Cyklostratigrafie

V šedesátých letech minulého století si astronomové začali všímat, že určité malé, ale někdy liniově do paralelních žeber uspořádané oblasti na Slunci pulzují v základním rytmu asi pěti minut. Trvalo to dalších zhruba patnáct let, než se ukázalo, že se jedná o uvězněné zvukové vlny, které způsobují rezonanci celého tělesa. Vypadalo to úplně bizarně – Slunce jako velký, z hlediska zvukových vln „dutý“ hudební nástroj, který rezonuje jako tělo na kytaře.

Helioseismologie – Slunce jako hudební nástroj

V hudbě slyšíme rytmické změny, jejichž trvání bývá méně než sekunda, ale nejsilnější sluneční rytmus trvá několik minut a odehrává se ve čtyřech oktávách s maximem soustředěným do jedné oktávy. Běžná konverzace má úroveň asi 60 decibelů, ale na Slunci – kdyby bylo možné stát na jeho povrchu – dosahuje asi 180 decibelů (pozn. red.: to je rozdíl dvanácti řádů (!) v akustickém výkonu). Jenže stejně bychom neslyšeli nic, protože kolem Slunce je vakuum. Místo naslouchání Slunci proto pozorujeme rytmické pohyby na jeho povrchu, které jsou způsobeny stlačováním a rozpínáním slunečního plynu, podobně jako zvuk flétny vzniká střídáním dechů, což je pohyb různě rychlého a hustého vzduchu tělem nástroje. Stlačování a rozpínání je doprovázeno malými změnami podélné rychlosti plazmatu a teploty, takže některé metody zaznamenávání sluneční akustiky jsou založeny právě na těchto měřeních.

Akustický tok slunečních oscilací se pohybuje mezi 30–300 watty na metr čtvereční, což je takový výkon, že zvukové vlny můžeme vidět! Slunce stárne a vyvíjí se. Zvukově se to dá zaznamenat na nejnižší sluneční frekvenci, která každých šest milionů let klesá o pouhou jednu miliontinu hertze.

Dopad akustického výzkumu je obrovský. Vnitřek Slunce byl pro nás vždycky neznámou oblastí. I obyčejnému fotonu to trvá 100 tisíc let, než si skrze „houštinu“ dalších částic nalezne cestu ze středu hvězdy k jejímu povrchu. Jediná neutrina si z turbulentních slunečních podmínek nic nedělají, ale dají se jen obtížně zachytit. Projevy zvukových vln tak představují jediný průběžný signál, který máme o vnitřních procesech k dispozici. Je to podobná situace, jako když se „díváme“ do středu Země. Daří se to buď díky zemětřesením, anebo pokusným výbuchům. V obou případech tlaková vlna, která se v tom pozemském nešíří plynem, ale hmotou, stlačuje a uvolňuje horniny, zpomaluje se a deformuje, a jen díky tomu máme určitou představu o vnitřní struktuře obou těles.

Buližníky v Ládví byly vystavené druhohornímu i třetihornímu zvětrávání, proto na nich můžeme pozorovat různé struktury rozpouštění včetně voštin odhalujících rytmickou paralelní strukturu.Snímek Václav Cílek

Ve vltavském údolí u Štěchovic pozorujeme zhruba třicet poměrně pravidelných sedimentárních cyklů, které pravděpodobně odpovídají podmořským sesuvům na okraji kontinentálního svahu. Proč k nim došlo? Možných odpovědí je několik: při pravidelném přínosu materiálu se svah utrhne, ale pravděpodobnější jsou změny výšky mořské hladiny následkem ledové doby odehrávající se mimo sledované území.Snímek Václav Cílek

Na Zemi se tomuto oboru říká seismologie, a tak se pro Slunce analogicky ujal název helioseismologie. Víme, že ve vnitřní části Slunce převládá radiální pohyb, ale výš nalézáme sféru, kde je dominantní konvektivní proudění udržované silou gravitace a koloběhem chladnoucí hmoty. Avšak blízko slunečního povrchu se částice od gravitace osvobozují a opět zde převládá radiální pohyb všelijak deformovaný magnetickým polem Slunce.

