Dendroklimatologija

Dendroklimatologija (gr. dendron – „medis“) – mokslas apie praeities klimato nustatymą pagal medžio rievių storį ir struktūrą. Pradinę informaciją apie medžių rieves sudaro metinio prieaugio rievės storis, ankstyvosios ir vėlyvosios medienos santykis bei medienos tankis. Dendroklimatologiniuose tyrimuose naudojami įvairiose platumose augančių medžių mėginiai. Tačiau nemažai studijų tyrė vidutinių platumų miškų medžių skerspjūvius, kuriuose ryškiai matomi vientisi per visą skerspjūvio perimetrą nusitęsiantys šviesesni ir tamsesni ruoželiai. Tai rodo sezoninį medžio masės prieaugį, kurį generuoja meristeminiai audiniai medžio brazde (kambyje). Metinį priaugį žyminti rievė sudaryta iš dviejų sluoksnių – ankstyvosios ir vėlyvosios medienos.
Ankstyvoji mediena susideda iš didesnių plonasienių ląstelių, dėl to šis sluoksnis neretai būna šviesesnės spalvos nei vėlyvoji mediena. Tuo tarpu pastaroji sudaryta iš tankiau išsidėsčiusių storasienių ląstelių, dėl ko šis sluoksnis dažnai yra tamsesnis. Taigi šie du sluoksniai sudaro metinį prieaugį arba metinę rievę. Kiekvienos rievės vidutinis plotis yra daugelio kintamųjų faktorių funkcija, t. y. medžio rūšis, amžius, kaupiamų maisto medžiagų prieinamumas pačiame organizme ir dirvožemyje bei įvairūs klimatiniai faktoriai (saulės šviesa, krituliai, temperatūra, vėjo greitis, drėgmė bei šių faktorių pasiskirstymas metų eigoje).

Dendroklimatologijos istorija

Dendroklimatologijos mokslo pradžia siejama su dendrochronologijos mokslo pradžia. Dendrochronologijos mokslą išplėtojo JAV astronomas A. E. Douglass, kuris 1937 m. įkūrė medžių rievių tyrimo laboratoriją Arizonos Universitete. Taip pat jis pirmasis pradėjo tirti Saulės dėmių aktyvumo ryšį su liūtimis. Europoje dendroklimatologija pradėta taikyti jau XVIII a. Lietuvoje pirmieji dendrochronologiniai tyrimai buvo atlikti 1953 m. T. Bitvinsko Biržų girios juodalksnynuose. Išsamesni dendrochronologiniai tyrimai prasidėjo 1968 m. Botanikos instituto Floros ir geobotanikos sektoriuje įsteigus dendroklimatochronologijos grupę, kurios pagrindu vėliau buvo įkurta dendroklimatochronologijos laboratorija. Šiuo metu dendrochronologiniai tyrimai Lietuvoje daugiausiai atliekami VDU Gamtos mokslų fakulteto Aplinkos tyrimo centro Dendroklimatologijos ir radiometrijos grupėje.

Mėginių rinkimas

Pradedant dendroklimatologinius tyrimus svarbu tinkamai pasirinkti medžius, iš kurių bus imami mėginiai. Paprastai mėginiai imami iš medžių augančių vietovėse, kur patiriamas temperatūros ar kritulių stresas. Tokiu atveju medžiai yra jautresni klimato pokyčiams. Pavyzdžiui, jei medžiai auga lygiose vietovėse, kur gausu gruntinio vandens, medžių prieaugis nėra labai veikiamas klimato, todėl rievių pločiai mažai kinta ir jie yra nereprezentatyvūs. Tai gali būti taikoma ir platesniu mastu. Pavyzdžiui, medžiai augantys semiaridinėse srityse yra priklausomi nuo vandens, todėl metiniuose rievių prieaugiuose matoma šį veiksnį apibūdinančių rodiklių kaita (t. y. krituliai), o medžiai augantys ties medžių riba yra jautresni temperatūros pokyčiams, todėl pagal juos nustatoma temperatūrų kaita. Iš medžių mėginiai paimami specialu grąžtu, po to medienos kolonėlės tiriamos mikroskopu. Rievių plotis nustatomas 0,01 mm tikslumu.

