Složky životního prostředí – biogeochemické cykly RECETOX Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Brno, Česká republika Doc. Ing. Branislav Vrana, PhD. branislav.vrana@recetox.muni.cz Biogeochemické cykly Reprezentace cyklických procesů biogeochemie, které si vyměňují složky mezi ovzduším, pevninou a mořem. V horní části obrázku sluneční částice a extraplanetární objekty přivádějí hmotu do atmosféry, zatímco určité množství uniká. Většina materiálu je však recyklována. Dokonce i pevné látky uložené na pevnině a na oceánském dnu mohou být nakonec podrobeny subdukci, aby se roztavily, a komponenty se vrátily do atmosféry vulkanickou činností. Osud chemických látek v prostředí Chemické a biochemické procesy v přírodě Biogeochemické cykly Základní faktor udržení ekologické rovnováhy: ØChemické procesy (abiotické) ØBiochemické procesy (působení mikroorganismů) Ø Antropogenní procesy: ØChemicko-technologické ØChemizace hospodářství Přírodní chemické procesy (bez zásahu člověka): ØGeochemické – rozpouštění, hydratace, hydrolýza, redox, vznik uhličitanů ØJaderné reakce ØPřechod z chemického na biologický vývoj Makro- a mikrobiogenní prvky Biogeochemický cyklus (též koloběh látek) je termín, používaný ve vědách o Zemi pro cyklus určitého chemického prvku či molekuly, který probíhá živým (biosféra) i neživým (litosféra, atmosféra, hydrosféra) prostředím Země. Termín biogeochemický vyjadřuje fakt, že v procesu jsou zahrnuty biologické, geologické a chemické faktory. Díky tomuto koloběhu je daný prvek zpravidla recyklován, přestože se mohou vyskytovat rezervoáry, kde je daná látka na delší dobu akumulována (jako oceány a jezera) Biogeochemické cykly popisují pohyb chemických prvků a sloučenin mezi propojenými biologickými a geologickými systémy: ÄBiologické procesy jako dýchání, fotosyntéza a tlení působí v těsném spojení s nebiologickými procesy jako jsou zvětrávání, vznik půdy, sedimentace. ÄŽivé organismy mohou sloužit jako důležité rezervoáry pro určité prvky ÄJe velmi těžké vytvořit box 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, kyslík Biogeochemické cykly Biogeochemické cykly Biogeochemické cykly = Σ hydrologického + geologického + ekologického cyklu Normální, nenarušené cykly – téměř uzavřený charakter, účinnost: 90 – 98 % Antropogenní narušování Vliv antropogenních aktivit na BGC cykly Lidé ovlivňují biogeochemické cykly především při průmyslové výrobě. Zvláště významným procesem je spalování fosilních paliv, který ovlivňuje biogeochemický cyklus uhlíku. Procesy výrobní však ovlivňují cykly prakticky všech chemických prvků i dalších látek. Stejně významná je i spotřeba, při které opět se mění biogeochemické cykly. Významné je i nakládání s odpady včetně čištění odpadních vod a nakládání s čistírenskými kaly. Skládky odpadů představují významný zásah do řady biogeochemických cyklů. Z hlediska jednotlivých prvků a látek rozlišujeme tři důležité kategorie: živiny, těžké kovy a persistentních organické škodlivy (POP – persistent organic pollutants). Mezi nejdůležitější živiny patří uhlík, dusík, fosfor a síra. Hydrologický cyklus Geochemický cyklus 10 Biochemický cyklus Biogeochemické cykly Define footer – presentation title / department 12 Biogeochemický cyklus uhlíku Mezi zemské rezervoáry uhlíku patří: Øhydrosféra (rozpuštěný oxid uhličitý a organická hmota) - téměř 40 000 gigatun. Øsedimenty - uhličitany (uhličitan vápenatý, anglicky calcareous sediment obsahuje 80 000 000 gigatun), látky s obsahem uhlíku, včetně fosilních paliv, která se odhadují na 746 gigatun. Øatmosféra (CO2) - okolo 800 gigatun Øbiosféra (organická živá i neživá hmota) – okolo 1900 gigatun. Uhlík