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Biogeochemie (Fach) / Biochemie Geochemie (Lektion)

Biochemie Geochemie Uni Wien

Diese Lektion wurde von johannas18 erstellt.

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  • Lehm = Mischung aus Sand Schluff und Ton 
  • Eigenschaften Sand - hoher interner Zusammenhalt zwischen den Partikeln - höhrer Wasseranteil => schlechtere Durchlüftung 
  • Bildungsalter Boden : Anfangs eher Sand und primäre Silikate, danach sekundäre Silikate und Tonminerale.
  • Ab welchem Dutchmesser spricht man von Gesteinen ? > 0,2 mm
  • Definition und Eigenschaften von Equilibrium. Ein Equilibrium (System) zeichnet sich aus durch - geschlossenes System, viele interne Zyklen- selbst-regulierend - stabile Bedingungen - kein menschlicher Einfluss  Systeme ohne Equilibrium haben: - Inputs und Verluste - dynamische Einflüsse von internen und externen Faktoren - gewisse Rate an Störungen (natürlich und anthropogen)
  • Was versteht man unter Steady State Falls ein Gleichgewicht von In- und Outputs über lange Zeit besteht, handelt es sich um ein Steady state (= dynamisches Equilibrium: zeitliche und örtliche Variationen sind normale Aspekte des Ökosystems). Bsp: Abwechseln von trockenen und feuchten Jahren; unterschiedliches Wachstum von Pflanzen in Winter/Sommer; Störungen (z.B Feuer) in Systemen.
  • Reservoir= Becken, dass die Menge an Stoff eingrenzt
  • Pool Menge des Stoffs, die im Reservoir vorliegt 
  • Flux= besteht aus Flux in und Flux out (Zu und Abfluss) alles was wir wissen müssen, um die Systeme oberflächlich zu verstehen 
  • Source and Sink Quelle und SenkeSource: zB ein Pool, der als Quelle einen Stoff abgibt Sink: zb ein Pool, der einen Stoff aufnimmt 
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  • Wie greift der mensch in den Wasserhaushalt ein?  Frischwasserreservoirs, Landnutzung, Klimawandel - Die Wassernutzung macht nur einen kleinen Teil aus. Etwa 9000 km3 Wasser sind für die Menschen zur Verfügung, der Rest fließt ab. - Das wurde für 20 Mrd. Menschen reichen, allerdings ist die Verteilung des Wassers ungleichmäßig. - Die Nutzung dieses Wasserpools hat sich in den letzten Jahrhunderten stark verändert. Die Landwirtschaftliche Fläche, die bewässert wird, stieg um 500%. - Der totale Wasserverbrauch stieg um 800% pro Kopf. - Etwa 54% des verfügbaren Wassers wird heute für menschliche Aktivität genutzt.-Menschliche Aktivität hat allerdings den Wasserkreislauf verändert, da die Landflache verändert wurden. Filtration und Evaporation wurden durch Landwirtschaft verändert. -Der Evapotranspirationsrations - Verlust ist in Wäldern hoher als in Grasländern, wodurch weniger Oberflächenabfluss besteht. Mehr Wasser wird filtriert. Eine Umwandlung von Wäldern in Grasländern hat daher einen großen Einfluss auf die Oberflächenwasser- Verfügbarkeit (teilweise Verdopplung des Oberflächenabflusses!). - Der Wasserkreislauf ist auch stark gekoppelt mit dem Klima. Der Wassergehalt in der Atmosphäre, Wolken, Niederschlag und Abfluss von Wasser wird vom Menschen indirekt verändert. Zusammenhang zwischen Hitze und Wasserzyklus: die durchschnittliche Temperatur der Ozeane stieg seit 1970 um 0,55°C, wodurch 4% mehr Wasser in der Atmosphäre gehalten werden kann. Zunahme der Evaporationsrate, allerdings steigt die globale Niederschlagsrate nicht. Scheinbar speichert die Atmosphäre einfach mehr Wasser. In mittleren und hohen Breitengraden steigt zwar die Niederschlagsmenge, aber in trockenen Bereichen sinkt der Wert. Globale Umverteilung.
  • Der Menschliche Einfluss auf den globalen Stickstoffkreislauf - massive Zunahme der Weltbevölkerung nur möglich durch die vermehrte Produktion von Nahrungsmitteln  Beim Verständnis des globalen Stickstoff-Kreislaufs sind  in Unsicherheiten in Bezug auf die einzelnen Flüsse und Speicher sehr groß. => Mangel an guten Messdaten - Die terrestrische BNF hat aufgrund von Landnutzungswandel abgenommen- Anthropogene Prozesse  führten zu einer Steigerung der terrestrischen N.-Produktion auf das Doppelte und der globalen Produktion um den Faktor 1,5. - Dieser zusätzliche Stickstoff  taucht hauptsächlich in Depositionsflüssen -  Die globale Stickstoff-Deposition hat um den Faktor 3 zugenommen (dadurch kann es auch in Regionen, in denen es kaum Landwirtschaft gibt, zu einem erhöhten Stickstoff-Input kommen) - Der Fluss von den terrestrischen in die marinen Systeme hat sich vervierfacht. - Im marinen Bereich haben sich durch anthropogene Einflüsse nur die atmosphärische Deposition und der Abfluss über Flüsse in die Ozeane erhöht. - Der Mensch hat die Produktion von reaktivem Stickstoff um gut 50% erhöht,
  • Was sind die Folgen von erhöhten Aerosolkonzentrationen ? Erhöhte Konzentrationen an Aerosolen führen zu einer verstärken Reflexion von Licht und haben dadurch einen negativen Effekt auf den Treibhauseffekt. Konsequenzen -kann in der Troposphäre photochemischen Smog verursachen und zu einer erhöhten Ozon- Konzentration führen - wird zu Salpetersäure/Salpetriger Säure oxidiert → sauren Regen der am Boden deponiert wird; führt zu einer Versauerung und Eutrophierung der Ökosysteme.
