Korálová sclerochronologie

Jak korálová kostra uchovává záznam moře

Korálová sclerochronologie zkoumá růstové vrstvy korálových koster, přiřazuje jim dobu vzniku a z jejich vlastností zjišťuje podmínky, ve kterých korál žil. Umožňuje tak rekonstruovat minulou teplotu i další vlastnosti mořské vody. Zde vysvětlíme určování teploty z poměru stroncia a vápníku v kostře. Postup budeme sledovat na dlouhověkém korálu Diploastrea heliopora z Fidži. (Lawmanová a NCAR 2023) (D’Olivo a kol. 2024)

Co se ukládá při růstu

Mohutnou korálovou kolonii tvoří drobní živočichové, polypi. Na povrchu společné kostry vytvářejí další pevnou hmotu. Ta je tvořena převážně aragonitem, jednou z krystalických forem uhličitanu vápenatého. Nová kostra přirůstá k té starší, takže směrem dovnitř kolonie zůstávají zachovány postupně starší části. Dlouhověký korál může tímto způsobem uchovat několik století růstu. (Lawmanová a NCAR 2023, vznik korálového záznamu)

Během roku se mění způsob, jakým korál kostru buduje. Vznikají úseky s větším a menším množstvím pevné hmoty ve stejném objemu, tedy s vyšší a nižší hustotou. Na rentgenovém snímku se projeví střídáním pásů. Dvojice pásů vyšší a nižší hustoty představuje roční přírůstek. Tato opakující se stavba umožňuje sestavit kalendář růstu. (USGS: roční pásy korálové kostry)

Kostra současně uchovává chemické složení materiálu, který při růstu vznikl. Vedle vápníku se do ní zabudovává malé množství stroncia. Oba prvky mají podobné chemické vlastnosti a stroncium může v krystalové struktuře obsadit místo vápníku. Při vyšší teplotě se v těchto korálech zpravidla zabudovává méně stroncia v poměru k vápníku. Poměr označovaný Sr/Ca proto s oteplením klesá. Spojením chemického rozboru s kalendářem vrstev získáme záznam, který lze porovnat s teplotou vody. (USGS: princip korálového Sr/Ca)

Odběr a příprava korálového jádra

Pro dlouhý teplotní záznam vybíráme mohutnou kolonii se souvisle zachovanou kostrou. Vrt vedeme ve směru jejího hlavního růstu, aby protínal po sobě následující přírůstky. Podvodní vrtačka s dutou korunkou odebírá váleček kostry, kterému říkáme korálové jádro. Takový odběr provedla expedice Paleofiji v roce 1998 u ostrova Kanathea. Ze živého korálu v hloubce tří metrů získala jádro označené F14. (D’Olivo a kol. 2024, odběr a příprava F14)

V laboratoři se z jádra podélně odřízne deska. Její řez odhalí růstové vrstvy a poskytne přístup k materiálu různých let. U F14 měla deska tloušťku přibližně 1,1 centimetru. Po vyčištění a vysušení ji badatelé rentgenovali. Na snímku se ukázaly pravidelně se střídající pásy hustoty, podle kterých mohli postupovat od mladé části ke starší. (D’Olivo a kol. 2024, Coral collection and preparation)

Jak vrstvy dostanou letopočet

U korálu živého v době odběru známe datum nejmladšího povrchu. Od něj počítáme roční přírůstky směrem do minulosti. Na každém úseku tak určujeme, kterému roku odpovídá. V jádře F14 počítali pásy opakovaně dva lidé. Po chemickém rozboru připojili také sezónní kolísání Sr/Ca, které zachycuje střídání teplejší a chladnější části roku. Ve společném období je porovnali s průběhem měřených teplot. (D’Olivo a kol. 2024, Chronology)

Výsledkem je vztah mezi polohou v jádře a časem. Díky němu dostane každý pozdější chemický údaj své místo v kalendáři. Roční vrstvy nemusejí být stejně silné, proto stejná vzdálenost podél jádra nemusí představovat stejně dlouhou dobu. U F14 poskytlo datování úplné roky 1370 až 1997. Rozpracovaný přírůstek roku odběru 1998 autoři do ročního záznamu nezařadili. (D’Olivo a kol. 2024, datování a roční zpracování)

Jak změříme chemické složení

Z připravené desky odebíráme malé porce prášku po krátkých úsecích podél růstu. U F14 badatelé postupovali po jednom milimetru a získali 2250 vzorků. Odebírali především materiál ze středového sloupku kosterního kalíšku, ve kterém žije jednotlivý polyp. Tuto část kostry nazýváme kolumela. Volbou stejné části udržovali jednotlivé odběry srovnatelné. Prášek vyčistili a rozpustili v kyselině dusičné, aby mohli změřit prvky v roztoku. (D’Olivo a kol. 2024, příprava a geochemie)

