Transcript Ecologia II parte - Dipartimento di Scienze della vita

ALLOCAZIONE (DESTINAZIONE ) DELL’ENERGIA ALL’INTERNO DI UN LIVELLO TROFICO
egestione
ingestione
escrezione
morte
(non predazione
)
digestione assimilazione
respirazione
accrescimento e riproduzione
sostanza organica morta
Energia disponibile
per la catena del detrito
tessuti freschi
Energia disponibile
per i consumatori
CO2
Energia dissipata
I RENDIMENTI ECOLOGICI
INGESTIONE DI ALIMENTO
RENDIMENTO DI SFRUTTAMENTO
PRODUZIONE DELLA PREDA
ASSIMILAZIONE
RENDIMENTO DI ASSIMILAZIONE
INGESTIONE
PRODUZIONE
RENDIMENTO DI PRODUZIONE NETTA
ASSIMILAZIONE
RENDIMENTO DI PRODUZIONE LORDA
PRODUZIONE
INGESTIONE
RENDIMENTO ECOLOGICO
PRODUZIONE CONSUMATORI
PRODUZIONE PREDE
EFFICIENZA ECOLOGICA
O RENDIMENTO ECOLOGICO
Pn/Pn-1
1-40%
METABOLISMO E STRATEGIE
QUALITA’ ENERGIA
Qualità dell’energia
L’energia può essere definita in modo qualitativo
non tutte le calorie sono equivalenti
(identiche quantità di energia di differenti forme
variano nella capacità di
COMPIERE LAVORO)
Es.
•Petrolio
•Luce solare
•Sorgenti termiche a bassa temperatura
Qualità dell’energia
• La quantità di energia necessaria per creare
la nuova forma
• Tanto maggiore sarà la quantità di energia
utilizzata a monte, tanto maggiore sarà la
qualità della nuova energia formata
• Concetto di emergia (emergy)
L’analisi termodinamica dei prodotti
e gli indicatori di sostenibilità ambientale
Emergy
quantità di energia (solare) necessaria per creare la nuova forma (sej =solar
emergy joule)
Transformity
quantità di energia solare per unità di nuova energia (sej/J o sej/g)
EQUIVALENZA DEL JOULE
1 W·s (watt secondo)
1 N·m (newton metro)
1 Pa·m3 (Pascal metro cubo)
2,39·10-1 calorie
1.000 kcal
10.000 kcal
2.000.000 kcal
1.000.000 kcal
20.000 kcal
2.000 kcal
200 kcal
20 kcal
2 kcal
0.2 kcal
Quantità decrescente
1.000.000
10.000
sole
piante
1000
erbivori
100
predatori
Qualità crescente
1
100
1000
10.000
1000
500
125
Quantità decrescente
1.000.000
sole
Qualità crescente
1
piante
Industria
fossilizzazione
1000
2000
8.000
Classificazione degli ecosistemi
basata sull’energia
Le classi fondamentali degli ecosistemi dipendono dalla sorgente
energetica utilizzata (solare e a combustibile o chimica).
La loro classificazione può essere basata su
energia dissipata per unità di tempo/unità di superficie
(densità di potenza)
ECOSISTEMI A ENERGIASOLARE
ECOSISTEMI NON SUSSIDIATI
Poche o nulle risorse ausiliarie di energia oltre al
sole.
Scarsa produttività
Enormi superfici delle terre emerse sono occupate da questi
sistemi che rappresentano il principale bioreattore della Terra
DENSITA’ DI POTENZA MOLTO BASSA
Grandi sistemi forestali
Praterie
1000-2000
Kcal/m2
Oceano
Mare aperto
ECOSISTEMI A ENERGIA SOLARE + ALTRE FONTI
ECOSISTEMI SUSSIDIATI
L’energia sussidiaria può aumentare la densità di potenza
di un ecosistema di un ordine di grandezza.
ECOSISTEMI SUSSIDIATI NATURALMENTE:
estuari
lagune
I sussidi possono avere varie forme , flussi d’aria e d’acqua che trasportano
prede o sostanza organica, pioggia, nutrienti.
