معلومة

1.1: الغلاف الجوي وتنظيم المناخ - علم الأحياء

1.1: الغلاف الجوي وتنظيم المناخ - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

تلعب الحياة على الأرض دورًا مهمًا في تنظيم الخصائص الفيزيائية والكيميائية والجيولوجية للأرض ، من التأثير على التركيب الكيميائي للغلاف الجوي إلى تعديل المناخ.

منذ حوالي 3.5 مليار سنة ، ساعدت أشكال الحياة المبكرة (بشكل أساسي البكتيريا الزرقاء) في خلق جو مؤكسج من خلال عملية التمثيل الضوئي ، وامتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وإطلاق الأكسجين (Schopf 1983 ؛ Van Valen 1971). بمرور الوقت ، غيرت هذه الكائنات تكوين الغلاف الجوي ، وزادت مستويات الأكسجين ، ومهدت الطريق للكائنات الحية التي تستخدم الأكسجين كمصدر للطاقة (التنفس الهوائي) ، مكونة جوًا مشابهًا لذلك الموجود اليوم.

دورات الكربون على الكوكب بين الأرض والغلاف الجوي والمحيطات من خلال مجموعة من العمليات الفيزيائية والكيميائية والجيولوجية والبيولوجية (IPCC 2001). تتمثل إحدى الطرق الرئيسية التي يؤثر بها التنوع البيولوجي في تكوين الغلاف الجوي للأرض في دوره في دورة الكربون في المحيطات ، وهو أكبر خزان للكربون على هذا الكوكب (Gruber و Sarmiento ، قيد النشر). في المقابل ، يؤثر تكوين الغلاف الجوي للكربون على المناخ. تلعب العوالق النباتية (أو النباتات البحرية المجهرية) دورًا رئيسيًا في تنظيم كيمياء الغلاف الجوي عن طريق تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مادة عضوية أثناء عملية التمثيل الضوئي. تستقر هذه المادة العضوية المحملة بالكربون إما بشكل مباشر أو غير مباشر (بعد أن يتم استهلاكها) في أعماق المحيط ، حيث تبقى لعدة قرون ، أو حتى آلاف السنين ، وتعمل كمستودع رئيسي للكربون على هذا الكوكب. بالإضافة إلى ذلك ، يصل الكربون أيضًا إلى أعماق المحيط من خلال عملية بيولوجية أخرى - تكوين كربونات الكالسيوم ، المكون الأساسي للأصداف في مجموعتين من الكائنات البحرية coccolithophorids (عوالق نباتية) و foraminifera (كائن حي وحيد الخلية مقشر وفير في العديد من البيئات البحرية). عندما تموت هذه الكائنات ، تغرق أصدافها في القاع أو تذوب في عمود الماء. تعمل حركة الكربون عبر المحيطات على إزالة الكربون الزائد من الغلاف الجوي وتنظيم مناخ الأرض.

على مدى القرن الماضي ، غيّر البشر تكوين الغلاف الجوي عن طريق إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. يُعتقد أن ثاني أكسيد الكربون الزائد هذا ، إلى جانب غازات "الاحتباس الحراري" الأخرى ، تعمل على تسخين غلافنا الجوي وتغيير مناخ العالم ، مما يؤدي إلى "الاحتباس الحراري". كان هناك الكثير من الجدل حول كيفية استجابة العمليات الطبيعية ، مثل تدوير الكربون عبر العوالق النباتية في المحيطات ، لهذه التغييرات. هل ستزيد إنتاجية العوالق النباتية وبالتالي تمتص الكربون الإضافي من الغلاف الجوي؟ تشير الدراسات الحديثة إلى أن العمليات الطبيعية قد تبطئ من معدل زيادة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، ولكن من المشكوك فيه أن محيطات الأرض أو غاباتها يمكن أن تمتص كامل الكربون الإضافي الناتج عن النشاط البشري (Falkowski et al.2000) .


