Informacija

1.1: Atmosferos ir klimato reguliavimas – biologija

1.1: Atmosferos ir klimato reguliavimas – biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Gyvybė žemėje atlieka lemiamą vaidmenį reguliuojant žemės fizines, chemines ir geologines savybes – nuo ​​įtakos atmosferos cheminei sudėčiai iki klimato keitimo.

Maždaug prieš 3,5 milijardo metų ankstyvosios gyvybės formos (daugiausia cianobakterijos) padėjo sukurti deguonies prisotintą atmosferą per fotosintezę, paimdamos iš atmosferos anglies dioksidą ir išskirdamos deguonį (Schopf 1983; Van Valen 1971). Laikui bėgant šie organizmai pakeitė atmosferos sudėtį, padidindami deguonies lygį ir atvėrė kelią organizmams, kurie naudoja deguonį kaip energijos šaltinį (aerobinis kvėpavimas), sudarydami atmosferą, panašią į esamą šiandien.

Anglies ciklai planetoje tarp sausumos, atmosferos ir vandenynų vyksta derinant fizinius, cheminius, geologinius ir biologinius procesus (IPCC 2001). Vienas iš pagrindinių būdų, kaip biologinė įvairovė daro įtaką žemės atmosferos sudėčiai, yra jos vaidmuo anglies cikle vandenynuose, didžiausiame anglies rezervuare planetoje (Gruberis ir Sarmiento, spaudoje). Savo ruožtu atmosferos anglies sudėtis daro įtaką klimatui. Fitoplanktonas (arba mikroskopiniai jūros augalai) vaidina pagrindinį vaidmenį reguliuojant atmosferos chemiją, fotosintezės metu paverčiant anglies dioksidą organine medžiaga. Ši anglies prisotinta organinė medžiaga tiesiogiai arba netiesiogiai (po to, kai buvo sunaudota) nusėda giliuose vandenynuose, kur išbūna šimtmečius ar net tūkstančius metų, veikdama kaip pagrindinis anglies rezervuaras planetoje. Be to, anglis taip pat pasiekia giliuosius vandenynus per kitą biologinį procesą – susidaro kalcio karbonatas, pagrindinis dviejų jūrų organizmų grupių – kokolitoforidų (fitoplanktono) ir foraminiferos (vienaląsčių, lukštentų organizmų, kurių gausu) – kriauklių sudedamoji dalis. daugelyje jūrų aplinkų). Kai šie organizmai miršta, jų apvalkalai grimzta į dugną arba ištirpsta vandens stulpelyje. Šis anglies judėjimas per vandenynus pašalina anglies perteklių iš atmosferos ir reguliuoja žemės klimatą.

Per pastarąjį šimtmetį žmonės pakeitė atmosferos sudėtį, išskirdami daug anglies dioksido. Manoma, kad šis anglies dioksido perteklius kartu su kitomis „šiltnamio efektą sukeliančiomis“ dujomis šildo mūsų atmosferą ir keičia pasaulio klimatą, o tai sukelia „globalinį atšilimą“. Daug diskutuojama apie tai, kaip į šiuos pokyčius reaguos natūralūs procesai, pavyzdžiui, anglies ciklas per fitoplanktoną vandenynuose. Ar padidės fitoplanktono produktyvumas ir taip sugers papildomą anglį iš atmosferos? Naujausi tyrimai rodo, kad natūralūs procesai gali sulėtinti anglies dioksido padidėjimą atmosferoje, tačiau abejotina, ar žemės vandenynai ar miškai gali absorbuoti visą papildomą anglies kiekį, kurį išskiria žmogaus veikla (Falkowski ir kt., 2000). .


1.1: Atmosferos ir klimato reguliavimas – biologija

Per visą savo ilgą istoriją Žemė vėl ir vėl šildė ir atvėso. Klimatas pasikeitė, kai planeta gavo daugiau ar mažiau saulės šviesos dėl subtilių orbitos poslinkių, keičiantis atmosferai ar paviršiui arba kai kinta Saulės ir saulės energija. Tačiau per pastarąjį šimtmetį Žemės klimatui įtakos pradėjo kita jėga – žmonija.

(NASA astronauto nuotrauka ISS022-E-6674.)

Kas yra visuotinis atšilimas?

