Zemské systémy a cykly ■ dříve ve vědách o Zemi samostatné studium jednotlivých částí (geologických jednotek, oceánů, atmosféry) dnes studium jako celku, Země je nahlížena jako jednotný systém Koncepce systémů Systém je jakákoliv část Vesmíru („Všehomíru"), kterou pozorovatel vymezí (velký, malý, jednoduchý, složitý - od atomů po celý Vesmír): jezero, vzorek horniny, oceán, sopka, horský hřbet, kontinent, celá planeta; list je součástí stromu, strom je součástí lesa. Začínáme od malých podsystémů, pochopení jejich funkce je však možné jen v kontextu celého systému. Zemský systém Zemský systém se skládá z menších podsystémů, které spolu intenzivně „komunikují" ■ atmosféra Atmosphere W§r hydrosféra biosféra litosféra Ty mohou být rozděleny na další podsystémy - hydrosféra = oceány, ledovce, vodní toky, podzemní voda. Hydrosphere Systémy Izolovaný Uzavřený Otevřený A. Isolated system 8 Closed system C. Open system Sunlight Evaporation from lakes, streams and soil Sea Water from streams and groundwater flows to sea „Box" modely Systémy se obvykle zobrazují jako „box" modely (snad „krabičkové"). Výhodou je jednoduchost a pohodlí. Ukazují: Walef vapor m alTTioSpMcre rychlost toků hmoty a energie z a do systémů celkové množství hmoty a energie v systému vegeianon, rocks and mu Lakes and sireams Rezervoáry, doba zdržení, vstupy, výstupy, stacionární stav. Velikost rezervoáru je dána celkovou bilancí (vstupy - výstupy) r = k x m Čím provázanější jsou podsystémy a čím jich je víc, tím vyšší stabilita (mnoho cest, jak reagovat na vnější vychylování). Mnoho cyklů a cest se vzájemně překrývá. Život v uzavřer Hydrosphe'e íém systému množství hmoty je stálé a konečné (omezené zdroje, omezené možnosti zbavit se nepohodlných látek) změny v jedné části systému se projeví v ostatních částech (podsystémy jsou otevřené) - stavy jemně vybalancovaných a provázaných stacionárních stavů (řetězové přizpůsobení: vulkanická erupce v Indonésii může uvolnit tolik popela do atmosféry, že může dojít ke změně klimatu a záplavám v Jižní Americe a suchům v Kalifornii a tím ovlivnit cenu obilí v západní Africe). Dynamické interakce mezi systémy Cyklování a recyklování Neustálý tok hmoty mezi rezervoáry. Jak to, že... ■ je složení atmosféry konstantní? ■ se nezvyšuje ani nesnižuje salinita oceánů? ■ je složení hornin 2 miliardy a 2 miliony let starých stejné? Přirozený tok hmoty na Zemi: cykly. Hmota přechází mezi rezervoáry, různé části toků se vzájemně vyrovnávají (jsou obsaženy zpětné vazby): Množství hmoty, které „přiteče" je rovno množství hmoty, které „odteče". Energetický cyklus Zahrnuje externí a interní zdroje energie - pohání globální systém a všechny jeho podcykly. Celkový „rozpočet" (príjmy a výdaje) energie je vyrovnaný. Pokud by nebyl, Země by se buď přehřívala nebo chladla až do dosažení rovnováhy. 4 Short wavelength solar radiation (17.3 x 10*6 watts) —r *■ ■-------- J Short wavelength 1 radiation Long wavelength radiation Ttdai energy (2 7 x lO^watts) Direct reflection (5.2 x 1016 watts) -». Direct conversion to heat (6 1 x 10 watts) •♦ Wtnds. ocean currents, waves, etc (0 035 x 10 ** watts) Evaporation and precipitation (4 0 x 1Q16 watts)_________# Water and ice storage bank 12, Tides» tidat currents, etc (2 7 x iQlŕr watts) Conduction (21 x 101? watts) Submarine volcanism (11 x 10 watts) Photosynthesis (0 004 * 1016 watts) Organic matter Plant storage bank Decay Volcanoes, hot springs on land (0 3 x 101? watts) t?, Earth s thermal energy (32 3 x 10" watts) GEOTHERMAL ENERGY Common sedimentary rocks (1026 joules) a i ioöjoui#«) Thermal energy to 10 km depth (1.3 x 1027 joules) Spontaneous nuctear