أكثر

10.1:. مقدمة - الأنظمة ، والدورات ، والمخزونات ، والتدفق - علوم الأرض

10.1:. مقدمة - الأنظمة ، والدورات ، والمخزونات ، والتدفق - علوم الأرض


10.1:. مقدمة - الأنظمة ، والدورات ، والمخزونات ، والتدفق - علوم الأرض

10.1:. مقدمة - الأنظمة ، والدورات ، والمخزونات ، والتدفق - علوم الأرض


من أجل فهم كيفية تدوير الكربون وكيف سيتغير ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في المستقبل ، يجب على العلماء دراسة الأماكن التي يتم فيها تخزين الكربون (البرك) بعناية ، ومدة تواجده هناك ، والعمليات التي تنقله من حوض إلى آخر ( تدفقات). بشكل جماعي ، تشكل جميع المجمعات الرئيسية وتدفق الكربون على الأرض ما نشير إليه بدورة الكربون العالمية.

كما قد تتخيل ، فإن دورة الكربون العالمية الفعلية معقدة للغاية. يشمل كل نبات وحيوان وميكروب ، كل ورقة من أوراق الأشجار المتساقطة ، وكل محيط ، وبحيرة ، وبركة وبركة ، وكل تربة ، ورواسب ، وصخور كربونية ، وكل نفس من الهواء النقي ، وثوران بركاني ، وفقاعات تصعد إلى سطح المستنقع. ، من بين أشياء كثيرة أخرى. نظرًا لعدم قدرتنا على التعامل مع هذا المستوى من التعقيد ، غالبًا ما يصف العلماء دورة الكربون عن طريق تجميع أجسام أو بيئات متشابهة في مجموعات أبسط (الغابات والأراضي العشبية والغلاف الجوي والمحيطات) والتركيز فقط على العمليات الأكثر أهمية على المستوى العالمي (انظر الرسم التخطيطي لدورة الكربون العالمية). كما قد تتخيل ، فإن جزءًا من الحيلة هو فهم ماهية تلك العمليات.

يمثل القسم التالي نظرة عامة موجزة عن بعض التجمعات والتدفقات الهامة في دورة الكربون العالمية (ولاحظ أنه في مناقشتنا ، سنستخدم مصطلحات التجمع والمخزون والخزان بالتبادل). ولكن أولاً ، من المفيد أخذ بعض الوقت في الاعتبار للأعداد والوحدات التي غالبًا ما يتعامل معها العلماء. نظرًا لأن كميات الكربون في أحواض الكربون الرئيسية على الأرض يمكن أن تكون كبيرة جدًا ، فمن غير المناسب استخدام وحدات مألوفة مثل الجنيهات أو الكيلوجرامات. بدلاً من ذلك ، نستخدم وحدات أخرى أكثر ملاءمة للتعبير عن الأعداد الكبيرة. على سبيل المثال ، فإن بيتاجرام من الكربون (Pg) ، والمعروف أيضًا باسم Gigaton (Gt) ، يساوي 10 ^ 15 جرامًا أو مليار طن. طن ، المعروف أيضًا باسم طن متري ، يساوي ألف كيلوغرام (1000 كيلوغرام). لأن الكيلوغرام الواحد يساوي 2.205 رطلاً ، فإن الطن المتري الواحد يساوي 2205 رطلاً. وبأخذ هذا أبعد من ذلك ، يمكننا أن نرى أن بيتاجرام واحد يساوي حوالي 2،200،000،000،000 (أو 2.2 تريليون) رطل! يعد التعبير عن هذا كـ 1 Pg أبسط بكثير من العمل مع العديد من الأصفار. الآن سننظر في الكربون المخزن على الأرض في أربعة خزانات رئيسية.

اعتمادًا على أهدافنا ، يمكن تجميع مجمعات الكربون الموجودة على الأرض في أي عدد من الفئات المختلفة. هنا ، سننظر في أربع فئات لها أكبر صلة بدورة الكربون الكلية. ضع في اعتبارك أنه يمكن تقسيم أي من هذه المجموعات إلى عدد من الفئات الفرعية ، كما سنناقشها من حين لآخر.

قشرة الأرض: يتم تخزين أكبر كمية من الكربون على الأرض في الصخور الرسوبية داخل قشرة الكوكب. هذه الصخور تنتج إما عن طريق تصلب الطين (الذي يحتوي على مواد عضوية) في الصخر الزيتي بمرور الوقت الجيولوجي ، أو عن طريق تجميع جزيئات كربونات الكالسيوم ، من أصداف وهياكل الكائنات البحرية ، إلى الحجر الجيري والصخور الرسوبية الأخرى المحتوية على الكربون. تخزين جميع الصخور الرسوبية على الأرض معًا 100،000،000 PgC. إذا تذكرنا أن 1 Pg يزيد عن تريليوني رطل ، فمن الواضح أن هذه كتلة كبيرة من الكربون! يتم تخزين 4000 PgC أخرى في قشرة الأرض حيث تشكلت الهيدروكربونات على مدى ملايين السنين من الكائنات الحية القديمة تحت درجة حرارة وضغط شديدين. تُعرف هذه الهيدروكربونات عمومًا بالوقود الأحفوري.

المحيطات: تحتوي محيطات الأرض على 38000 PgC ، معظمها على شكل كربون غير عضوي مذاب مخزّن في أعماق كبيرة حيث يتواجد لفترات طويلة من الزمن. توجد كمية أقل بكثير من الكربون ، حوالي 1000 Pg ، بالقرب من سطح المحيط. يتم تبادل هذا الكربون بسرعة مع الغلاف الجوي من خلال العمليات الفيزيائية ، مثل ذوبان غاز ثاني أكسيد الكربون في الماء ، والعمليات البيولوجية ، مثل نمو وموت وانحلال العوالق. على الرغم من أن معظم هذا الكربون السطحي يدور بسرعة ، إلا أنه يمكن أيضًا نقل بعضه عن طريق الغرق في حوض المحيط العميق حيث يمكن تخزينه لفترة أطول.

الغلاف الجوي: يحتوي الغلاف الجوي على ما يقرب من 750 PgC ، معظمها في شكل CO2 ، مع كميات أقل بكثير من الميثان (CH4 ومركبات أخرى مختلفة). على الرغم من أن هذا الكربون أقل بكثير من الموجود في المحيطات أو القشرة الأرضية ، فإن الكربون الموجود في الغلاف الجوي له أهمية حيوية بسبب تأثيره على تأثير الاحتباس الحراري والمناخ. كما أن الحجم الصغير نسبيًا لحوض C في الغلاف الجوي يجعله أكثر حساسية للاضطرابات التي تسببها وزيادة مصادر أو أحواض C من برك الأرض الأخرى. في الواقع ، القيمة الحالية لـ 750 PgC أعلى بكثير من تلك التي حدثت قبل بدء احتراق الوقود الأحفوري وإزالة الغابات. قبل بدء هذه الأنشطة ، احتوى الغلاف الجوي على ما يقرب من 560 PgC ويعتقد أن هذه القيمة هي الحد الأعلى الطبيعي للأرض في ظل الظروف الطبيعية. في سياق التجمعات والتدفقات العالمية ، فإن الزيادة التي حدثت في القرون العديدة الماضية هي نتيجة لتدفقات الكربون إلى الغلاف الجوي من القشرة (الوقود الأحفوري) والنظم الإيكولوجية الأرضية (عن طريق إزالة الغابات وأشكال أخرى من تطهير الأرض).

النظم البيئية الأرضية: تحتوي النظم البيئية الأرضية على الكربون في شكل نباتات وحيوانات وتربة وكائنات دقيقة (بكتيريا وفطريات). من بين هذه النباتات والتربة هي الأكبر بكثير ، وعند التعامل مع العالم بأسره ، غالبًا ما يتم تجاهل البرك الصغيرة. على عكس قشرة الأرض والمحيطات ، يوجد معظم الكربون في النظم البيئية الأرضية في أشكال عضوية. في هذا السياق ، يشير المصطلح "عضوي" إلى المركبات التي تم إنتاجها بواسطة الكائنات الحية ، بما في ذلك الأوراق والخشب والجذور والمواد النباتية الميتة والمواد العضوية البنية في التربة (وهي البقايا المتحللة للأنسجة الحية سابقًا).

تتبادل النباتات الكربون مع الغلاف الجوي بسرعة نسبيًا من خلال عملية التمثيل الضوئي ، حيث يتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى أنسجة نباتية جديدة ، والتنفس ، حيث يتم إطلاق جزء من ثاني أكسيد الكربون الذي تم التقاطه سابقًا مرة أخرى إلى الغلاف الجوي كمنتج لعملية التمثيل الغذائي. من بين الأنواع المختلفة من الأنسجة التي تنتجها النباتات ، تمتلك السيقان الخشبية مثل تلك التي تنتجها الأشجار أكبر قدرة على تخزين كميات كبيرة من الكربون. الخشب كثيف ويمكن أن تكون الأشجار كبيرة. بشكل جماعي ، تخزن نباتات الأرض ما يقرب من 560 PgC ، مع كون الخشب الموجود في الأشجار هو الجزء الأكبر.

يقدر إجمالي كمية الكربون في تربة العالم بـ 1500 PgC. يمكن أن يكون قياس كربون التربة أمرًا صعبًا ، لكن بعض الافتراضات الأساسية يمكن أن تجعل تقديره أسهل بكثير. أولاً ، الشكل الأكثر انتشارًا للكربون في التربة هو الكربون العضوي المشتق من المواد النباتية والكائنات الحية الدقيقة الميتة. ثانيًا ، مع زيادة عمق التربة ، تتناقص وفرة الكربون العضوي. عادة ما يتم أخذ قياسات التربة القياسية على عمق متر واحد فقط. في معظم الحالات ، يلتقط هذا الجزء السائد من الكربون في التربة ، على الرغم من أن بعض البيئات بها تربة عميقة جدًا حيث لا تنطبق هذه القاعدة. يدخل معظم الكربون الموجود في التربة في شكل مادة نباتية ميتة تتفكك بواسطة الكائنات الحية الدقيقة أثناء التحلل. أطلقت عملية التحلل أيضًا الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي لأن عملية التمثيل الغذائي لهذه الكائنات الدقيقة تكسر في النهاية معظم المواد العضوية وصولًا إلى ثاني أكسيد الكربون.

