Biogeochemie (Fach) / Biochemie Geochemie (Lektion)

Diese Lektion wurde von johannas18 erstellt.

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• State Factors Klima, Tropography(zB Hanglage oben: Abtragung von Material, zwischen: Errosion, unten Akkumulation von Material), Zeit, Ausgangsmaterial (bietet Potential), Potetielle biota Interaktive Kontrolle: kleinere Prozesse von statefactors beeinflusst Mikroklima(Wetter), Störungshäufigkeit, Ressourcen, Funktionelle Typen, ⇨ Ökosystemare Prozesse
• Systemare Ansätze Top down: beobachtung grundlegender Muster –> Rückschlüsse/Prognosen auf Biosphärische Zustände Systemarer ansatz, Konsumenten begrenzender Faktor, deduktion => vom großen ganzen zum Konkreten, Dekomposition Bottom up: Mechanistische Ansatz versucht Prozesse zu verstehen die nach den selben Mechanismen ablaufen, ressourcen limitierende Faktoren, Induktion, Aggregation
• Sphären Anthroposhäre/Technosphäre (menschlicher Teil) Cryosphere (Gesamtvorkommnis des Wassers auf Himmelskörper) Pedosphere (von Möden euingenommener Beriech der Erdoberfläche) Ecosphere (Schnittpunkt der Hydro, Litho & Hydrosphäre)
• Einflüsse auf Böde ⇒ Klima hat starken Einfluss auf Böden => Niederschlag und Evaporation => Veränderung von Polen zu Tropen ⇒ Topographie: ⇒ Zeit: Einfluss der Biologie oben am stärksten vorhanden ⇒ Zuerst Entwicklung des C Horizont,
• Bodenprozesse : Speicherung, Filtration, Pufferung, Transformation, Regulation, Ressource, hohe Biodiversität
• Rolle der Ozeane auf Klima und Klimawandel 5 Effekte die der Ozean auf Klima hat: Temperaturregulation/pufferung,; Klimaphänomene (zB El Nino) Wasser hat hohe Wärmekapazität -> erwärmt sich langsam Luft Ozean Interaktion: Austausch von Wasser – latenter Wärmefluss; CO2 Senke sowohl biotisch als auch Oberflächenströmungen transportieren warmes/kaltes Wasser – Erwärmung der nördlichen Grade Europas (Golfstrom)
• Farrel Zelle Farrel Zelle: unter hohem Druck fließt Luft zu Äquator Coriolis Effekt: aufgrung vom Erhalt des Drehmoments, verlangsamung der Drehung der Luftmassen in Richtung des Äquators und Beschleunigung in Richtung der Pole weil der Abstand zur Erdachse höher/niedriger
• Ökosystemphysiologie • Ökophysiologie: Beschäftigt sich mit der Physiologie, also der Aufnahme von Stoffen aus der Umgebung und der Abgabe von Stoffen an die Umgebung auf Ebene einzelner Arten oder funktioneller Gruppen (z.B. C3 Pflanzen usw.). Die einzelne Art wird von ihren genetischen Ressourcen beeinflusst, auf dieser Ebene findet Selektion und Evolution statt.
• Gemeinschaftsökologie • Gemeinschaftsökologie: Untersucht Interaktionen von unterschiedlichen Populationen auf Landschaftsebene und stellt somit eine Basis für die Ökosystem-Ökologie dar. Interaktionen von unterschiedlichen Populationen sind z.B. für die Emergenztheorie und für die Abgrenzung von Fragestellungen bzw. ihren Raumbezug wichtig.
• Ökosystemökologie • Ökosystem-Ökologie: Untersucht Prozesse auf ökosystemarer Ebene, also Prozesse, die die Verteilung und die Flüsse von Energie und Masse beeinflussen sowie ihre Interaktionen, Kontrollen, Umwandlungen und mögliche Feedbacks.
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• Earthsystem Sience o Earth System Science: Vereinigt Ökosystem-Ökologie und Biogeochemie. Das bedeutet, dass auch die Hydrologie und die Klimatologie einbezogen werden. Earth System Science beschäftigt sich in erster Linie mit den Auswirkungen und Eigenschaften von Global Change auf allen Ebenen.
