Globalne zmiany klimatu
advertisement
Globalne zmiany środowiska dr inż. Danuta J. Michczyńska Wykład 2 Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 2 FIZYCZNY SYSTEM KLIMATU Zmiana klimatu Dynamika oceanów Energia i wilgotność kontynentów Globalna wilgotność Biogeochemia oceanów Gleby Ekosystemy lądowe Chemizm troposfery Działalność człowieka Dynamika i chemizm stratosfery Fizyka - dynamika atmosfery Gazy cieplarniane Użytkowanie ziemi Zanieczyszczenia / gazy cieplarniane BIOGEOCHEMICZNE OBIEGI MATERII Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 3 Zasadnicze cechy systemu klimatycznego Fizyczne, chemiczne i biologiczne procesy zachodzą w szerokim spektrum skal czasowych i przestrzennych. Poszczególne komponenty systemu mogą podlegać różnym prawom, ale są wzajemnie zależne i ich ewolucja nie może być w pełni zrozumiana gdy są rozpatrywane oddzielnie. System jest otwarty. Ta otwartość tkwi przede wszystkim w fakcie, że Ziemia otrzymuje energię od Słońca, a pomiędzy elementami systemu przekazywana jest energia i materia. Otwartość systemu skutkuje w ciągłym wzajemnym przystosowywaniu się i złożonych oddziaływaniach pomiędzy komponentami systemu. Wzajemne oddziaływania są w większości nieliniowe. Wszystkie elementy znajdują się w stanie równowagi dynamicznej Stabilizacja - uzyskiwana dzięki ujemnym sprzężeniom zwrotnym. Natomiast dodatnie sprzężenia zwrotne są głównym czynnikiem zmian środowiska. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 4 Środowisko jako system dynamiczny Komponenty systemu oddziałują ze sobą w różny sposób w zależności od skali czasu: Składowe szybkie (godziny – tygodnie) – związane przede wszystkim z atmosferą. Składowa średniookresowa (sezon – rok – kilka lat) – cykle wegetacyjne, prądy oceaniczne napędzane wiatrem, zmiany zasolenia, SST. Składowa długookresowa (dziesiątki – setki lat i dłużej) – cyrkulacja termohalinowa, formowanie głębokiej wody oceanów, zmiana szaty roślinnej, bilans masy lodowców i lądolodów. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 5 Środowisko jako system dynamiczny http://esapub.esrin.esa.it/eoq/eoq63/theme2.pdf Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 6 Skale czasowe Pogoda i klimat ulegają ciągłym zmianom – od powolnych, dostrzegalnych w długich przedziałach czasu do nagłych i dramatycznych. Co jest przyczyną tych zmian? Środowisko, w którym żyjemy ulega ciągłym zmianom na skutek naturalnych i antropogenicznych przyczyn. Naturalne zmiany środowiska zawsze były obecne w historii Ziemi, często pojawiały się cyklicznie. Natomiast zmiany wywoływane działalnością człowieka stały się znaczące w ostatnich kilku stuleciach. Populacja ludzi rośnie –> antropogeniczne zmiany środowiska również będą rosły. Najlepszą drogą zobaczenia jak zmienia się środowisko jest porównanie jego obecnego stanu i stanu w przeszłości. Jest to możliwe dzięki występowaniu naturalnych zjawisk, które są zależne od klimatu, i których zapis zachował się do czasów współczesnych (dane pośrednie – proxy data). Kluczem do zrozumienia zmian globalnych jest przede wszystkim zrozumienie czym jest klimat i jak działa. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 7 Klimat a pogoda Klimat to średni stan środowiska w określonym miejscu i czasie. Obejmuje średnie wartości szeregu zmiennych pogodowych, takich jak: wiatr, temperatura, opady, wilgotność, zachmurzenie, ciśnienie, widoczność i jakość powietrza. Klimat określonego miejsca można zdefiniować jako średnią (zwykle 30-letnią) pogody. Klimat można określić ilościowo przez obliczenie długookresowych średnich różnych elementów pogody Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 8 Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 9 The Climate Time Line http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/ Rysunek uproszczony, nie uwzględnia wzajemnych relacji pomiędzy zjawiskami pojawiającymi się w różnych skalach czasowych. Oś Y – względna zmienność, ale nie oparta na formalnych pomiarach (zmienność – zakres wartości pomiędzy minimum a maksimum). Generalnie: Im krótsza skala czasu – tym w skali przestrzennej większy lokalny wpływ; im dłuższa skala czasu – tym w skali przestrzennej większy globalny wpływ. Np. pogoda (zmienność w przedziale czasowym godziny – tygodnie) może zmieniać się na poziomie lokalnym. Natomiast procesy klimatyczne takie jak wymuszenie orbitalne mogą zmieniać klimat całej planety. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 10 Changes in Earth's climate at different time scales. Image from: Ruddiman, W. F., 2001. Earth's Climate past and future. W.H. Freeman & Sons, New York (http://www.ngdc.noaa.gov/paleo/ctl/about7.html) Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 11 Linia czasu Materiały drukowane Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 12 Kadr z filmu „The day after” Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 13 Kadr z filmu ”The day after” Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 14 Pytania Czy możliwa jest taka/tak gwałtowna zmiana klimatu jak pokazana w filmie „The day after”? Czy tego typu zmiany miały miejsce w przeszłości? Jak znaleźć odpowiedź na to pytanie? Jakie są przyczyny zmian klimatu? Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 15 Historia poznawania zmienności środowiska Obserwacje: Występujące w wielu miejscach Ziemi nagromadzenia okruchów skalnych, żwirów, piasku i gliny początkowo kojarzono jednoznacznie ze śladami biblijnego potopu. Skąd jednak obecność ogromnych głazów narzutowych na terenach bardzo odległych od skał macierzystych takich głazów? Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 16 Historia poznawania zmienności środowiska Sir Charles Lyell 1797 - 1875 Jean Louis Agassiz 1807-1873 William Buckland 1784-1856 Globalne Zmiany Środowiska Teoria dyluwialna (Wielkiego Potopu) 1830-1833 (Principles of Geology) ogromne głazy występujące w glinie – głazy uwolnione z topniejących gór lodowych, które dryfowały podczas Wielkiego Potopu Teoria zlodowaceń schyłek XVIII wieku – na podstawie obserwacji głazów narzutowych James Hutton formułuje hipotezę, że były one transportowane przez lodowce 1837 – Jean Luis Agassiz przedstawia teorię zlodowaceń; 1840 William Buckland stwierdza, że ani teoria potopu, ani dryf gór lodowych nie mogą wytłumaczyć zjawiska głazów narzutowych i przyjmuje teorię Agassiza. Wykład 2 str. 17 Obserwacje Agassiza i Charpentiera Morena boczna Gorner Glacier, Zermatt, Switzerland Dzięki temu, że w strefie kontaktu lodowiec – podłoże występują wody roztopowe lodowiec może przemieszczać się. Woda spełnia rolę smaru. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 18 Ślady działalności lodowców / lądolodu Moreny boczne i czołowa, Bylot Island, Canada Charakterystyczne żłobkowanie podłoża skalnego jako rezultat przesuwającego się lodowca http://earthobservatory.nasa.gov/St udy/Paleoclimatology/ Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 19 Historia poznawania zmienności środowiska 1859 – Karol Darwin w swoim dziele „O powstawaniu gatunków” wskazuje na związki pomiędzy zmiennością gatunków i środowiska. koniec XIX wieku – Jamieson wykazał, że następują wahania poziomu morza; Archibald Geikie wystąpił z ideą wielokrotnych zlodowaceń 1909 – Albrecht Penck i Eduard Bruckner rozpoznali w szeregach tarasów alpejskich formy polodowcowe powstałe w następstwie oscylacji ciepłych i chłodnych faz klimatu. Ugruntowanie się teorii zlodowaceń. 