Upload
phamcong
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ŚRODOWISKO NATURALNE CZŁOWIEKA:
BIOSFERA CZY CYWILIZACJA?
WYKŁAD 1.3.BIOSFERA: OBIEG WĘGLA
POJĘCIE BIOSFERY
SUESS (1875):
STATYCZNE, TOPOLOGICZNE
(WARSTWA NA POWIERZCHNI GLOBU)
VERNADSKIJ (1926):
DYNAMICZNE, FUNKCJONALNE
(EKOSYSTEM)
MiąŜszość biosfery
15 cm≈0,2 mm
< 20 km
śycie jako wła ściwo śćplanety
śycie to endoenergetyczny proces, polegający na cyklicznym utlenianiu i
redukowaniu związków węgla, realizowany przez autokatalitycznie
powielające się makrocząsteczki (organizmy).
śycie biosfery = cykl redoks węgla
CO2
(CH O)2 n
REDUKCJAtylko Ŝyweorganizmy
UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli
energiaenergia
DEPOZYCJA(ocean, osady)
DEPOZYCJA(złoŜa paliw)
SUBSTRATY śYCIA
Budowabiomasy
Energia(praca)
DONOR ELEKTRONóW(REDUKTOR
LUB SUBSTRATENERGETYCZNY)
(CH O) , H , NH , H S222 3
AKCEPTORELEKTRONóW(UTLENIACZ)
O ,NO ,SO ,CO 2 23 4---
Reakcja redoks
2H2 = 4H+ + 4e-
O2 + 4e- = 202-
2H2 + O2 = 2H20
H = donor elektronów, reduktorO = akceptor elektronów,
utleniacz
Potencjał REDOX
O2/H2O
NO3-/N2
NO3-/NH4
+
(CH2O)/CH4
-
SO42-/SH-
S/SH
CO2/(CH2O)
ODDYCHANIE
Metabolizm chemoautotrofów
Fotosynteza
2 mld LAT TEMU: FOTOSYNTEZA
CHLOROFIL, TLEN
PRODUKCJA PIERWOTNABIOSFERY
śycie biosfery = cykl redoks węgla
CO2
(CH O)2 n
REDUKCJAtylko Ŝyweorganizmy
UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli
energiaenergia
DEPOZYCJA(ocean, osady)
DEPOZYCJA(złoŜa paliw)
PAR Pp brutto
H2OAnionykationy
CO2
O2
Pp netto
Respiracja
PRODUKCJA PIERWOTNA
METODY śNIWNEMETODY DENDROMETRYCZNE
CPY-4 Canopy Assimilation Chamber
POMIAR TEMPA FOTOSYNTEZY6CO2 + 6 H2O �C6H12O6 + 6 O2
Pomiar fotosyntezy
Landsat 7LANDSAT 8
METODY SATELITARNE
ZASADA ZDALNEGO POMIARU NDVI
RE
FLE
KT
AN
CJA
DŁUGOŚĆ FALI
Bliska podczerwie ńWidzialne
Goła gleba
Roślinno ść
R IR
IR - R
Landsat 7
BADANIA SATELITARNE
Landsat 8 (2013)
NDVI = (IR-R)/IR+R)
ProduktywnośćOceanów
Z danych satel. SeaWiFS
Science, czerw. 2002
Główne ograniczenie Pp na lądach:WODA
SZTUCZNIE NAWADNIANE POLAW STANIE Kansas, USA
Tabela wybranych wartości Pp na lądach (sucha masa)
g /(m2.rok) 109 t/rok
Lasy równikowe 1600-2200 49.4
Lasy strefy umiarkowanej 600-2500 14.9
Tajga 800 9.6
Sawanna, Stepy itp. 600-900 24.9
Inne 10-6000 18.7
Razem lądy 117.5