• 1. Definieren Sie Source, Sink, Flux, Pool und Reservoir • Source: Prozesse, Aktivitäten und Mechanismen, die Stoffe oder Energie aus einem Pool herausnehmen und freisetzen. • Sink: Prozesse, Aktivitäten und Mechanismen, die Stoffe oder Energie aus einem Pool entfernen. • Flux: Die Menge an Masse oder Energie, die in einer bestimmten Zeiteinheit von einem Reservoir in ein anderes transferiert wird. • Pool (= Stock): Eine bestimmte Menge an Masse oder Energie, die gemeinsame chemische, physikalische oder biologische Charakteristika hat und als homogen angesehen werden kann (befindet sich in einem gemeinsamen Reservoir) • Reservoir: Eine Komponente eines System, die Masse oder Energie speichern, akkumulieren und auch wieder freisetzen kann.
• Chemische Verwitterung von Gesteinen Verwitterung ist die Zerkleinerung und Auflösung bzw. die Auswaschung von Elementen aus Gestein durch direkten Kontakt mit der Atmosphäre. Physikalische Verwitterung ist die Voraussetzung für chemische Verwitterung, weil durch Hitze, Wasser, Eis, Pflanzenwurzeln oder Entspannungsbewegungen die Oberfläche massiv vergrößert wird. Die chemische Verwitterung ist von der physikalischen Verwitterung bzw. von Erosion klar abzugrenzen – chemische Verwitterung hat nichts mit Bewegungen des Gesteins zu tun. Bei der chemischen Verwitterung wird das Gestein von atmosphärischen oder biologischen Chemikalien angegriffen: • Oxidation, z.B. Eisen mit Sauerstoff • Dissolution und Carbonation: gasförmige Oxide von C, S und N reagieren mit magmatischem Gestein zu Säuren • Hydrolyse: Austausch von freien H+ und OH- Ionen • Hydratation: Absorption von Wasser • Biologisch: Chelate, Acidifikation, Carbonation Dabei werden Stoffe ausgewaschen, die als Salze oder als Partikel in die Ozeane transportiert werden. Dort dienen sie zum Teil als Nährstoffe für die Biosphäre (z.B. Phosphor) und werden schließlich zu Sedimentgesteinen. Diese Sedimente gehen wieder in den Gesteinszyklus über. Die chemische Verwitterung erfolgt je nach Resistenz der Stoffe unterschiedlich schnell. So werden z.B. Olivine und Feldspat als erstes verwittert und Glimmer und Quarz als letztes.
• 1. Nennen Sie wichtige Standortfaktoren der Böden Standortfaktoren: • Ausgangsmaterial: Handelt es sich um Metamorphes Gestein, Sedimente oder organische Substrate? Sedimentgestein ist am häufigsten. • Klima: Die Temperatur und der Niederschlag sind wichtig für die Entwicklung der Tonminerale. Auch Sonneneinstrahlung, Grundwasser, Wind und vorhandene Biota haben einen Einfluss auf die Bodenentwicklung. • Topographie/Relief: Unterschiedliche Steilheit beeinflusst die Hydrologie (Handlage – Flußau). Auch das Ausgangsgestein ändert sich oft mit dem Relief. • Biota: Die Vegetation (welche Pflanzen? Liefern organische Masse), die mikrobielle Community, Bodenlebewesen (Bioturbation, Ökosystemingenieure) und Menschen (Landwirtschaft, Verschmutzung) können Böden beeinflussen. • Zeit und Chronosequenz: Die Bodenentwicklung beginnt meist bei nacktem Fels, der erodiert und verwittert. Es bildet sich ein O-Horizont mit ersten Autotrophen Organismen. Wenn sie absterben, gibt es einen A-Horizont und einen C-Horizont, der B-Horizont bildet sich mit fortschreitender Verwitterung des Ausgangsgesteins erst später. In der Chronosequenz kann der Boden dann Humus akkumulieren, verbraunen, verlehmen, Versauern usw. (siehe Prozesse der Bodenbildung und Bodenentwicklung)