K měření použili optickou emisní spektrometrii s indukčně vázaným plazmatem, zkráceně ICP-OES. Roztok se rozprašuje na jemné kapičky a proud argonu je přivádí do horkého plazmatu. Plazma je plyn obsahující volné elektrony a elektricky nabité částice. Jeho vysokou teplotu udržuje elektromagnetické pole cívky. Kapičky se v něm odpaří a rozpuštěné látky se rozloží na volné atomy a jejich elektricky nabité podoby, ionty. (Harvey 2016, kapitola 10.7) (přístroj a měření F14)

Srážky v horkém plynu dodávají částicím energii. Při návratu do nižších energetických stavů vyzařují světlo na vlnových délkách příznačných pro daný prvek. Vlnová délka rozlišuje druhy světla, ve viditelné oblasti ji vnímáme jako barvu. Spektrometr světlo podle vlnových délek rozloží. Úzké úseky se silným vyzařováním v tomto rozložení nazýváme emisní čáry. Detektor zaznamená intenzitu vybraných čar stroncia a vápníku. Poloha čáry tedy určuje, který prvek sledujeme, a její intenzita poskytuje údaj o jeho množství. (Harvey 2016, atomová emisní spektrometrie)

Převod intenzit na chemické složení určíme měřením známých vzorků. Přístroj proto změří také referenční roztoky se známým Sr/Ca. Z jejich odezvy se stanoví převod mezi poměrem světelných signálů a chemickým poměrem. Tato kalibrace umožní určit Sr/Ca neznámých vzorků. Ve studii F14 měly reference stejnou koncentraci vápníku a odstupňované koncentrace stroncia. Opakovaná měření referencí během série sloužila k opravě pozvolných změn odezvy přístroje. (de Villiers a kol. 2002, poměrová kalibrace) (reference použité pro F14)

Výsledné Sr/Ca vyjadřuje relativní zastoupení stroncia vůči vápníku. Jednotka mmol/mol zde říká, kolik atomů stroncia připadá na tisíc atomů vápníku. Každá hodnota je spojena s polohou odběru, a tím i s datováním. Ve F14 připadaly přibližně čtyři odběry na rok, ale jejich rozestupy v čase se s rychlostí růstu měnily. Pro pravidelný roční záznam autoři použili lineární interpolaci. Ta mezi sousedními datovanými hodnotami předpokládá plynulou změnu po přímce a umožní určit hodnotu v požadovaném čase. Ve veřejném souboru je pro každý rok jedna hodnota Sr/Ca. (D’Olivo a kol. 2024, Chronology) (roční data NOAA NCEI)

Jak chemický záznam převedeme na teplotu

Teď máme datované chemické složení kostry. K teplotě potřebujeme druhý vztah, tentokrát mezi Sr/Ca a podmínkami v moři. Stanovíme ho v období, pro které existují oba záznamy současně. U F14 autoři použili roky 1883–1997 a teploty ze souboru ERSSTv5. (D’Olivo a kol. 2024, společné období)

ERSSTv5 obsahuje měsíční teploty mořské hladiny. Anglický název ERSST, Extended Reconstructed Sea Surface Temperature, označuje rozšířenou rekonstrukci této veličiny. Použita je verze 5. Tento produkt spojuje přístrojová měření a statisticky doplňuje prostorové pokrytí. Jeho výpočetní síť má uzly vzdálené dva stupně v zeměpisné šířce i délce. Pro Fidži autoři zvolili uzel na 18° jižní šířky a 180° délky a použili roční průměry teplot. (D’Olivo a kol. 2024, teplotní kalibrace) (Huang a kol. 2017, ERSSTv5)

Zvolený převod přizpůsobuje korálový záznam průměru a velikosti kolísání teplot v tomto období. Průměr určí střed teplotní stupnice. Velikost kolísání popíšeme směrodatnou odchylkou. Ta shrnuje, jak daleko se jednotlivé roční hodnoty obvykle pohybují od svého průměru. Získáme ji z odchylek všech roků, přičemž větší odchylky mají ve výpočtu větší váhu. (D’Olivo a kol. 2024, přizpůsobení průměru a směrodatné odchylky)

Nejprve od konkrétního Sr/Ca odečteme jeho dlouhodobý průměr. Dostaneme velikost chemické odchylky daného roku. Poměr směrodatných odchylek teploty a Sr/Ca určí, jak tuto odchylku převést na stupně Celsia. Znaménko otočíme, protože vyšší Sr/Ca odpovídá nižší teplotě. Nakonec přičteme průměrnou teplotu společného období. Celý převod lze zapsat takto: (postup podle D’Olivo a kol. 2024)

$R$ je převáděná hodnota Sr/Ca a $T$ výsledný odhad roční teploty. Čára nad značkou označuje průměr za společné období. Symboly $s_R$ a $s_T$ jsou směrodatné odchylky v témže období. Hodnoty chemického poměru i jeho směrodatná odchylka mají jednotku mmol/mol, teplota a její směrodatná odchylka jednotku °C. Poměr obou odchylek tedy převádí chemickou změnu na teplotní změnu.

