Fizykochemia oceanu a zmiany klimatu ziemskiego

Prezentacja na temat: "Fizykochemia oceanu a zmiany klimatu ziemskiego"— Zapis prezentacji:

1 Fizykochemia oceanu a zmiany klimatu ziemskiego
Bogdan Góralski Biblioteka Instytutu Historycznego Uniwersytetu Warszawskiego Podsumowując, na szczycie atmosfery bilans energetyczny to 342 W/m² dochodzącego promieniowania słonecznego i taka sama ilość promieniowania wysyłanego w przestrzeń kosmiczną, na które przypada 107 W/m² promieniowania słonecznego odbitego oraz przez 235 W/m² promieniowania podczerwonego wyemitowanego przez układ atmosfera – Ziemia (Ryc. 1). Ponieważ powierzchnia Ziemi jest znacznie chłodniejsza niż powierzchnia Słońca (287 K vs 5780 K), dlatego wypromieniowuje energię cieplną falami o większej długości, niż długości fal docierających do Ziemi (i ogrzewających ją). Natężenie promieniowania słonecznego ma zgodnie z prawem Wiena maksimum w promieniowaniu widzialnym (około 0,5 μm), a promieniowanie cieplne Ziemi w dalekiej podczerwieni (około 10 μm). Dla promieniowania emitowanego przez Słońce atmosfera jest przeźroczysta. Dla promieniowania emitowanego przez powierzchnię Ziemi atmosfera ziemska jest nieprzezroczysta i pochłania jego większą część, w wyniku czego ulega ogrzaniu. Każdy gaz pochłania i emituje promieniowanie elektromagnetyczne tylko w określonych dla danej substancji przedziałach częstotliwości (długości fali) (Ryc. 3). Efekt cieplarniany wywołują tylko te gazy, które pochłaniają promieniowanie w zakresie emitowanym przez powierzchnię planety. Dla ciała o temperaturze powierzchni Ziemi maksimum natężenia promieniowania przypada w okolicy 10 mikrometrów (Ryc. 3). Tlen dwuatomowy (O2), azot (N2) i argon (Ar) nie pochłaniają promieniowania w zakresie fal o długości mikrometrów i dlatego nie wpływają na efekt cieplarniany. Natomiast para wodna (H2O), dwutlenek węgla (CO2), ozon (O3), metan (CH4) pochłaniają promieniowanie w tym zakresie wywołując efekt cieplarniany. Pochłonięta energia jest wypromieniowana zarówno w stronę Ziemi, jak i w stronę kosmosu. Najważniejszymi gazami cieplarnianymi w atmosferze Ziemi są – para wodna oraz dwutlenek węgla. Efekt cieplarniany wywołany przez parę wodną zawiera się pomiędzy 36% – 60%, Pomiary dwutlenku węgla w obserwatorium Mauna Loa (Ryc. 4) pokazują, że stężenie CO2 wzrosło z około 313 ppm (cząsteczek na milion) w 1960 do około 385 ppm w razem z chmurami jest odpowiedzialna za od 66% do 85% efektu cieplarnianego. Sam CO2 odpowiada za 9% – 26%, podczas gdy O3 jest odpowiedzialny za 7%, a inne gazy cieplarniane (w tym głównie metan, tlenki azotu i freony) są odpowiedzialne za 8% efektu.

2 Jednym z nierozwiązanych problemów współczesnej nauki jest aktualnie zjawisko zakwaszenia oceanów
Uczeni przyjmują, że to ocean absorbuje atmosferyczny dwutlenek węgla, który wchodząc w reakcje tworzy kwaśny odczyn oceanu. Moja koncepcja zakłada, że ocean pochłania i emituje CO2 do atmosfery. W XX wieku pochłanianie CO2 przez oceany zmniejszyło się a emisja wzrosła.

