„A fák ugyanazok maradtak, de kicsúszott alóluk a klíma” – Mit lehet megtudni a fák évgyűrűinek vizsgálatából?

Mit lehet megtudni egy fa évgyűrűjéből? Azt már az általános iskolában megtanuljuk, hogy a gyűrűket megszámolva kiderülhet a fa életkora, de a faévgyűrűkből ennél ma már jóval több információt lehet kiolvasni: az erdők egykori állapotáról, régiók évszázadokkal ezelőtti klímaviszonyairól és korábbi erdőtüzekről is bőven derülhetnek ki részletek.

Hogy milyen területei vannak az évgyűrű-vizsgálatnak, hogyan hasznosítja a régi fákat a régészet, vagy hogy mit lehet megtudni egy sok ezeréves jégdarabból, arról Kern Zoltán, a Földtani és Geokémiai Intézet (Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont , ELKH) kutatója beszélt nekünk.

Mitől nő a fa?

A fák évgyűrűi a kambium, azaz az osztódószövet aktivitásának évszakos váltakozását mutatják. Kern Zoltán elmondása szerint általában az a jellemző, hogy az évi növekedési időszak elején nagyobb a kambium aktivitása, kevésbé sűrű faanyag keletkezik ilyenkor, míg a növekedési időszak végére megváltozik a fa fiziológiai aktivitása, sűrűbb szövetű faanyag keletkezik. Ez a szöveti különbség az, amit szabad szemmel is látunk.

Igaz, nem minden fa növekedése követ éves ritmust, teszi hozzá Kern. Ehhez arra van szükség, hogy a fa olyan élőhelyen éljen, ahol elkülönülnek egymástól az évszakok, van külön időszaka a növekedésnek és a leállásnak is. Ez a nyugalmi időszak nálunk, illetve a környező országokban a tél. A kambium aktivitásának évszakos változása teszi lehetővé, hogy elkülönülő gyűrűket láthassunk a fákon. De vannak termőhelyek, ahol a klímaviszonyok miatt évente többször áll le a növekedés. Ilyenkor is megjelenhet a keresztmetszeten a jellegzetes gyűrűs mintázat, de ezeket nem nevezhetjük „évgyűrűknek".

Azt már az ókori görögök is tudták, hogy az évgyűrűkből meg lehet ismerni egy fa életkorát, és maradtak fenn jegyzetek arról is, hogy Leonardo da Vincit is foglalkoztatta az évgyűrűk szimmetrikusságának jelentősége, de Kern elmondása szerint az évgyűrűk vizsgálata igazán a 20. század második felétől kezdve futott fel, ekkortól jelent meg számos új eszköz, melyek révén sokkal több információt lehetett kinyerni a gyűrűkből.

A legklasszikusabb vizsgálati módszer, hogy az évgyűrűk szélességét nézik meg, de mára gyakran vizsgált paraméter lett a faanyag sűrűsége is. Ennek a paraméternek a paleoklíma kutatások szempontjából az a jelentősége, hogy sokszor megbízhatóbb hőmérsékleti rekonstrukciót tesz lehetővé, mint a növekmény szélességének vizsgálata. És ahogy a technológia fejlődött az elmúlt évtizedekben, úgy bővültek a kutatói lehetőségek is: ma már a képelemző szoftvereknek köszönhetően ezerszámra lehet elemezni a fák metszeteit, sokkal szerteágazóbb összefüggéseket feltárva.

Az évgyűrűk növekedését Kern elmondása szerint gyakran egyéni, csak az egyedet érintő tényezők is befolyásolhatják, például egy vihar miatti részleges lombkoronavesztés látható lesz a gyűrűn is. És vannak az egész állományt érintő tényezők, melyeket vizsgálva az erdő, illetve a tágabb ökoszisztéma állapotát is meg lehet ismerni. E tényezők között az éghajlat erősen meghatározó, az éghajlat változásai ugyanis nyomokat hagynak a gyűrűkön.