يُطلق على حركة أي مادة من مكان إلى آخر اسم التدفق ونفكر عادةً في تدفق الكربون على أنه نقل للكربون من حوض إلى آخر. يتم التعبير عن التدفقات عادةً كمعدل بوحدات كمية من بعض المواد يتم نقلها خلال فترة زمنية معينة (على سبيل المثال g · cm-2 · s-1 أو kg · km2 في العام). على سبيل المثال ، يمكن اعتبار تدفق المياه في النهر على أنه تدفق ينقل المياه من الأرض إلى البحر ويمكن قياسه بالجالونات في الدقيقة أو الكيلومترات المكعبة في السنة.

يمكن أن يحتوي تجمع الكربون الفردي غالبًا على العديد من التدفقات التي تضيف الكربون وتزيله في وقت واحد. على سبيل المثال ، يتدفق الغلاف الجوي من التحلل (ثاني أكسيد الكربون المنبعث من تحلل المواد العضوية) ، وحرائق الغابات واحتراق الوقود الأحفوري والتدفقات الخارجة من نمو النباتات وامتصاصها بواسطة المحيطات. يمكن أن يختلف حجم التدفقات المختلفة على نطاق واسع. في القسم السابق ، ناقشنا بإيجاز عددًا قليلاً من التدفقات داخل وخارج مجمعات C العالمية المختلفة. هنا ، سوف نولي مزيدًا من الاهتمام لبعض تدفقات الكربون الأكثر أهمية.

البناء الضوئي: أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات الطاقة من ضوء الشمس لدمج ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي مع الماء من التربة لإنتاج الكربوهيدرات (لاحظ أن جزأي الكلمة ، الكربوهيدرات والهيدرات ، يدلان على الكربون والماء). بهذه الطريقة ، يتم إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتخزينه في بنية النباتات. تم تشكيل كل المواد العضوية على الأرض تقريبًا من خلال هذه العملية. نظرًا لأن بعض النباتات يمكن أن تعيش لعشرات أو مئات أو أحيانًا آلاف السنين (في حالة الأشجار الأطول عمراً) ، فقد يتم تخزين الكربون أو عزله لفترات زمنية طويلة نسبيًا. عندما تموت النباتات ، تبقى أنسجتها لمجموعة واسعة من الفترات الزمنية. تميل الأنسجة مثل الأوراق ، التي تتمتع بجودة عالية بالنسبة للكائنات المُحللة ، إلى التحلل بسرعة ، في حين أن الهياكل الأكثر مقاومة ، مثل الخشب يمكن أن تدوم لفترة أطول. تشير التقديرات الحالية إلى أن التمثيل الضوئي يزيل 120 PgC / سنة من الغلاف الجوي ويتم تخزين حوالي 610 PgC في النباتات في أي وقت.

تنفس النبات: تطلق النباتات أيضًا ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي من خلال عملية التنفس (ما يعادل الزفير من النبات). يحدث التنفس عندما تستخدم الخلايا النباتية الكربوهيدرات ، المصنوعة أثناء عملية التمثيل الضوئي ، للحصول على الطاقة. يمثل تنفس النبات ما يقرب من نصف (60 PgC / سنة) من ثاني أكسيد الكربون الذي يتم إرجاعه إلى الغلاف الجوي في الجزء الأرضي من دورة الكربون.

Litterfall: بالإضافة إلى موت النباتات الكاملة ، تتساقط النباتات الحية أيضًا جزءًا من أوراقها وجذورها وفروعها كل عام. نظرًا لأن جميع أجزاء النبات تتكون من الكربون ، فإن فقدان هذه الأجزاء على الأرض هو انتقال الكربون (التدفق) من النبات إلى التربة. غالبًا ما يشار إلى المواد النباتية الميتة بالقمامة (فضلات الأوراق ، وفضلات الفروع ، وما إلى ذلك) وبمجرد وصولها إلى الأرض ، ستبدأ جميع أشكال القمامة في عملية التحلل.

تنفس التربة: إن إطلاق ثاني أكسيد الكربون من خلال التنفس ليس فريدًا بالنسبة للنباتات ، ولكنه شيء تفعله جميع الكائنات الحية. عندما يتم تكسير أو تحلل المواد العضوية الميتة (التي تستهلكها البكتيريا والفطريات) ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بمعدل متوسط ​​يبلغ حوالي 60 PgC / سنة على مستوى العالم. نظرًا لأن الأمر قد يستغرق سنوات حتى يتحلل النبات (أو عقودًا في حالة الأشجار الكبيرة) ، يتم تخزين الكربون مؤقتًا في المادة العضوية للتربة.

تبادل المحيط والغلاف الجوي: يتم امتصاص الكربون غير العضوي وإطلاقه عند السطح البيني للمحيطات والهواء المحيط ، من خلال عملية الانتشار. قد لا يبدو واضحًا أنه يمكن إذابة الغازات أو إطلاقها من الماء ، ولكن هذا ما يؤدي إلى تكون الفقاعات التي تظهر في كوب من الماء تُترك لتستقر لفترة كافية من الوقت. يحتوي الهواء الموجود في تلك الفقاعات على ثاني أكسيد الكربون وهذه العملية نفسها هي الخطوة الأولى في امتصاص المحيطات للكربون. مرة واحدة في شكل مذاب ، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء فيما يعرف بتفاعلات الكربونات. هذه تفاعلات كيميائية بسيطة نسبيًا ينضم فيها H2O و CO2 لتكوين H2CO3 (المعروف أيضًا باسم حمض الكربونيك ، يسمى الأنيون ، CO3 ، كربونات). يسمح تكوين الكربونات في مياه البحر للمحيطات بامتصاص وتخزين كمية أكبر بكثير من الكربون مما يمكن أن يكون ممكنًا إذا ظل ثاني أكسيد الكربون المذاب بهذا الشكل. الكربونات مهمة أيضًا لعدد كبير من الكائنات البحرية التي تستخدم هذا الشكل المعدني من الكربون لبناء الأصداف.

يتم تدوير الكربون أيضًا عبر المحيط من خلال العمليات البيولوجية لعملية التمثيل الضوئي والتنفس وتحلل النباتات المائية. على النقيض من الغطاء النباتي الأرضي ، فإن السرعة التي تتحلل بها الكائنات البحرية. نظرًا لأن نباتات المحيطات لا تحتوي على جذوع خشبية كبيرة تستغرق سنوات حتى تتحلل ، فإن العملية تحدث بسرعة أكبر في المحيطات منها على اليابسة - غالبًا في غضون أيام. لهذا السبب ، يتم تخزين القليل جدًا من الكربون في المحيط من خلال العمليات البيولوجية. تعتمد الكمية الإجمالية لامتصاص الكربون (92 Pg C) وفقدان الكربون (90 PgC) من المحيط على توازن العمليات العضوية وغير العضوية.

احتراق الوقود الأحفوري وتغيير الغطاء الأرضي: تتضمن تدفقات الكربون التي تمت مناقشتها حتى الآن العمليات الطبيعية التي ساعدت في تنظيم دورة الكربون ومستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لملايين السنين. ومع ذلك ، تتضمن دورة الكربون الحديثة أيضًا العديد من التدفقات المهمة التي تنبع من الأنشطة البشرية. وأهمها احتراق الوقود الأحفوري: الفحم والنفط والغاز الطبيعي. تحتوي هذه المواد على الكربون الذي تم التقاطه بواسطة الكائنات الحية على مدى ملايين السنين وتم تخزينه في أماكن مختلفة داخل قشرة الأرض (انظر مربع النص المصاحب). ومع ذلك ، منذ بداية الثورة الصناعية ، تم تعدين هذه الأنواع من الوقود وحرقها بمعدلات متزايدة وكانت بمثابة مصدر أساسي للطاقة التي تحرك الحضارة البشرية الصناعية الحديثة. نظرًا لأن المنتج الثانوي الرئيسي لاحتراق الوقود الأحفوري هو ثاني أكسيد الكربون ، يمكن النظر إلى هذه الأنشطة من الناحية الجيولوجية على أنها تدفق جديد وسريع نسبيًا لكميات كبيرة من الكربون في الغلاف الجوي. في الوقت الحاضر ، يمثل احتراق الوقود الأحفوري تدفقًا في الغلاف الجوي يبلغ حوالي 6-8 PgC / سنة.

النشاط البشري الآخر الذي تسبب في تدفق الكربون إلى الغلاف الجوي هو تغيير الغطاء الأرضي ، إلى حد كبير في شكل إزالة الغابات. مع توسع عدد السكان ونمو المستوطنات البشرية ، تم تحويل قدر كبير من سطح الأرض من النظم البيئية الأصلية إلى المزارع والمناطق الحضرية. تمت إزالة الغابات الأصلية في العديد من المناطق بحثًا عن الأخشاب أو حرقها لتحويلها إلى مزارع وأراضي عشبية. نظرًا لأن الغابات والنظم البيئية المحلية الأخرى تحتوي عمومًا على قدر أكبر من الكربون (في كل من الأنسجة النباتية والتربة) من أنواع الغطاء التي تم استبدالها بها ، فقد أدت هذه التغييرات إلى تدفق صافٍ إلى الغلاف الجوي يبلغ حوالي 1.5 PgC / سنة. في بعض المناطق ، يمكن أن تمثل إعادة نمو الغابات من أنشطة تطهير الأراضي السابقة حوضًا للكربون (كما في حالة نمو الغابات بعد هجر المزارع في شرق أمريكا الشمالية) ، ولكن التأثير الصافي لجميع عمليات تحويل الغطاء الأرضي التي يسببها الإنسان على مستوى العالم يمثل مصدر للغلاف الجوي.

