Globální problémy - historická perspektiva Země. Doc. Kamil Zágoršek KGE

Transkript

1 Globální problémy - historická perspektiva Země Doc. Kamil Zágoršek KGE

2 Co jsou to globální problémy? Co je to globální? Proč problémy? Spíš události, nebo změny Co je to historická perspektiva?

3 Které to jsou Změny klimatu Změny biodiverzity??

4 stáří Země asi 4,6 miliard let velký třesk vznik z rotujícího oblaku mezihvězdného plynu a prachu vznik Slunce a zárodků planet postupný vznik planet nabalováním hmoty na zárodky planet

5 Předgeologické období nejsou dochované horniny nestabilní zemská kůra trvalo asi 600 milionů let

6 Časová škála

7 Prahory pevná zemská kůra zatím nefunguje desková tektonika vznik hydrosféry a prvních praoceánů atmosféra odlišná od současné (oxid uhličitý, vodík, metan, amoniak, hélium, málo dusíku, téměř žádný kyslík) v zachovaných horninách první známé formy života

8 Vznik života asi před 3,8 miliardami let v oceánech chemická evoluce vznik složitých organických látek (bílkoviny, nukleové kyseliny) biologická evoluce vznik jednoduchých živých organismů (jako dnešní bakterie, sinice)

9 První živé organizmy Modern bacterial mounds Fossil bacteria? en.wikipedia.org/wiki/image:stromatolites_in_sharkbay.jpg million years ago

10 Iron oxide rocks Kyslík odpadní produkt. Photosynthetic bacteria en.wikipedia.org/wiki/image:anabaena_sperica.jpg Před milióny lety

11 Krátký systém Monera, Protista, Fungy, Plantes, Animalia Kmeny Foraminifera, Porifera, Anthozoa, Vermes, Mollusca, Bryozoa, Brachiopoda, Arthropoda, Echinodermata, Hemichordata, Chordata

12 Foraminifera

13 Porifera

14 Anthozoa

15 Vermes

16 Mollusca

17 Bryozoa

18 Brychiopoda

19 Arthropoda

20 Echinodermata

21 Hemichordata

22 Chordata

23 Starohory fungovala desková tektonika vrásnění a kolize kontinentů, vznikly středy dnešních kontinentů kadomské vrásnění jednobuněčné organismy stromatolity zvápenatělé kolonie sinic fotosyntéza produkce kyslíku vývoj kyslíkaté atmosféry na konci starohor první mnohobuněční živočichové láčkovci, členovci na konci starohor velké zalednění - vymírání

24

25 stromatolity

26 První komplexní buňky Acritarch 2 mld let eukaryotické buňky Obsahují první mitochondria. Eukaryotické buňky potřebují kyslík Před 1900 mil. lety

27 Mnohobuněčný život Grypania po dalším 0,5 mld let první mnohobunečné buňky Grypania trubice cca 2 mm široká a až 5 cm dlouhá Bruce Runnegar with permission Před mil. lety

28 Biologický Big Bang! evolution.berkeley.edu/evolibrary/images/bangiomorpha1.jpg Red algae en.wikipedia.org/wiki/image:sexual_cycle.svg Za nedlouho první sexuální reprodukce! Před mil. lety

29 Ediakarská fauna Mnoho kmenů živočichů, rostlin a hub vzniklo velice rychle Před mil. lety

30 Exploze diverzity palaeo.gly.bris.ac.uk/palaeofiles/lagerstatten/burgess/anomalocarishunts.jpg Fossils/Anomalocaris-canadensis.jpg Burgess Shale fossils Ve velmi krátkém čase vznikli prakticky všechny dodnes známé kmeny organizmů. Před mil. let

31 moře na konci starohor

32 Prvohory starší kambrium ordovik silur devon mladší karbon perm

33 Prvohory rozsáhlé vrásnění (2x) poslední vrásnění hercynské (variské) vznik Českého masivu dosud samostatné kontinenty se postupně přibližují na konci prvohor jediný superkontinent Pangea

34

35

36

37

38 Život v prvohorách bouřlivý rozvoj života ve vodním prostředí trilobiti, lilijice, hlavonožci, koráli koncem prvohor ryby, paryby, krytolebci na souši v siluru první rostliny v karbonu pralesy stromovité přesličky, plavuně, kapradiny černé uhlí na konci prvohor změna klimatu (pouště) největší vymírání (90%)

39 kambrium

40 Burgesské břidlice Trilobites such as Olenoides serratus (1) were a minority among a diversity of arthropods such as Sidneyia (9), Waptia (17), Helmeti a (13), Sanctacaris ( 18), Tegopelte (15), Naraoia (16), Leanc hoilia (10), Canadas pis (12), Odaraia (19), Marrell a (11), and Burgessia (14), as well as oddities such as Opabinia (24), Wi waxia (26), Hallucigenia (20), and the giant predator, Anomaloca ris (28).