Tabela wybranych wartości Pp w morzach
g /(m2.rok) 109 t/rok
Otwarty ocean 2-400 41.5
Upwellingi 400-1000 0.2
Szelfy kontynentalne 200-600 9.6
Rafy koralowe 500-4000 1.6
Estuaria 200-400 2.1
Razem morza 55.0
Produkcja Pierwotna Netto na lądach
Mapa produktywności lądów
Mapa produktywności oceanów
Mapa produktywności
BILANS ENERGETYCZNY BIOSFERY
CAŁKOWITA PRODUKCJA OCEANÓW :20 - 23 × 109 ton C/ rok =50 - 55 × 109 ton s.m. / rok =1 × 1021 J / rok = 32 × 106 MW
CAŁKOWITA PRODUKCJA L ĄDÓW:100 × 109 ton s.m. / rok =1.8 × 1021 J / rok = 57 × 106 MW
RAZEM BIOSFERA:2.8 × 1021 J / rok = 89 × 106 MW (inne źródła: 128 × 106 MW)
ENERGIA ZE SŁOŃCA (PhAR): 80.0 × 109 MW
Pp = 0.1... % PhAR
*48.5 Gt C yr−1
*56.4 Gt C yr−1
(53.8%)
*104.9 Gt C yr−1
* Field et al 1998
ZuŜycie energii przez człowieka (▲) na tle fizjologicznego zapotrzebowania na energię (●) u ssaków (wg Weiner 1989)
Tem
po z
uŜyc
ia e
nerg
ii, W
Metabolizm minimalny
Metabolizm maksymalny
Maksymalna asymilacjaenergii z pokarmu
ZuŜycie energii na głow ę (średnie dla regionów)
0
1
2
3
4
5
6
7
Świat
OECDŚr
. Wsc
hód
Były Z
SRREur
. Nie-
OECD
Chiny
AzjaAm. Ł
ac.
Afryka
Polska
Regiony
kW
Świat (średnio) < 2 kW/osobęPolska ok. 5 kW/osobęU.S.A. > 10 kW/osobę
Organizm ludzkiw spoczynku: 70 – 80 Wprzy pracy: 350 – 600 W
ZUśYCIE ENERGII PRZEZ CZŁOWIEKA
ŚREDNIE ZUśYCIE ≈≈≈≈ 2 kW /1 człowieka
KRAJE ROZWINI ĘTE ≈≈≈≈10 kW / 1 człowieka
Pp BIOSFERY ≈≈≈≈ 100 × 106 MW = 100 × 109 kW
(100 × 109) / 10 = 10 × 109 = 10 miliardów ludzi(cywilizowanych
nadmiernie)
(100 × 109)/2 = 50 × 109 = 50 miliardów ludzi(cywilizowanych
średnio...)
PRODUKCJA PIERWOTNA BIOSFERYA CYWILIZACJA
DEKOMPOZYCJA
śycie biosfery = cykl redoks węgla
CO2
(CH O)2 n
REDUKCJAtylko Ŝyweorganizmy
UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli
energiaenergia
DEPOZYCJA(ocean, osady)
DEPOZYCJA(złoŜa paliw)
UTLENIANIE =DEKOMPOZYCJA
DEKOMPOZYCJA
O2
CIEPŁO
„trwałe”związki
organiczneC
SDŁUGOTRWAŁADEPOZYCJA
CO2
H20H+aniony
kationy POWRÓT DO OBIEGU
Portal Katedry Wawelskiej
„Marmur” (wapień) dębnicki
Dekompozycja nigdy nie jest kompletna
PoŜary jako waŜny czynnik w dekompozycji materii organicznej
PoŜary lasów i torfowiskna Borneo w 1997 r:(8000 + 60000 km2)uwolnione 2.6 mld tC (ok.. 40% rocznej emisji CO2 z paliw kopalnych)
PoŜary tajgi
Dendrobaena sp.
