Globalne zmiany środowiska dr inż. Danuta J. Michczyńska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Zasadnicze cechy systemu klimatycznego Fizyczne, chemiczne i biologiczne procesy zachodzą w szerokim spektrum skal czasowych i przestrzennych. Poszczególne komponenty systemu mogą podlegać różnym prawom, ale są wzajemnie zależne i ich ewolucja nie może być w pełni zrozumiana gdy są rozpatrywane oddzielnie. System jest otwarty. Ta otwartość tkwi przede wszystkim w fakcie, że Ziemia otrzymuje energię od Słońca, a pomiędzy elementami systemu przekazywana jest energia i materia. Otwartość systemu skutkuje w ciągłym wzajemnym przystosowywaniu się i złożonych oddziaływaniach pomiędzy komponentami systemu. Wzajemne oddziaływania są w większości nieliniowe. Wszystkie elementy znajdują się w stanie równowagi dynamicznej Stabilizacja - uzyskiwana dzięki ujemnym sprzężeniom zwrotnym. Natomiast dodatnie sprzężenia zwrotne są głównym czynnikiem zmian środowiska. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Środowisko jako system dynamiczny Komponenty systemu oddziałują ze sobą w różny sposób w zależności od skali czasu: Składowe szybkie (godziny – tygodnie) – związane przede wszystkim z atmosferą. Składowa średniookresowa (sezon – rok – kilka lat) – cykle wegetacyjne, prądy oceaniczne napędzane wiatrem, zmiany zasolenia, SST. Składowa długookresowa (dziesiątki – setki lat i dłużej) – cyrkulacja termohalinowa, formowanie głębokiej wody oceanów, zmiana szaty roślinnej, bilans masy lodowców i lądolodów. Składowe szybkie - Zrozumienie tych składowych wymaga gruntownej wiedzy dotyczącej budżetu energetycznego i obiegu wody, tak by móc ująć w zapis matematyczny m.in. procesy radiacyjne chmur, kondensacji, parowania, opadów, turbulencji w swobodnej atmosferze i w warstwie przypowierzchniowej i uwzględnić dane pomiarowe – takie jak: temperatura, opady, albedo, wiatry itp. Niezależnie od chaotycznej natury atmosfery jest obecnie jasne, że sezonowe i roczne zmiany stanu oceanu i powierzchni lądu mogą modyfikować krótkookresowe zmiany klimatyczne w przewidywalny sposób. Przewidywanie to wymaga opisania atmosfery i jej oddziaływań z górną warstwą oceanu oraz oddziaływań z kriosferą (lód morski, pokrywa śniegu) i biosferą lądową. To z kolei wymaga oprócz obserwacji atmosfery również długo-okresowych obserwacji stanu oceanu (precyzyjne satelitarne pomiary SST, SSS, pomiary szybkości wiatrów, dynamiki topografii powierzchni), stanu wilgotności gleby i pokrywy śniegowej (satelitarne obserwacje sezonowych i rocznych zmian kontynentalnej pokrywy śniegowej i roślinnej, wpływu stanu pokrywy roślinnej na wilgotność gleby, albedo i bilans radiacyjny). Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Środowisko jako system dynamiczny http://esapub.esrin.esa.it/eoq/eoq63/theme2.pdf Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Skale czasowe Pogoda i klimat ulegają ciągłym zmianom – od powolnych, dostrzegalnych w długich przedziałach czasu do nagłych i dramatycznych. Co jest przyczyną tych zmian? Środowisko, w którym żyjemy ulega ciągłym zmianom na skutek naturalnych i antropogenicznych przyczyn. Naturalne zmiany środowiska zawsze były obecne w historii Ziemi, często pojawiały się cyklicznie. Natomiast zmiany wywoływane działalnością człowieka stały się znaczące w ostatnich kilku stuleciach. Populacja ludzi rośnie –> antropogeniczne zmiany środowiska również będą rosły. Najlepszą drogą zobaczenia jak zmienia się środowisko jest porównanie jego obecnego stanu i stanu w przeszłości. Jest to możliwe dzięki występowaniu naturalnych zjawisk, które są zależne od klimatu, i których zapis zachował się do czasów współczesnych (dane pośrednie – proxy data). Kluczem do zrozumienia zmian globalnych jest przede wszystkim zrozumienie czym jest klimat i jak działa. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Klimat a pogoda Klimat to średni stan środowiska w określonym miejscu i czasie. Obejmuje średnie wartości szeregu zmiennych pogodowych, takich jak: wiatr, temperatura, opady, wilgotność, zachmurzenie, ciśnienie, widoczność i jakość powietrza. Klimat określonego miejsca można zdefiniować jako średnią (zwykle 30-letnią) pogody. Klimat można określić ilościowo przez obliczenie długookresowych średnich różnych elementów pogody Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 The Climate Time Line http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/ Rysunek uproszczony, nie uwzględnia wzajemnych relacji pomiędzy zjawiskami pojawiającymi się w różnych skalach czasowych. Oś Y – względna zmienność, ale nie oparta na formalnych pomiarach (zmienność – zakres wartości pomiędzy minimum a maksimum). Generalnie: Im krótsza skala czasu – tym w skali przestrzennej większy lokalny wpływ; im dłuższa skala czasu – tym w skali przestrzennej większy globalny wpływ. Np. pogoda (zmienność w przedziale czasowym godziny – tygodnie) może zmieniać się na poziomie lokalnym. Natomiast procesy klimatyczne takie jak wymuszenie orbitalne mogą zmieniać klimat całej planety. Age of Earth 4,55 Billion Years Evolution of Earth, atmosphere, and biosphere - Includes initial outgasing of the planet, formation of the oceans, evolution of gases in the atmosphere and subsequent evolution of live on earth Tectonic Cycles - Includes plate motions, resulting change in continental geography, mountain building and erosion, production and subduction of seafloor crust, and related changes in chemical cycles (oxygen, carbon dioxide, and other reactive elements) Orbital (Milankovich Cycles) - Periodic changes in the earth's orbit that change the distribution of incoming solar radiation at ca. 100,000, 41,000 and 21,000 year periods Dansgaard-Oeschger Cycles - A semi-periodic (re-occurring with a non-exactly equal repeat frequency) changes in climate thought to be caused by internal oscillations of the oceanic and atmospheric circulation, and feedbacks between the ocean-ice-atmosphere system NAO North Atlantic Oscillation - A semi periodic oscillation in the atmospheric surface pressure contrast between the Icelanding Low and Azores High, and associated wind and weather patterns PDO Pacific Decadal Oscillation - A semi-periodic oscillation in the spatial pattern sea surface temperature (SST) across the North Pacific, with associated changes in sea level pressure, surface winds and weather patterns ENSO El Niño-Southern Oscillation - A quasi-periodic oscillation in sea surface temperature and sea surface pressure across the tropical Pacific, causing both local and faraway changes in weather and climate QBO Quasi-Biennial Oscillation - A quasi-periodic oscillation in equatorial lower stratosphere, with associated tropical weather and climate patterns Annual solar forcing - The dominant change in temperature, precipitation, and other aspects of the climate related to the earth annual rotation around the sun Annual Harmonics - Variance at harmonics (for example 6 months) Synoptic weather - Storms, cyclones and anti-cyclones, upper atmospheric waves, and other aspects of weather Diurnal Cycle - Variance related to the daily rotation of the Earth Diurnal Harmonics - Variance at harmonic frequencies of the daily cycles (for example 12 and 6 hours) caused by diurnal cycle. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Changes in Earth's climate at different time scales. Image from: Ruddiman, W. F., 2001. Earth's Climate past and future. W.H. Freeman & Sons, New York (http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about7.html) Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Future ▲ 24 hours Linia czasu Materiały drukowane Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Kadr z filmu „The day after” Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Kadr z filmu ”The day after” Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Pytania Czy możliwa jest taka/tak gwałtowna zmiana klimatu jak pokazana w filmie „The day after”? Czy tego typu zmiany miały miejsce w przeszłości? Jak znaleźć odpowiedź na to pytanie? Jakie są przyczyny zmian klimatu? Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Historia poznawania zmienności środowiska Obserwacje: Występujące w wielu miejscach Ziemi nagromadzenia okruchów skalnych, żwirów, piasku i gliny początkowo kojarzono jednoznacznie ze śladami biblijnego potopu. Skąd jednak obecność ogromnych głazów narzutowych na terenach bardzo odległych od skał macierzystych takich głazów? Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Historia poznawania zmienności środowiska Teoria dyluwialna (Wielkiego Potopu) 1830-1833 (Principles of Geology) ogromne głazy występujące w glinie – głazy uwolnione z topniejących gór lodowych, które dryfowały podczas Wielkiego Potopu Sir Charles Lyell 1797 - 1875 Teoria zlodowaceń schyłek XVIII wieku – na podstawie obserwacji głazów narzutowych James Hutton formułuje hipotezę, że były one transportowane przez lodowce 1837 – Jean Luis Agassiz przedstawia teorię zlodowaceń; Jean Louis Agassiz 1807-1873 William Buckland 1784-1856 1840 William Buckland stwierdza, że ani teoria potopu, ani dryf gór lodowych nie mogą wytłumaczyć zjawiska głazów narzutowych i przyjmuje teorię Agassiza. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Obserwacje Agassiza i Charpentiera Morena boczna Gorner Glacier, Zermatt, Switzerland Dzięki temu, że w strefie kontaktu lodowiec – podłoże występują wody roztopowe lodowiec może przemieszczać się. Woda spełnia rolę smaru. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Ślady działalności lodowców / lądolodu Moreny boczne i czołowa, Bylot Island, Canada Charakterystyczne żłobkowanie podłoża skalnego jako rezultat przesuwającego się lodowca http://earthobservatory.nasa.gov/Study/Paleoclimatology/ Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Historia poznawania zmienności środowiska 1859 – Karol Darwin w swoim dziele „O powstawaniu gatunków” wskazuje na związki pomiędzy zmiennością gatunków i środowiska. koniec XIX wieku – Jamieson wykazał, że następują wahania poziomu morza; Archibald Geikie wystąpił z ideą wielokrotnych zlodowaceń 1909 – Albrecht Penck i Eduard Bruckner rozpoznali w szeregach tarasów alpejskich formy polodowcowe powstałe w następstwie oscylacji ciepłych i chłodnych faz klimatu. Ugruntowanie się teorii zlodowaceń. 1920-1940 Milutin Milankowic odświeżył XIX-wieczną teorię James’a Croll, sugerującą, że zmiany ekscentryczności orbity ziemskiej mogą być przyczyną powstawania zlodowaceń. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Zasięg ostatniego zlodowacenia http://earthobservatory.nasa.gov/Study/Paleoclimatology/ Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Ślady działalności lądolodu na terenie Polski Głazy narzutowe „Trojaczki”, Tarnów. Przywleczone zostały ze Skandynawii przez lądolód 500 tys. lat temu, w czasie zlodowacenia południowo-polskiego. Skała, z której są zbudowane głazy, to jasnoszary i różowy granitoid Arno o wieku ok. 1,8 - 1,9 miliarda lat. Występuje on w środkowej Szwecji, 40 km na zachód od Sztokholmu, a więc głazy te wtopione w lądolód przebyły do nas drogę liczącą ponad 1000 km. Głaz narzutowy Szwedzki Kamień” w Szczecińskim Parku Krajobrazowym „Puszcza Bukowa” Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Na terenie Polski wyróżnia się co najmniej trzy zlodowacenia: - południowopolskie (Sanu) – zwane też krakowskim; - środkowopolskie (Odry); - północnopolskie (Wisły) – bałtyckie. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Stratygrafia Stratygrafia - dział geologii historycznej zajmujący się ustalaniem wieku i przyczyn rozmieszczenia skał w skorupie ziemskiej. Twórcą stratygrafii był angielski inżynier William Smith, który w 1795 roku odkrył podczas budowy kanałów, że w warstwach skalnych są obecne charakterystyczne dla nich skamieniałości, które pozwalają te warstwy identyfikować i określać ich wiek geologiczny. Stratygrafia przyczyniła się m.in. do rozwoju badań paleontologicznych. Dopiero jednak rozwój znacznie bardziej precyzyjnej geochemii pierwiastków promieniotwórczych umożliwił wyznaczenie wieku skał w latach. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Stratygrafia – cd. Do podstawowych metod wykorzystywanych przez stratygrafię należą: litostratygrafia (wykorzystująca właściwości fizyczne i chemiczne skał) biostratygrafia (wyróżniająca jednostki skalne na podstawie znajdowanych w nich skamieniałości) chronostratygrafia (porządkująca skały na podstawie ich wieku) Obecny podział chronostratygraficzny czasu geologicznego można znaleźć na stronie Międzynarodowej Komisji Stratygraficznej - The International Commission on Stratigraphy http://www.stratigraphy.org Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Podział chronostratygraficzny Miliony lat Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Kenozoik Epoka Wiek mln lat) Zarys paleogeografii Świat roślinny Świat zwierzęcy Pa l eogen 65 Rozszerzały się Oceany Atlantycki i Indyjski, zmniejszały Oceany Tetydy i Spokojny; subkontynent indyjski zderzył się z Azją, a Australia oderwała się od Antarktydy; zbliżanie się lądów Afryki i Europy spowodowało wypiętrzanie się łańcuchów górskich, wskutek ruchów górotwórczych orogenezy alpejskiej; rozczłonkowanie lądów wpłynęło na aktywniejszą cyrkulację wód oceanicznych, czego efektem było ochłodzenie się klimatu; na Antarktydzie rozwinęła się pokrywa lodowa. Szybki rozwój roślin okrytonasiennych; szczytowy rozwój zielenic z rodziny Dasycladaceae. W morzach szeroko rozpowszechnione były otwornice (gł. numulity), koralowce, mięczaki (gł. ślimaki i małże), a ze szkarłupni - jeżowce i liliowce; w środowisku lądowym bardzo szybka radiacja ssaków (m.in. koniowate, trąbowce, naczelne), które zajmowały opuszczone po wymarłych gadach nisze ekologiczne. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Kenozoik – cd. Epoka Wiek mln lat) Zarys paleogeografii Świat roślinny Świat zwierzęcy neogen 22,5 Ostateczne zamknięcie Oceanu Tetydy, a dalsze zbliżanie się Afryki i Europy spowodowało wydźwignięcie się wielu łańcuchów górskich (np. Kaukazu, Alp, Karpat, Pirenejów, Gór Betyckich, Atlasu); od Afryki oddzielił się blok Arabii; nastąpiło połączenie Ameryki Pn. z Pd.; zbliżony do dzisiejszego (lub niewiele cieplejszy) klimat, z końcem neogenu uległ wyraźnemu ochłodzeniu będącemu zapowiedzią zbliżającej się epoki lodowcowej. Powszechne panowanie roślin okrytonasiennych; wyodrębnianie się wielkich zbiorowisk roślinnych tzw. geoflor trzeciorzędowych. Szybka radiacja adaptatywna wśród ssaków łożyskowych, które opanowały wszystkie nisze ekologiczne i prawie wszędzie (poza Australią) całkowicie wyparły stekowce; ewolucja ssaków drapieżnych; pojawiły się pierwsze małpy człekokształtne. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Kenozoik – cd. Epoka Wiek mln lat) Zarys paleogeografii Świat roślinny Świat zwierzęcy P l e j s t ocen 1,8 Ukształtował się zbliżony do dzisiejszego rozkład lądów i oceanów; silne ochłodzenie klimatu; w połowie plejstocenu nastąpiło wielkie kontynentalne zlodowacenie; w związku z tym kilkakrotnie zmianom ulegał poziom oceanu światowego. Zmiany w rozkładzie szaty roślinnej na świecie, związane ze zmianami klimatu i zlodowaceniami; przesuwały się strefy roślinne, np. kurczyły się wilgotne lasy równikowe, które ulegały rozdzieleniu na niewielkie wyspy-ostoje (tzw. refugia); następowały migracje całych flor; na niektórych obszarach znaczna ich część wymierała. Żyły, wymarłe już dziś, zwierzęta zasiedlające strefę tundrową wokół lądolodów (m.in. nosorożce włochate, mamuty, tygrysy szablozębne, hieny i niedźwiedzie jaskiniowe); pojawiły się formy ludzkie m.in. neandertalczyk (Homo sapiens neanderthalensis), a pod koniec epoki człowiek rozumny. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2

Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 Kenozoik – cd. Epoka Wiek mln lat) Zarys paleogeografii Świat roślinny Świat zwierzęcy Ho l ocen 0,01 Ukształtował się obecny rozkład lądów i mórz, po zmianach poziomu morza wywołanych zlodowaceniem; trwały fałdowania i ruchy wypiętrzające na obszarach młodych gór i dzisiejszych strefach subdukcji, nastąpiły zmiany klimatu wywołane działalnością człowieka. Szybki rozwój istniejących zbiorowisk roślinnych; zmiany w poszczególnych zbiorowiskach wywołane działalnością człowieka - wycinanie wilgotnych lasów równikowych, eksploatacja lasów strefy umiarkowanej, niszczenie roślinności stref suchych powodujące przesuwanie się granic pustyni; wskutek tych działań wymierają pojedyncze gatunki roślin. Świat opanował człowiek rozumny (Homo sapiens sapiens), który szeroko rozprzestrzenił się na wszystkie lądy; udomowienie kilkudziesięciu gatunków zwierząt (m.in. kury, świnie, krowy, psy); w związku z przemianami siedlisk życia zwierząt i nieracjonalną gospodarką człowieka wymierają liczne gatunki (m.in. tur, dodo, krowa morska). Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2