1.1: الغلاف الجوي وتنظيم المناخ - علم الأحياء

على مدار تاريخها الطويل ، كانت الأرض دافئة وباردة مرارًا وتكرارًا. لقد تغير المناخ عندما تلقى الكوكب أكثر أو أقل من ضوء الشمس بسبب التحولات الطفيفة في مداره ، أو تغير الغلاف الجوي أو السطح ، أو عندما اختلفت طاقة الشمس و rsquos. ولكن في القرن الماضي ، بدأت قوة أخرى في التأثير على مناخ الأرض و rsquos: البشرية.

(صورة رائد فضاء ناسا ISS022-E-6674.)

ما هو الاحتباس الحراري؟

الاحترار العالمي هو الزيادة السريعة غير المعتادة في متوسط ​​درجة حرارة سطح الأرض و rsquos خلال القرن الماضي ويرجع ذلك أساسًا إلى غازات الاحتباس الحراري التي يطلقها الأشخاص الذين يحرقون الوقود الأحفوري.

كيف يقارن الاحترار اليوم و rsquos بتغير المناخ في الماضي؟

شهدت الأرض تغير المناخ في الماضي دون مساعدة من البشرية. لكن الاحترار المناخي الحالي يحدث بسرعة أكبر بكثير من أحداث الاحترار السابقة.

لماذا يعتقد العلماء أن الاحترار الحالي ليس طبيعيًا؟

في تاريخ الأرض و rsquos قبل الثورة الصناعية ، تغير مناخ الأرض و rsquos لأسباب طبيعية لا علاقة لها بالنشاط البشري. لا تزال هذه الأسباب الطبيعية قائمة حتى يومنا هذا ، ولكن تأثيرها ضئيل للغاية أو أنها تحدث ببطء شديد لتفسير الاحترار السريع الذي شهدناه في العقود الأخيرة.

كم ستدفأ الأرض أكثر؟

تتنبأ النماذج أنه مع استهلاك العالم للوقود الأحفوري أكثر من أي وقت مضى ، ستستمر تركيزات غازات الاحتباس الحراري في الارتفاع ، وسيرتفع متوسط ​​درجة حرارة سطح الأرض و rsquos معها. بناءً على سيناريوهات الانبعاثات المعقولة ، يمكن أن يرتفع متوسط ​​درجات الحرارة السطحية بين 2 و 6 درجات مئوية بحلول نهاية القرن الحادي والعشرين. سيحدث بعض هذا الاحترار حتى لو تم تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في المستقبل ، لأن نظام الأرض لم يتكيف بشكل كامل مع التغييرات البيئية التي أجريناها بالفعل.

كيف ستستجيب الأرض لارتفاع درجات الحرارة؟

إن تأثير الاحتباس الحراري أكبر بكثير من مجرد زيادة درجات الحرارة. يؤدي الاحترار إلى تعديل أنماط هطول الأمطار ، وتضخيم تآكل السواحل ، وإطالة موسم النمو في بعض المناطق ، ويذيب القمم الجليدية والأنهار الجليدية ، ويغير نطاقات بعض الأمراض المعدية. بعض هذه التغييرات تحدث بالفعل.

المراجع والموارد ذات الصلة


1.1: الغلاف الجوي وتنظيم المناخ - علم الأحياء

يؤثر التنوع البيولوجي على المناخ على المستويات المحلية والإقليمية والعالمية ، ومع ذلك فإن معظم النماذج المناخية لا تأخذ التنوع البيولوجي في الاعتبار لأن متغيراته وآثاره متنوعة للغاية ومعقدة لدرجة يصعب معها حسابها. ومع ذلك ، أظهرت دراستان حديثتان أهمية القدرة على النظر في استجابة الغطاء النباتي لمستويات مرتفعة من ثاني أكسيد الكربون في النماذج المناخية بينما نحاول التنبؤ بمستقبل مناخنا.

