ŚRODOWISKO NATURALNE CZŁOWIEKA: BIOSFERA CZY CYWILIZACJA? WYKŁAD 1.3. BIOSFERA: OBIEG WĘGLA

Transkrypt

1 ŚRODOWISKO NATURALNE CZŁOWIEKA: BIOSFERA CZY CYWILIZACJA? WYKŁAD 1.3. BIOSFERA: OBIEG WĘGLA

2 POJĘCIE BIOSFERY SUESS (1875): STATYCZNE, TOPOLOGICZNE (WARSTWA NA POWIERZCHNI GLOBU) VERNADSKIJ (1926): DYNAMICZNE, FUNKCJONALNE (EKOSYSTEM)

3 MiąŜszość biosfery < 20 km 0,2 mm 15 cm

4 śycie jako właściwość planety śycie to endoenergetyczny proces, polegający na cyklicznym utlenianiu i redukowaniu związków węgla, realizowany przez autokatalitycznie powielające się makrocząsteczki (organizmy).

5 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

6 SUBSTRATY śycia Budowa biomasy DONOR ELEKTRONóW (REDUKTOR LUB SUBSTRAT ENERGETYCZNY) (CH O), H, NH, H S AKCEPTOR ELEKTRONóW (UTLENIACZ) - -- O,NO,SO,CO Energia (praca)

7 Reakcja redoks 2H 2 = 4H + + 4e - O 2 + 4e - = H 2 + O 2 = 2H 2 0 H = donor elektronów, reduktor O = akceptor elektronów, utleniacz

8 Potencjał REDOX O 2 /H 2 O NO 3 - /N 2 - NO 3 - /NH 4 + (CH 2 O)/CH 4 SO 4 2- /SH - S/SH CO 2 /(CH 2 O)

9 ODDYCHANIE

10 Metabolizm chemoautotrofów

11 Fotosynteza

12 2 mld LAT TEMU: FOTOSYNTEZA CHLOROFIL, TLEN

13 PRODUKCJA PIERWOTNA BIOSFERY

15 PRODUKCJA PIERWOTNA Respiracja PAR Pp brutto O 2 CO 2 Pp netto H 2 O Aniony kationy

16 METODY śniwne METODY DENDROMETRYCZNE

17 Pomiar fotosyntezy POMIAR TEMPA FOTOSYNTEZY 6CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 CPY-4 Canopy Assimilation Chamber

18 Landsat 7 LANDSAT 8 METODY SATELITARNE

19 ZASADA ZDALNEGO POMIARU NDVI R IR Roślinność REFLEKTANCJA Goła gleba IR - R Widzialne Bliska podczerwień DŁUGOŚĆ FALI

20 BADANIA SATELITARNE Landsat 7 Landsat 8 (2013)

21 NDVI = (IR-R)/IR+R)

22

23 Produktywność Oceanów Z danych satel. SeaWiFS Science, czerw. 2002

24 Główne ograniczenie Pp na lądach: WODA

25 SZTUCZNIE NAWADNIANE POLA W STANIE Kansas, USA

26

27 Tabela wybranych wartości Pp na lądach (sucha masa) g /(m 2.rok) 10 9 t/rok Lasy równikowe Lasy strefy umiarkowanej Tajga Sawanna, Stepy itp Inne Razem lądy 117.5

28 Tabela wybranych wartości Pp w morzach g /(m 2.rok) 10 9 t/rok Otwarty ocean Upwellingi Szelfy kontynentalne Rafy koralowe Estuaria Razem morza 55.0

29 Produkcja Pierwotna Netto na lądach

30 Mapa produktywności lądów

31 Mapa produktywności oceanów

32 Mapa produktywności

33 BILANS ENERGETYCZNY BIOSFERY CAŁKOWITA PRODUKCJA OCEANÓW: ton C/ rok = ton s.m. / rok = J / rok = MW CAŁKOWITA PRODUKCJA LĄDÓW: ton s.m. / rok = J / rok = MW *48.5 Gt C yr 1 *56.4 Gt C yr 1 (53.8%) RAZEM BIOSFERA: J / rok = MW (inne źródła: MW) ENERGIA ZE SŁOŃCA (PhAR): MW Pp = % PhAR *104.9 Gt C yr 1 * Field et al 1998

34 Tempo zuŝycia energii, W Metabolizm maksymalny Maksymalna asymilacja energii z pokarmu Metabolizm minimalny ZuŜycie energii przez człowieka ( ) na tle fizjologicznego zapotrzebowania na energię ( ) u ssaków (wg Weiner 1989)

35 ZuŜycie energii na głowę (średnie dla regionów) Świat OECD Śr. Wschód Były ZSRR Eur. Nie-OECD Chiny Azja Am. Łac. Afryka Polska Regiony kw

