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 .... 5*« 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 hydrosféra biosféra litosféra Ty mohou být rozděleny na další podsystémy - hydrosféra = oceány, ledovce, vodní toky, podzemní voda. Solid earth Systémy Izolovaný Uzavřený Otevřený Otevřený A Isolated system B. Closed system C. Open system Sunlight Evaporation from lakes, streams and soil Sea Water from streams and groundwater flows to sea „Box" modely rychlost toků hmoty a energie za do systémů ■ celkové množství hmoty a energie v systému Systémy se obvykle zobrazují jako „box" modely (sna je jednoduchost a pohodlí. Ukazují: Rezervoáry, doba zdržení, vstupy, výstupy, stacionární stav. Velikost rezervoáru je dána celkovou bilancí (vstupy - výstupy) Čím provázanější jsou podsystémy a čím jich je víc, tím vyšší stabilita (mnoho cest, jak reagovat na vněj ší vychylování). Mnoho cyklů a cest se vzájemně překrývá. Život v uzavřeném 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 Kaliforni i 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" (příjmy a výdaje) energ ie je vyrovnaný. Pokud by nebyl, Země by se buď přehřívala nebo chladla až do dosažení rovnováhy. Short wavelength solar radiation (17.3 x 10'6 watts) -- ^ Short wavelength radiation Long wavelength radiation Ttdai energy (2 7 x lO^watts) Direct reflection (5 2 x 1016 watts) Direct conversion to heat (8 1 x IQ16 watts) Winds, ocean currents, waves, etc (0 035 > 1Q16 watts) Evaporation and precipitation (4 0 x 1016 watts)_fc Water and ice storage bank Tides, tidal currents, etc (2 7 x 1Q12 watts) Conduction (21 * 10*? watts) Submarine volcanism (11 x 10 watts) Photosynthesis (0 004 x 1016 watts) Organic matter Plant storage bank Volcanoes, hot springs on land (0 3 x 101? watts) _ Decay =F Earth s thermal energy (32 3 x 101? watts) GEOTHERMAL ENERGY Common sedimentary rocks (1026 joules) H*€OV*n»bto Thermal energy to 10 km depth (1.3 x 1027 joules) Spontaneous nuclear decay Uranium and thorium within 1 km of surface (5 x 1029 pules) Energetické vst upy 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 jak o teplo, které je opět vyzářeno v dlouho vlnné (infračervené) oblasti. Energetický cyklus Hydrologický cyklus Evaporation 3.8 X 1020 g/yr Hydrologický cyklus Cesty Odpaření (evaporace) Srážky — přímé odpaření — zachycení rostlinami — odpaření („vypoceni") — povrchový odtok — vsakování (infiltrace) — mělký oběh — rezervoár podzemní vody Rezervoáry 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 2 4 6 8 101214 5 10 15 20 25 Oxygen (parts per million) Temperature ('C) i 2 4 6 8 101214 2 4 6 8 1012 Oxygen (parts per million) Temperature ( C) Biogeochemické cykly Základní struktura ekosystému: Biotické a abiotické složky Anorganické látky — producenti (autotrofové) — konzumenti (heterotrofové) — rozkladatelé Základní reakce Syntéza CO2 + H2O + energie — CH2O + O2 Dýchání, rozklad CH2O + O2 — CO2 + H2O + energie Biogeochemické cykly biogeochemické cykly popisují pohyb chemických prvků a sloučenin mezi propojenými biologic kými a geologickými systémy biologické procesy jako dýchání, fotosyntéza a tlení působí vtěsném spojení s nebiologický mi procesy jako jsou zvětrávání, vznik půdy, sedi mentace 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 zdůležitých cyklů chybí? Biogeochemické cykly Cyklus uhlíku Cyklus uhlíku 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 CO2 a karbonátové látky Atmosféra: CO2, CH4 ...); CO2 0,036 % Největším rezervoárem uhlíku jsou oceánské a pevninské sedimenty. 56 55 CO2 fertilization 1-3? Deforestation 1-3? 60 Litter 60 =r-i Biosphere 120 60 563 and ocean surface biota 180 Peat <1 1400 Soil 11400 Clathrates 90 5000 Fossil fuel _ 36 40 92-93? 725 Surface ocean (inorganic 700, organic 25) 40 39 38000 Deep ocean (inorganic 37000, organic 1000) Člověk do atmosféry 6 miliard tun ročně spalováním fosilních paliv kolem 2 miliard tun ročně odlesňováním (dva důsledky: místo přirozené spotřeby CO2 z atmosféry produkce CO2 do atmosféry) 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. Cyklus dusíku Aminokyseliny jsou důležitými sloučeninami všech živých organismů (-NH2 skupiny; bílkoviny). Dusík ve třech formách plynný jako prvek N2 v redukované podobě jako amoniak v oxidované podobě jako dusičnanový NO3- i on Pouze jako redukovaný se Člověk zúčastňuje biochemických spalování paliv (vznik NO za vysokých teplot z N2 a O2), ten se dále oxiduje na NO2 , , K. <>„,,, „, k k v 2 j 2 reakci. N2 nemůže být přímo 2 a s vodou tvoří HNO3 (kyselý déšť) N2O (skleníkový plyn) uvolňován bakteriemi ze zemědělských odpadů uvolňování z půdy zavlažováním, vypalováním pralesů využíván organismy. Největším rezervoárem dusíku je atmosféra -78 % hnojení a komunální odpad (—řasy) Cyklus dusíku Cyklus síry Většina síry vázána minerálně (pyrit, sádrovec). H2S a SO2 uvolňován z aktivních vulkánů rozkladem organické hmoty DMS (dimethylsulfoxid) uvolňován do atmosféry planktonem Člověk kolem 1/3 z celkového množství síry do atmosféry (99 % SO2) spalování fosilních paliv (2/3) zpracování ropy, minerálních zdr ojů Cyklus fosforu Phosphate fertilizers weathering Phosphate in plants Phosphate in rocks, fossils, guano H Inorganic phosphate dissolved in soil, rivers, etc )h1 over geologic time Phosphate in ocean sediments Decomposers runoff to oceanfe ji Wastes and remain* (bones, shells, etc.) zu Důležitá složka přenašečů ATP) DNA RN energie (ADP, fosfor se jen pomalu uvolňuje (apatit ...) z hornii nevstupuje je většinou faktore do atmosféry limitujícím růstu rostlin Člověk hnojiva a zemědělsk odpad prací prostředky a komunální Cyklus kyslíku Horninový cyklus Poháněný geotermální energií (?): teplo je vedeno kondukcí a konvekcí (konvektivní buňky). Povrch planety je tvořen te nounkou křehkou 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 p ohybují 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 Horninový cyklus Crustal circuit Solar energy Vkůře 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).