C-Kreislauf

Übersicht
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19.10.
26.10.
2.11.
9.11.
16.11.
23.11.
30.11.
7.12.
14.12.
21.12.
11. 1.
18. 1.
25. 1.
1. 2.
8.2
Einführung (cb, mh)
Motive, Konzepte, Begriffe und Definitionen (cb)
Erdgeschichte (mh)
Evolutionsgeschichte (mh)
Organismen und ihre Autökologie (cb)
Funktionen, Prozesse, Wechselwirkungen (cb)
C-Kreislauf, Modelle abiotischer Systeme (mh)
Populationsökologie (cb)
Metapopulation und Trophiestufen (cb)
Biozönosen und Ökosysteme (Synökologie) (cb)
Zeitliche Muster (mh)
Räumliche Muster (cb)
Serviceleistungen von Ökosystemen (mh)
Forst-, Land-, Fischwirtschaft, Naturschutz (mh)
Umweltveränderungen und Umweltschutz (cb,mh)
Venus
Erde heute
Mars
Temp.
CO2
N2
CH4
O2
Temp.
CO2
N2
CH4
O2
Temp.
CO2
N2
CH4
O2
459°C
96,5%
2%
0,0%
0,006%
ohne Leben
15°C
240-340°C
0,035% 98%
78,08% 1,9%
1,7 ppm 0,0%
20,95% 0,0%
-53°C
96,2%
2,5%
0,0%
0,15%
Verlauf des CO2-Partialdrucks in der
Atmosphäre
Überleben des Stammbaums
während der frühen
Vergletscherungen
From: Paul F. Hoffman and Daniel P. Schrag (1999)
Phasen der Evolution
I. Phase: Prokaryontische Evolution:
–
–
–
–
–
„Überlebenskünstler“
morphologisch ähnlich und konservativ
Physiologisch divers
alle biogeochemischen Kreisläufe existieren
führt zur eukaryotischen Zelle: dem universellen Baustein
des höheren Lebens und damit zur
II. Phase: Eukaryontische Evolution:
–
–
–
–
–
morphologisch divers, physiologische konservativ
Kooperation als Fortpflanzungsgemeinschaften (Art)
Entwicklungsphasen und Tod (Mitose/Meiose)
modularer Aufbau von Organismen
Effizienter Energieumsatz (Atmung)
Cyanobakterien: Fossil und rezent
ca. 1 Mrd. Jahre alt,
Fundort: Bitter Springs, Australien
Cyanobakterium der Gattung
Oscillatoria:
Eine Zunahme an Komplexität ?
Zusammenfassung: Erdgeschichte
- Naturgeschichte setzt Randbedingungen für Biosphäre
–
–
–
–
Zunahme der Sonnenstrahlung
Abkühlung und Ausdifferenzierung der festen Materie,
SiO2 Akkumulation in der Kontinentalkruste,
O2 Akkumulation in der Atmosphäre
- „kein Wasser, kein Granit, keine Kontinente …“
- Auf langen Zeiträume gegenseitige Beeinflussung der
Geschichte der unbelebten Teile der Erde und des
Lebens
Zusammenfassung: Evolution
• Diversität des Lebens durch Evolution
– Kette von physiologischen und morphologischen
Innovationen, Ende-offen ?
• Diversität durch Entwicklung (Morphogenese)
– Modular und hierarchisch
– Niemals „wegen Umbau geschlossen“
• Evolution
– In zwei Phasen: erst physiologisch und dann
morphologisch (vor/nach kambrischer Explosion)
• Vernetzung von Evolutions- und Erdgeschichte
– Über Anfangs- und Randbedingungen und durch
– Innovationen im Innern des belebten Systeme
(„eingefrorene Zufälle“)
Ko-Evolution von
Biosphäre und deren
unbelebter Umwelt
Beziehungen zwischen Erd- und EvolutionsGeschichte
• Alle „großen Veränderung“ verlaufen nahezu
synchron und beinhalten:
• Klimaänderungen
• Änderungen in der Zusammensetzung der
Atmosphäre
• Umstellungen in den geochemischen Kreisläufen
• Auftauchen neuer Physiologien oder Baupläne
• Schwankung im Proterozoikum (>0.53 Ga)
systematisch größer als im Phanerozoikum
(<0.53 Ga) ?
