Biogeochemia i geochemia 1300-OBGGCHW-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.
Rodzaj przedmiotu
Efekty kształcenia
K_W01 - ma wiedzę na temat procesów i czynników kształtujących Ziemię w zakresie geologii ogólnej ze szczególnym uwzględnieniem hydrogeologii, geologii inżynierskiej, tektoniki i kartografii geologicznej, gospodarki surowcami mineralnymi jak również ochrony środowiska
K_W02 - ma wiedzę na temat wielorakich związków między elementami środowiska, powiązaniami abiotyczno-biotycznymi oraz oddziaływaniami antropogenicznymi, zna podstawowe parametry i schematy opisujące te oddziaływania oraz metody ich zapisu matematycznego i analizy statystycznej
K_W05 - ma wiedzę na temat modeli środowiska geologicznego i geograficznego, baz geoprzestrzennych danych geologicznych i środowiskowych, posiada znajomość specjalistycznego oprogramowania, w tym ArcGIS, wprowadzania, przetwarzania i sposobów wizualizacji danych w programach opartych na bazach danych geologicznych i środowiskowych
K_W08 - ma wiedzę w zakresie specjalistycznych programów komputerowych, zna zasady metodyczne modelowania geologicznego, ma wiedzę w zakresie planowania badań w celach modelowych, zna zasady schematyzacji warunków geologicznych dla potrzeb modelowych
K_W09 - ma wiedzę na temat warunków geologicznych Polski w podziale regionalnym, w tym: regionalizację geologiczną Polski, piętra strukturalne, historię basenów sedymentacyjnych, obszary występowania złóż, obszary występowania wód leczniczych i termalnych; ma wiedzę na temat budowy geologicznej wybranych regionów na świecie oraz treści seryjnych i specjalistycznych map geologicznych
K_W11 - zna sposoby pozyskiwania i rozliczania funduszy na realizację badań;. zna regulacje prawne w zakresie poszukiwania i wydobywania kopalin oraz wykonywania prac geologicznych, unormowanych prawem geologicznym i górniczym, ustawą o ochronie i kształtowaniu środowiska, prawem wodnym i innymi aktami prawnymi, zna zasady procesu koncesyjnego oraz zasady postępowania administracyjnego w zakresie działalności geologicznej, zna skutki nieprzestrzegania zasad ochrony praw własności intelektualnej; zna metody rozwoju własnej przedsiębiorczości
K_W14 - ma pogłębioną wiedzę o powiązaniach dziedzin nauki i dyscyplin naukowych, właściwych dla studiowanego kierunku studiów z innymi dziedzinami nauki i dyscyplinami naukowymi obszaru albo obszarów, z których został wyodrębniony studiowany kierunek studiów, pozwalającą na integrowanie perspektyw właściwych dla kilku dyscyplin naukowych
K_U01 - stosuje zaawansowane techniki badań laboratoryjnych (petrograficzne, geochemiczne, hydrochemiczne, geotechniczne, hydrogeologiczne, geoinżynierskie)
K_U06 - potrafi zwięźle scharakteryzować warunki geologiczne, geologiczno-złożowe, geologiczno-inżynierskie oraz hydrogeologiczne poszczególnych rejonów Polski i wybranych regionów świata, umie porównać obszary Polski pod względem zasobności w złoża surowców mineralnych i wody podziemne, potrafi wyjaśnić genezę złóż i wód mineralnych Polski w nawiązaniu do historii geologicznej rozwoju danego obszaru i jego budowy geologicznej,
K_U07 - potrafi wydzielić jednorodne warstwy geologiczno-inżynierskie, posiada umiejętność opracowania i analizy atlasu geologiczno-inżynierskiego terenu, potrafi zidentyfikować geozagrożenia w środowisku geologiczno-inżynierskim, zna zasady dokumentowania geologicznego, złożowego i geologiczno-inżynierskiego
K_U10 - planuje empiryczne badania terenowe (rodzaj badań, kolejność, terenowa weryfikacja wyników) i kwerendę archiwów terenowych w celu pozyskania materiałów do osiągnięcia zamierzonego efektu naukowego lub praktycznego, wybiera punkty badawcze, pobiera próbki (wody, gruntu, skały) lub okazy wg odpowiednich technik
K_U11 - ma umiejętność studiowania fachowej literatury polskiej i światowej oraz materiałów niepublikowanych, posiada umiejętności językowe na poziomie B2+, zdobyte poprzez korzystanie z anglojęzycznej literatury podczas przygotowywania się do seminariów oraz pisania pracy magisterskiej; ma umiejętność samodzielnego wyciągania wniosków i wykorzystania w pracy badawczej
K_K02 - współdziała w grupach tematycznych na zajęciach terenowych oraz podczas grupowych zajęć kameralnych
K_K07 - wykazuje odpowiedzialność za bezpieczeństwo swoje i innych podczas prac laboratoryjnych, w czasie kursów terenowych i na praktykach zawodowych
Kryteria oceniania
Zaliczenie pisemne na ocenę.
Warunkiem zaliczenia jest opanowanie materiału omawianego w trakcie zajęć.
Zaliczenie w terminie poprawkowym według kryteriów jw.
Praktyki zawodowe
brak
Literatura
Cykl wykładów ułożony zgodnie z porządkiem przedstawionym przez Schlesingera 2013,
lecz treść a zwłaszcza ilustracje zawarte w wykładach odbiegają zasadniczo od treści prezentowanych w tej książce.
Vladimir N. Baskin in cooperation with Robert W Howarth 2002. Modern Biogeochemistry. Kluwer Academic Press. Dortrecht, Boston, London, 561 pp
William H. Schlesinger and Emily S. Bernhand 2013 (third edition). Biogeochemistry. Elsevier, 672 pp
Kabata-Pendias A., Pendias H. (1999) Biogeochemia pierwiastków śladowych, PWN, Warszawa.
January Weiner 2012. "Życie i ewolucja biosfery" PWN Warszawa. ss 609.
Edwin Schauble (schauble@ucla.edu) ESS C113/C213: Biogeochemistry Geology 3656, Spring 2013 Class Syllabus (html)
Materiały ilustracyjne inernetowe i własne.
Więcej informacji
Dodatkowe informacje (np. o kalendarzu rejestracji, prowadzących zajęcia, lokalizacji i terminach zajęć) mogą być dostępne w serwisie USOSweb: