Kosmické záření měří proměny povrchu Země

Ještě před několika dekádami bylo velmi obtížné přesněji odhadnout, kdy a jak rychle se některé části kontinentální kůry vyzdvihly, jak rychle (a jakým geologickým procesem) byly erodovány či kdy z nich ustoupilo zalednění. Měření kosmogenních nuklidů v půdě a horninách zásadně změnilo naše chápání tempa proměn zemského povrchu.

Při explozích supernov se po celém vesmíru rozptýlí proudy galaktického kosmického záření. Některé z těchto vysokoenergetických částic – většinou protony – dosáhnou zemské atmosféry a spustí kaskády tzv. sekundárního kosmického záření, které vyvolává jaderné reakce v půdě a horninách. Při těchto interakcích vznikají vzácné izotopy známé jako pozemské kosmogenní nuklidy, a to v extrémně malých množstvích: jen několik atomů na gram pozemského materiálu za rok.

Kosmické záření objevil rakouský fyzik Victor Hess, který v roce 1912 provedl řadu odvážných experimentů v horkovzdušném balonu ve výškách až pět kilometrů. Do té doby se předpokládalo, že toto záření vyzařuje Slunce nebo samotná Země, Hessova měření však ukázala, že záření sílí s rostoucí výškou nad zemí, a proto vysokoenergetické částice musejí pocházet z vesmíru. Za tento objev obdržel Hess v roce 1936 Nobelovu cenu.

Od osmdesátých let 20. století odborníci vyvíjeli metody, které využívají sekundární kosmické záření jako chronometr pro měření rychlosti vývoje zemského povrchu v časovém měřítku tisíců až milionů let. Kosmické záření produkuje velké množství kosmogenních nuklidů, ale jen některé z nich jsou užitečné pro datování v geologickém měřítku. Takové nuklidy musí splnit několik podmínek:

• jejich poločasy rozpadu jsou delší než několik let nebo jsou stabilní;
• jejich koncentrace v pozadí, které nejsou produkovány kosmickým zářením, jsou nízké;
• lze je nalézt v běžně se vyskytujících minerálech. Nejčastěji měřenými kosmogenními nuklidy jsou ¹⁰Be a ²⁶Al. Používají se také ³⁶Cl, ³He, ²¹Ne a in situ ¹⁴C – to je izotop ¹⁴C, který vzniká v křemeni (SiO2) a liší se od atmosférického ¹⁴C využívaného k radiouhlíkovému datování organického materiálu.

Jak ¹⁰Be, tak ²⁶Al vznikají v křemeni, jednom z nejrozšířenějších minerálů vyskytujících se na zemském povrchu. ¹⁰Be se na úrovni hladiny moře produkuje rychlostí asi čtyři atomy na gram křemene za rok a má radioaktivní poločas rozpadu asi 1,4 milionu let; rychlost produkce ²⁶Al je asi 28 atomů (na gram křemene za rok) s poločasem rozpadu asi 0,7 milionu let.

1. Vlevo: Řeka vytékající zpod laloku grónského ledovce v roce 2018, oblast fjordu Sermilik, východní Grónsko. Vpravo: Rokle vloženého údolí Harsprånget, severní Švédsko. Pro analýzu kosmogenního 10Be bylo odebráno pět vzorků horninového podloží ve svislém profilu okraje rokle (červené kroužky). Skandinávský ledový štít odtud ustoupil přibližně před 10 000 lety. Vložený graf ukazuje výsledná stáří odkrytí povrchu pro jednotlivé vzorky z hlediska jejich odchylky (v tisících let ±1σ) od doby deglaciace. Vzorky ukazují v podstatě stejné načasování odkrytí povrchu, což naznačuje, že rokle se vynořila zpod ledu již plně zformovaná, a nedošlo tedy k jejímu postupnému vyhloubení po ústupu ledovce. Stejný výsledek přineslo datování expozice povrchu v šesti dalších roklích v severním Švédsku.

Podle John D. Jansen et al., Nat. Commun. 2014, DOI: 10.1038/ncomms4815.

Nuklidy a datování zemského povrchu

Datování pomocí kosmogenních nuklidů vychází z poznání dvou jevů:

• rychlosti produkce nuklidů na zemském povrchu,
• útlumu tvorby nuklidů s hloubkou v půdě nebo hornině.

V prvním případě je akumulace kosmogenních nuklidů na povrchu klíčová pro „datování povrchové expozice“, což je široce používaná metoda pro určení doby ústupu ledovců (tj. deglaciace) na konci poslední doby ledové. Tento přístup předpokládá, že šířící se ledovce počátkem zalednění odnesly veškeré 10Be, které se nahromadilo během předchozích bezledových intervalů. Když led ustoupí a povrch krajiny již není stíněn, nové vystavení kosmickému záření vytvoří atomy 10Be v koncentracích odpovídajících době, která uplynula od deglaciace.