Kryžminis arba persidengiantis datavimas

Dendrokliamtiniuose tyrimuose gali būti naudojami ir senovinių medinių pastatų rąstai, archeologiniai mediniai radiniai, pelkėse bei vandens telkiniuose užsikonservavę medžiai. Nustačius jų amžių sudaromos dendroskalės, kuriomis remiantis galima apytiksliai rekonstruoti klimato sąlygas per pastaruosius 1000-10000 m. Sudarant dendroskales atliekamas kryžminis arba persidengiantis datavimas. Jis atliekamas lyginant skirtingo amžiaus medžių rieves ir ieškant sutampančių atvejų, kurie leidžia sinchronizuoti datas.
Šiai užduočiai įvykdyti reikalingas didelis kruopštumas, kadangi retkarčiais medžiai vegetacijos periodu išaugina netikrą rievę arba tarpinius augimo žiedus, kurie gali būti supainiojami su tikruoju ankstyvosios/vėlyvosios medienos perėjimu. Be to, ekstremaliomis klimatinėmis sąlygomis medžiai gali ir neišauginti naujo medienos sluoksnio arba jis gali būti nepilnai susidaręs ar toks plonas, jog praktiškai tampa neįmanoma atskirti nuo gretimo vėlyvosios medienos sluoksnio. Tokiomis aplinkybėmis klimatinių duomenų koreliacija ir rekonstrukcija yra negalima, taigi atsargus ir kruopštus atskirų mėginių rievių kryžminis datavimas yra labai svarbus. Procesas vyksta lyginant rievių pločio sekas kiekviename mėginyje, stengiantis, kad atskirų mėginių rievių pločio svyravimams būdingos savybės sutaptų. Pasiekus šį tikslą tampa nesunku atskirti netikrą arba visai nesusiformavusią metinę rievę.
Medžio rievės kryžminis datavimas išsiskiria iš kitų paleoklimatinių tyrimų metodų tuo, kad datuojant skirtingus medžių mėginius galima nustatyti absoliutų jų amžių. Tokia metodo savybė išskiria jį iš kitų paleoklimatinių tyrimų metodų, tiriančių ledo kernus, ežero nuosėdas, koralų metinius augimo žiedus, urvuose susidariusius nuosėdinius sluoksnius ir kt., tuo, kad pastaruosiuose duomenų lyginamosios replikacijos ir daugelio paimtų mėginių iš skirtingų teritorijų kryžminis datavimas retai kada yra įmanomas. Dėl šios priežasties tokių objektų datavimas labai dažnai yra nepatikimas, palyginus su dendroklimatinėmis studijomis.

Standartizavimas

Esant vienodoms klimatinėms sąlygoms, tačiau skirtingiems medžių amžiams, rievių pločiai yra skirtingi. Tokiu atveju vykdomas standartizavimas, kurio metu pašalinama augimo funkcija. Šio proceso metu rievių pločio ar tankio duomenys yra perskaičiuojami į indeksus, kurie gali būti tarpusavyje lyginami. Standartizavimas gali būti atliekamas kiekvienam mėginiui atskirai arba suvidurkintiems kelių mėginių duomenims.

Kalibravimas

Kalibravimas – tai procesas, kurio metu medžių rievių pločio ar tankio (po standartizavimo – indeksų) kaita yra siejama su klimato faktorių kaita. Pirmiausia yra nustatoma kokie klimato rodikliai galėjo daryti įtaką rievių prieaugiui. Tam naudojamos regresijos lygtys, leidžiančios atrasti, kurių mėnesių ir kokie klimato duomenys geriausiai koreliuoja su rievių prieaugio duomenimis. Atradus geriausia ryšį, galima rekonstruoti nustatyto klimato rodiklio kaitą.

Rekonstrukcijos patikrinimas

Vienas iš esminių etapų dendroklimatinėje analizėje yra patikrinti paleoklimato rekonstrukciją. Tikrinimas atliekamas dviem būdais. Pirmas, kai gauti duomenys lyginami su ilgalaikiais, tos pačios teritorijos instrumentiniais duomenimis. Antras, kai rekonstrukcija yra lyginama su kitomis rekonstrukcijomis, gautomis pagal kitus paleoklimato indikatorius.

