Geochemie Geochemie studuje zastoupení a změny v zastoupení chemických prvků v jednotlivých částech Země (a v širším pohledu v celém Vesmíru - kosmochemie). Josef Zeman Přehled témat ■ Stavba hmoty ■ Vznik vesmíru ■ Sluneční soustava ■ Izotopy a jejich využití v geologii ■ Krystalochemie ■ Principy změn v přírodních systémech ■ Stabilita a procesy ■ Biogeochemické cykly a životní prostředí Stavba hmoty Struktura hmoty rozměr částice škála v rozměrech e~ 7á ^Ě 100 000 000 10-1° m atom L_3 á S W\ 10 000 10-i4m jádro i 10-i5m proton, neutron © 1 000 <10"18m kvark, elektron [ ^ZM 1 Elementární částice Označení, náboj a hmotnost (GeV/c2) tf(uP) /\ c (charm) ^_^ I ř (top) 0,005 d (down) -1/3 ■ 0,01 ^ e- (elektron) 0,000511 * ve (e neutrino) 0 <7x10"9 s (strange) -1/3 i* u, u- (muon) 0,106 vM (u neutrino) 0 < 0,0003 175 b (bottom) -1/3 > t- (tau) Stabilní jsou pouze částice I. generace. Konverze jednotek: 1 GeV/c2 = 1,783 1027 kg Vesmír Vznik Vesmíru Pozorování Vesmíru - pohled do minulosti (konečná rychlost světla 300 000 km/s). Vzdálenost Slunce-Země urazí světlo za 8 minut. Nejbližší hvězda Alpha Centauri vzdálena 4,3 svět. let, nejbližší galaxie v Andromede 2 miliony svět. let (doba vývoje Homo sapiens). Hubbleův teleskop umístěný na oběžné dráze je schopen pozorovat Vesmír do vzdálenosti několika miliard let - Hubble Deep Field. * t* -.. *. '*-,' v Hubble Deep Field HST WFPC2 ST Sel OPO January 15, 1996 R. Williams and the HDF Team (ST Scl) and NASA Radius of the Visible Universe S 1 Inflation Quark Soup Big Freeze Ou Parting Company First Galaxies Modern Z rozen í hvězd Mlhoviny Orla, Laguny a Orionu. Jsou to oblasti v naší galaxii Mléčná dráha s vyšší hustotou hmoty, ve kterých dochází ke vzniku hvězd. Všechny vykazují přítomnost těžších prvků, prachu a struktur, které pravděpodobně podléhají dalšímu přerozdělení v prostoru za vzniku protohvězd. Detail sloupcovitých útvaru tvořených plynem a prachovitými částicemi s nově vzniklými hvězdami v mlhovině Orla. Nejvyšší sloupec vlevo je jeden světelný rok vysoký. Tato oblast v souhvězdí Hada je vzdálená 7 000 světelných let. Smrt hvězd Henize 1357 • Stingray Nebula PRC98-15 • ST Sel OPO «April 2, 1998 M. Bobrowsky (Orbital Sciences Corp.) and NASA HST * WFPC2 Planetární nebula NGC 7027 Konečná stádia života hvězdy s průměrnou hmotností. Smrt hvězd NGC 6543 PRŮ5-0la-STSclOPO -J H ST. WFPC2 • 1 ■_ L 1 ^» Chemické složení -jak zjistíme nepřímo ze spektrálních údajů Emisní spektrum 4QÚ ■.:■.• tilXJ Tůů 1 1 Absorpční spektrum Intenzita záření Chemické složení «M Ne wLm$í " 'be Základní charakteristika: - Výrazně převládají H a He -vznikly z protonů, neutronů a elektronů po Velkém třesku. - S rostoucím atomovým číslem zastoupení prvků ve Vesmíru klesá - ostatní prvky vznikly až v následujících fázích vývoje Vesmíru ve hvězdách. - Prvky se sudým atomovým číslem jsou ve Vesmíru hojnější, než sousedící prvky s lichým atomovým číslem - existuje celá řada vysvětlení například že vytvoření párů zvyšuje stabilitu jádra. - Z uvedeného trendu se vymykají tři skupiny prvků: SiT&eBa tffiPtB *H\wX ••• Atomové číslo Li, Be, B, jejichž zastoupení je výrazně nižší -obecně je možných několik vysvětlení vysvětlení: buď jsou uvedené prvky meziproduktem při nikleosyntéze