العمليات الجيولوجية: تمثل العمليات الجيولوجية ضوابط مهمة على دورة الكربون للأرض عبر نطاقات زمنية لمئات الملايين من السنين. إن المناقشة الشاملة لدورة الكربون الجيولوجية خارج نطاق هذه المقدمة ، لكن العمليات المتضمنة تشمل تكوين الصخور الرسوبية وإعادة تدويرها عبر الصفائح التكتونية والطقس والانفجارات البركانية.

لإلقاء نظرة فاحصة قليلاً ، يتم تقسيم الصخور على الأرض بواسطة الغلاف الجوي والمطر والمياه الجوفية إلى جزيئات صغيرة ومواد مذابة ، وهي عملية تعرف باسم التجوية. يتم دمج هذه المواد مع جزيئات النبات والتربة التي تنتج عن التحلل وتآكل السطح ويتم نقلها لاحقًا إلى المحيط حيث تترسب الجزيئات الأكبر بالقرب من الشاطئ. ببطء ، تتراكم هذه الرواسب ، مما يؤدي إلى دفن الرواسب القديمة في الأسفل. تسبب طبقات الرواسب ضغطًا للبناء وتصبح في النهاية كبيرة جدًا بحيث تتحول الرواسب العميقة إلى صخور ، مثل الصخر الزيتي. داخل مياه المحيط نفسها ، تختلط المواد الذائبة بمياه البحر وتستخدمها الحياة البحرية لصنع هياكل وأصداف من كربونات الكالسيوم (CaCO3). عندما تموت هذه الكائنات ، تغرق هياكلها وأصدافها في قاع المحيط. في المياه الضحلة (أقل من 4 كيلومترات) تتجمع الكربونات وتشكل في النهاية نوعًا آخر من الصخور الرسوبية يسمى الحجر الجيري.

بشكل جماعي ، تحول هذه العمليات الكربون الذي كان موجودًا في البداية في الكائنات الحية إلى صخور رسوبية داخل قشرة الأرض. بمجرد الوصول إلى هناك ، يستمر نقل هذه المواد وتحويلها من خلال عملية الصفائح التكتونية ، ورفع الصخور الموجودة في الصفائح الأخف وزنا وذوبان الصخور في الصفائح الأثقل حيث يتم دفعها بعمق تحت السطح. يمكن أن تؤدي هذه المواد المنصهرة في النهاية إلى انبعاث الكربون الغازي مرة أخرى إلى الغلاف الجوي من خلال الانفجارات البركانية ، وبالتالي إكمال الدورة. على الرغم من أن إعادة تدوير الكربون من خلال الصخور الرسوبية أمر حيوي لقدرة كوكبنا على المدى الطويل على استدامة الحياة ، فإن الدورة الجيولوجية تتحرك ببطء شديد بحيث تكون هذه التدفقات صغيرة على أساس سنوي ولها تأثير ضئيل على النطاق الزمني البشري.


© حقوق النشر لعام 2008 ، جامعة نيو هامبشاير ، دورهام ، NH 03824
الأمم المتحدة جزء من نظام جامعة نيو هامبشاير. | إخلاء مسؤولية ADA | اتصل بنا


الكيمياء الحيوية

8.10.1 مقدمة

تشير دورة الكربون العالمية إلى تبادل الكربون داخل وبين أربعة خزانات رئيسية: الغلاف الجوي والمحيطات والأرض والوقود الأحفوري. يمكن نقل الكربون من خزان إلى آخر في ثوانٍ (على سبيل المثال ، تثبيت ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي 2 إلى السكر من خلال التمثيل الضوئي) أو على مدى آلاف السنين (على سبيل المثال ، تراكم الكربون الأحفوري (الفحم والنفط والغاز) من خلال ترسب المواد العضوية وتطورها). يؤكد هذا الفصل على التبادلات المهمة على مدى سنوات إلى عقود ويتضمن تلك التي تحدث على مدى الأشهر إلى بضعة قرون. سيكون التركيز على السنوات 1980-2000 ولكن اعتباراتنا سوف تشمل على نطاق واسع السنوات 1850 - 2100. الفصل 8.09 ، يتعامل مع العمليات طويلة المدى التي تنطوي على معدلات تبادل الكربون صغيرة على مقياس زمني سنوي (التجوية ، الفلكنة ، الترسيب ، والتشوه).

تعتبر دورة الكربون مهمة لثلاثة أسباب على الأقل. أولاً ، يشكل الكربون بنية كل أشكال الحياة على الكوكب ، حيث يشكل 50٪ من الوزن الجاف للكائنات الحية. ثانيًا ، يقترب دوران الكربون من تدفقات الطاقة حول الأرض ، أيض النظم الطبيعية والبشرية والصناعية. تقوم النباتات بتحويل الطاقة المشعة إلى طاقة كيميائية على شكل سكريات ونشويات وأشكال أخرى من المواد العضوية ، فهذه الطاقة ، سواء في الكائنات الحية أو المواد العضوية الميتة ، تدعم سلاسل الغذاء في النظم البيئية الطبيعية وكذلك النظم البيئية البشرية ، وليس أقلها هل اعتادت المجتمعات الصناعية (مدمنة؟) على أحفوريات الطاقة للتدفئة والنقل وتوليد الكهرباء. أدى الاستخدام المتزايد للوقود الأحفوري إلى سبب ثالث للاهتمام بدورة الكربون. الكربون ، على شكل ثاني أكسيد الكربون (CO2) والميثان (CH4) ، اثنين من أهم غازات الدفيئة. تساهم هذه الغازات في تأثير الاحتباس الحراري الطبيعي الذي أبقى الكوكب دافئًا بدرجة كافية للتطور ودعم الحياة (بدون تأثير الاحتباس الحراري ، سيكون متوسط ​​درجة حرارة الأرض & # x27s -33 درجة مئوية). ومع ذلك ، فإن إضافات غازات الدفيئة إلى الغلاف الجوي من النشاط الصناعي تزيد من تركيزات هذه الغازات ، وتعزز تأثير الاحتباس الحراري ، وتبدأ في تدفئة الأرض.

يعتمد معدل ومدى الاحترار جزئياً على دورة الكربون العالمية. إذا كان المعدل الذي تزيل به المحيطات ثاني أكسيد الكربون2 من الغلاف الجوي كانت أسرع ، على سبيل المثال ، تركيزات ثاني أكسيد الكربون2 كانت ستزداد أقل خلال القرن الماضي. إذا كانت عمليات إزالة الكربون من الغلاف الجوي وتخزينه على الأرض ستقل ، فإن تركيزات ثاني أكسيد الكربون2 ستزداد بسرعة أكبر مما كان متوقعا على أساس التاريخ الحديث. العمليات المسؤولة عن إضافة الكربون إلى الغلاف الجوي وسحبه منه ليست مفهومة جيدًا بما يكفي للتنبؤ بالمستويات المستقبلية لثاني أكسيد الكربون2 بدقة كبيرة. هذه العمليات هي جزء من دورة الكربون العالمية.

تخضع بعض العمليات التي تضيف الكربون إلى الغلاف الجوي أو تزيله ، مثل احتراق الوقود الأحفوري وإنشاء مزارع الأشجار ، للتحكم البشري المباشر. البعض الآخر ، مثل تراكم الكربون في المحيطات أو على اليابسة نتيجة للتغيرات في المناخ العالمي (أي ، ردود الفعل بين دورة الكربون العالمية والمناخ) ، لا يخضع للتحكم البشري المباشر إلا من خلال التحكم في معدلات انبعاثات غازات الاحتباس الحراري و ، وبالتالي ، تغير المناخ. لأن CO2 كان أكثر أهمية من جميع غازات الدفيئة الأخرى الخاضعة للتحكم البشري ، مجتمعة ، ومن المتوقع أن تستمر كذلك في المستقبل ، فإن فهم دورة الكربون العالمية يعد جزءًا حيويًا من إدارة المناخ العالمي.

يتناول هذا الفصل أولاً الخزانات والتدفقات الطبيعية للكربون على الأرض. ثم تتناول مصادر الكربون في الغلاف الجوي من الاستخدامات البشرية للأرض والطاقة ومصارف الكربون على الأرض وفي المحيطات التي حافظت على تراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.2 أقل مما كان يمكن أن يكون. يصف الفصل التغييرات في توزيع الكربون بين الغلاف الجوي والمحيطات والنظم الإيكولوجية الأرضية على مدار الـ 150 عامًا الماضية نتيجة لانبعاثات الكربون التي يسببها الإنسان. تتم مراجعة العمليات المسؤولة عن مصارف الكربون على الأرض والبحر من منظور ردود الفعل ، ويختتم الفصل ببعض الآفاق المستقبلية.

تتضمن الملخصات الشاملة السابقة لدورة الكربون العالمية دراسات قام بها بولين وآخرون. (1979 ، 1986) ، Woodwell and Pecan (1973) ، Bolin (1981) ، NRC (1983) ، Sundquist and Broecker (1985) ، و Trabalka (1985). في الآونة الأخيرة ، قام الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ (IPCC) بتلخيص المعلومات المتعلقة بدورة الكربون في سياق تغير المناخ (Watson وآخرون.، 1990 Schimel وآخرون.، 1996 برنتيس وآخرون.، 2001). لقد تم فهم الجوانب الأساسية لدورة الكربون العالمية لعقود من الزمن ، ولكن الجوانب الأخرى ، مثل تقسيم بالوعة الكربون بين اليابسة والمحيطات ، يتم إعادة تقييمها باستمرار ببيانات وتحليلات جديدة. يشير معدل مراجعة المنشورات الجديدة لتقديرات أحواض الكربون هذه وإعادة تقييم الآليات التي تتحكم في حجم الأحواض إلى أن أجزاء من هذه المراجعة ستكون قديمة بحلول وقت النشر.


