Globální problémy - historická perspektiva Země Doc. Kamil Zágoršek KGE
Co jsou to globální problémy? Co je to globální? Proč problémy? Spíš události, nebo změny Co je to historická perspektiva?
Které to jsou Změny klimatu Změny biodiverzity??
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
Předgeologické období nejsou dochované horniny nestabilní zemská kůra trvalo asi 600 milionů let
Časová škála
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
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)
První živé organizmy Modern bacterial mounds Fossil bacteria? en.wikipedia.org/wiki/image:stromatolites_in_sharkbay.jpg www.fas.org/irp/imint/docs/rst/sect20/a12.html 3800-3500 million years ago http://en.wikipedia.org/wiki/geologic_time_scale
Iron oxide rocks Kyslík odpadní produkt. Photosynthetic bacteria http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/first_billion_years/bif.gif en.wikipedia.org/wiki/image:anabaena_sperica.jpg Před 3800-3500 milióny lety http://en.wikipedia.org/wiki/geologic_time_scale
Krátký systém Monera, Protista, Fungy, Plantes, Animalia Kmeny Foraminifera, Porifera, Anthozoa, Vermes, Mollusca, Bryozoa, Brachiopoda, Arthropoda, Echinodermata, Hemichordata, Chordata
Foraminifera
Porifera
Anthozoa
Vermes
Mollusca
Bryozoa
Brychiopoda
Arthropoda
Echinodermata
Hemichordata
Chordata
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
stromatolity
První komplexní buňky Acritarch 2 mld let eukaryotické buňky Obsahují první mitochondria. Eukaryotické buňky potřebují kyslík www.cushmanfoundation.org/resources/images/slide16.gif Před 1900 mil. lety http://en.wikipedia.org/wiki/geologic_time_scale
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 http://en.wikipedia.org/wiki/geologic_time_scale Před 1 400 mil. lety
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! http://en.wikipedia.org/wiki/geologic_time_scale Před 1 200 mil. lety
Ediakarská fauna www.peripatus.gen.nz/paleontology/ediacara.html Mnoho kmenů živočichů, rostlin a hub vzniklo velice rychle http://en.wikipedia.org/wiki/geologic_time_scale Před 630-542 mil. lety
Exploze diverzity palaeo.gly.bris.ac.uk/palaeofiles/lagerstatten/burgess/anomalocarishunts.jpg www.newarkcampus.org/professional/osu/faculty/jstjohn/cool Fossils/Anomalocaris-canadensis.jpg Burgess Shale fossils Ve velmi krátkém čase vznikli prakticky všechny dodnes známé kmeny organizmů. http://en.wikipedia.org/wiki/geologic_time_scale Před 542-515 mil. let
moře na konci starohor
Prvohory starší kambrium ordovik silur devon mladší karbon perm
Prvohory rozsáhlé vrásnění (2x) poslední vrásnění hercynské (variské) vznik Českého masivu dosud samostatné kontinenty se postupně přibližují na konci prvohor jediný superkontinent Pangea
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%)
kambrium
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).
Ordovik
Silur
silur
silur
trilobit
Silur
lilijice
lilijice
orthoceras
lalokoploutvé ryby
Devon
krytolebec
Karbon
karbonské pralesy
Perm
Druhohory rozpad Pangey na několik kontinentů srážky kontinentů alpínské vrásnění (pokračovalo i v třetihorách) vznik mohutných vrstev vápenců a dolomitů
Život v druhohorách rozvoj nahosemenných rostlin cykasy, jinany, jehličnany nástup krytosemenných rostlin
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
na konci druhohor hromadné vymírání organismů uvolnil se prostor pro savce vymřeli všichni dinosauři
Trias
Jura
Křída
amonit
belemnit
Archeopteryx
Pterodactylus
Ichtyosaurus
Třetihory starší paleogén mladší - neogén
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
třetihory
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
rozvoj krytosemenných rostlin významnými rostlinami jehličnany hnědé uhlí travní porosty
Hipparion
Indricotherium
Phorusrhacos
třetihorní jehličnatý prales
Kvartér
Australopithecus
ochlazení střídání dob ledových a meziledových pevninský ledovec zasahoval až do oblasti střední Evropy
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
ochlazení ovlivnilo i živočichy mamuti, srstnatí nosorožci, jeskynní medvědi vývoj člověka
Homo habilis
Homo erectus
Homo neanderthalensis
Homo sapiens
Pohyby kontinentů Scotese project: https://www.youtube.com/watch?v=g_iew vtkcuq https://www.youtube.com/watch?v=grmws U8ZZis
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
Ordovik/silur O/S 22% všech druhů: - trilobiti - graptolity - brachiopody - korály - mechovky příčiny: - zalednění Gondwany - následné oteplení a vzestup hladiny moře - anoxický event
Nové skupiny přechod rostlin na souš, evoluce převážně čelistnatých ryb
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
Nové skupiny Zlatý věk konodontů, korálů, brachiopodů a amonitů. Mezi obratlovci nové typy ryb a obojživelníků
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 100-200 - náhlé oteplení a zvednutí hladiny - anoxický event - katastrofické uvolnění metanu
Nové skupiny Dinosauři, Pterosauři, savci, brouci, mravenci, komáři a mouchy.