مصدر الصورة: David Darricau

وجد العلماء في معهد كارنيجي للعلوم أن التأثيرات المباشرة لثاني أكسيد الكربون على الغطاء النباتي تساهم في الاحتباس الحراري. من خلال المسام التي تسمى الثغور في أوراقها ، تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي الذي تستخدمه في عملية التمثيل الضوئي. ثم يطلقون الماء من خلال الثغور في عملية تسمى التبخر النتح الذي يبرد النبات تمامًا كما يبرد العرق البشر. يعمل التبخر أيضًا على تبريد الهواء المحيط - حيث يمكن للشجرة أن تخرج ما يصل إلى عشرة جالونات من الماء في يوم حار. ولكن عندما ترتفع مستويات ثاني أكسيد الكربون ، تتقلص ثغور النباتات ، مما يؤدي إلى إطلاق كمية أقل من الماء في الهواء وتقليل تأثير التبريد.

ضاعف علماء كارنيجي Long Cao و Ken Caldeira مستوى ثاني أكسيد الكربون في نموذجهم ووجدوا أن انخفاض التبخر النتح على مستوى العالم كان مسؤولاً عن 16 في المائة من ارتفاع درجة حرارة الأرض ، وكان الباقي بسبب تأثيرات احتباس الحرارة لثاني أكسيد الكربون. في أمريكا الشمالية وآسيا ، كان أكثر من 25 في المائة من الاحترار بسبب تأثير زيادة ثاني أكسيد الكربون على الغطاء النباتي. قال Cao: "لم يعد هناك أي شك في أن ثاني أكسيد الكربون يقلل التبريد التبخيري بواسطة النباتات وأن هذا الانخفاض في التبريد يزيد من الاحتباس الحراري ، & # 8221. & # 8220 هذا التأثير من شأنه أن يسبب احترارًا كبيرًا حتى لو لم يكن ثاني أكسيد الكربون من غازات الدفيئة. & # 8221

التأثير الآخر لثاني أكسيد الكربون المضاعف هو زيادة الجريان السطحي من الأرض حيث يتجاوز هطول الأمطار نظام التبخر النتحي للنبات ويشق طريقه مباشرة إلى الجداول والأنهار.

لم تأخذ دراسة كارنيجي في الاعتبار التأثيرات الأخرى لزيادة ثاني أكسيد الكربون مثل زيادة مساحة الورقة ، والتغيرات في التوزيع الخضري والتغيرات الناتجة في البياض (انعكاس أسطح الأرض التي تؤثر على كمية الإشعاع الشمسي الممتص). تم إصلاح هذه الجوانب في نموذجهم. لكنهم استشهدوا بالأبحاث السابقة حول زيادة ثاني أكسيد الكربون التي أظهرت أن التبريد الناتج عن زيادة مساحة الأوراق أنتج تأثير تبريد شامل على الأرض ، وأن الانخفاض في البياض بسبب توسع الغابات الصنوبرية أدى إلى ارتفاع درجة حرارة الأرض.

قال كالديرا: "تُظهر هذه النتائج حقًا أن كيفية استجابة النباتات لثاني أكسيد الكربون مهمة جدًا لعمل تنبؤات مناخية جيدة". "لذا إذا أردنا تحسين التنبؤات المناخية ، فنحن بحاجة إلى تحسين تمثيل النباتات الأرضية في نماذج المناخ.

وجدت دراسة جديدة لوكالة ناسا أخذت نمو النبات في الاعتبار أن مضاعفة مستوى ثاني أكسيد الكربون أدى إلى تأثير التبريد. كان النموذج الذي استخدمه لاهواري بونوا من مركز جودارد لرحلات الفضاء في جرينبيلت بولاية ماريلاند مبتكرًا في دراسته لرد فعل النباتات على زيادة ثاني أكسيد الكربون المسمى "التنظيم المنخفض". التنظيم السفلي هو العملية التي تمكن النباتات من استخدام المياه والعناصر الغذائية بشكل أكثر كفاءة عندما يكون هناك زيادة في ثاني أكسيد الكربون ، بحيث تكون قادرة على الحفاظ على المستويات السابقة من التمثيل الضوئي ، والتي يمكن أن تعزز نمو الأوراق في نهاية المطاف.