6.1 فهم دورة المياه

غالبًا ما يُنظر إلى الماء على أنه مجرى دم للمحيط الحيوي. إنها وسيلة عالمية ضرورية لاستدامة كل من المجتمعات البيئية والإنسانية. لا يوجد بديل عن الماء. تغطي المياه أكثر من 70٪ من سطح الأرض. ومع ذلك ، فإن 3٪ فقط من هذا الاحتياطي هي مياه عذبة يمكن استخدامها للاستهلاك البشري. 90٪ من موارد المياه العذبة للأرض موجودة في المياه الجوفية والجليد ، و 10٪ فقط هي المياه محتواة في الخزانات السطحية - الأنهار والبحيرات والأراضي الرطبة والجداول. [جيرارد ، 2013].

على الرغم من أن الحفاظ على الحياة هو أحد الأغراض الرئيسية للمياه ، إلا أن الزراعة الحالية والعديد من فروع الصناعة تعتمد بشكل كبير على وفرة الموارد المائية. على سبيل المثال ، يتم استخدام الماء كسائل نقل حراري في أنظمة الطاقة الكهروحرارية ، مثل محطات الطاقة التي تعمل بالوقود النووي والوقود الأحفوري ومزارع الطاقة الشمسية المركزة. يتم استخدامه كمذيب ومواد خام في التصنيع الكيميائي. تستخدم صناعة التعدين كمية كبيرة من المياه في التكسير الهيدروليكي واستعادة النفط. هذه الصناعات هي أجزاء مهمة من البنية التحتية الحديثة ، وبالتالي ، يجب تلبية الطلب على المياه للحفاظ على إنتاج الطاقة والغذاء عند المستوى الضروري.

لتخطيط الاستخدام المستدام لموارد المياه ، يجب أن نفهم كيفية عمل دورة المياه على المستويين العالمي والمحلي. كمية المياه على الأرض محدودة ، ودورة المياه الطبيعية هي نظام يتحكم في دوران هذا المورد وإعادة توزيعه. يجب أن تكون على دراية بمفهوم دورة المياه من فصول العلوم المبكرة. لكن يمكنك الحصول على تحديث من الفيديو القصير التالي:

مقدم: كل الماء على الأرض اليوم ، كل قطرة ، هو كل الماء الموجود على هذا الكوكب. المياه العذبة في الواقع عمرها ملايين السنين. نفس الماء يتدفق في حلقة مستمرة. تتساقط مثل المطر والثلج من السحب إلى سطح الأرض. الجري في الأنهار. التجمع في البرك. تتدفق من الحنفيات. ري المحاصيل. السفر عبر النباتات. توليد الطاقة. في النهاية ، يتبخر في الهواء ويتكثف في السحب مرة أخرى. آنا ميشالك: لماذا توجد حياة على الأرض؟ والسبب في وجود حياة على الأرض هو أن الأرض بها دورة مياه مثالية. مقدم: دورة المياه ، بسيطة للغاية حتى الأطفال الصغار يفهمون الأساسيات. ومع ذلك ، فإن علماء الأرض الأكثر تقدمًا - علماء الهيدرولوجيا والجيولوجيا والكيمياء الحيوية - يدرسون كل جزء وعملية معقدة للغاية. مارثا كونكلين: دورة المياه رائعة. إنه شيء يحيط بنا طوال الوقت. ومع ذلك ، فإننا لا نفهمها حقًا. المقدم: كيف نلخص ما هو معروف عن دورة المياه؟ بكلمتين - التدفقات والمخازن. دورة الماء عبارة عن سلسلة من تدفقات المياه بين مخازن المياه المختلفة ، أو المخازن - السحب في الغلاف الجوي. توم هارمون: هناك دائمًا القليل من الماء في الغلاف الجوي. نتحدث عن الرطوبة النسبية. إنه يوم رطب. إنه يوم جاف. في كلتا الحالتين ، هناك ماء - قليلاً في بعض الأحيان. في بعض الأحيان ، كثيرًا. مقدم: هناك الكثير من المياه في المحيط - 70٪ من كل المياه على الأرض. في الصفائح الجليدية والأنهار الجليدية ، ثلثي المياه العذبة على الأرض. في كتل الثلج فوق الجبال مثل سييرا نيفادا. في منطقة البحيرات العظمى. في الأنهار والجداول. في الخزانات ومستجمعات المياه. في الأراضي الرطبة. في التربة. في وعلى النباتات والأشجار المتجذرة في التربة. وتحت التربة ، في مناسيب المياه الجوفية وطبقات المياه الجوفية مثل سهول أوغالالا العالية ، التي تجري تحت أجزاء من ثماني ولايات ، من ساوث داكوتا إلى تكساس. كل هذا التخزين مؤقت. الماء بجميع أشكاله دائمًا في حالة تغير مستمر ومتحرك. وهناك اسم لكل نوع من أنواع الحركة في دورة المياه ، بدءًا من هطول الأمطار. آنا ميشالك: الهطول هو عملية تساقط المياه على سطح الأرض. يمكن أن يكون هطول الأمطار في أشكال عديدة - المطر والثلج والبرد. مقدم: المطر هو الماء المتساقط في شكل سائل. تساقط الثلوج والجليد والبرد والصقيع في شكل صلب أو متجمد. ضباب وضباب ، تساقط المياه في شكل غاز أو بخار. يصبح هطول الأمطار الذي يسقط مباشرة على المحيطات جزءًا من المحيط السطحي ويمكن أن يتحول بفعل الموجات والرياح إلى تيارات المحيطات. يصبح المطر والثلج الذي يتساقط مباشرة على الأنهار والجداول جزءًا من تدفق التيار. يأخذ المطر الذي يسقط على الأرض مسارًا مختلفًا إلى النهر. وكذلك الثلج والجليد الذي يتساقط ويتجمع على قمم الجبال عندما ترتفع درجات الحرارة. مارثا كونكلين: عندما يذوب الثلج ، يمر جزء منه عبر حزمة الثلج ويذهب إلى تيارات صغيرة ، روافد تغذي الأنهار الكبيرة. المقدم: وماذا عن هطول الأمطار الذي يسقط على الأرض وفوقها؟ يتم اعتراض البعض من قبل النباتات - النباتات والأشجار. توم هارمون: كما قد تتخيل ، شخص ما في لعبة كرة القدم يعترض تمريرة ، هذه قطرات مطر تحاول الوصول إلى الأرض والأوراق على الشجرة تعترضها قبل أن تصطدم بالأرض. مقدم: وهطول الأمطار الذي يضرب الأرض ، يمكن أن ينساب إذا كانت الأرض صلبة ، مغطاة بالإسفلت أو الخرسانة ، أو إذا كانت التربة رطبة جدًا أو مشبعة لامتصاص المزيد من الماء ، مثل الإسفنج المغمور. خلاف ذلك ، يتسلل هطول الأمطار إلى سطح التربة ، ويتسرب إلى الأرض. توم هارمون: فكر في الأمر كما لو كانت المياه تتسرب عبر تفل القهوة في الصباح. تستمر الجاذبية في شدها لأسفل حتى تتحرك من خلالها. مقدم: من خلال التربة السطحية. في مسافات بين جزيئات التربة والصخور. نزولًا إلى حجر الأساس ثم إلى كسور. في طبقات المياه الجوفية العميقة. حتى المياه الجوفية هنا تتحرك بشكل جانبي أو جانبي ، متجهة نحو نهر أو بحيرة أو البحر. بشكل عام ، كلما كان التدفق أعمق ، كان التدفق أبطأ. مارثا كونكلين: قد تستغرق بعض هذه المياه المكسورة وقتًا طويلاً جدًا - آلاف إلى ملايين السنين - للخروج. المذيع: وكيف يعود الماء إلى الغلاف الجوي؟ يتبخر. تحولت من سائل إلى غاز أو بخار بفعل حرارة الشمس. آنا ميشالك: إذا وضعت القليل من الماء في وعاء ووضعته بالخارج في يوم مشمس ، فسوف يختفي. إنه لا يزال ماء ، إنه على شكل غاز فقط وليس في شكل سائل. PRESENTER: يتبخر الماء من كل سطح مبلل ، حتى من الهواء الرطب. يتبخر بعض المطر والثلج في الهواء أثناء السقوط. يتبخر الماء من خلال تنفسنا وعرقنا. ومن النباتات عن طريق النتح. عبر يعني من خلال أو عبر. تقوم جذور النباتات بسحب المياه الجوفية. وتسحب النباتات هذا الماء من خلال سيقانها إلى الأوراق ثم تطلقها مرة أخرى من خلال التبخر. التبخر النتح - مصطلح إملائي جدير بالتبخر من التربة وأسطح الماء ، بالإضافة إلى النتح من النباتات. جزيئات الماء المتبخرة صغيرة بما يكفي لتتدفق في الهواء. تخلط مع جزيئات الدخان والأوساخ في الغلاف الجوي. رائع. يتكثف في كتل مرئية من بخار الماء - السحب. تحرك الرياح السحب إلى هواء أكثر برودة ، وتتصادم قطرات الماء وتندمج ، وتنمو بشكل أكبر وأثقل حتى تصبح ثقيلة جدًا ، فتسقط مرة أخرى ، مثل المطر أو الثلج ، أو الصقيع أو البرد الترسيب ، التجميع ، الجريان السطحي ، الاعتراض ، التسلل ، الترشيح ، التصريف ، النتح ، التبخر ، التكثيف - دورة الماء.