Interaktion: Erd- und Evolutionsgeschichte
4. Astro- &
Geophysik ?
Konzentration von CO
2
(Temperatur)
Volumen des Wassers
in flüssiger Phase
1. Geophysik ?
3. Physik
Karbonate im Sediment
2. Bio!
Fotosynthese
Kontinentalkruste
Granit
CO2-Emissionen: Ein Beispiel für die
Kopplung von Biosphäre und Geosphäre
• Bilanzierung des CO2 Umsatzes:
- Quellen, Senken, Inventuren
• Rekonstruktion der Geschichte der Atmosphäre
- Sedimente, Eisbohrkerne, etc.
• Abschätzung der Wirkungen auf
- das Klima (direkt und indirekt)
- die Biota (direkt und indirekt)
• Vorhersagen und Bewertung der Wirkungen
- Modelle der Vorhersage von Geosystemen
- Modelle der Klassifikation, Selektion und Bewertung von
Biosystemen
Periodizität der
Bahnparameter
Aus: Fischer et al. 2004
Klimaarchive aus Eisbohrkernen
Aus: Fischer et al. 2004
Das Klima der
letzten 800.000
Jahre
Aus: Nature Juni 2004
Ab wann beeinflusst der Mensch das Klima?
Klimavariablen während der Eiszeiten
Aus: Ruddiman (2003)
Klimavariablen
im Holozän
Aus: Ruddiman (2003)
Klima-variablen im Holozän
Aus: Ruddiman (2003)
Aus: Physics Today 9/2002
Der globale Umsatz von CO2
Kohlenstoffkreislauf heute
• Umsätze durch terrestrische und aquatische
Ökosysteme etwa gleich groß
• Seit der Industrialisierung anthropogener
Anstieg nachgewiesen
– „Missing sink“
• Seit dem Übergang zur Landwirtschaft
anthropogener Anstieg umstritten
• Wie sieht die Vorgeschichte des heutigen
Kreislaufes auf folgenden Zeitskalen aus?
– Eiszeiten
– Evolutionsgeschichte
– Erdgeschichte
Die CO2 Flüsse in den letzten 10 Jahren
Waldbrände in Indonesien
Aus: Nature 7.11.2002
Die CO2 Konzentration in den letzten 1000 (50) Jahren
Aus: Physics Today 9/2002
CO2 Konzentration in den letzten 400.000 (50) Jahren
Aus: Kirchner (2002)
Das Verhältnis von CO2 Konzentration und Temperatur
in den letzten 400000 (50) Jahre
Aus: Kirchner (2002)
19.14 Die CO2-Emission durch Verbrennung fossiler Brennstoffe und veränderte Landnutzungspraktiken (in
erster Linie Waldrodungen) im Jahre 1980. (Nach UNEP 1991)
Experimente zur
CO2-Wirkung:
FACE-Ringe
(Free Air Carbon Enrichment)
Aus: http://www.face.bnl.gov/face3.htm
Schätzungen zur
weiteren Verteilung
des CO2 Anstieges
Aus: Physics Today 8/2002
Modelle oder Experimente?
• Neue externe Faktoren ( CO2 Konz.) und evt.
neue Verteilung der Ressourcen (Niederschlag,
Stickstoff)
- Die dokumentierte (Natur- oder Nutzungs-)
Geschichte liefert nichts Vergleichbares
- Ist das Verständnis ausreichend für eine Vorhersage?
- Oder muss man die Reaktion abwarten, um sie
bewerten zu können?
- Kann man das experimentell vorweg nehmen?
• Trennung von Fakten und Bewertung?
Modelle für Astro- und Geosysteme
• Kopernikanische Wende:
- Einfache Beschreibung der Daten (Kepler 1609)
• Newton‘sche Mechanik (1686)
- Einfache Erklärung der Daten
- Zustandsmodelle erlauben Vorhersagen
• Anwendung auf die Atmosphäre
- Perspektiven der Wettervorhersage (Bjerkenes 1904)
- Heutiges „high-end“ (Kachelmann 2003)
• Anwendungen auf die Erde
- Perspektiven der Erdvorhersage (Schellnhuber 1999)
- Heutiges Wissen entspricht der „low-end“
Wettervorhersage von 1904 ?
• Eine Geschichte mit Fortsetzung ?