Zemské magnetické pole je oproti slunečnímu průzračně jednoduché. Na Slunci pozorujeme složitou hierarchickou strukturu různě hlubokých polí, která se zásadně proměňují v rámci průměrně jedenáctiletého cyklu sluneční aktivity. Tento cyklus, poprvé popsaný už v roce 1843, se jmenuje Schwabův cyklus podle svého objevitele Samuela Heinricha Schwabeho. Jednotlivé cykly však mají poměrně velké rozpětí od 5,6 do 16 let. Počátkem 20. století ukázal George Ellery Hale, že sluneční skvrny představují oblasti s tak silným magnetickým polem, že magnet ve vašem počítači má sílu sotva pár procent ve srovnání s těmito oblastmi velikosti Země.

Haleův cyklus je složen ze dvou Schwabových cyklů. Projevuje se změnou magnetické polarizace Slunce. K tomu sice dochází také na Zemi, ale nepravidelně a po milionech let. Ještě o něco později podle rozložení skvrn Richard Carington zjistil, že sluneční rovník rotuje rychleji než vyšší šířky. Povrchová měření slunečního magnetického pole ukazují, že paměť dřívějších cyklů přetrvává v hlubších částech konvekčního systému.

Kdybychom chtěli chování Slunce nějak popsat, asi bychom se nevyhnuli slovům zářivost, rezonance, paměť, kontinuita, rytmus a pravidelnost. Jenže právě v posledním slově se může skrývat past, protože Slunce pozorujeme tak krátce, že je vlastně neznáme. Víme, že v obdobích slunečních minim bývá – jako v některých obdobích „malé doby ledové“ – chladnější počasí, ale nevíme proč, protože změny sluneční aktivity jsou příliš malé. Rovněž jsme vypozorovali, že některé extrémní stavy, jako třeba středoevropské povodně, častěji přicházejí v deseti- či jedenáctiletém cyklu. Země Slunci odpovídá, ale tomu je to vcelku jedno.

V detailu jde o dublety drob a břidlic, které se podobají strukturám na Barrandově skále s tím rozdílem, že české proterozoikum není vyvinuto v karbonátové facii, místo které jsou zde zastoupené pískovce a jim příbuzné droby.Snímek Václav Cílek

Pražské Ládví je sice poničené lomy, ale jinak je to skvělý geologický terén. Jeho vrcholová partie představuje abrazní plošinu druhohorního moře. Je lemována skalkami omlácenými mořským příbojem.Snímek Václav Cílek

Kosmické rytmy jsou překvapivě běžné

My lidé máme se Sluncem jen letmou známost, ale planeta Země na ně reaguje přinejmenším od nejmladšího proterozoika, tedy kolem 600 milionů let. Svá pozorování zapisuje do vrstev. Někdy je poznáme na první pohled, když pohlédneme na pravidelně se opakující vrstvy. Země je oproti Slunci chaotičtější, méně rezonanční a spíš podléhá evoluci než „věčnému návratu ke kosmickému rytmu“, takže dlouhodobé pravidelné, ale oscilující procesy, jako je ukládání sedimentů, mají většinou kosmický původ. Na Zemi jsou překvapivě časté.

Díváme-li se na Barrandovu skálu, na některý z mnoha vápencových silurských profilů v Kosově či Kosořské rokli nebo na ordovické vrstvy letenského souvrství, jak je známe třeba z Vyšehradu či Klárova, vidíme nejenom vrstvy, ale rovněž nějaký typický vzor či rytmus. Na mnoha místech jsou vrstvy zhruba stejně mocné a opakují se. Skoro vždy je jejich pravidelnost nějak narušena, ale i úplně obyčejným zrakem za ní vnímáme nějaký proces. Desítky nad sebou ležících vrstev o podobné mocnosti a oddělené podobně vypadajícími vložkami břidlic nemohly vzniknout náhodou, ale díky nějakému vyššímu řádu či zákonu. Ptáme se: Co je vrstva a jak vzniká? Jak dlouho se usazuje? Jaký řád přírody vytvořil celé skupiny podobně vypadajících vrstev?