هذا المفهوم العام والخداع البسيط لدورة المياه له عدد من القيود التي من المهم فهمها:

  • تختلف سعات الخزانات بشكل كبير.
  • تختلف معدلات التدفق بين الخزانات بشكل كبير (على سبيل المثال ، قد يستغرق تجديد التيار السطحي عبر الترسيب أيامًا ، بينما قد يستغرق تجديد طبقة المياه الجوفية العميقة عقودًا).
  • لا يعكس هذا المفهوم بشكل مباشر التأخيرات أو الانقطاعات المحتملة.
  • تعتمد حركية الدورة على المناخ ووقت السنة والموقع الجغرافي.
  • هذا المفهوم لا يصور التقلبات في مناطق التخزين.

تحقق من هذا الموقع!

لإضافة بعض المعلومات الكمية إلى الصورة ، يرجى إلقاء نظرة على موقع هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS).

إذا قمت بالتمرير لأسفل والنقر فوق أي من مكونات دورة المياه ، فستحصل على معلومات شاملة عن هذا الخزان. لاحظ الاختلاف الكبير في السعة المائية للخزانات المختلفة. حاول أن تتذكر على الأقل ترتيب حجم احتياطيات المياه المحددة لأن مثل هذا الإدراك الكمي يمكن أن يكون مفيدًا جدًا في تحليل الاستدامة.

يبلغ التبخر السنوي من المحيط حوالي 80000 ميل مكعب مقابل 15000 ميل مكعب من الأرض. بالنظر إلى أن كميات المياه المتبخرة والمترسبة متساوية تقريبًا ، فإن الكمية الإجمالية للمياه المتبادلة بين الغلاف الجوي وسطح الأرض تبلغ حوالي 95000 ميل مكعب. من المياه التي تبخرت ثم عادت من قبل العواصف الممطرة ، 24000 ميل مكعب تسقط على الأرض كتساقط يبلغ متوسط ​​هطول الأمطار السنوي على الأرض 26 بوصة ، لكنه غير موزع بالتساوي. Arid locations may get under 1 inch of precipitation whereas some others can get more than 400 inches. The total annual precipitation in the United States is about 30 inches per year, which accounts for about 4300 billion gallons per day. The total water flow from surface and subsurface sources is about 8.5 inches per year, i.e., about 1200 billion gallons a day. This amount is available for human use, including domestic, industrial, agricultural, and recreational use. Considering that the difference between precipitation and stream flow is -21.5 inches per year (3100 billion gallons per day), this amount is assumed to return to the atmosphere (through evaporation and transpiration). This returned volume roughly accounts for 70 % of the total water supply. [Source: USDA, 2001]

In nature, the hydrological cycle is well-balanced, and fluctuations of environmental water stocks are reversible. But when some of the parts of the system are interfered, resilience of the system may be jeopardized. This can happen when the anthropogenic water consumption cycle is plugged in to the natural water cycle. The main troubles currently experienced because of mismatch of the anthropogenic and natural cycles include:

  • groundwater depletion
  • chemical pollution of surface waters and groundwaters
  • lake drying
  • droughts
  • desertification
  • eutrophication
  • loss of habitat
  • water and food shortages.

While the above-listed factors may have acute local effect, recent research also shows that large-scale hydraulic engineering produces global-scale impact on the earth's water cycle, raising the global sea level.

Reading Assignment:

Read through the following article that discusses the main man-made factors that affect the natural hydrological balance. While you are welcome to read the whole article, put the main focus on Table 1, which quantifies those effects, and sections on "Major classes of water engineering" and "Impacts of Human control. ", which explain the specific mechanisms within the cycle.

Journal article: Vorosmarty, C.J., Sahagian, D., Anthropogenic Disturbance of the Terrestrial Water Cycle , BioScience, vol. 50, pp.753-763. (Full article can be accessed via Library e-Reserves in Canvas.)

Some of the things to reflect on in this reading:

  • Water management is closely dependent on soil management: overuse of soil, deforestation increase storm water runoff, decreasing absorption to soil and hence decreasing the continental water storage. Water does not have a chance to return to aquifers.
  • While no net losses occur in the water cycle ("closed" system), loss of continental (fresh) water from continents to the ocean (salt water), results in shrinking of the usable water reservoirs - e.g., depletion of aquifers.
  • Irrigation accounts for over 80% of all 'irretrievable' water consumption. This constitutes

The idea of sustainability in water management implies matching the natural water cycle and technical (anthropogenic) water use cycle together with minimal damage and maximum mutual support. A new approach to integrated managing water resources is known as total water cycle management, where water supply, stormwater, and wastewater are all considered during the design process.

The system diagram in Figure 6.1. presents the water cycle in terms of stocks and flows. It illustrates the connections between different natural processes and reservoirs and also introduces the anthropogenic water paths into the system. The diagram is quite busy, so it would be useful to walk through it step by step. The video embedded below provides commentary to different parts of the diagram and also shows the links where water-treatment technologies must be applied to provide compatibility between the environmental and anthropogenic spheres. While watching, you may need to switch to 'full-screen' and HD quality setting to better see smaller details.

Click on the image to view the large version

PRESENTER: This animation shows multiple connections within the hydrological cycle, including those with human-controlled systems. It gets kind of bulky in the end, so I will go step by step. Let's start with ocean. The ocean is the biggest reservoir on Earth, which accounts for about 96.5% of global water reserve. The ocean exchanges water with the atmosphere through evaporation and precipitation. Atmospheric water vapor accounts for only one thousandth of a percent of global water, but because the surface of the evaporating ocean is so huge, the exchange is extremely important as transport mechanism. Now let me push this ocean box to the side and clear up space for some other storages and elements of the cycle. We can identify a few main types of continental water storages-- surface water, rivers and streams, lakes, and some snow and ice masses. Snow and ice by the way represent quite a significant storage. They contain more water than all other surface storages altogether. Although storages fed by the precipitation fluxes rainfall or snowfall, and they also release some water back to the atmosphere. Snow eventually can melt and feed some water to the surface freshwater system. Then surface water flows to the streams and rivers through collection and surface runoff. And rivers channel water into a more stationary storage lake or flow directly to the ocean. This is quite well-known scheme of natural water exchange which you may have heard in the basic Earth science class, but let's go a little bit further and add some more details here. Some of the rain can be intercepted by plants. And that water eventually drips and flows down, although with some delay. Plants also release some water to the atmosphere through transpiration and evaporation. OK, the next step is very important. Considerable amount of surface water infiltrates into the soil, from where it can be uptaken by plants. This process fosters biomass production. The rest of it percolates down to the groundwater. And groundwater can actually migrate and exchange with the surface water storages through the baseflow. Groundwater is another huge reservoir which may contain either fresh or salty water. Some of the aquifers may have connections to juvenile resources. In other words, the origin of this water can be related to the magmatic processes in the interior, so we put that into the picture. The next link, some of the groundwater in juvenile water reacts with rocks and is present in the mineralized form, for example, hydrated minerals. And finally, here we have geothermal water, which can be connected to both juvenile water pricing or dehydration of minerals under high temperature and pressure. In some spots, geothermal water can discharge to the surface or to the ocean floor. And this closes the loop from the downside. So this is the natural water cycle without humans in the picture. But what if we put our water utilization system right in the middle, here? That includes agricultural, domestic, and industrial use of water. And those can be connected to an artificial water storage. So where does that usable water come from? It can be extracted from the aquifers or taken directly from the surface reservoirs. For example, agriculture can use some diverted streams for irrigation. All those uses produce some wastewater, for sure. And that wastewater can be treated and returned to the environment. It can be either discharged to streams, or sprayed onto soils, or even can be re-injected to the aquifers. Some of the treated wastewater can be re-used, which makes a closed recycling loop here. Agricultural irrigation is another way for the water to return to the natural cycle. Now, we understand that rain can fall on the human-made environment as well. And after this interaction, we have some storm water produced. This storm water is also considered some kind of wastewater, which can be treated or not treated depending on the locality. But either way, storm water contributes to the discharge flux from the human water utilization system to the nature. Then we add another discharge curve here showing that some of the wastewater sometimes goes back to the environment without any treatment. This is not good, but it happens. Can we extract water from other resources if ground water is not available? Sure, here we put additional arrows to show extraction of water from rivers and lakes, and exchange fluxes with the oceans certainly also take place. In some locations, direct circulation of geothermal water is also a viable option. People can use it for heating their homes, for example. I'm sure this schematic can be developed further and more storages and fluxes can be identified, but let's stop here. You see this boundary zone here between the naturally-balanced part of the cycle and human-controlled part of the cycle is where the potential problems occur. Mismatch in physical and chemical fluxes can throw the system off balance and lead to water shortages, ecological crisis, pollution, and all the other negative consequences. So to ensure global and local sustainability of water resources, we need a number of special technologies that would help make these two systems more compatible. Some technologies are used at the extraction phase, for example, drinking water purification. Those make sure that water is sufficient and safe for human consumption. Other technologies are used at the discharge path, for example, wastewater treatment. Those are designed to mitigate pollution and to make sure that we are not depleting our natural reservoirs too soon. Finally, some technologies help control water loops within the human domain, for example, water distribution and collection. The bottom line of this demonstration is that the development of novel technologies for water treatment and monitoring is very important for providing smooth interaction between the sphere of human activity and the environment. The ultimate sustainability goal here is to re-install the water balance locally and globally, and to be sure that this most important and irreplaceable resource is conserved for centuries to come

As you can see in the diagram in Figure 6.1, the boundaries between the natural and human-controlled water systems are where the sustainable water treatment technologies should come into action. The bottom line is that the role sustainable water technology is to reconcile the natural and anthropogenic cycles and to alleviate mutual harm and system misbalance.

