Biogeochemia procesów środowiskowych 1300-OBPSW-GES

PROCESY I REAKCJE

W 1. WSTĘP. Wyjaśnienie czym zajmuje się biogeochemia i uzasadnienie traktowania Ziemi w tej nauce jako systemu skomplikowanych powiązań chemicznych ściśle powiązanych z funkcjonowaniem organizmów żywych. Omówienie znaczenia skali czasowej, przestrzennej oraz zasad termodynamiki i stechiometrii w analizie biogeochemicznej. Przedstawienie przykładów i założeń modelowych, w których te zasady są realizowane. W formie skrajnie wyidealizowanej traktowania takich modeli możemy dojść do kontrowersyjnej i prowokacyjnej koncepcji GAI –samoregulującego się superorganizmu jakim jest wg tej teorii Ziemia. Dyskusja nad tą koncepcją.

W 2. POCZĄTKI. Pochodzenie pierwiastków we wszechświecie i hipotezy tłumaczące ich zróżnicowaną przestrzennie częstość występowania. Geneza Układu Słonecznego i powstanie Ziemi w stałym stanie skupienia o zróżnicowanym geochemicznie składzie w profilu pionowym. Powstanie atmosfery, oceanów i życia na Ziemi. Ewolucja szlaków metabolicznych organizmów żywych rozwijanych w czasie geologicznym. Omówienie fotosyntezy (zasilającej w tlen atmosferę), procesów chemoautotroficznych i oddychania beztlenowego. Porównanie historii planetarnej Ziemi, Marsa i Wenus.

W 3. ATMOSFERA. Struktura wertykalna i zonacja atmosfery, rozkład jej składników gazowych i aerozolowych. Historia geologiczna kształtowania się składu oraz przemiany chemiczne w troposferze na przykładzie azotu, tlenu, dwutlenku węgla i śladowych ilości gazów biogenicznych w warunkach naturalnych i modyfikowanych działalnością człowieka. Czynniki warunkujące składu opadów atmosferycznych; naturalne i antropogeniczne. Chemiczne reakcje w stratosferze: warstwa ozonowa, zagrożenie freonami. Modele wiążące zmienność w atmosferze z globalnymi zmianami przyrodniczymi w tym zmianami klimatu.

W 4. LITOSFERA. Wietrzenie skał i mineralne produkty tego wietrzenia (minerały wtórne w tym minerały ilaste, tlenki, zeolity). Charakterystyka minerałów wtórnych. Omówienie podstawowych cech fizycznych i chemicznych charakteryzujących gleby. Inicjalne procesy glebotwórcze i rozwój gleb. Procesy glebotwórcze dominujące w Polsce: bielicowanie, brunatnienie, płowienie, procesy glejowe, gromadzenie materii organicznej w warunkach hydromorficznych. Omówienie procesów rządzących materia organiczną gleb: humifikacji, mineralizacji, murszenia, fermentacja i gnicia. Procesy glebotwórcze ważne w innych regionach świata: np. laterytyzacja, lub specyficzne formy wietrzenia terenów zbudowanych z wapieni (terra rosa).

W 5. BIOSFERA: PRODUKTYWNOŚĆ EKOSYSTEMÓW LĄDOWYCH. Omówienie procesu fotosyntezy i oddychania w rozszerzonych formach. Wyjaśnienie terminu produkcja pierwotna netto i modyfikacje wynikające ze zjawiska turbulentnego przepływu mas powietrza (Eddy fluxes). Losy produkcji pierwotnej netto i detrytusu organicznego. Teledetekcja produkcji pierwotnej i biomasy. Produkcja pierwotna netto oraz materia organiczna gleb a zmiany globalne.

W 6. BIOSFERA: BIOGEOCHEMICZNE CYKLE W EKOSYSTEMACH LĄDOWYCH. Krążenie nutrietów w roślinach i ekosystemach lądowych (zespołach roślinnych i w glebach) nierozerwalnie sprzężone z aktywnością procesów biologicznych. Roczny cykl krążenia materii (i poszczególnych pierwiastków w niej zawartych) w zespołach roślin lądowych i wieloletni cykl w glebach. Rozważania na temat biogeochemicznej równowagi materii (zróżnicowanej składem elementarnej) na poziomie krajobrazu. Omówienie czynników mogących istotnie wpłynąć na tę równowagę (czynnik antropogeniczny, ogień, zwierzęta). Wpływ człowieka na lądowe cykle biogeochemiczne: kwaśne deszcze, zwiększona depozycja azotu, wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze i globalne ocieplenie.