se vyskytuje na Zemi téměř všude, v živé i neživé přírodě. Nejvíce je ho zastoupeno v minerálech, zejména tedy v uhličitanech, v schránkách mořských živočichů, kterými jsou tvořeny i současné kontinentální horniny, dále je vázán například v nerostném bohatství (ropa, zemní plyn…), ve formě CO2 je zastoupen i v atmosféře. Uhlíkový cyklus je biogeochemický cyklus, při kterém dochází k výměně uhlíku mezi biosférou, pedosférou, geosférou, hydrosférou a atmosférou Země. Uhlík je hlavní složkou biologických sloučenin a také hlavní složkou mnoha minerálů, jako je vápenec. Spolu s cyklem dusíku a vodním cyklem zahrnuje uhlíkový cyklus sled událostí, které jsou klíčové pro to, aby Země dokázala udržet život. Popisuje pohyb uhlíku, který je recyklován a znovu použit v celé biosféře, stejně jako dlouhodobé procesy sekvestrace uhlíku do a uvolňování z uhlíkových ložisek. Diagram koloběhu uhlíku. Černá čísla udávají v miliardách tun (gigatunách = Gt), kolik uhlíku je uloženo v různých rezervoárech. Modrá čísla udávají, kolik uhlíku se přesunuje danými směry každý rok. Do sedimentů v tomto diagramu není započítání přibližně 70 Gt uhličitanů a kerogenu. Biogeochemický 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 …): 0,036 % Největším rezervoárem uhlíku jsou oceánské a pevninské sedimenty. Diagram, engineering drawing Description automatically generated Biogeochemický cyklus uhlíku Uhlík v zemské atmosféře existuje ve dvou hlavních formách: oxid uhličitý a metan. Oba tyto plyny absorbují a zadržují teplo v atmosféře a jsou částečně zodpovědné za skleníkový efekt. Metan produkuje větší skleníkový efekt na objem ve srovnání s oxidem uhličitým, ale existuje v mnohem nižších koncentracích a je krátkodobější než oxid uhličitý, čímž se oxid uhličitý stává důležitějším skleníkovým plynem. Oxid uhličitý je z atmosféry odstraňován především fotosyntézou a vstupuje do suchozemských a oceánských biosfér. Oxid uhličitý se také rozpouští přímo z atmosféry do vodních útvarů (oceán, jezera atd.) A rozpouští se ve srážkách, protože kapkami deště padají do atmosféry. Po rozpuštění ve vodě reaguje oxid uhličitý s molekulami vody a tvoří kyselinu uhličitou, která přispívá ke kyselosti oceánu. Poté může být absorbován horninami během zvětrávání. Může také okyselit další povrchy, kterých se dotkne, nebo může být zmyt do oceánu. Biogeochemický cyklus uhlíku Pozemská biosféra zahrnuje organický uhlík ve všech živých i mrtvých organismech žijících na zemi a také uhlík uložený v půdě. Asi 500 gigatun uhlíku je uloženo nad zemí v rostlinách a jiných živých organismech, zatímco půda pojme přibližně 1500 gigatun uhlíku. Většina uhlíku v suchozemské biosféře je organický uhlík, zatímco asi třetina uhlíku v půdě je uložena v anorganických formách, jako je uhličitan vápenatý. Organický uhlík je hlavní složkou všech organismů žijících na Zemi. Autotrofy ho extrahují ze vzduchu ve formě oxidu uhličitého a přeměňují ho na organický uhlík, zatímco heterotrofy přijímají uhlík konzumací jiných organismů. Protože absorpce uhlíku v suchozemské biosféře závisí na biotických faktorech, sleduje denní a sezónní cyklus. Je nejsilnější na severní polokouli, protože tato polokoule má větší plochu pevniny než jižní polokoule, a tedy více prostoru pro ekosystémy, aby absorbovaly a emitovaly uhlík. Uhlík opouští suchozemskou biosféru několika způsoby a v různých časových měřítcích. Spalování nebo dýchání organického uhlíku ho rychle uvolňuje do atmosféry. Může být také exportován do oceánu řekami nebo zůstat izolován v půdě ve formě inertního uhlíku. Uhlík uložený v půdě tam může zůstat až tisíce let, než je vyplaven do řek erozí nebo