Globální změny klimatu, a

trvale udržitelný rozvoj 5. Biogeochemické cykly (neúplné)

MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013

Lubomír Nátr Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

5. Biogeochemické cykly

Půda: fyzikální, chemická a biologická složka.

Půda a její význam pro život na Zemi.

Globální cyklus C: biosféra, pedosféra, atmosféra, kryosféra.

Kvantitativní přepočty uhlíku C, oxidu uhličitého (CO2) a sušiny

rostlin (CH2O).

Globální cyklus vody

Globální cyklus N a P.

Katedra fyziologie rostlin

Lubomír Nátr 2012

Metan je hlavní složkou

(1)zemního plynu,

který se stále větší měrou podílí na zajištění energie

pro stále rostoucí potřeby stále rostoucí lidské

populace na stále stejně velké planetě.

Kromě toho byl, je a bude velmi důležitý

pro všechno živé na Zemi, protože jako

(2)skleníkový plyn

spoluvytváří trvalý skleníkový efekt,

a tím i na udržování teploty příznivé

pro naše formy života. A jeho význam

pro stávající lidské společnosti dále

narůstá proto, že se podílí na

zesilování skleníkového efektu, Lubomír Nátr 2012

Wolff et al., 2007 Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

http://www.google.cz/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1a/Nitrous-

oxide-3D-vdW.png&imgrefurl=http://en.wikipedia.org/wiki/File:Nitrous-oxide-3D-vdW.png&h=

679&w=1100&sz=123&tbnid=Ppjn_XjnnWk96M:&tbnh=91&tbnw=148&prev=/search%3Fq%3

Dnitrous%2Boxide%26tbm%3Disch%26tbo%3Du&zoom=1&q=nitrous+oxide&docid=LkQqB-

Hw0rs2CM&hl=cs&sa=X&ei=GaaxTpK6EpGSOtH6nZYC&sqi=2&ved=0CE8Q9QEwBg&dur=3250

Lesy;

louky;

oceány;

půda; zpracování půdy;

zemědělská hnojiva;

spalování fosilních paliv a biomasy,

změna v užívání půdy

Oxid dusný (N2O):

-uvolňuje se přirozenou cestou z oceánu, deštných pralesů a činností

půdních bakterií

-mezi zdroje N2O patří dusíkatá hnojiva, spalování fosilních paliv a

průmyslová chemická výroba (využívající dusík např. zpracování odpadních

vod)

-při absorpci tepla je N2O 310x efektivnější než CO2

Lubomír Nátr 2012 http://www.irz.cz/repository/oxiddusiku.gif

Lubomír Nátr 2012 http://www.nadacepartnerstvi.cz/klima/sklenikove-plyny

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

http://images.google.cz/imgres?q=greenhouse+gas+sources&hl=cs&rlz=1T4SKPB_csCZ340CZ340&biw=1185&bih=777&tbm=isch&tbnid=zcc30gmpCSD7nM:&imgrefurl=http://en.wikipedia.org/wiki/

Greenhouse_gas&docid=9kOuK-FBRq_-hM&imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e0/Greenhouse_Gas_by_Sector.png/350px-

Greenhouse_Gas_by_Sector.png&w=350&h=325&ei=P62xTrHPHImSOoD-

gJsC&zoom=1&iact=hc&vpx=98&vpy=194&dur=468&hovh=216&hovw=233&tx=136&ty=129&sig=113593948849675657342&page=1&tbnh=131&tbnw=141&start=0&ndsp=24&ved=1t:429,r:0,s:0

http://www.eia.doe.gov/oiaf/1605/ggccebro/images/NewFlowFig2.gif Lubomír Nátr 2012

Koloběh uhlíku

Home page

About the Project

Background Information

Teaching Materials Plant-a-

Plant

Modeling

Others

Project Team and

Coordination

Participating Schools

News and Events

Workshops

GLOBE Games

Links

Czech

Others

Here you can find

many more materials

that provide you further background information

and inspiration

for teaching Carbon Cycle

Topics.