ECOSISTEMI SUSSIDIATI DALL’UOMO
La densità di potenza degli ecosistemi sussidiati è la massima
ottenibile in natura
agricoltura
acquacoltura
Nutrienti, lavorazione del suolo,
eliminazione dei competitori
selezione genetica
Energia prodotta nei due sistemi:
Utilizzazione immediata
sottoforma di cibo o risorsa
esauribile in un breve periodo
di tempo
Redistribuzione-esportazione
dell’energia in eccesso,
diversificazione dell’uso in vari tipi
di strategie di sopravvivenza
(investimenti nella resistenzaresilienza)
ECOSISTEMI A COMBUSTIBILE
O ECOSISTEMI URBANO-INDUSTRIALI
L’energia potenziale concentrata dei combustibili sostituisce
completamente l’energia solare.
Enorme richiesta energetica : 100-1000 volte maggiore dei
sistemi naturali (milioni Kcal/m2)
Consumo pro capite di energia
Da 1000 a 250.000 Kcal e
Italia 87.000
DENSITA’ DEL CONSUMO ENERGETICO CORRELATA
ALL’USO UMANO DEI COMBUSTIBILI
Città
Manhattan
Tokyo
Mosca
Berlino
Los Angeles
Ampie zone industrializzate
Regioni industriali tedesche
Baia di Los Angeles
Giappone
Regno Unito
14 stati della costa est degli USA
USA
(kcal m-2anno-1)
4,8x106
3,0x106
1,0x106
1,6x105
1,6x105
7,7x104
5,7x104
2,3x104
9,2x103
8,4x103
1,8 x103
CICLI BIOGEOCHIMICI
Gli elementi chimici, compresi tutti gli elementi essenziali che
costituiscono il protoplasma, tendono a circolare nella biosfera
seguendo percorsi caratteristici dal comparto abiotico a quello
biotico e viceversa con movimenti di tipo pendolare
Ciclizzazione dei nutrienti
Tendenza a stabilire percorsi circolari dei macro e dei
micronutrienti
Pool di riserva
Comparto più ampio meno attivo, generalmente abiotico
Pool labile o di scambio
Porzione più piccola ma attiva nello scambiare materiali tra
organismi e l’ambiente
Costituenti chimici della materia vivente
H2O (70-90%)
Acidi nucleici+proteine+zuccheri+lipidi(10-30%)
Elementi essenziali (macro e micro) (1-10%)
Es.Na,Ca,K,Mg,Fe,Zn
Elementi essenziali e rispettive concentrazioni nell’uomo (espressi in
mg/70kg peso corporeo)
IA
3
11
Na
70000
4
19
K
250000
5
IIA
12
Mg
40000
VIII
IVB VIIB
20
Ca
17000000
25
Mn
30
42
Mo
5
26
Fe
7000
26
Co
1
IB
29
Cu
150
IIB
30
Zn
3000
I cicli si suddividono in due categorie fondamentali:
CICLI GASSOSI
Il pool di riserva è nell’atmosfera o nell’idrosfera (N,O).
Hanno grande capacità tamponante grazie ai grandi pool di
riserva.
CICLI SEDIMENTARI
In cui la riserva si trova nella litosfera (crosta terrestre) (P,Fe).
Tendono ad essere facilmente disturbabili in quanto la riserva
è relativamente inattiva e immobilizzate nella crosta terrestre.
I meccanismi di recupero o di riciclo sono prevalentemente
biotici o dovuti all’attività antropica.
