Physics - chemistry of the ocean and climate change

Prezentacja na temat: "Physics - chemistry of the ocean and climate change"— Zapis prezentacji:

1 Physics - chemistry of the ocean and climate change
Bogdan Góralski Library of the Historical Institute of Warsaw University 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 Ocean Physicochemistry versus Climate Change -
. Ocean Physicochemistry versus Climate Change - - a summary of Bogdan Góralski’s lecture delivered during the seminar - a series of lectures entitled “21st Century Truths and Myths” at the Faculty of Chemistry of Warsaw University on 19 February 2014 at 15:00.

3 One of the unsolved problems of modern science is currently the phenomenon of acidification of the oceans Scientists assume that this ocean absorbs atmospheric carbon dioxide, which by its reaction forms the acidic reaction of the ocean. My concept assumes that the ocean is absorbing from the atmosphere and emitting CO2 into the atmosphere. In the twentieth century, CO2 absorption by the oceans has decreased and emissions have increased.

4 Acidification of the ocean Source: http://i2i. stanford
The carbon dioxide gas dissolved in water, called free carbon dioxide, reacts only slightly with water to form dissociated carbonic acid. The total content of free carbon dioxide and associated carbon dioxide is the general carbon dioxide. Bound carbon dioxide is in the water in the form of bicarbonate HCO3-i carbonate carbonates. Form in which CO2 is present in natural waters depends on the pH: pH<4 100% dissolved gas CO2 pH7 CO2 17,3% dissolved pH 8 CO2 2%. dissolved pH>8.3 zero CO2 and only HCO3- bicarbonate and carbonate anion are present. Alkalinity water is the ability to neutralize the mineral acid. This property lends the water present in the bicarbonates, carbonates, hydroxides, and present in small amounts silicates, borates and phosphates. Source: 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.

5 1. increase in it the content of CO2,
Acidification of the ocean consists in the increasing concentration of hydrogen ions formed from dissociating carbonic acid. It has been found that acidification of the surface layer of the sea is accompanied by: 1. increase in it the content of CO2, 2. reduce the biological productivity of the seas 3. increase ocean temperature 4. Reduction of CO2 solubility 5. increase the temperature of the atmosphere 6. increase the carbon dioxide content in the atmosphere.   The depths of the oceans are always acidic because the calcium carbonate is dissolved lizokliny below, the pH of the surface layer of the ocean is changing.  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.

6 Reconstruction of the pH history of the South China Sea Liu et al

7 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. Source :

8 Carbon cycle in nature - Wikipedia source
Carbon cycle in nature - Wikipedia source? Approximately 500 million gigatons C is contained inside the Earth (Dasgupta 2013, Goralski 2013)

9 Photosynthesis causes cyclical changes in CO2 concentration in the atmosphere
Changes in ocean productivity-depend only on the supply of elements necessary for the development of plant life. These are supplied from the ocean depths during upwelling. 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, 

10 What is needed to support photosynthesis in the oceans
What is needed to support photosynthesis in the oceans? Nutrients from deep-nitrates, silicates, phosphates, iron, zinc, calcium, etc ... When the supply of minerals to the surface layer of the oceans is decreasing biological productivity of the oceans is decreasing-photosynthesis disappears, There is an increase in the amount of unbound carbon dioxide that diffuses from the warming oceans to the atmosphere. 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.

11 It has been found that climate warming is associated with reduced ocean productivity, cooling with increased productivity. According to NASA satellite surveys and NOAA ocean observations, plant life in the world's oceans has become less productive since the early 1980s and absorbs less carbon from water. Scholars say that during the Middle Ages warming the populations of salmon and cod declined and during the Little Ice Age their populations grew. Watson Gregg, NASA GSFC scientist has determined that the primary primary productivity of the ocean-NPP has dropped globally more than 6% over the past two decades. NPP is an indicator of CO2 consumption in photosynthesis and the use of carbon to grow plant cells

12 Variation of fishing volume in the Peruvian upwelling zone Autor Natalie Barnes SOUTHAMPTON OCEANOGRAPHY CENTER In the Peruvian upwelling zone, the decrease in ocean productivity is accompanied by an increase in water temperature, and vice versa.

13 Oceans are warming up (source IPCC Report), ocean waters upwelling is decreasing due to changes in pole position- Earth-axis rotation

14 What causes changes in upwelling intensity?
Changes in the productivity of the universe are due to changes in upwelling What causes changes in upwelling intensity? Ocean motion is caused by the inertia of water masses of different densities occurring at changes in the position of the earth's axis. Every change in the position of the earth's axis results in the movement of water masses caused by the change of the moment of inertia of the Earth.

15 Changes in the position of the north magnetic pole
Source:

16 Cesare Emiliani has examined that the surface temperature of the oceans in the past 100 million years has decreased by 12 degrees Celsius (S. and K. Szymborscy 1981). This caused a general cooling of the Earth's climate.

17 Annual changes in the location of the northern geographic pole
Annual changes in the location of the northern geographic pole. Source IERS [mas=miliarcsec]

18 Annual changes in the location of the northern geographic pole
Annual changes in the location of the northern geographic pole. 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.

19 Changes in the position of the earth axis cause changes in the surface temperature of the sea sea surface temperature -SST Linear speed of rotation of the Earth at The equator is 1667km / h and the north pole is zero. For the last 10,000 years we have raised the SST by 12 degrees Celsius Source ( Mc Duff 2001).

20 Since 1750, the poles have changed their position, as demonstrated by the speed of Earth's rotation given by the INTERNATIONAL EARTH ROTATION & REFERENCE SYSTEMS SERVICE. Changes in the speed of rotation of the Earth caused by changes in the geographical location of the pole are closely correlated with climate change and changes in SST (source: )

21 : Scheme increase in the content of CO2 in the atmosphere is repeated Source: The IPCC Scientific Assessment (1990) page 11 Increasing CO2 concentration and raising the temperature has been around in the past about 20 thousand years and now it has been going on for almost as many years. What are we waiting for in the future? The thermal effect of CO2 is 5 degrees Celsius, and warmed up in the Holocene at 12 degrees Celsius. What does it mean?

22 Carbon dioxide in the past of 600 thousand years. Source:https://www

23 The greenhouse effect is caused to varying degrees by several gases:
36-85% by steam and clouds At 9-26% by CO2 In 7% by ozone In 8% by methane, nitrogen oxides, freon (Wikipedia source) If increasing of the CO2 concentration in the atmosphere only accompanies the warming of the climate, what causes climate change? Climate changes cause changes in the position of the poles of the Earth in response to the impact of the Solar System

24 Climate change in Earth's history

25 I recommend my book in Polish on the Researchgate portal:
Historia naturalna i zmiany klimatu

26 Thank you for your attention