Download: •The Role of

Forests in Global Carbon

Cycling and Global

Climate Change,

J.Albrechtová &

B.N.Rock, 2005:

Forests_GlobalClim.ppt

•Global Carbon Cycle - simple

diagram of carbon flows

and pools: CCdiagram-english.jpg

•Simulation of changes in primary production of planet´s

ecosystems - short movie: NASA_NPP_Movie_npp

_20012002_lrg.mpeg

© J.Albrechtová

kfrserver.natur.cuni.cz/globe/others.htm

Lubomí Nátr, 2011

Lubomí Nátr, 2011

Le Quéré et al. 2009, Nature Geoscience; Data: CDIAC, FAO, Woods Hole Research Center 2009

CO2 Emissions from Land Use Change

Fossil fuel

Land use change

10

8

6

4

2

1960 2010 1970 1990 2000 1980

CO

2 em

issi

ons

(PgC

y-1

)

Lubomír Nátr 2012

atmospheric CO2

ocean

land

fossil fuel emissions

deforestation

7.7

1.4

4.1

3.0 (5 models)

2000-2008 PgC

CO

2 flu

x (P

gC y

-1)

Sin

k S

ourc

e

Time (y)

Human Perturbation of the Global Carbon Budget

0.3 Residual

2.3 (4 models)

Global Carbon Project 2009; Le Quéré et al. 2009, Nature Geoscience Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

http://co2now.org/

Fate of Anthropogenic CO2 Emissions (2000-2008)

Le Quéré et al. 2009, Nature Geoscience; Canadell et al. 2007, PNAS, updated

1.4 PgC y-1

+ 7.7 PgC y-1

3.0 PgC y-1

29%

4.1 PgC y-1

45%

26% 2.3 PgC y-1

Lubomír Nátr 2012

Lubomí Nátr, 2011

Zmírnění antropogenních změn klimatu

1.Snížení energetické náročnosti všeho

2.Alternativní zdroje energie

3.IPCC: použitelná řešení

4.Dlouhodobé ukládání části

emitovaného CO2

5.Geoinženýrská řešení

Lubomír Nátr 2012

The Technology Challenge Stabilising Greenhouse Gas

Concentrations in the Atmosphere

Vehicles: Efficiency, Bio-

fuels, Hydrogen Fuel Cells

Zero Net Emission Bldgs.,

Industrial Efficiency, CHP

Nuclear Power Generation IV

Renewable Energy

Technologies

Advanced Power Grids

Bio-Fuels and Power

Carbon (CO2) Sequestration

27

No single technology

or policy can do it all

Different

- regions - resources

- markets - preferences

- scale-up - technology

requirements timing

- infrastructures

• Richard A. Bradley and Cedric Philibert: Energy Efficiency and Environment Division, International Energy Agency Carbon Dioxide Mitigation: The Technology Challenge

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012 Metelka, Tolasz, 2009

Avoiding 1 billion tons of CO2 per year

To meet the energy demand & stabilize CO2 concentrations unprecedented technology changes must occur in this century

Coal

CO2

Sequestration

Nuclear

Wind

Solar PV

Replace 300 conventional, 500-MW coal

power plants with “zero-emission” power

plants, or ...

Install 200 x current US wind generation in

lieu of unsequestered coal

Install 1300 x current US solar generation in

lieu of unsequestered coal

Install 1000 Sleipner CO2 sequestration

plants

Build 140 1-GW power plants in lieu of

unsequestered coal plants

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

Roční em

ise (

Gt C

) z f

osiln

ích p

aliv

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Roky

2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060

Roční em

ise (

Gt C

) z f

osiln

ích p

aliv

0

2

4

6

8

10

12

14

16

673 Gt C

175

Gt

C

498 Gt C

PACALA_CO2_do_2060Horní graf udává nejčastější předpokjlad růstu emisí z fosilních paliv do roku 2060. Na spodním grafu je znázorněna možnost stabilizace ročních emisí na úrovni roku 2004 (7 Gt C). Celkové emise do roku 2054 by se tak snížily o 175 Gt C. Upraveno podle Pacala a Socolow (2004)

PACALA_CO2_do_2060

Horní graf udává nejčastější předpokjlad růstu emisí z fosilních paliv do roku 2060. Na spodním grafu

je znázorněna možnost stabilizace ročních emisí na úrovni roku 2004 (7 Gt C). Celkové emise do roku 2054 by

se tak snížily o 175 Gt C. Upraveno podle Pacala a Socolow (2004)

Main forms of

renewable energy

1.1 Wind power

1.2 Hydropower

1.3 Solar energy

1.4 Plant matter

1.5 Geothermal

energy

Lubomír Nátr 2012

Wikipedia.org Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

scenarios of stratospheric sulfur injections as a measure to compensate

for CO2-induced global warming. The baseline scenario includes the burning of

5,000 GtC of fossil fuels. A full compensation of CO2-induced warming requires a

load of about 13 MtS in the stratosphere at the peak of atmospheric CO2 concentration.

