ŚRODOWISKO NATURALNE CZŁOWIEKA: BIOSFERA CZY CYWILIZACJA? WYKŁAD 4 BIOSFERA: OBIEG WĘGLA 2

Transkrypt

1

2 ŚRODOWISKO NATURALNE CZŁOWIEKA: BIOSFERA CZY CYWILIZACJA? WYKŁAD 4 BIOSFERA: OBIEG WĘGLA 2

3 Życie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko żywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoża paliw)

4 DEKOMPOZYCJA

5 UTLENIANIE = DEKOMPOZYCJA

6

7 DEKOMPOZYCJA

8 DEKOMPOZYCJA CIEPŁO O 2 trwałe związki organiczne C DŁUGOTRWAŁA DEPOZYCJA S aniony kationy H + H 2 0 CO 2 POWRÓT DO OBIEGU

9 Dekompozycja nigdy nie jest kompletna Portal Katedry Wawelskiej Marmur (wapień) dębnicki

10 Kwasy humusowe na powierzchni leśnej kałuży

11 Gleba gruntowo-glejowa Gleba bielicowa

12 Pożary jako ważny czynnik w dekompozycji materii organicznej Pożary lasów i torfowisk na Borneo w 1997 r: ( km 2 ) uwolnione 2.6 mld t C (ok.. 40% rocznej emisji CO 2 z paliw kopalnych) Pożary tajgi

13

14 Dendrobaena sp.

15 Morulina sp. (Collembola) Onychiurus sp. (Collembola) Campodea sp. (Diplura) P o r c e l i Porcellio o sp. Isopoda)

16 Pomiar tempa dekompozycji in situ

17 Rancho Grande Venezuela lipiec 2008 METODA WORECZKÓW ŚCIÓŁKOWYCH sączki celulozowe wzbogacone biogenami N, P, K

18 Pomiar tempa dekompozycji materii organicznej in vitro Nie ma odpowiednika dla zdalnych, wielkoskalowych pomiarów produkcji

19 TEMPO DEKOMPOZYCJI (MODEL WYKŁADNICZY) X t =X 0 e -kt Frakcja rozpuszczalna Niezdrewniałe węglowodany Zdrewniałe węglowodany Lignina

20 TEMPO DEKOMPOZYCJI ŚCIÓŁKI LEŚNEJ x t =x 0 e -kt Typ lasu Tempo dekompozycji x t /x 0 = e -kt X t95 /x 0 = = e -kt 95 ln(0.05) = -kt 95 t 95 = ln(0.05)/-k = /-k = ok.. 3/k k t 95 grab lipa dąb dodgewood klon czerwony chestnut oak świerk sosna buk

21 Dekompozycja w pierwszym roku, % Pn. EUROPA AET, mm Pn. AMERYKA AET, mm Zależność tempa dekompozycji (% ubytku s.m. w pierwszym roku) od rzeczywistej ewapotranspiracji (AET, mm) Dekompozycja w pierwszym roku, % AET, mm

22 Zależność tempa dekompozycji (stała k) detrytusu od proporcji C:N Sterner & Elser 2002

23 Wzorzec przestrzenny tempa dekompozycji ściółki (% ubytku s.m.w pierwszym roku) na terytorium U.S.A.

24 Oszacowana zmienność geograficzna tempa dekompozycji ściółki liściowej. Wartość 1.0: dla temp 0 o C i wilgotności nielimitującej. Estimated geographic variations in the leaf litter decomposition rate. A unitary rate corresponds to climatic conditions where Tm = 0 C, Ta = 0 C and Pa is sufficiently large to not limit the decomposition. Tuomi te al (Ecological Modelling 220: ) Tuomi et al (Ecological Modelling 220: )

25 Typ lasu Średni czas zatrzymania materii organicznej i pierwiastków odżywczych w ściółce ekosystemów leśnych Czas zatrzymania (lata) Mat. org. N P K Ca Mg Tajga Las iglasty Las liściasty Macchia Las deszczowy CZAS ZATRZYMANIA = MASA W ŚCIÓŁCE. MASA W ROCZNYM OPADZIE

26 Akumulacja materii organicznej w różnych ekosystemach Typ ekosystemu Tempo akumulacji [g C m -2 rok] Tundra 0.2 Tajga Las iglasty Las liściasty Las deszczowy