Visuotinis atšilimas yra neįprastai spartus vidutinės Žemės paviršiaus temperatūros padidėjimas per pastarąjį šimtmetį, visų pirma dėl šiltnamio efektą sukeliančių dujų, kurias išskiria žmonės degindami iškastinį kurą.

Kaip šiandieninis atšilimas lyginamas su praeities klimato kaita?

Žemė praeityje patyrė klimato pokyčius be žmonijos pagalbos. Tačiau dabartinis klimato atšilimas vyksta daug greičiau nei buvę atšilimo įvykiai.

Kodėl mokslininkai mano, kad dabartinis atšilimas nėra natūralus?

Žemės ir žemės istorijoje iki pramonės revoliucijos Žemės klimatas pasikeitė dėl natūralių priežasčių, nesusijusių su žmogaus veikla. Šios natūralios priežastys tebėra aktualios ir šiandien, tačiau jų įtaka per maža arba vyksta per lėtai, kad paaiškintų pastaraisiais dešimtmečiais pastebėtą spartų atšilimą.

Kiek dar Žemė sušils?

Modeliai prognozuoja, kad pasauliui vartojant vis daugiau iškastinio kuro, šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracija ir toliau didės, o kartu su jomis kils ir vidutinė Žemės paviršiaus temperatūra. Remiantis tikėtinais emisijų scenarijais, vidutinė paviršiaus temperatūra iki XXI amžiaus pabaigos gali pakilti nuo 2°C iki 6°C. Dalis šio atšilimo įvyks, net jei ateityje šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisija bus sumažinta, nes Žemės sistema dar nėra visiškai prisitaikiusi prie aplinkos pokyčių, kuriuos jau padarėme.

Kaip Žemė reaguos į šylančią temperatūrą?

Visuotinio atšilimo poveikis yra daug didesnis nei tik didėjančios temperatūros poveikis. Atšilimas keičia kritulių modelius, sustiprina pakrančių eroziją, pailgina auginimo sezoną kai kuriuose regionuose, tirpdo ledynus ir ledynus bei keičia kai kurių infekcinių ligų paplitimą. Kai kurie iš šių pokyčių jau vyksta.

Nuorodos ir susiję šaltiniai


1.1: Atmosferos ir klimato reguliavimas – biologija

Biologinė įvairovė daro įtaką klimatui vietiniu, regioniniu ir pasauliniu lygiu, tačiau daugumoje klimato modelių į biologinę įvairovę neatsižvelgiama, nes jos kintamieji ir poveikis yra pernelyg įvairūs ir sudėtingi, kad juos būtų galima apskaičiuoti. Tačiau du naujausi tyrimai rodo, kaip svarbu atsižvelgti į augmenijos reakciją į padidėjusį anglies dioksido kiekį klimato modeliuose, kai bandome numatyti savo klimato ateitį.

Nuotraukų kreditas: Davidas Darricau

Carnegie mokslo instituto mokslininkai nustatė, kad tiesioginis anglies dioksido poveikis augmenijai prisideda prie visuotinio atšilimo. Per savo lapuose esančias poras, vadinamas stomata, augalai iš atmosferos pasiima anglies dvideginį, kurį naudoja fotosintezei. Tada jie išskiria vandenį per stomatą, vadinamą evapotranspiracija, kuri vėsina augalą taip, kaip prakaitas vėsina žmones. Evapotranspiracija taip pat atvėsina aplinkinį orą – karštą dieną medis gali išsiskirti iki dešimties galonų vandens. Tačiau kai anglies dioksido lygis didėja, augalų stomatos susitraukia, į orą išleidžiama mažiau vandens ir sumažėja vėsinimo efektas.

Carnegie mokslininkai Long Cao ir Ken Caldeira padvigubino anglies dioksido kiekį savo modelyje ir nustatė, kad visame pasaulyje dėl sumažėjusios garavimo 16 procentų žemės atšilo, o likusią dalį lėmė CO2 šilumą sulaikantis poveikis. Šiaurės Amerikoje ir Azijoje daugiau nei 25 procentai atšilimo įvyko dėl padidėjusio CO2 poveikio augmenijai. „Nebėra jokių abejonių, kad anglies dioksidas sumažina augalų išgaravimo aušinimą ir kad šis sumažėjęs vėsinimas prisideda prie visuotinio atšilimo“, – sakė Cao. “Šis poveikis sukeltų didelį atšilimą, net jei anglies dioksidas nebūtų šiltnamio efektą sukeliančios dujos.”