  • Kontrollen über Brutto- Primärproduktion und Unterschiede zum Abbau. Photoautotroph: CO2 und H2O wird mit Sonnenlicht zu organischem Kohlenstoff und Sauerstoff. Diese Organismen photosynthetisieren. Der primäre Vorgang wird als Brutto-Photosynthese genannt (Aufnahme von CO2, Umwandlung zu org. Kohlenstoff). Produktivität hängt von Ressourcen ab. Direkte Kontrollen: Licht, CO2, Wasser; Indirekte Kontrollen: Nährstoffe bzw. auch Wasser.
  • Was ist Humus in der Bodenbiologie? Humusanreicherung: Terrestrische Humusformen: - Auflagehorizonte (>30% org. Substanz) - Mineralböden Streuauflage (L): unzersetzte Streu Grobhumus (Of): halb zersetzte Streu Feinhumus (Oh): kaum erkennbare Feinstrukturen Humushaltige Bodenhorizonte (Ah): geringer Gehalt an Streu Humusform = Kombination von Humushorizonten Rohhumus: mächtige Humusauflage 10-30cm weites C/N Verhältnis (40-25), oft bei nährstoffarmer, schwer abbaubarer Streu (z.B. Nadelwälder) Moder: geringere Mächtigkeit C/N ~ 20, krautarme Nadel- und Laubwälder Mull: Humusauflage verschwindet im Sommer oder ist ganzjährig sehr dünn, C/N 15-10, Nährstoffreiche Standorte da relativ hoher N Gehalt. Besteht hauptsächlich aus mikrobieller Biomasse
  • Mull Humusauflage verschwindet im Sommer oder ist ganzjährig sehr dünn, C/N 15-10, Nährstoffreiche Standorte da relativ hoher N Gehalt. Besteht hauptsächlich aus mikrobieller Biomasse
  • Moder Moder: geringere Mächtigkeit C/N ~ 20, krautarme Nadel- und Laubwälder
  • Rohhumus Rohhumus: mächtige Humusauflage 10-30cm weites C/N Verhältnis (40-25), oft bei nährstoffarmer, schwer abbaubarer Streu (z.B. Nadelwälder)
  • 6. Beschreibung von Treibhausgas und Aerosol, ihre Wirkung im Bezug auf die Strahlenbilanz der Erde und jeweils ein Beispiel für Treibhausgas und Aerosol. Die Wärmestrahlung im Infrarotbereich können nur durch elektronegative Moleküle abgefangen werden, die einen Dipol bilden (z.B CH4). Homonukleare Gase wie N2 oder O2 =>  kein Dipol Heteronukleare Gase wie CO2 oder H2O  => haben einen elektrischen Dipol---- => 1. dadurch absorbieren sie die Infrarotstrahlung2. beginnen zu vibrieren 3. emittieren in weiterer Folge Infrarotstrahlung zurück ins All bzw. erwärmen sich. Das quantitativ wichtigste und effektivste Treibhausgas in unserer Atmosphäre ist Wasserdampf. Vulkanische Eruptionen bringen große Mengen an Aerosole in Umlauf, wodurch die Albedo (Reflexion von kurzwelligen Licht) erhöht wird. In geschichtlichen Klimaaufzeichnungen kann man mehrmals erkennen, dass es nach größeren Vulkanausbrüchen zu einer globalen Abkühlung gekommen ist. 1815 sank die globale Temperatur um 3°C (Grund für Völkerwanderungen und „Jahr ohne Sommer“). Durch Schwefeldioxid und Bindung mit Wasser bildet sich Schwefelsäure, die als kleine Tröpfchen in der Atmosphäre vorkommt. Albedo steigt durch Aerosole. Ammoniak ist eines der wenigen basischen Gase in der Atmosphäre, die zu einer Pufferung der sauren Gase (Schwefelsäure/Schwefelige Säure, Salpetersäure/Salpetrige Säure) führen können und dabei in einer Säure-Base-Reaktion Aerosole bildet. Diese Aerosole wiederum sind klimarelevant (Kondensationskerne für die Wolkenbildung, Albedo).