3 Zakwaszenie oceanu Źródło: http://i2i. stanford
Gazowy dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie, nazywany wolnym dwutlenkiem węgla, tylko w niewielkim stopniu reaguje z wodą, tworząc zdysocjowany kwas węglowy. Sumaryczna zawartość wolnego dwutlenku węgla oraz związanego dwutlenku węgla stanowi ogólny dwutlenek węgla. Związany dwutlenek węgla znajduje się w wodzie pod postacią wodorowęglanów HCO3-i węglanów CO2. Postać w jakiej CO2 występuje w wodach naturalnych zależy od ich odczynu: pH<4 100% rozpuszcz. CO2 gazowego pH7 CO2 17,3% rozpuszczonego pH 8 CO2 2%.rozpuszczonego pH>8.3 zero CO2 i pojawia się tylko wodorowęglan HCO3− i anion węglanowy. Zasadowość wody jest to zdolność wody do zobojętniania kwasów mineralnych. Właściwość tę nadają wodzie obecne w niej wodorowęglany, węglany, wodorotlenki oraz występujące w niewielkich ilościach krzemiany, borany i fosforany. Źródło: Gazowy dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie, nazywany wolnym dwutlenkiem węgla, tylko w niewielkim stopniu reaguje z wodą, tworząc zdysocjowany kwas węglowy. Sumaryczna zawartość wolnego dwutlenku węgla oraz związanego dwutlenku węgla stanowi ogólny dwutlenek węgla. Związany dwutlenek węgla znajduje się w wodzie pod postacią wodorowęglanów HCO3 i węglanów CO2. Jony wodorowęglanu HCO−3 w roztworze wodnym współistnieją w równowadze chemicznej z na ogół niewielką ilością anionów węglanowych (CO2−3): HCO−3 + H2O ⇌ CO2−3 + H3O+, a powstające w reakcji hydrolizy jony H3O+ nadają roztworom wielu wodorowęglanów odczyn kwaśny. Zawarte w wodzie oceanicznej jony wapnia reagują z jonami dwuwęglanu tworząc węglan wapnia: Ca2+ + 2HCO3  CaCO3 + H2CO3 W podobny sposób węglan wapnia tworzony jest przez różne organizmy morskie budujące sobie skorupki. Po ich śmierci skorupki te, opadają na dno. Akumulacja węglanu wapnia następuje na dnie stosunkowo płytkich mórz, ponieważ na dużych głębokościach kwasowość wody jest na tyle duża, że węglan wapnia rozpuszcza się zanim dotrze do dna.

4 1.zwiększenie w niej zawartości CO2 ,
Zakwaszanie oceanu polega na rosnącym stężeniu jonów wodoru tworzących się z dysocjującego kwasu węglowego. Stwierdzono, że zakwaszeniu powierzchniowej warstwy morza towarzyszy: 1.zwiększenie w niej zawartości CO2 , 2.zmniejszenie produktywności biologicznej mórz 3.zwiększenie temperatury oceanu 4.zmniejszenie rozpuszczalności CO2 5.wzrost temperatury atmosfery 6.wzrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze. Głębiny oceany są zawsze kwaśne dlatego węglan wapnia rozpuszcza się poniżej lizokliny, odczyn warstwy powierzchniowej oceanu zmienia się.  Bufory są substancjami, które zmniejszają podatność roztworu na zbyt duże zmiany w kwasowości i zasadowości. Woda morska jest buforowana przede wszystkim przez zawarty w niej dwutlenek węgla. Dwutlenek węgla łączy się z wodą w wielu reakcjach chemicznych, które albo wiążą, albo uwalniają jony wodorowe. Jeżeli woda jest zbyt zasadowa, reakcje te uwalniają jony wodorowe i zwiększają kwasowość. Z drugiej strony, jeżeli woda staje się zbyt kwaśna, inne reakcje wiążą jony wodorowe i zwiększają jej zasadowość. Cykl węglowy to istotny, ale skomplikowany proces, który utrzymuje pH oceanów na stosunkowo stałym poziomie. Mimo, że pH wody morskiej jest względnie stałe, zmienia się z głębokością. Dzieje się tak dlatego, że ilość dwutlenku węgla zależy od głębokości. Wyższe, oświetlone przez Słońce warstwy, zwane strefą fotyczną, zawierają największą gęstość organizmów fotosyntetycznych. Organizmy wykorzystują dwutlenek węgla, czyniąc przy tym wodę odrobinę mniej kwaśną. Woda powierzchniowa jest też zazwyczaj stosunkowo ciepła, co zmniejsza zawartość dwutlenku węgla w roztworze. Ogólnie rzecz biorąc, ciepła, wydajna woda (woda z dużym przyrostem organizmów) ma pH około 8,5. Na średnich głębokościach w oceanie pH zmienia się niewiele. Oddychanie zwierząt morskich i innych organizmów produkuje więcej dwutlenku węgla. Czyni to wodę trochę bardziej kwasową z niższym pH. Na głębokości 1000 metrów (3280 stóp) jest już mniej aktywności organicznej. Skutkuje to mniejszym oddychaniem, a więc mniejszą zawartością dwutlenku węgla. Woda jest więc bardziej alkaliczna. Na głębokości 3000 metrów (9840 stóp) i głębiej woda znowu staje się kwasowa. Dzieje się tak z powodu rozkładających się szczątków organicznych, produkujących dwutlenek węgla, przy jednoczesnym braku organizmów fotosyntetycznych, które by go usuwały. Przejście pomiędzy mniej i bardziej kwasową wodą jest nazywane granicą kompensacji węglanu wapnia (CCD – ang. calcium compensation depth). Woda poniżej CCD jest wystarczająco kwasowa, żeby rozpuścić, zbudowane głównie z węglanu wapnia, tonące muszle martwych organizmów.