těžších prvků a po jejich vzniku jsou zase spotrebovávaný nebo vznikly po spolu s H a He po Velkém tresku a v současnosti již ve Vesmíru nevznikají, nebo je to způsobeno nízkou stabilitou jádra. Prvky z okolí Fe, jejichž zastoupení je výrazně vyšší - tyto prvky mají nejstabilnější jádra Prvky z okolí Pb - jsou produktem radioaktivního rozpadu těžkých prvků (například U a Th) Nukleární reakce další prvky hoření helia - 100 milionů K 4He + 4He + 4He -> 12C 12C + 4He -»■ 160 hoření uhlíku - 500 milionů K 12C + 12C ^ 24Mg 12C + 12C _+ 23Na + p 12C + 12C _+ 20Ne + 4He 5 - těžké hvězdy hoření kyslíku - 1 miliarda K 16Q + 16Q -^ 32S 16Q + 16Q^31p + p 16Q + 16Q ^ 31S + n 16Q + 16Q _► 28Si + 4He hoření křemíku - e-proces (equilibrium) 28Si + 28Si -► 7 4He 28Si + 4He -► 32 28Si + 28Si -► 56Ni 56Ni -► 56Co 56Co -► 56Fe Těžké prvky - vznik pomalý záchyt neutronů - s-proces (slow) rychlý záchyt neutronů - r-proces (rapid) - následně ß~ rozpad záchyt protonů - p-proces ^--------^^ velké hvězdy / malé hvězdy Vy voj hvězd - přehled Hvězda Stabilní Závěr Konec Výsledek Malá • • • Bílý trpaslík Střední • # • Neutronová hvězda Obří \W\ a i h Černá díra Jak ubývá „paliva", tak postupně klesá intenzita nukleosyntezy a tlak záření a částic slábne až nakonec nejsou schopny vyrovnávat tlak gravitačních sil. Další osud hvězdy pak závisí na její hmotnosti. Sluneční soustava a Země Vznik Sluneční soustavy Má Mlhovina v Orionu obsahuje mladé hvězdy, kolem kterých může být zformován planetární systém. Podobně došlo ke vzniku naší Sluneční soustavy před zhruba 5 miliardami let. Všimněte si „vyčistění oblasti kolem vznikající hvězdy. Většina materiálu je gravitačně stažena do hvězdy, ze zbytku vznikají planety. !■ ■'■ Fi- ■' Slunce lunce 99.85% 0.135% 0.01% ? Planety Jupiter Saturn Jf ,ď s& Uranus Neptune Pluto & Charon Základní údaje Vzdálenost Poloměr Hmotnost Měsíce Hustota Průměrná T Tlak Složení atmosféry AU Země = 1 Země = 1 g/cm3 °C bar % Slunce 0 109 332 800 9 1.410 - - — Merkur 0.39 0.38 0.05 0 5.43 179 He 42, Na 42, 02 15 Venuše 0.72 0.95 0.89 0 5.25 482 92 C02 96, N2 3% Země 1.0 1.00 1.00 1 5.52 15 1,013 N2 77, 02 21 Mars 1.5 0.53 0.11 2 3.95 -63 0,007 C02 95, N2 3 Jupiter 5.2 11 318 16 1.33 -121 0,7 H 90, He 10 Saturn 9.5 9 95 18 0.69 -125 1,4 H 97, He 3 Uran 19.2 4 15 15 1.29 -193 1,2 H 83, He 15, CH4 2 Neptun 30.1 4 17 8 1.64 -180 0,001 H 85, He 13, CH4 2 1 Pluto 39.5 0.18 0.002 "I 1 2.03 — — — Složení Země Země Kůra Kůra Kůra Prvek Hmotnostní % Hmotnostní % Atomová % Objemová % 0 ___________________ 30 46 6_________________________ ;1 90,95 Si 15 2( 3 20 0,84 ~| 1,1 AI ___________________ 8 6,2 _______046_______ Fe 35 1 6_________ 1,9 0,5 Mc ) | 13 | 4 1,4 0,38 Ca ~[________________ V 2,4 1,9 1,44 K - 1 2,3 řš V9 ------------TZ------------1----------------------------1 Na - "j 2,1 2,5 _________________ _______^08_______ Ostatní - <1 — — S 1,9 | — — — Ni 2,4 | — — Celkem 99,5 98,8 96,8 96,84 Složení Země kůra tu 40 35 h 30 w 25 20 15 -10 -5 n _Q O) minerál Izotopy Izotopy D D D D ......Ba D cs D D Dxe I I I I I I D DTe DD sb D D D Sn 48 l DD i i i i I I D Cd L-, n P ,_, Ag 46 L[] i i i i DHZhPd 10 12 Nestabilní izotopy Rozpad nestabilního a vybuzeneho jádra dN/dt = - X N II y-zareni: a-rozpad: ß-rozpad: záchyt elektronu: spontánní rozpad: NX*^NX + y; hv = Ee-Ey 21283Bi -> 20881TI + a; 4 40K _^ 40Ca + e-; ß- 40K + e- -> 40Ar; ß+ 4oK _^ 4oAr + e+; 238U -> 3 jádra (A 30-64) + x n fission track datování Rychlost rozpadu — = — \N Rychlost át rdN í N = N0e Ad/ T -M D = P0-P D = Pex' - D - daughter, P - parent P=p(e J* 2 — J D = Dn+ Pie Rb=íi7Sr + e 87Sr=87Sr„ + 87Rbkv-l tx/ =------- Poločas rozpadu 72 X Izochrony izochrona 0,05 0,10 Rb/86Sr Užitečné systémy rodič dceřinný produkt rozpad ^(x1012 rok-1) t1/2(x10-9let) poměr 40K 40Ar, 40Ca ß+, ß- 554,3 1,28 40Ar/36Ar 87Rb 87Sr ß- 14,2 48 87Sr/86Sr 138|_a 138Ce ß- 2,67 259 i38Ce/142Ce, i38Ce/136Ce 147Sm i43Nd a 6,54 106 143Nd/144Nd 176Lu 176Hf ß- 19,4 36 176Hf/177Hf 187Re i870s ß- 16,4 42,3 1870S/1S60S, 1870S/1880S 232Th 208Pb, 4He a 49,48 14 208Pb/204Pbi 3He/4He 235U 207Pb, 4He a 984,9 0,707 207Pb/204Pb 3He/4He 238JJ 206Pb, 4He a 155,1 4,47 206pb/204Pb) 3He/4He 87Rb-87Sr kůra je nabohacována na Rb frakcionací, výrazné změny ve světlých horninách, malé v tmavých t (mid. let) BABI (best initial basaltic achondrite) Stabilní izotopy Teplotní závislost a = A 10Q0 590 390 2,00 1p0 50 p T(°C) 1000 300200 100 I—I------------1---------------1----------------1-------------------------------1---------- T(°C) a = 0,969 + 24,3/T 1000/T(K) 106/T2(K) Závislost na složení a tlaku: těžší izotop do fáze s pevnější vazbou (a kovalentní) 180 - více v křemení než v magnetitu, 180 - více v C032~ než ve vodě (30 %o); vliv tlaku zanedbatelný: (3G/dp)= AV Geotermometrie In Äľ = In a = A 1000 500 106/T2(K) 106/T2(K) Frakcionace kyslíku mezi různými minerály jako funkce T. Frakcionace S mezi H2S a dalšími sirnými látkami. Hydrosféra < Průměrná roční teplota vzduchu (°C) a atmosféra 5'aO = -15%< 1—1 ———— L 1 para i L ^i^l i ľ 5löO = -13%, Ö18Ö^-\3S%, ocean pevnina 30 = 0 %o interglaciál 5180 51oO = - 30 %o ocean 5180 = 0 %o W Urey: frakcionace 180 mezi kalcitem a vodou g acia T (°C) = 16,9 - 4,2 Akal.H20 + 0,13 Akal.H202 *"° = ~ 30 %0 Ledovce Grónska: - 30 až - 35 %o Ledovce Antarktidy: - 50 %o Dnešní stav: Kontinentální led: 27,5 mil. km3 Voda v oceánech: 1350 mil. km3 Ledové doby: vzrůst ledu o 42 mil. km3 snížení hladiny o 125 m ocean 5loO = 1,5°/c Paleoteploty -400 -420 -430 -440 -450 -460 -470 -480 -490 50000 100000 150000 stáří (roky) 50000 100000 stáří (roky) Rekonstrukce paleoteplot z ledu vrtu Vostok na základě 5D. Křivka 5180 ukazuje změny izotopického složení oceánu odvozené z karbonátů sedimentů. Vazby, struktury, povrchy Velikosti C** 15 lOU I ^>* K+ 160 / 140 \- r Na+ Ca2+ 100 ^ 's S 120 L. | 100 Q. 1 80 [ y Fe2* í> c o \*y • Fe 60 \v \y >AI3* ^81- 40 on 1 _______________________________i________ ________1__________1_________ _J_________1 koordinační číslo Základy výstavby struktur Když se Robert Hook v roce 1665 zamýšlel nad podstatou pravidelných tvarů krystalů, došel k závěru, zeje to důsledek pravidelného ukládání malých kulových částic: „[...] A tak se domnívám, že kdybych měl čas a příležitost, mohl bych prokázat, že všechny tyto pravidelné útvary, jež jsou tak nápadně rozmanité a zvláštní a v takové míře zdobí a zkrášlují tak mnohá tělesa ... mají s největší pravděpodobností původ ve třech nebo čtyřech polohách či postaveních kulovitých částic ... A to jsem také názorně demonstroval se souborem kuliček a s několika málo dalšími velmi jednoduchými tělesy, takže mohu říci, že ani jediný pravidelný tvar, s nímž jsem se dosud setkal, není takový ... abych ho nemohl napodobit pomocí souboru kuliček a jednoho nebo dvou dalších těles, k čemuž dokonce někdy téměř úplně postačí setřepat tyto částečky dobře dohromady." Hook Robert (1665): Micrographia, or Some physiological Description of Minute Bodies made by Magnifying glasses with observations and Inquiries thereupon. Jo. Martyn and Ja. Allestry, London. 0000000000530201020153022602000000 Uspořádání - 2 vrstvy Uspořádání - 2 vrstvy dulkny s oktaedncifou yyrr:L-M dutina s ohlaedrichou symetrií duliny & iHlríůdritfcůu při^hflílci dutiny * teírsedrickw a cArasdridcuu tyro#tfni Uspořádání - 2 vrstvy dulkny s oktaedncifou yyrr:L-M dutina s ohlaedrichou symetrií duliny & iHlríůdritfcůu při^hflílci dutiny * teírsedrickw a cArasdridcuu tyro#tfni Uspořádání - 3 vrstvy kubická plošné centrovaná mřiíka - dutiny s oktaedrickou a tetraedrickou symetrii Olivín - (Mg, Fe)2Si04 *< y -\ r A < M -\ >A Mezi vrstvou A a B jsou střídavě obsazovány oktaedricke {Mg-Fe) a tetraedricke dutiny (Si). Olivín - (Mg, Fe)2Si04 v V <: ► v > v Olivin - (Mc j, Fe)2Si04 J ( qpypyqp j ( i i N ► N ► N 04 14 SiO (Mg,Fe)0, Fylosilikáty Mg, Al van der Waalsova s. kaolinit AI4(OH)8Si4O10 (dioktaedrický), serpentin Mg6(OH)8Si4O10 (trioktaedrický) Fylosilikáty A A kaolin it AI4(OH}„5i,Olc (dloktaedrlcký) s&ípertt in Mg (OH) Sí^Ó,. (trioktäedricky) A (Si,AI)0< T:0=1 :1 pyroMir Al^OHJ^i.O^ (dioklaedrickýl mííEík Mg^QHJ^Q^UioltfgedricKý) musluwit NaAI,(OH),(SI , AHO, p {dioktaedricky) flogopii KMg t(OH)ř(5i H AI)Ol0 (e rřůkiaed rie ký) ( montmorillgnir (Na; Ca)a(Al, Mg^OH^O^ xnHp (diukraedfitký) veimkulil (Mg, Fe, AI^OHySi AI)401D k 4 H?0 (trioktaetfricky) T:0 = 2:1 Charit (Mg, Fe, Al)jOH),<$i. Al^O|( T:0 = 2: 1 :1 Povrchy - hustoty e STEM Atomic-scale imaging of mica is one of the standard resolution tests for ambient SPMs. Even though the SPM tip is many atoms wide, atomic-scale resolution is possible due to the periodic arrangement of the atoms. Images were taken in air in constant-height mode using Microlevers. Purdue University. Základy termodynamiky Stabilita a dynamika přírodních systémů Principy Celá termodynamika vychází ze dvou empiricky zjištěných principů, které není možné odvodit ze žádných „základnějších" vztahů nebo zákonů. Není zřejmé, proč tomu tak je, proč „Příroda" tyto principy dodržuje. Tyto dva principy, označované jako zákony, jsou formulovány následovně: - energie systému zůstává konstantní pokud není změněna prací nebo přenosem tepla (princip „konzervace" nebo „zachování" energie) - celková neuspořádanost v průběhu procesů roste První zákon teplo teplo práce práce okolí přírůstek energie původní energie systém Je jedno, v jaké podobě systém přijme energii, zda jako teplo, nebo jako práci, nebo jako jejich libovolnou kombinaci. Přírůstek energie je vždy roven jejich součtu. Zpětně už není možné identifikovat, v jaké podobě energie do systému doputovala. Druhý zákon smer spontánních změn ô <* přeměna energie míčku na teplo Entropie Systém a jeho okolí celkový systém okolí vlastní systém 2d e probíhají