Úvodní kapitola: Geomorfologie

Úvod

Země v průběhu milionů let prošla mnoha změnami, které formovaly její současnou podobu a strukturu. Od prachové koule podle mlhovinové hypotézy až po současnou podobu se Země hodně proměnila. Naše Země, kdysi obydlené místo, prošla během dlouhé doby více než 4 miliard let mnoha procesy. Vývojové fáze, které formovaly současný obyvatelný svět, zahrnují jak vnitřní, tak vnější síly. Dopady meteoritů, sopečná činnost a erozní činnost řek, větrů, ledovců, oceánů atd. spolu s šířením mořského dna a tektonickou činností desek neustále pracovaly na utváření Země, jak ji vidíme nyní. Mnohé z těchto činností probíhají v krátkém časovém intervalu, zatímco některé trvají miliony let a vytvářejí různé klimatické, geologické a geomorfní režimy. Všechny tyto nikdy nekončící procesy stále nepřetržitě probíhají a utvářejí naši Zemi i v současnosti. Nejvýznamnější ze všech těchto procesů jsou geomorfní procesy, protože vytvářejí tvar a podobu Země, jak ji vidíme nyní. Proto je studium těchto geomorfních procesů klíčové pro pochopení jevů a procesů, které v přírodě probíhají.

Jelikož je geomorfologie odvozena z řeckých slov γεω (Země), μορφη (morf/forma) a λογοϛ (diskutovat), znamená doslova „diskuse o podobě Země“. Jedná se tedy o studium různých útvarů, které se nacházejí na Zemi, jako jsou hory, kopce, planiny, řeky, morény, ciry, písečné duny, pláže, kosy atd. a které jsou vytvářeny různými činiteli, jako jsou řeky, ledovce, vítr, oceán atd. Od čtvrtého století před naším letopočtem studovalo mnoho lidí vznik Země v souvislosti s různými pozorováními v terénu. Staří Řekové a Římané, například Aristoteles, Strabón, Hérodotos, Xenofanés a mnozí další, diskutovali o vzniku údolí, vzniku delt, přítomnosti mušlí na horách atd. Xenofanés po pozorování mušlí na vrcholcích hor vyslovil domněnku, že povrch Země musel čas od času stoupat a klesat, čímž vznikla říční údolí a hory (asi 580-480 př. n. l.). Aristoteles (asi 384-322 př. n. l.) po pozorování mušlí na vrcholcích hor a rozsáhlých písečných ploch vyslovil domněnku, že oblasti, které jsou nyní suché, musely být v minulosti pokryty mořem, a oblasti, kde je nyní moře, musely být kdysi suché. Proto navrhl, aby se pevnina a moře střídaly. Tradičně se historie vývoje krajiny prováděla mapováním sedimentárních a morfologických znaků. Pro pochopení vývoje krajiny platilo zlaté pravidlo „současnost je klíčem k minulosti“. Toto pravidlo předpokládá, že procesy, které jsou patrné v činnosti dnes, musely probíhat i v minulosti, z čehož lze usuzovat na příčiny vzniku krajiny v minulosti. Tvorba krajiny v minulosti tedy závisela především na relativních informacích a způsobu stárnutí.

Slovo „geomorfologie“ však bylo poprvé vytvořeno a použito mezi 70. a 80. lety 19. století pro popis morfologie zemského povrchu. Zpopularizoval ho však William Morris Davis, který navrhl „geografický cyklus“ známý také jako „Davisův cyklus“ . Navrhl, že k vývoji krajiny dochází v důsledku střídavého působení vyzdvihování a denudace. Předpokládal, že k vyzdvižení dochází rychle a poté vyzdvižená zemská masa postupně eroduje a vytváří topografii regionu. Předpokládal, že vyzdvižení je rychlý děj, zatímco denudace je časově náročný proces. Vytváření vysokých pohoří a hlubokých údolí tak demonstruje mladou, zralou a starou fázi vývoje reliéfu. Davisův cyklus je sice považován za klasické dílo, ale jeho hypotéza postrádá základní pochopení, že upliftment i denudace probíhají současně. Oba tyto jevy jdou ruku v ruce a nemusí se nutně střídat. Proto téměř o 35 let později Walther Penck navrhl variantu „Davisova modelu“, kde ukázal, že k interakci upliftu i denudace dochází současně . Navrhl, že v důsledku souběžného působení se svahy budou vyvíjet ve třech hlavních formách. První je konvexní svah, kde je rychlost upliftu vyšší než rychlost denudace; další je ustálená nebo stacionární fáze, kde jsou obě rychlosti téměř stejné, a proto vzniká přímý svah; a konečně konkávní svahy, kdy je rychlost upliftu nižší než rychlost denudace. V průběhu času tak geomorfologové studovali různé aspekty tvarů reliéfu. Někteří geomorfologové studovali proces vzniku těchto tvarů reliéfu, jiní jeho vznik a historii a další analyzovali různé formy tvarů reliéfu z hlediska jejich kvantity. Stručně řečeno se tedy moderní geomorfologové zaměřují především na tři aspekty tvarů reliéfu: formu, proces a historii. Studium formy a procesu se běžně označuje jako funkční geomorfologie, zatímco poslední jako historická geomorfologie . Studium různých procesů, které jsou zodpovědné za vznik krajiny, spadá do působnosti funkční geomorfologie.

