Globalne zmiany środowiska dr inż. Danuta J. Michczyńska Wykład 5

Osady morskie

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 Osady morskie Poz. przypływu Poz. odpływu Strefa litoralna – w wąskim znaczeniu = strefa międzypływowa; w znaczeniu szerszym = obszar od krawędzi szelfu po linię maksymalnego zasiegu przypływ ów i fal burzowych. Strefa hemipelagiczna = strefa den oceanicznych leżących w bezpośrednim sąsiedztwie bloków kontynentalnych (lady maja znaczny wpływ na charakter gromadzących się osadów) Strefa pelagiczna = strefa den oceanicznych położonych w znacznej odległości od ladów (wpływ lądów na charakter osadów – znikomy). Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 Osady morskie Cesare Emiliani (1922-1995): twórca palooceanografii, zainicjował badania izotopowe osadów morskich Sir Nicholas Shackleton Stratygrafia izotopowa, SPECMAP Badania względnego rozpowszechnienia organizmów morskich Analiza alkenów Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 Analiza alkenów Morski fitoplankton z gatunku Prymnesiophyceae, najczęściej są to kokkolitofory Emiliania huxleyi (rodzaj alg), reaguje na zmiany temperatury wody zmianą składu molekularnego błon komórkowych. Temperatura wody obniża się - wzrasta produkcja nienasyconych alkenów Alkeny - węglowodory; lipidowe składniki błon komórkowych Nienasycenie to pojawianie się podwójnych, potrójnych, a nawet poczwórnych wiązań w miejsce pojedynczych wiązań między sąsiednimi atomami węgla Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 SeaWiFS satellite image of bloom off Newfoundland in the western Atlantic on 21 July 1999 Analiza alkenów Emiliania huxleyi jest jednym z ok. 5000 gatunków fitoplanktonu Jest to gatunek bardzo rozpowszechniony – często pojawia się w formie potężnych zakwitów o powierzchni > 100 000km2 Podczas zakwitów liczba komórek E. huxleyi zazwyczaj przewyższa liczbę komórek pozostałych gatunków razem wziętych – często jest to 80 - 90% całego fitoplanktonu Występuje wszędzie, za wyjątkiem oceanów polarnych Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 Analiza alkenów Analiza alkenów w rdzeniach morskich dostarcza bardzo dokładnych informacji o temperaturze powierzchni morza, tzw. SST (ang. Sea Surface Temperature), gdyż alkeny pochodzą od fitoplanktonu, który żyje w większości w 10-metrowej górnej warstwie oceanu. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 Analiza alkenów Wskaźnik nienasycenia: gdzie: [C37:2 ] – koncentracja dwu-nienasyconego ketonu metylu, [C37:4 ] – koncentracja cztero-nienasyconego ketonu metylu, [C37:2 + C37:3 + C37:4] – koncentracja dwu- trój- i cztero- nienasyconego ketonu metylu. Uproszczony wskaźnik nienasycenia: Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 Analiza alkenów Zmiany wskaźnika z temperaturą (Prahl et al.,1988): Wybór równania kalibracyjnego – przez porównanie z obecną temperaturą powierzchni morza w okresie lata Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 Analiza alkenów Bradley, 1999, str. 235: Rekonstrukcje SST dla rdzenia ODP 658C pobranego u pn.-zach. wybrzeży Afryki w porównaniu ze zmianami procentowymi N. Pachyderma (gatunek otwornicy żyjący w zimnych wodach) w dwóch rdzeniach z Pn. Atlantyku. Silna korelacja pomiędzy zdarzeniami Heinricha a występowaniem chłodnej wody w Pn. Atlantyku z niskimi wartościami SST u wybrzeży Afryki wskazuje na powiązanie między tymi rejonami poprzez zimny prąd Kanaryjski, który niósł na południe w tych okresach zimne, słabo zasolone wody roztopowe Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 Analiza alkenów Analiza alkenów - chromatografia gazowa z detektorem płomieniowo-jonizacyjnym Chromatografia gazowa to technika analityczna oparta na rozdziale składników badanej mieszaniny pomiędzy poruszającym się strumieniem gazu nośnego (faza ruchoma) a wypełnieniem kolumny (faza stacjonarna). Siłą napędową migrującej substancji jest poruszająca się faza ruchoma, a siłą przytrzymującą jest powinowactwo substancji do fazy stacjonarnej. Całkowity czas jaki substancja spędza w kolumnie jest jej czasem retencji. Oddziaływanie związków z fazą stacjonarną, które decyduje o czasie retencji zależy od struktury cząsteczkowej, szczególnie od rodzaju i liczby obecnych grup funkcyjnych jak również od geometrii cząsteczek. Próbkę (ciecz lub gaz) wprowadza się do dozownika strzykawką. Ogrzewany do temperatury 150 ÷ 250C dozownik powoduje odparowanie składników próbki. Gaz nośny, płynący ze stałym natężeniem przepływu, wynosi pary badanej substancji z dozownika i transportuje je przez kolumnę do detektora. Poszczególne składniki badanej mieszaniny przenoszone są przez kolumnę z rożnymi szybkościami zależnymi od ich współoddziaływania z wypełnieniem kolumny. Każdy składnik, który opuści kolumnę trafia do detektora wytwarzającego wtedy sygnał elektryczny wykreślany na chromatogramie. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Cyrkulacja wody w oceanie światowym