1920-1940 Milutin Milankowic odświeżył XIX-wieczną teorię James’a Croll, sugerującą, że zmiany ekscentryczności orbity ziemskiej mogą być przyczyną powstawania zlodowaceń. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 20 Zasięg ostatniego zlodowacenia http://earthobservatory.nasa.gov/Study/Paleoclimatology/ Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 21 Ślady działalności lądolodu na terenie Polski Głaz narzutowy Szwedzki Kamień” w Szczecińskim Parku Krajobrazowym „Puszcza Bukowa” Globalne Zmiany Środowiska Głazy narzutowe „Trojaczki”, Tarnów. Przywleczone zostały ze Skandynawii przez lądolód 500 tys. lat temu, w czasie zlodowacenia południowo-polskiego. Skała, z której są zbudowane głazy, to jasnoszary i różowy granitoid Arno o wieku ok. 1,8 - 1,9 miliarda lat. Występuje on w środkowej Szwecji, 40 km na zachód od Sztokholmu, a więc głazy te wtopione w lądolód przebyły do nas drogę liczącą ponad 1000 km. Wykład 2 str. 22 Na terenie Polski wyróżnia się co najmniej trzy zlodowacenia: - południowopolskie (Sanu) – zwane też krakowskim; - środkowopolskie (Odry); - północnopolskie (Wisły) – bałtyckie. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 23 Stratygrafia Stratygrafia - dział geologii historycznej zajmujący się ustalaniem wieku i przyczyn rozmieszczenia skał w skorupie ziemskiej. Twórcą stratygrafii był angielski inżynier William Smith, który w 1795 roku odkrył podczas budowy kanałów, że w warstwach skalnych są obecne charakterystyczne dla nich skamieniałości, które pozwalają te warstwy identyfikować i określać ich wiek geologiczny. Stratygrafia przyczyniła się m.in. do rozwoju badań paleontologicznych. Dopiero jednak rozwój znacznie bardziej precyzyjnej geochemii pierwiastków promieniotwórczych umożliwił wyznaczenie wieku skał w latach. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 24 Stratygrafia – cd. Do podstawowych metod wykorzystywanych przez stratygrafię należą: litostratygrafia (wykorzystująca właściwości fizyczne i chemiczne skał) biostratygrafia (wyróżniająca jednostki skalne na podstawie znajdowanych w nich skamieniałości) chronostratygrafia (porządkująca skały na podstawie ich wieku) Obecny podział chronostratygraficzny czasu geologicznego można znaleźć na stronie Międzynarodowej Komisji Stratygraficznej - The International Commission on Stratigraphy http://www.stratigraphy.org Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 25 Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 26 Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 27 Podział chronostratygraficzny Globalne Zmiany Środowiska Miliony lat Wykład 2 str. 28 Kenozoik E p o k a P a l e o g e n Wiek mln lat) Zarys paleogeografii 65 Rozszerzały się Oceany Atlantycki i Indyjski, zmniejszały Oceany Tetydy i Spokojny; subkontynent indyjski zderzył się z Azją, a Australia oderwała się od Antarktydy; zbliżanie się lądów Afryki i Europy spowodowało wypiętrzanie się łańcuchów górskich, wskutek ruchów górotwórczych orogenezy alpejskiej; rozczłonkowanie lądów wpłynęło na aktywniejszą cyrkulację wód oceanicznych, czego efektem było ochłodzenie się klimatu; na Antarktydzie rozwinęła się