Onychiurus sp. (Collembola)
Campodea sp. (Diplura) PorcelioPorcellio sp. Isopoda)
Morulina sp. (Collembola)
Pomiar tempa dekompozycji in situ
METODAWORECZKÓWŚCIÓŁKOWYCH
sączki celulozowewzbogaconebiogenamiN, P, K
Rancho GrandeVenezuelalipiec 2008
TEMPO DEKOMPOZYCJI (MODEL WYKŁADNICZY)
Niezdrewniałe węglowodany
Zdrewniałe węglowodany
Frakcja rozpuszczalna
Lignina
Xt =X0 e-kt
TEMPO DEKOMPOZYCJI ŚCIÓŁKI LEŚNEJ
Typ lasu Tempo dekompozycji
k t95
grab 1.06 2.83
lipa 0.91 3.30
dąb 0.63 4.86
dodgewood 0.56 5.35
klon czerwony 0.39 7.68
chestnut oak 0.33 9.08
świerk 0.30 10.0
sosna 0.21 14.29
buk 0.08 37.45
xt=x0e-kt
ZaleŜność tempadekompozycji (% ubytku s.m.w pierwszym roku)od rzeczywistejewapotranspiracji(AET, mm)
AET, mm
Dek
ompo
zycj
a w
pie
rwsz
ym r
oku,
%
Dek
ompo
zycj
a w
pie
rwsz
ym r
oku,
%
AET, mm
AET, mm
Pn. EUROPA Pn. AMERYKA
ZaleŜność tempa dekompozycji (stała k) detrytusu od proporcji C:N
Sterner & Elser 2002
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. 2009 (Ecological Modelling 220: 3362–3371)
Oszacowana zmienność geograficzna tempa dekompozycji ściółki liściowej. Wartość 1.0: dla temp 0oC i wilgotności nielimitującej.Tuomi et al. 2009 (Ecological Modelling 220: 3362–3371)
Typ ekosystemu Tempo akumulacji [g C × m-2 × rok]
Tundra 0.2
Tajga 11.7 - 15.3
Las iglasty 6.8 - 10.0
Las liściasty 0.7 - 5.1
Las deszczowy 2.3 - 2.5
Akumulacja materii organicznej w róŜnych ekosystemach
MITOLOGIA „ZIELONYCH PŁUC”
?
kg C/m2 gleby do głęb. 1 m
kg C/m2 gleby do głęb. 1 m
BILANS METANUW BIOSFERZE
Źródła % Tg/rok
Bagna 21 115
Pola ryŜowe 11 60
Symbionty roślinoŜerców 15 80
Spalanie biomasy 10 55
Produkcja gazu 8 45
Termity 7 40
Inne (…) … …
RAZEM 100 525
Ujścia
gleba 30
Wolne rodniki 500
Przyrost w atmosferze (pomiar) 400
TERMITY
Nasutitermes sp.
BYDŁO ZEBU (Pantanal – Mato Grosso do Sul, Brazylia)
BAKTRIANY (Gurwan Turuu, Mongolia)
PRZEśUWACZEBAWOŁY AFRYKAŃSKIE (Masai Mara, Kenia)
Obecnie:
600 mln t/rokPola ryŜowe 33-40Produkcja energii 85-105110PrzeŜuwacze 87-94 115Mokradła 178-284 225Hydraty 2-9 10Oceany 15Termity 2-22 20Spalanie biomasy 32-39 40Wysypiska i oczyszczalnieścieków 67-90 60
Przed rozwojem przemysłu:
233 mln t/rok
Mokradła 168Spalanie biomasy 20Termity 20Oceany 15Hydraty 10
BILANS METANU W BIOSFERZENowe dane
Roślinność 60-240 ?
Keppler & RoeckmanŚwiat Nauki, kwiecień 2007
5. Raport IPCC, wrzesień 2013
GLOBALNY BILANS METANU NAJNOWSZA OCENA WG 5. RAPORTU IPCC 2013
Przepływy: TgCH4/rokZapasy: TgCH41 Tg = 1 x 1012g = mln t
Zapas gazu511000 -1514000
Hydraty w zmarzlinie<530000
Hydratymorskie2-8 mln
wysypiskatermity
mokradła
pola ryŜowespalaniebiomasy
paliwa
33-75
wulkany
32-39 33-40 87-94177-284 2-22
85-105 67-90 2-9
bydłoutlenianiew glebie
utlenianie watmosferze
483-738
Atmosfera: 1986 + 2973
Przyrost: 17 Tg CH4/rok 9-47
śycie biosfery = cykl redoks węgla
CO2
(CH O)2 n
REDUKCJAtylko Ŝyweorganizmy
UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli
energiaenergia
DEPOZYCJA(ocean, osady)
DEPOZYCJA(złoŜa paliw)
gleby1500-2400
roślinność350-550
-30
GLOBALNY BILANS W ĘGLA NAJNOWSZA OCENA WG 5. RAPORTU IPCC 2013
gaz383-1135
zmarzlina1700
ropa172-264
paliwa kopalnecement
0,1
wulkany
7,8
Atmosfera: 589 + 240 Przyrost: 4 Pg C/rok
Przepływy: PgC/rokZapasy: PgC1 Pg = 1 x 1015g = mld t
węgiel446-541
2,3 0,7
80=
60+
20
78,4
=60
,7+
17,3
118,
7=10
7,2+
11,6
123=
108,
9+14
.1
2,6 1,7
zmiana uŜytkowania
ziemi
1,1
fotosynteza respiracja
1,0
odgazowaniewód śródląd.
