Środowisko naturalne czŁowieka - eko.uj.edu.pleko.uj.edu.pl/weiner/kursy/artlib/wyklad4.pdf ·...
TRANSCRIPT
ŚRODOWISKO NATURALNE CZŁOWIEKA:BIOSFERA CZY CYWILIZACJA?
WYKŁAD 4BIOSFERA: OBIEG WĘGLA 2
Życie biosfery = cykl redoks węgla
CO2
(CH O)2 n
REDUKCJAtylko żyweorganizmy
UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli
energiaenergia
DEPOZYCJA(ocean, osady)
DEPOZYCJA(złoża paliw)
DEKOMPOZYCJA
UTLENIANIE =DEKOMPOZYCJA
DEKOMPOZYCJA
DEKOMPOZYCJA
O2
CIEPŁO
„trwałe”związki
organiczneC
SDŁUGOTRWAŁADEPOZYCJA
CO2
H20H+aniony
kationy POWRÓT DO OBIEGU
Dekompozycja nigdy nie jest kompletna
Portal Katedry Wawelskiej
„Marmur” (wapień) dębnicki
Kwasy humusowe na powierzchni leśnej kałuży
Gleba gruntowo-glejowa Gleba bielicowa
Pożary jako ważny czynnik w dekompozycji materii organicznej
Pożary lasów i torfowiskna Borneo w 1997 r:(8000 + 60000 km2)uwolnione 2.6 mld tC (ok.. 40% rocznej emisji CO2 z paliw kopalnych)
Pożary 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
Pomiar tempa dekompozycjimaterii organicznejin vitro
Nie ma odpowiednika dla zdalnych,wielkoskalowych pomiarów produkcji
TEMPO DEKOMPOZYCJI (MODEL WYKŁADNICZY)
Niezdrewniałe węglowodany
Zdrewniałe węglowodany
Frakcja rozpuszczalna
Lignina
Xt =X0 e-kt
TEMPO DEKOMPOZYCJI ŚCIÓŁKI LEŚNEJ
Tempo dekompozycjiTyp lasuk t95
grab 1.06 2.83lipa 0.91 3.30dąb 0.63 4.86dodgewood 0.56 5.35klon czerwony 0.39 7.68chestnut oak 0.33 9.08świerk 0.30 10.0sosna 0.21 14.29buk 0.08 37.45
xt=x0e-kt
xt/x0 = e-kt
Xt95/x0=0.050.05 = e-kt95
ln(0.05) = -kt95
t95 = ln(0.05)/-k= -2.996.../-k= ok.. 3/k
Zależność tempadekompozycji (% ubytku s.m.w pierwszym roku)od rzeczywistejewapotranspiracji(AET, mm)
AET, mm
Dek
ompo
zycj
a w
pie
rwsz
ym ro
ku, %
Dek
ompo
zycj
a w
pie
rwsz
ym ro
ku, %
AET, mm
AET, mm
Pn. EUROPA Pn. AMERYKA
Zależność tempa dekompozycji (stała k) detrytusu od proporcji C:N
Sterner & Elser 2002
Wzorzec przestrzenny tempa dekompozycji ściółki (% ubytku s.m.w pierwszym roku) na terytorium U.S.A.
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)
Średni czas zatrzymania materii organicznej i pierwiastków odżywczych
w ściółce ekosystemów leśnych
Czas zatrzymania (lata)Typ lasuMat. org. N P K Ca Mg
Tajga 353 230 324 94 149 455
Las iglasty 17 17.9 15.3 2.2 5.9 12.9
Las liściasty 4 5.5 5.8 1.3 3.0 3.4
Macchia 3.8 4.2 3.6 1.4 5.0 2.8
Las deszczowy 0.4 2.0 1.6 0.7 1.5 1.1
MASA W ŚCIÓŁCE .MASA W ROCZNYM OPADZIE
CZAS ZATRZYMANIA =
Akumulacja materii organicznej w różnych ekosystemach
Typ ekosystemu Tempo akumulacji [g C × m-2 × rok]
Tundra 0.2Tajga 11.7 - 15.3Las iglasty 6.8 - 10.0Las liściasty 0.7 - 5.1Las deszczowy 2.3 - 2.5
MITOLOGIA „ZIELONYCH PŁUC”
?
kg C/m2 gleby do głęb. 1 m
kg C/m2 gleby do głęb. 1 m
Rozmieszczenie węgla w różnych ekosystemach lądowych
BILANS METANUW BIOSFERZE
Źródła % Tg/rok
Bagna 21 115
Pola ryżowe 11 60
Symbionty roślinożerców 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.