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 Ocean światowy Rozpatrując wodę w oceanie możemy wyróżnić dwie istotne warstwy – powierzchniową i denną, różniące się temperaturą, zasoleniem i gęstością. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Cyrkulacja wody w oceanie światowym Prądy morskie - ruch mas wodnych, rodzaj rzek płynących w morzach i oceanach. Niektóre prądy potrafią przenosić na bardzo dużą odległość wielkie ilości ciepła. Prądy morskie mogą być wywołane wiatrem (prądy wiatrowe), różnicą gęstości wody (prądy gęstościowe), przyciąganiem Słońca i Księżyca (prądy pływowe). Prądy wiatrowe są ograniczone do jednego basenu oceanicznego, natomiast pewne odnogi cyrkulacji termohalinowej rozciągają się na kilka basenów oceanicznych. Prądy wiatrowe dominują na powierzchni i są najsilniejszymi prądami transportującymi największe masy wody. Cyrkulacja termohalinowa dominuje w oceanie głębokim. Jest ona znacznie wolniejsza. Oba rodzaje prądów są oczywiście połączone jedne z drugimi i każda partia wody podlega wymuszeniu zarówno wiatrowemu jak i termohalinowemu. Najsilniejsze prądy wiatrowe przenoszą ok. 50–100 Sv (1Sv = 1 Sverdrup = 106 m3/s), natomiast globalna cyrkulacja termohalinowa niesie ok. 15–20 Sv - znacząco mniej, ale cyrkulacja termohalinowa jest bardzo ważna, bo obejmuje wszystkie rejony oceanu światowego. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5 Prądy powierzchniowe Każdy duży basen oceaniczny (Pn. i Pd. Atlantyk, Pn. i Pd. Pacyfik oraz Ocean Indyjski) ma subtropikalny (podzwrotnikowy) wir „Subtropical Gyre” , który jest napędzany zachodnimi wiatrami na średnich szerokościach geogr. i wschodnimi wiatrami na szerokościach ok. 30°. Zatem na półkuli pn. wiry krążą zgodnie ze wskazówkami zegara, a na pd. – przeciwnie. Wiry te są asymetryczne – we wszystkich oceanach prądy przy zachodnich brzegach są znacznie silniejsze niż w pozostałej części wiru. Te części wiru mają swoje odrębne nazwy – Golfsztrom, Kuroshio, Prąd Brazylijski, Prąd Aghulas, Prąd Wschodnio-Australijski. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Cyrkulacja termohalinowa Cyrkulacja termohalinowa – system gęstościowych prądów morskich obejmujący całą kulę ziemską. Składają się na nią ciepłe prądy powierzchniowe i chłodne prądy głębinowe. Cyrkulacja termohalinowa jest ważnym składnikiem klimatu ziemskiego. Zmiany temperatury i zasolenia wody wpływają na gęstość wody Zwiększenie gęstości wody powoduje jej opadanie aż do osiągnięcia warstwy wody o porównywalnej gęstości Woda opada na dno oceanów w wyniku ochłodzenia i zwiększenia zasolenia Głębokooceaniczne prądy przenoszą zimne, zasolone wody wokół globu (powolny transport ~ 1000 lat) Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Cyrkulacja termohalinowa – globalny pas transmisyjny Obraz uproszczony Obecna cyrkulacja wody oceanicznej wymuszona jest tworzeniem tzw. głębokiej wody północnego Atlantyku (NADW) oraz AABW (Antarctic Botom Water). Masy wód powierzchniowych zasilane bardzo zasoloną wodą z niskich szerokości geograficznych Atlantyku przemieszczają się na północ i ulegają zagęszczeniu wskutek parowania oraz ochładzania. Wskutek tego ich gęstość wzrasta i opadają w głąb tworząc prąd głębinowy płynący w kierunku południowym. Prąd, który przenosi ciepłą wodę na północ, to Prąd Zatokowy, czyli Golfsztrom. Płynie on wzdłuż wybrzeży Ameryki Północnej, by potem skręcić w stronę wybrzeży Europy. Tu nazywamy go Prądem Północnoatlantyckim. Na mapie prądów morskich widać, że tylko na Oceanie Atlantyckim ciepłe wody docierają tak daleko na północ. Dalej ciepłe i słone wody Prądu Północnoatlantyckiego płyną wzdłuż wybrzeży Norwegii jako Prąd Norweski. Płynąca masa wody przenosi ze sobą olbrzymie ilości ciepła i ogrzewa atmosferę. Trzeba wiedzieć, że warstwa wody o grubości 10 metrów potrafi pomieścić tyle ciepła, co cała atmosfera nad nią. To dzięki ciepłu niesionemu z południa przez system Prądu Zatokowego, zimy w naszej części Europy są tak łagodne w porównaniu z zimami po drugiej stronie Atlantyku. Po minięciu Norwegii prąd rozdziela się na kilka gałęzi, płynie do Morza Barentsa i Morza Grenlandzkiego. To najbardziej na północ wysunięty odcinek globalnego pasa transmisyjnego. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Skutki cyrkulacji termohalinowej Odchylenie temperatury [°C] od średniej strefowej Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Cyrkulacja termohalinowa Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Cyrkulacja termohalinowa – 3D NADW (prąd o największym zasoleniu) płynie na południe i dołącza do Antarktycznego Prądu Okołobiegunowego Antarctic Circumpolar Current – ACC). Zasolenie NADW staje się stopniowo mniejsze (napływ słodkiej wody z topniejącego lodu), ale prąd dalej pozostaje rozpoznawalny (ze względu na max zasolenie) w swojej drodze do Oceanów Indyjskiego i Spokojnego. Im dalej od Oceanu Atlantyckiego, tym cyrkulacja bardziej skomplikowana. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Cyrkulacja termohalinowa Główne źródła Wody Głębokiej Głęboka Woda Północnego Atlantyku (North Atlantic Deep Water – NADW) – formowana w Morzu Grenlandzkim poprzez ochłodzenie silnie zasolonej wody – płynie na południe pod Golfsztromem Głęboka Woda Antarktyczna (Antarctic Bottom Water – AABW) – formowana w pobliżu Antarktydy poprzez zwiększenie zasolenia zimnej wody przy tworzeniu lodu – płynie na północ do wszystkich głównych basenów oceanicznych Na prądy głębokooceaniczne ma wpływ topografia dna, głównie – śródoceaniczne grzbiety i łańcuchy wysp Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Cyrkulacja termohalinowa Główne źródła Wody Średniej Średnia Woda Śródziemnomorska (Mediterranean Intermediate Water – MIW) – formowana przez parowanie ciepłej powierzchniowej wody Morza Śródziemnego – opada na dno i poprzez Cieśninę Gibraltarską płynie w poprzek Atlantyku Średnia Woda Antarktyczna (Antarctic Intermediate Water – AAIW) – powstaje w pobliżu Antarktydy poprzez mieszanie AABW z zimną, słodką wodą pochodzącą z topniejącego lodu Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Cyrkulacja termohalinowa w Atlantyku Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Jak można zrekonstruować cyrkulację oceaniczną w przeszłości? Rozkłady pewnych pierwiastków śladowych i izotopów są wskaźnikami prądów oceanicznych Użyteczne są zwłaszcza pierwiastki śladowe różnych typów substancji odżywczych Rozkład substancji odżywczych zależy od (1) morskiego cyklu biologicznego (2) cyrkulacji wody Pierwszy proces kontroluje koncentrację wertykalną, a drugi horyzontalną. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Jak można zrekonstruować cyrkulację oceaniczną w przeszłości? Główny producent morskiej materii organicznej to fitoplankton, który biernie unosi się w wodzie, nie posiada zdolności ruchu lub tylko w znacznie ograniczonym zakresie. Rozwój fitoplanktonu zależy od fotosyntezy (żyje w górnej warstwie oceanów) i nieorganicznych związków, głównie azotanów i fosforanów. C, N, P są używane do wytwarzania tkanek miękkich Ca i CO3-2 do wytwarzania węglanu wapnia w skorupkach SiO4 do wytwarzania krzemionkowych (SiO2) skorupek Tkanki miękkie i skorupki zawierają również takie pierwiastki śladowe jak: Cd, Ba i Zn. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Jak można zrekonstruować cyrkulację oceaniczną w przeszłości? Cykl substancji odżywczych: Koncentracja C, N i P oraz Ca, CO3-2 i SiO4 zaniżona w warstwie powierzchniowej – bo są używane w procesie fotosyntezy i do konstrukcji skorupek. Martwe organizmy opadają na dno. Na większych głębokościach tkanki organiczne są utleniane, a skorupki częściowo rozpuszczane – pierwiastki wracają do wody i głęboka woda jest bogata w substancje odżywcze. Prądy morskie wynoszą substancje odżywcze do warstwy powierzchniowej gdzie cykl zamyka się. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5

Jak można zrekonstruować cyrkulację oceaniczną w przeszłości? Wody oceanów południowych (AAIW, AABW) są bogate w substancje odżywcze, natomiast woda NADW – uboga. Dystrybucja substancji odżywczych zależy od cyklu biologicznego i prądów oceanicznych. Zatem koncentracja pierwiastków substancji odżywczych zwiększa się od Atlantyku do Antarktydy i od Pn. Pacyfiku i Pn. Oceanu Indyjskiego na południe. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 5