Kitas padvigubėjusio CO2 poveikis yra padidėjęs nuotėkis iš žemės, nes daugiau kritulių apeina augalo garavimo sistemą ir patenka tiesiai į upelius ir upes.

Carnegie tyrime nebuvo atsižvelgta į kitus padidėjusio anglies dioksido poveikio padarinius, tokius kaip lapų ploto padidėjimas, vegetatyvinio pasiskirstymo pokyčiai ir dėl to atsirandantys albedo pokyčiai (Žemės paviršių atspindėjimas, turintis įtakos saulės spinduliuotės absorbcijai). Šie aspektai buvo užfiksuoti jų modelyje. Tačiau jie citavo ankstesnius padidėjusio CO2 tyrimus, kurie parodė, kad vėsinimas dėl padidėjusio lapų ploto turėjo bendrą žemę vėsinantį poveikį, o albedo sumažėjimas dėl spygliuočių miškų plėtros lėmė žemės atšilimą.

„Šie rezultatai iš tikrųjų rodo, kad tai, kaip augalai reaguoja į anglies dioksidą, yra labai svarbu norint gerai prognozuoti klimatą“, - sakė Caldeira. „Taigi, jei norime pagerinti klimato prognozes, turime pagerinti sausumos augalų vaizdavimą klimato modeliuose.

Naujas NASA tyrimas, kuriame buvo atsižvelgta į augalų augimą, parodė, kad padvigubėjus CO2 kiekiui, atsiranda vėsinimo efektas. Modelis, kurį naudojo Lahouari Bounoua iš Goddardo kosminių skrydžių centro Greenbelt, Md., buvo novatoriškas nagrinėjant reakciją, kurią augalai turi padidinti CO2, vadinamą „žemyn reguliavimu“. Sumažėjęs reguliavimas yra procesas, leidžiantis augalams efektyviau naudoti vandenį ir maistines medžiagas, kai padidėja CO2, kad jie galėtų išlaikyti ankstesnį fotosintezės lygį, o tai galiausiai gali paskatinti lapų augimą.

Padidėjęs lapų plotas lėmė daugiau garavimo visame pasaulyje, todėl atsirado vėsinimo efektas. Atvėsinimo lygis tyrime buvo –0,6 laipsnio C (-1,1 F) virš žemės, palyginti su modeliais, kuriuose nebuvo sumažinto reguliavimo.

Tačiau Bounoua pabrėžė, kad atšalimo nepakako, kad būtų kompensuojamos prognozuojamos atšilimo tendencijos.

Klimato modeliuose paprastai atsižvelgiama į CO2 padvigubėjimą, kad būtų imituojamas visuotinis atšilimas, ir mokslininkai paprastai sutinka, kad pagal šį scenarijų temperatūra padidėtų nuo 2 iki 4,5 laipsnių C (3,5–8,0 F). Bounoua modelis nustatė 1,94 laipsnio C atšilimą visame pasaulyje, neįtraukus žemesnio reguliavimo. Temperatūros diapazonas atsiranda dėl nežinomų duomenų apie įvairius „atsiliepimus“, t. y. kaip įvairios Žemės sistemos, pvz., debesys, augalų augimas, metano išsiskyrimas, vandens ciklas, albedas ir kt., gali reaguoti į atšilimą ir sąveikauti viena su kita.

Bounoua ir jos kolegos taip pat ištyrė, kaip augalų augimą skatina aukštesnė temperatūra, padidėję krituliai kai kuriose vietose ir augalai efektyviau naudoja vandenį ir maistines medžiagas, kai CO2 padvigubėja. Rezultatai rodo, kad ilgainiui augmenijos padidėjimas dėl padidėjusio CO2 kiekio gali sumažinti temperatūrą, kai CO2 lygis stabilizuosis.

„Kai sužinome daugiau apie tai, kaip šios sistemos reaguoja, galime sužinoti daugiau apie tai, kaip keisis klimatas“, – sakė tyrimo bendraautorius Forrestas Hallas. “Kiekvienais metais tampame vis geresni ir geresni.