Všechny tyto tvary reliéfu, které jsou na Zemi viditelné, se liší velikostí od mikroměřítka, jako jsou výmoly, žlábky, vlnovky atd. až po megaměřítko, jako jsou pohoří, povodí řek atd. Proto se také doba potřebná k vytvoření těchto útvarů liší od desítek let až po miliony let. Bylo také zjištěno, že některé prvky jsou přirozené pro určité klimatické zóny, a proto vývoj klimatických zón, jako jsou suché, tropické atd., hraje rozhodující roli při vzniku a vývoji těchto geomorfních prvků. Například tvary reliéfu pozorované ve vyšších zeměpisných šířkách vykazují znaky zalednění a deglaciačního cyklu, což svědčí o kvartérním klimatickém prostředí, zatímco v jiných částech světa, jako je Grand Canyon v údolí řeky Colorado ve Spojených státech, se v různých tvarech reliéfu zachovaly znaky různých činností, které probíhaly před stovkami milionů let. Většina tvarů reliéfu vzniká a deformuje se v důsledku dvou procesů, a to endogenních, které probíhají uvnitř zemské kůry, jako jsou konvektivní tepelné cykly, stoupající plumy a magmatické komory, a exogenních, které utvářejí prvky na zemském povrchu pomocí různých činitelů zvětrávání, jako je voda, vítr, ledovce, moře atd. Všechny tyto jevy vývoje krajiny s ohledem na délku života, klimatické zóny a procesy jsou znázorněny na obrázku 1.

V oblasti funkční a historické geomorfologie bylo provedeno mnoho prací. Nyní se studuje mnoho dalších oborů nebo druhů geomorfologie, například tektonická geomorfologie, podmořská geomorfologie, planetární geomorfologie, klimatická geomorfologie a modelování geomorfologie. Interakce tektonických sil a geomorfních procesů pravidelně deformuje zemskou kůru, což vedlo k rozvoji tektonické geomorfologie. Ta využívá techniky a údaje z jiných geologických oborů, především strukturní, geochemie, geochronologie ve spojení s geomorfologií a klimatickými změnami. Jak již název napovídá, podmořská geomorfologie se zaměřuje na vznik, formování a vývoj podmořských forem reliéfu, které se vyvinuly v mělkém i hlubokém mořském prostředí. Planetární geomorfologie se zabývá aplikací poznatků o vzniku tvarů reliéfu na Zemi na mimozemská tělesa, jako jsou Měsíc, planety, exoplanety atd. Jedná se o relativně nejnovější obor, který se velmi rychle rozvíjí. Geomorfologické studie Venuše, Marsu, Jupiteru, Titanu a dalších planet jsou v současné době horkou novinkou. Podnebí hraje rozhodující roli při vývoji různých tvarů reliéfu, které jsou přirozené pro jednotlivá klimatická pásma, jako je suché, tropické, mírné atd. Toto poznání je základem pro rozvoj klimatické geomorfologie jako proudu. Vliv klimatických jevů spolu s tektonickou činností vytváří nový příčný proud geomorfologie známý jako klimaticko-tektonická geomorfologie. V dnešní době se inter- a multidisciplinární přístupy používají v různých vědních oborech a geomorfologie je jedním z nich, kde je křížení velmi patrné. Do dnešní doby se vyvinuly různé obory a odnože geomorfologie a v těchto interdisciplinárních oblastech bylo provedeno mnoho výzkumů.

Ze všech exogenních činitelů, kteří působí na utváření krajiny, je nejperspektivnější a nejúčinnější voda. Proto byla fluviální geomorfologie hodně podrobně studována. S ohledem na tyto aspekty byla formulována tato kniha, kde je hlavní důraz kladen na geomorfní prvky vzniklé působením vody. Proto jsou zde uvedeny dvě kapitoly o fluviální geomorfologii a jedna kapitola o pobřežní geomorfologii. Zatímco poslední kapitola se zabývá nejnovějšími trendy digitálního výškového modelu (DEM), který by mohl být velmi efektivně využit pro morfometrickou analýzu různých toků.