Bilancio produzione - decomposizione
Storia naturale (2.000.000.000 anni)
PRODUZIONE MAGGIORE O UGUALE ALLA CAPACITA’ DI DECOMPOSIZIONE
Civiltà tecnologica
ACCELERAZIONE DELLA DECOMPOSIZIONE :
•Riduzione a CO2 delle riserve di combustibili fossili
•Agricoltura che accelera la decomposizione dell’humus
•Uso del legname vivente ai fini energetici( 2/3 della popolazione umana)
•Deforestazione mediante incendio (3000.000 Ha/anno )
Composizione dell’aria attuale
Anidride carbonica 0.03%
Ossigeno 21%
Azoto 79%
Temperatura 13 °C
Composizione dell’aria prima
della comparsa della vita
Anidride carbonica 98%
Metano 1%
Altri gas 1%
Temperatura 290 °C
I primi organismi apparsi sulla terra erano
probabilmente fotosintetici;
Ciò ha determinato :
La rimozione della CO2
La sedimentazione dei carbonati
l’iniezione dell’ossigeno e la creazione di un pianeta
ossidato
La protezione dell’ambiente terrestre con la fascia di
ozono
La stabilizzazione della temperatura attraverso i gas
serra
Il porcesso di trasformazione dell’atmosfera probabilmente è
durato fino a 300-400 milioni di anni fa
Deposizione chimica dei carbonati
Il carbonato si deposita secondo l'equazione di equilibrio seguente:
Ca++ + 2 HCO3CaCO3 + H2O + CO2
CaCO3 coesiste con concentrazioni costanti di ioni calcio e
bicarbonato (la reazione precedente è perciò di equilibrio).
Se aumenta la concentrazione degli ioni calcio o bicarbonato,
precipita carbonato;
Anche la diminuzione di concentrazione di CO2 favorisce la
precipitazione dei carbonati.
Altri fattori che influiscono sull'equilibrio sono la pressione e la
temperatura.
L'insieme di questi fattori porta alla dissoluzione di calcari
nelle acque fredde subpolari
e alla sedimentazione calcarea nei mari caldi e poco
profondi.
l’intensa sedimentazione carbonatica dovrebbe essere
avvenuta maggiormente quando esistevano queste
condizioni circa 3,5 miliardi di anni fa.
IL SEPPELLIMENTO DEL CARBONIO
Deposizione diretta di carbonati e silicati
Ca++ + 2 HCO3-
CaCO3 + H2O + CO2
Fissazione biologica
Stromatoliti, Madreporari ermatipici, scheletri gusci interni
esterni ecc
Seppellimento sostanza organica morta
Fossilizzazione
Rocce carbonatiche
Quantità non stimabile
(alcuni miliardi t)
Oceani
circa 39000 miliardi t
Atmosfera
Circa 650 miliardi t
Distribuzione del carbonio
Biomassa morta
1080 miliardi t
Biomassa viva
680 miliardi t
Combustibili fossili
10000 miliardi t
Chimica dell’atmosfera
OSSIGENO 21%
ANIDRIDE CARBONICA 0.03%
CARBONIO
Fase gassosa (aria/acqua,1/50)
Fase sedimentaria (rocce sedimentarie,sedimenti marini)
Fase organica (biomassa vivente/morta/fossile)
…..sorgenti attuali: USO DEI COMBUSTIBILI FOSSILI
10.000x109 t stimate (per lo più inaccessibili)
180x109 t consumate e rilasciate in una riserva atmosferica di 650x 109
t (28%)
Ciclo del carbonio
Oceano
Emissioni industriali
Agricoltura
Vegetali
Sistema tamponante
•Biota
•Oceani
CO2 in equilibrio con il sistema dei carbonati
CO2
HCO3CO3- Solubilità della CO2 dipendente dalla temperatura
……. e sistema destabilizzante
•Attività vulcaniche
L’emissione deriva dalla gassificazione delle rocce
carbonatiche;l’attività vulcanica attuale è piuttosto ridotta
rispetto alle epoche passate
•Combustibili fossili
•Agricoltura
•Cementifici
•Deforestazione
Biomassa: sorgente e trappola
La biomassa funziona da sorgente ma anche da deposito negli
ecosistemi dove la fotosintesi supera la respirazione.
A seguito delle semplificazioni operate dall’uomo (riduzione degli
ecostemi in equilibrio stazionario) sulla terra sono aumentati gli
ecosistemi in disequilibrio.
Ciò potrebbe rappresentare un retro controllo positivo atto a
riportare verso il basso la concentrazione di CO2.
La CO2 liberata dal disboscamento (1% annuo del patrimonio
forestale mondiale) , dalle bonifiche, arature, ecc è uguale a quella
liberata dai combustibili fossili 5x109 t/anno.