Vrstva je ploché sedimentární těleso, které je od jiných vrstev odděleno jasně patrnou mezivrstevní plochou. Může vzniknout mnoha procesy, například přerušovanou sedimentací. Silný mořský či říční proud nanese vrstvu písku, pak zeslábne a nakonec už jenom ze suspenze vypadávají jílové minerály. Jenže mnoho vrstev se sice usadí, ale v závěru procesu je opět erodováno, takže se z vrstvy nakonec zachovalo jen torzo. Nejlepší sedimentární záznam známe z jemných sedimentů hlubokého moře. Zde však panují tak vyrovnané podmínky, že část klimatických a environmentálních změn postihující silně oživenou pobřežní část světa se téměř neprojeví.

Klasickým terénem pro studium proterozoika je Modřanská rokle, jejíž lomové výchozy jsou tvořené mocnějšími lavicemi drob oddělených jemně laminovanými břidlicemi.Snímek Václav Cílek

Některé vrstvy se už usadily jako vrstvy, ale jiné vznikaly až při zpevňování původně sypkých materiálů. Tlak nadložních vrstev vypuzoval vodu, která využila nepravidelnosti ve složení sedimentů a unikala plochými trhlinami, do kterých někdy vnášela jílové minerály. Jejich polohy se dnes jeví jako mezivrstevní plochy. Pokud byla voda vypuzována z porézních vrstev, jako jsou pískovce české křídové pánve, nepotřebovala vytvářet zóny soustředěného odtoku, a tím ani mezivrstevní plochy, takže křemenné pískovce nejčastěji vystupují jako masivní bloky hornin.

Disciplína, která zkoumá rozsah a ekologický význam jednotlivých vrstev, se nazývá stratigrafie (stratum je vrstva). Některé vrstvy třeba v zaplňující se jezerní pánvi po sobě následují v určitém sledu. Procesy, které vytvářejí celá a nějakým příčinným procesem spjatá souvrství, se zabývá tzv. sekvenční stratigrafie. Pravidelné střídání vrstev, jež téměř vždy odrážejí nějaký kosmický signál, zkoumá cyklostratigrafie. Ta obvykle pracuje s dublety vrstev, tedy s opakující se dvojicí různých hornin, jako jsou břidlice a vápence, anebo se vzácnějšími cyklickými pakety více vrstev.

Sedimenty, které se usazují blízko pobřeží, bývají ovlivněny skočnými přílivy a bouřemi. Jsou epizodické a stratigraficky děravé. Setkáváme se s odhady, že tato souvrství zachycují kolem 5 % původní situace a že pánem zde byla eroze, nikoliv akumulace. Barrandien má to štěstí, že právě ve významných předělech mezi silurem a devonem se většina zachovalé sedimentace odehrávala v mělkém karbonátovém moři. Pro středočeské lokality je typické střídání tenkých šedých břidlic a tenkých vrstev vápenců, tak jak je známe např. z Barrandovy skály. I ve světovém měřítku se jedná o nejběžnější případ, a křídových sekvencí západní Evropy.

Velmi pravděpodobně jsou vápencové a břidličné dublety výsledkem oceánských redox cyklů, kdy nedostatek kyslíku na dně hlubokého oceánu odpovídá minimální tvorbě karbonátu na šelfu. Ukazuje se, že cyklické fenomény se častěji odehrávají za teplého a vlhkého klimatu, kdy se víc vody odpařuje a víc vody vyprší, takže by měly souviset s globálním hydrologickým cyklem. V případě letenského souvrství z Vyšehradu či Klárova se může jednat jen o cykly trvající několik desetiletí, které by mohly odpovídat dnešním oscilacím Tichého a Atlantského oceánu, jež trvají právě několik desetiletí (tzv. tichomořské desetileté oscilace PDO a atlantická dlouhodobá oscilace AMO, viz Vesmír 89, 372, 2010/6). Tyto klimatické epizody známe i z vrtů do grónského ledovce. U dublet vápencového souvrství se však musí jednat o zásadní proměnu mořského proudění, k jaké ve čtvrtohorách dochází například při střídání ledových a meziledových dob.