27 MITOLOGIA ZIELONYCH PŁUC?

28 kg C/m 2 gleby do głęb. 1 m

29 kg C/m 2 gleby do głęb. 1 m

30 Rozmieszczenie węgla w różnych ekosystemach lądowych

31 BILANS METANU W BIOSFERZE Źródła % Tg/rok Bagna Pola ryżowe Symbionty roślinożerców Spalanie biomasy Produkcja gazu 8 45 Termity 7 40 Inne ( ) RAZEM Ujścia gleba 30 Wolne rodniki 500 Przyrost w atmosferze (pomiar) 400

32 TERMITY

33 Nasutitermes sp.

34 Nasutitermes sp.

35 BAWOŁY AFRYKAŃSKIE (Masai Mara, Kenia) BYDŁO ZEBU (Pantanal Mato Grosso do Sul, Brazylia) PRZEŻUWACZE BAKTRIANY (Gurwan Turuu, Mongolia)

36 Hydrat metanu

37 HYDRAT METANU

38

39 BILANS METANU W BIOSFERZE Nowe dane Przed rozwojem przemysłu: 233 mln t/rok Mokradła 168 Spalanie biomasy 20 Termity 20 Oceany 15 Hydraty 10 Keppler & Roeckman Świat Nauki, kwiecień 2007 Obecnie: 600 mln t/rok Pola ryżowe Produkcja energii Przeżuwacze Mokradła Hydraty Oceany 15 Termity Spalanie biomasy Wysypiska i oczyszczalnie ścieków Raport IPCC, wrzesień 2013 Roślinność ?

40 GLOBALNY BILANS METANU NAJNOWSZA OCENA WG 5. RAPORTU IPCC 2013 Przepływy: TgCH 4 /rok Zapasy: TgCH 4 1 Tg = 1 x g = mln t

41 Atmosfera: Przyrost: 17 Tg CH 4 /rok utlenianie w atmosferze wulkany tlenianie glebie spalanie biomasy pola ryżowe bydło GLOBALNY BILANS METANU NAJNOWSZA OCENA WG 5. RAPORTU IPCC 2013 Przepływy: TgCH 4 /rok Zapasy: TgCH 4 1 Tg = 1 x g = mln t mokradła termity paliwa Zapas gazu wysypiska Hydraty w zmarzlinie < Hydraty morskie 2-8 mln

42 Życie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko żywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoża paliw)

43 C DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko żywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) n DEPOZYCJA (złoża paliw) Obieg węgla w biosferze t 10 9 i t 10 9 rok -1 w epoce przedindustrialnej i w latach

44 BILANS WĘGLA W BIOSFERZE 10 9 ton/rok Dopływy antropogeniczne SPALANIE PALIW KOPALNYCH 6 do 7 DEFORESTACJA I ROLNICTWO 5.5 ± ± 0.6 Dodatkowe ujścia ROZPUSZCZANIE WĘGLANÓW 3.2 ± 0.2 W MORZU 50%? ROŚLINNOŚĆ LĄDOWA 10%? MATERIA ORGAN. GLEBY 10%? OSADY MORSKIE ( POMPA CUKROWA ) 30%? AKUMULACJA W POWIETRZU 3.2 ± 0.2 BRAKUJE 1.8 ± 1.3 Dane wg. Siegentaler & Sarmiento (około 2.5?)

45 GLOBALNY BILANS WĘGLA NAJNOWSZA OCENA WG 5. RAPORTU IPCC 2013 Przepływy: PgC/rok Zapasy: PgC 1 Pg = 1 x g = mld t

46 0,1 wulkany wietrzenie skał 0,3 Atmosfera: ,8 paliwa kopalne cement GLOBALNY BILANS WĘGLA NAJNOWSZA OCENA WG 5. RAPORTU IPCC 2013 Przepływy: PgC/rok Zapasy: PgC 1 Pg = 1 x g = mld t zmiana użytkowania ziemi 1,1 1,0 Przyrost: 4 Pg C/rok 123=108, roślinność odgazowanie 1,7 gleby wód śródląd rzeki 0,9 węgiel fotosynteza respiracja 2,6 1,7 zmarzlina 1700 gaz ropa ,7=107,2+11,6 2,3 0,7 80=60+20 pow. oceanu głębiny ,2 osady denne ,4=60,7+17,3 50 biota DOC 700 2