0,3w
ietr
zeni
e sk
ał
rzeki 0,9 pow. oceanu900
głębiny37100 - 155
osady denne1750
biota3
DOC700
90 100
0,2
50
372
2
11
1,7
gleby1500-2400
roślinność350-550
-30
GLOBALNY BILANS W ĘGLA NAJNOWSZA OCENA WG 5. RAPORTU IPCC 2013
gaz383-1135
zmarzlina1700
ropa172-264
paliwa kopalnecement
0,1
wulkany
7,8
Atmosfera: 589 + 240 Przyrost: 4 Pg C/rok
Przepływy: PgC/rokZapasy: PgC1 Pg = 1 x 1015g = mld t
węgiel446-541
2,3 0,7
80=
60+
20
78,4
=60
,7+
17,3
118,
7=10
7,2+
11,6
123=
108,
9+14
.1
2,6 1,7
zmiana uŜytkowania
ziemi
1,1
fotosynteza respiracja
1,0
odgazowaniewód śródląd.
0,3
wie
trze
nie
skał
rzeki 0,9 pow. oceanu900
głębiny37100 - 155
osady denne1750
biota3
DOC700
90 100
0,2
50
372
2
11
1,7
9,7 -4,3
-1,6
9,7-1,6 - 4,3 = 3,8
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/
September 2013: 393.52 ppmSeptember 2012: 391.06 ppm
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/
September 2013: 393.52 ppmSeptember 2012: 391.06 ppm
National Oceanic and Atmospheric Administration
203,3 207,1
8,9mld t/rok
ZMIANY ZAWARTOŚCI CO2W ATMOSFERZE
W CIĄGU FANEROZOIKUJAKO WIELOKROTNOŚĆ
WSPÓŁCZESNEJ
ZMIANY SKŁADU ATMOSFERY W FANEROZOIKU
Lane 2002
TLEN
CO2
0,03 – 0,04%
65 cm
Meganeura
65 cm
Zmiany zawartości CO2w atmosferze (ppmv)
Zmiany średniej temperatury
Zmiany zawartości CO2
w atmosferze (ppmv)
Zmiany średniej temperatury
400 tys. lat
390
CAŁA HISTORIACYWILIZACJI
Zmiany zawartości CO2
w atmosferze (ppmv)
Zmiany średniej temperatury
400 tys. lat
390
CAŁA HISTORIACYWILIZACJI
Homo neanderthalensis
Górny paleolit
Globalne zmiany klimatu (temperatury)
http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs/
ŚREDNIA (STYCZEŃ-PAŹDZIERNIK) ANOMALIA TEMPERATURY
http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs/
ZMIANA ŚREDNIEJ GLOBALNEJ ANOMALII TEMPERATURY
OKRES BAZOWY 1951-1980
Średnia roczna5-letnia średnia krocząca
Ano
mal
ia te
mpe
ratu
ry (
o C)
OKRES BAZOWY 1951-1980
http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs/
ZMIANY ŚREDNIEJ ANOMALII TEMPERATURY DLA PÓŁNOCNEJ I POŁUDNIOWEJ PÓŁKULI
Ano
mal
ia te
mpe
ratu
ry (
o C)
PRZESTRZENNY ROZKŁAD ANOMALII TERMICZNEJ („OCIEPLENIA” )W PAŹDZIERNIKU 2012
http://data.giss.nasa.gov/
PRZESTRZENNY ROZKŁAD ANOMALII TERMICZNEJ („OCIEPLENIA” )W PAŹDZIERNIKU 2012
http://data.giss.nasa.gov/
http://www.reportingclimatescience.com/news-stories/article/nasa-february-2015-was-second-warmest-after-1998.html