• Prozesse der Bodenbildung Prozesse: • Additionen: Kommen vor allem durch Streu und durch atmosphärische Deposition • Verluste: entweichende Gase (CO2, N2), Leaching, Erosion • Transformationen: Steu zu Humus, Primäre zu sekundären Tonmineralen... • Translokation (Auswaschung): Toniminerale können lateral oder vertikal innerhalb des Bodens ausgewaschen werden, es können auch größere Stücke ausgewaschen werden Bodenentwicklung (gehört irgendwie zu den Prozessen): • Verwitterung und Mineralneubildung: Zuerst physikalische Verwitterung, dann Verbraunung (Eisenoxidbildung) und Verlehmung (Lehmbildung durch Tonmineralneubildung) sowie Desilifizierung (Verarmung an Silizium) • Humusanreicherung: Streuschicht (L), Grobhumusschicht (Of), Feinhumusschicht (Oh). Rohhumusschichten sind sehr mächtig (10-30 cm), die Humusschicht ist aber von der Bodenschicht klar abgegrenzt (kein Ah) und es gibt oft deutlich unterscheidbaren Of und Oh. Oft in Nadelwäldern. Moderschichten sind wenig mächtig, meist Ah-Horizont. Oft in Laubwäldern mit wenig krautigem Unterwuchs. Mullschichten verschwinden im Sommer oder sind ganzjährig nur sehr dünn. Es gibt einen stark ausgeprägten Ah Horizont. Solche Standorte sind meist sehr nährstoffreich. • Umlagerungen: o Zur Tonverlagerung (Lessivizierung) kommt es durch Eluviation oder Illuviation. Eluviation ist der Abwärtstransport von Partikeln (va. kleine Tonpartikel und Kolloide) vom O Horizont in den A bzw. E Horizont. Illuviation ist der tiefere Transport dieser Materialien und resultiert in einem toneichen B-Horizont. o Podsolierung: Fe/Al Komplexe werden ausgewaschen und in tieferen Schichten ausgefällt o Entkalkung und Carbonatisierung o Verkieselung o Versalzung • Redox-Prozesse: Reduktimorphose führt zu Bereichen mit blauer, grüner oder schwarzer Farbe bei Sauerstoffmangel und Gleybildung. Rostflecken in Böden entstehen, wenn Mn oder Fe konzentriert sind und die Böden abwechselnd aerob und anaerob sind. • Turbationen: Dabei werden Bodenhorizonte vermischt. Dazu kann es auf unterschiedliche Art kommen: o Bioturbation o Kryoturbation o Peloturbation (= Quellen und Schrumpfen) o Spaltenakkumulation • Landschaftsprozesse wie - Solifluktation, - Rutschungen- Bodenerosion durch Wind und Wasser oder Handwassertransport (Abtransport von Verwitterungsprodukten)
• 2. Humusböden können sehr alt werden. Welche Mechanismen werden derzeit diskutiert, die dafür verantwortlich sind, dass Mikroorganismen das Substrat nicht abbauen können? Früher ging man davon aus, dass die molekulare Struktur von Teilen des Humus dafür verantwortlich wäre, dass er nicht von Mikroorganismen abgebaut werden kann und dann für lange Zeit in tieferen Schichten des Bodens gespeichert bleibt. Heute weiß man, dass Deep Soil Carbon eng an die jeweiligen Prozesse gebunden ist und auch schnell abgebaut werden kann, wenn sich die Bedingungen ändern. Die Stabilität des Deep Soil Carbon ergibt sich aus: • Unzugänglichkeit: Mikroorganismen können Deep Soil Carbon nicht erreichen, weil er sich in tieferen Schichten befindet • Organo-Mineral Associations: SOM formiert stabile Verbindungen mit Tonmineralen oder Fe/Al Oxiden • Chemische Eigenschaften: Langsamerer Abbau von verschiedenen chemischen Verbindungen
• Atmosphärische Zyrkulation • Atmosphärische Zirkulation: 60% der Wärme wird in der Atmosphäre transportiert. Am Äquator steigt warme Luft auf, dabei expandiert sie und kann die enthaltene Feuchtigkeit nicht mehr halten. Es kommt zu Niederschlag. Die trockene Luft bewegt sich zu höheren Breitengraden (Hadley-Zelle), sinkt bei 30° wieder ab, erwärmt sich, wandert als Trade Wind wieder zurück zum Äquator und sättigt sich mit Wasserdampf. Die Ferrel-Zelle sorgt für Regen an der Polarfront und trägt am 30. Breitengrad zum Hochdruckgebiet bei. Die Polarzelle enthält kalte, dichte Luft und ist eine relativ schwache Hochdruckzelle. Die Richtung der Winde und Strömungen wird von der Coriolis-Kraft bestimmt. Skizze siehe Folien.