procesy, které nás zajímají c? \ cokoli K áSokoli = A^0/,- = okou Gibbsova funkce ^ celková — ^^syslém T^cdková — ^^sjsiéni syslém ' d^ celková : " ®™ systém " -* ^ systém systém " celková dG = d//-rdS >\Mán Gibbsova funkce Přirozený proces celková dG<0 Termodynamická rovnováha dG = 0 G = H-TS áG = áH -d(TS)=áH -TóS - SáT (p = konst. áG = áfí-TáS (T = komt) Závislost Gibbsovy funkce na podmínkách obecná závislost G na podmínkách dG = \™} dr + í—1 4p + \—} d« chemický potenciál /*= - chemický potenciál pro látku A _ «?A -|g"AGA a h,p závislost G na p, 7~a složení <*GA =VAóp-SAdT+ßAdnA Stabilita a procesy Stabilita za daných podmínek se systém snaží dosáhnout maximální celkové entropie, tedy minimální hodnoty Gibbsovy funkce za rovnováhy jsou hodnoty molarnich Gibbsových funkcí tedy chemických potenciálů jednotlivých složek v celém systému stejné bez ohledu na to, v jakých fázích se vyskytují Pokud za daných podmínek (T, p a složení) existuje stav s nižší hodnotou Gibbsovy funkce, snaží se Příroda systém do tohoto stavu převést, protože tím zvýší celkovou entropii. Systém bude za daných podmínek nestabilní. Pokud dosáhl systém za daných podmínek stavu s nejnižší hodnotou Gibbsovy funkce (nejvyšší celkovou entropií), vedla by změna stavu systému ke zvýšení hodnoty Gibbsovy funkce a tedy ke snížení celkové entropie. Takové změny Příroda nepřipouští. Systém bude za daných podmínek stabilní. Porovnání celkových entropií Principiální uchopení skupenské teplo tání skupenské teplo varu skupenské teplo varu pára voda S.b = SM + AS + AS„ celk led t v Scelk " Svoda + ÄSv S = s celk pára Složky entropií systému s H20 v různých stavech. Závislost stability fází a teplotě a tlaku Může se měnit teplota, tlak a složení zůstávají konstantní. óG = -SdT + Vdp áG = -SáT G = G°-S(T-r G=Gt dG = -SdT p = konst. G=G krystaly (s) tavenina {f) pára (i bod tání bod varu O stabilitě rozhoduje hodnota Gibbsovy funkce, která je ukazatelem na celkovou entropii systému. Za určitých podmínek Tap systém volí stav s nejnižší hodnotou Gibbsovy funkce (nejvyšší celkovou entropií). S rostoucí teplotou klesá Gibbsova funkce přímo úměrně záporné hodnotě vlastní entropie systému. Pro krystalické fáze klesá nejpomaleji (nízká hodnota entropie), pro plynné fáze klesá nejrychleji (nejvyšší hodnota entropie). Proto dostávají při vysokých teplotách přednost nejméně uspořádané fáze. Závislost stability fází a teplotě a tlaku Může se měnit tlak, teplota a složení zůstávají konstantní. dG = -SôT + Vdp ÚG = Váp G = G°+v{p-p< dG = Vdp T= konst. pára (g) tavenina {f) krystaly (s) tlak varu tlak tání O stabilitě rozhoduje hodnota Gibbsovy funkce, která je ukazatelem na celkovou entropii systému. Za určitých podmínek Tap systém volí stav s nejnižší hodnotou Gibbsovy funkce (nejvyšší celkovou entropií). S rostoucím tlakem roste Gibbsova funkce přímo úměrně vlastnímu objemu látek. Pro plyny roste nejrychleji, pro pevné látky nejpomaleji. Proto dostávají za vysokých tlaků přednost stav s nejmenším objemem (nejnižší hodnota Gibbsovy funkce). Konstrukce fázového diagramu linie a pole výsledný diagram teplota f°C) teplota (°C) 000 100 300 500 900 ^^ \ I 1 1 * * i # ■ } * 300 i * AP«ri-id ŕ .1- ! | * i L ^T t / H *~ **-* i * ŕ 600 Aft, * # * i \ *' \ ** AT 400 / \ * * * i * j i * * i. 200 Aft,* \ # t t r é * <______ i / *ľ. * •" T J \T r, p° r ky-and r kysni '" rand-sil 1 100 1000 teplota (K) Konstrukce fázového diagramu Vícesložkové soustavy s konstantním složením fází (fázové přeměny čistých látek) Fázový diagram vypočítaný z termodynamických dat Experimentálně zjištěná krystalizace bazaltové taveniny teplota CC) 1 100 1 300 1 500 vysokotlaký granulit nízkotlaký granulit tavenina a krystaly tavenina = 1.5 teplota (°C) 300 1 100 1 300 1 500 "T- "T" I S O ^JT % řenkrysialy 7 W\ O kryjtaiy a tavenina / f ^ L • jeniavenina C + Q f Q j^ mizí plagioklas / ^ ff Jp* 7Xp»C*i*g*l krystaly P + c#ltG/- ^T ~M^c+l objevuje se granát l_SL mizí olivín fckocf LT\ 7 tavenina " o + p + c + iPp qpp O olivín //^TTf P+L P plagioklas 1 Q$i 1 ilmenií /T/ fl G granát / /"T" /(.. L lavenma / / / Wl. ^OP+C+l + L ___OP+C+L _.Q+P*L teplota (KJ 1600 1 800 1000 1 200 1400 teplota (K) 1 600 1 800 Zpracováno podle dat: Thompson, R. N. (1972): Melting behavior of two Snake River lavas at pressures up to 35 kb. Annual Report, Director of Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington, Yearbook 71. Závislost Gibbsovy funkce na pokročilosti reakce sA- -l,5kJmor 01= -2,5 kjmol-1 S°c= -2,0 kJmoM G°a = -1,0 kJmol-1 A i —< 0 T \ } \— \ S. tiG w ——— ^ dí ^^^i^^^ä T \ ___r _____ ______LL í = 0,42 Za rovnováhy = AG = 0 acaň Q = AG*+RT]n-=£=± = AG? + RT]nK ^i — / «* í dG = -ŠáT sravrlvac hladina krystaly bůdiirti / ^^ tavenina 1600 1 700 1 800 1 900 teplota (K) teplota (°C) 1 300 ^^ = RTInX*K* 1 500 sfcmavan hladina 1600 anortit jí*,*-1«1 AT" =-B1K AT. =-221 K tavenina 1 600 1700 1 800 1 900 teplota (K) Gibbsova funkce taveniny závisí kromě teploty i na složení. Zředění způsobuje pokles Gibbsovy funkce pro anortitovou složku o hodnotu RT In XAn(/). Diopsid-anortit Závislost Gibbsovy funkce systému diopsid-anortit na složení a teplotě (krystaly a tavenina) a fázový diagram. 150 IDO i i 50 oelkovc složení $y6lémui *>* 1 609 ^__*^———I=ií=;^ taven ina^^/H ^krystaly N ^ ™ 0 relativní íi ni ra 1 746 K __________ J ľrr^==—" *~~^~^ 1 50 ' -1 Ö00 K ' —z~—\ i _______1_______1_______L ____1_____1 1850 1800 1750 1700 1650 1600 1550 tavenina An a Di CSlkové bod táni složeni anorti^ systému ^m $ ------------------------------ krivka likvidu bod táni JĚ diop&idu .., ^Ě r v ■ linie solidu ■ y kryata krystaly An a Di 1550 1500 1450 1400 1350 1300 0,0 0,2 0,4 0.6 0, diopsid anortit Ze závislosti rovnovážné konstanty na teplotě je možné přímo vypočítat složení taveniny, která je v rovnováze s krystaly (zároveň je to stav s minimální hodnotou Gibbsovy funkce systému). Diopsid-a Linie likvidu A>C • 1 ] = e T T1 1850 1800 1750 homogenní tavenina An a Di slůřenr taverinry složeni krystalů 1550 1500 1450 1700 1650 1600 1550 j-asioupůii híystalu íS)| zaatoupanl lavanlrw iL) „________________ »fy wflffl [Q_______ směs krystalu An a Di 1400 1350 1300 0,4 0,6 0,8 Cl OÚSlCl anortit nortit V eutektiku musí platit * r li 1- ^Di(/) ' ^^ 1-e Aťrp, t 1 i ä Ť" 4 J Složení systému při 1650 K ^)=1'00 AnííVíO > krystaly " ^-r tav^u/zra Kontrola ^ An($yst) = = ^fffwmw^ An(/) "WM//An(í) Země - komplexní systém Biogeochemické cykly Cyklus uhlíku Dissolved Carbon, b-carbcrialos /J" DiHusfon 11 CO2 dissolved