Hydro-geomorfologie, studium hydrologických procesů, zahrnuje povrchový odtok, základní průtok, odtok z toku a procesy eroze půdy a koryta, které neustále dlátují geomorfologický profil povodí. Životnost těchto procesů se pohybuje od několika stovek let až po miliony let. Kromě kvantifikace hydrologických procesů a procesů půdní a říční eroze poskytuje kontinuální hydrogeomorfologické modelování cenné informace o budoucím vývoji těchto fyzikálních procesů. K dispozici je celá řada integrovaných modelů, které kontinuálně simulují procesy odtoku, eroze půdy a transportu sedimentů. V kapitole 2 je představen složený matematický model zaměřený na kontinuální simulace hydrogeomorfologických procesů a také na kontinuální simulace procesů půdní a říční eroze v povodí řek Kosynthos (okres Xanthi, Thrákie, severovýchodní Řecko) a Nestos (hranice Makedonie a Thrákie, severovýchodní Řecko), dvou sousedních povodí v severovýchodním Řecku. Jejich model vytváří spojité hydrogramy a grafy sedimentů na výstupech z obou povodí v jemných časových měřítkách, jejichž statistická účinnost s měřenými veličinami na výstupu z povodí je velmi významná a poskytuje uspokojivé výsledky. Koeficient korelace modelovaných hodnot s naměřenými hodnotami je u obou povodí více než 80% pro odtok vody a sedimentů.

Anthropogenic activities have significantly affected the fluvial geomorphological regimes within very short time span. Od výstavby přehrad, která zvyšuje sedimentaci v nádrži, a tím mění profil koryta, až po odlesňování a urbanizaci, které zvyšují rychlost eroze v povodí, zanechaly antropogenní aktivity své stopy v přírodním fenoménu. Podobně je tomu v Nížině svatého Vavřince v quebecké oblasti kanadského štítu, kde výstavba přehrad vedla ke zvětšení šířky plných břehů, čímž se snížila sinuozita koryta a změnil se fluviální režim. Další změny ve struktuře využívání půdy vedly také k vyšší erozi a sedimentaci. Kácení lesů pro zemědělské účely vedlo k odlesňování a pozdější zalesňování v této oblasti (zemědělské oblasti) v důsledku úbytku pracovních sil v zemědělství ovlivnilo morfologický vývoj koryt v kanadské oblasti Quebec. Kapitola 3 se proto snaží omezit dopady zalesňování a hydroklimatické proměnlivosti na morfologii (šířku a sinusoidu) koryta řeky Matambin v kanadském Quebecu. V období 1935-1964, které se vyznačovalo nízkou frekvencí silných povodňových průtoků v regionu, pozorovali 21% pokles průměrné šířky koryta při plném břehu. Po roce 1964 byl pozorován trend zvětšování průměrné šířky plného koryta, což souvisí s nárůstem četnosti silných povodňových průtoků a poklesem množství suspendovaných sedimentů vzniklých erozí půdy.

Vyšší rychlost eroze je pozorována, pokud je zvětrávacím činitelem voda. A vzhledem k obrovským rozlohám oceánů a erozi, ke které dochází na březích, zaujímá první místo. Tento efekt je jasně patrný na změnách pobřeží a zvyšování hladiny moří. Většina obydlených měst na celém světě se nachází v blízkosti pobřeží; většina světové populace tak žije v okruhu několika kilometrů od pobřeží. K uspokojení potřeb stále rostoucího počtu obyvatel je tedy zapotřebí řádná správa pobřežních pozemků. Změny pobřeží (eroze útesů) byly studovány pomocí prediktivních modelů, které vycházejí z historických záznamů a geomorfologických údajů určité oblasti. Současné historické extrapolační modely využívají historické údaje o ústupu, ale různá prostředí se stejnými historickými hodnotami mohou vytvářet stejné roční charakteristiky ústupu, přestože potenciální reakce na měnící se prostředí jsou nestejné. Z tohoto důvodu jsou v kapitole 4 vysvětleny modely procesní odezvy založené na skutečných datech na pobřeží Holderness (Velká Británie), které mají poskytnout kvantitativní předpovědi účinků přírodních a člověkem způsobených změn, které nelze předpovědět pomocí jiných modelů.

S příchodem satelitní technologie bylo naprosto snadné studovat povrch Země ze satelitních dat. Pokud jde o identifikaci různých tvarů reliéfu a popis fyzického vzhledu, satelitní snímky nebo letecké fotografie se velmi hodí. Tento přístup je však spíše kvalitativní než kvantitativní a je definován jako morfografie, kdy jsou popisovány vnější tvary, aniž by byly uvedeny informace o způsobu vzniku těchto znaků. K definování původu znaků a mechanismu jejich vývoje se používají různé metody. To spadá pod morfogenezi, zatímco morfochronologie se zabývá odhadem stáří tvarů v absolutním i relativním vyjádření. Konečně kvantitativní odhad prováděný měřením geometrických znaků tvarů reliéfu je znám jako morfometrie. V geomorfometrii se používají různé morfometrické parametry a morfometrické indexy k definování analýzy a klasifikace tvarů reliéfu. Kapitola 5 představuje podrobný přehled vysvětlením různých geomorfometrických indexů a parametrů a ukazuje využití DEM pro získávání těchto informací. Vysvětluje tyto nástroje na různých příkladech, které jsou k dispozici v různých balících GIS.

.