• Marine Oberflächenströmungen • Marine Oberflächenströmungen: Ein Beispiel dafür ist der Golfstrom. Oberflächenströmungen bewegen sich in den oberen 400m. Die Geschwindigkeit von Oberflächenströmungen ist ca. 4 km/h. Sie werden vom Wind, der Coriolis-Kraft, von Wärme und der Gravitation angetrieben. Hohe Sonneneinstrahlung läßt Wasser expandieren, deshalb ist am Äquator der Wasserspiegel 8 cm höher als im Norden. Das entstehende Gefälle ist wichtig für die Wasserbewegung. Wind erzeugt Reibung an der Wasseroberfläche und zieht das Wasser mit sich.
• Thermohaline Zyrkulation • Thermohaline Zirkulation: Sind (kalte) Wasserströmungen, die sich im Meeresboden bewegen. Sie werden vor allem durch Dichtegradienten und die Gravitation angetrieben, sind jedoch mit (warmen) Oberflächenströmungen verbunden. In Polaren Regionen kühlen diese Oberflächenströmungen ab, dadurch steigt ihre Dichte. Gleichzeitig gefriert Wasser und das darin enthaltene Salz rinnt aus dem Eis heraus. Somit steigt der Salzgehalt des Umgebungswassers leicht an. Erhöhte Dichte und Salinität führen zu einem Downwelling. Das Downwelling treibt das Conveyor Belt an. Plötzliche Veränderungen in der thermohalinen Zirkulation, z.B. wenn sehr viel Eis auf einmal schmilzt, können zu abrupten Klimaänderungen führen.
• 2. Erklären Sie den Treibhauseffekt. Der Treibhauseffekt beruht darauf, dass die Atmosphäre für ankommende kurzwellige Strahlung relativ transparent ist, re-emittierte langwellige Strahlung aber wesentlich stärker hält. Treibhausgase (siehe unten) sorgen durch ihren Beitrag zur atmosphärischen Gegenstrahlung dafür, dass es auf der Erde zu einem Treibhauseffekt kommt, die Erde also wesentlich wärmer ist, als sie rein durch Sonneneinstrahlung wäre. Ohne den Treibhauseffekt hätte es auf der Erde durchschnittlich –19°C. Gleichzeitig ergeben sich aus Veränderungen im Treibhauseffekt aber auch Veränderungen des Klimas (Global Warming). Treibhausgase sind für 21% der aufgezeichneten Temperaturveränderungen verantwortlich. Mit dem Global Warming Potential gibt man an, wie stark ein bestimmtes Treibhausgas zur Erwärmung beiträgt. In das GWP wird auch die Lebenszeit des Gases eingerechnet. Prozesse:
• CO2 und die Verbrennung von fossilen Stoffen Auswirkung ufTreibhauseffekt • CO2 und Verbrennung von fossilen Brennstoffen: Die natürlichen Emissionen von CO2 können durch die Photosynthese großteils wieder kompensiert werden. Der anthropogene Ausstoß von CO2 bringt dieses System aus dem Gleichgewicht. Der Mensch hat den natürlichen CO2 Anteil der Atmosphäre um 40% auf fast 400 ppm ansteigen lassen. Über den 14C Anteil des atmosphärischen CO2 kann man zeigen, dass ein großer Teil desselben aus fossilen Brennstoffen kommen muss, weil diese aufgrund seiner Halbwertszeit kein 14C mehr enthalten. Die erhöhte CO2 Freisetzung wird zum Teil durch die Biosphäre abgefedert – mit steigender CO2 Konzentration wird auch mehr CO2 fixiert. Die CO2 Freisetzung steigt aber noch stärker und kontinuierlich an.