Nasutitermes sp.
PRZEŻUWACZEBAWOŁY AFRYKAŃSKIE (Masai Mara, Kenia)BYDŁO ZEBU (Pantanal – Mato Grosso do Sul, Brazylia)
BAKTRIANY (Gurwan Turuu, Mongolia)
Hydrat metanu
HYDRAT METANU
BILANS METANU W BIOSFERZENowe dane
Obecnie:600 mln t/rokPola ryżowe 33-40Produkcja energii 85-105 110Przeżuwacze 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
Keppler & RoeckmanŚwiat Nauki, kwiecień 2007
5. Raport IPCC, wrzesień 2013 Roślinność 60-240 ?
GLOBALNY BILANS METANU – NAJNOWSZA OCENAWG 5. RAPORTU IPCC 2013
Przepływy: TgCH4/rokZapasy: TgCH41 Tg = 1 x 1012g = mln t
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
mokradłapola ryżowe
spalaniebiomasy
paliwa
33-75
wulkany
32-39 33-40 87-94177-284 2-22
bydłoutlenianie
85-105
Atmosfera: 1986 + 2973 Przyrost: 17 Tg CH4/rok 9-47
483-73867-90 2-9
w glebie
utlenianie watmosferze
Życie biosfery = cykl redoks węgla
CO2
(CH O)2 n
REDUKCJAtylko żyweorganizmy
UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli
energiaenergia
DEPOZYCJA(ocean, osady)
DEPOZYCJA(złoża paliw)
CCO2
(CH O)2 n
REDUKCJAtylko żyweorganizmy
UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli
energiaenergia
DEPOZYCJA(ocean, osady)
DEPOZYCJA(złoża paliw)
192.6 190.6
Obieg węgla w biosferzet×109 i t×109×rok-1
w epoce przedindustrialneji w latach 1980-89
BILANS WĘGLA W BIOSFERZE 109 ton/rok
Dopływy antropogeniczneSPALANIE PALIW KOPALNYCH 6 do 7DEFORESTACJA I ROLNICTWO 5.5 ± 0.5
2.5 ± 0.6Dodatkowe ujścia
ROZPUSZCZANIE WĘGLANÓW 3.2 ± 0.2W 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 ?)
Przepływy: PgC/rokZapasy: PgC1 Pg = 1 x 1015g = mld t
GLOBALNY BILANS WĘGLA – NAJNOWSZA OCENAWG 5. RAPORTU IPCC 2013
gleby1500-2400
roślinność350-550
-30
GLOBALNY BILANS WĘGLA NAJNOWSZA OCENA WG 5. RAPORTU IPCC2013
gaz383-1135
zmarzlina1700
ropa172-264
paliwa kopalnecement
wulkany
0,1 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=6
0+20
78,4
=60,
7+17
,3
118,
7=10
7,2+
11,6
123=
108,
9+14
.1
2,6 1,7
zmiana użytkowania
ziemi
fotosynteza respiracja
1,1 1,00,3
odgazowaniewód śródląd.
wie
trzen
ie s
kał
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 WĘGLA NAJNOWSZA OCENA WG 5. RAPORTU IPCC2013
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=6
0+20
78,4
=60,
7+17
,3
118,
7=10
7,2+
11,6
123=
108,
9+14
.1
2,6 1,7
zmiana użytkowania
ziemi
1,1
fotosynteza respiracja
1,0
odgazowaniewód śródląd.