in oceans, etc iynmesis Respir. Phoiosyninesis Respiraiion producers ^^^^^^^ 1 L* J ■H decomposers ^^^v i Carbon ŕn sedi">enls weatnenng ■ • I Carbon in coal. oil. gas (tossil fuels} Obsah C02 v atmosféře Globální biogeochemický cyklus uhlí-ku v podobě „krabičkového" modelu. Krabičky představují jednotlivé rezervoáry uhlíku (různě vázaný uhlík), šipky znázorňují toky uhlíku mezi rezervoáry. Čísla uvnitř krabiček značí odhadované množství uhlíku v Gt (1015 g C). Čísla u jednotlivých toků jsou odhadované toky uhlíku mezi rezervoáry v Gt C za rok. Jednotlivé odhady se velmi liší a dosud neexistuje všeobecně přijímaný model. Odhadované antropogenní ovlivnění globálního cyklu je znázorněno v levé části diagramu a představuje spalování fosilních paliv a vypalování pralesů. Pro konstrukci modelu globálního uhlíkového cyklu byla modifikována data Siegenthalera a Sarmienta (1993) a Kwona a Schnoora (1995). Sedimenty fosilní palivu 10 000 karbonáty 70 00ÖO00 t -lo 400 XI0 200 státi (tis. lít) 100 400 350 n o 300 "U 250 200 Vývoj globálni teploty a koncentrací C02 v průběhu posledních 420 tisíc let, jak byly zjištěny z plynných uzavřenin v ledovcích Antarktidy z 3 623 m s periodou zhruba 100 tisíc let. Po prudkém nárůstu dochází k postupnému klesáni obou hodnot. V současnosti by se globální atmosféra měla nacházet za jedním z vrcholů na sestupné větvi závislosti. Vyneseno z dat publikovaných Petitem et al. (1999). voj obsahů C02 v historii .-. ■■_■ - o, <:1 ■10 ■15 150 100 60 stáři (tis. let) ■J 200 Vývoj globální teploty a koncentrací C02 v průběhu posledních 160 tisíc let, jak byly zjištěny z plynných uzavřenin v ledovcích Antarktidy. Vyneseno z dat publikovaných Barnolou et al. (1987). Vývoj obsahů C02 v historii o 330 .120 310 300 290 280 1700 1750 1800 1850 í ok 1900 1950 200O 370 A 360 áŕ\ 'd R* 350 J^ f i Q 'J 340 jŕ 330 J^ 320 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 rok Koncentrace C02 v atmosféře Země za posledních více než 200 let, jak byly zjištěny v plynných uzavřeninách v ledovém jádře 200 m hlubokého vrtu u stanice Siple v západní Antarktidě. Vyneseno z dat publikovaných Neftelem et al. (1985) a Friedlim et al. (1986). Záznam koncentrací C02 v atmosféře na Mauna Loa, Hawajské ostrovy, ukazuje sezónní cykly, které souvisejí s fotosyntetickou aktivitou rostlin na severní polokouli. Nejvyšších koncentrací je obvykle dosahováno v květnu (předchází nízká fotosynteticka aktivita a dlouhé období tlení), minimum se obvykle vyskytuje v říjnu (předchází období vysoké fotosynteticke aktivity). Dlouhodobý trend ukazuje strmý růst koncentrace C02 v atmosféře a také mírně se zvětšující amplitudu sezónních změn. Data představují nejdelší známou do-sud měřenou řadu koncentrací oxidu uhličitého v atmosféře. Vyneseno z dat publikovaných Keelingem a Whorfem (2000) Ledové doby Ledové doby Minulých několik milionů let — početné cykly ochlazení a teplení superponovány na celkové chladnutí Glaciace - pokles teploty o několik stupňů na dlouhou dobu - rozšíření ledovců - doby ledové Teplejší období - doby meziledové - interglaciály Pleistocen (1,6 mil. let)- více než 20 cyklů s opakováním 20 000 až 40 000 let s extrémními minimy každých 100 000 let Ledové doby se odehrávaly už před 2,3 miliardami let. Dnes zabírají ledovce kolem 10 % povrchu (z toho 84 % v Antarktidě). V minulosti až 29 % povrchu. 