41

42 Ordovik

43 Silur

44 silur

45 silur

46 trilobit

47 Silur

48 lilijice

49 lilijice

50 orthoceras

51 lalokoploutvé ryby

52 Devon

53 krytolebec

54 Karbon

55 karbonské pralesy

56

57 Perm

58

59 Druhohory rozpad Pangey na několik kontinentů srážky kontinentů alpínské vrásnění (pokračovalo i v třetihorách) vznik mohutných vrstev vápenců a dolomitů

60

61

62

63

64 Život v druhohorách rozvoj nahosemenných rostlin cykasy, jinany, jehličnany nástup krytosemenných rostlin

65 v juře a křídě dinosauři objevili se první ptáci a savci (vývoj z dinosaurů) masivní rozvoj plazů (vyvinuli se z obojživelníků) nejdříve drobní v mořích hlavonožci amoniti, belemniti, měkkýši, ryby významný rozvoj planktonu sedimenty významný rozvoj hmyzu

66 na konci druhohor hromadné vymírání organismů uvolnil se prostor pro savce vymřeli všichni dinosauři

67 Trias

68 Jura

69 Křída

70 amonit

71

72 belemnit

73 Archeopteryx

74 Pterodactylus

75 Ichtyosaurus

76 Třetihory starší paleogén mladší - neogén

77 vrcholilo alpínské vrásnění vznik pásemných pohoří Atlas, Pyreneje, Alpy, Karpaty, Kavkaz, Pamír, Himálaj, Kordillery oddělení Austrálie a Antarktidy intenzivní sopečná činnost sopečná pohoří vznik pohoří srážkové stíny rozšíření stepí na konci třetihor výrazné ochlazení 1. doba ledová

78 třetihory

79

80

81 Život v třetihorách rozvoj savců mnoho forem objevují se velcí býložravci (souvisí s rozšířením stepí) velcí dravci šavlozubý tygr ptačí obři objevují se živočišní předchůdci člověka

82 rozvoj krytosemenných rostlin významnými rostlinami jehličnany hnědé uhlí travní porosty

83 Hipparion

84 Indricotherium

85 Phorusrhacos

86 třetihorní jehličnatý prales

87 Kvartér

88 Australopithecus

89 ochlazení střídání dob ledových a meziledových pevninský ledovec zasahoval až do oblasti střední Evropy

90 Život ve čtvrtohorách rostliny - téměř dnešní podoba objevují a vymírají různé druhy v souvislosti se střídáním dob ledových a meziledových v dobách ledových charakter tundry

91 ochlazení ovlivnilo i živočichy mamuti, srstnatí nosorožci, jeskynní medvědi vývoj člověka

92

93

94

95 Homo habilis

96 Homo erectus

97 Homo neanderthalensis

98 Homo sapiens

99 Pohyby kontinentů Scotese project: vtkcuq U8ZZis

100 Vymírání snížení biodiverzity Při makroevoluci dochází k vymírání: obecně platí, že čím více specializovaný taxon, tím větší pravděpodobnost že vymře bez následníků - HV vykazují celkem malou taxonomickou selektivitu (tj. jsou nedarwinistické) HROMADNÉ VYMÍRÁNÍ JE NESELEKTIVNÍ - Raup bad luck nikoliv bad genes (být ve špatný čas na špatném místě) - Události spojené s HV jsou vzácné a velmi rozdílné problém evoluce prostřednictvím přírodního výběru Autoři se shodují: HV hrají (mohou hrát?) tvůrčí roli v evoluci, chrání život - před ustrnutím, drží biosféru v souvislém toku (dynamice, zrychlení) - opakovaně natahují hodiny evoluce a zvyšují biotické tlaky - obrovské inovace během geologického času, zvyšování diverzity v krátkém čase a udržení ekodiverzity na geologické časové škále - Cyklus vymírání cca 27 mil. let

101

102 Ordovik/silur O/S 22% všech druhů: - trilobiti - graptolity - brachiopody - korály - mechovky příčiny: - zalednění Gondwany - následné oteplení a vzestup hladiny moře - anoxický event

103 Nové skupiny přechod rostlin na souš, evoluce převážně čelistnatých ryb

104 Svrchní devon (Fras/Famen) í 90% všech druhů (nejrozsáhlejší vymírání v historii Země): - fytoplankton - brachiopody - měkkýši - mořské ryby (sladkovodní bez následků) příčiny: - impakt(?) - zalednění jižní Ameriky - anoxický event

