Oxid uhličitý a klima na Zemi - Univerzita...

transcript

Oxid uhličitý a klima na Zemi

• JANA ALBRECHTOVÁ

Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2013

(c) Jana Albrechtová

Skleníkový efekt, skleníkové plyny

Oxid uhličitý v atmosféře v historii Země

Význam rostlin v koloběhu uhlíku

Rostliny jako klimatotvorný činitel

IPCC – Zprávy o stavu planety, projevy globální klimatické změny:

stav planety, dopady na zdraví lidí

Skleníkový efekt

V celoročním průměru dopadá na vnější okraj atmosféry sluneční záření,

jehož hodnota odpovídá 1373 W m-2.

Toto množství se označuje jako solární konstanta (S), i když v průběhu času mírně kolísá.

Na povrch celé Země tak dopadá množství záření odpovídající součinu

plochy průmětu naší zeměkoule (π R2) ,

kde R je poloměr zeměkoule, 6370 km) a solární konstanty (S), tedy

π R2 . S = 1,75 . 1017 W. Z tohoto záření se asi 30 procent odráží zpět do vesmíru, takže

Země pohlcuje zbývajících 70 % neboli 1,225 1017 W. Prakticky veškeré toto záření je pohlceno povrchem Země a mění se v teplo.

Vzhledem k relativně stálé teplotě na povrchu Země je zřejmé, že

uvedené pohlcené záření je zase odvedeno, a to vyzářením.

Toto záření emitované povrchem Země leží v dlouhovlnné infračervené oblasti

(viz Wienův zákon posuvu)

a jeho suma odpovídá množství slunečního pohlceného záření.

Podle Stefanova-Boltzmannova zákona každé těleso teplejší než

tzv. absolutní nula (-273 oC neboli 0 kelvinu)

emituje záření v množství (Q) určeném vztahem:

Q = σ . T4, Kde σ je Stefanova-Boltzmannova konstanta (5,67 . 10-8 Wm-2K-4) a

T je teplota vyjádřená v kelvinech.

Celý povrch Země tedy bude vyzařovat celkové množství energie určené výrazem

σ . T4 . 4 π R2 a toto množství se musí rovnat množství pohlceného slunečního záření, neboli

σ . T4 . 4 π R2 = π R2 . S

Z toho lze vypočítat odpovídající teplotu (T), která pro výše uvedené hodnoty činí –18 oC

Skleníkový efekt: fyzikální odvození teploty Země

J = σ . T4 Aplikace

Záření

sluneční infračervené

Skleníkový efekt

Seinfeld: Insights on global warming.

AIChE Journal December 2011 Vol.

57, No. 12, 3259

Pro 288K (15 oC) IR emise =396 Wm-2

Vzhledem k absorpci skleníkovými plyny jsou

emise na horním okraji atmosféry = 239 Wm-2

Srovnejme:

Energie uvolněná lidstvem při využívání zdrojů = 0,025 Wm-2

Termální energie z nitra Země = 0,087 Wm-2

Skleníkový efekt

Katedra Experimentální biologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta

Skleníkové plyny

(1)Vodní pára

(2)Oxid uhličitý (CO2)

(3)Metan (CH4)

(4)Oxid dusný (N2O)

(5)Ozón (O3)

(6)Freony (chlorofluorovodíky)

Podíl radiačně aktivních plynů na zesílení

skleníkového efektu (IPCC, 1999)

CO2 a skleníkový efekt

Photosynthesis during the history of Earth Lawlor, 1993

Záznamy CO2 a teploty z analýzy ledových vrtů v Antarktickém ledu (c) Jana Albrechtová

Záznamy CO2 a teploty z analýzy ledových vrtů v Antarktickém ledu

Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007

http://www.dimagb.de/info/umwelt/pics/heiss/heiss25.jpg

Methan a rostliny

wikipedia

Globální koloběhy, cykly látek a energie

Biogeochemické cykly

Biogeochemický cyklus (též koloběh látek) je cyklus určitého chemického

prvku či molekuly (voda), který probíhá živým (biosféra) i neživým prostředím

(atmosféra, litosféra, hydrosféra).