Nejvýznamnější formací celé Prahy je ordovické letenské souvrství, které tvoří např. Vyšehrad, Pražský hrad či Černou skálu v Libni (na obrázku). Jedná se o rytmické souvrství původně jílů a písků, které se usazovaly při ústí velké řeky. Na velkých odkryvech, jako např. na Kazíně, vidíme několik set vrstevních dublet, které možná odpovídají současným dekadálním oscilacím Tichého a Atlantského oceánu.
Snímek Václav Cílek

Co má společného Barrandova skála a střídání dob ledových?

Už Charles Lyell a po něm James Croll v 19. století navrhovali, že změna dráhy Slunce má vliv na geologické procesy na Zemi, ale teprve srbský matematik Milutin Milankovič po roce 1914 spočítal sluneční cyklicitu. Zjednodušeně jde o to, že Země obíhá kolem Slunce po dráze, která se mění z téměř kruhové na eliptickou každých 100 tisíc let. Kromě toho v cyklu trvajícím přibližně 40 tisíc a 20 tisíc let se naklání a rotuje zemská osa. Tyto základní tři cykly se skládají a projevují se v množství energie dopadající na více či méně klimaticky citlivé části zeměkoule.

Ve čtvrtohorách je zemský systém tak vyladěn, že cyklus nejprve 40 tisíc let a později 100 tisíc let vede k příchodu ledových dob. Ke změně této cyklicity došlo pravděpodobně v okamžiku, kdy ledové štíty polárních oblastí narostly do takové míry, že jejich teplotní setrvačnost překryla kratší sluneční cyklus. Celé záležitosti byly věnovány tisíce publikovaných prací, ale nyní nás zajímá něco jiného: Jak se uplatňují Milankovičovy cykly v jiných geologických obdobích, kdy kontinenty ležely úplně jinde, a proto se i mořské proudy, a tím i klima, chovaly jinak?

Věc má dalekosáhlé důsledky. Dřívější ledové doby pravděpodobně nebyly období homogenně promrzlé Země, ale už tehdy měly střídavý charakter Milankovičových změn. Trvale zamrzlá Země potlačuje evoluci, střídavé podmínky naopak evoluci stimulují. Chaotické klima životu nepřeje, ale pravidelné rytmické (rezonanční) změny mohou vést ke vzniku adaptačních mechanismů. To vše nejspíš sehrálo svoji roli v kambrické explozi i ordovické biodiverzifikaci. A je tady další významný jev. I kdyby se na našem území nezachovaly žádné ledovcové usazeniny, neznamená to, že biota nebyla postižena klimatickými změnami v polárních oblastech. I geograficky vzdálená ledová doba mění globální klima, váže vodu do ledovců, snižuje hladinu světového oceánu a prostřednictvím mořského proudění i toky živin, kyslíku a energií.

Je proto pravděpodobné, že v českém proterozoiku, kambriu, ordoviku a dalších obdobích musíme počítat s oscilačním chodem zemského systému, který může mít na pevnině charakter střídání vlhkých a suchých období a v moři podobu redox cyklů. Sedimentace vápenců ve čtvrtohorách ukazuje maxima v dobách nízké excentricity oběžné dráhy, a zejména když se afélium (největší vzdálenost od Slunce) vyskytuje v létě. Přeloženo do biologického jazyka, vápnitým řasám a podobným organismům se tak nejlépe daří v dobách nejmenších rozdílů mezi ročními obdobími. Tehdy jsou nejmenší rozdíly mezi oběma polokoulemi a pravidelné zonální větry (větry směřující od západu k východu) dobře promíchávají horní část světového oceánu.