0,3w
ietrz
enie
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
PRZYBLIŻONE CHARAKTERYSTYCZNE TEMPA WYMIANY POWIETRZA I WODYMIĘDZY POSZCZEGÓLNYMI WARSTWAMI ATMOSFERY I OCEANU
OC
EA
NY
A
TMO
SFE
RA
DOLNASTRATOSFERA
TROPOPAUZA
TROPOSFERA
WARSTWA GRANICZNAWARSTWA MIESZANIA
TERMOKLINA
GŁĘBIA OCEANICZNA
30 km
10 km
1 km
50 m
1000 m
4 km
BIEGUN RÓWNIK BIEGUN
Pacyfik 1000 latAtlantyk 100 lat
1 rok1 miesiąc
2 lata
50 lat
1 godz
10 godz
2,5 roku2,5 roku
1 rok
wg Butchera 1994
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/
September 2013: 393.52 ppmSeptember 2012: 391.06 ppm
September 2013: 393.52 ppmSeptember 2012: 391.06 ppm
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/National Oceanic and Atmospheric Administration
ZMIANY STĘŻENIA DWUTLENKU WĘGLA W ATMOSFERZE
ZMIANY STĘŻENIA DWUTLENKU WĘGLA W ATMOSFERZE
ZMIANY ZAWARTOŚCI TLENU W ATMOSFERZE W OKRESIE 1990-1996
ZMIANY ZAWARTOŚCI TLENU/AZOTU W KALIFORNI (LA JOLLA)
ZMIANY ZAWARTOŚCI CO2 NA BIEGUNIE POŁUDNIOWYM
203,3 207,1
8,9mld t/rok
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/
ZMIANY ZAWARTOŚCI TLENU/AZOTU W KALIFORNI (LA JOLLA)
ZMIANY ZAWARTOŚCI CO2 NA BIEGUNIE POŁUDNIOWYM
ZMIANY ZAWARTOŚCI CO2W ATMOSFERZE
W CIĄGU FANEROZOIKUJAKO WIELOKROTNOŚĆ
WSPÓŁCZESNEJ
ZMIANY SKŁADU ATMOSFERY W FANEROZOIKU
TLEN
CO2
0,03 – 0,04%
Lane 2002
65 cm
Meganeura
65 cm
Zmiany zawartości CO2w atmosferze (ppmv)
Zmiany średniej temperatury
390
Zmiany zawartości CO2w atmosferze (ppmv)
400 tys. lat
H. neanderthalensis
CAŁA HISTORIACYWILIZACJI
Zmiany średniej temperatury
Zmiany zawartości CO2w atmosferze (ppmv)
Zmiany średniej temperatury
400 tys. lat
390
Homo neanderthalensis
Górny paleolit
CAŁA HISTORIACYWILIZACJI
Globalne zmiany klimatu (temperatury)
http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs/
ŚREDNIA (STYCZEŃ-PAŹDZIERNIK) ANOMALIA TEMPERATURY
ZMIANA ŚREDNIEJ GLOBALNEJ ANOMALII TEMPERATURY
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)
OKRES BAZOWY 1951-1980
http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs/
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/
Pieter Bruegel Starszy1565„Myśliwi na śniegu”
GORĄCE ŚREDNIOWIECZE I „MAŁA EPOKA LODOWA”Rekonstrukcje temperatury płn. Półkuli (symulacje)Raport IPCC 2007
Czynniki wymuszające zmiany klimatu półkuli płn. (symulacje) IPCC Report 2007
ROŚLINNOŚĆEUROPY W OKRESIE OSTATNIEGO ZLODOWACENIA
Kornaś & Medwecka-Kornaś
Globalne zmiany pH oceanu
ZMIANY STĘŻENIA CO2 W ATMOSFERZE I OCEANIEI ZMIANY KWASOWOŚCI OCEANU
Feely et al. 2009. Oceanography 22,4
KWASOWOŚĆ (pH) WÓD POWIERZCHNIOWYCH (50 m)pH
Pelejero et al. 2010; Trends in Ecology and Evolution Vol.25 No.6
Współczesne wartości pH wód powierzchniowych oceanu
OSZACOWANA ZMIANAZAKWASZENIA WÓDPOWIERZCHNIOWYCH OCEANUOD XVIII W.
Zmiana pH w okresie od początku XVIII
WSPÓŁCZESNE I PROGNOZOWANE ZMIANY pH OCEANÓW
Feely et al., Oceanography (2009).
ZMIANY pH OCEANU W RÓŻNYCH SKALACH CZASOWYCH
Pelejero et al. 2010; Trends in Ecology and Evolution Vol.25 No.6
WIELOLETNIE DOBOWE DEKADOWE
GLACJAŁY/INTERGLACJAŁY
REKONSTRUKCJA DAWNYCH ZMIAN pH OCEANÓW I PROGNOZA DALSZEGO ZAKWASZENIA
PROGNOZA
Pelejero et al. 2010; Trends in Ecology and Evolution Vol.25 No.6
SZYBKI SPADEK STANU NASYCENIA KALCYTU
W OCEANACH PO GWAŁTOWNYM
OCIEPLENIU EOCEŃSKIMDŁUGOTRWAŁY POWRÓT
Wie
k (m
ln la
t)
Eoceńskie maksimum termiczne
wg.Zachos et al., Science (2005), za „Guide to ocean acidification”http://www.epoca-project.eu/index.php/Outreach/RUG/
SUBTELNY MECHANIZM ODDZIAŁYWANIA ZMIAN
KLIMATU
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, 17.05.2001, Booth at al.;
NATURE|Vol 441, 4 May 2006)
Booth at al.; NATURE|Vol 441|4 May 2006
Tren
d po
pula
cyjn
y (n
a ro
k)
Szczyt pojawu gąsienic(dni od 31. marca)
Nachylenie regresji(data lęgu/średnia temp.)