47 0,1 wulkany wietrzenie skał 0,3 Atmosfera: ,7 7,8 paliwa kopalne cement GLOBALNY BILANS WĘGLA NAJNOWSZA OCENA WG 5. RAPORTU IPCC 2013 Przepływy: PgC/rok Zapasy: PgC 1 Pg = 1 x g = mld t 1,1 9,7-1,6-4,3 = 3,8 zmiana użytkowania ziemi 1,0 Przyrost: 4 Pg C/rok 123=108, roślinność odgazowanie 1,7 gleby wód śródląd rzeki 0,9 węgiel fotosynteza respiracja -4,3 2,6 1,7 zmarzlina 1700 gaz ropa ,7=107,2+11,6 2,3 0,7 80=60+20 pow. oceanu głębiny ,2 osady denne ,6 78,4=60,7+17,3 50 biota DOC 700 2

48 wg Butchera 1994 PRZYBLIŻONE CHARAKTERYSTYCZNE TEMPA WYMIANY POWIETRZA I WODY MIĘDZY POSZCZEGÓLNYMI WARSTWAMI ATMOSFERY I OCEANU DOLNA STRATOSFERA 30 km OCEANY ATMOSFERA TROPOPAUZA TROPOSFERA WARSTWA GRANICZNA WARSTWA MIESZANIA TERMOKLINA GŁĘBIA OCEANICZNA 1 rok Pacyfik 1000 lat Atlantyk 100 lat 1 godz 10 godz 1 rok 2 lata 1 miesiąc 2,5 roku 50 lat 2,5 roku 10 km 1 km 50 m 1000 m 4 km BIEGUN RÓWNIK BIEGUN

49 September 2013: September 2012: ppm ppm

50 September 2013: September 2012: ppm ppm National Oceanic and Atmospheric Administration

51 ZMIANY STĘŻENIA DWUTLENKU WĘGLA W ATMOSFERZE

52 ZMIANY STĘŻENIA DWUTLENKU WĘGLA W ATMOSFERZE

53 ZMIANY ZAWARTOŚCI TLENU W ATMOSFERZE W OKRESIE

54 ZMIANY ZAWARTOŚCI TLENU/AZOTU W KALIFORNI (LA JOLLA) ZMIANY ZAWARTOŚCI CO 2 NA BIEGUNIE POŁUDNIOWYM

55

56

57

58 203,3 207,1 mld t/rok 8,9

59 September 2013: September 2012: ppm ppm

60

61 ZMIANY ZAWARTOŚCI TLENU/AZOTU W KALIFORNI (LA JOLLA) ZMIANY ZAWARTOŚCI CO 2 NA BIEGUNIE POŁUDNIOWYM

62 ZMIANY ZAWARTOŚCI CO 2 W ATMOSFERZE W CIĄGU FANEROZOIKU JAKO WIELOKROTNOŚĆ WSPÓŁCZESNEJ

63 ZMIANY SKŁADU ATMOSFERY W FANEROZOIKU TLEN CO 2 Lane ,03 0,04%

64 65 cm Meganeura

65 65 cm

66 Zmiany zawartości CO 2 w atmosferze (ppmv) Zmiany średniej temperatury

67 390 H. neanderthalensis Zmiany zawartości CO 2 w atmosferze (ppmv) 400 tys. lat CAŁA HISTORIA CYWILIZACJI Zmiany średniej temperatury

68 Homo neanderthalensis 390 Zmiany zawartości CO 2 w atmosferze (ppmv) 400 tys. lat Górny paleolit CAŁA HISTORIA CYWILIZACJI Zmiany średniej temperatury

69 Globalne zmiany klimatu (temperatury)

70 ŚREDNIA (STYCZEŃ-PAŹDZIERNIK) ANOMALIA TEMPERATURY

71 ZMIANA ŚREDNIEJ GLOBALNEJ ANOMALII TEMPERATURY Anomalia temperatury ( o C) Średnia roczna 5-letnia średnia krocząca OKRES BAZOWY