„Ha egy területről több tucat egyedből is mintákat szerezhetünk, akkor az azonos évben keletkezett növekmények összehasonlításával kiszűrhetjük a csupán egy-egy egyedben jelentkező eseményeket, a többi adat átlagolásával pedig közelíthetjük az állományszinten megjelenő változásokat. Ez utóbbi nagyban meteorológiai/éghajlati hatásokat tükröz” – mondja erről Kern. Épp ezért lett a fák évgyűrűinek vizsgálata elterjedt módszer ahhoz, hogy többet megtudjunk korábbi korszakok időjárásáról, és így nyomon lehessen követni a klímaváltozás alakulását.

Ezt azonban nem úgy kell elképzelni, hogy egy véletlenszerűen kézbe vett fadarabra rápillantva már rögtön meg lehet mondani, hogy élete során milyen időjárási hatások érték azt a fát. Azt ugyanis, hogy hogyan alakulnak az évgyűrűk, alapvetően alakítja az, hogy hol állt a fa.

Mint Kern Zoltán fogalmazott, a fa növekedését leginkább az befolyásolja, hogy az élőlény melyik ökológiai igényének van leginkább a határán. A fák esetében két szélső helyzet képzelhető el: vannak például a magashegyi vagy boreális erdőhatár közelében található termőhelyek, ahol a csapadék bőséges. Itt a növekedési időszak hőmérséklete lesz az a tényező, ami vagy korlátozza, vagy engedi a fák növekedését. Ezeken az élőhelyeken egy átlagosnál melegebb nyár általában vastagabb növekedést okoz a fák évgyűrűiben. És vannak a szárazabb termőhelyek, ahol a hozzáférhető víz mennyisége a limitáló tényező. És ha egy ilyen csapadékszűkös helyen van átlag feletti hőmérséklet, akkor az eleve kevés vízből még több párolog el, ami még kevesebb vizet és még kisebb növekedést jelent.

A két szélsőség között a csapadékeloszlás és a hőmérséklet alakulásának nagyon sokféle kombinációja képzelhető el, épp ezért hangsúlyozza Kern, hogy egy fametszet önmagában nem árul el sokat, ismerni kell a fa életét meghatározó ökológiai kontextust is. Persze van információ, amit e nélkül is leolvashatunk egy metszetről: ha kicsi az évgyűrűszélesség, akkor azt azért megállapítható, hogy abban az évben a fa környezete kedvezőtlenül alakult a növekedésére nézve. De hogy ezt mi okozta, azt csak a kontextus ismeretében lehet megmondani.

Nálunk az aszályról árulkodik

Épp ezért Európa nagy részén a fák évgyűrűinek vizsgálatából jellemzően a nyári aszályok mértékét lehet visszamenőleg megismerni. A kivételt főleg a hegyvidéki területek jelentik, ott legtöbbször a vegetációs időszak, azaz a nyári félév hőmérsékleti viszonyairól árulkodnak a gyűrűk.

Az eddig tapasztalatok alapján a hazai fák évgyűrűjéből is azt lehet megállapítani, hogy az adott évben mennyi csapadék hullott, mennyire volt aszályos a nyár. Vagy ahogy Kern fogalmazott,

a magyarországi fák évgyűrűinek szélességi váltakozásában a jó vízellátottságú és a kevésbé jó vízellátottságú évek relatív különbségét látni.

Mivel a hazai fák nem hőmérséklet-érzékenyek, ezért pusztán az évgyűrűk alakulásából azt nem lehet leszűrni, hogy a globális felmelegedés hogyan érintette Magyarországot az elmúlt évszázadban. Az azonban kiderül a fák évgyűrűiből, hogy hogyan váltak itthon egyre aszályosabbá a nyarak. És vannak olyan kutatások, amelyeknek hála további információkat is sikerült már feltárni. Kern kutatótársaival közösen nemrég publikált egy cikket, melyben a debreceni Nagyerdőben élő tölgyek, illetve kidőlt, idősebb tölgyfák metszeteit vizsgálták. Az 1901-től rendelkezésükre álló napi meteorológiai adatokat vetették össze az évgyűrűk vastagodásával. Az eredmények arra utaltak, hogy 110 év alatt a nagyerdei tölgyek éghajlati érzékenysége eltolódott. Ez Kern elmondása szerint azért érdekes eredmény, mert konkrét egyedek élete során figyelhették meg a változást.

