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