أدت زيادة مساحة الورقة إلى مزيد من التبخر على مستوى العالم ، وبالتالي خلق تأثير تبريد. تم قياس كمية التبريد في الدراسة -0.6 درجة مئوية (-1.1 فهرنهايت) فوق الأرض ، مقارنة بالنماذج التي لم تتضمن تنظيمًا منخفضًا.

وشدد بونوة ، مع ذلك ، على أن البرودة لم تكن كافية لتعويض اتجاهات الاحترار المتوقعة.

عادة ما تأخذ النماذج المناخية في الاعتبار مضاعفة ثاني أكسيد الكربون لمحاكاة الاحتباس الحراري ، ويتفق العلماء عمومًا على أنه في ظل هذا السيناريو ، سترتفع درجات الحرارة من 2 إلى 4.5 درجة مئوية (3.5 إلى 8.0 فهرنهايت). وجد نموذج Bounoua ارتفاعًا في درجة الحرارة بمقدار 1.94 درجة مئوية على مستوى العالم دون تضمين اللوائح التنظيمية السفلية. ينتج النطاق في درجات الحرارة عن معلومات غير معروفة حول مختلف & # 8220 التغذية المرتدة ، "أي كيف يمكن للأنظمة المختلفة على الأرض مثل السحب ونمو النبات وإطلاق غاز الميثان ودورة المياه والبياض وما إلى ذلك أن تستجيب للاحترار وتتفاعل مع بعضها البعض.

نظرت بونوا وزملاؤها أيضًا في كيفية تحفيز نمو النبات من خلال درجات الحرارة الأكثر دفئًا وزيادة هطول الأمطار في بعض المناطق ، واستخدام النباتات & # 8217 أكثر كفاءة للمياه والمغذيات عندما يتضاعف ثاني أكسيد الكربون. تشير النتائج إلى أنه على المدى الطويل ، قد تؤدي الزيادات في الغطاء النباتي بسبب ارتفاع ثاني أكسيد الكربون إلى تقليل درجات الحرارة بعد استقرار مستويات ثاني أكسيد الكربون.

& # 8220 بينما نتعلم المزيد حول كيفية تفاعل هذه الأنظمة ، يمكننا معرفة المزيد حول كيفية تغير المناخ ، & # 8221 قال المؤلف المشارك للدراسة Forrest Hall. & # 8220 نتحسن كل عام. "

يتم تصميم نماذج مناخية جديدة للنظر في الغطاء النباتي العالمي الديناميكي الذي يسمح لأنواع النباتات بالتحول بشكل تفاعلي مع المناخ ، وديموغرافيا النظام الإيكولوجي التي تفسر كيفية استجابة مجتمعات النباتات المتنوعة لتغير المناخ بمرور الوقت.


وقت التغيير

في الولايات المتحدة ، يحظى الإلغاء التدريجي بدعم من كلا الحزبين السياسيين الرئيسيين ، وهناك بالفعل بدائل متاحة للثلاجات ومكيفات الهواء الجديدة. أحد البدائل الموجودة بالفعل في العديد من نماذج الثلاجات هو الأيزوبيوتان. يُعرف في الصناعة باسم R-600a ، وهو غير مكلف ، ولا يوجد لديه تقريبًا أي احتمال لاستنفاد طبقة الأوزون ، وله إمكانات صغيرة للاحترار العالمي (ثلاثة بدلاً من R-134a 1430). بالفعل ، بدأ المصنعون في التحول إلى المبرد الجديد.

لكن التبديل استغرق عقودًا أطول مما يلزم. حاربت شركات المواد الكيميائية الكبرى مثل DuPont ، التي تنتج مركبات الكربون الكلورية فلورية ، لوائح مركبات الكربون الكلورية فلورية إلى أن استبدلت الشركات بمركبات الكربون الهيدروفلورية جاهزة وحصلت على براءة اختراع ، ويظهر تقرير صادر عن Inside Climate News أنها عملت على إبطاء التخلص التدريجي من مركبات الكربون الهيدروفلورية أيضًا. الأيزوبيوتان رخيص ، وغير قابل لبراءة اختراع ، ومتوفر على نطاق واسع - وهو الأكثر شيوعًا المعروف بوقود مواقد المخيمات.