decay Uranium and thorium within 1 km of surface (5 x 1029 joules) Energetické vstupy Celkový příjem 174 000 teraW (174 000x1012 J/s) (člověk užívá 10 teraW za rok) Sluneční záření 99,986 % z celkového množství - pohání vítr, déšť, oceánské proudy, vlny; fotosyntézu. Geotermální energie 23 teraW (0,013 % z celkového příjmu) - vulkanická činnost, horninový cyklus Energie přílivu 3 teraW (0,002 % z celkového příjmu) - rotace Země a gravitační přitažlivost Měsíce; pohyb vodní hmoty vůči horninám působí jako „brzda" zemské rotace Energetické výstupy Odraz kolem 40 % slunečního záření je nezměněno odraženo zpět (albedo) Degradace a znovuvyzáření 60 % slunečního záření absorbováno, přechází nevratně z jednoho rezervoáru do druhého až skončí jako teplo, které je opět vyzářeno v dlouhovlnné (infračervené) oblasti. Energetický cyklus v v Incoming solar radiation Outgoing radiation reflected by clouds, dust, and earth's surface i 66% degraded heat evaporating water 23% generating wind 1% photosynthesis 0.023% heating of atmosphere and earth's surface 42% OCEAN *ŕa->m~ Streamflow :m—\ to oceans -"■ (4650) ^ ******» '^^^ ^y tt 0aid percolation O1™ *&&' Total surface and groundwater Itow to oceans (4900) Saline groundwater yklus Atmosphere r • ' ' L Snow and ice Risers and lakes t \ 1 í Groundwater r I ■ Ocean surface zone \ í Ocean deep zone i t Interstitial water n sediments Precipitation 0.99 X 1020g/yr Evaporation 0.63 X 1020g/yr Lakes and rivers 0.3 X 1020g Atmosphere 0,13 X 1020g Precipitation 3.5 X 1020g/yr River and groundwater discharge 0.36 X 1020g/yr Evaporation 3.8 X 1020 g/yr Ocean 13,700 X 1020 g Hydrologický cyklus Odpaření (evaporace) Srážky —► přímé odpaření —> zachycení rostlinami —> povrchový odtok —> vsakování (infiltrace) odpaření („vypoceni") mělký oběh rezervoár podzemní vody oceán 97,5 % sladké vody 2,5 % 1,85 % (74 % sladkých vod) stále zmrzlé polární pokryvy 0,64 % (98,5 % zbytku) podzemní voda 0,01 % atmosféra, povrchová voda (toky, jezera) Hydrologický cyklus ŕ\ Condensation wecípitation to ocean rain clouds precipitation n to land Precipitation "~~ r*\ Infiltration and Percolation groundwater movement (slow) ,«—"—*^ Biogeochemické cykly Decomposers (bacteria, fungi) *4ä , Abiotic Chemicals (carbon dioxide, oxygen, nitrogen, minerals) Jp &K // Consumers (herbivores, carnivores) ívores) J \^y Základní struktura ekosystému: Biotické a abiotické složky Anorganické látky —> producenti (autotrofové) —► konzumenti (heterotrofové) —► rozkladatelé Základní reakce Syntéza C02 + H20 + energie CH20 + 02 Dýchání, rozklad CH20 + 02 -► C02 + H20 + energie Biogeochemické cykly biogeochemické cykly popisují pohyb chemických prvků a sloučenin mezi propojenými biologickými a geologickými systémy biologické procesy jako dýchání, fotosyntéza a tlení působí v těsném spojení s nebiologickými procesy jako jsou zvetrávaní, vznik půdy, sedimentace živé organismy mohou sloužit jako důležité rezervoáry pro určité prvky je velmi těžké vytvořit krabičkový model (i velmi zjednodušený), který bude správně popisovat biogeochemické chování prvku v celém zemském systému nejdůležitější cykly (kritické pro udržení života): uhlík, dusík, síra, fosfor- který z důležitých cyklů chybí? Biogeochemické cykly Heat m the Environment I Cyklus uhlíku Dissolved carbon, b-cartwriaítjs DiHusi-on 11 COj dissolved in oceans, etc iyninesis Respifn Pnolosynlriesis Respiralion producers ^^^^^^^T 1 L* J ■M^ decomposer* ^^^v t conftu 1 Carbon m sedimenls Carbon (mostly CQ2) M in atmosphere inic action Člověk do atmosféry 6 miliard tun ročně spalováním fosilních paliv kolem 2 miliard tun ročně odlesňovaním (dva