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
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
(c) Jana Albrechtová
Oxid uhličitý a klima na Zemi
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
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
(c) Jana Albrechtová
Skleníkové plyny
(1)Vodní pára
(2)Oxid uhličitý (CO2)
(3)Metan (CH4)
(4)Oxid dusný (N2O)
(5)Ozón (O3)
(6)Freony (chlorofluorovodíky)
(c) Jana Albrechtová
Podíl radiačně aktivních plynů na zesílení
skleníkového efektu (IPCC, 1999)
ostat
ní
5%
N2O
6%
CH4
19%
CO2
60 %
CFC
10%
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
CO2 a skleníkový efekt
(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
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
(c) Jana Albrechtová
Oxid uhličitý a klima na Zemi
Photosynthesis during the history of Earth Lawlor, 1993
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
(c) Jana Albrechtová
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
(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
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
(c) Jana Albrechtová
Oxid uhličitý a klima na Zemi
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
Biogeochemické cykly
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
cyklu
(c) Jana Albrechtová
Propojení biogeochemických cyklů prvků:
Cyklus C
kyslík dusík fosfor
železo křemík. ….
Biogeochemické cykly
(c) Jana Albrechtová
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
(c) Jana Albrechtová
Globální cyklus uhlíku: Role rostlin
Katedra Experimentální biologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta
spalováním fosilních paliv
a v důsledku změn ve využití
krajiny 6 – 8 Pg C (10
15g) za rok
(c) Jana Albrechtová
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
Převzato od Dr. Prásila, JČU
(c) Jana Albrechtová
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
Převzato od Dr. Prásila, JČU (c) Jana Albrechtová
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
Převzato od Dr. Prásila, JČU (c) Jana Albrechtová
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
Převzato od Dr. Prásila, JČU
Popis globálního cyklu uhlíku
(c) Jana Albrechtová
Antropogenní uhlík v
oceánech
(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
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
(c) Jana Albrechtová
Oxid uhličitý a klima na Zemi
Mauna Loa Observatory, Hawaii, Dr. Charles D. Keeling
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
Měření koncentrace CO2 v atmosféře
(c) Jana Albrechtová
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
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
(c) Jana Albrechtová
Čistá primární produkce (fotosyntéza):
Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007
černá - fialová – modrá – zelená – žlutá – oranžová - červená
(c) Jana Albrechtová
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.
Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007
(c) Jana Albrechtová
• 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?
Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007
(c) Jana Albrechtová
Biomasa stromu na
prodej
Stromy (včetně
kořenů, mykorhizy a
odumřelé biomasy
Rostliny v
podrostu
Opad
odmuřelé
biomasy
Půdní
organická
vrstva
Půda do hloubky
1 m
(mikroorganismy,
půdní biota,
organická hmota)
Kde všude je uhlík uložen v lese?
Zdroj: Will Price, Pinchot Institute for Conservation, www.pinchot.org
Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007
(c) Jana Albrechtová
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
(c) Jana Albrechtová
JAK LESY OVLIVŇUJÍ KLIMA?
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
(c) Jana Albrechtová
http://www.gp.com/EducationalinNature/water/treewater.html
Fotosyntéza
CO2
O2
(c) Jana Albrechtová
Evapotranspirace lesa
Evaporace
(odpařování
+
Transpirace
Výdej vodní páry
skrze průduchy
(c) Jana Albrechtová
Vzhůru do lesa!
Katedra Experimentální biologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta
Úloha rostlin v tvorbě klimatu
aneb
Jak lesy ovlivňují klima?
1. Jsou důležitým sinkem CO2
V procesu fotosyntézy spotřebovávají
Co2 z atmosféry
2. Proces evapotranspirace - ochlazování
(c) Jana Albrechtová
JAK STUDUJEME VLIV LESA NA
KLIMA?
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
(c) Jana Albrechtová
Převzato od E. Ciencialy (2009)
Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, 9. 11. 2010. konference 3V
(c) Jana Albrechtová
Metoda vířivé kovariance
Nad porostem se měří rychlost a směr proudění vzduchu a
koncentrace CO2 a vodní páry v něm.
Převzato od E. Ciencialy
(c) Jana Albrechtová
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
Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, 9. 11. 2010. konference 3V
(c) Jana Albrechtová
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
(c) Jana Albrechtová
Experimentální stanoviště Bílý Kříž
Ústav systémové biologie a ekologie
AV ČR, Brno
Co máme k dispozici u nás v ČR?
Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, 9. 11. 2010. konference 3V
kontrolní skleník
atmosférická koncentrace CO2
zvýšená koncentrace
CO2 = 700 ppm
(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
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010
(c) Jana Albrechtová
Oxid uhličitý a klima na Zemi
© Lubomír Nátr, Jana Albrechtová
© Lubomír Nátr, Jana Albrechtová
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
© Lubomír Nátr, Jana Albrechtová
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
© Lubomír Nátr, Jana Albrechtová
© Lubomír Nátr, Jana Albrechtová Metelka, Tolasz, 2009
© Lubomír Nátr, Jana Albrechtová Metelka, Tolasz, 2009
© Jana Albrechtová - Lubomír Nátr
Uhlík : emise
do atmosféry
Globální emise CO2
změny ve využívání půdy
spalování fosilních paliv
Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007
(c) Jana Albrechtová
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
29%
4.1 PgC y-1
45%
26% 2.3 PgC y-1
© Jana Albrechtová - Lubomír Nátr
2007
380 ppm
Oxid uhličitý a
teplota Země
Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007
(c) Jana Albrechtová
Pokud nedojde k
žádným změnám
950 ppm
Oxid uhličitý a
teplota Země
Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007
(c) Jana Albrechtová
© Jana Albrechtová - Lubomír Nátr
Uhlík a
rostliny
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
Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze
(c) Jana Albrechtová
Oxid uhličitý a klima na Zemi
© Lubomír Nátr a Jana Albrechtová
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
0,0
-0,5
-1,0
1,0
0,5
800 1200 1600 2000
Rozs
ah
ark
t. l
edu
(m
il. k
m2)
11
10
9
8
7
6
5
Od
chylk
a tep
loty
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
Tisí
c km
3
1-denní minimum
Od roku 2007 zmizelo téměř 50 % OBJEMU
arktického ledu!
1979 2020 0
5
10
15
20
2030 2015
„We cannot avoid
dangerous climate
change. We can
avoid catastrophic
climate change“
Prof. Sir David King
+50 let
http://www.globalwarmingart.com
Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007
Oteplování Grónska se zrychluje
Kobashi et al. 2011
2010
2000 1000 0 1000 2000
Roky p.n.l. n.l.
-34
-30
-26
Tep
lota
(°C
)
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
-600
600
0
2006
Hm
otn
ost
(G
igatu
ny)
Rok
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
Fre
kve
nce
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
-2
0
2
4
6
8
10
En
ergie
hu
rik
án
u (
PD
I)
Rekonstrukce Pozorování
Nížší emisní
scénář
„Business-as-usual“