uvolněn do atmosféry respirací půdy. Biogeochemický cyklus uhlíku Oceán lze koncepčně rozdělit na povrchovou vrstvu, ve které voda navazuje častý (denní až roční) kontakt s atmosférou, a hlubokou vrstvu pod typickou hloubkou promíchané vrstvy několik stovek metrů nebo méně, ve které je doba mezi po sobě následujícími kontakty může to být staletí. Rozpuštěný anorganický uhlík (DIC) v povrchové vrstvě se rychle vyměňuje s atmosférou, přičemž se udržuje rovnováha. Částečně proto, že jeho koncentrace DIC je asi o 15% vyšší, ale hlavně kvůli jeho většímu objemu obsahuje hluboký oceán mnohem více uhlíku - je to největší skupina aktivně cyklovaného uhlíku na světě, který obsahuje 50krát více než atmosféra - ale časový rámec dosažení rovnováhy s atmosférou je stovky let: výměna uhlíku mezi oběma vrstvami, poháněná cirkulací mořských proudů, je pomalá. Uhlík vstupuje do oceánu hlavně rozpuštěním atmosférického oxidu uhličitého, jehož malá část se přemění na uhličitan. Může také vstoupit do oceánu řekami jako rozpuštěný organický uhlík. Je přeměňován organismy na organický uhlík pomocí fotosyntézy a může být buď vyměňován v celém potravním řetězci, nebo klesnout do hlubších oceánských vrstev bohatších na uhlík jako mrtvá měkká tkáň nebo ve skořápkách jako uhličitan vápenatý. Cirkuluje v této vrstvě po dlouhou dobu, než se buď usadí jako sediment, nebo se nakonec vrátí do povrchových vod pomocí termohalinní cirkulace. Oceány jsou zásadité (~ pH 8,2), a proto acidifikace CO2 posune pH oceánu k neutrálnímu. Oceánská absorpce CO2 je jednou z nejdůležitějších forem sekvestrace uhlíku omezujících vzestup oxidu uhličitého v atmosféře způsobený člověkem. Tento proces je však omezen řadou faktorů. Absorpce CO2 činí vodu kyselejší, což ovlivňuje oceánské biosystémy. Předpokládaná rychlost zvyšování oceánské kyselosti by mohla zpomalit biologické srážení uhličitanů vápenatých, čímž by se snížila kapacita oceánu absorbovat oxid uhličitý. Tři části: ØBiologický – výměna látek v živých organismech – 20 let ØBiogeochemický – část biomasy z biochemického cyklu přechází do sedimentů, ze kterých se postupně uvolňuje – 20 000 let ØGeochemický – vznik uhličitanů a jejich ukládání v mořích a oceánech – 200 000 000 let Antropogenní ovlivnění – zvyšování koncentrace CO2 spalováním fosilních paliv Biogeochemický cyklus uhlíku Rozlišují se dva typy uhlíkového cyklu: biologický a geochemický. Základní hnací silou biologického cyklu je fotosyntéza rostlin a dýchání živočichů. Jedna molekula v tímto cyklem projde za zhruba dvacet let. Geochemický cyklus je značně pomalejší a může funguje v závislosti na cyklu biologickém. Uhlíkový cyklus je složitým koloběhem, ve kterém se uhlík vyskytuje ve více formách, největší důležitost se však přikládá oxidu uhličitému. Uhlíkový cyklus je ovlivňován geochemickými procesy a také klimatem, člověk do něj významně zasahuje emisí právě oxidu uhličitého. Zhruba platí, že polovina člověkem vyprodukovaného CO[2] zůstává v atmosféře, druhá polovina skončí v oceánech a na pevnině. Zjistit podíl uhlíku v atmosféře je díky moderní technice snadné, avšak zatím nelze přesně určit jeho množství v půdě a oceánech. Největším problémem je však určit množství uhlíku v ekosystémech. 