Ivo Chlupáč a po něm další badatelé našli 450 vrstevních kupletů v lochkovských vápencích, 380 kupletů ve vápencích pragu a další stovky v dalších vápencových formacích. Začátky a konce stratigrafických období jsou dobře datovány, eroze asi nebyla velká, a tak každý kuplet, na Barrandově skále to je asi 20–30 cm, odpovídá asi 17–20 tisícům let. Slunce však není jednoduchý strojek, ale spíš hierarchicky uspořádaný systém mnoha procesů, a tím i řady rytmů. Globálně se v sedimentárním záznamu nejčastěji uplatňují cykly o délce trvání 20, 40, 100 a 405 tisíc let. V okolí Prahy lze odlišit až 14 megacyklů o délce 405 tisíc let a až kolem 400 kratších cyklů o délce asi 20 tisíc let. V této době a na tomto místě byla Země vůči Slunci skutečně pozorná, a to hlavně díky tomu, že moře siluru a devonu měly tu správnou (nevelkou) hloubku, ve které byly klimatické změny patrné a zároveň je neničily bouře.

Vápence v okolí Barrandovy skály představují evropsky jedinečný přes 2 km dlouhý profil silurem a devonem, na kterém se dá nalézt celá hierarchie slunečních cyklů od krátkodobých halštatských cyklů trvajících 2500 let až po cykly trvající 2,5 milionu let. Je to druh seismografu, velká kronika interakcí mezi Sluncem a Zemí.Snímek Václav Cílek

Cyklománie

V roce 1801 navrhl astronom a objevitel infračerveného záření William Herschel, že mezi počasím a sluneční aktivitou existuje souvislost. Velice záhy se hledání cyklů stalo velkou módou, která pokračuje dodnes. Norman Lockyer v knize Contributions to Solar Physics z roku 1874 ironicky píše: „V meteorologii i v astronomii je nejdůležitější věc ulovit cyklus, a když ho nenajdete v mírném pásmu, běžte do ledových zón a hledejte, a když naleznete, tak se jej držte a zkoumejte, co znamená…“ Cykly by nám třeba mohly odhalit a předpovědět řád světa. Počítače sice „lov na cykly“ usnadnily, ale také vlivem šíře statistických metod zamlžily a vnesly do věci různé nové prvky.

Záhy se začalo počítat s cyklem 35 let (E. Bruckner, 1890) a mnoha kratšími i delšími cykly. Novější výzkumy na středočeských lokalitách odkryly cykly delší než milion let. Ze světa bylo popsáno víc jak dvacet dalších cyklů, ale většina z nich se nedá astronomicky vysvětlit. Zdá se, že významný je cyklus o délce trvání 2,4 milionu let, ale i ten může být modulován dalšími vlivy. U slunečních cyklů se totiž uplatňují, skládají či ruší, tři základní složky. Tou první je vnitřní dynamika Slunce, která přece jen, jak ukazuje i helioseismologie, mírně kolísá. Druhým faktorem jsou Milankovičovy parametry vzájemné pozice Země a Slunce a třetím hlavním faktorem je pravděpodobně vliv hmotných planet, hlavně Saturnu a Jupitera, které Slunce vychylují z těžiště Sluneční soustavy.

Lom na Kosově u Králova Dvora v současnosti představuje v Evropě jeden z nejvděčnějších geologických a paleontologických profilů Barrandienu.Snímek Václav Cílek

Magnetická cyklostratigrafie

Zatímco u běžně aplikované cyklostratigrafie se měří mocnost dublet na dlouhých profilech např. mezi Barrandovským mostem a Malou Chuchlí, tak kratší cykly se zjišťují v kroku někdy jen několika milimetrů. Nejjednodušší je měřit magnetické vlastnosti horniny, jiné metody jsou založené např. na zjišťování obsahu titanu, který indikuje intenzitu přínosu z pevniny a souvisí s terestrickým vodním cyklem.