Nauji klimato modeliai kuriami atsižvelgiant į dinamišką pasaulinę augmeniją, leidžiančią augalų tipams sąveikauti su klimatu, ir ekosistemų demografiją, kuri atspindi, kaip įvairių augalų bendruomenės laikui bėgant gali reaguoti į klimato kaitą.


Laikas pokyčiams

JAV laipsnišką panaikinimą palaiko abi pagrindinės politinės partijos, o nauji šaldytuvai ir oro kondicionieriai jau yra pakaitalų. Vienas pakaitalas, kuris jau yra daugelyje šaldytuvų modelių, yra izobutanas. Pramonėje žinomas kaip R-600a, jis yra nebrangus, beveik neturi ozono sluoksnio ardymo potencialo ir turi nedidelį visuotinio atšilimo potencialą (trys vietoj R-134a 1 430). Gamintojai jau pradėjo pereiti prie naujojo šaltnešio.

Tačiau perėjimas užtruko dešimtmečius ilgiau nei reikėjo. Didžiosios chemijos įmonės, tokios kaip „DuPont“, gaminančios CFC, kovojo su CFC reglamentais, kol įmonės paruošė ir patentavo pakaitinius HFC, o „Inside Climate News“ ataskaita rodo, kad jos taip pat stengėsi sulėtinti HFC laipsnišką atsisakymą. Izobutanas yra pigus, nepatentuojamas ir plačiai prieinamas – jis dažniausiai žinomas kaip stovyklavietės krosnių kuras.

Beveik prieš dešimtmetį izobutanas ir kiti angliavandenilių šaltnešiai atrodė tinkami naudoti rinkoje. 2011 m. „Underwriters Laboratories“ (UL) leido naudoti šaltnešius, o netrukus po to sekė EPA. Tačiau tada UL sumažino jų ribas, nurodydama gaisro pavojų, jei angliavandenilių šaltnešiai nutekėtų mažoje patalpoje, kurioje taip pat yra atvira liepsna, pavyzdžiui, iš dujinio vandens šildytuvo. Kiti ekspertai teigė, kad pakeitimas buvo nepagrįstas ir kad UL gaisro rizikos scenarijus buvo labai mažai tikėtinas. Tačiau 2017 m. UL vėl padidino ribą, o EPA sekė. Prietaisai, kuriuose naudojamas izobutanas, pradėjo plisti į rinką.

Galų gale gaisro problema gali būti ginčytina, nes kai kurios bakalėjos parduotuvės pradėjo naudoti anglies dioksidą kaip šaltnešį. Nors reikia didesnio slėgio visoje aušinimo sistemoje, anglies dioksidas nekenkia ozono sluoksniui. Ir jo globalinio atšilimo potencialas? Vienas.


Pasaulinės klimato kaitos įrodymai

Kadangi mokslininkai negali grįžti į praeitį, norėdami tiesiogiai išmatuoti klimato kintamuosius, tokius kaip vidutinė temperatūra ir krituliai, jie turi netiesiogiai matuoti temperatūrą. Norėdami tai padaryti, mokslininkai remiasi istoriniais praeities Žemės klimato įrodymais.

Antarkties ledo šerdys yra pagrindinis tokių įrodymų pavyzdys. Šios ledo šerdys yra poliarinio ledo pavyzdžiai, gauti naudojant gręžtuvus, kurie pasiekia tūkstančius metrų į ledo lakštus arba aukštų kalnų ledynus. Ledo šerdžių stebėjimas yra tarsi kelionė atgal laiku, kuo gilesnis mėginys, tuo ankstesnis laikotarpis. Lede įstrigę oro burbuliukai ir kiti biologiniai įrodymai, galintys atskleisti temperatūros ir anglies dioksido duomenis. Antarkties ledo šerdys buvo renkamos ir analizuojamos siekiant netiesiogiai įvertinti Žemės temperatūrą per pastaruosius 400 000 metų ([nuoroda]a). 0 °C šioje diagramoje reiškia ilgalaikį vidurkį. Aukštesnė nei 0 °C temperatūra viršija ilgalaikę vidutinę Žemės temperatūrą. Ir atvirkščiai, žemesnė nei 0 °C temperatūra yra mažesnė už vidutinę Žemės temperatūrą. Šis paveikslas rodo, kad buvo periodiniai temperatūros didėjimo ir mažėjimo ciklai.