105 Nové skupiny Zlatý věk konodontů, korálů, brachiopodů a amonitů. Mezi obratlovci nové typy ryb a obojživelníků

106 Perm - trias 80-96% převážně bentosu (v průběhu 5 miliónu let) - trilobiti - brachiopody - korály - mechovky příčiny: - zalednění v důsledku aktivního vulkanizmu (sibiřské trapy asi 2 mil. km 2 ) - pokles hladiny až o náhlé oteplení a zvednutí hladiny - anoxický event - katastrofické uvolnění metanu

107 Nové skupiny Dinosauři, Pterosauři, savci, brouci, mravenci, komáři a mouchy.

108 Trias - jura 50-60% všech druhů: - amoniti - mlži plži - hmyz - plazy příčiny: - impakt(?) kráter v Kanadě asi 70 km Ø, ale není iridium - aridní klima - bazalty

109 Nové skupiny ptáci, dinosauři, Pterodactyl, savci, korály, houby, ježovky, amoniti lilijice

110 Křída - terciér 60-75% všech druhů: - plazy (dinosauři) - amonity příčiny: - impakt kráter v Mexickém zálivu asi 180 km Ø - trapy - evoluce rostlin posloupnost: dominový efekt nejdřív trapy a pak asteroid - rychlé ochlazení následkem množství popele v atmosféře vznik ledovců pokles hladiny vysychání mořského šelfu. - zvýšení koncentrace SO 3 v atmosféře následkem trapových výlevů vznik kyselých dešťů vymírání vápnitých organizmů. - rychlé oteplení zvýšení hladiny moře hodně živin anoxická situace.

111 Nové skupiny Ptáci (dravci), savci (primáti a velryby), žraloci, hmyz, měkkýši, mechovky

112 Vymírání snižování biodiverzity

113 Vymírání a revitalizace faun ve fanerozoiku

114 (Veron, 2008)?

115 Intenzita vymírání mořských rodů během geol. času klesá (Wiki 2012)

116 Souhrn předpokládaných příčin HV ve fanerozoiku (upraveno Hallam et Wignall 1997) I. II.? III. IV. V.

117 Souhrn jevů spojených s intenzitou vymírání ve fanerozoiku (Keller 2008) *) event na hranici T/J nemá charakter hromadného vymírání pouze zrychlení (Keller 2008)

118 Impakty - nedílná součást vývoje planety - přímé doklady = krátery (vnitřní val, zjištěno > 100 kráterů s prům. > 3 km, 3-6 impaktů cca prům.1 km/1 milion let, 6 bolidů >10 km ve fanerozoiku (cca 550 mil. let), +- přímá vazba na HV Chixulub (K/T). Bez vztahy k HV Manicouagan (Quebec, starší o 12 Ma než HV v triasu, Montagnais Crater (u N. Skotska, prům. 50 km, 50 Ma žádný vliv na druhovou diverzitu ani v regionální škále) Další doklady impaktů: šokové křemeny, mikrotektity, šokově a teplotně zirkon, spinel (obohacen o Ni) etc., anomálie prvků Pt skupiny

119 Wolfe Creek Crater (SZ Austrálie) prům. 875 m, výš. 60 m, těleso tun, stáří let

120

121 Ries, Bavorsko, impakt 500 m prům., kráter 23 km x 700 m, ejekce km3 hornin, 3 km3 výpar, 5 km3 natavení (energie=7500 Hbomb), vltavíny, (500 km-0 život)

122 Katastrofická uvolnění metanu Dochází k nim při uvolnění plynného metanu z tzv. klatrátů ledu podobné pevné fáze vzniklé po velkými tlaky a nízkými teplotami na dně oceánů, v arktických jezerech či permafrostu. Vzrůst teploty a snížení tlaku vede k uvolňování plynu. Globální oteplení, eustáze etc. může vést k uvolňování metanu. Je-li rychlé a rozsáhlé může vést k velkým stresovým situacím na planetě a v důsledku i k hromadným vymíráním

123 Rozšíření trapů a horkých skvrn v současném obrazu Země trapy (geol. minulost) horké skvrny (recent)

124 Dtto novější verze

125

126 Vztah velkých vulkanických trapů a masových vymírání

127 regrese-trangrese V. K/T Vztah transgrese-regrese k masovým vymíráním IV. sv.t III. P/T R II. sv.d I. sv. O