The following list gives you some examples of possible actions that help to keep combined water system sustainable (can vary with location):

  • keep the aquifer levels within appropriate range
  • prevent flood damage in developed areas
  • prevent excessive erosion
  • minimize the export of pollutants to surface water or groundwater
  • minimize waterborne sediment loading
  • minimize pollution from sewage protect existing vegetation
  • control water extraction and use
  • promote the use of rainwater and stormwater where such use does not adversely affect existing environmental values
  • promote the reuse of wastewater effluent
  • reduce irrigation requirements
  • promote opportunities for localized supply
  • enhance water related environmental values
  • enhance water related recreational and cultural values
  • add value while minimizing development costs

Many of these actions require efficient technologies of water control and water treatment. The following sections of this lesson provide you with some examples and technical details on current practice of water treatment and prospective technologies for the future.

تأكد من فهمك

Which of the following continental water storage reserves has the largest global capacity?

تأكد من فهمك

What processes in the water cycle are responsible for depletion of continental water storage?


3 Study Area and Data

The reservoir thermal stratification model was used to simulate 1,400 reservoirs in the contiguous United States (CONUS). The spatial location of the 1,400 reservoirs was retrieved from Hejazi et al. ( 2015 ), which used the reservoir geolocation data of the GRanD database (Lehner et al., 2011 ). Hourly atmospheric forcing from North American Land Assimilation System Phase II was used in CLM-MOSART-WM-heat model to simulate streamflow and stream temperature between 2001 and 2010 over CONUS at a spatial resolution of 0.125°. Reservoir specific data including depth, maximum surface area, and storage were obtained from the GRanD database (Lehner et al., 2011 ).

Three data sources were used for validation. The first dataset was obtained from the United States Geological Survey (USGS) Water Quality Data Portal (https://www.waterqualitydata.us/). The portal has compiled water quality data collected from federal, states, tribal, and local agencies. There are more surface temperature observations than profile temperature observations. Reservoirs with at least 30 daily surface observations were selected, resulting in 130 reservoirs with a total of 22,050 measurements (all dates and all depths between 2001 and 2010). The exact depth of the reservoir where the measurements were made cannot be easily identified. However, we have identified the number of locations (point stations) used for each reservoir where measurements are available. We found that only each reservoir selected has only one station of long temporal measurements enough for validation. The second data used for validation are the daily surface temperature data obtained from remote sensing observation and averaged over the reservoir surface (ARC-Lake v3.0, MacCallum & Merchant, 2013 MacCallum & Merchant, 2012 ). For this dataset, 34 reservoirs were selected for validation based on availability of the remote sensed data. The third dataset was used to check the outflow temperature (to downstream), which were collected from USGS stations. In selecting the USGS stations, we considered their proximity to upstream reservoir location and any presence of major tributary between the station and the reservoir. This way, the data capture the influence of reservoir stratification on the outflow temperature. We found 28 stream temperature observations at distances ranging from 0.2 km from Hodenpyl Dam to 32 km downstream of Grand Canyon Dam (Lake Powell).

(4) (5) (6) where تيsim,i و تيobs,i are the simulated and observed temperature, respectively, is the average observed temperature, and ن is the total number of observations.

4 Discussion

[33] Reservoir carbon budgets revealed that, on an annual basis, both were a small source of CO2 to the atmosphere with the forested, mesotrophic Burr Oak having higher CO2 evasion (78 – 102 Mg yr -1 ) than the agricultural, hypereutrophic Acton (2 – 56 Mg yr -1 ). These results are surprising, since many researchers have suggested that inland waters with high primary production rates are likely to be large sinks of atmospheric CO2 [Cole et al., 2007 Downing et al., 2008 Hanson et al., 2004 Tranvik et al., 2009 ]. However, parameters associated with lake metabolism were either unrelated or weakly related to pCO2 in Acton and Burr Oak. This deviates from studies in low-productivity, low-pH lakes where DOC is often positively correlated with pCO2 [Jonsson et al., 2003 Sobek et al., 2003 ] but is consistent with results from other hard-water lakes [Finlay et al., 2009 Finlay et al., 2010 Lopez et al., 2011 Tranvik et al., 2009 ]. Our reservoirs are also generally considered net autotrophic based on whole lake ecosystem metabolism measurements using diel dissolved oxygen dynamics a recent study using metabolism measurements showed that Acton Lake is net autotrophic in the summer (Solomon وآخرون., 2013 ). Thus, it appears that our study reservoirs are net CO2 sources, based on C budgets, but that these emissions are not as strongly linked to lake metabolism as they are in soft-water lakes. Further, our reservoirs are generally considered net autotrophic when using whole lake ecosystem metabolism estimates. These are important distinctions and given that productive, hard-water lakes and reservoirs are globally abundant in area and volume [Wetzel, 2001 ], estimation of the role of lentic ecosystems in global C budgets will require more thorough knowledge of these systems.

[34] Whole-lake mass balance budgets for six hard-water lakes in Canada revealed that CO2 fluxes accounted for

2% of total C fluxes, and there was large CO2 inter-annual variation [Finlay et al., 2010 ]. CO2 flux rates were somewhat lower in Acton (average = +3.5, range = −15.0 to +21.1 mmol C m -2 day -1 ) and Burr Oak (average = +11.6, range = −28.0 to +46.4 mmol C m -2 day -1 ) than in the six mesotrophic – eutrophic, Canadian lakes (range = −100 to +200 mmol C m -2 day -1 [Finlay et al., 2010 ] but were more comparable to two low-productivity, hard-water lakes in Minnesota [Stets et al., 2009 ], large (100 – 3000 km 2 ) eutrophic reservoirs in Canada that were > 30 years old [Demarty et al., 2009 ], as well as boreal and temperate lakes in general [Cole and Caraco, 1998 Del Giorgio et al., 1999 Rantakari and Kortelainen, 2005 ]. In addition, both reservoirs often had pH above 8, particularly in late summer, which resulted in considerable chemical enhancement factors (Acton mean = 3.0, range 1.0 – 8.4 Burr Oak mean = 2.1, range 1.0 – 10.5). Chemical enhancement factors in Acton and Burr Oak are comparable to other hard-water lakes where CO2 fluxes were also found to contribute relatively small fluxes total C fluxes [Finlay et al., 2009 Stets et al., 2009 ].

[35] OC retention per unit reservoir area was 274–340 g m -2 yr -1 in Acton and 126–133 g m -2 yr -1 in Burr Oak. These rates are higher than those found in most natural lakes, 6–94 g m -2 yr -1 [Mulholland and Elwood, 1982 ] but generally lower than the recently reported median rate in small, eutrophic agricultural reservoirs (2122 g m -2 yr -1 ) in Iowa [Downing et al., 2008 ]. Differences between Iowa rates and those in Acton, a hypereutrophic reservoir dominated by row-crop agricultural land use, may be due to improved land management in Acton's watershed. Since the 1990s, conservation tillage has become the dominant land management practice in Acton's watershed resulting in reduced nutrient and sediment loads into Acton via streams [Renwick et al., 2008 ]. We also note that our OC retention rates are similar with those based on sediment cores in both Acton and Burr Oak [Vanni et al., 2011 ]. IC retention rates in Acton were 224–279 g m -2 yr -1 while only 1.27-1.34 g m -2 yr -1 in Burr Oak. Few studies have reported IC burial rates in lentic waters, but rates in Burr Oak are lower than previous reports in hard-water lakes, while Acton rates are up to 5X greater [Finlay et al., 2010 Stets et al., 2009 ], perhaps because Acton water is supersaturated with CaCO3 [Green et al., 1985 ].

[36] Our results also show the temporal scale dependence of carbon budgets. Within each reservoir, variability for any given C flux was much greater between summers than between water years. Within-reservoir differences were especially pronounced in early summer (May-July), probably because of variable precipitation and stream discharge. Summer 2008 discharge was 4.8-6.4X higher than summer 2007, resulting in greater stream C inputs than in 2007. Within each reservoir, C retention efficiency (retention/stream inputs) was higher in the dry summer, probably because of increased water residence time given that water flow from the outlet during late summer was either non-existent or negligible. We also found that, in 2007 and 2008, water residence time was greater in Burr Oak than Acton (Table 1), which likely played a role in Burr Oak retaining a higher percentage of C. Also, both reservoirs were CO2 sinks in the dry summer but CO2 sources during the wet summer. Previous work suggests that precipitation may be positively related to the magnitude of CO2 evasion in boreal lakes [Einola et al., 2011 ], where CO2 fluxes are associated with terrestrial DOC inputs [Sobek et al., 2003 ]. We observed a similar relationship with precipitation in our hard-water reservoirs even though CO2 fluxes did not appear to be tightly coupled with DOC. DIC inputs would also be expected to increase during precipitation events [Raymond and Oh, 2007 ]. Nonetheless, given the similar trends in these disparate water bodies, we may be able to assume that dry summers will generally have elevated C retention efficiency, coupled with either reduced CO2 evasion or a CO2 influx, in contrast to wet summers. Identifying patterns such as these is central to understanding the consequences of climate change and altered hydrological regimes on C budgets.

[37] We also highlight the role of variable stream inputs, because the largest inputs often occurred during time periods not included in typical summer studies. Thus, 67-79% of annual POC loads via streams occurred collectively during only 10% of days (i.e., dates on which daily discharge was > in the 90 th percentile), and 62-89% of these dates occurred outside of summer [May-October Knoll, 2011 ]. Our high resolution stream data also allow us to differentiate between the relative contribution of POC and DOC to OC loading. In Acton, POC can represent 17-78% of the OC load (mean = 44%) and 12-50% in Burr Oak (mean = 25%), reflecting the large variation that would not be captured without storm based sampling regimes. Further, C inputs via streams are only rarely measured directly in carbon budgets. Therefore, better estimates of these fluxes could significantly alter inferences drawn from lake budgets [Finlay et al., 2010 Sobek et al., 2006 Stets et al., 2009 ], particularly if C loading is underestimated during storm events. In general, variation in non-summer precipitation will likely generate large differences in C runoff and loads in temperate areas, compared to variation in summer when terrestrial evapotranspiration is greater. In addition, CO2 emissions from lakes and reservoirs are relatively well described, but less is known about CO2 sources because until very recently, complete carbon budgets were rare.