• Methan Auswirkung auf Treibhauseffekt • Natürliche Methanquellen: Neben anthropogenem Methan aus der Landwirtschaft und aus Verbrennungsprozessen sind Moore und Methanhydrate wichtige Methanquellen. In Mooren und anderen anaeroben, staunassen Bereichen entsteht Methan durch methanogene Mikroorganismen. Methanhydrate sind Eisstücke, die in ihrer Kristallstruktur große Mengen an Methan enthalten. Im Permafrost oder am Meeresgrund sind diese Strukturen stabil, wenn Permafrost jedoch auftaut, wird das Methan freigesetzt (positives Feedback!).
• Wasserdampf - Auswirkungen auf Treibhauseffekt • Wasserdampf: Ist für 60% des natürlichen Treibhauseffektes verantwortlich. Wasserdampf in Form von Wolken kann zur atmosphärischen Gegenstrahlung beitragen, besonders wenn sich Wolken in großen Höhen befinden. Eine steigende Durchschnittstemperatur der Erde führt zu einem steigenden mittleren Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Die Atmosphäre kann mit jedem Grad Temperaturanstieg 7% mehr Wasserdampf enthalten. Im Kontext der globalen Erwärmung ist diese sogenannte "Wasserdampf-Rückkopplung" neben der Eis-Albedo-Rückkopplung die stärkste positive Rückkopplung.
• Was sind Aerosole? • Aerosole sind wichtig für die Strahlungsbilanz der Erde, weil sie zur Albedo beitragen (siehe unten). Wichtige Aerosole sind feste Eis- oder Salzkristalle, Bodenpartikel, Vulkanische Asche und Wassertröpfchen (Wolken). Auch Sulfate sind Aerosole und sind gleichzeitig wichtig für die Wolkenbildung (Kondensationskerne).
• Was sind Treibhausgase • Treibhausgase: Sind immer heteronukleare Gase wie CO2. Sie fungieren als Treibhausgase, weil sie Dipole sind und deshalb durch absorbierte langwellige Strahlung angeregt werden und deshalb Wärme emittieren. Treibhausgase absorbieren langwellige Strahlung, die von der Erde re-emittiert wurde und reflektieren sie als Wärme zurück auf die Erde (atmosphärische Gegenstrahlung). Ohne Treibhausgase würde diese re-emittierte Strahlung ins Weltall entweichen. Homonukleare Gase wie N2 sind keine Dipole und können damit nicht durch Strahlung angeregt werden, deshalb sind sie auch keine Treibhausgase. Ein wichtiges Treibhausgas ist Wasserdampf, er ist auch das häufigste Treibhausgas. Weitere Treibhausgase sind CO2, CH4, NOx und FCKWs.
• Auswirkungen von Treibhausgasen und Aerosolen auf Strahlungsbilanz • Auswirkungen auf die Strahlungsbilanz: Aerosole sind dafür verantwortlich, dass nur die Hälfte der Sonneneinstrahlung die Erdoberfläche erreicht. Wolken sind sehr wichtig für die Albedo. Gleichzeitig verdoppeln Treibhausgase den Strahlungsfluss indem sie langwellige Strahlung, die ansonsten ins Weltall entweicht wäre absorbieren (Amplifier Effect) und Wärme abgeben.
• Quellen Treibhausgase • Quellen: CO2 und N2O kommen vor allem von Verbrennungsprozessen. CO2 ist das Oxidationsprodukt von Kohlenstoff. CH4 hat neben anthropogenen Quellen wie Verbrennungsprozesse, Reisanbau und Abwasserreinigung auch viele natürliche Quellen, die Flüsse werden aber durch Feedbacks aufgrund von Global Warming verstärkt. Methan entsteht in Sümpfen, in anaeroben Bereichen im Meer (Methanhydrate – werden durch Auftauen des Permafrost freigesetzt) und es wird von Termiten freigesetzt. FCKWs wurden früher als Kühlmittel verwendet, sie wurden verboten, als man erkannte, dass sie Hauptverursacher des Ozonloches sind. Aufgrund ihrer Halbwertszeit sind aber immer noch FCKWs in der Atmosphäre vorhanden und zerstören Ozon.
