Globální změna a oceány Ondřej Prášil Mikrobiologický ústav AVČR, Třeboň
oceány fytoplankton biologie okyselování cyklus uhlíku
Oceány 70% rozlohy Země průměrná hloubka přes 3000m vznik a udržení života zdroj kyslíku udržení klimatu, vznik oblaků zdroj potravy
Fytoplankton: základní údaje Průměr: < 1 mm až > 100 mm Pokud naskládáte 1000 planktonních buněk o velikosti 1 um vedle sebe, budou jako tlouštka mince! (~18,000 buněk na šířku) Koncentrace: 10 3 až 10 6 / ml Pokud naplníte pivní láhev mořskou vodou v době, kdy dochází k vodnímu květu, může obsahovat i přes miliardu buněk! Celková biomasa: < 1% celkové rostlinné biomasy na Zemi ALE je zodpovědná za téměř polovinu čisté fotosyntézy celé biosféry!
Fytoplankton řasy a sinice
Vývoj a rozdělení fytoplanktonu
Primární fotosyntetická produkce naší planety Produktivita celé biosféry = 110-120 Gt C rok -1 (roční emise lidstva 7.1 Gt C, za rok se uloží 1.8 Gt) 0 50 100 Primární produkce (gc m -2 měsíc -1 ) Příbližně 50% produktivity na pevnině & 50% v oceánech Hydrothermální vývěry ~ 0.01 Gt C rok -1 (Giga = 10 9 )
Chemosyntéza hydrotermální vývěry na dně oceánů ~ 0.01 Gt C rok -1
Fytoplankton a koloběh uhlíku Primární produkce = fixace uhlíku Využití zachycené energie v různých trofických úrovních. Většina CO 2 je respirována a vrací se do atmosféry. Jen minimum se ukládá do sedimentů (mineralizace)
Atmosféra Oceány Globální cyklus uhlíku Rostliny Transport řekami Anorganický uhlík Mořské organismy Rozpuštěný organický uhlík Geologický Cyklus uhlíku Sedimenty
Atmosféra 590+165 Gt Oceány Globální zásoby uhlíku Rostliny 800 Gt Transport řekami Odumřelá hmota 1200 Gt? -100?? Anorganický uhlík 37400+ 118 Gt Mořské organismy 1-2 Gt 1 Gt = 10 15 g (miliarda tun) Rozpuštěný organický uhlík 1000 Gt Sedimenty > 10 mil Gt Geologický Cyklus uhlíku Uhlí 3510 Ropa -220 230 Plyn 140 Ostatní (rašelina) 250
Atmosféra: 7.1 Gt vstup, 3.3 Gt zůstává Oceány 92 Gt dovnitř 90 Gt ven Lidstvo 6 Gt Fosilní paliva 2 Gt Odlesnění Toky uhlíku Rostliny 50.5 Gt vstup 50 Gt výstup Celkem 244 Gt Transport řekami Anorganický uhlík Mořské organismy Rozpuštěný organický uhlík Geologický Cyklus uhlíku Gt (miliardy tun) za rok Sedimenty 0.2 Gt
Zvyšování CO 2 v atmosféře
Zvyšování CO 2 v atmosféře Množství CO 2 v atmosféře nejvyšší za posledních 800 tis. let
Chemismus CO 2 ve vodě ve vzduchu dnes ~ 380 mmol CO 2 ve vodě chemické rovnováhy CO 2 a protonů určují ph vody CO 2 H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3-2H + + CO 3 2- Dva důsledky zvýšení CO 2 v atmosféře pro oceány: 1. Zvýšení celkového množství uhlíku ve vodě (T CO2 ) 2. Okyselení mořské vody (snížení ph)
Chemismus CO 2 ve vodě ve vzduchu dnes ~ 380 mmol CO 2 ve vodě chemické rovnováhy CO 2 a protonů určují ph vody 1 CO 2 H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 H + + HCO 3-2H + + CO 3 2- dohromady TIC (T CO2 ) celkový anorganický uhlík 1 ~ rok ph 8,1: 90% HCO 3-9% CO 3 2-1% CO 2
1. důsledek Zvýšení množství uhlíku ve vodě Oceány již pohltily přes 40% antropogenního CO 2!! Celkem od roku 1800 do atmosféry 244 PgC zůstává 165 PgC v oceánech 118 PgC souš -40 PgC (vše s chybou ±20 PgC) Bez oceánů by dnes již byla [CO 2 ] ~ 460 ppm S Khatiwala et al. Nature 462, 346-349 (2009) doi:10.1038/nature08526
Antropogenní uhlík v oceánech oceány již absorbovaly 106-120 Pg C mohou pohltit až 80% antropogenního C nyní cca 40% Pozor rovnováha po snížení emisí!
2. důsledek - Okyselování oceánů Změny v ph oceánů se zvyšujícím se CO 2 v 21.století pokles ph o 0,3 0,5 150% nárůst [H + ] a 50% pokles [CO 3 2- ]
Okyselování oceánů Minulost...
Okyselování oceánu je realita, bez ohledu na to, zda CO 2 způsobuje oteplování či nikoliv Měření na stanici ALOHA u Havaje S C Doney Science 2010;328:1512-1516
Okyselování oceánů
Okyselování oceánu I kdyby se nárůst emisí CO2 podařilo zastavit v roce 2100, ph se bude snižovat dalších > 500 let
oceány fytoplankton biologie okyselování cyklus uhlíku Okyselování jako vážný ekologický problém první zpráva r.2005
Okyselování a tvorba uhličitanových schránek Vliv acidifikace na kalcifikaci - produkci CaCO 3 Tvorba či rozpouštění CaCO 3 je určeno parametrem nasycenosti Ω = [Ca 2+ ] [CO 3 2- ]/ K sp K sp ~ T, p, salinitě, a minerální formě CaCO 3 (aragonit je o 50% rozpustnější než kalcit) Pokud Ω > 1 dochází k tvorbě CaCO 3, pokud Ω < 1 dochází k rozpouštění CaCO 3 Hladina saturace se za 200 let posunula o 30 200 m vzhůru Sezónně se korozivní voda (Ω < 1) již objevuje na pevninských šelfech
Okyselování a tvorba uhličitanových schránek Dvě krystalické formy CaCO 3 kalcit kalcit je méně rozpustný než aragonit Ploutovonožec aragonit korály benthické zelené a červené řasy (Halimeda), jejich produkce globálně srovnatelná s korály hlubokomořské korály (200-1000 m), pomalu rostoucí, ohrožená kalcifikace mušle, ježci, hvězdice, krabi
Okyselování oceánů kalcifikace složitý proces aktivní biomineralizace, je druhově závislý
Kalcifikace - velké regionální rozdíly Nejvíce jsou ohroženy polární oblasti v roce 2018 již 10% Arktického oceánu bude pod úrovní saturace v roce 2050 polovina a v roce 2100 pak celý Arktický oceán Lehčí schránky dírkonošců
Vliv acidifikace na produkci CaCO 3 u planktonních organismů řasy Prymnesiophyceae Coccolithophoridy Živočichové Foraminifera CaCO 3 kalcit Emiliania huxleyii
Vliv acidifikace na produkci CaCO 3 u planktonních organismů dnes pco 2 : 280-380 ppmv za 50-100 let pco 2 : 580-720 ppmv
Vliv acidifikace na produkci CaCO3 u korálů ph 8,1 ph 7,5 Oculina patagonica
Vliv acidifikace na produkci CaCO 3 korály Rychlost kalcifikace korálů na Velkém bariérovém útesu poklesla v letech 1988 2003 o 21% Mořské houby nahrazují korály na útesech u Floridy Fyzikální precipitace CaCO 3 cementů významně zpevňuje korálové útesy
Pokusy - vliv zvýšení CO 2 na mořské organismy krátkodobé X chronické studie adaptace není známa
Předpověď vlivu zvýšení CO 2 na mořské organismy
Vliv dlouhodobého zvýšení CO 2 na ekosystémy Přirozené vulkanické vývěry CO 2 na dně mělkého moře (Ischia, Itálie) Nature 2008
Vliv zvýšení CO 2 na ekosystémy změna druhového složení snížení biodiverzity zjevná koroze vápenatých schránek ph 8,2 ph 7,3 7,6