důsledky: místo přirozené spotřeby C02 z atmosféry produkce C02 do atmosféry) Uhlík se nachází se ve všech velkých systémech a rezervoárech Biosféra: základní stavební částice živých organismů Litosféra: vápencové horniny, fosilní paliva (uhlí, ropa, podzemní plyn) klatráty (komplexy CH4 a vody v sedimentech) Hydrosféra: rozpuštěný C02 a karbonátové látky Atmosféra: C02, CH4 ...); C02 0,036 % Největším rezervoárem uhlíku jsou oceánské a pevninské sedimenty. Atmosphere (increase 3/year) CO2 fertilization 1-3? Deforestation 1-3? c^ Biosphere and ocean surface biota 725 Surface ocean (inorganic 700, organic 25) 38000 Deep ocean (inorganic 37000. organic 1000) Toto množství se zdá malé ve srovnání s ostatními toky. Dlouhodobá přirozená celková nevyrovnanost toků je pravděpodobně menší než 1 miliarda tun C ročně = zásah člověka obrovský. Člověk spalování paliv (vznik NO za vysokých teplot z N2 a 02), ten se dále oxiduje na N02 a s vodou tvoří HN03 (kyselý déšť) N20 (skleníkový plyn) uvolňován bakteriemi ze zemědělských odpadů uvolňování z půdy zavlažováním, vypalováním pralesů Aminokyseliny jsou důležitými sloučeninami všech živých organismů (-NH2 skupiny; bílkoviny). Dusík ve třech formách plynný jako prvek N2 v redukované podobě jako amoniak NH3 v oxidované podobě jako dusičnanový N03_ ion Pouze jako redukovaný se zúčastňuje biochemických reakcí. N2 nemůže být přímo využíván organismy. Největším rezervoárem dusíku je atmosféra - 78 % hnojení a komunální odpad (—> řasy) Solution of N2 ■Denitrification — Fixation — X ° 00 oo en 03 O o CD Z W Fixation Denitrification tri 3 CD ■: 03 C cd" < o -. 01 8" -* "a O IT ^ÍD ~*J-< OQ fO 3 CT ■_» O" 3 SD . . c jí o js síry Většina síry vázána minerálně (pyrit, sádrovec). H2S a S02 uvolňován z aktivních vulkánů rozkladem organické hmoty S042_ do atmosféry tříštěním slané vody DMS (dimethylsulfoxid) uvolňován do atmosféry planktonem Člověk kolem 1/3 z celkového množství síry do atmosféry (99 % S02) spalování fosilních paliv (2/3) zpracování ropy, minerálních zdrojů Cyklus fosforu Phosphate fertilizers <-4 i ocean sediments Důležitá složka RNA, DNA a přenašečů energie (ADP, ATP) fosfor se jen pomalu uvolňuje z hornin (apatit...) nevstupuje do atmosféry je většinou limitujícím faktorem růstu rostlin Člověk hnojiva a prací prostředky zemědělské a komunální odpady Oxidative weathering 4FeO + 02-^2Fe203 Sediments CaC03 j ^^2 Limestone | CaO Phytoplankton Horninový cyklus Poháněný geotermální energií (?): teplo je vedeno kondukcí a konvekcí (konvektivní buňky). Povrch planety je tvořen tenounkou krehkou vrstvou -kůrou. Ta je v důsledku tepelného proudění (?) rozlomena na velký počet zubatých částí označovaných jako litosférické desky, které se pohybují na plastické, snadno deformovatelné vrstvě - astenosféře. Dnes máme 6 velkých desek a velký počet menších -pohybují se kolem 1 až 10 cm za rok. Okraje desek divergentní - riftová, rozestupující se centra - častá ale slabá zemětřesení konvergentní - desky se pohybují k sobě; jedna se zasouvá pod druhou (subdukční zóna) nebo se střetávají (kolizní zóna). Místa explosivního vulkanismu a silných zemětřesení. trasnsformní - desky se pohybují podél sebe, olamují se a obrušují. Silná zemětřesení bez vulkanismu. Horninový cyklus oceanic) Convergent (ocean-ocean) Horninový cyklus Crustal circuit Solar energy Mantle Circuit Rock m the mantle Internal heat V kůře 5 % sedimentárních 95 % vyvřelých Na povrchu 75 % sedimentárních 25 % vyvřelých Odhadovaná délka celého horninového cyklu 650 milionů let - oceánský cyklus kratší (nejstarší horniny oceánské kůry kolem 180 milionů let, průměrné stáří kolem 60 milionů let).