Densitometrinė dendroklimatologija

Klimatinė informacija dažnai išgaunama iš metinių rievių pločio pokyčių. Tiriant metinį ir tarpmetinį medžio rievės tankį pasitelkiama densitometrinė dendroklimatologija. Medienos tankiui nustatyti yra matuojami keli medienos parametrai, kaip ląstelių sienelių storis, jų ertmių skersmuo, vandens indų dydis ir tankumas, plaušų proporcijos ir pan. Ankstyvosios ir vėlyvosios medienos ląstelių tankio pokyčiai naudojami rievių pločio matavimams – nustatant metinį medienos prieaugį ir atliekant skirtingų medienos mėginių kryžminį datavimą. Tankumo svyravimas yra vertingas parametras dendroklimatologijoje, kadangi pasižymi paprasta augimo funkcija (dažnai sutampa su rievės amžiumi). Taigi tankumo duomenų standartizavimas gali leisti išsaugoti retai pasikartojančią klimatinę informaciją, lyginant su standartizuotais rievių pločio duomenimis. Apskritai, matuojamos dvi reikšmės kiekvienoje rievėje: minimalus ir maksimalus tankumas (nurodant ankstyvosios ir vėlyvosios medienos sluoksnius, atitinkamai), nors maksimalaus tankumo vertės yra kiek geresnis klimatinis indikatorius nei minimalaus tankumo reikšmės. 1993 m. buvo nustatyta, kad maksimalaus tankumo reikšmės stipriai koreliavo su balandžio-rugpjūčio mėn. vidutinių temperatūrų reikšmėmis borealiniuose miškuose nuo Aliaskos iki Labradoro. Tuo tarpu minimalaus ir vidutinio tankumo reikšmės bei rievių pločių vertės taip gerai nekoreliavo su vasaros temperatūrų reikšmėmis tose pačiose Šiaurės Amerikos žemyno vietose.
Vis dėlto optimalus klimatinis atkūrimas gali būti pasiekiamas naudojantis ir rievių pločio matavimais, ir densitometriniais duomenimis, kad klimatiniai veiksniai kiekviename tiriamajame medienos mėginyje būtų išryškinti.

Izotopinė dendroklimatologija

Klimatinės sąlygos daro įtaką ne tik medžių rievių pločiui ar tankumui, bet ir medienos izotopiniam turiniui – empiriškai buvo pastebėta, kad izotopų ¹³C, ¹⁸O ir ²H kiekio svyravimai medienoje yra susiję su klimatinių sąlygų pokyčiais. Vidutinėse ir aukštose platumose pastebėtas teigiamas ryšys tarp deguonies ir vandenilio izotopinės sudėties krituliuose bei temperatūros, todėl manoma, kad izotopinis turinys medienoje gali išsaugoti duomenis apie praeities temperatūrinius svyravimus tuose regionuose. Vėliau buvo atrasta labai stipri teigiama koreliacija tarp ¹³C, ¹⁸O ir ²H izotopų bei temperatūros, ir neigiama koreliacija su santykiniu drėgnumu. Atsižvelgiant į šias koreliacijas buvo atliktos paleoklimatinės rekonstrukcijos. Pavyzdžiui, pietų Vokietijoje buvo atkurti temperatūriniai duomenys iki 1000 m., kuomet stebėjimo duomenys atskleidė stiprią koreliaciją tarp rugpjūčio mėn. temperatūros ir ¹³C izotopo kiekio europiniame kėnyje, augusio Švarcvalde. Iš gautų duomenų mokslininkai iškėlė prielaidą, jog šiame regione nuo XIV a. pradžios iki maždaug 1850 m. vyko stabilus temperatūros kritimas, o apie 1130 m. buvęs šiltesnis periodas.

Dendroklimatologijos trūkumai

Be klimato veiksnių, medžių rievių storis priklauso nuo rūšies, amžiaus, kilmės, derėjimo, dirvožemio savybių, apšvietimo, augavietės ekologinių sąlygų, taip pat ne visas Žemės rutulys yra apaugęs medžiais, todėl sumažėja teritorijų, kuriose gali būti rekonstruotas klimatas naudojant šį metodą. Atliekant duomenų standartizavimą bei kalibravimą gauti duomenys gali būti netikslūs. Taip pat dėl instrumentinių duomenų stygiaus įvairiose teritorijose, bei nepakankamo sekų ilgio, pilnas rekonstrukcijos patikrinimas negalimas.