Carbon global emmision
Worldwatch institute
Identificazione sperimentale
delle sorgenti di carbonio
EFFETTO SUESS
Il carbonio esiste in natura sotto 3 forme isotopiche 12C, 13C, 14C.
12C è stabile e abbondante, 13C è stabile e più raro, 14C si forma
nella parte alta dell’atmosfera ed è instabile (td 5000anni)
I combustibili fossili non contengono 14C
Re-immettere in atmosfera CO2 derivante dai combustibili fossili ha
determinato una diluizione del 14C
L’effettiva riduzione del 14C è di circa il 2%
Questo permette di calcolare che circa la metà del carbonio bruciato
è ancora in atmosfera
Il resto o è nella biomassa o è negli oceani
EFFETTO SERRA
IMPATTO ENERGETICO DEGLI
ALLEVAMENTI ANIMALI
• A livello globale circa
la metà delle terre
coltivabili è utilizzato
per produrre carne
• Quasi 1 miliardo di
tonnellate di cereali,
leguminose e altro per
produrre 22 milioni di
tonnellate di proteine
animali
I maggiori contributi di CO2
• CINA
• USA
• 6,2 MILIARDI t
• 5,8 MILIARDI t
DATI PALEOCLIMATICI
COME OTTENERE INFORMAZIONI DAGLI ISOTOPI DELL’OSSIGENO
Al variare della temperatura dell'acqua del mare, varia anche
il rapporto tra gli isotopi 16O, 17O e 18O dell'ossigeno
contenuto nella calcite presente nei sedimenti oceanici e
accumulatasi in particolare nei gusci dei foraminiferi calcarei
fossili vissuti nei vari periodi.
Nell'atmosfera la distribuzione degli isotopi è normalmente:
99,759% (16O), 0,0374% (17O) e 0,2039% (18O) con percentuali
analoghe nelle acque. Tale distribuzione è però fortemente
legata alla temperatura, che fa variare in modo ben conosciuto
la percentuale del più pesante isotopo (18O), che è più
abbondante nelle acque fredde
Poiché è nota la relazione tra la curva di distribuzione percentuale
degli isotopi e la temperatura, analizzando il diverso rapporto tra gli
isotopi dell'ossigeno sia nel carbonato di calcio contenuto nella calcite
dei sedimenti, che in quello contenuto nello scheletro dei foraminiferi
fossili, si può risalire con precisione alla temperatura delle acque
marine del periodo in cui vissero
Dati sull’anidride carbonica derivati dalle carote di ghiaccio di Vostok
Le concentrazioni di CO2 nell’atmosfera dell’era glaciale è stata determinata
nelle bolle d’aria conservate nel ghiaccio antartico.
I valori della temperatura sono determinati dal rapporto tra isotopi
dell’ossigeno nel ghiaccio.
300
CO2
250
2
200
0
-2
Ta
-4
-6
0
50
100
Età(migliaia di anni fa
150
396
Variazione del rapporto isotopico dell'ossigeno (δ18O) nel corso degli ultimi 65 milioni di anni (periodo Cenozoico)
ottenuta da misure sui gusci di foraminiferi bentonici. La curva rappresenta la compilazione dei dati più di 40 carote
sedimentarie prelevate in campagne DSDP e ODP (da Zachos et al., 2001).