Magnetické vlastnosti sedimentů se již od proterozoika cyklicky (ale jen na některých lokalitách) proměňují v dobře známé škále 20–405 tisíc let. V profilech pod Barrandovem však byly rovněž zjištěny dva další významné kratší cykly. Patří mezi ně cyklus o trvání asi 1500 let a delší halštatský cyklus v trvání 2400–2600 let. Pro kratší cyklus jsou typické tzv. Dansgaardovy-Oeschgerovy oscilace, které během poslední doby ledové způsobovaly epizody náhlého oteplení a ochlazení až o 10 °C. Ve zmírněné formě tzv. Bondových cyklů pokračují i do holocénu, kde ovlivňují cykly primární produktivity, tedy i množství potravin, a v některých případech vedly ke kolapsům či turbulentním proměnám civilizací.

Halštatský cyklus byl objeven a popsán v časopise Nature Jamesem Brayem až v roce 1968, a to na základě změn šířky letokruhů, velikostí alpských ledovců a obsahu radiokarbonu ve stromech. I tento poněkud nepravidelný cyklus je kladen do souvislosti se sluneční aktivitou a zároveň změnami klimatu. V rozsáhlé a často si protiřečící literatuře na toto téma se např. za začátek předposledního halštatského cyklu považuje velké, tzv. Homérské minimum temných století počátků evropské civilizace pozdní doby bronzové a za jeho konec malá doba ledová. Je zvláštní, že byl rozeznán i z devonských vápenců pod Barrandovem.

Co to je? Odraz kmenů topolů deformovaný příčným vlněním Labe u Poděbrad. Výsledná struktura se nápadně podobá některým horninovým prostředím. Pravidelnost je zde dána tím, že stromy (tlusté čáry) rostou zhruba stejně daleko od sebe a že vlny mají určitou navzájem interferující velikost.Snímek Václav Cílek

Hodně složitá muzika zvláštního tance mezi nebem a zemí

Helioseismologie odkryla „hudbu“ Slunce se základním rytmem pěti minut. Astronomové pozorováním počtu slunečních skvrn objevili jedenáctiletý Schwabeův cyklus a dvaadvacetiletý Haleův sluneční cyklus. Milankovič vypočítal cykly trvající 20, 40 a 100 tisíc let a geologové zjistili, že poslední skoro tři miliony let řídí pozemské klima. Stratigrafové odkryli ještě delší cykly a prokázali, že Zemi viditelně a výrazně ovlivňují nejméně 600 milionů let. Biologové díky tomu museli začít předpokládat, že oscilace a rytmičnost, s jakou se mění klima, výšky moře či chemismus oceánů, musí být součástí evoluce. Archeologové byli postaveni před otázku, nakolik je tato evoluce součástí velkého civilizačního cyklu, a tím i naší budoucnosti.

Buď má pravdu Svensmarkova hypotéza, podle níž úroveň sluneční aktivity řídí pronikání vysokoenergetického kosmického záření do atmosféry, kde urychluje tvorbu mraků, a tím ochlazuje povrch Země, anebo jsme někde něco přehlédli. Změny na Slunci vyjádřené ve wattech na metr čtvereční dopadající energie se zdají být příliš malé na to, aby měly tak obrovské dopady, jako je růst či ubývání kontinentálních ledovců. Stačí se projít kolem Prahy – do proterozoické Modřanské rokle, na ordovický Vyšehrad, kolem dlouhých devonských a silurských profilů podél Barrandovy skály, do lomů na Požárech v Dalejském údolí či do pleistocenní sprašové rokle v Zeměchách, abychom viděli, že kosmické rytmy, a to nejméně od vzniku prvních větších tvorů, jsou v životě Země běžné a všudypřítomné. Možná to je záhada, možná to je útěcha či snad náznak toho, proč jsou rytmus a hudba v našem životě tak důležité.

Barokní fresky z katedrální stavby v Sedlci u Kutné Hory ukazují zelenou Zemi obklopenou modrým ovzduším posetým klenbou hvězd. Kolem Země se pozvolna otáčí pás hvězdných znamení. Cyklický čas křesťanských a starších kultur jsme zaměnili za lineární evoluční čas, ale obojí je věčně přítomné.Snímek Václav Cílek