  • wie ist netto ecosystem Produktion definiert? NEP (Netto Ökosystem Produktion) = GPP – Gesamte Respiration (Raut + Rhet) Terrestrische Systeme nehmen mehr C auf, als sie abgeben, da ein großer Teil im Boden gespeichert ist und irgendwann durch Pflanzen gegangen sein muss. Im Winter haben wir in unserem System kaum Photosynthese. Die ökosystemare Respiration ist im Winter höher als die Photosynthese. Das Maximum von R ist kurz nach dem Maximum der Photosynthese, da im Herbst die Respiration von Mikroorganismen etc. durch den Laubfall steigt. NEP ist übers Jahr gesehen insgesamt ca. 0 (nur kleiner Überschuss geht in Boden). Messung ist schwer. NEP is the balance between two large fluxes GPP and ecosystem respiration
  • 2. laut IPCC 2013 werden pro Jahr 4Gt Kohlenstoff mehr in terrestrischen Ökosystemen aufgenommen als in Atmosphäre abgegeben. Dies wird als "terrestrial carbon sink" bezeichnet. Welche physiologischen und ökosystemaren Mechanismen könnten dazu führen? Hängt stark mit den klimatischen Bedingungen zusammen. Vor allem die Nordhemisphäre nimmt C auf (mehr Landmasse), vor allem arktische und boreale Systeme. Dieser Sink hat seit 1950 stark zugenommen. Der Nettofluss in Richtung der terrestrischen Systeme hat seit den 1930ern zugenommen. Es wird also mehr C gespeichert. =>  liegt vor allem an der N-Deposition und durch die künstliche Düngung. Irgendwann ist allerdings der Stickstoff in terrestrischen Systemen nicht mehr limitierend, wodurch der C-Sink nicht mehr effektiv vorhanden ist. Dann wird CO2 stärker in der Atmosphäre bleiben, momentan haben wir noch eine Pufferfunktion.
  • 3. Welche N-haltigen Spurengase finden sich in der Erdatmosphäre. Ihre Quellen, Senken und Mechanismen erklären Prozesse, denen Spurengase unterliegen Landwirtschaft, industrielle Verbrennungsprozesse, Verkehr und natürliche Prozesse im Boden führen dazu, dass diese Spurengase und andere Stickstoff-Verbindungen gebildet und in die Troposphäre injiziert werden. Die Hauptsenken sind die atmosphärische Deposition in Form von nasser Deposition (Substanzen lösen sich in Wasser und werden in Form von Niederschlag – Regen, Schnee, Nebel, Wolken – deponiert) oder trockener Deposition (Gase, Aerosole und Partikel werden auf Oberflächen abgelagert). Quellen und Senken von Stickoxiden NO2 ist ein braunes Gas – Photosmog wird durch Stickstoffdioxid ausgelöst – und hauptsächlich ein sekundäres Produkt. Das Hauptprodukt von vielen Verbrennungsprozessen durch die Prozesswärme ist NO (N2 + O2 → 2 NO). Die Hauptquelle der Stickoxide ist die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Die wichtigsten Senken finden sich in der Auflösung in Wolkentropfen (Bildung von HNO2 und HNO3) und der atmosphärischen Deposition. Quellen und Senken von Lachgas Lachgas ist ein starkes, langlebiges Treibhausgas und absorbiert bei gleicher Konzentration Infrarot-Strahlung wesentlich effektiver (300-fach) als CO2. Die wichtigsten natürlichen Quellen für Lachgas sind die Denitrifizierungserscheinungen und Ausgasungen in tropischen Böden, die reich an Stickstoff sind. Die wichtigste anthropogene Quelle ist die Landwirtschaft (durch Dünger). Die wichtigsten Senken sind der stratosphärische Abbau zu NO und NO2 (führen zu Ozon-Zerstörung) und die mikrobielle Aktivität in Böden (Denitrifizierer können nicht nur N2O produzieren, sondern auch weiter zu N2 reduzieren).
  • Prozesse, denen Spurengase unterliegen - Landwirtschaft- industrielle Verbrennungsprozesse- Verkehr- natürliche Prozesse im Boden  => führen dazu, dass diese Spurengase und andere Stickstoff-Verbindungen gebildet und in die Troposphäre injiziert werden. => Die Hauptsenken sind die atmosphärische Deposition in Form von: - nasser Deposition (Substanzen lösen sich in Wasser und werden in Form von Niederschlag – Regen, Schnee, Nebel, Wolken – deponiert) - trockener Deposition (Gase, Aerosole und Partikel werden auf Oberflächen abgelagert).
  • Quellen und Senken von Stickoxiden NO2 ist ein braunes Gas – Photosmog wird durch Stickstoffdioxid ausgelöst – und hauptsächlich ein sekundäres Produkt. Das Hauptprodukt von vielen Verbrennungsprozessen durch die Prozesswärme ist NO (N2 + O2 → 2 NO). Die Hauptquelle der Stickoxide ist die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Die wichtigsten Senken finden sich in der Auflösung in Wolkentropfen (Bildung von HNO2 und HNO3) und der atmosphärischen Deposition.