Koloběh vody – Hydrologický cyklus

Koloběh kyslíku

Koloběh dusíku

Koloběh uhlíku

Koloběh síry

Koloběh fosforu

Koloběh vodíku

Rostliny významnou součástí

všech cyklů

1. Tok energie a koloběhy látek v

ekosystému jsou vzájemně propojené

2. Prostředí ovlivňuje organismy a naopak

organismy ovlivňují prostředí, ve kterém žijí

(zpětnovazebný efekt) (c) Jana Albrechtová

wikipedia

Globální koloběhy, cykly látek a energie

Rostliny jsou vstupem látek a energie do biosféry – jsou primární producenti

Rostliny významnou součástí

všech cyklů (c) Jana Albrechtová

Rostliny, voda a energie

„malý vodní cyklus“ – uzavřený koloběh vody nad pevninou - srážky spadnou lokálně, téměř tam,kde se vypaří

„...nad krajinou obieha voda súčasne v množstve malých vodných cyklov, ktoré

sú dotované vodou z veľkého vodného cyklu...“

Kravčík a kol. 2007

Lesy jsou

významnou

součástí

hydrologického

Propojení biogeochemických cyklů prvků:

Cyklus C

kyslík dusík fosfor

železo křemík. ….

srovnání cyklu P s cyklem N

E = eroze a odnos

B130P60, 68: Globální změny http:/kfrserver.natur.cuni.cz/global, http:/kfrserver.natur.cuni.cz/gztu, 2008 Katedra fyziologie rostlin, UK PřF, doc.Albrechtová

Globální cyklus uhlíku: Role rostlin

spalováním fosilních paliv

a v důsledku změn ve využití

krajiny 6 – 8 Pg C (10

15g) za rok

Převzato od Dr. Prásila, JČU

Převzato od Dr. Prásila, JČU (c) Jana Albrechtová

Převzato od Dr. Prásila, JČU

Popis globálního cyklu uhlíku

Antropogenní uhlík v

oceánech

Mauna Loa Observatory, Hawaii, Dr. Charles D. Keeling

Měření koncentrace CO2 v atmosféře

Source: C.D. Keeling and T.P. Whorf

Mauna Loa Monthly Carbon Dioxide Record:

Keeling Record 1958 - 2010

http://tamino.files.wordpress.com/2009/08/co21.jpg

Čistá primární produkce (fotosyntéza):

černá - fialová – modrá – zelená – žlutá – oranžová - červená

Biom Plocha zásoba ulhíku (Gt C)

(106 km2) vegetace půda celkem poměrně

(Gt/106 km2) ________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Tropické lesy 17.6 212 216 428 24

Temperátní lesy 10.4 59 100 159 15

Boreální lesy 13.7 88 471 559 41

Tropické savany 22.5 66 264 330 15

Temperátní pastviny 12.5 9 295 304 24

Pouště/polopouště 45.5 8 191 199 4

Tundra 9.5 6 121 127 13

Mokřady 3.5 15 225 240 69

Zemědělské ekosystémy 16.0 3 128 131 8

CELKEM 151.2 466 2011 2477 16

Source: I.P.C.C.

• Lesy obsahují okolo 50% celkového uhlíku na

pevninách (1 150 gT)

– Okolo ½ z toho: stromy

– Boreální lesy jsou největším zásobníkem uhlíku

Global Carbon Cycle: Role of Plants

Jak mnoho uhlíku je uloženo

v lesních ekosystémech?

Biomasa stromu na

prodej

Stromy (včetně

kořenů, mykorhizy a

odumřelé biomasy

Rostliny v

podrostu

odmuřelé

biomasy

Půdní

organická

vrstva

Půda do hloubky

(mikroorganismy,

půdní biota,

organická hmota)

Kde všude je uhlík uložen v lese?

