Transcript Лекция 4.
Лекция 4. Lect_04_Carbon_III Цикл углерода (продолжение). Проблема масштаба при анализе динамики во времени содержания СО2 в атмосфере. Углерод в океане. Сравнение с сушей. Биомасса и чистая первичная продукция (NPP). Карты распределения NPP в океане. Апвеллинг и даунвеллинг. Эль-Ниньо. Перенос углерода в глубины водной толщи: физико-химический и биологический насосы. «Петля Брокера». Углерод на суше. Почва. Изъятие человеком NPP с поверхности суши: картина глобального распределения. Проблема масштаба scaling май октябр ь Изменения CO2 и температуры за 420 тыс. лет («Восток») Изменения CO2 и температуры за 800 тыс. лет (EPICA) Изменения содержания кислорода (наверху) и углекислого газа (внизу) за 600 миллионов лет PAL – Present Atmospheric Level Эмиссия СО2 определяет повышение температуры? или повышение температуры определяет эмиссию CO2? Углерод в океане Ежегодно связывается ≈ 92 Гт С возвращается в атмосферу ≈ 90 Гт С СО2, взаимодействуя с молекулами воды, образует угольную кислоту, которая диссоциирует на СО3- и СО32- В зависимости от рН соотношение сдвигается СО32- + СО2 + Н2О ↔ 2 НСО3- Углерод в океане Буферная емкость океана ограничена: 1. Нехваткой катионов Ca2+ и Mg2+ (необходимы для образования известковых скелетов организмов) 2. Крайне слабым перемешиванием водной толщи (перемешиваемый слой – 100-200 м, средняя глубина океана - 3900 м) Масса углерода живых организмов в океане: ≈ 1-2 Гт Масса углерода в виде детрита (POC – particulate organic carbon) в океане: ≈ 100 Гт Масса углерода в виде растворенного органического вещества (DOC – dissolved organic carbon) ≈ 1000 Гт Биомасса организмов в океане ≈ 1-2 Гт С на суше ≈ 800 Гт С (600 - 1000) Чистая первичная продукция океана ≈ 60 Гт С год-1 (35 – 100) суши ≈ 57 Гт С год-1 (48 – 65) Биомасса Продукция t ∆t Первичная продукция (Primary production) Валовая продукция (Gross production - GP) Чистая продукция (Net production - NP) Дыхание (Respiration – R) NP = GP – R Net primary production - NPP Что ограничивает первичную продукцию на большей части акватории Мирового океана? Хлорофилл в июне http://earth.rice.edu/mtpe/bio/biosphere/hot/chl_s.html Credit: NASA/GSFC Хлорофилл в январе http://earth.rice.edu/mtpe/bio/biosphere/hot/chl_s.html Credit: NASA/GSFC Глобальное распределение хлорофилла (среднее за год) Глобальное распределение температуры поверхности океана Redfield ratio (соотношение числа атомов в веществе океанического планктона) C : N : P 106 : 16 : 1 Для перемещения углерода из поверхностных вод в глубинные существуют: 1) Физико-химический «насос» (термохалинный механизм) 2) Биологический «насос» (вертикальные миграции зоопланктона, опускание фекальных пеллет) Подъем водных масс – апвеллинг (upwelling) Обычно около западных берегов континентов Самый знаменитый апвеллинг – Перуанский Эль-Ниньо – перекрывание апвеллинга теплыми Тихого океана Опускание водных масс (downwelling) Петля Брокера Смена ветров и перекрытие апвеллинга в случае ЭльНиньо Положение апвеллингов «Цветение» воды в районе Перуанского апвеллинга Биологический насос Biological pump Joe Roman, James J. McCarthy The whale pump: marine mammals enhance primary productivity in a coastal basin // PLoS ONE. 2010. V. 5(10): e13255. Кит горбач (Megaptera novaeangliae) Снимок Марии Шевченко. Близ о-ва Беринга (Командорские острова) Джой Роман (Joe Roman) из Университета штата Вермонт в заливе Мэн (Сев.-Зап. Атлантика) http://www.uvm.edu/~uvmpr/?Page=News&storyID=17125 УГЛЕРОД НА СУШЕ Rattan Lal Carbon sequestration // Phil. Trans. R. Soc. B 2008 363, 815-830 УГЛЕРОД НА СУШЕ общая биомасса организмов ≈ 800 Гт С (600 - 1000) Чистая первичная продукция ≈ 57 Гт С год-1 (48 – 65) Общая биомасса организмов в океане ≈ 2 Гт С на суше ≈ 800 Гт С (600 - 1000) Чистая первичная продукция -1 океана ≈ 60 Гт С год (35 – 100) суши ≈ 57 Гт С год-1 (48 – 65) Г.А.Заварзин «Лекции по природоведческой микробиологии» ПОЧВА – корнеобитаемый слой на поверхности суши ПОЧВА появилась только при освоении суши растениями ≈ 300 миллионов лет тому назад (уже в полностью оксигенированной атмосфере) ПОЧВА своими органическим веществом ПРИРАСТАЕТ ИЗ ВОЗДУХА ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗА если целлюлоза разлагается исключительно прокариотами, то лигнин – эукариотами, причем в аэробных условиях Разложение лигнина и целлюлозы – лимитирующее звено в круговороте углерода в наземных экосистемах За год человек на суше изымает первичной продукции в сумме 11.54 × 1015 г углерода, или 20.32% всей годовой чистой первичной продукции Производство пищи требует изъятия в год 4.09 × 1015 г углерода, а использование растений в качестве топлива примерно столько же 4.31 × 1015 г Для развитых стран потребление NPP составляло 3.2 т С в год на человека Для развивающихся (а это 83% всего населения Земли) – 1.8 т С в год на человека Human appropriation of terrestrial net primary production (HANPP)