  • Quellen und Senken von Lachgas - Lachgas ist ein starkes, langlebiges Treibhausgas- absorbiert bei gleicher Konzentration Infrarot-Strahlung wesentlich effektiver (300-fach) als CO2. Die wichtigsten natürlichen Quellen für Lachgas sind:- die Denitrifizierungserscheinungen und Ausgasungen in tropischen Böden die reich an Stickstoff sind. Die wichtigste anthropogene Quelle ist:- die Landwirtschaft (durch Dünger). Die wichtigsten Senken sind:- der stratosphärische Abbau zu NO und NO2 (führen zu Ozon-Zerstörung) - die mikrobielle Aktivität in Böden (Denitrifizierer können nicht nur N2O produzieren, sondern auch weiter zu N2 reduzieren).
  • Welche Auswirkungen haben Tektonik, Vulkanausbrüche (waren getrennt aufgeführt) und die periodischen Veränderungen der Erdumlaufbahn und -achsenstellung (Exzentrik, Schrägstellung, Kreiselbewegung) auf die Strahlungsbilanz und das Erdklima? Vulkanische Eruptionen: - bringen große Mengen an Aerosole in Umlauf =>  Albedo (Reflexion von kurzwelligen Licht) erhöht wird. - Durch Schwefeldioxid und Bindung mit Wasser bildet sich Schwefelsäure, die als kleine Tröpfchen in der Atmosphäre vorkommt. - Albedo steigt durch Aerosole. Regelmäßiger Rhythmus (ca. alle 11 Jahre).) Im Laufe der geologischen Zeiten gab es viele massive Änderungen der Strahlungsbilanz. In der Kreidezeit gab es eine extreme Verstärkung der Plattentektonik.=>  erhöhtem Vulkanismus. Im Tertiär und Quartär gab es durch Verwitterungsprozesse und Gebirgsbildung eine CO2 Senke, wodurch die Temperatur sinkt. Im Pleistozän war die Temperatur global abgesenkt. Dies hat zu massiven Eispanzern (vor allem auf den Polen) geführt. Vor 18 000 Jahren waren 32% der Landfläche und 30% der Ozeanfläche mit Eis überzogen. Dies führt zu erhöhter Abstrahlung und zusätzlicher Minimierung der Temperatur. Die Erde hat in ihrem Orbit 3 Bewegungen: - Exzentrizität: Variation in der Umlaufbahn um die Sonne (100 000 Jahre) - Schiefe: Variation der Einstrahlungsdichte durch Abwinkelung. Unterschiede zwischen Winter und Sommer (40 000 Jahre) - Kreiselbewegung: Erdachsenstellung variiert; führt zu milden Sommern und warmen Wintern (26000 Jahre) (Jahre stehen für Dauer eines Zyklus)
  • Was sind Tonminerale Tonminerale sind sekundäre Bildungen aus primären Mineralien (lithogene Mineralien). Sie gehören zu den Silikaten. Diese wiederum können verschiedene Strukturen haben z.B Schichtsilikate. Tonminerale sekundäre Silikate bzw. Pedogene haben eine größere Oberfläche sowohl außen als auch innen. Pedogene Silikate können durch ihre Ladung sehr gut mit anderen Ionen reagieren, was besonders für Pflanzen wichtig ist (z.B Mg, K etc.). Wichtig hierfür sind die Niederschläge (Form und Menge) und Temperatur. Bei viel Niederschlag kann Auswaschung einen wichtigen Faktor spielen. Tonminerale können so in tiefere Schichten verlagert werden. Je weiter wir Richtung Äquator gehen, desto größer ist die Bildungsrate der Tonminerale im Boden. In ariden Gebieten gibt es allerdings generell eine sehr geringe Verwitterungsrate. Je feuchter, desto mehr Verwitterung → mehr Kaolinit (Tonmineral) → mehr Eisenoxid/Aluminiumoxid.
  • Troposphäre? Troposphäre 0-8km - relativ dünn - starke Vertikalbewegungen (wichtig für Wetter), da unterer Teil durch die Erde stark erwärmt wird und sich die Luftmassen nach oben und anschließend wieder nach unten bewegen. -In 400 – 2000m Höhe gibt es eine Grenzschicht, wodurch die für biologische Prozesse wichtige Evaporationsschicht mit den wichtigen Gasen von der restlichen Atmosphäre getrennt wird. Durch Dichteabnahme sinkt auch die Temperatur, wodurch mit steigender Höhe eine Abkühlung stattfindet (~6,4°C/km)
  • Tropopause? Tropopause = Grenzschicht mit Temperaturinversion; ab hier steigt die Temperatur wieder. Bildet Grenzschicht zwischen Troposphäre und Stratosphäre.