Zdroj: Will Price, Pinchot Institute for Conservation, www.pinchot.org

Přehodnocení sinků uhlíku

„Oproti původním předpokladům absorbuje méně CO2 Jižní oceán, naopak

jako silnější sink CO2 mohou být tropické deštné lesy.“

Baker 2007 SCIENCE VOL 316

JAK LESY OVLIVŇUJÍ KLIMA?

http://www.gp.com/EducationalinNature/water/treewater.html

Fotosyntéza

Evapotranspirace lesa

Evaporace

(odpařování

Transpirace

Výdej vodní páry

skrze průduchy

Vzhůru do lesa!

Úloha rostlin v tvorbě klimatu

Jak lesy ovlivňují klima?

1. Jsou důležitým sinkem CO2

V procesu fotosyntézy spotřebovávají

Co2 z atmosféry

2. Proces evapotranspirace - ochlazování

JAK STUDUJEME VLIV LESA NA

KLIMA?

Převzato od E. Ciencialy (2009)

Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, 9. 11. 2010. konference 3V

Metoda vířivé kovariance

Nad porostem se měří rychlost a směr proudění vzduchu a

koncentrace CO2 a vodní páry v něm.

Převzato od E. Ciencialy

Jak zkoumat rostliny ve zvýšené koncentraci CO2 ?

komory s otevřeným

vrchem speciální skleníky s otvíratelnými okny

http://face.env.duke.edu/main.cfm

obohacení CO2 pod širým nebem

Jak zkoumat rostliny ve zvýšené koncentraci CO2 ?

obohacení CO2 pod širým nebem

http://aspenface.mtu.edu/ Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, 9. 11. 2010. konference 3V

Experimentální stanoviště Bílý Kříž

Ústav systémové biologie a ekologie

AV ČR, Brno

Co máme k dispozici u nás v ČR?

kontrolní skleník

atmosférická koncentrace CO2

zvýšená koncentrace

CO2 = 700 ppm

IPCC – Zprávy o stavu planety,

Projevy globální klimatické změny: stav planety, dopady na zdraví

Mezivládní panel pro změnu klimatu

Anglický ekvivalent: Intergovernmental Panel on Climate

Change

Mezivládní orgán zabývající se problematikou globálního

oteplování způsobeného navyšováním skleníkového efektu.

Založily jej dvě instituce OSN:

1. Světová meteorologická organizace

(World Meteorological Organization, WMO) a

2. Program Spojených národů pro životní prostředí

(United Nations Environmental Programme, UNEP)

v roce 1988.

První setkání Panelu se konalo v listopadu 1988 a byly na něm ustanoveny tři

pracovní skupiny.

První skupina se zabývá vědeckými poznatky o klimatických změnách,

druhá skupina jejich dopady a

http://www.enviweb.cz/eslovnik/138

Mezivládní panel pro změnu klimatu První souhrnnou zprávu k problematice změny klimatu zveřejnil Panel

koncem května v r. 1990 a zpráva se následně stala klíčovým dokumentem

pro Summit Země v Riu v r. 1992 a podnětem pro vznik

Rámcové úmluvy OSN o změně klimatu, kterou podepsalo více než

160 států včetně ČR.

Konkrétním krátkodobým cílem Úmluvy byl požadavek, aby všechny státy snížily do roku 2000 emise skleníkových plynů na úroveň roku 1990.