5 Rekonstrukcja historii pH Morza Południowo Chińskiego. Liu et al

6 Annual variations in atmospheric CO2, oceanic CO2, and ocean surface pH. Strong trend lines for rising CO2 and falling pH. Every year, photosynthesis by plants removes CO2 from the atmosphere during the growing season. At Mauna Loa the rate of decrease is highest in July and August. Żródło:

7 Obieg węgla w przyrodzie-Źródło Wikipedia Około 500 mln Gigaton C jest zawarte we wnętrzu Ziemi(Dasgupta 2013, Góralski 2013)

8 Fotosynteza powoduje cykliczne zmiany koncentracji CO2 w atmosferze
Zmiany produktywności oceanu-zależne są tylko od wielkości dostaw pierwiastków niezbędnych w rozwoju życia roślinnego.Pierwiastki te są dostarczane z głębin oceanicznych podczas upwellingu. Aby fotosynteza mogła się odbywać potrzebne jest ciągłe dostarczanie z głębin pierwiastków życia z których budowane są organizmy żywe fitoplanktonu. Zawarte w wodzie oceanicznej jony wapnia reagują z jonami dwuwęglanu tworząc węglan wapnia: Ca2+ + 2HCO3  CaCO3 + H2CO3 PRAWO CZYNNIKA OGRANICZAJĄCEGO W FOTOSYNTEZIE Prawo to ogłoszone przez Blackmana na początku XX w. jest modyfi¬kacją znanego prawa minimum Liebiga, według którego wysokośó plonu rośliny zależy od tego składnika mineralnego, który znajduje się w glebie w minimum fizjologicznym. Według Blackinana na¬tężenie fotosyntezy kontrolowane przez wrele czynników zewnętrznych jest determinowane przez ten czynnik, którego wartość najbardziej odbiega od optimum.  Czynniki wpływające na fotosyntezę Intensywność procesu fotosyntezy modyfikowana jest przez wiele czynników zewnętrznych i wewnętrznych. Do zewnętrznych należą: dwu¬tlenek węgla, światło, temperatura, tlen, woda, wiatr, składniki mi¬neralne, 

9 Co jest potrzebne do podtrzymywania fotosyntezy w oceanach
Co jest potrzebne do podtrzymywania fotosyntezy w oceanach? Substancje odżywcze z głębin-azotany, krzemiany, fosforany, żelazo, cynk, wapń itp.. . Gdy dostawy substancji mineralnych do warstwy powierzchniowej oceanów maleją produktywność biologiczna oceanów maleje-fotosynteza zanika, rośnie ilość nie związanego dwutlenku węgla, który przez dyfuzję trafia z ocieplających się oceanów do atmosfery. W wyniku wzrostu stężenia CO2 w wodzie morskiej dochodzi do wzrostu dyfuzji CO2 do atmosfery. Jest to spowodowane podwyższeniem temperatury wody morskiej i zmniejszeniem rozpuszczalności CO2.

10 Ustalono, że ocieplenia klimatu wiążą się ze zmniejszeniem produktywności oceanu, oziębienia ze wzrostem produktywności. Według badań satelitarnych NASA i obserwacji oceanów NOAA życie roślinne w światowym oceanie stało się mniej produktywne od wczesnych lat 80. XX wieku i absorbuje mniej węgla z wody. Uczeni stwierdzili, że podczas średniowiecznego ocieplenia klimatu populacje łososi i dorszy malały a podczas Małej Epoki Lodowej ich populacje rosły. Watson Gregg, a NASA GSFC uczony ustalił, że podstawowa produktywność pierwotna oceanu-NPP, obniżyła się globalnie więcej niż 6% przez ostatnie dwie dekady. NPP jest wskaźnikiem zużycia CO2 w procesie fotosyntezy i użycia węgla do wzrostu komórek roślin.