منذ ما يقرب من عقد من الزمان ، بدا أن الأيزوبيوتان وغيره من المبردات الهيدروكربونية مهيأة للاستخدام في السوق. في عام 2011 ، أعطت شركة Underwriters Laboratories (UL) الضوء الأخضر لغازات التبريد ، وتبعتها وكالة حماية البيئة (EPA) بعد فترة وجيزة. ولكن بعد ذلك خفضت UL حدودها ، مشيرة إلى خطر نشوب حريق إذا تسربت المبردات الهيدروكربونية في غرفة صغيرة تحتوي أيضًا على لهب مكشوف ، مثل سخان المياه الذي يعمل بالغاز. قال خبراء آخرون إن التغيير لا مبرر له وأن سيناريو مخاطر الحريق في UL من غير المرجح أن يحدث. ولكن في عام 2017 ، رفعت UL الحد مرة أخرى ، واتبعتها وكالة حماية البيئة. بدأت الأجهزة التي تستخدم الأيزوبيوتان بالتسرب إلى السوق.

في النهاية ، قد تكون قضية الحريق محل نقاش حيث بدأت بعض متاجر البقالة في التحول إلى استخدام ثاني أكسيد الكربون كمبرد. على الرغم من أنه يتطلب ضغوطًا أعلى في جميع أنحاء نظام التبريد ، إلا أن ثاني أكسيد الكربون لا يضر بطبقة الأوزون. وما هي احتمالية الاحترار العالمي؟ واحد.


دليل على تغير المناخ العالمي

نظرًا لأن العلماء لا يستطيعون العودة بالزمن إلى الوراء لقياس المتغيرات المناخية بشكل مباشر ، مثل متوسط ​​درجة الحرارة وهطول الأمطار ، فيجب عليهم بدلاً من ذلك قياس درجة الحرارة بشكل غير مباشر. للقيام بذلك ، يعتمد العلماء على الأدلة التاريخية لمناخ الأرض في الماضي.

تعتبر عينات الجليد القلبية في أنتاركتيكا مثالًا رئيسيًا على مثل هذه الأدلة. هذه العينات الجليدية هي عينات من الجليد القطبي تم الحصول عليها عن طريق التدريبات التي تصل إلى آلاف الأمتار داخل الصفائح الجليدية أو الأنهار الجليدية الجبلية العالية. يشبه عرض نوى الجليد الانتقال إلى الوراء عبر الزمن ، وكلما كانت العينة أعمق ، كانت الفترة الزمنية مبكرة. محاصرون داخل الجليد عبارة عن فقاعات من الهواء وغيرها من الأدلة البيولوجية التي يمكن أن تكشف عن بيانات درجة الحرارة وثاني أكسيد الكربون. تم جمع عينات اللب الجليدية في القطب الجنوبي وتحليلها لتقدير درجة حرارة الأرض بشكل غير مباشر على مدار 400000 عام الماضية ([رابط]أ). تشير 0 درجة مئوية في هذا الرسم البياني إلى المتوسط ​​طويل المدى. درجات الحرارة التي تزيد عن 0 درجة مئوية تتجاوز متوسط ​​درجة حرارة الأرض على المدى الطويل. وعلى العكس من ذلك ، فإن درجات الحرارة التي تقل عن 0 درجة مئوية تكون أقل من متوسط ​​درجة حرارة الأرض. يوضح هذا الشكل أنه كانت هناك دورات دورية لزيادة درجة الحرارة وانخفاضها.

قبل أواخر القرن التاسع عشر ، كانت الأرض أكثر برودة بمقدار 9 درجات مئوية وأكثر دفئًا بنحو 3 درجات مئوية. لاحظ أن الرسم البياني الموجود في [link]ب يوضح أن تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي قد ارتفع أيضًا وانخفض في دورات دورية لاحظ العلاقة بين تركيز ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحرارة. [حلقة الوصل]ب يوضح أن مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي قد تم تدويرها تاريخيًا بين 180 و 300 جزء في المليون من حيث الحجم.