Previsioni dell’incremento medio della temperatura nello
scenario B (elevata efficienza energetica) e C (elevata
efficienza energetica e solare/nucleare)
5
A
4
B
3
C
2
1
0
1850
1900
1950
2000
2050
2100
La concentrazione globale di CO2 è in aumento
Le attività antropiche ne sono la causa primaria
(input globale= 28 miliardi di t)
Gli oceani (il più grande pool gassoso di carbonio)
assorbono la CO2 più lentamente di quanta ne venga
immessa in eccesso in atmosfera (il pool gassoso più
piccolo)
La sottrazione di CO2 dovuta alla fotosintesi degli ecosistemi
in successione secondaria (disequilibrio) non compensa
l’input globale (deforestazione – agricoltura)
Variazioni di CO2 atmosferica comparabili con l’attuale non
sono avvenute negli ultimi 400.000 anni
L’elemento di incertezza risiede nei retrocontrolli negativi
AVERAGE PERSONAL EMISSION OF CO2
-USA 5500 kg
-Canada 4500 kg
-Australia 4000 kg
-Ex URSS 3250 kg
-Germany 3250 kg
-UK 2750 kg
-Japan 2150 kg
-France/Italy 1875 kg
-Cina 500 kg
Il contributo di CO2 della motorizzazione
1kg di benzina= 2kg di CO2
1000kg di benzina=
2t di CO
2
su scala globale
CIRCA IL 20%DELLE EMISSIONI
Asian Brown Cloud
Mix di ceneri, particolato (nano-micro)
vapore, smog fotochimico, inquinanti
gassosi acidi, vapore d’acqua.
Derivante dalle emissioni industriali, da
gas di scarico veicolare, e combustioni
a bassa tecnologia
Il protocollo di Kyoto chiede ai Paesi firmatari di
ridurre del 5% le Emissioni dei gas serra (anidride
carbonica, metano, protossifdo di azoto etc.) nel
periodo 2008 - 2012 rispetto ai livelli del 1990.
Tale riduzione si può ottenere :
•Riduzione diretta delle emissioni
•Stoccaggio del carbonio nei sistemi agroforestali
•Iniezione in cavità sotterranee e profondità marine
I maggiori contributi di CO2
• CINA
• USA
• 6,2 MILIARDI t
• 5,8 MILIARDI t
Variazione del rapporto isotopico dell'ossigeno (δ18O) nel corso degli ultimi 65 milioni di anni (periodo Cenozoico)
ottenuta da misure sui gusci di foraminiferi bentonici. La curva rappresenta la compilazione dei dati più di 40 carote
sedimentarie prelevate in campagne DSDP e ODP (da Zachos et al., 2001).
Il rapporto isotopico dell’ossigeno (18O/16O) nei sedimenti oceanici dipende dalla temperatura dell’acqua di
mare e dal volume dei ghiacci esistenti in passato sulla Terra e delle conseguenti variazioni del livello globale
degli oceani.
L'isotopo 18 dell'ossigeno è proporzionalmente meno abbondante nei ghiacci polari che nell'acqua degli
oceani. Di conseguenza, quando si formano calotte di ghiaccio sui continenti, l'acqua degli oceani e i gusci
degli organismi che si depositano sui fondali risultano arricchiti di ossigeno 18.
Quanto più è elevata la concentrazione di 18O misurata in uno strato sedimentario, tanto maggiore era la
quantità di ghiaccio continentale al momento della deposizione di quel sedimento.
Gli stadi delle oscillazioni del rapporto isotopico dell’ossigeno sono numerati progressivamente dal più
giovane al più vecchio e sono caratterizzati da numeri dispari per i periodi “caldi” e da numeri pari per i periodi
“freddi”. La Figura mostra la variazione del rapporto 18O/16O durante gli ultimi 900mila anni e l’alternanza di
periodi glaciali e interglaciali.
RIDUZIONE DIRETTA DELLE EMISSIONI
• RIDUZIONE DEI CONSUMI
• OTTIMIZZAZIONE DEI PROCESSI
PRODUTTIVI
• OTTIMIZZAZIONE DELLA MOBILITA’
INDIVIDUALE E DELLE MERCI
• ENERGIE A BASSA EMISSIONE
• ENERGIE ALTERNATIVE AI CF
STOCCAGGIO NEI SISTEMI FORESTALI
Le attivita’ agro-forestali NON sono un mezzo
permanente per abbattere l’incremento di CO2
nell’atmosfera, ma SONO uno strumento per
acquistare del tempo (un secolo) per cambiare i nostri
sistemi energetici.
L’uso di energie svincolate dai c.f., dovrebbero
rappresentare il vero obiettivo della protezione sul
Clima
Su scala globale la conservazione degli stocks e la
promozione di una gestione forestale sostenibile sono
le misure piu’ urgenti.