  • Stratosphäre? Stratosphäre 8 - 50km - Zone schwacher Durchmischung. -Die Temperaturinversion in dieser Zone hängt mit dem Ozon zusammen. Dieses Ozon absorbiert UV Strahlung aus dem All und erwärmt sich. - Grundsätzlich kann man sagen Ozonschicht = Stratosphäre. (UV c (energiereich) wird bereits sehr früh vollständig von der Ozonschicht absorbiert. UV b wird geschwächt, UV a kommt beinahe ungehindert bis zur Erdoberfläche. Molekularer Sauerstoff absorbiert UV-Strahlung und wird in 2 Atome atomaren Sauerstoff gespalten. Dieser ist extrem reaktiv und regiert mit molekularem Sauerstoff zu Ozon. Absorbiert dieses Ozon wiederum UV Strahlen, bildet sich atomarer Sauerstoff und es bildet sich in weiterer Folge wieder molekularer Sauerstoff. Die Strahlungsenergie wird so zu Wärmeenergie umgewandelt. Freie Radikale können dieses Ozon allerdings angreifen und binden, sodass das Ozon keine Strahlung mehr absorbieren kann. Bsp: Ein Chlorgasmolekül kann bis zu 100 000 Ozonmoleküle binden und unschädlich machen. Die Stratosphäre wird mit der Stratopause von der Mesosphäre abgegrenzt.)
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  • Mesosphäre Mesosphäre 50-80km- Hier kommt es wieder zu einer Abkühlung, da die Ozonkonzentration sehr gering ist. - Die Luftdichte sinkt. - Die Luftmoleküle verlieren mehr Energie als sie absorbieren können.
  • Thermosphäre Hier kommt es wiederum zu einer Erwärmung. Partikulare Strahlung der Sonne erwärmt O2 und N2 in der Thermosphäre. Durch den niedrigen Luftdruck bekommen die Gase Temperaturen von >1000°C.
  • Ionosphäre Anteil der Mesosphäre und der Thermosphäre, wo es durch Interaktion der Gase mit Partikelstrahlung zu Leuchten und Erwärmung kommt. Sauerstoff wird durch die Strahlung grünlich/rötlich und Stickstoff bläulich/violett. Die Energie wird hier teilweise in Form von Licht abgegeben.
  • 1. Humusböden können sehr alt werden. Welche Mechanismen werden derzeit diskutiert, die dafür verantwortlich sind, dass Mikroorganismen das Substrat nicht abbauen können Physikalisch-chemischer Schutz: + Unzugänglichkeit: Unterboden - Enzyme / Mikroben werden von SOM getrennt, Aggregatbildung (okkludiertes OM) + Organo-Mineralische Vereinigungen: Verbände mit Tonmineralien, Assoziationen mit Fe / Al-Oxiden + Einfrieren: Permafrost: Chemische Regeneration, Langsamer Zersetzung von mehreren chemischen Verbindungen, (Z. B. Sooth-Kohlenstoff)
  • 2. Biologische und anthropogene Stickstoffixierungen. Welche Möglichkeiten gibt es und welche reaktiven N-Formen entstehen dabei? (Prof Wanek) - Input – Stickstoff-Fixierung:  Stickstoff-Fixierung bedeutet die Produktion von reaktiven Stickstoff-Verbindungen (Nr.) – oxidierte oder reduzierte Stickstoff-Formen aus atmosphärischem Stickstoff (N2). Der Energieaufwand ist sehr hoch. - Biologische Stickstoff-Fixierung: Die biologische Stickstoff-Fixierung führt zur Produktion von Ammoniak aus N2. Die einzigen Organismen, die dazu in der Lage sind, sind unterschiedliche Mikroorganismen (Cyanobakterien – Nitrogenase in Heterozysten, Rhizobien – in Symbiose mit Leguminosen, frei lebende Stickstoff-Fixierer). Über geologische Zeiträume betrachtet stellt die biologische Stickstoff-Fixierung den bei weitem wichtigsten Input an Stickstoff in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen dar. Hoch-Energie-Fixierung: Bei der Hoch-Energie-Fixierung wird N2 zu oxidierten Stickstoff-Formen (Stick-Oxide) umgewandelt. Dafür gibt es drei unterschiedliche Prozesse, einer davon ist natürlich (Blitzschlag).  -Blitze sind hoch energetisch und haben eine hohe Temperatur. Durch Blitzschlag wird eine geringe Menge an Stickstoff fixiert (N2 → NO und weiter zu NO2 und Nitrat).  - Verbrennungsmaschinen (hauptsächlich Autos): Durch die hohe Temperatur und den hohen Druck bei der Komprimierung des Treibstoff-Gemischs kommt es zu einer Oxidation von N2 ( - Das Haber-Bosch Verfahren ist der bei weitem wichtigste Prozess. Durch diesen industriellen Prozess wird atmosphärischer Stickstoff (N2) in Ammoniak umgeformt. Aus Methan wird molekularer Wasserstoff gebildet, der dann unter hohem Druck und hoher Temperatur auf einem Eisen-Misch-Katalysator mit N2 zu Ammoniak umgeformt wird. Dieses Verfahren wurde 1910 patentiert. Das Haber-Bosch Verfahren ist global für 1,4% des weltweiten Energiebedarfs verantwortlich. 90% des produzierten Ammoniaks werden für Dünger (Ammon-Nitrat, Harnstoff), 10% für Sprengstoff (Nitrat) verwendet.