Takto nastavený vztah je empirický, určený porovnáním dat. Pro použití na starší vrstvy předpokládáme, že se vztah mezi tvorbou kostry a teplotou dlouhodobě zachoval. Výsledkem je průběh odhadované roční teploty povrchového moře v oblasti Fidži. Roky v něm určuje datování korálu, velikost teplotních změn určuje zvolená kalibrace. (Lawmanová a NCAR 2023, vztah záznamu ke klimatu) (rekonstrukce F14)

Použití, vývoj a další možnosti

Záznam F14 prodlužuje informace o moři v okolí Fidži až do roku 1370. D’Olivo a kolegové jej spojili s dalšími dvěma kratšími korálovými záznamy a porovnali vývoj teploty s centrální částí Pacifiku. Mohli tak sledovat, jak se mezi oblastmi měnil teplotní rozdíl během desetiletí a staletí. Korály doplňují letokruhy stromů o záznam z tropického oceánu. Přístrojové sledování novějšího období popisuje článek o globální povrchové teplotě. Korálová rekonstrukce přispívá především poznáním konkrétní mořské oblasti. (D’Olivo a kol. 2024, regionální použití) (geografické doplnění přírodních archivů)

Myšlenka číst podmínky prostředí z růstu korálů předchází moderním chemickým přístrojům. Ting Ying H. Ma už v roce 1934 popsal sezónní změny stavby korálu Favia speciosa a porovnával je s teplotami moře v různých oblastech. Pozdější chemická analýza umožnila sledovat také zastoupení prvků. De Villiersová a kolegové v roce 2002 popsali kalibraci emisního měření jejich poměrů, kterou využila i studie F14. Přesná analýza malých vzorků tak umožňuje rozebrat dlouhé jádro v tisících po sobě následujících odběrů. (Ma 1934) (de Villiers a kol. 2002) (provedení F14)

Jinou možností je měřit v kostře poměr izotopů kyslíku, tedy jeho atomů s různou hmotností. Tento poměr ovlivňuje teplota i izotopové složení vody, ve které kostra vzniká. Pokud současně známe Sr/Ca, můžeme odhadnout teplotní příspěvek a oddělit jej od změn složení vody. Ty mohou souviset se srážkami, výparem nebo přítokem jiné vodní masy. Princip měření izotopů vysvětluje hmotnostní a izotopová spektrometrie. Mladé i fosilní korály, tedy zachované kostry již odumřelých kolonií, se shromažďují do veřejných souborů, například CoralHydro2k. (Lawmanová a NCAR 2023, spojené analýzy a databáze)

U fosilních korálů určí stáří také radioaktivní přeměna uranu na thorium. Korál při růstu přijímá uran z mořské vody. Z poměru uranu a vzniklého thoria lze vypočítat dobu, která od vzniku kostry uplynula. Metoda umožňuje datovat zachované korály až přibližně 600 000 let staré. Jejich růstové vrstvy pak zpřístupňují jednotlivé úseky mořské minulosti. (Scholz a Hoffmann, 2008)

Jak se izotopové složení vody promítá do minerálu rostoucího v jeskyni, vysvětluje navazující článek o krápnících a jeskynních sedimentech. Ukazuje také další využití uranového datování.

Nejistoty a kontrola výsledku

Rekonstrukci ovlivňuje datování, zachování kostry, růst korálu i vztah Sr/Ca k teplotě. U F14 vykazují korálová a přístrojová teplotní křivka ve společném období korelaci přibližně 0,39. Tento ukazatel vyjadřuje souběh jejich vzestupů a poklesů. Shoda je zde jen částečná. Stejné období zároveň slouží ke kalibraci, takže toto porovnání není nezávislou zkouškou převodu. Záznam je vhodnější pro studium delších změn než pro přesné určení každého jednotlivého roku. (D’Olivo a kol. 2024, obr. 1B a rozbor rekonstrukce)

Výpočet teploty pro rok 1900

Použijeme veřejný roční záznam F14 uložený u NOAA NCEI a měsíční ERSSTv5 pro uvedený uzel u Fidži. Začínáme již datovanými a ročně zpracovanými hodnotami Sr/Ca. Laboratorní signály ani datování zde znovu nepočítáme. Pro každý rok zprůměrujeme dvanáct měsíčních teplot a sestavíme 115 párů za roky 1883–1997. Z nich vycházejí tyto hodnoty pro převod: (korál F14) (ERSSTv5)

Více desetinných míst ponecháváme kvůli opakování výpočtu. Pro rok 1900 uvádí archiv Sr/Ca 9,18979 mmol/mol. Jeho hodnota je vyšší než průměr společného období, a převod mu proto přiřadí nižší než průměrnou teplotu. Po dosazení do již vysvětleného vztahu dostaneme:

Odhad z korálu pro rok 1900 tedy vychází na 26,32 °C. Roční ERSSTv5 pro stejný rok a uzel má 26,16 °C. Rozdíl činí přibližně 0,16 °C. Jde o vlastní přepočet zveřejněných vstupů podle popsaného postupu. Pro posouzení shody je potřeba celý společný úsek, který ukazuje graf.

Shrnutí