A 20. század elején még egyértelműen pozitív kapcsolat állt fenn a tölgyek és a téli csapadék alakulása között: a több téli csapadék jobb növekedést jelentett. Ez a kapcsolat a század közepére elhalványult, miközben a nyári csapadék jelentősége a növekedés szempontjából erősödni kezdett. A nyári csapadékkal jelentkező kapcsolat Kern elmondása szerint nem lepte meg őket, mivel hasonló kapcsolatot számos hazai tölgyállomány esetében megfigyeltek már. De az 1970-es évektől kezdve elkezdett megjelenni egy negatív korreláció a nyári hőmérsékletre, és ez új fejlemény volt. Az, hogy a 20. század elején az milyen volt a hőmérséklet az Alföldön, semmilyen módon nem befolyásolta a tölgyek növekedését. De az az 1,6 Celsius-fokos melegedés, amit a 20. század során Debrecenben tapasztaltak, képes volt kimozdítani az élőhelyet az ökológiai optimumából. „A fák ugyanazok maradtak, de kicsúszott alóluk a klíma” – mondja erről Kern Zoltán.

Kern Zoltán hangsúlyozza, hogy egy rendkívül komplex viszonyrendszerről van szó, melyben számos tényezőt kell folyamatosan figyelembe venni. De azt látni, hogy miközben a 20. század elején még nem volt aszálylimitált a tölgyek növekedése a debreceni Nagyerdőben, ma már biztosan az: az elmúlt évtizedekben erősebbé vált aszályok ma már korlátozzák a tölgyek növekedését, és ez az egész populáció sorsát befolyásolhatja.

A helyzetet tovább bonyolítja, hogy a régióban eleve nem voltak kielégítve a tölgyek ökológiai igényei: sosem hullt a számukra ideális mennyiségű csapadék, és a szükséges többletet talajvízből pótolták. Azzal azonban, hogy a nyári aszályok hosszabbá válnak, nőhet a talajvízpárolgás mértéke, ami miatt csökkenhet a talajvíz mennyisége is, ez pedig további problémákat okoz a tölgyek számára.

A múlt erdőit megismerni

Az ehhez hasonló összefüggések feltárásának lehetősége miatt vált az évgyűrű-kutatás világszerte felkapott kutatási területté. A faévgyűrű-adatbázisok akár sok száz évet átfoghatnak, ezáltal olyan korszakok klímaviszonyait is rekonstruálni lehet velük, melyekről még nem állnak rendelkezésünkre megbízható meteorológiai adatok.

A műszeres meteorológiának szükségszerűen van egy technikai korlátja: mint Kern Zoltán elmondta, Európában a régebbi meteorológiai adatsorok néhány kivételes esetben nyúlnak vissza 200 évnél régebbre, a világ más részein sokszor jó, ha 100 vagy 50 évre. Ráadásul a hosszabb adatsorok is gyakran hiányosak például az észlelőhely ideiglenes áthelyezése miatt. És nem meglepő módon a háborús időszakokban is általában megszakadnak az észlelések.