Dlouhodobým cílem Úmluvy vyjádřeným v článku 2 je: stabilizovat koncentraci

skleníkových plynů v atmosféře na

"úrovni, jež by umožnila předejít nebezpečným důsledkům interakce lidstva a klimatického systému".

http://www.enviweb.cz/eslovnik/138

Uhlík : emise

do atmosféry

Globální emise CO2

změny ve využívání půdy

spalování fosilních paliv

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

4.1 PgC y-1

26% 2.3 PgC y-1

380 ppm

Oxid uhličitý a

teplota Země

Pokud nedojde k

žádným změnám

950 ppm

Oxid uhličitý a

teplota Země

Uhlík a

rostliny

IPCC – Zprávy o stavu planety,

Projevy globální klimatické změny: stav planety, dopady na zdraví

Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze

Změny klimatu

(1) Zvyšuje se průměrná teplota povrchu planety.

(2) Dochází ke zvyšování hladiny oceánů, protože tají ledovce a zvyšující se teplota zvětšuje objem vody.

(3) Tají i vysokohorské ledovce a

hranice lesa se posouvá do vyšších nadmořských výšek.

(4) Zvyšuje se frekvence mimořádných klimatických událostí.

(5) Hromadí se doklady o reakcích živých organismů na prodlužování vegetačního období.

(6) Změny klimatu mohou být

v jednotlivých geografických oblastech velmi rozdílné.

Projevy změn globálního klimatu

Alexander Ač Centrum výzkumu globální změny –CzechGlobe, AV ČR

Éra důsledků: poslední trendy

ve výzkumu změny klimatu

Proč existuje problém změny klimatu?

1850-2011

800 1200 1600 2000

Kinnard (2011)

Jak rychle mizí arktický led?

Global warming is now

a weapon of mass destruction

Prof. Sir John Houghton, 2003

NASA photographs show the minimum Arctic sea ice concentration in 1979 at left and in 2003.Satellite passive microwave data since 1970s indicate a 3% decrease per decade in arctic sea ice extent.

www.nasa.gov

1979 2003

Jak rychle mizí arktický led?

Model PIOMAS, Polar Science Center, University of Washington

1-denní minimum

Od roku 2007 zmizelo téměř 50 % OBJEMU

arktického ledu!

1979 2020 0

2030 2015

„We cannot avoid

dangerous climate

change. We can

avoid catastrophic

climate change“

Prof. Sir David King

+50 let

http://www.globalwarmingart.com

Oteplování Grónska se zrychluje

Kobashi et al. 2011

2000 1000 0 1000 2000

Roky p.n.l. n.l.

10-letý průměr

2001-2010

Teploty v Grónsku za posledních 4 000 let

King et al. (Nature, 2012)

Antarktida ztrácí každý rok 70 mld. tun ledu = 0,2 mm ročně

2010 2002

Extrémní teploty a globální oteplování

Hansen et al., PNAS, 2012

This hot extreme, which covered much less than 1% of Earth’s

surface during the base period, now typically covers about 10% of the

land area. It follows that we can state, with a high degree of

confidence, that extreme anomalies such as those in Texas and

Oklahoma in 2011 and Moscow in 2010 were a consequence of global

warming because their likelihood in the absence of global warming

was exceedingly small.

Barriopedro a kol., 2011

Teplota (°C)

Vlny veder a změna klimatu (#1)

Analýza vln veder za posledních 500 let v Evropě

Vlny veder a změna klimatu – budoucnost (#1)

2071-2100 2021-2050

Frekvence výskytu dní ve vlnách veder

Fischer a Schär 2010)

Our results yield a robust estimate of the regions that might be

most seriously affected. Given the high consistency of the detected

geographical patterns across different models and health indices,

the projections seem alarming.

Madsen T, Willcox N, 2012

Čím extrémnejší srážky, tým větší nárůst

Extrémní srážky a změna klimatu (#2)

(1#) Výskyt silných bouří - budoucnost

Villarini a Vecchi, Journal of Climate, 2012

1880 1940 1900 1920 1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 -4

Rekonstrukce Pozorování

Nížší emisní

scénář

„Business-as-usual“

Jana Albrechtova

albrecht@natur.cuni.cz

Oxid uhličitý a klima na Zemi - Univerzita...

Documents