11 Zmienność wolumenu połowów ryb w peruwiańskiej strefie upwellingu
Zmienność wolumenu połowów ryb w peruwiańskiej strefie upwellingu. Autor Natalie Barnes SOUTHAMPTON OCEANOGRAPHY CENTER W peruwiańskiej strefie upwellingu zmniejszenie produktywności oceanu towarzyszy zwiększenie temperatury wody, i odwrotnie.

12 Oceany ocieplają się, maleje upwelling wód oceanicznych powodowany zmianami położenia biegunów- osi obrotu Ziemi-Źródło Raport IPCC

13 Przyczyną zmian produktywności wszechoceanu są zmiany upwellingu
Co jest przyczyną zmian natężenia upwellingu? Ruchy wód oceanicznych są spowodowane bezwładnością mas wodnych o różnej gęstości występującą przy zmianach położenia osi ziemskiej. Każda zmiana położenia osi ziemskiej skutkuje ruchem mas wodnych wywołanym zmianą momentu bezwładności Ziemi.

14 Zmiany położenia magnetycznego bieguna północnego
Źródło:

15 Cesare Emiliani zbadał, że temperatura powierzchni oceanów w ciągu ostatnich 100 mln lat obniżyła się o 12 stopni Celsjusza(S. i K. Szymborscy 1981) Temperatura oceanu jest ważnym parametrem w numerycznej prognozie pogody i w modelach klimatu. Spowodowało to generalne oziębienie klimatu Ziemi.

16 Roczne zmiany położenia bieguna- źródło IERS mas=miliarcsec

17 Zmiany roczne położenia bieguna źródło IERS
Zmiana położenia osi ziemskiej na kierunek prostopadły do ekliptyki przyspiesza obroty Globu ziemskiego (podobnie jak tancerka na łyżwach kręci piruety) co wywołuje zwiększenie naprężeń w skorupie ziemskiej.

18 Zmiany położenia osi ziemskiej powodują zmiany powierzchniowej temperatury morza sea surface temperature -SST Prędkość liniowa obrotu Ziemi na równiku wynosi 1667km/h, a na biegunie zero. Przez ostatnie lat notujemy podwyższenie SST o 12 Deg Celsjusza Źródło ( Mc Duff 2001).

19 Od 1750 roku bieguny ustabilizowały się o czym świadczy podawana przez INTERNATIONAL EARTH ROTATION & REFERENCE SYSTEMS SERVICE prędkość obrotu Ziemi. Zmiany prędkości obrotu Ziemi powodowane przez zmiany położenia biegunów są ściśle skorelowane ze zmianami klimatu i zmianami SST(źródło )

20 Schemat wzrostu zawartości CO2 w atmosferze powtarza się: Źródło The IPCC Scientific Assessment (1990) str 11 Podwyższenie koncentracji CO2 i podwyższenie temperatury trwało w przeszłości około 20 tyś.lat i teraz już trwa niemal tyle lat. Co nas czeka w przyszłości? Efekt CO2 to 5 stopni Celsjusza a delta T=12stopni Celsjusza

21 Dwutlenek węgla w przeszłości 600 tyś. lat Źródło:https://www. ipcc

22 Efekt cieplarniany jest powodowany w różnym stopniu przez kilka gazów:
w 36-85% przez parę wodną i chmury w 9-26% przez CO2 w 7% przez ozon w 8% przez metan, tlenki azotu, freonu (Źródło Wikipedia) Jeżeli zwiększanie koncentracji CO2 tylko towarzyszy ocieplaniu klimatu to co powoduje zmiany klimatu? Ruch biegunów Ziemi w reakcji na oddziaływanie Słońca. Efekt CO2 to +5 stopni Celsjusza a delta T=12stopni Celsjusza

23 Zmiany klimatu w historii Ziemi

24 Mechanizm klimatyczny Ziemi i społeczne skutki zmian klimatu
Polecam moją książkę umieszczoną w zbiorach cyfrowych Repozytorium CeON pod tytułem: Mechanizm klimatyczny Ziemi i społeczne skutki zmian klimatu

25 Dziękuję za uwagę

26 Czy człowiek powoduje zmiany klimatu

27

28 Biegun magnetyczny zbliża się do osi obrotu ziemi i dlatego
The Earth's magnetic poles move. The magnetic North Pole moves in loops of up to 50 miles (80 km) per day.   But its actual location, an average of all these loops, is also moving at around 25 miles a year [ref]. In the last 150 years, the pole has wandered a total of about 685 miles (1102 kilometers). Biegun magnetyczny zbliża się do osi obrotu ziemi i dlatego Nieregularności budowy Ziemi i obrotu Ziemi maleją, Ziemia przyspiesza obrót.

29

30

31