[حلقة الوصل]أ لا يُظهر الألفي عام الماضية بتفاصيل كافية لمقارنة التغيرات في درجة حرارة الأرض خلال الأربعمائة ألف عام الماضية مع تغير درجة الحرارة الذي حدث في الماضي القريب. حدث شذوذان مهمان في درجات الحرارة ، أو عدم انتظام ، في آخر 2000 سنة. هذه هي شذوذ المناخ في العصور الوسطى (أو فترة العصور الوسطى الدافئة) والعصر الجليدي الصغير. هناك شذوذ ثالث في درجات الحرارة يتوافق مع العصر الصناعي. حدث شذوذ المناخ في العصور الوسطى بين عامي 900 و 1300 بعد الميلاد. خلال هذه الفترة الزمنية ، يعتقد العديد من علماء المناخ أن ظروف الطقس الأكثر دفئًا كانت سائدة في أجزاء كثيرة من العالم ، حيث تفاوتت التغيرات في درجات الحرارة الأعلى من المتوسط ​​بين 0.10 درجة مئوية و 0.20 درجة مئوية فوق المعدل الطبيعي. على الرغم من أن 0.10 درجة مئوية لا تبدو كبيرة بما يكفي لإحداث أي تغيير ملحوظ ، إلا أنها خلقت بحارًا خالية من الجليد. بسبب هذا الاحترار ، تمكن الفايكنج من استعمار جرينلاند.

كان العصر الجليدي الصغير فترة باردة حدثت بين 1550 م و 1850 م. خلال هذا الوقت ، لوحظ تبريد طفيف أقل بقليل من 1 درجة مئوية في أمريكا الشمالية وأوروبا وربما مناطق أخرى من الأرض. هذا التغير بمقدار 1 درجة مئوية في درجة الحرارة العالمية هو على ما يبدو انحرافًا طفيفًا في درجة الحرارة (كما لوحظ خلال شذوذ المناخ في العصور الوسطى) ، ومع ذلك ، فقد أدى أيضًا إلى تغييرات ملحوظة. تكشف الروايات التاريخية عن فترة فصول الشتاء القاسية بشكل استثنائي مع الكثير من الثلوج والصقيع.

تميزت الثورة الصناعية ، التي بدأت حوالي عام 1750 ، بتغييرات في كثير من المجتمعات البشرية. أدى التقدم في الزراعة إلى زيادة الإمدادات الغذائية ، مما أدى إلى تحسين مستوى معيشة الناس في أوروبا والولايات المتحدة. تم اختراع تقنيات جديدة ووفرت فرص عمل وسلع أرخص. تم تشغيل هذه التقنيات الجديدة باستخدام الوقود الأحفوري ، وخاصة الفحم. بشرت الثورة الصناعية التي بدأت في أوائل القرن التاسع عشر ببداية العصر الصناعي. عندما يتم حرق الوقود الأحفوري ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون. مع بداية العصر الصناعي ، بدأ ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في الارتفاع ([رابط]).



شكر وتقدير

د. بدعم من USDA NIFA من خلال محطة التجارب الزراعية في مينيسوتا (المشروع رقم MIN-13-124) ، ووزارة الزراعة في مينيسوتا (العقد رقم 138815) ، ومجلس أبحاث وترويج القمح في مينيسوتا (المشروعان # 00070003 و 00076909) ، و مجلس البحوث والترويج لفول الصويا في ولاية مينيسوتا (المشروعان # 00070622 و 00078080). د. يعترف بالتمويل من برنامج NSERC Discovery وبدعم من كلية أبحاث الأحياء في الجامعة الوطنية الأسترالية. د. كما تم دعمه جزئيًا من خلال عقد وزارة الطاقة الأمريكية رقم DE-SC0012704 إلى مختبر Brookhaven الوطني. أعلن المؤلفون أنه لا يوجد اختلاف في الاهتمامات.


شاهد الفيديو: المرحلة الثانوية - علم البيئة - الغلاف الجوي (شهر نوفمبر 2022).