  • 3. Was sind die Antriebe von folgenden Zirkulationen: atmosphärische Zirkulation, Meeresoberflächenströmungen, thermohaline Zirkulation. (Prof. Wanek) Wärmetransport durch Oberflächenströmungen Ungleichmäßige Einstrahlung → Strömungen vom Äquator bringen Wärmeenergie zu den Polen. 40% der weltweiten Wärmetransporte werden durch Ozeane durchgeführt. Die Geschwindigkeit der Strömungen beträgt ~1-5km/h. Oberflächenströmungen primäre Kräfte: - Sonnenerwärmung (Wärmeres Wasser dehnt sich aus und erhöht Meeresspiegel) - Winde (Reibungsarbeit an Oberfläche der Meere) - Schwerkraft (Wasser tendiert nach unten zu fließen) - Corioliskraft (verursacht Ablenkung bis zu 90° von Windrichtung, bildet Gyren (Kreiselbewegung)) sekundäre Kräfte: - Kontinentalbarrieren (zwingt Wasser oft zu Kreisbewegungen) Tiefenwasser-Ströme (Thermohaline Zirkulation) Wind ist hier keine Antriebskraft mehr. Die Dichte stellt die Triebkraft dar (durch Temperatur- und Salinitätsunterschiede). Kaltes, salziges Wasser ist dichter. Dadurch strebt das Wasser nach Absinken. Außerdem kommt es bei Eisbildung zu einer Erhöhung der Salinität des Umgebungswassers, was ein Downwelling (Absinken) verursacht. Wichtig vor Grönland, Labrador, Antarktis. Auf Downwelling folgt irgendwann Upwelling. Dies geschieht meist durch Erwärmung des Tiefenwassers, oder durch Durchmischung durch Wind an Küsten. Atmosphärische Zirkulation: Die Erdrotation bildet Winde durch die Corioliskraft (Passatwinde und Westwinde). Rotierende Luft- und Wassermassen werden an der nördlichen Hemisphäre im Uhrzeigersinn, in der südlichen gegen den Uhrzeigersinn abgelenkt. Dies basiert auf dem Drehmoment der Erde.
  • Die drei Basisprozesse vom Abbau nennen und beschreiben (Prof. Richter) Abbau von Streu 3 wichtige Prozesse: 1.  leaching : Auswaschung: Gerichteter Wasserfluss. Regenwasser transportiert Stoffe, die leicht löslich sind, entlang der Flussrichtung. Beginnt bereits wenn Blätter noch am Baum sind. Wichtiger Schritt, besonders am Anfang, da Nährstoffe frei werden. 2. Fragmentierung: Biologische Fragmentierung (durch Mesofauna) und physikalische Fragmentierung (Austrocknung und Wiederbefeuchtung bzw. durch Einfrieren und Wiederauftauen). Fragmentierung ist wichtig, um frischen Streu schnell grob zu verändern, z.B durch Steigerung der Oberfläche, auf der sich dann Pilze ansiedeln können. 3. Chemische Veränderung: Umwandlung des Streus in CO2. Wird hauptsächlich durch biologische Komponenten (Organismen) betrieben, allerdings gibt’s auch freie chemische Reaktionen. Der wichtigste Schritt ist definitiv die Depolymerisierung. Große Polymere müssen zerkleinert werden, damit kleine lösliche und aufnehmbare Moleküle für die weitere Verarbeitung frei werden. Wichtiger Schritt für Abbau von Streu und SOM. Dazu gehören Zellulose, Lignin, Proteine, Lipide etc. Betrachten wir den Zeitraum des Abbaus: Es gibt 3 Phasen. Die erste Phase geht rasch (= leaching), in Phase 2 werden vor allem Zellulose und Hemizellulosen abgebaut und die Zahl der mikrobiellen Produkte steigt, in Phase 3 sinken die Mengen aller Anteile. Was ist wichtig für den Abbau? - Temperatur, Schneelage etc. - Qualität des Streus - Mikrobielle Gemeinschaft
  • 5. Die wesentlichen Komponenten vom Methankreislauf nennen und beschreiben. Gehen Sie insbesondere darauf ein, wie sich anthropogene Einflüsse auf den Methankreislauf auswirken. Wie hängen Methan- und Kohlenstoffkreislauf zusammen. (Prof. Richter) Natürlicher Kreislauf (vor anthropogenen Einfluss) Viel Kohlenstoff gespeichert in - fossilen Brennstoffen- noch viel mehr in der Erdkruste - Mantel. Kann nur durch Plattentektonik in die Atmosphäre gelangen. Der Methanzyklus macht nur kleinen Anteil aus. Bei CH4 kann man in dem Laufe der Zeit sehen, dass nur wenige Flüsse wirklich wichtig sind. Es gibt einen Fluss zwischen Land/Wasser, aber der Großteil des CH4 bleibt innerhalb des aquatischen Systems. Der wichtigste Effekt auf die Atmosphäre kommt aus den Wetlands. Über Oxidation wird das CH4 in der Atmosphäre gänzlich zu CO2 etc. abgebaut. Auch reaktive Stoffe in den Ozeanen spielen eine Rolle. Methanhydrate haben das Potenzial, die Atmosphäre kurzfristig stark zu beeinflussen. Methanhydrat