[38] Mass-balance carbon budgets are an ideal way to elucidate carbon fluxes and dynamics in inland waters [Andersson and Sobek, 2006 ] however, they are often constrained by the logistics and expense of accurately measuring all possible fluxes. While the current study was an improvement on many prior studies due to our high resolution estimates of DIC, DOC, POC, and PIC, we were unable to estimate some fluxes in detail. Ice-out release of CO2 can be a significant flux, particularly in systems with high DOC loads such as boreal lakes. Limited work indicates that ice-out CO2 flux in some hard-water lakes may represent a small contribution to total annual CO2 flux [Finlay et al., 2010 ]. Our estimates of CO2 fluxes for Acton during the winter and ice-out were constrained by our ability to safely sample the lake. Thus, our winter CO2 efflux estimates for Acton may be underestimated and represent a source of uncertainty in our budget. We had year-round pH, DIC, and temperature data for Burr Oak, so were able to estimate CO2 fluxes during these periods. Estimating k, piston velocity, from wind speed may also be an additional source of uncertainty in our CO2 flux calculations. However, empirical relationships between wind speed and k are more problematic in small (< 0.5 km 2 ), wind sheltered lakes [Cole et al., 2010 ] than in reservoirs like Acton and Burr Oak. We also did not directly measure CaCO3 precipitation rates in our reservoirs. This process is important because it removes alkalinity from the water column and also increases CO2 evolution. Furthermore, if alkalinity is conserved in the reservoirs, we should be able to take the difference between alkalinity inputs and outputs to/from the water column and attribute this loss to CaCO3 precipitation and thus IC burial. Using limited data, we found agreement with our budgets and estimated alkalinity balances in Acton (Table 3). For Burr Oak, our alkalinity balance overestimated IC burial, and we attribute this to alkalinity consumption and CaCO3 dissolution (Table 3). Burr Oak may have increased alkalinity consumption via nitrification during fall turnover, because this reservoir has high ammonium concentrations in the hypolimnion (M.J. Vanni, unpublished data) and a larger volume of anoxic waters than Acton (1.5 x 10 6 , 8.2 x 10 5 m 3 , respectively). In a reservoir with similar chemical conditions as Burr Oak, permanent IC burial was 88% lower than deposited carbonate due to dissolution [Wang et al., 2012 ]. Uncertainty in the loss of IC from Burr Oak is a source of potential error in our budgets.

Year Lake Stream alkalinity load (Mg summer -1 ) Dam alkalinity export (Mg summer -1 ) IC buried from C budgets (Mg summer -1 ) Alkalinity export + IC buried (Mg summer -1 ) Alkalinity load – alkalinity export as buried CaCO3 (Mg summer -1 )
2007 Acton 384.6 260.3 49.0 309.3 62.2
2008 Acton 2238.0 1743.3 215.7 1959.0 247.4
2007 Burr Oak 97.3 6.4 1.5 7.9 45.4
2008 Burr Oak 289.4 111.2 1.9 113.1 89.1

[39] We did not measure direct atmospheric deposition of DOC, DIC, or POC onto reservoir surfaces. In seven unproductive lakes in Ontario, atmospheric inputs of DIC comprised 1 to 8% of total DIC inputs while atmospheric DOC inputs ranged from 2 to 13% of total DOC inputs [Dillon and Molot, 1997 ]. Stets et al. [ 2009 ] showed that organic carbon inputs via precipitation were only important in a closed-basin lake while they represented a minor influx in a lake with high surface water input. Given that Acton and Burr Oak have large watersheds, and hence water inputs via surface runoff, we suspect that atmospheric inputs of C would represent a small and insignificant influx into these reservoirs. In addition, based on nutrient budgets for Acton Lake, atmospheric inputs of C are likely to be small compared to stream inputs [Vanni et al., 2011 ]. Groundwater inputs into some lakes are extremely rich in DIC and CO2 and can thus contribute greatly to these inputs [Stets et al., 2009 Striegl and Michmerhuizen, 1998 ]. We did not estimate groundwater inputs of C, but for both reservoirs, groundwater contributes a small amount of the hydrological inputs (W.H. Renwick, unpublished data).

[40] Because we used a high resolution sampling regime, and recognizing the uncertainties discussed above, we felt confident in our retention and CO2 emission rates. Thus, we scaled up C fluxes regionally, specifically for the state of Ohio, by estimating OC burial and atmospheric CO2 exchange rates in Ohio tributary reservoirs >0.5 km 2 (n = 105 reservoirs statewide). We used watershed land use data [Hagenbuch, 2010 ] to classify reservoirs as either dominated by agriculture, forest, or of mixed land use (i.e., agriculture and forest). We then applied mean CO2 fluxes and OC burial from our budgets to three reservoir classification types (agricultural, forested, or mixed), using the average of agricultural and forested for mixed land use (Table 4). We assessed only OC burial to facilitate comparison with past global studies [Cole et al., 2007 Tranvik et al., 2009 ]. We estimate that Ohio reservoirs bury 105 Gg OC yr -1 and emit 8.5 Gg of C as CO2 yr -1 (Table 4). Reservoirs in agricultural landscapes buried 53% of statewide OC, while forested reservoirs buried only 8% (39% was buried by mixed land use). Agricultural and forested reservoirs each emitted

25% of the CO2 emissions by Ohio reservoirs (those in mixed land use emitted 50%).

System Total surface area of reservoirs, statewide or global (km 2 ) % of global area of lentic ecosystems (lakes plus reservoirs) Mean reservoir CO2 emissions (g m -2 yr -1 ) Statewide or global CO2 emissions (Gg yr -1 ) % of global CO2 emissions occurring from reservoirs, statewide Mean reservoir OC burial (g m -2 yr -1 ) Statewide or global OC burial (Gg yr -1 ) % of global OC burial occurring from reservoirs, statewide
Ohio reservoirs 433 0.01 – 0.02a أ based on low and high global lake area estimates from references Meybeck [ 1995 ] and Downing et al. [ 2006 ],
8.50 0.001 – 0.002b ب based on low and high estimated global C fluxes from Cole et al. [ 2007 ] and Tranvik et al. [ 2009 ].
105.53 0.02 – 0.05b ب based on low and high estimated global C fluxes from Cole et al. [ 2007 ] and Tranvik et al. [ 2009 ].
Agricultural 180 11.47 2.07 307.11 55.42
Forested 62 33.56 2.09 129.37 8.07
Mixed 191 22.51 4.30 218.24 41.66
Global lentic water bodies 2000–4200 x10 3 a أ based on low and high global lake area estimates from references Meybeck [ 1995 ] and Downing et al. [ 2006 ],
390 – 770 x10 3 b ب based on low and high estimated global C fluxes from Cole et al. [ 2007 ] and Tranvik et al. [ 2009 ].
230 – 600 x10 3 b ب based on low and high estimated global C fluxes from Cole et al. [ 2007 ] and Tranvik et al. [ 2009 ].
  • أ based on low and high global lake area estimates from references Meybeck [ 1995 ] and Downing et al. [ 2006 ],
  • ب based on low and high estimated global C fluxes from Cole et al. [ 2007 ] and Tranvik et al. [ 2009 ].

[41] Using recently published estimates of global OC burial and CO2 emission rates of lentic ecosystems (lakes and reservoirs [Cole et al., 2007 Tranvik et al., 2009 ]), we calculated the percentage of global lentic fluxes attributable to Ohio reservoirs. We also examined whether these fluxes are proportional to the lentic area they occupy using published global estimates of lake and reservoir area [Downing et al., 2006 Meybeck, 1995 ] and C fluxes [Cole et al., 2007 Tranvik et al., 2009 ]. We used high [Downing et al., 2006 Tranvik et al., 2009 ] and low [Cole et al., 2007 Meybeck, 1995 ] estimates of global C fluxes and global lentic area to account for uncertainty. We find that Ohio reservoirs account for 0.02-0.05% of total global OC burial but only 0.001-0.002% of global CO2 emissions in lentic ecosystems (Table 4). Ohio reservoirs bury between 0.8-4.4X of the C mass that would be predicted based only on water body area, i.e., (Ohio lentic burial/global lentic burial) / (Ohio lentic area/global lentic area). On the other hand, CO2 emissions by Ohio reservoirs represent only 5-21% of emissions expected based on their area. We initially expected that productive Ohio reservoirs would be CO2 sinks, but our results indicate that they are generally small sources. Even when considering additional eutrophic Ohio reservoirs dominated by agricultural land, we find that these systems are sources of CO2 (Figure 7). These additional reservoirs may behave as Acton in that they receive large quantities of inorganic carbon from their watersheds, emit a portion of inorganic carbon as CO2, and are net CO2 sources despite being autotrophic. Thus, Ohio reservoirs appear to retain proportionally more C, but emit proportionally less CO2, than the global average. This is likely a consequence of their relatively large watershed areas and carbonate bedrock, which results in large quantities of C, particularly POC and DIC, being delivered to these reservoirs (Figure 3).

[42] Our budget results suggest that moderately to highly productive waters are not necessarily large CO2 sinks as previously expected [Cole et al., 2007 Hanson et al., 2004 ], and that watershed land use and hydrology (specifically, precipitation variability) modulate C fluxes. Regional estimates also suggest that Midwestern US reservoirs are burying significant amounts of OC but that the magnitude of CO2 flux is unexpectedly low and in the opposite direction as predicted for productive systems. The role of inland waters in regulating carbon will vary with changing climate, and the nature of these shifts will depend upon watershed and lake characteristics. To gain insights into how climate change may modify these fluxes in diverse systems, we can use high resolution baseline data and compare it to periods of extreme climatic events such as droughts or extreme storm events.