Iki 1800-ųjų pabaigos Žemėje buvo net 9 °C vėsiau ir maždaug 3 °C šilčiau. Atkreipkite dėmesį, kad [nuoroda] esantis grafikasb rodo, kad anglies dioksido koncentracija atmosferoje taip pat padidėjo ir sumažėjo periodiniais ciklais, pažymėkite ryšį tarp anglies dioksido koncentracijos ir temperatūros. [nuoroda]b rodo, kad anglies dioksido lygis atmosferoje istoriškai svyravo nuo 180 iki 300 dalių milijonui (ppm) pagal tūrį.


[nuoroda]a neparodo pastarųjų 2000 metų pakankamai detaliai, kad būtų galima palyginti Žemės temperatūros pokyčius per pastaruosius 400 000 metų su temperatūros pokyčiais, įvykusiais tolimesnėje praeityje. Per pastaruosius 2000 metų įvyko dvi reikšmingos temperatūros anomalijos arba nelygumai. Tai yra viduramžių klimato anomalija (arba viduramžių šiltasis laikotarpis) ir mažasis ledynmetis. Trečioji temperatūros anomalija atitinka pramonės erą. Viduramžių klimato anomalija įvyko 900–1300 m. Daugelio klimato mokslininkų nuomone, šiuo laikotarpiu daugelyje pasaulio vietų vyravo šiek tiek šiltesnės oro sąlygos, didesni nei vidutiniai temperatūros pokyčiai svyravo nuo 0,10 °C iki 0,20 °C virš normos. Nors neatrodo, kad 0,10 °C būtų pakankamai didelis, kad sukeltų kokių nors pastebimų pokyčių, ji išlaisvino jūrą iš ledo. Dėl šio atšilimo vikingai sugebėjo kolonizuoti Grenlandiją.

Mažasis ledynmetis buvo šaltasis laikotarpis, kuris įvyko nuo 1550 m. iki 1850 m. Per šį laiką Šiaurės Amerikoje, Europoje ir galbūt kitose Žemės vietose pastebėtas nedidelis, kiek mažesnis nei 1 °C atšalimas. Šis 1 °C pasaulinės temperatūros pokytis yra iš pažiūros nedidelis temperatūros nuokrypis (kaip buvo pastebėta Viduramžių klimato anomalijos metu), tačiau jis taip pat lėmė pastebimus pokyčius. Istoriniai pasakojimai atskleidžia išskirtinai atšiaurių žiemų su daug sniego ir šalčio laiką.

Pramonės revoliucija, prasidėjusi apie 1750 m., pasižymėjo pokyčiais didelėje žmonių visuomenės dalyje. Pažanga žemės ūkyje padidino maisto tiekimą, o tai pagerino Europos ir JAV žmonių pragyvenimo lygį. Buvo išrastos naujos technologijos, kurios suteikė darbo vietų ir pigesnių prekių. Šios naujos technologijos buvo varomos naudojant iškastinį kurą, ypač anglį. Pramonės revoliucija, prasidėjusi XIX amžiaus pradžioje, atvedė į pramonės eros pradžią. Deginant iškastinį kurą, išsiskiria anglies dioksidas. Prasidėjus pramonės erai, atmosferos anglies dvideginio kiekis pradėjo kilti ([nuoroda]).



PADĖKA

W.S. buvo remiama USDA NIFA per Minesotos žemės ūkio eksperimentų stotį (projekto Nr. MIN-13-124), Minesotos žemės ūkio departamentą (sutarties Nr. 138815), Minesotos kviečių tyrimų ir skatinimo tarybą (projektai Nr. 00070003 ir 00076909) ir Minesotos sojų tyrimų ir skatinimo taryba (projektai Nr. 00070622 ir 00078080). D.A.W. pripažįsta NSERC Discovery programos finansavimą ir Australijos nacionalinio universiteto Biologijos tyrimų mokyklos paramą. D.A.W. taip pat iš dalies parėmė Jungtinių Valstijų Energetikos departamento sutartis Nr. DE-SC0012704 su Brookhaven National Laboratory. Autoriai deklaruoja, kad nėra interesų konflikto.


Žiūrėti video įrašą: Pažinimo voratinklis: Šiltnamio efekto fizika Justinas Kilpys (Sausis 2023).