Druhý případ je základem pro kvantifikaci rychlosti eroze povrchu. Rychlost produkce nuklidů klesá exponenciálně s hloubkou. V případě skalního podloží se rychlost produkce snižuje na polovinu přibližně každých 40 cm hloubky pod povrchem země (funkce hustoty prostředí). Kvantifikace velikosti a časového průběhu povrchové eroze je náročná, protože zahrnuje měření tloušťky vrstvy půdy nebo horniny, která již neexistuje. Nejpřesnější odhad zde poskytuje dvojice kosmogenních nuklidů.

Využití obou uvedených přístupů ilustrují dva příklady z našeho nedávného výzkumu. V těchto studiích byly kosmogenní nuklidy úspěšně použity k zodpovězení nevyřešených otázek týkajících se vlivu poslední doby ledové na utváření reliéfu (příklad 1) a vlivu raného zemědělství na udržitelnost půdy (příklad 2).

Řeky pod ledovým štítem

Navštívíte-li v teplém období velký ledovec, ohromí vás obrovské množství vody a sedimentů, které se zpod čela ledovce valí (na s. 428 obr. 1 vlevo). Takové řeky často pod ledem tečou v erozních údolích anglicky označovaných jako „inner gorges“, proříznutých hlouběji než široká ledovcová údolí (tzv. trogy) vyhloubená ledem. (Český převod „vložená údolí“, který tu užíváme, se snaží vystihnout skutečnost, že užší údolí je „vloženo“ do širšího ledovcového údolí s typickým průřezem ve tvaru „U“.) Vznik vložených údolí je předmětem dlouholeté debaty o erozní účinnosti vody ve srovnání s erozí vzniklou samotným ledovcovým ledem. Koncentrace sedimentárních částic naměřené v ústí subglaciálních toků svědčí o významné subglaciální erozi. Otázkou však zůstává, jak velká část je dílem subglaciální eroze způsobené ledem a jak velká část vodou tekoucí pod ním.

Vznik vložených údolí lze vysvětlovat několika různými procesy:

• subglaciální erozí způsobenou pohybem ledu po skalním podloží;
• erozí podloží způsobenou řekami existujícími v meziledových obdobích;
• opakovanou erozí v průběhu několika ledových období. Jak bylo pozorováno v evropských Alpách, vložená údolí se mohou během postupu ledovce ucpat sutí, jež je později vypláchnuta řekami, které se postupně zařezávají do skalního podloží.

V naší studii jsme použili datování expozice povrchu v sedmi údolích podél 500 km dlouhého okraje bývalého skandinávského ledovcového štítu v severním Švédsku. Cílem bylo ověřit, zda vložená údolí představují staré zděděné tvary reliéfu, nebo byly vyhloubeny subglaciálně, či zda řeky aktivně přispívaly erozi po ústupu ledu před přibližně 10 000 lety. Pokud by vložená údolí vznikla ještě před zaledněním, horniny v jejich úbočí by obsahovaly atomy ¹⁰Be nahromaděné během předchozích (bezledových) intervalů. Pokud však vznikly pod ledem, obsahovala by jejich úbočí pouze atomy ¹⁰Be nahromaděné od doby, kdy ustoupil poslední led a poprvé vystavil skalní podloží kosmickému záření. Třetí možnost, rychlá eroze řekami po ústupu ledovců, by vedla k tomu, že doba povrchové expozice by se ve vertikálním směru zkracovala směrem dolů do rokle.

2. Údolí Harsprånget (známé také pod sámským názvem Njommelsaska), osvětlené polární září, jak je v barevné litografii zachytil Carl Svante Hallbeck v roce 1856. Přestože se zdá, že zde musí probíhat mohutná říční eroze, náš výzkum ukázal, že strmá soutěska se vynořila téměř zcela zformovaná zpod ustupujícího ledového štítu před 10 tisíci lety a od té doby se její dno zařízlo již jen pár metrů do skalního podloží.

Jak ukazuje obr. 1 vpravo, data ze stěn údolí nesvědčí o předchozí expozici, a lze tedy usuzovat, že se tento erozní reliéf vynořil zpod ledu v podstatě ve stejné podobě, jakou má dnes, a nepochází tedy z doby předglaciální. Naše studie tak došla k závěru, že vložená údolí mohou potenciálně vznikat pod ledovci, a absence postglaciální říční eroze ve studovaných lokalitách naznačuje, že klíčovou hnací silou prohlubování údolí během několika glaciálních cyklů je eroze vodou proudící pod ledovcem, nikoli řekami působícími během teplých interglaciálů.

Má antropocén počátek v neolitickém zemědělství?