18 Biogeochemický cyklus uhlíku ̶ Uhlíkový cyklus. Minerální uhlík je držen v rezervoáru vápence, CaCO3, z kterého který může být uvolněn do minerálního roztoku jako rozpuštěný iont hydrogenuhličitanu HCO3, který vznikne při reakci rozpuštěného CO2 (aq) s CaCO3. V atmosféře je uhlík přítomen jako oxid uhličitý, CO2. Atmosférický oxid uhličitý je fixován jako organická hmota fotosyntézou a organický uhlík je uvolňován jako CO2 mikrobiálním rozpadem organické hmoty. Do atmosféry se dostává ročně 9.5 miliard t CO2 spalováním fosilních paliv (2009-2018) Dále kolem 2 miliard t ročně odlesňováním Dva důsledky – místo přirozené spotřeby CO2 z atmosféry dochází ke vstupu CO2 do atmosféry Toto množství se zdá malé ve srovnání s ostatními toky. Dlouhodobá přirozená celková nevyrovnanost toků je pravděpodobně menší než 1 mld t C ročně – zásah člověka tímto vstupem je obrovský. Define footer – presentation title / department 19 Biogeochemický cyklus uhlíku – antropogenní vlivy Biogeochemický cyklus uhlíku Biogeochemický cyklus uhlíku Cyklus methanu Biogeochemický cyklus dusíku Aminokyseliny jsou důležitými sloučeninami všech živých organismů (–NH2 skupiny; bílkoviny). Dusík ve třech formách: Øplynný jako prvek N2 Øv redukované podobě jako amoniak NH3 Øv oxidované podobě jako dusičnanový NO3– iont Pouze jako redukovaný se zúčastňuje biochemických reakcí. N2 nemůže být přímo využíván organismy. Největším rezervoárem dusíku je atmosféra: 78 % Diagram, timeline Description automatically generated Biogeochemický cyklus dusíku Člověk: Øspalování paliv (vznik NO za vysokých teplot z N2 a O2), ten se dále oxiduje na NO2 a s vodou tvoří HNO3 (kyselý déšť) ØN2O (skleníkový plyn) uvolňován bakteriemi ze zemědělských odpadů Øuvolňování z půdy zavlažováním, vypalováním pralesů Øhnojení a komunální odpad (-> řasy) Diagram, timeline Description automatically generated Biogeochemický cyklus dusíku Diagram Description automatically generated Část atmosférického dusíku se účinkem blesků přeměňuje na rozpustné sloučeniny, ale většina přenášená z atmosféry je biochemicky fixována v půdě specializovanými mikroorganismy. Dusík uložený v organické hmotě se vrací do atmosféry v sérii bakteriálních oxidačních kroků, které tvoří nejprve amonné soli, poté dusitany a dusičnany a nakonec plyny N2 a N2O. ̶ Biogeochemický cyklus dusíku Biogeochemický cyklus dusíku Diagram Description automatically generated Biogeochemický cyklus dusíku Biogeochemický cyklus síry ØVětšina síry vázána minerálně (pyrit, sádrovec): ØH2S a SO2 uvolňován z aktivních vulkánů Ørozkladem organické hmoty ØSO42– do atmosféry tříštěním slané vody ØDMS (dimethylsulfid) uvolňován do atmosféry planktonem Člověk: Økolem 1/3 z celkového množství síry do atmosféry (99 % SO2) Øspalování fosilních paliv (2/3) Øzpracování ropy, minerálních zdrojů Diagram Description automatically generated Biogeochemický cyklus síry Cyklus síry, který je znázorněn na obrázku, je poměrně složitý v tom, že zahrnuje několik plynných sloučenin, špatně rozpustných minerálů a několik sloučenin v roztoku. Je svázán s cyklem kyslíku, ve kterém se síra spojuje s kyslíkem a vytváří se plynný oxid siřičitý, SO[2], látka znečišťující ovzduší, a rozpustný iont síranu, SO[4]2-. Mezi významné druhy podílející se na cyklu síry patří plynný sirovodík, H[2]S; minerální sulfidy, jako je PbS, kyselina sírová, H[2]SO4, hlavní složka kyselého deště; a biologicky vázaná síra v proteinech obsahujících síru. Biogeochemický cyklus síry Cyklus síry. Síra existuje v přírodě v oxidačních stavech od -2 do +6. Přírodní emise jsou geologické (např. ze sopek) i biologické. Tyto emise jsou převážně, ale ne úplně, redukovanějších sloučenin (např. H[2]S, (CH3)[2]S), ale emitují se také SO[2], CS[2] a COS. Člověk velmi výrazně přispívá k emisím, zejména k SO[2]. V atmosféře se redukované sloučeniny oxidují na SO[2] a nakonec na SO[3], a to jak v homogenních, tak v heterogenních procesech. SO[3] se může hydrolyzovat a začlenit do mraků nebo dešťových kapiček jako kyselina sírová. Návrat rozpuštěné kyseliny na povrch dokončí cyklus. Biogeochemický