Purtroppo queste attivita’ non sono ancora
chiaramente presenti nel protocollo di Kyoto
In Italia le attivita’ di forestazione e riforestazione
attualmente sono poco rilevanti nell’assorbimento di
carbonio atmosferico.
Vanno approfondite le potenzialita’
Attivita’ di forestazione e riforestazione e di
conservazione delle foreste nei Paesi in Via di
Sviluppo SONO strategicamente importanti per il
nostro Paese (con maggiore preferenza per la
conservazione).
Tuttavia devono essere garantite tutte le condizioni di
sostenibilita’.
1. Crediti temporanei
2. Analisi di effetti laterali sulle economie
La gestione forestale sostenibile
(miglioramento dei nostri boschi, allungamento dei
turni, impiego di utilizzazioni a basso impatto sul
ciclo del carbonio etc)
La conservazione degli stocks
(lotta agli incendi boschivi, sviluppo di aree protette ai
fini dello stoccaggio di carbonio etc.)
Piani internazionali di controllo della deforestazione
nelle aree tropicali e delle foreste boreali
ENERGIE ALTERNATIVE AI
COMBUSTIBILI FOSSILI
Solare termico
Solare fotovoltaico
Geotermia
Idroelettrica
Eolica
Biomasse
Altro
Fissione Nucleare
Fusione nucleare
To manage the planet?
we could ,but with care, it’s the only we have!
Il rapporto isotopico dell’ossigeno (18O/16O) nei sedimenti oceanici dipende dalla temperatura dell’acqua di mare e
dal volume dei ghiacci esistenti in passato sulla Terra e delle conseguenti variazioni del livello globale degli oceani.
L'isotopo 18 dell'ossigeno è proporzionalmente meno abbondante nei ghiacci polari che nell'acqua degli oceani. Di
conseguenza, quando si formano calotte di ghiaccio sui continenti, l'acqua degli oceani e i gusci degli organismi che
si depositano sui fondali risultano arricchiti di ossigeno 18. Quanto più è elevata la concentrazione di 18O misurata in
uno strato sedimentario, tanto maggiore era la quantità di ghiaccio continentale al momento della deposizione di
quel sedimento. Gli stadi delle oscillazioni del rapporto isotopico dell’ossigeno sono numerati progressivamente dal
più giovane al più vecchio e sono caratterizzati da numeri dispari per i periodi “caldi” e da numeri pari per i periodi
“freddi”. La Figura mostra la variazione del rapporto 18O/16O durante gli ultimi 900mila anni e l’alternanza di periodi
glaciali e interglaciali.
391,2
Il contributo di CO2
100-400g/km
UN’AUTO
300-400 l/d
1980 g/mc
UN UOMO
UNA MUCCA
700-800 lCH4/d
714g/mc
Effetto serra e gas climalteranti
360
350
CO2
340
330
320
310
CFC
1975
1980
1985
1990
350
310
270
CH4
1960 1965 1970
1978
1994
1.65
1.6
1.55
1.5
1978
1985
320
N2O
310
300
290
1979
1986
Responsabilità di ciascun gas
CONCENTRAZIONE AL 1990 INCREMENTO ANNUALE %
CO2
CH4
CFC 11-12
N2O
O3
353 ppm
1.72 ppm
0.28-0.484 ppm
0.31 ppm
Trop. 0.02-0.1 ppm
0.04
1.01
5
0.02
incerto
SCHERMO RADIANTE
(RIFERITO AD UNA MOLECOLA DI CO2)
1
25-32
16000-19000
150-250
2000
TEMPI DI PERMANENZA
(ANNI)
100
10
65-130
150
0.01-0,5
Potenziale riscaldamento globale
CO2
CH4
N2O
CFC 11
CFC 12
20 anni
1
63
270
4500
7100
100 anni
1
21
290
3500
7300
500 anni
1
9
190
1500
4500
Responsabili dell’effetto serra
•
•
•
•
•
•
Vapore d’acqua
Anidride carbonica
Metano
CFC (e nuove formulazioni)
Protossido di azoto
Particolato (albedo vs riflessione IR)