Pieter Bruegel Starszy1565„My śliwi na śniegu”
GORĄCE ŚREDNIOWIECZE I „MAŁA EPOKA LODOWA”Rekonstrukcje temperatury płn. Półkuli (symulacje)Raport IPCC 2007
GORĄCE ŚREDNIOWIECZE I „MAŁA EPOKA LODOWA”Rekonstrukcje temperatury płn. Półkuli (symulacje)Raport IPCC 2007
TYNIEC (poł. XI w)
Kornaś & Medwecka-Kornaś
ROŚLINNOŚĆEUROPY W OKRESIE OSTATNIEGO ZLODOWACENIA
Globalne zmiany pH oceanu
Feely et al. 2009. Oceanography 22,4
ZMIANY STĘśENIA CO2 W ATMOSFERZE I OCEANIEI ZMIANY KWASOWOŚCI OCEANU
Pelejero et al. 2010; Trends in Ecology and Evolution Vol.25 No.6
KWASOWOŚĆ (pH) WÓD POWIERZCHNIOWYCH (50 m)
pH
SUBTELNY MECHANIZM ODDZIAŁYWANIA ZMIAN
KLIMATU
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, 17.05.2001, Booth at al.;
NATURE|Vol 441, 4 May 2006)
Booth at al.; NATURE|Vol 441|4 May 2006
Tre
nd p
opul
acyj
ny (
na r
ok)
Szczyt pojawu gąsienic(dni od 31. marca)
Nachylenie regresji(data lęgu/średnia temp.)
WPŁYW DATY POJAWU G ĄSIENICI WRAśLIWOŚCI TERMICZNEJ PTAKÓW
NA TRENDY POPULACYJNE U MUCHOŁÓWEK śAŁOBNYCH
temperatura
Dat
a lę
gu
DL=a-bt
• 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
ZMIANY GLOBALNE
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)
MECHANIZMY DŁUGOFALOWYCH ZMIAN GLOBALNYCH
Cykl tektoniczny
• zmiana położenia kontynentów
• zmiany nasilenia zjawisk wulkanicznych (w tym: podwodnych)
TRAPYDEKANU
Pozostałośćgigantycznej aktywności wulkanicznej
KATASTROFY KOSMICZNE
ZMIANY ZAWARTOŚCI TLENU W ATMOSFERZE
% s
kum
ulow
any
prod
ukcj
i O2
Czas (109 lat temu)Dziś
3.0×1022 g
O2 związanyw Fe2O3 (≈58%)
O2 związany w SO4
2- (≈38%)
Tlen cząsteczkowy(≈4%)
Kontynentalne„red beds”
Formacje Fewstęgowego (BIF)
Chwilowy wzrostO2 w systemie
atmosfery i oceanu
ZMIANY PROPORCJI 13C/12C W PREKAMBRZE
POZIOM WSPÓŁCZ.
Pp
„snowballEarth”
Lane 2002
+
Radiacja faunyediakarskiej
Czas (miliony lat temu)
śycie biosfery = cykl redoks węgla
CO2
(CH O)2 n
REDUKCJAtylko Ŝyweorganizmy
UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli
energiaenergia
DEPOZYCJA(ocean, osady)
DEPOZYCJA(złoŜa paliw)
NH3
NO3-
H2O
O2
CO2
CH2O
SO4--
H2S
Fotosynteza podtrzymuje potencjał redoks
w biosferze, napędzając obieg wielu
pierwiastków
SPRZĘśENIE CYKLIREDOKS
W BIOSFERZE
OBIEG AZOTU
BIOSFERA
PRZEMYSŁ
ATMOSFERA
LITO-SFERA
HYDROSFERA
abiotyczne
BIOSFERA
PRZEMYSŁ
ATMOSFERA
LITO-SFERA
HYDROSFERA
abiotyczne biotyczne
LITO-SFERA
HYDROSFERA
BIOSFERA
PRZEMYSŁ
ATMOSFERA
abiotyczne biotyczneantropogeniczne