ist eine feste Form von Wasser, die CH4 gespeichert hat. Brennbar. Nur stabil bei tiefen Temperaturen oder hohem Druck. Temperaturänderung kann große Mengen Methanhydrate freisetzen. Die größten Methan-Reserven sind allerdings in terrestrischen Permafrostböden gespeichert. Instabilitäten hier können den globalen Methankreislauf stark beeinflussen. Biologische Methanproduktion: über Acetogenese und Methanogenese. Feuchtgebiete in den Tropen haben hierdurch größten Einfluss. Anthropogen ist die Methanabgabe weit höher, vor allem durch:- Verbrennung der fossilen Ressourcen und Faulprozesse. - Auch Rinderhaltung hat einen erheblichen Einfluss. - Auch Reisproduktion findet teilweise unter anaeroben Bedingungen statt, wodurch viel CH4 entsteht. Dieses Methan wird teilweise in der Troposphäre durch OH-Radikale zu CH3 und H20 umgebaut. Insgesamt gibt es einen jährlichen Anstieg der Methan-Menge in der Atmosphäre von ca. 30mt pro Jahr. Hauptreservoirs von C: Atmosphäre: 800gt C Biosphäre (terrestrisch): 2300gt C Ozeane: 38000gt C Fossile Brennstoffe: 3000-10000gt C
  • 6. Was ist die Kryosphäre? Was sind ihre wesentlichen Komponenten? Wie wirkt sich die Klimaerwärmung auf die Kryosphäre aus und welche Rückkopplungen gibt es? (Prof. Wanek) Eiskappen und Gletscher (Cryosphäre) sind ebenfalls Wasserreservoirs. ~70% des Süßwassers sind hier gespeichert. In der Antarktis sind etwa 90% der Eiskappe gespeichert, in Grönland ~10%. Das Volumen von Ozeanen war in der Geschichte allerdings nicht konstant. Vor 20 000 Jahren war der Meeresspiegel um 122m geringer, da das Wasser in Gletschern gespeichert war. Vor 125 000 Jahren war der Meeresspiegel 55m höher. Würde heute alles Eis schmelzen, wäre der Meeresspiegel um 70m erhöht. Momentane Meeresspiegel-Messungen zeigen einen Anstieg um 1,6mm pro Jahr. Dies kommt durch die erhöhten Temperaturen des Ozeans selbst und durch das Abschmelzen der Gletscher zustande.
  • 1. Was sind die Bestandteile der Nettoprimärproduktion? Wie kann man sie auf Blatt-/Pflanzenniveau, Ökosystem und globaler Ebene abschätzen? NPP (Net Primary Production) = alles was an CO2 fixiert wird und zu org. Kohlenstoff wird. Meist im Zeitrahmen eines Jahres. Inkludiert: neue Biomasse, alles was von Wurzeln abgegeben wird, alles was Pflanzen in die Atmosphäre abgeben (z.B Terpene = Geruchsstoffe) NPP = GPP - Respiration R Praktische Messungen: ANPP - oberirdische NPP Messung von Biomasse + Streufall (nicht beachtet: Herbivorie und C-Emissionen) BNPP - unterirdische NPP Messung durch „Ingrowth cores“ (Wurzelfreie Zone wo Wurzeln von außen einwachsen; allerdings starke Systemstörung) + Biomasse von Wurzeln (nicht beachtet: Wurzelstoffe und Mykorrhiza - Abgaben) Eddy Covariance Messsysteme nehmen die Windrichtung dreidimensional extrem genau. Gleichzeitig wird die CO2 Konzentration gemessen. Die Luftpakete mit den unterschiedlichen CO2 Konzentrationen zeigen an, wie viel CO2 ins System geht. Echte Messung von NEE Fluss. In Wald in mehreren Metern Höhe kann die Bilanz von großen Flächen (bis km²) gemessen werden. NDVI - Index (Normalized Differenced Vegetation Index) gibt die „Grünheit“ an. Sagt uns, wie hoch der relative Anteil der tatsächlich absorbierten photosynthetisch aktiven Strahlung ist. Messung über Satellit. Bringt GPP. Umwandlung in NPP nicht leicht, braucht bestimmten Koeffizienten und Respirationsrate, welche sehr komplex zu bestimmen ist. Starker Zusammenhang zwischen GPP und NPP → 40-50% der GPP bleibt meist übrig. Kurzfristig sind es Umweltkontrollen, die die NPP beeinflussen. Langfristig wird der Zusammenhang durch die Bodenressourcen bestimmt. Diese bestimmen den Sink der Pflanzen. In trockenen Bereichen ist die NPP sehr gering. Dies liegt nicht nur am Niederschlag, sondern auch an den ausgewaschenen Nährstoffen. Der Q10-Wert gibt an, dass sich die Photosyntheserate alle 10°C verdoppelt (bis zu einer gewissen Temperatur). NEE reagiert auf Trockenheit. Sobald die Vegetationsperiode beginnt, sieht man bei Trockenheit eine geringere Aufnahme von CO2 in das System. NPP war also geringer (bezogen auf die Respiration). 2003 wurde durch die Hitze in Europa mehr Kohlenstoff abgegeben als aufgenommen.
