v okolí. Přesto je pravděpodobné, že les (tedy ekosystém lesa) se za dobu zazemňování nádrže měnil a my rozborem sedimentů tyto změny postihneme. Prvním krokem našeho projektu tedy není odběr vpichovací sondy a profilu sedimentů, ale průzkum a sběr vzorků (semen, částí kůry, větviček, jehlic, listů atd.) z dřevin v okolí nádrže a jejich určení. Tím zajistíme, aby studenti byli schopni poznat většinu makrozbytků, které v následně odebraném profilu najdou. Půjde o zbytky rostlin, s kterými se seznámí v aktuální (živé) podobě.

Odběr "jádra"

Po nalezení zazemněné nádrže a sběru a určení vzorků okolních dřevin (resp. rostlin) následuje odebrání vpichovací sondy. Studenty rozdělujeme do dvojic (skupin) a každá skupina si odebere vpichovací sondu z jiného místa. Sonda b měla být alespoň 1 m dlouhá a studenti odebírají asi 15 cm materiálu ze spodní, střední a horní části profilu. Vzorky jsou uloženy do igelitových pytlíků a pečlivě popsány. Takto pak jsou transportovány do laboratoře.

Odběr vpichovací sondy

Rozbor v laboratoři

Na realizaci projektu nepotřebujeme žádné náročné vybavení. Je třeba učebna s přístupem k vodovodu (vhodný je větší odtok, aby nedošlo k ucpání odpadu) a více umyvadel. Každá skupina pak bude potřebovat sítko (běžné kuchyňské silonové, s průměrem oka asi 1 mm), přes které se odebraný sediment propere. Očištěné oprané zbytky se analyzují, určují a zakreslují pod binokulární lupou. Pro každý vzorek se skupina snaží zjistit dominantní druhy (buky - bučiny, smrky - kulturní? smrčiny) apod. Zjišťují, k jakým změnám mezi jednotlivými vzorky (částmi profilu) došlo. Každá skupina pak nakreslí "svůj" profil na tabuli a společně hledáme shodné znaky. Ideální je (a při realizaci se to několikrát zdařilo), když jsou si jednotlivé profily podobné a odrážejí změny ekosystému v okolí nádrže.