36 ZUśYCIE ENERGII PRZEZ CZŁOWIEKA Świat (średnio) < 2 kw/osobę Polska ok. 5 kw/osobę U.S.A. > 10 kw/osobę Organizm ludzki w spoczynku: W przy pracy: W

37 PRODUKCJA PIERWOTNA BIOSFERY A CYWILIZACJA ŚREDNIE ZUśYCIE 2 kw /1 człowieka KRAJE ROZWINIĘTE 10 kw / 1 człowieka Pp BIOSFERY MW = kw ( ) / 10 = = 10 miliardów ludzi (cywilizowanych nadmiernie) ( )/2 = = 50 miliardów ludzi (cywilizowanych średnio...)

38 DEKOMPOZYCJA

40 UTLENIANIE = DEKOMPOZYCJA

41

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

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

44 PoŜary jako waŝny czynnik w dekompozycji materii organicznej PoŜary 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) PoŜary tajgi

45

46 Dendrobaena sp.

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

48 Pomiar tempa dekompozycji in situ

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

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

51 TEMPO DEKOMPOZYCJI ŚCIÓŁKI LEŚNEJ x t =x 0 e -kt Typ lasu Tempo dekompozycji k t 95 grab lipa dąb dodgewood klon czerwony chestnut oak świerk sosna buk

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

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

54 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: )

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

56 MITOLOGIA ZIELONYCH PŁUC?

57 kg C/m 2 gleby do głęb. 1 m

58 kg C/m 2 gleby do głęb. 1 m

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

60 TERMITY

61 Nasutitermes sp.

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

63 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 ryŝowe Produkcja energii PrzeŜuwacze Mokradła Hydraty Oceany 15 Termity Spalanie biomasy Wysypiska i oczyszczalnie ścieków Raport IPCC, wrzesień 2013 Roślinność ?

64 Atmosfera: Przyrost: 17 Tg CH 4 /rok utlenianie w atmosferze wulkany utlenianie w glebie spalanie biomasy pola ryŝowe 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

66 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 1,1 zmiana uŝytkowania ziemi 1,0 węgiel Przyrost: 4 Pg C/rok 123=108, odgazowanie wód śródląd. fotosynteza respiracja rzeki 0,9 2,6 1,7 roślinność ,7 gleby 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, biota 3 DOC 700

67 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 uŝytkowania ziemi 1,0 węgiel Przyrost: 4 Pg C/rok 123=108, odgazowanie wód śródląd. fotosynteza respiracja rzeki 0,9-4,3 2,6 1,7 roślinność ,7 gleby 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, biota 3 DOC 700

68 September 2013: September 2012: ppm ppm

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

70

71

72

73 203,3 207,1 mld t/rok 8,9

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

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

76 65 cm Meganeura

77 65 cm

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

79 390 Zmiany zawartości CO 2 w atmosferze (ppmv) 400 tys. lat CAŁA HISTORIA CYWILIZACJI Zmiany średniej temperatury

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

81 Globalne zmiany klimatu (temperatury)

82 ŚREDNIA (STYCZEŃ-PAŹDZIERNIK) ANOMALIA TEMPERATURY

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

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

85 PRZESTRZENNY ROZKŁAD ANOMALII TERMICZNEJ ( OCIEPLENIA ) W PAŹDZIERNIKU

86 PRZESTRZENNY ROZKŁAD ANOMALII TERMICZNEJ ( OCIEPLENIA ) W PAŹDZIERNIKU

87 com/news-stories/article/nasafebruary-2015-was-secondwarmest-after-1998.html

88 Pieter Bruegel Starszy 1565 Myśliwi na śniegu

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

90 GORĄCE ŚREDNIOWIECZE I MAŁA EPOKA LODOWA Rekonstrukcje temperatury płn. Półkuli (symulacje) Raport IPCC 2007 TYNIEC (poł. XI w)

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

92

93 Globalne zmiany ph oceanu

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

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

96 SUBTELNY MECHANIZM ODDZIAŁYWANIA ZMIAN KLIMATU

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

98 WPŁYW DATY POJAWU GĄSIENIC I WRAśLIWOŚCI TERMICZNEJ PTAKÓW NA TRENDY POPULACYJNE U MUCHOŁÓWEK śałobnych 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

99 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

100 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)

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

102

103 TRAPY DEKANU Pozostałość gigantycznej aktywności wulkanicznej

104 KATASTROFY KOSMICZNE

105

106 % 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

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

109 SPRZĘśENIE CYKLI REDOKS W BIOSFERZE NH 3 O 2 CO 2 NO 3 - H 2 O CH 2 O H 2 S SO 4 -- Fotosynteza podtrzymuje potencjał redoks w biosferze, napędzając obieg wielu pierwiastków