cyklus síry Biogeochemický cyklus fosforu Diagram Description automatically generated ØDůležitá složka RNA, DNA a přenašečů energie (ADP, ATP): Øfosfor se jen pomalu uvolňuje z hornin (apatit.. ) Ønevstupuje do atmosféry Øje většinou limitujícím faktorem růstu rostlin Člověk: Øhnojiva a prací prostředky Øzemědělské a komunální odpady Cyklus fosforu, je zásadní, protože fosfor je obvykle limitujícím nutrientem v ekosystémech. Neexistují žádné běžné stabilní plynné formy fosforu, takže cyklus fosforu je endogenní. V geosféře je přítomen fosfor převážně ve špatně rozpustných minerálech, jako je vápenatá sůl hydroxyapatitu, usazeniny kterého tvoří hlavní rezervoár fosfátu v životním prostředí. Rozpustný je přijímán fosfor z fosfátových minerálů a dalších zdrojů, jako jsou hnojiva rostlinami a začleněny do nukleových kyselin, které tvoří genetický materiál živých organizmů. Mineralizace biomasy mikrobiálním rozpadem vrací fosfor do roztoku solí, ze kterého se může vysrážet jako minerální látka. Antroposféra je důležitým rezervoárem fosforu v životním prostředí. Velké množství fosfátů se získává z fosfátových minerálů pro hnojivo, průmyslové chemikálie a potravinářské přísady. Fosfor je součástí některých extrémně toxických sloučeniny, zejména organofosfátové insekticidy a vojenské nervovoparalytické látky (sarin, novičok). Biogeochemický cyklus fosforu Biogeochemický cyklus fosforu Biogeochemický cyklus fosforu Biogeochemický cyklus kyslíku Diagram, engineering drawing, schematic Description automatically generated Cyklus kyslíku zahrnuje výměnu kyslíku mezi elementární formou plynného O[2], obsaženého v obrovském rezervoáru v atmosféře a chemicky vázaným O v CO[2], H[2]O a organických látkách. Je silně svázán s jinými elementárními cykly, hlavně s uhlíkovým cyklem. Elementární kyslík je chemicky vázán různými exotermními procesy, zejména spalováním a metabolickými procesy v organismech. Kyslík se uvolňuje fotosyntézou. Tento prvek se snadno kombinuje a oxiduje ostatní druhy jako uhlík v aerobním dýchání nebo uhlík a vodík při spalování fosilních paliv, jako je methan. Elementární kyslík také oxiduje anorganické látky, jako je železo (II) v minerálech. Obzvláště důležitým aspektem kyslíkového cyklu je stratosférický ozon, O3. Relativně malá koncentrace ozonu v stratosféře, filtruje ultrafialové záření záření v rozsahu vlnových délek 220 - 330 nm, čímž chrání život na Zemi od vysoce škodlivých účinků tohoto záření. Kyslíkový cyklus je završen návratem elementárního O[2] do atmosféry. Jediným významným způsobem, jak toho lze dosáhnout, je prostřednictvím fotosyntézy rostlinami. Vztahy mezi cykly uhlíku a kyslíku Diagram Description automatically generated Biogeochemický cyklus kyslíku Cyklus kyslíku. Cyklus pozůstává z pohybu kyslíku uvnitř a mezi jeho hlavními rezervoáry: atmosférou, biosférou, litosférou a hydrosférou. Většina zemského kyslíku je v litosféře, ale největší toky jsou do a z biosféry. Hlavní hnací sílou cyklu kyslíku je fotosyntéza. Biogeochemický cyklus kyslíku Stabilita atmosféry: Obsah O2 v atmosféře v porovnání s obsahem CO2 je stabilnější. Biologický zpětně vazebný mechanismus (kontrola tlaku O2 v atmosféře): nárůst koncentrace kyslíku – nárůst parciálního tlaku kyslíku – inhibice fotosyntézy nárůst koncentrace oxidu uhličitého – nárůst parciálního tlaku CO2 – vyšší rychlost fotosyntézy, zvětšuje se rostlinná složka biosféry, větší fytomasa více respiruje – roste koncentrace O2, klesá produkce O2, roste koncentrace CO2, zvyšuje se rychlost fotosyntézy Biogeochemický cyklus kyslíku "Our house is burning. Literally. The Amazon rain forest – the lungs which produces 