Sok esetben az évgyűrű-adatbázisból nyert valamely paraméter (pl. átlagos évgyűrűszélesség vagy átlagos sűrűség) és egy éghajlati tényező ingadozásai között szoros kapcsolatot sikerül kimutatni. Ez a módszertani lépés az úgynevezett kalibrálás, azaz amikor a kutatók a fa egyes évgyűrűit megfeleltetik egy-egy konkrét év meteorológiai adatainak. Bár a vizsgálat során ennél több paramétert vesznek figyelembe, de most az egyszerűség kedvéért képzeljünk el például egy olyan fát, amely a 19. században csírázott, de végigélte a 20. századot is. Ez a fa az élete első felét még úgy élte le, hogy nem zajlottak műszeres meteorológiai mérések a közelében, életének második feléből viszont már rendelkezésünkre állnak adatok. És ha most veszünk egy metszetet a fából, akkor szinkronba lehet hozni az elérhető adatokat a fiatalabb évgyűrűkkel. Ha pedig sikerül megfeleltetni egymással a két adatsort, akkor statisztikai modellek segítségével ki lehet nyerni közelítő meteorológiai adatokat azokról az évekről is, amikor még nem is zajlott mérés. Ezzel a módszerrel Magyarországon is sok mindent meg lehetett már tudni arról, hogy mennyire voltak csapadékosak a nyarak a korábbi évszázadokban.

De az évgyűrűk számos további vizsgálati területet is megnyitnak: fel lehet bennük fedezni például egykori erdőtüzek nyomait. Persze csak akkor, ha nem pusztították el teljesen a fát. Ha ugyanis a kambium a fa teljes kerületén elég, akkor elpusztul a fa. Vannak azonban kisebb erdőtüzek, melyek csak a fatörzs egy részén semmisítik meg a kambiumot, és ilyenkor a fák képesek begyógyulni. A fa keresztmetszetében ugyanakkor ott marad a tűz elszenesedett nyoma, és ezeket a benőtt tűzsérüléseket lehet aztán később évekhez rendelni, ezzel rekonstruálva akár az erdőtüzek történetét is.

Kern elmondása szerint vannak kísérletek arra is, hogy nyomelemek, nehézfémek jelenlétét vizsgálják az évgyűrűkben, de ezekkel a kutatásokkal bőven akadnak problémák: egyrészt vannak kémiai elemek, melyek a gyökéren át jutnak be a fába, és ezért a talaj állapotára utalnak, míg mások a leveleken át, a levegőből érkeznek, és ezeket a jeleket nehéz szétválasztani. További problémát jelent, hogy a fák a felvett kémiai elemek egy részét élettani folyamataik során átcsoportosítják a fatesten belül, azaz nem maradnak meg a felvétel évében, ezért nehéz konkrét évekhez kötni az eredményeket.

A fák évgyűrűiben ezzel együtt is ki lehet mutatni, hogy az emberi tevékenység is hozzájárul a légkör összetételének évszázados időskálán zajló megváltozásához. Kern példaként a fosszilis energiahordozók fokozódó használata és a légköri szén-dioxid koncentrációjának emelkedése közti kapcsolatot említi:

„Vannak, akik vitatják, hogy ok-okozati kapcsolat volna a légköri szén-dioxid-koncentráció növekedése és a fosszilis energiahordozók intenzív használata között. A fosszilis energiahordozók (pl. kőszén, kőolaj, földgáz) elhalt élőlények szerves anyagából keletkeztek földtani folyamatok eredményeképpen évmilliók alatt. Tudjuk azt is, hogy fizikai és élettani okok miatt az élő szervezetekben a 13-as tömegszámú, nehezebb stabil szénizotóp aránya kisebb, minta a légköri szén-dioxidban. Azt is tudjuk, hogy a fotoszintézis során a növények a légköri szén-dioxidot kötik meg, majd a megkötött szenet használják szerves anyagaik szintéziséhez. Ha az utóbbi 200 évben keletkezett faévgyűrűkben vizsgáljuk a nehezebb és könnyebb szénizotópok arányának alakulását, akkor egy trendszerű eltolódást látunk, ami a légköri szén-dioxidban a nehezebb stabil szénizotóp arányának csökkenésére utal. Ez pedig azt támasztja alá, hogy a légköri szén-dioxid-koncentráció növekedésének forrása a szén, mely a fosszilis szerves anyagokból kerül a légkörbe. Ez emberi tevékenység eredménye, ami nyomot hagyott a fákon” – mondja erről Kern Zoltán.

