Oxid uhličitý a klima na Zemi

Transkript

1 Oxid uhličitý a klima na Zemi JANA ALBRECHTOVÁ Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2013

2 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 Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010

3 Skleníkový efekt

4 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 R 2 ), kde R je poloměr zeměkoule, 6370 km) a solární konstanty (S), tedy π R 2. S = 1, W. Z tohoto záření se asi 30 procent odráží zpět do vesmíru, takže Země pohlcuje zbývajících 70 % neboli 1, 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 o C neboli 0 kelvinu) emituje záření v množství (Q) určeném vztahem: Q = σ. T 4, Kde σ je Stefanova-Boltzmannova konstanta (5, Wm -2 K -4 ) a T je teplota vyjádřená v kelvinech. Celý povrch Země tedy bude vyzařovat celkové množství energie určené výrazem σ. T 4. 4 π R 2 a toto množství se musí rovnat množství pohlceného slunečního záření, neboli σ. T 4. 4 π R 2 = π R 2. S Z toho lze vypočítat odpovídající teplotu (T), která pro výše uvedené hodnoty činí 18 o C

5 Skleníkový efekt J = σ. T 4 Aplikace Záření sluneční infračervené Skleníkový efekt

6 Skleníkový efekt Pro 288K (15 o C) 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.

7 Katedra Experimentální biologie rostlin, Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta

8 Skleníkové plyny (1)Vodní pára (2)Oxid uhličitý (CO 2 ) (3)Metan (CH 4 ) (4)Oxid dusný (N 2 O) (5)Ozón (O 3 ) (6)Freony (chlorofluorovodíky)

9 CO2 a skleníkový efekt Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010 Podíl radiačně aktivních plynů na zesílení skleníkového efektu (IPCC, 1999) CFC 10% N 2 O 6% CH 4 19% ostat ní 5% CO 2 60 %

10 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 Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010

11 Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010 Photosynthesis during the history of Earth Lawlor, 1993

12 Záznamy CO 2 a teploty z analýzy (c) Jana ledových Albrechtová vrtů v Antarktickém ledu

13 Methan a rostliny Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct Záznamy CO 2 a teploty z analýzy ledových vrtů v Antarktickém ledu

14 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 Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010

15 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 2. Prostředí ovlivňuje organismy a naopak organismy ovlivňují prostředí, ve kterém žijí (zpětnovazebný efekt) Rostliny významnou součástí všech cyklů wikipedia

16 Biogeochemické cykly Globální koloběhy, cykly látek a energie Rostliny jsou vstupem látek a energie do biosféry jsou primární producenti Rostliny významnou součástí všech cyklů wikipedia

17 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 Kravčík a kol. 2007

18 Biogeochemické cykly Propojení biogeochemických cyklů prvků: Cyklus C kyslík dusík fosfor železo křemík..

19 srovnání cyklu P s cyklem N E = eroze a odnos B130P60, 68: Globální změny Katedra fyziologie rostlin, UK PřF, doc.albrechtová

20 Globální cyklus uhlíku: Role rostlin spalováním fosilních paliv a v důsledku změn ve využití krajiny 6 8 Pg C (10 15 g) za rok Katedra Experimentální biologie rostlin, Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta

21 Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010 Převzato od Dr. Prásila, JČU

22 Převzato od Dr. Prásila, JČU Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010

23 Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010 Převzato od Dr. Prásila, JČU

24 Popis globálního cyklu uhlíku Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010 Převzato od Dr. Prásila, JČU

25 Antropogenní uhlík v oceánech

26 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 Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010

27 Měření koncentrace CO2 v atmosféře Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010 Mauna Loa Observatory, Hawaii, Dr. Charles D. Keeling

28 Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010 Mauna Loa Monthly Carbon Dioxide Record: Keeling Record Source: C.D. Keeling and T.P. Whorf

29 Čistá primární produkce (fotosyntéza): černá - fialová modrá zelená žlutá oranžová - červená Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007

30 Biom Plocha zásoba ulhíku (Gt C) (10 6 km 2 ) vegetace půda celkem poměrně (Gt/10 6 km 2 ) Tropické lesy Temperátní lesy Boreální lesy Tropické savany Temperátní pastviny Pouště/polopouště Tundra Mokřady Zemědělské ekosystémy CELKEM Source: I.P.C.C. Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007

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

32 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 1 m (mikroorganismy, půdní biota, organická hmota) Zdroj: Will Price, Pinchot Institute for Conservation, Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct. 2007

33 Přehodnocení sinků uhlíku Oproti původním předpokladům absorbuje méně CO 2 Jižní oceán, naopak jako silnější sink CO 2 mohou být tropické deštné lesy. Baker 2007 SCIENCE VOL 316