pokrywa lodowa. Globalne Zmiany Środowiska Świat roślinny Świat zwierzęcy Szybki rozwój roślin okrytonasiennych; szczytowy rozwój zielenic z rodziny Dasycladaceae. W morzach szeroko rozpowszechnione były otwornice (gł. numulity), koralowce, mięczaki (gł. ślimaki i małże), a ze szkarłupni - jeżowce i liliowce; w środowisku lądowym bardzo szybka radiacja ssaków (m.in. koniowate, trąbowce, naczelne), które zajmowały opuszczone po wymarłych gadach nisze ekologiczne. Wykład 2 str. 29 Kenozoik – cd. E p o k a n e o g e n Wiek mln lat) Zarys paleogeografii 22,5 Ostateczne zamknięcie Oceanu Tetydy, a dalsze zbliżanie się Afryki i Europy spowodowało wydźwignięcie się wielu łańcuchów górskich (np. Kaukazu, Alp, Karpat, Pirenejów, Gór Betyckich, Atlasu); od Afryki oddzielił się blok Arabii; nastąpiło połączenie Ameryki Pn. z Pd.; zbliżony do dzisiejszego (lub niewiele cieplejszy) klimat, z końcem neogenu uległ wyraźnemu ochłodzeniu będącemu zapowiedzią zbliżającej się epoki lodowcowej. Globalne Zmiany Środowiska Świat roślinny Świat zwierzęcy Powszechne panowanie roślin okrytonasiennych; wyodrębnianie się wielkich zbiorowisk roślinnych tzw. geoflor trzeciorzędowych. Szybka radiacja adaptatywna wśród ssaków łożyskowych, które opanowały wszystkie nisze ekologiczne i prawie wszędzie (poza Australią) całkowicie wyparły stekowce; ewolucja ssaków drapieżnych; pojawiły się pierwsze małpy człekokształtne. Wykład 2 str. 30 Kenozoik – cd. E p o k a P l e j s t o c e n Wiek mln lat) Zarys paleogeografii Świat roślinny Świat zwierzęcy 1,8 Ukształtował się zbliżony do dzisiejszego rozkład lądów i oceanów; silne ochłodzenie klimatu; w połowie plejstocenu nastąpiło wielkie kontynentalne zlodowacenie; w związku z tym kilkakrotnie zmianom ulegał poziom oceanu światowego. Zmiany w rozkładzie szaty roślinnej na świecie, związane ze zmianami klimatu i zlodowaceniami; przesuwały się strefy roślinne, np. kurczyły się wilgotne lasy równikowe, które ulegały rozdzieleniu na niewielkie wyspy-ostoje (tzw. refugia); następowały migracje całych flor; na niektórych obszarach znaczna ich część wymierała. Żyły, wymarłe już dziś, zwierzęta zasiedlające strefę tundrową wokół lądolodów (m.in. nosorożce włochate, mamuty, tygrysy szablozębne, hieny i niedźwiedzie jaskiniowe); pojawiły się formy ludzkie m.in. neandertalczyk (Homo sapiens neanderthalensis), a pod koniec epoki człowiek rozumny. Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 31 Kenozoik – cd. E p o k a H o l o c e n Wiek mln lat) Zarys paleogeografii Świat roślinny Świat zwierzęcy 0,01 Ukształtował się obecny rozkład lądów i mórz, po zmianach poziomu morza wywołanych zlodowaceniem; trwały fałdowania i ruchy wypiętrzające na obszarach młodych gór i dzisiejszych strefach subdukcji, nastąpiły zmiany klimatu wywołane działalnością człowieka. Szybki rozwój istniejących zbiorowisk roślinnych; zmiany w poszczególnych zbiorowiskach wywołane działalnością człowieka wycinanie wilgotnych lasów równikowych, eksploatacja lasów strefy umiarkowanej, niszczenie roślinności stref suchych powodujące przesuwanie się granic pustyni; wskutek tych działań wymierają pojedyncze gatunki roślin. Świat opanował człowiek rozumny (Homo sapiens sapiens), który szeroko rozprzestrzenił się na wszystkie lądy; udomowienie kilkudziesięciu gatunków zwierząt (m.in. kury, świnie, krowy, psy); w związku z przemianami siedlisk życia zwierząt i nieracjonalną gospodarką człowieka wymierają liczne gatunki (m.in. tur, dodo, krowa morska). Globalne Zmiany Środowiska Wykład 2 str. 32