Keeping global warming below 2◦C reduces this load to 9 MtS. Compensation

of CO2 forcing by stratospheric aerosols leads to a global reduction in precipitation,

warmer winters in the high northern latitudes and cooler summers over northern

hemisphere landmasses. The average surface ocean pH decreases by 0.7, reducing

the calcifying ability of marine organisms. Because of the millennial persistence of

the fossil fuel CO2 in the atmosphere, high levels of stratospheric aerosol loading

would have to continue for thousands of years until CO2 was removed from the

atmosphere. A termination of stratospheric aerosol loading results in abrupt global

warming of up to 5◦C within several decades, a vulnerability of the Earth system to

technological failure.

Do atmosféry je třeba dopravit 13 Mt síry.

Důsledky:

Globální snížení srážek

Teplejší zimy a chladnější léta

Pokles pH oceánů o 0,7 pH

Projekt musí trval 1000 roků, než poklesne

koncentrace CO2

Přerušení projektu zvýší teplotu o 5 oC

během několika dekád

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

IPCC „Carbon Capture Systems“

Lubomír Nátr 2012 IPCC

Williams (1998) indicates an energy requirement for compression from 1.3 to 110 atmospheres pressure of about 400 kWh/tC

(1.44 GJ/tC). Haugen and Eide (1996) indicate that 55–60 MW of power would be needed to liquefy the CO2 produced by a 500

MW coal-fired power plant. Given a power plant efficiency of 33% and a coal emission factor of 24 kg C/GJ, this implies an

energy

requirement of 1.5–1.7 GJ/tC. Also note that, although this is a 10–12% energy penalty for theliquefaction of CO2 from a coal

power plant, it is less than a 2% penalty for the liquefaction of 71% of the CO2 released by steam reforming of natural gas. For a

steam reforming efficiency of 89%, a natural gas emission factor of 13.5 kg C/GJ, and 71% capture, the amount of CO2 that

needs to

be liquefied is 0.0107 tC/GJ H2, and the energy requirement is 1.6–1.8% the energy content of the product H2.

Harvey, 2004.

Účinnost využití uhlí v elektrárně: 33%,

Emise: 24 C GJ-1,

Zachycení CO2 si vyžádá 10 až 12% energie

navíc.

Výhodnější jsou elektrárny na zemní plyn

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012 IPCC

Lubomír Nátr 2012 IPCC

Lubomír Nátr 2012

Lubomír Nátr 2012

Benefits, risks, and costs of stratospheric geoengineering Alan Robock,1 Allison Marquardt,1 Ben Kravitz,1 and Georgiy Stenchikov1,2

GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 36, L19703,, 2009

Lubomír Nátr 2012

Currently, an untapered

column

made of aluminum that can

just

support its own weight could

be

built to a height of 15 km.

One made of

carbon/epoxy composite

materials

could be built to 114 km

Lubomír Nátr 2012

stratospheric geoengineering

may provide a substantial increased CO2 sink

to counter anthropogenic emissions. This increase in plant

productivity could also have a positive effect on agriculture

costs of three suggested methods of placing the aerosol

precursors into the stratosphere: airplanes, artillery shells,

and stratospheric balloons

Rather than cooling the entire planet, it has been

suggested that we only try to modify the Arctic

to prevent a sea ice-free Arctic summer and

to preserve the ice sheets in

Greenland while mitigation is implemented

the additional costs for infrastructure, personnel, and H2 would be

$3,600,000,000 per year, or $5.5 billion in 2008 dollars

Currently, an untapered column made of aluminum that can just support

its own weight could be built to a height of 15 km. One made of

carbon/epoxy composite materials could be built to 114 km

Benefits, risks, and costs of stratospheric geoengineering

Alan Robock,1 Allison Marquardt,1 Ben Kravitz,1 and Georgiy Stenchikov