Lekce z historie Hlavní problém současného okyselení velká rychlost změn, asi 10x rychlejší než během poslední srovnatelné události před 55 mil. let (tehdy oteplení o 6 C během 10 tis. let) tehdy se uvolnilo > 2000 PgC, příčinou uvolnění hydrátů metanu ze dna, rozsáhlé vyhynutí druhů Oceán se dnes nestačí promíchat a uvolnit uhličitanové ionty z usazenin, které mohou neutralizovat okyselení Science 2005
1. Oceány absorbují okolo třetiny CO 2, které lidstvo vypouští do atmosféry 2. Zvýšená koncentrace CO 2 ve vodě způsobuje její okyselení 3. Kyselost se zvýšila již o 30%, během 30 let bude nejvyšší za posledních 20 mil. let, na konci století nižší o 0,3-0,5 ph. 4. Rychlost změny je nejvyšší za posledních 60 mil. let 5. Okyselování nejvíce postihne mořské organismy, které mají uhličitanovou schránku (snížení koncentrace CO 3 ). Tyto mají často velký ekonomický a kulturní význam (korálové útesy, ústřicové farmy..) 6. Dojde ke změně druhového složení 7. Řešení omezení emisí CO 2
Globální zvýšení teploty O Hoegh-Guldberg, J F Bruno Science 2010;328:1523-1528 Zvýšení 0,2 C za poslední dekádu, celkem již cca 0,6 C Původní průměrná teplota povrchu moře 14,6 C
Důsledky zvýšení teploty oceánů I Zvýšení hladiny nyní cca 3mm/rok: Teplené rozpínání Tání pevninských ledovců O Hoegh-Guldberg, J F Bruno Science 2010;328:1523-1528
Důsledky zvýšení teploty oceánů II tání ledu v polárních oblastech
Důsledky zvýšení teploty III tání ledu pevninských ledovců (Grónsko)
Důsledky zvýšení teploty IV zvýšení mořské hladiny a zatopení pobřežních oblastí V roce 2100 zvýšení o 0,8-2 m 20 m 2 m
Důsledky změny teploty na druhové složení
Důsledky změny teploty na primární produktivitu Zvýšení teploty snížení turbulentního promíchávání vodního sloupce Změna dostupnosti živin Změna světelných podmínek today Year 2100 pco 2 380 ~1000 µatm ph ~8.1 ~7.8 mixing irradiance
Zvýšení teploty zvýšení stratifikace Mělčí max. míchaná vrstva (m) +1000 +100 +10 0-10 -100 2075-současnost -1000
Změny v rozšíření rozsivek a diazotrofních sinic +1 +0.2 Pokles rozšíření rozsivek +0.02-0.02-0.2-1 Nárůst fixace N 2
Změny primární produktivity Simulation NPZD-IPSL, 2100-1990 30 gc m -2 an -1 Zonal Mean (2100-1990) -30 % +30 % - 30 gc m -2 an -1 Globálně se sníží (-5/10%) ALE vzroste v mírných pásmech (+20/30%) Obdobné výsledky dávají různé modely
Lidstvo, globální změny a oceány S C Doney Science 2010;328:1512-1516
Změny v cyklu dusíku Eutrofizace pobřežních vod S C Doney Science 2010;328:1512-1516
Změny v cyklu kyslíku rovníkový Tichý oceán Rozpuštěný O 2 at 100 m (mmol/l) Objem anoxických/ suboxických zón vzroste o 50 % v 2100
Uvolnění hydrátů metanu ze dna oceánů
Uvolnění metanu ze dna oceánů důsledky.
Závěry V budoucím světě zvýšeného CO 2, oceány budou Kyselejší Více stratifikované Více oligotrofní, ale zvýší se v nich intenzit světla Méně prokysličené POZOR pouze modely, značná nejistota.. Fyzikální podmínky oceánů (Míchání? cirkulace okolo Antarktidy?) Změny v depozici aerosolů Vliv na strukturu ekosystémů
Děkuji za pozornost! Přeji úspěšnou plavbu rokem 2013