Pojem „antropocén“ je v posledních dekádách užíván pro označení nové geologické epochy (viz též Vesmír 95, 146, 2016/3), v níž lidské aktivity dominují fyzikálním a chemickým interakcím na zemském povrchu. Většina vědecké pozornosti se soustředila na změny v zemské atmosféře z hlediska klimatu. Nástup antropocénu se běžně připisuje buď průmyslovému věku, nebo zrychlení industrializace po druhé světové válce. Někteří vědci, včetně významného klimatologa W. F. Ruddimana, zastávají tzv. „hypotézu raného antropogenního vlivu“, která poukazuje na zvyšování hladiny oxidu uhličitého a metanu v atmosféře před několika tisíci lety, kdy lidé poprvé vykáceli lesy pro chov dobytka a pěstování plodin.

Udržitelnost půdy je funkcí dlouhodobé rovnováhy mezi produkcí a erozí půdy v daném klimatu a geologické stavbě. Zabývali jsme se stabilitou půdního pokryvu na Altiplanu v centrálních Andách v době, kdy tam kočovní lovci a sběrači přešli k raným formám zemědělství. Tato oblast je z hlediska archeologie a vývoje klimatu intenzivně studována, ale vývoji půdního pokryvu v nedávné minulosti dosud nebyla věnována potřebná pozornost.

Kosmogenní ¹⁰Be a ²⁶Al nejsou vzhledem ke svým relativně dlouhým poločasům rozpadu dostatečně citlivé na to, aby zaznamenaly dynamiku povrchové eroze za posledních několik tisíc let. Pokud však do analýzy začleníme in situ ¹⁴C s poločasem rozpadu přibližně 5700 let, můžeme zkoumat kratší časové úseky.

3. Nahoře: Jedna ze vzorkovaných lokalit na hřebeni výšiny, dříve obdělávané raně neolitickými zemědělci; povodí řeky Belén, jižní povodí Titicaca, Bolívie.

Dole: Výsledky dvou modelových scénářů: A. „skoková změna“ v rychlosti eroze (rychlosti ε₁ až ε₂) a B. izolovaný náhlý skok v jinak neměnné erozní rychlosti (ε_const), který vede k rychlému krátkodobému úbytku půdy a je následován návratem k původní rychlosti eroze. Graf nalevo znázorňuje poměr rychlostí eroze ε₂/ε₁, zatímco graf napravo ukazuje snížení povrchu v důsledku eroze půdy v metrech (viz Hippe et al., Nat. Commun. 2021, DOI : 10.1038/s41467-021-22825-6). V nejteplejších barvách jsou v grafech dole znázorněny oblasti nejpravděpodobnějších řešení a na osách grafů odpovídající hodnoty věku a rychlosti procesu.

V naší studii jsme měřili in situ ¹⁴C, ²⁶Al a ¹⁰Be ve vzorcích půdy a hornin z vrcholků kopců, které byly dříve obdělávány neolitickými zemědělci (obr. 3 nahoře). Poté jsme porovnali záznam krátkodobé eroze s dlouhodobou rychlostí produkce půdy na základě ¹⁰Be naměřené v širším měřítku v celém centrálním Altiplanu. Vzhledem ke komplikovanému postupu analýzy naměřených dat, na jehož vysvětlení zde není prostor, v obr. 3 dole ukazujeme jen výsledky modelování, které pomocí tzv. metody Monte Carlo s Markovovým řetězcem simuluje různé scénáře historie eroze, kompatibilní s množstvím nuklidů naměřených ve vzorcích. Naše výsledky (obr. 3 dole) vycházejí ze dvou potenciálních scénářů:

• zrychlení eroze půdy o 1–2 řády mezi lety 2600 a 1100 před současností,
• náhlá událost, při níž došlo k redukci půdního profilu o 1–2 metry půdy v období před 1900 až 1100 lety. Na základě našich dat nemůžeme mezi těmito scénáři rozlišit, ale oba znamenají ztrátu půdy katastrofického rozsahu.

Paleoklimatické a archeologické studie z této oblasti ukazují, že v době zhruba před 4500 lety zde nastal posun k vlhčímu klimatu, následovaný nástupem neolitického zemědělství zhruba před 3750 až 2940 lety. Toto načasování by znamenalo prodlevu několika staletí nebo až 1000 let mezi nástupem zemědělství a epizodou nevratné ztráty půdy. Hlavním závěrem našeho výzkumu zde je, že katastrofální eroze půdy v andském Altiplanu následovala s největší pravděpodobností po přechodu místních populací k ranému zemědělství. Tento výsledek přináší další podporu názoru, že již v neolitu, tisíce let před průmyslovou érou, činnost člověka silně ovlivňovala jeho prostředí.