72 ZMIANY ŚREDNIEJ ANOMALII TEMPERATURY DLA PÓŁNOCNEJ I POŁUDNIOWEJ PÓŁKULI Anomalia temperatury ( o C) OKRES BAZOWY

73 PRZESTRZENNY ROZKŁAD ANOMALII TERMICZNEJ ( OCIEPLENIA ) W PAŹDZIERNIKU

74 PRZESTRZENNY ROZKŁAD ANOMALII TERMICZNEJ ( OCIEPLENIA ) W PAŹDZIERNIKU

75 Pieter Bruegel Starszy 1565 Myśliwi na śniegu

76 GORĄCE ŚREDNIOWIECZE I MAŁA EPOKA LODOWA Rekonstrukcje temperatury płn. Półkuli (symulacje) Raport IPCC 2007

77 Czynniki wymuszające zmiany klimatu półkuli płn. (symulacje) IPCC Report 2007

78 ROŚLINNOŚĆ EUROPY W OKRESIE OSTATNIEGO ZLODOWACENIA Kornaś & Medwecka-Kornaś

79

80 Globalne zmiany ph oceanu

81 ZMIANY STĘŻENIA CO 2 W ATMOSFERZE I OCEANIE I ZMIANY KWASOWOŚCI OCEANU Feely et al Oceanography 22,4

82 KWASOWOŚĆ (ph) WÓD POWIERZCHNIOWYCH (50 m) ph Pelejero et al. 2010; Trends in Ecology and Evolution Vol.25 No.6

83 OSZACOWANA ZMIANA ZAKWASZENIA WÓD POWIERZCHNIOWYCH OCEANU OD XVIII W. Współczesne wartości ph wód powierzchniowych oceanu Zmiana ph w okresie od początku XVIII

84 WSPÓŁCZESNE I PROGNOZOWANE ZMIANY ph OCEANÓW Feely et al., Oceanography (2009).

85 ZMIANY ph OCEANU W RÓŻNYCH SKALACH CZASOWYCH WIELOLETNIE DOBOWE DEKADOWE GLACJAŁY/INTERGLACJAŁY Pelejero et al. 2010; Trends in Ecology and Evolution Vol.25 No.6

86 REKONSTRUKCJA DAWNYCH ZMIAN ph OCEANÓW I PROGNOZA DALSZEGO ZAKWASZENIA PROGNOZA Pelejero et al. 2010; Trends in Ecology and Evolution Vol.25 No.6

87 SZYBKI SPADEK STANU NASYCENIA KALCYTU W OCEANACH PO GWAŁTOWNYM OCIEPLENIU EOCEŃSKIM DŁUGOTRWAŁY POWRÓT Wiek (mln lat) Eoceńskie maksimum termiczne wg.zachos et al., Science (2005), za Guide to ocean acidification

88 SUBTELNY MECHANIZM ODDZIAŁYWANIA ZMIAN KLIMATU

89 Pośredni wpływ zmian klimatu Muchołówki żałobne wracają do Holandii o zwykłym czasie (regulacja fotoperiodyczna), ale zmienione warunki klimatyczne w Europie zmuszają je do wcześniejszych lęgów. Może dojść do wymierania gatunków (Both & Visser, Nature 411, , Booth at al.; NATURE Vol 441, 4 May 2006)

90 WPŁYW DATY POJAWU GĄSIENIC I WRAŻLIWOŚCI TERMICZNEJ PTAKÓW NA TRENDY POPULACYJNE U MUCHOŁÓWEK ŻAŁOBNYCH DL=a-bt Trend populacyjny (na rok) Data lęgu temperatura Szczyt pojawu gąsienic (dni od 31. marca) Nachylenie regresji (data lęgu/średnia temp.) Booth at al.; NATURE Vol May 2006

91 ZMIANY GLOBALNE zmiana klimatu zmiany geochemiczne (litosfera, gleba, ocean, atmosfera) zmiany geograficzne (linia brzegowa, zasięgi lodowców) zmiany biologiczne (zasięgi gatunków i zespołów - w tym zasięgi upraw; zmiany bioróżnorodności) skutki społeczne i gospodarcze dla człowieka

92 Mechanizmy długofalowych zmian globalnych Cykl astronomiczny wpływa pośrednio na klimat i biogeochemię zmiany aktywności słonecznej (ewolucja gwiazdy) cykl Milankovica cykl 11-letni aktywności Słońca katastrofy kosmiczne (zderzenia)

93 MECHANIZMY DŁUGOFALOWYCH ZMIAN GLOBALNYCH Cykl tektoniczny zmiana położenia kontynentów zmiany nasilenia zjawisk wulkanicznych (w tym: podwodnych)

