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”