Egy másik emberi tevékenység pedig a radioaktív szénizotóp (radiokarbon) vizsgálatával mutatható ki: a radiokarbonnak is volt egy természetes, évezredeken át viszonylag stabil szintje a légkörben, de a 20. század derekán végrehajtott légköri hidrogénbomba-robbantások hatására meredeken növekedett a radiokarbon aktivitása az atmoszférában. Amikor évgyűrűnkénti radiokarbon-elemzéseknek vetették alá azokat fákat, amelyek már a 20. század első felében is éltek, kiderült, hogy a radiokarbon aktivitása az 1950-es években megemelkedett, majd a Nemzetközi Atomcsend egyezmény életbe lépését követően keletkezett évgyűrűkben, azaz 1963-64-től visszaállt egy alacsonyabb értékre.

Erdészet és régészet

Egy fa évgyűrűjéből akkor lehet a legtöbb információt kinyerni, ha tudjuk, hogy honnan származik, ekkor ugyanis könnyű összehasonlítani a környező fák évgyűrűivel és konkrét évekhez rendelni az egyes gyűrűket. Épp ezért az évgyűrűk vizsgálata nemcsak a klímakutatók számára izgalmas kutatási lehetőség: az erdőökológusok például egy-egy régebben kidőlt fa vizsgálatából sok mindent megtudhatnak az erdő aktuális állapotáról, és olyan kérdésekre kereshetik a választ, mint például hogy min múlhat, hogy egy adott évben kisebb vagy nagyobb a fahozam az erdőben.

A fametszetekkel a régészek is előszeretettel dolgoznak: ha például egy régi híd vizsgálatakor kiderül, hogy az építéséhez a közelből hozták a faanyagot, akkor meg lehet találni a referenciafákat, és konkrét évekhez kötni a híd történetét. Előfordul az is, hogy egy ismeretlen korú faanyagból vesznek mintát, és az évgyűrű-szélességek változékonysága alapján próbálják megállapítani, hogy a fa évgyűrűi melyik naptári éveknek feleltethetők meg. Az egyes régiókban ugyanis az évgyűrűk növekedése egy azonosítható ritmust követ, így ha a közelből származik a faanyag, akkor jó eséllyel be lehet azonosítani, hogy mikor élt a fa, amiből készült.

Itthon a legidősebb fa, amiből vettek már metszetet, 200 év körüli volt, de Kern mesélt egy olyan szőlőprésről is, ami 303 évgyűrűs fából készült. Ezt a fát még a 18. században vágták ki, így ez a lelet jelentősen bővítette visszafelé az adatsoraikat. De ezek a régi fatárgyak ritkák, ahogy az idős fák is: ahol erdőművelés zajlik az országban, ott jórészt csak 100 évnél fiatalabb fákat látni. Ezért a hazai kutatások során elsősorban azokat a területeket keresik fel, ahol természetvédelmi vagy környezeti okokból (például mert túl meredek vagy sziklás helyen fekszik az erdő) nem vágják ki a fákat, és az elhalt fák is helyben maradnak.

Kern elmondása szerint a régészeti vizsgálat során az első feladat mindig a megtalált fatárgy korának kiderítése: ehhez lemérik az évgyűrűket, és összevetik az eredményeket a közelben talált egyéb mintákkal, illetve a közeli fákból vett metszetekkel. Nem minden fatárgy ugyanannyira hasznos: egy falusi templom tetőszerkezetének faanyagát például sokszor máshonnan, messzebbről hozták, így ennek vizsgálata nem feltétlenül jár sok új információval. De a parasztházak, fészerek, szőlőprések jellemzően helyi fából készültek, ráadásul sokszor mindössze pár év eltéréssel, így az ezekhez felhasznált faanyagokat néha jóval könnyebb szinkronizálni.

Ezután pedig, ha az adott fafajhoz van elég hosszú referenciakronológia, meg lehet próbálni az évgyűrűk alapján szinkronba hozott faanyagokat konkrét naptári évekhez rendelni. Ez persze nem mindig sikerül, de vannak esetek, amikor kiderül, hogy a megtalált faanyagok (gerendák, oszlopok és egyéb tárgyak) jó eséllyel ugyanabból a faállományból származnak, és meg lehet mondani az évet is, amikor ezeket a fákat kivágták.