128 Změna klimatu Historický vývoj Thompson a Turk (2007)

129 ? Dlouhodobé globální klimatické oscilace v historii Země (Ice-House : Green-House). Model Fischer et Arthur (1977), IH-GH (- CO2, + CO2), Příčiny:? konvekce v plášti oceánská hladina vulkanismus. Některá HV vázána na přechod GH IH

130 V současnosti je nejnižší prům. teplota i atmosferický C v historii Země (Junk 2005)

131 Detailní rekonstrukce vrt Vostok - Antarktida Keller (2012)

132 Keller (2012)

133 Keller (2012)

134 Rhonský ledovec (Švýcarské Alpy) Murck et al. (1996)

135

136 Další potvrzení Grónsko - ledovec Thompson a Turk (2007)

137 Složení atmosféry Keller (2012)

138 Autor: Vostok-ice-core-petit.png: NOAAderivative work: Autopilot (talk) Vostok-ice-core-petit.png, CC BY-SA 3.0,

139 Složení atmosféry Keller (2012)

140 Energetická bilance Země Murck et al. (1996)

141 Cyklicity procesů na Zemi cyklicita kosmických procesů - precese zemské osy (periodicita let, tj. ročně o se posouvá bod jarní rovnodennosti o 50,29 ) = změna ročních období (dnes je v lednu u nás zima, za let bude léto) - změna náklonu zemské osy (periodicita let), dnes je kolísá od = při menším úhlu je tropická oblast širší a polární kruh menší a naopak. Nejvíc se změna projevuje v polárních oblastech, které pak ovlivňují globální klima. - změna excentricity (periodicita let krátký cyklus, let dlouhý cyklus), dnes je 0,017 - kolísá od 0,0002 0,056 = celková změny podnebí období bez polárních čepiček apod.

142 Cyklicity procesů na Zemi cyklicita pozemských procesů: - trapy (hromadění tepla z jádra do pláště, uvolnění a opětovné hromadění) Účinky: produkce popele, aerosolu a prachu = ochlazení, často globální (P/T ochlazení) - produkce CO 2 = skleníkový efekt, oteplení (paleocén/eocén oteplení) - rozvoj flóry (víc rostlin potřebuje více CO 2 - klesá podíl skleníkových plynů ochlazování, ochlazování způsobí menší rozvoj flóry a větší úhyn rostlin hnití produkuje více CO 2 zvětšuje se podíl skleníkových plynů oteplování = větší rozvoj flóry) Účinky: periodicita teplejších a chladnějších období (perioda: xy let) = stálý evoluční tlak

143 Závislost na nebeských pohybech Murck et al. (1996)

144 Závislost na aktivitě Slunce Thompson a Turk (2007)

145 Globální teplota? Keller (2012)

146 Detailnější pohled Thompson a Turk (2007)

147 Kde se vzal CO 2? Koncentrace CO 2 v atmosféře Země za posledních více než 200 let, jak byly zjištěny v plynných uzavřeninách v ledovém jádře 200 m hlubokého vrtu u stanice Siple v západní Antarktidě. Vyneseno z dat publikovaných Neftelem et al. (1985) a Friedlim et al. (1986). Záznam koncentrací CO 2 v atmosféře na Mauna Loa na Hawajských ostrovech ukazuje sezonní cykly, které souvisejí s fotosyntetickou aktivitou rostlin na severní polokouli. Nejvyšších koncentrací je obvykle dosahováno v květnu (předchází nízká fotosyntetická aktivita a dlouhé období tlení), minimum se obvykle vyskytuje v říjnu (předchází období vysoké fotosyntetické aktivity). Dlouhodobý trend ukazuje strmý růst koncentrace CO 2 v atmosféře a také mírně se zvětšující amplitudu sezonních změn. Data představují nejdelší známou dosud měřenou řadu koncentrací oxidu uhličitého v atmosféře. Vyneseno z dat publikovaných Keelingem a Whorfem (2000).

148 Globální cyklus uhlíku

149 Interakce

150 Rozpuštěné karbonáty

151 Vyšší koncentrace CO 2 důsledky 250 ppmv 400 ppmv srážky ph 5,71 5,61 rozp. HCO 3 0,657 mg/l 1,01 mg/l povrch. ph 8,30 8,16 rozp. HCO 3 49,5 mg/l 58,4 mg/l

152 Vyšší koncentrace CO 2 důsledky rozpouštění vápenců CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca HCO 3 rozpouštění silikátů 3NaAlSi 3 O 8 + CO 2 + 8H 2 O = 3Na + + 3H 4 SiO 4 + Al(OH) 3 + HCO 3 koroze betonů Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O

153 Jednoduchý lineární model

154 Modely absolutně nezvládnuto složité systémy vysoce nelineární vztahy

155 Linky