800.000 600,000 400,000 200.000 Years before present Holocene optimum 1.000 800 Regulace oxidu uhličitého - biota fotosyntéza CO. + H,0 -> CH,0 -hO, AG: = 472 kl/mol dýchání, tlení CH.O+O. -> CO. + HX) AG7 =-472 kl/mol přirozený rozklad v horninách ch,o+o, -> co,+h,o disproporcionace 2CH,0 -► CH4+CO. CH,0 -» C + H,0 vázání v horninách Ca:_ + CO/- -> CaCOj (j) Reakce karbonátového systému Nejdůležitější regulator pH přírodních vod Rovnováha voda-atmosféra: pH ~ 5,5 Rovnováha voda-atmosféra-karbonáty: pH -8,3 Vytváří stabilní a příznivé podmínky pro živé organismy Atmosféra - ■-------------------------------- --------------------------------- - GOJaq) Voda co3(,í,jj HO foiosyntóía ' >, HO Voda Biota dýchnai tkni fosilní paliva CHO -4C + H.O Sedimenty vápence JWWJV Emiliania huxleyi - fytoplankton Dva obrázky velmi kompaktních a soudržných kokolitosfer Emiliania huxleyi, pořízené rastrovacím elektronovým mikroskopem. Foto: Jeremy Young. Fytoplankton Výkvět kokolitofor v Beringově moři 25. dubna 1998. Foto: SeaWiFS Project, NASA/God-dard Space Flight Center a ORBIMAGE 'tri ***c JRál RäBBP^*': Um ™ *i **■ '■■ ■■■- J&&**m *» ŕ ^A 'íl ," ^ i ■ "~ • : ^É||*r3 m i ▼ V - < \-_> Výkvět kokolitofor v Keltském moři 18. května 1998. Foto: SeaWiFS Project, NASA/God-dard Space Flight Center a ORBIMAGE Rozpuštěný oxid uhličitý Kalcit a aragonit = vazba C02 v horninovém prostředí = CaC03 t -lo 400 XI0 200 státi (tis. lít) 100 400 350 n o 300 "U 250 200 Vývoj globálni teploty a koncentrací C02 v průběhu posledních 420 tisíc let, jak byly zjištěny z plynných uzavřenin v ledovcích Antarktidy z 3 623 m s periodou zhruba 100 tisíc let. Po prudkém nárůstu dochází k postupnému klesáni obou hodnot. V současnosti by se globální atmosféra měla nacházet za jedním z vrcholů na sestupné větvi závislosti. Vyneseno z dat publikovaných Petitem et al. (1999). voj obsahů C02 íistorii a teplota .-. ■■_■ - o, <:1 ■10 ■15 150 100 60 stáři (tis. let) ■J 200 Vývoj globální teploty a koncentrací C02 v průběhu posledních 160 tisíc let, jak byly zjištěny z plynných uzavřenin v ledovcích Antarktidy. Vyneseno z dat publikovaných Barnolou et al. (1987). Příčiny Excentricita Precese Eccentricity Tilt (degrees) Precession index Combined signal (Radiation received) Ovlivnění člověkem - skleníkové plyny ■ Vodní pára :iOxid uhličitý ■ Metan a Oxid dusný ■ Chloro-fluorované uhlovodíky Od roku 1800 u C02 zvýšení o cca 60 %, u ostatních o zhruba 10 % Infrared , Visible UV- Methane (CH4) Nitrous oxide (N20) Oxygen (02) and ozone (03) le (03) r-^--------- Carbon dioxide (CO2) c (D (Ľ Q. 100 r 50 k y\rm Water vapor (H20) 100=; 50 L Atmosphere nj/yvuk. 10"5 5x10"6 10~6 5x10"7 Wavelength (m) Cüpyn^ri 1999 Jůtvi Wiléy arid Suna, Int. All rights reserved. Vodní pára v atmosféře Modelování - problémy 20c i 13 20° 40* 60* 90ľ Vliv zdvojnásobení obsahu C02 Zima, léto, řez Month May 1 Globální vlivy ní zdroj = globální vliv Černobyl, havárie 24. dubna 1986 Porozumět přírodním procesům Co nejméně do nich zasahovat Závažná rozhodnutí činit až po důkladném zvážení důsledků (jak při využívání přírody, tak při nápravě škod) ml 1 TV >oo3 ■Li.■ j£lJ A # J