34 JAK LESY OVLIVŇUJÍ KLIMA? Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010

35 Fotosyntéza CO 2 O 2

36 Evapotranspirace lesa Evaporace (odpařování + Transpirace Výdej vodní páry skrze průduchy

37 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! Katedra Experimentální biologie rostlin, Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta

38 JAK STUDUJEME VLIV LESA NA KLIMA? Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010

39 Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, konference 3V Převzato od E. Ciencialy (2009)

40 Metoda vířivé kovariance Nad porostem se měří rychlost a směr proudění vzduchu a koncentrace CO2 a vodní páry v něm. Převzato od E. Ciencialy

41 Jak zkoumat rostliny ve zvýšené koncentraci CO 2? komory s otevřeným vrchem speciální skleníky s otvíratelnými okny obohacení CO 2 pod širým nebem Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, konference 3V

42 Jak zkoumat rostliny ve zvýšené koncentraci CO 2? obohacení CO 2 pod širým nebem Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, konference 3V

43 Co máme k dispozici u nás v ČR? Experimentální stanoviště Bílý Kříž Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR, Brno zvýšená koncentrace CO 2 = 700 ppm kontrolní skleník atmosférická koncentrace CO 2 Katedra experimentální biologie rostlin, PřF Univerzity Karlovy v Praze, konference 3V

44 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 Jana Albrechtová, Katedra experimentální biologie rostlin, PřF UK v Praze 2010

45 Lubomír Nátr, Jana Albrechtová

46 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 První setkání Panelu se konalo v listopadu 1988 a byly na něm ustanoveny tři pracovní skupiny. Lubomír Nátr, Jana Albrechtová První skupina se zabývá vědeckými poznatky o klimatických změnách,

47 Mezivládní panel pro změnu klimatu První souhrnnou zprávu k problematice změny klimatu zveřejnil Panel koncem května v r a zpráva se následně stala klíčovým dokumentem pro Summit Země v Riu v r 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 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 Albrechtová

48 Lubomír Nátr, Jana Albrechtová

49 Lubomír Nátr, Jana Albrechtová Metelka, Tolasz, 2009

50 Lubomír Nátr, Jana Albrechtová Metelka, Tolasz, 2009

51 Uhlík : emise do atmosféry Jana Albrechtová - Lubomír Nátr

52 Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct Globální emise CO 2 změny ve využívání půdy spalování fosilních paliv

53 Fate of Anthropogenic CO 2 Emissions ( ) 1.4 PgC y PgC y -1 45% 3.0 PgC + y PgC y 29% -1 26% 2.3 PgC y -1 Jana Albrechtová - Lubomír Nátr Le Quéré et al. 2009, Nature Geoscience; Canadell et al. 2007, PNAS, updated

54 Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct Oxid uhličitý a teplota Země ppm

55 Jana Albrechtová, Department of Plant Physiology, Charles University in Prague, Czech Republic Oct Oxid uhličitý a teplota Země Pokud nedojde k žádným změnám 950 ppm

56 Uhlík a rostliny Jana Albrechtová - Lubomír Nátr

57

58

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

60 Změny klimatu Lubomír Nátr a Jana Albrechtová

61 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.

62 Éra důsledků: poslední trendy ve výzkumu změny klimatu Alexander Ač Centrum výzkumu globální změny CzechGlobe, AV ČR

63 Proč existuje problém změny klimatu?

64 Rozsah arkt. ledu (mil. km 2 ) Jak rychle mizí arktický led? ,0 0,5 0,0-0,5-1,0 Odchylka teploty 8 7 Kinnard (2011) 6 5 Global warming is now a weapon of mass destruction Prof. Sir John Houghton, 2003

65 Jak rychle mizí arktický led? 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.

66 Od roku 2007 zmizelo téměř 50 % OBJEMU arktického ledu! denní minimum We cannot avoid dangerous climate change. We can avoid catastrophic climate change Tisíc km let Prof. Sir David King Model PIOMAS, Polar Science Center, University of Washington

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

68 Teplota ( C) Oteplování Grónska se zrychluje -26 Teploty v Grónsku za posledních let letý průměr p.n.l. Roky n.l. Kobashi et al. 2011

69 Hmotnost (Gigatuny) Antarktida ztrácí každý rok 70 mld. tun ledu = 0,2 mm ročně Rok 2010 King et al. (Nature, 2012)

70 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

71 Frekvence Vlny veder a změna klimatu (#1) Teplota ( C) Analýza vln veder za posledních 500 let v Evropě Barriopedro a kol., 2011

72 Vlny veder a změna klimatu budoucnost (#1) 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)

73 Extrémní srážky a změna klimatu (#2) Madsen T, Willcox N, 2012 Čím extrémnejší srážky, tým větší nárůst

74 Energie hurikánu (PDI) (1#) Výskyt silných bouří - budoucnost 10 8 Business-as-usual 6 Pozorování Rekonstrukce Nížší emisní -4 scénář

75

76 Jana Albrechtova