Oxid uhličitý a klima na Zemi

Oxid uhličitý a klima na Zemi

• JANA ALBRECHTOVÁ

(c) Jana Albrechtová Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze

2013


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


2010

Skleníkový efekt

Skleníkový efekt: fyzikální odvození teploty Země 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

J = σ . T4

Aplikace

Záření

sluneční

infračervené

Skleníkový efekt

Skleníkový efekt 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

Seinfeld: Insights on global warming. AIChE Journal December 2011 Vol.

(c) Jana Albrechtová 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) (c) Jana Albrechtová

CO2 a skleníkový efekt

Podíl radiačně aktivních plynů na zesílení skleníkového efektu (IPCC, 1999) CFC 10%

N2O 6%

ostat ní 5%

CH4 19%

CO2 60 %


2010




2010

Photosynthesis during the history of Earth

Lawlor, 1993


2010

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

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

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

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

Oct. 2007




2010

Biogeochemické cykly Globální koloběhy, cykly látek a energie 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 1. Tok energie a koloběhy látek v ekosystému jsou vzájemně propojené

Rostliny významnou součástí všech cyklů wikipedia

2. Prostředí ovlivňuje organismy a naopak organismy ovlivňují prostředí, ve kterém žijí (c) Jana Albrechtová (zpětnovazebný efekt)

Biogeochemické cykly Globální koloběhy, cykly látek a energie Rostliny jsou vstupem látek a energie do biosféry – jsou primární producenti

Rostliny významnou součástí (c) Jana Albrechtová všech cyklů wikipedia

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 sú dotované vodou z veľkého vodného cyklu...“

Lesy jsou významnou součástí hydrologického cyklu

(c) Jana Albrechtová

Kravčík a kol. 2007

Biogeochemické cykly

Propojení biogeochemických cyklů prvků: Cyklus C kyslík dusík fosfor železo křemík. …. (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

Globální cyklus uhlíku: Role rostlin

spalováním fosilních paliv a v důsledku změn ve využití krajiny 6 – 8 Pg C (1015g) za rok

(c) Jana Albrechtová Katedra Experimentální biologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz


Převzato od Dr. Prásila, JČU (c) Jana Albrechtová Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze

2010


Převzato od Dr. Prásila, JČU 2010



Popis globálního cyklu uhlíku



Antropogenní uhlík v oceánech





2010

Měření koncentrace CO2 v atmosféře

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


2010

Mauna Loa Monthly Carbon Dioxide Record: Keeling Record 1958 - 2010

Source:(c) C.D. Keeling and T.P. Whorf Jana Albrechtová

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

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

2010

Čistá primární produkce (fotosyntéza): černá - fialová – modrá – zelená – žlutá – oranžová - červená

(c) Jana Albrechtová Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic

Oct. 2007

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. Oct. 2007

Global Carbon Cycle: Role of Plants

Jak mnoho uhlíku je uloženo v lesních ekosystémech? • Lesy obsahují okolo 50% celkového uhlíku na pevninách (1 150 gT) – Okolo ½ z toho: stromy – Boreální lesy jsou největším zásobníkem uhlíku


Oct. 2007

Kde všude je uhlík uložen v lese? Biomasa stromu na prodej

Opad odmuřelé biomasy

Půdní organická vrstva

Rostliny v podrostu Stromy (včetně kořenů, mykorhizy a odumřelé biomasy

Půda do hloubky 1m (mikroorganismy, půdní biota, organická hmota)

Zdroj: Will Price, Pinchot Institute for Conservation, www.pinchot.org (c) Jana Albrechtová Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic

Oct. 2007

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?


2010

Fotosyntéza

CO2 O2


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

Evapotranspirace lesa

Evaporace (odpařování +

Transpirace Výdej vodní páry skrze průduchy


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

Vzhůru do lesa! (c) Jana Albrechtová Katedra Experimentální biologie rostlin, http://kfrserver.natur.cuni.cz


JAK STUDUJEME VLIV LESA NA KLIMA?