94

95 TRAPY DEKANU Pozostałość gigantycznej aktywności wulkanicznej

96 KATASTROFY KOSMICZNE

97

98 % skumulowany produkcji O 2 ZMIANY ZAWARTOŚCI TLENU W ATMOSFERZE Kontynentalne red beds Formacje Fe wstęgowego (BIF) Chwilowy wzrost O2 w systemie atmosfery i oceanu g O 2 związany w Fe 2 O 3 ( 58%) O 2 związany w SO 4 2- ( 38%) Tlen cząsteczkowy ( 4%) Czas (10 9 lat temu) Dziś

99 ZMIANY PROPORCJI 13 C/ 12 C W PREKAMBRZE Pp Radiacja fauny ediakarskiej POZIOM WSPÓŁCZ. + snowball Earth Czas (miliony lat temu) Lane 2002

100 Fragmentaryczna zgodność modeli Opisujących zmiany zawartości CO 2, danych geochemicznych oraz paleoklimatologicznych (wyraźna rozbieżność mln lat temu) Crowley & Berner Science V.2001

101 Życie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko żywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoża paliw)

102 Fotosynteza podtrzymuje potencjał redoks w biosferze, napędzając obieg wielu pierwiastków ciepło Słońce (CH O) 2 n H S H 2 O NH CO 2 FOTOSYNTEZA O 2 (CH O) 2 n CO 2 BAKTERIE NITRYFIKUJACE NO 3 - (CH O) 2 n CO 2 SO -- 4 BAKTERIE SULFURYZUJACE

103 C Przemiany chemiczne grupy organizmów Wiązanie CO 2 (CH 2 O) n Oddychanie tlenowe (CH 2 O) n CO 2 + H 2 O Mineralizacja (CH 2 O) n ±O 2 subst. nieorgan. Metanogeneza CO 2 + H 2 (organ.) CH 4 + H 2 O Fotoautotrofy (rośliny, sinice); Chemoautotrofy (bakterie: nitryfikujące, sulfuryzacyjne, Wszystkie rośliny i zwierzęta, utl. żelazo bakterie i wodór); tlenowe Bakterie i grzyby Metanogeny (bakterie, Archea)

104 N Przemiany chemiczne grupy organizmów Wiązanie N 2 R-NH 2 (gr. aminowa) Nitryfikacja NH 3 NO 2- NO 3 - Denitryfikacja dysymilacyjna NO 3- N 2, Denitryfikacja N 2 O asymilacyjna NO 3- R-NH Amonifikacja N org. NH 3 Bakterie azotowe wolne i symbionty, sinice Chemoautotroficzne bakterie nitryfikujące Bakterie oddychające beztlenowo Rośliny, bakterie Liczne bakterie i inne mikroorganizmy

105 S Przemiany chemiczne grupy organizmów Sulfuryzacja H 2 S S S 2 O 3 2- SO 4 2- Desulfuryzacja dysymilacyjna SO 2-4 Desulfuryzacja H 2 S asymilacyjna SO 2-4 R- Produkcja SH DMS SO 2-4 (CH 3 ) 2 S Purpurowe i zielone bakterie fotoautotroficzne, niektóre sinice Bakterie desulfuryzacyjne (oddychanie beztlenowe) Rośliny, bakterie Mikroorganizmy planktonowe

106 Cykl azotu Pobieranie i wydalanie przez organizmy

107 OBIEG AZOTU

108 CYKL REDOKS SIARKI W BIOSFERZE

109 Obieg siarki w biosferze mln t, mln t/rok Roczny przepływ rzędu 100 mln t (podobny jak N)

110 abiotyczne ATMOSFERA HYDROSFERA BIOSFERA PRZEMYSŁ LITO- SFERA

111 abiotyczne biotyczne ATMOSFERA HYDROSFERA BIOSFERA PRZEMYSŁ LITO- SFERA

112 antropogeniczne abiotyczne biotyczne ATMOSFERA HYDROSFERA BIOSFERA PRZEMYSŁ LITO- SFERA

113 Roczny przepływ pierwiastków w różnych domenach biosfery [mld ton/rok]

114

115 Mechanizmy długofalowych zmian globalnych opanowanie lądów wzmożenie fotosyntezy, Zmiany aktywności biologicznej biosfery w toku ewolucji biosfera uczy się korzystać z zasobów odnawialnych praca organizmów. Mechanizm tej nauki : dobór naturalny. dobór naturalny między organizmami kształtuje globalne cykle biogeochemiczne. Jak? Mimochodem! redukcja węgla, uwolnienie tlenu radykalna zmiana globalna;

116 ZMIANY KLIMATU GLOBAL CHANGE