20% of our planet's oxygen – is on fire," Macron wrote in a tweet Thursday. "It is an international crisis. Members of the G7 Summit, let's discuss this emergency first order in two days!" Sean Gallup/Getty Images Vztahy mezi cykly C, S, P, N a O Diagram Description automatically generated Hydrologický cyklus Hydrologický cyklus Diagram Description automatically generated Planetární meze • •Identifikuje devět procesů, které jsou kritické pro udržení stability a odolnosti zemského systému jako celku •Cíl:vymezit a kvantifikovat úrovně antropogenních poruch, které by, pokud by byly respektovány, umožnily Zemi zůstat v stavu „podobnému holocénu“ •Lidské aktivity nyní přivedly Zemi mimo holocénní oblast proměnlivosti životního prostředí, což dalo vzniknout nové době: antropocénu. • • Richardson et al. Earth beyond six of nine planetary boundaries. Science Advances 9, 2023, eadh2458. Planetární meze • •Integrita biosféry •Klimatická změna •Nové entity = chemické látky + GMO •Úbytek stratosférického ozónu •Změna sladkovodního režimu •Atmosférické aerosolové zatížení •Acidifikace oceánu •Změna suchozemského systému •Biogeochemické toky (N, P) • • • Richardson et al. Earth beyond six of nine planetary boundaries. Science Advances 9, 2023, eadh2458. Planetární meze: integrita biosféry a klimatická změna Richardson et al. Earth beyond six of nine planetary boundaries. Science Advances 9, 2023, eadh2458. NPP = globální terestrická netto primární produce HANPP = human appropriation of NPP = lidské přivlastnění NPP (HANPP) Planetární meze: integrita biosféry a klimatická změna Richardson et al. Earth beyond six of nine planetary boundaries. Science Advances 9, 2023, eadh2458. •holocénní NPP terestrické biosféry byla 55,9 Gt C za rok a mimořádně stabilní •V 2020 potenciální přírodní NPP stoupla na 71,4 Gt C za rok kvůli uhlíkovému hnojení, nerovnovážné reakci fyziologie suchozemských rostlin na antropogenně rostoucí CO2 •výzkum , jak se různé stupně překračování mezí pro změny klimatu a zemského systému kombinují, aby ovlivnily dva spoludeterminanty stavu zemského systému: teplotu a ukládání uhlíku na zemi. Výsledky jsou založeny na idealizovaných experimentech s modelem zemského systému s různým stavem planetárních hranic, počínaje udržováním planetárních hranic (85 %/50 %/85 % zbývajících boreálních/mírných/tropických lesů, 350 ppm atmosférického CO2, zelená), horní konec zóny rostoucího rizika (60 %/30 %/60 %, 450 ppm, oranžová) a za zónou rostoucího rizika (40 %/20 %/40 %, 550 ppm, červená). Otevřené kruhy představují krátkodobé změny (1988–2100) systému, zatímco barevné kruhy dlouhodobé změny (2100–2770). Jejich barvy označují stav hranice změny zemského systému, zatímco hranice změny klimatu je znázorněna na ose y. Umístění kruhů na ose x představuje změny v zásobách uhlíku v zemi a související změny teploty země jsou uvedeny vedle každého kruhu, obě ve srovnání s rokem 1988. Překročení hranice změny klimatu (osa y) je většinou spojeno ke zvýšení teploty, zatímco transgrese změny zemského systému vede ke ztrátě pozemských zásob uhlíku (zdroj) o 100 až 200 Gt C. Uhlíkové hnojení růstu vegetace působí proti negativním dopadům oteplování klimatu na globální průměrné propady uhlíku, což vede pouze k mírným kumulativním ztrátám suchozemského uhlíku v důsledku dodatečného odlesňování. Pokud by se však odlesňování udržovalo na úrovni planetárních hranic, místo aby se nechalo zvedat v zóně rostoucího rizika, pak by se v zemské biosféře vyvinula kumulativní jímka uhlíku spíše než zdroj, což by přispělo ke stabilizaci podmínek na Zemi. . Naproti tomu, pokud je povoleno odlesňování proniknout do vysoce