temperatura
WPŁYW DATY POJAWU GĄSIENICI WRAŻLIWOŚCI TERMICZNEJ PTAKÓW
NA TRENDY POPULACYJNE U MUCHOŁÓWEK ŻAŁOBNYCH
Dat
a lę
gu
DL=a-bt
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
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%
sku
mul
owan
y pr
oduk
cji O
2
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)
Fragmentaryczna zgodność modeliOpisujących zmiany zawartościCO2, danych geochemicznychoraz paleoklimatologicznych (wyraźna rozbieżność 120-220 mlnlat temu)
Crowley & BernerScience 29216.V.2001
Życie biosfery = cykl redoks węgla
CO2
(CH O)2 n
REDUKCJAtylko żyweorganizmy
UTLENIANIEorganizmy: szybkoprocesy abiotyczne: powoli
energiaenergia
DEPOZYCJA(ocean, osady)
DEPOZYCJA(złoża paliw)
Fotosynteza podtrzymuje potencjał redoks w biosferze, napędzając obieg wielu
pierwiastków
FOTOSYNTEZA BAKTERIENITRYFIKUJACE
BAKTERIESULFURYZUJACE
H O2H S
2
CO2CO2 CO2
O2
(CH O)2 n
(CH O)2 n(CH O)2 n
NH3
NO3- SO--
4
ciepło Słońce
1 2 3 4
Przemiany chemiczne grupy organizmów
Wiązanie CO2 →(CH2O)n Fotoautotrofy (rośliny, sinice);Chemoautotrofy (bakterie: nitryfikujące, sulfuryzacyjne,
utl. żelazo i wodór);Oddychanie tlenowe (CH2O)n → CO2 + H2O
Wszystkie rośliny i zwierzęta, bakterie tlenowe
Mineralizacja (CH2O)n ±O2→ subst. nieorgan.
Bakterie i grzyby
Metanogeneza CO2 + H2(organ.) → CH4 + H2O
Metanogeny (bakterie, Archea)
C
Przemiany chemiczne grupy organizmów
Wiązanie N2 → R-NH2 (gr. aminowa)
Bakterie azotowe wolne i symbionty, sinice
Nitryfikacja NH3 → NO2- →
NO3-
Chemoautotroficznebakterie nitryfikujące
Denitryfikacja dysymilacyjna NO3
- → N2, N2O
Bakterie oddychające beztlenowo
Denitryfikacja asymilacyjna NO3
- → R-NHRośliny, bakterie
Amonifikacja N org. → NH3 Liczne bakterie i inne mikroorganizmy
N
Przemiany chemiczne grupy organizmów
Sulfuryzacja H2S → S →S2O3
2- → SO42-
Purpurowe i zielone bakterie fotoautotroficzne,niektóre sinice
Desulfuryzacjadysymilacyjna SO4
2- →H2S
Bakterie desulfuryzacyjne(oddychanie beztlenowe)
Desulfuryzacjaasymilacyjna SO4
2- → R-SH
Rośliny, bakterie
Produkcja DMS SO42- →
(CH3)2SMikroorganizmy planktonowe
S
Cykl azotu
Pobieranie i wydalanie przez organizmy
OBIEG AZOTU
CYKL REDOKSSIARKIW BIOSFERZE
Obieg siarkiw biosferze
mln t,mln t/rok
Rocznyprzepływ rzędu 100 mln t(podobny jak N)
BIOSFERA
PRZEMYSŁ
ATMOSFERA
LITO-SFERA
HYDROSFERA
abiotyczne
BIOSFERA
PRZEMYSŁ
ATMOSFERA
LITO-SFERA
HYDROSFERA
abiotyczne biotyczne
LITO-SFERA
HYDROSFERA
BIOSFERA
PRZEMYSŁ
ATMOSFERA
abiotyczne biotyczneantropogeniczne
Roczny przepływ pierwiastków w różnych domenach biosfery [mld ton/rok]
Mechanizmy długofalowych zmian globalnych
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;
• opanowanie lądów ‐ wzmożenie fotosyntezy,
ZMIANY KLIMATU
„GLOBAL CHANGE”