2010

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


Převzato od E. Ciencialy (2009)

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

obohacení CO2 pod širým nebem http://face.env.duke.edu/main.cfm

(c) Jana Albrechtová Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, 9. 11. 2010. konference 3V

Jak zkoumat rostliny ve zvýšené koncentraci CO2 ? obohacení CO2 pod širým nebem

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

Co máme k dispozici u nás v ČR? Experimentální stanoviště Bílý Kříž Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR, Brno zvýšená koncentrace CO2 = 700 ppm

kontrolní skleník atmosférická koncentrace CO2

(c) Jana Albrechtová Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, 9. 11. 2010. konference 3V

Oxid uhličitý a klima na Zemi 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


2010

© 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. © Lubomír Nátr, Jana Albrechtováhttp://www.enviweb.cz/eslovnik/138 První skupina se zabývá vědeckými poznatky o klimatických změnách,

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". © Lubomír Nátr, Jana Albrechtováhttp://www.enviweb.cz/eslovnik/138



Metelka, Tolasz, 2009


Metelka, Tolasz, 2009

Uhlík : emise do atmosféry

© Jana Albrechtová - Lubomír Nátr

Globální emise CO2

změny ve využívání půdy

spalování fosilních paliv


Oct. 2007

Fate of Anthropogenic CO2 Emissions (2000-2008) 1.4 PgC y-1

4.1 PgC y-1

45%

7.7 PgC y-1

+

3.0 PgC y-1

29%

26% 2.3 PgC y-1 © Jana Albrechtová - Lubomír Nátr Le Quéré et al. 2009, Nature Geoscience; Canadell et al. 2007, PNAS, updated

Oxid uhličitý a teplota Země

2007 380 ppm


Oct. 2007

Oxid uhličitý a teplota Země

Pokud nedojde k žádným změnám 950 ppm


Oct. 2007

Uhlík a rostliny

© Jana Albrechtová - Lubomír Nátr

Oxid uhličitý a klima na Zemi 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


Změny klimatu

© Lubomír Nátr a Jana Albrechtová

Projevy změn globálního 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.

Éra důsledků: poslední trendy ve výzkumu změny klimatu

Alexander Ač Centrum výzkumu globální změny –CzechGlobe, AV ČR

Proč existuje problém změny klimatu?

1850-2011

1,0 0,5

Rozsah arkt. ledu (mil. km2)

11

0,0

10

-0,5

9

-1,0

Kinnard (2011)

8 7

6 5

Global warming is now a weapon of mass destruction Prof. Sir John Houghton, 2003

Odchylka teploty

Jak rychle mizí arktický led?

Jak rychle mizí arktický led? 1979

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% www.nasa.g decrease per decade in arctic sea ice extent.

Od roku 2007 zmizelo téměř 50 % OBJEMU arktického ledu! 20

1-denní minimum

Tisíc km3

15

„We cannot avoid dangerous climate change. We can avoid catastrophic climate change“

Prof. Sir David King 10

+50 let 5 2030

2015 0 1979

2020 Model PIOMAS, Polar Science Center, University of Washington

http://www.globalwarmingart.com

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

Oct. 2007

Oteplování Grónska se zrychluje

2001-2010

2010

Teplota (°C)

-26

Teploty v Grónsku za posledních 4 000 let

-30

-34 2000

10-letý průměr 1000

p.n.l.

0

Roky

1000

2000

n.l.

Kobashi et al. 2011

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

Hmotnost (Gigatuny)

600

0

-600 2002

2006

2010

Rok

King et al. (Nature, 2012)

Extrémní teploty a globální oteplování

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 Hansen et al., PNAS, 2012

Frekvence

Vlny veder a změna klimatu (#1)

Teplota (°C)

Analýza vln veder za posledních 500 let v Evropě Barriopedro a kol., 2011

Vlny veder a změna klimatu – budoucnost (#1) 2021-2050

2071-2100

Frekvence výskytu dní ve vlnách veder 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,

Fischer a Schär 2010)

Extrémní srážky a změna klimatu (#2)

Čím extrémnejší srážky, tým větší nárůst

Madsen T, Willcox N, 2012

(1#) Výskyt silných bouří - budoucnost

Energie hurikánu (PDI)

10

8 6

Rekonstrukce

Pozorování

„Business-as-usual“

4 2 0

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

-2

Jana Albrechtova [email protected]


Oxid uhličitý a klima na Zemi

Recommend Documents