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
Nové skupiny ptáci, dinosauři, Pterodactyl, savci, korály, houby, ježovky, amoniti lilijice
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.
Nové skupiny Ptáci (dravci), savci (primáti a velryby), žraloci, hmyz, měkkýši, mechovky
Vymírání snižování biodiverzity
Vymírání a revitalizace faun ve fanerozoiku
(Veron, 2008)?
Intenzita vymírání mořských rodů během geol. času klesá (Wiki 2012)
Souhrn předpokládaných příčin HV ve fanerozoiku (upraveno Hallam et Wignall 1997) I. II.? III. IV. V.
Souhrn jevů spojených s intenzitou vymírání ve fanerozoiku (Keller 2008) *) event na hranici T/J nemá charakter hromadného vymírání pouze zrychlení (Keller 2008)
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
Wolfe Creek Crater (SZ Austrálie) prům. 875 m, výš. 60 m, těleso 50.000 tun, stáří 300. 000 let
Ries, Bavorsko, impakt 500 m prům., kráter 23 km x 700 m, ejekce 50-100 km3 hornin, 3 km3 výpar, 5 km3 natavení (energie=7500 Hbomb), vltavíny, (500 km-0 život)
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
Rozšíření trapů a horkých skvrn v současném obrazu Země trapy (geol. minulost) horké skvrny (recent)
Dtto novější verze
Vztah velkých vulkanických trapů a masových vymírání
regrese-trangrese V. K/T Vztah transgrese-regrese k masovým vymíráním IV. sv.t III. P/T R II. sv.d I. sv. O
Změna klimatu Historický vývoj Thompson a Turk (2007)
? 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
V současnosti je nejnižší prům. teplota i atmosferický C v historii Země (Junk 2005)
Detailní rekonstrukce vrt Vostok - Antarktida Keller (2012)
Keller (2012)
Keller (2012)
1850 1960 Rhonský ledovec (Švýcarské Alpy) Murck et al. (1996)
Další potvrzení Grónsko - ledovec Thompson a Turk (2007)
Složení atmosféry Keller (2012)
Autor: Vostok-ice-core-petit.png: NOAAderivative work: Autopilot (talk) Vostok-ice-core-petit.png, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10684392
Složení atmosféry Keller (2012)
Energetická bilance Země Murck et al. (1996)
Cyklicity procesů na Zemi cyklicita kosmických procesů - precese zemské osy (periodicita 19-23 000 let, tj. ročně o se posouvá bod jarní rovnodennosti o 50,29 ) = změna ročních období (dnes je v lednu u nás zima, za 23 000 let bude léto) - změna náklonu zemské osy (periodicita 41-54 000 let), dnes je 23 27 - kolísá od 21 55 24 18 = 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 100 000 let krátký cyklus, 413 000 let dlouhý cyklus), dnes je 0,017 - kolísá od 0,0002 0,056 = celková změny podnebí období bez polárních čepiček apod.
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
Závislost na nebeských pohybech Murck et al. (1996)
Závislost na aktivitě Slunce Thompson a Turk (2007)
Globální teplota? Keller (2012)
Detailnější pohled Thompson a Turk (2007)
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).
Globální cyklus uhlíku
Interakce
Rozpuštěné karbonáty
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
Vyšší koncentrace CO 2 důsledky rozpouštění vápenců CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca 2+ + 2HCO 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
Jednoduchý lineární model
Modely absolutně nezvládnuto složité systémy vysoce nelineární vztahy
Linky http://higheredbcs.wiley.com/legacy/college/levin/0471697435/chap_tut/chaps/index.html http://www.blackwellpublishing.com/paleobiology/imageindex.asp http://www.ucmp.berkeley.edu/help/taxaform.html