rizikové zóny, pak simulace ukazují významný dodatečný únik uhlíku do atmosféry v krátkodobém i dlouhodobém horizontu (132 a 211 μg C), a to navzdory silnému hnojení vegetace CO2. v modelu. Podle těchto simulací přinesly antropogenní aktivity kolem roku 1988 změny klimatu i zemského systému mimo jejich bezpečný provozní prostor. Pokud by zemský systém zůstal vynucený podmínkami roku 1988 (350 ppm a 85 %/50 %/85 % tropického/mírného/boreálního lesa zbývající pokrytí), simulace ukazují, že teplota nad globálním zemským povrchem by se v následujících 800 letech nezvýšila o více než dalších 0,6 °C (a ne > 1,3 °C ve srovnání s předindustriálním obdobím). Pouze malý (kumulativní 25 Gt C) pozemský zdroj uhlíku by se vyvinul do roku 2100 a kumulativní zdroj ne > 68 Gt C po 800 letech. Cvičení tedy naznačuje, že v podstatě stabilní planetární podmínky by byly zachovány, pokud by lidské dopady na tyto dvě hranice zůstaly na úrovních z roku 1988, tj. okrajově v rámci bezpečného provozního prostoru.Obě tyto planetární hranice však byly od té doby překročeny do zóny rostoucího rizika systémového narušení. Pokud lze změny klimatu a zemského systému zastavit při 450 ppm a lesní porost zachovat na 60 %/30 %/60 % boreálního/mírného/tropického přírodního pokryvu, pak simulace ukazuje průměrný nárůst teploty nad pevninou o 1,4 °C do roku 2100. (kromě 0,7 °C mezi předindustriální dobou a rokem 1988) a 1,9 °C po 800 letech, jak se vegetace vyvíjí v teplejším klimatu a s tím spojené hnojení uhlíkem. Situace je ještě extrémnější, pokud koncentrace CO2 v atmosféře stoupne nad rizikovou zónu (550 ppm; obr. 2) a odlesňování pokračuje. Nejen, že je teplota na pevnině asi o 2,7 °C vyšší než v roce 1988 (o 3,4 °C teplejší než předindustriální), ale také by se z pozemské vegetace a půdy dlouhodobě ztratilo asi 145 Gt C. Všimněte si, že tato zjištění odrážejí optimistické modelové předpoklady o hnojení uhlíkem. Řada ekologických faktorů nedostatečně zastoupených v současných biogeochemických modelech by mohla vést k ještě méně žádoucím důsledkům opuštění bezpečného provozního prostoru. Tyto simulace jasně ilustrují, že lidské dopady na klima a lesní porost musí být zvažovány v systémovém kontextu. Dále podporují umístění planetárních hranic pro změnu klimatu a zemského systému na spodním konci zóny rostoucího rizika. Planetární meze: biogeochemické toky N a P • •jejich globální cykly se díky zemědělství a průmyslu výrazně změnily •Antropogenní dopady na globální koloběh uhlíku jsou stejně zásadní, ale řeší se v mezích integrity klimatu a biosféry •FOSFOR: Globální mez pro P je trvalý tok 11 Tg P za rok ze sladké vody do oceánu, aby se zabránilo rozsáhlé anoxii •Současný odhad toku: 22 Tg P za rok •aplikace fosforu v hnojivech do orné půdy je 17,5 Tg P za rok •DUSÍK: planetární hranice pro N je aplikační dávka záměrně fixovaného N do zemědělského systému 62 Tg N za rok •Celkový přísun antropogenně fixovaného N aplikovaného do zemědělského systému je ~190 Tg za rok Richardson et al. Earth beyond six of nine planetary boundaries. Science Advances 9, 2023, eadh2458. Poháněný geotermální energií (?): teplo je vedeno kondukcí a konvekcí (konvektivní buňky). Povrch planety je tvořen tenounkou 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: Ädivegentní – riftová, rozestupující se centra – častá ale slabá zemětřesení Äkonvergentní – desky se pohybují k sobě; jedna se zasouvá pod druhou (subdukční zóna) nebo se střetávají (kolizní zóna). Místa explosivního vulkanismu a silných zemětřesení. Ätransformní – desky se pohybují podél sebe, olamují se a obrušují. Silná zemětřesení bez vulkanismu. Horninový cyklus Horninový cyklus