W 7. EKOSYSTEMY TERENÓW PODMOKŁYCH. Cechy przyrodnicze (hydrologiczne glebowe, ekologiczne) uzasadniające użycie określenia “teren podmokły” (wetland ecosystem). Produktywność ekosystemów podmokłych i zasoby nagromadzonej materii organicznej. Biogeochemiczne procesy kontrolujące wielkość depozytów organicznych w ekosystemach podmokłych (fermentacja, denitryfikacja, redukcja żelaza i manganu, redukcja siarczanów, metanogeneza, utlenianie metanu w warunkach tlenowych i beztlenowych, koncepcja pojęcia konsorcja mikrobiologiczne). Tereny podmokłe a jakość wody powierzchniowej. Tereny podmokłe a globalne zmiany klimatu.

W 8. WODY ŚRÓDLĄDOWE. Wody śródlądowe obejmują jeziora, rzeki i estuaria. Czynniki ekologiczne decydujące o żyzności (trofii) jezior. Cykle mieszania wertykalnego wód jeziornych i ich wpływ na żyzność jezior. Budżet zasobów wodnych rzek. Procesy mieszania i żyzność wód rzecznych. Budżet zasobów wodnych estuariów. Procesy mieszania i żyzność estuariów. Wpływ gospodarczej działalności człowieka na zasoby i żyzność wód śródlądowych.

W 9. OCEANY. Cyrkulacja wód w oceanach i regionalne jej zakłócenia o globalnym znaczeniu klimatycznym (np: El Niňo). Skład chemiczny wód oceanicznych. Diageneza sedymentów (materia organiczna i biogeniczne węglany). Morska pompa biologiczna kontrolująca globalne krążenie węgla. Prawidłowości rozkładu nutrietów w profilu pionowym i zasady rządzące tym rozkładem. Nutriety limitujące produkcję pierwotną oceanu. Wpływ człowieka na zakłócenia naturalnego cyklu pierwiastków w oceanie. Biogeochemia kominów hydrotermalnych. Morski cykl siarki. Zapis w osadach dennych oceanu historii biogeochemicznej.

CYKLE GLOBALNE

W 10. GLOBALNE KRĄŻENIE WODY. Obecny globalny cykl wody i ich ilustracja przykładami modelowymi. Cykle wodne w przeszłości geologicznej, w tym podczas czwartorzędowych fluktuacji klimatycznych. Cykl wody a zmiany klimatu: wzrost poziomu wody w oceanach, zmiany zasięgu lodowców i lodu morskiego, zmiany równowagi wodnej na lądach.

W 11. GLOBALNE KRĄŻENIE WĘGLA. Współczesne globalne krążenie węgla. Zmienny cykl węgla w czasie geologicznym na Ziemi i specyfika składu Ziemskiej atmosfery w Układzie Słonecznym. Losy i biogeochemiczne znaczenie gazowych form węgla w atmosferze (dwutlenek węgla, tlenek węgla, metan). Powiązanie globalnych losów węgla i tlenu na tle geologicznej historii rozwoju Ziemi.

W 12. GLOBALNY CYKL AZOTU I FOSFORU. Dynamika przeobrażeń form azotu w cyklu globalnym. Globalny cykl azotu z dodatkowym wyróżnieniem środowiska morskiego. Globalny cykl azotu w geologicznej przeszłości. Antropogeniczny wzrost koncentracji podtlenku azotu w atmosferze. Globalny cykl fosforu. Szczegółowe omówienie losów fosforu glebowego, zasilania wewnętrznego w zbiornikach wodnych, pętli mikrobiologicznej w wodach. Próby powiązania cykli węgla, azotu i fosforu.

W 13. GLOBALNY CYKL SIARKI I RTĘCI. Geologiczna historia globalnego cyklu siarki na Ziemi. Obecny model i budżet atmosferyczny siarczku carbonylu. Globalny cykl rtęci, wyjątkowo toksycznego pierwiastka łatwo uruchamianego do atmosfery i globalnie rozprzestrzeniającego się.

W 14. PERSPEKTYWY. Próba oszacowania wielkości przepływu i miejsc akumulacji najważniejszych pierwiastków w cyklach biogeochemicznych. Oszacowany jest ilościowo udział człowieka w modyfikacji (przyspieszeniu krążenia) w tych cyklach. Biologiczne i abiotyczne markery procesów kontrolujących cykle biogeochemiczne.