  • ANPP oberirdische NPP Messung von Biomasse + Streufall (nicht beachtet: Herbivorie und C-Emissionen)
  • BNPP unterirdische NPP Messung durch „Ingrowth cores“ (Wurzelfreie Zone wo Wurzeln von außen einwachsen; allerdings starke Systemstörung) + Biomasse von Wurzeln (nicht beachtet: Wurzelstoffe und Mykorrhiza - Abgaben)
  • Eddy Covariance Messsysteme nehmen die Windrichtung dreidimensional extrem genau. Gleichzeitig wird die CO2 Konzentration gemessen. Die Luftpakete mit den unterschiedlichen CO2 Konzentrationen zeigen an, wie viel CO2 ins System geht. Echte Messung von NEE Fluss. In Wald in mehreren Metern Höhe kann die Bilanz von großen Flächen (bis km²) gemessen werden. NDVI - Index (Normalized Differenced Vegetation Index) gibt die „Grünheit“ an. Sagt uns, wie hoch der relative Anteil der tatsächlich
  • NDVI Normalized Differenced Vegetation Index) gibt die „Grünheit“ an. Sagt uns, wie hoch der relative Anteil der tatsächlich absorbierten photosynthetisch aktiven Strahlung ist. Messung über Satellit. Bringt GPP. Umwandlung in NPP nicht leicht, braucht bestimmten Koeffizienten und Respirationsrate, welche sehr komplex zu bestimmen ist. Starker Zusammenhang zwischen GPP und NPP → 40-50% der GPP bleibt meist übrig. Kurzfristig sind es Umweltkontrollen, die die NPP beeinflussen. Langfristig wird der Zusammenhang durch die Bodenressourcen bestimmt. Diese bestimmen den Sink der Pflanzen. In trockenen Bereichen ist die NPP sehr gering. Dies liegt nicht nur am Niederschlag, sondern auch an den ausgewaschenen Nährstoffen. Der Q10-Wert gibt an, dass sich die Photosyntheserate alle 10°C verdoppelt (bis zu einer gewissen Temperatur). NEE reagiert auf Trockenheit. Sobald die Vegetationsperiode beginnt, sieht man bei Trockenheit eine geringere Aufnahme von CO2 in das System. NPP war also geringer (bezogen auf die Respiration). 2003 wurde durch die Hitze in Europa mehr Kohlenstoff abgegeben als aufgenommen.
  • Zyklus Abfolge von Events die zum Transport von Stoffen/Energie führen, die Propotionen somit ausgleichen/verändern (in perfektem Zyklus geht keine Materie verloren) Solange Organismen vorhanden sind laufen Energie und Massebilanzen parallel => durch aktive Prozesse Aufrechterhaltung des Gleichgewichts
  • Ökosystem Ökosystem ist die kleinste fassbare Einheit in der Organismen in bestimmmten Bereichen in Interaktion mit physischer Umwelt treten => Populationen& Stoffflüsse Biotisch/abiotische Prozesse, Energieflüsse&pools, Interaktionen der Lebewesen =Level einer biologischen Hierarchie die Communities in den Kontext ihrer abiotischen Umwelt bringt Ökosysteme sind Thermodynamisch offenen Systeme
  • Emergenz Beschreibung eines Systems ohne Verständnis der basalen Prozesse der Selbstorganisation (bsp: Dünen, Fischschwärme, Photosynthesemessung des Waldes) Verständnis der Einzelteile und Interaktionen nicht ausreichend weil Einzeleteile wiederum aus komplexen Beziehungen besteht.
  • Beschreibung einer Einheit Beschreibung einer Einheit: Räumlicher Kontext und Zeitlicher Skalierung relevant -> gewisse Effekte erst nach Jahren sichtbar. Räumlich: Global, Kontinetal, regional, lokal, Einzugsgebiet & Plot(Parzelle) Zeitliche Skalen: Instant Photosynthese, saisonal, Mirationsbewegung
  • Equilibrium bei ungestörtem selbstregulierendem ÖS / Steady State Steady State: ständiger zu und Abfluss aber über die Zeit keine allzu großen Effekte sichtbar wenn in Gleichgewicht, Störungen kommen vor auch menschliche Aktivitäten einbezogen =dynamisches Equilibrium zeitliche und räumliche Variation Beispiele: Zerfall von Feuchtigkeit abhängig => in feuchten Jahren mehr Abbau möglich aber Photosyntheseleistung von temperatur wenig beeinflusst
  • Ökosystemare Kontrollen schnelle&lokale Prozesse liegen großen Mechanismen zugrunde langsame&großflächige Prozesse liefen Kotext für die kleinen Prozesse

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