Kern szerint időnként hallani beszámolókat olyan idős tölgyfákról, amik mondjuk már Árpád vagy Mátyás király idejében is éltek, nemrég pedig a Nature közölt cikket egy olyan dán fáról, mely egyes becslések szerint 1900 éves. A kutató szerint az ehhez hasonló állítások szinte biztos, hogy valótlanok: az évgyűrűk alapján igazolt legnagyobb élettartamok 5-600 év körül vannak, ennél idősebb tölgyet még soha senki nem igazolt az évgyűrűk révén. Egy nagyon idős fa korának pontos megállapítását persze nehezíti, hogy a fa közepe sokszor már el van korhadva, ezért nem lehet az összes évgyűrűt leszámolni, de Kern szerint így is érdemes fenntartásokkal kezelni, ha „ezeréves” tölgyekről olvasunk.

Ami a jégből kiderül

Nem a fa az egyetlen természeti képződmény, melyből éves-évszakos időfelbontással meg lehet ismerni korábbi korszakok klimatikus viszonyait. Kern úgy fogalmazott, hogy mindennel lehet dolgozni, amiben megfigyelhető a szezonális vagy éves rétegződés. Ő maga jéggel szokott még kutatásokat végezni. Ehhez persze olyan jégre van szükség, ami nem olvad el, hanem tartósan megmarad, és ilyesmit Magyarországon egyáltalán nem, de a környező országokban is csak elvétve lehet találni. Nem meglepő módon a legtöbb jéggel kapcsolatos rétegződési kutatás a sarkvidéki területeken történik, ahol még mindig hatalmas jégtakarók vannak.

A sarkvidéki jégtakarókon rendkívül régi korszakok mintáihoz lehet hozzáférni: a kutatók Grönlandon 120-125 ezer éve lerakódott jégrétegekből is vettek már mintát, míg Kelet-Antarktiszon 800 ezer év fölött van a legidősebb metszet, és folyamatosan keresik azt a helyet, ahol lefúrva egymillió éves jeget találhatnának. És a jégmintákból nagyon sok információt lehet kinyerni: a megmaradó jég alapvetően a megőrződött csapadék, és mint Kern fogalmazott, a jégréteg vastagsága gyakorlatilag az éves nettó akkumulációként (azaz csapadékösszegként) értelmezhető: ha meghatározzák az éves rétegek sűrűségét és vastagságát, akkor ki lehet számítani, hogy mennyi csapadék hullott a jégrétegek által reprezentált korábbi években.

Egy jégszelvényen belül az egyes éveket a vízmolekulát felépítő hidrogén és oxigén izotópváltozatainak arányában kimutatható ciklikus változás alapján lehet elkülöníteni, ugyanis ezek az izotóparányok évszakosan változnak a csapadékban. És megfelelő érzékenységű eszközökkel vizsgálva ezek a különbségek feltárhatóvá válnak, meg lehet különböztetni egymástól az évszakokat. Kern elmondása szerint az éveket és az évszakokat jelentő rétegek pontosabb meghatározásához további paramétereket is figyelembe kell venni, például a nátriumion vagy az ammóniumion koncentrációjának alakulását. A tengeri eredetű aeroszollal érkező nátrium ülepedésének a téli időszakban jelentkezik a maximuma, míg az ammónium koncentrációjának csúcsai a nyári rétegekhez köthetők. Azon túl, hogy így meghatározhatóak az éves rétegek a jégben, a többéves koncentráció-változások alapján a légköri események és folyamatok múltbéli alakulása is rekonstruálható.

Ahogy az idősebb fáknál a belső korhadás nehezíti a pontos kormegállapítást, a jégtakarónál magának a jégnek a súlya: egy bizonyos vastagság fölött ugyanis már akkora súly nehezedik a mélyebben lévő rétegekre, hogy azok deformálódnak, és onnantól csak modellszámítások alapján lehet megbecsülni, hogy milyen idős jégről van szó.