CARBON CYCLE

Short-Term Carbon Cycle

The short-term carbon cycle refers to the natural cyclical processes of organic matter production and organic decay ( Figure 2 ). The key step in this cycle is photosynthesis, whereby CO2 is consumed by reaction with water to form organic carbohydrates, releasing oxygen in the process ( eqn [1] ):

الشكل 2 . The short-term and long-term organic carbon cycles of productivity, sedimentation, burial, and weathering. Numbers refer to carbon reservoirs (in gigatons) and carbon fluxes (in gigatons year −1 ). Reprinted from Kump LR, Kasting JF, and Crane RG (1999) The Earth System. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall.

Photosynthesis does not occur spontaneously but requires the input of solar energy. Consequently, photosynthesis can take place only where sunlight can freely penetrate, on the land or within the uppermost 100 m or so of oceans and lakes. On land, photosynthesis is carried out mostly by plants, whereas in the sea it is almost exclusively the domain of algae in the form of minute, free-floating silica-shelled diatoms and calcite-shelled coccoliths. Just as photosynthesis always consumes CO2, the reverse process, organic respiration or decay, returns that CO2 after death of a plant or animal this process is catalysed by the enzymatic action of chiefly anaerobic microbes that can be found in the digestive tracts of animals, in the soil, or beneath the seafloor. Because organic decay is essentially an oxidation process, oxygen is consumed instead of being released, which is why oceanic regions of high productivity are commonly underlain by ‘oxygen minimum zones’, i.e., zones of low oxygen concentration caused by the decomposition of organic matter in the water column. Organic raindown not only transfers CO2 to the deep ocean but also acts as a biological pump for nutrients that, once stored in the deep ocean ‘conveyor belt’, generally reemerge only in regions of upwelling and high productivity. Reoxidation of organic matter that has reached the sediment may take place by a variety of mechanisms (oxic respiration, denitrification, or sulphate reduction). However, in addition, in the deepest, most reducing environments, methane may be produced by the actions of methanogenic bacteria using two main pathways ( eqns [2a] and [2b] ):

Methane produced in this fashion may seep back into seawater to be reoxidized to CO2 or may be stored temporarily for thousands to millions of years as the volatile methane clathrate.

Under normal circumstances, any particular ecosystem will be experiencing both photosynthesis and respiration, but in different proportions. If photosynthesis outweighs respiration, then the ecosystem will act as a sink for CO2, whereas in the reverse case it will act as a source. This ‘breathing’ of the biosphere can best be seen in the annual fluctuations of atmospheric CO2 in the northern hemisphere ( Figure 3 ). During the northern hemisphere summer, when terrestrial photosynthesis and leaf growth surpass respiration and decomposition, CO2 levels decrease by as much as 15 ppm in the boreal forest zone (55–65° N), a decrease almost completely balanced by the winter increase in CO2 caused by the inevitable decomposition of fallen leaves. In the southern hemisphere, the cycle is reversed but the effect never attains more than 1 ppm. This hemisphere inequity confirms that such seasonal CO2 fluctuations are driven by the terrestrial carbon cycle, rather than by the oceanic carbon cycle, there being far more terrestrial biomass in the northern than in the southern hemisphere. Because the fluxes involved in the short-term carbon cycle are so large, persistent imbalances would lead to intolerable fluctuations in atmospheric CO2. Therefore, on time-scales longer than about a century, this cycle of productivity and decay must be perfectly in balance. Nevertheless, not all CO2 is eventually returned to the atmosphere. A small proportion of the carbon locked up in soils as organic matter may be washed away to be buried indefinitely in coastal and marine sedimentary basins. Similarly, a small proportion of marine organic matter will also escape the processes of decay by being swiftly buried in areas of high sedimentation rate. Organic burial constitutes a leak in the short-term carbon cycle, whereby a relatively small proportion of CO2 is continually removed from the surface environment to be stored within Earth's crust. Some of this leaked CO2 may eventually be returned to the surface environment by tectonic processes at convergent margins (deep-sea trenches), but not for many millions of years, as part of the ‘long-term’ carbon cycle of carbon burial, subduction, uplift, weathering, and carbonate deposition.

الشكل 3. A three-dimensional perspective of terrestrial biosphere breathing. Reprinted from Volk T (1998) Gaia's Body: Toward a Physiology of the Earth. New York: Springer-Verlag.


Fluvial carbon fluxes in tropical rivers

The export of fluvial carbon from land to the ocean is an important connection between two of the largest carbon reservoirs in the world. Previous investigations have estimated that river water annually provides 0.80–1.33 Pg of carbon to the world's oceans. This investigation combines a review of published data from 80 tropical (30°N–30°S) rivers, with supplementary, unpublished data concerning 95 additional rivers, mostly from South and Southeast Asia. These rivers deliver approximately 0.53 Pg carbon to the estuaries annually. Of this, 0.21 Pg C is dissolved inorganic carbon (DIC), 0.14 Pg C is dissolved organic carbon (DOC), 0.05 Pg C is particulate inorganic carbon (PIC), and 0.13 Pg C is particulate organic carbon (POC). Rivers in the equatorial region between 3°N and 6°S register high DOC values but low DIC values the difference is primarily associated with type of soil. Rivers in mainland Asia have the highest specific export rates in terms of DIC, DOC and POC.

يسلط الضوء

► Fluvial carbon fluxes are estimated from 175 tropical rivers. ► The DIC concentrations are lower in equatorial rivers than at other latitudes. ► The DOC concentrations in equatorial rivers are the highest in the tropical region. ► Tropical rivers provide approximately 48–64% of the global fluvial carbon flux. ► Asia has the highest specific carbon yields in the tropical region.


Complex Systems Exhibit Chaotic Behavior

Chaotic behavior is characterized by extreme sensitivity to initial conditions, fractal geometry, and self-organized criticality (Turcotte, 2006).

Sensitivity to initial conditions

The concept of sensitive dependence on initial conditions has been popularized in the so-called "butterfly effect": the idea that a butterfly flapping its wings in Brazil could change the weather in Texas. Minute differences in the initial conditions for such a system result in extremely different outcomes. Edward Lorenz discovered this property while studying thermal convection (Lorenz, 1963), and from it correctly inferred the difficulty of long-term weather prediction. The butterfly effect refers to the idea that the flap of a butterfly's wings would be enough to change the initial conditions of the Earth's atmosphere, thus having a profound effect on global weather patterns. While this may seem far-fetched, it begins to make sense when you consider the strong level of interdependence of the system, its nonlinearity, and the possibility for signal amplification via feedback.

Fractal geometry

Benoit Mandelbrot coined the term "fractal" to describe a special set of self-similar curves. Self-similarity implies that an object looks the same at any scale. Many natural objects approximate fractal geometry, such as clouds, snowflakes, river drainage systems, and coastlines. In fact, geographic coastlines are "so involved in their detail that their lengths are often infinite or more accurately, undefinable" (Mandelbrot, 1967). Mathematically, self-similarity requires a power-law distribution of representative objects. In other words, as the size of an object decreases, there is a corresponding power-law increase in the number of objects of that size. For example, the ratio of second-order streams to first-order streams in a drainage basin is very nearly equal to the ratio of third-order streams to second-order streams, or to the ratio of fourth-order streams to third-order streams, and so on (Turcotte, 2006).

Self-organized criticality (SOC)

Self-organized criticality is the concept that a dynamic system will move toward a critical, or emergent, state, by natural processes. It is perhaps most easily understood via an example. This concept was introduced by Bak, Tang and Wiesenfeld in 1988 to explain the behavior of a cellular automaton (CA) model. In their model, sand is dropped randomly into a square array of boxes (cells). Sand grains accumulate in each box until it holds four grains. At that point, the four grains are redistributed: one to each of the four nearest neighboring boxes. If the addition of those grains to the neighboring boxes triggers another redistribution, the chain reaction is referred to as an avalanche. Simulations of this model show that the size of the avalanches (number of boxes involved in chain reaction events) follows a power-law distribution. Moreover, many natural events (including avalanches, landslides, forest fires, and earthquakes) have been found to exhibit power-law frequency-area behavior (Bak et al., 1988, cited in Turcotte, 2006).

The critical, or emergent, state of a natural sand pile is a circular cone where the sand surface has reached the angle of repose. In that state, the addition of sand will lead to an avalanche of some size, thus maintaining the angle of repose (and the conical shape of the pile). The system, or sand pile, achieves this state -- a metastable, or "critical" state -- through a series of avalanches, without any interference from external forces or processes. This is what is meant by "self-organized" criticality (Herbert, 2006).


Marine Biogeochemistry

Long Time-Scale Phosphorus Cycling, and Links to Other Biogeochemical Cycles

The biogeochemical cycles of phosphorus and carbon are linked through photosynthetic uptake and release during respiration. During times of elevated marine biological productivity, enhanced uptake of surface water CO 2 by photosynthetic organisms results in increased absorption of CO2 from the atmosphere into the surface ocean, which persists until the supply of the least abundant nutrient is exhausted. On geological timescales, phosphorus is likely to function as the limiting nutrient, and thus play a role in atmospheric CO2 regulation by limiting CO2 drawdown by oceanic photosynthetic activity. This connection between nutrients and atmospheric CO2 could have played a role in triggering or enhancing the global cooling that resulted in glacial episodes in the geological past. Tectonics may play the ultimate role in controlling the exogenic phosphorus mass, resulting in long-term phosphorus-limited productivity in the ocean. In this formulation, the balance between subduction of phosphorus bound up in marine sediments and underlying crust, and creation of new crystalline rock that may be uplifted into the weathering regime, sets the mass of exogenic phosphorus.


شاهد الفيديو: مقدمة مع خاتمة