Лекция 4. Lect_04_Carbon_III Цикл углерода (продолжение). Проблема масштаба при анализе динамики во времени содержания СО2 в атмосфере. Углерод в океане. Сравнение с сушей. Биомасса и чистая первичная продукция (NPP). Карты распределения NPP в океане. Апвеллинг и даунвеллинг. Эль-Ниньо. Перенос углерода в глубины водной толщи: физико-химический и биологический насосы. «Петля Брокера». Углерод на суше. Почва. Изъятие человеком NPP с поверхности суши: картина глобального распределения.

Проблема масштаба scaling

май октябрь

Изменения CO 2 и температуры за 420 тыс. лет («Восток»)

Изменения CO 2 и температуры за 800 тыс. лет (EPICA)

Изменения содержания кислорода (наверху) и углекислого газа (внизу) за 600 миллионов лет PAL – Present Atmospheric Level

Эмиссия СО 2 определяет повышение температуры? или повышение температуры определяет эмиссию CO 2 ?

Углерод в океане Ежегодно связывается ≈ 92 Гт С возвращается в атмосферу ≈ 90 Гт С СО 2, взаимодействуя с молекулами воды, образует угольную кислоту, которая диссоциирует на СО 3 - и СО 3 2- В зависимости от рН соотношение сдвигается СО СО 2 + Н 2 О ↔ 2 НСО 3 -

Углерод в океане Буферная емкость океана ограничена: 1. Нехваткой катионов Ca 2+ и Mg 2+ (необходимы для образования известковых скелетов организмов) 2. Крайне слабым перемешиванием водной толщи (перемешиваемый слой – м, средняя глубина океана м)

Масса углерода живых организмов в океане: ≈ 1-2 Гт Масса углерода в виде детрита (POC – particulate organic carbon) в океане: ≈ 100 Гт Масса углерода в виде растворенного органического вещества (DOC – dissolved organic carbon) ≈ 1000 Гт

Биомасса организмов в океане ≈ 1-2 Гт С на суше ≈ 800 Гт С ( ) Чистая первичная продукция океана ≈ 60 Гт С год -1 (35 – 100) суши ≈ 57 Гт С год -1 (48 – 65)

Биомасса t Продукция ∆ t Первичная продукция (Primary production) Валовая продукция (Gross production - GP) Чистая продукция (Net production - NP) Дыхание (Respiration – R) NP = GP – R Net primary production - NPP

Что ограничивает первичную продукцию на большей части акватории Мирового океана?

Хлорофилл в июне Credit: NASA/GSFC

Хлорофилл в январе Credit: NASA/GSFC

Глобальное распределение хлорофилла (среднее за год) Глобальное распределение температуры поверхности океана

Redfield ratio (соотношение числа атомов в веществе океанического планктона) C : N : P 106 : 16 : 1

Для перемещения углерода из поверхностных вод в глубинные существуют: 1) Физико-химический «насос» (термохалинный механизм) 2) Биологический «насос» (вертикальные миграции зоопланктона, опускание фекальных пеллет)

Подъем водных масс – апвеллинг (upwelling) Обычно около западных берегов континентов Самый знаменитый апвеллинг – Перуанский Эль-Ниньо – перекрывание апвеллинга теплыми Тихого океана Опускание водных масс (downwelling)

Петля Брокера

Смена ветров и перекрытие апвеллинга в случае Эль- Ниньо

Положение апвеллингов

«Цветение» воды в районе Перуанского апвеллинга

Биологический насос Biological pump

Joe Roman, James J. McCarthy The whale pump: marine mammals enhance primary productivity in a coastal basin // PLoS ONE V. 5(10): e13255.

Кит горбач (Megaptera novaeangliae) Снимок Марии Шевченко. Близ о-ва Беринга (Командорские острова)

Джой Роман (Joe Roman) из Университета штата Вермонт в заливе Мэн (Сев.-Зап. Атлантика) Roman

УГЛЕРОД НА СУШЕ

Rattan Lal Carbon sequestration // Phil. Trans. R. Soc. B ,

УГЛЕРОД НА СУШЕ общая биомасса организмов ≈ 800 Гт С ( ) Чистая первичная продукция ≈ 57 Гт С год -1 (48 – 65)

Общая биомасса организмов в океане ≈ 2 Гт С на суше ≈ 800 Гт С ( ) Чистая первичная продукция океана ≈ 60 Гт С год -1 (35 – 100) суши ≈ 57 Гт С год -1 (48 – 65)

Г.А.Заварзин «Лекции по природоведческой микробиологии» ПОЧВА – корнеобитаемый слой на поверхности суши

ПОЧВА появилась только при освоении суши растениями ≈ 300 миллионов лет тому назад (уже в полностью оксигенированной атмосфере)

ПОЧВА своими органическим веществом ПРИРАСТАЕТ ИЗ ВОЗДУХА

ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗА если целлюлоза разлагается исключительно прокариотами, то лигнин – эукариотами, причем в аэробных условиях Разложение лигнина и целлюлозы – лимитирующее звено в круговороте углерода в наземных экосистемах

За год человек на суше изымает первичной продукции в сумме × г углерода, или 20.32% всей годовой чистой первичной продукции

Производство пищи требует изъятия в год 4.09 × г углерода, а использование растений в качестве топлива примерно столько же × г

Для развитых стран потребление NPP составляло 3.2 т С в год на человека Для развивающихся (а это 83% всего населения Земли) – 1.8 т С в год на человека

Human appropriation of terrestrial net primary production (HANPP)