• Klimaeffekte von Ozeanen • Temperaturpufferung durch eine hohe spezifische Wärmespeicherkapazität von Wasser. Dieser Umstand führt dazu, dass ozeanisches Klima geringe jahreszeitliche Temperaturschwankungen aufweist und kontinentales Klima sehr große. • Interaktionen von Meer und Luft: Atmosphäre und Wasser sind ein gekoppeltes System, das ständig Wärme und Stoffe austauscht. Wichtige Prozesse sind: Sensible Heat Transfer, Wind, DMS (Wolkenbildung), Gasaustausch, Strahlungsreflexion, Latent Heat Transfer durch Evaporation... • Globale Wärmezirkulation: Oberflächenströmungen siehe oben • Periodische Phänomene: Wie El Nino (ENSO). In der Normalsituation ist es Ende Dezember in Peru trocken und es gibt ein Upwelling von kaltem Wasser vor der Küste. Die Thermokline ist weit oben (wichtig für den Fischfang). In Indonesien regnet es, über das Meer weht ein Passatwind von Peru nach Indonesien. Vor Indonesien ist deshalb der Wasserspiegel höher. Die Thermokline liegt sehr tief. Beim Auftreten von El Nino ist es in Indonesien (zu) trocken und in Peru regnet es (zu viel). Es gibt kein Upwelling vor Peru, das Wasser ist wärmer und die Thermokline sinkt ab. Auch der Passatwind ist schwach. • Abrupte Klimawechsel: siehe thermohaline Zirkulation
• Effekte von Vulkanausbrüchen • Vulkane bringen große Mengen an Aerosolen in die Atmosphäre ein. Damit wird die Albedo stark erhöht und weniger Strahlung gelangt auf die Erde. Gleichzeitig führen die Sulfate, die von Vulkanen ausgestoßen werden zu mehr Wolkenbildung, was wieder die Albedo erhöht. So kann sich die Durchschnittstemperatur für einige Jahr global um einige °C absenken.
• Milanovic Zyklen • Beschreibt die Auswirklungen des Erdorbit auf das Klima. Die Milankovic-Zyklen könnten (mit-)verantwortlich für die großen Vergletscherungen der Erde gewesen sein. Variationen in der Sonneneinstrahlung sind für 71% der Temperaturvariationen verantwortlich. Die Saisonalität der Sonneneinstrahlung wird beeinflusst von: o Exzentrizität: Ist die Variation in der Form des Erdorbit und moduliert die Unterschiede zwischen Jahreszeiten. Wenige Unterschiede zwischen Jahreszeiten begünstigen Vergletscherung. o Schiefe: Ist die Variation in der Drehachse der Erde. Sie schwankt zwischen 22,1 und 24° . Schwankungen führen dazu, dass weniger oder Mehr Sonneneinstrahlung die Pole erreicht. o Kreiselbewegung: Die Erdachse bewegt sich wie ein Kreisel. Das führt zu weiteren saisonalen Unterschieden an den Polen.
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• Kurzwellige und langwellige Strahlung • Kurzwellige und langwellige Strahlung: Die kurzwellige Strahlung kommt von der Sonne. Für sie ist unsere Atmosphäre sehr gut durchlässig. Ein Teil der kurzwelligen Strahlung wird in der Atmosphäre von Treibhausgasen absorbiert, ein Teil wird auf der Erdoberfläche von Pflanzen oder anderen Objekten absorbiert und in Wärme umgewandelt. Wärme ist langwellige Infrarotstrahlung und wird sowohl in der Atmosphäre als auch von der Erdoberfläche re-emittiert. Ein Teil wird wieder ins Weltall abgestrahlt, die Atmosphäre ist aber für langwellige Strahlung weniger durchlässig, als für kurzwellige.
• Strahlungsbilanz • Strahlungsbilanz: Wenn 100% Strahlung von der Sonne aus die Erde auftrifft, erreicht nur etwa die Hälfte die Erdoberfläche. Der Rest unterliegt folgenden Prozessen: o Streuung: Ein Lichtstrahl wird z.B. durch ein Aerosol in viele schwächere Lichtstrahlen anderer Richtung gebrochen o Absorption: Ein Lichtstrahl wird absorbiert und in Wärme umgewandelt o Reflexion: Oberflächen (an der Erdoberfläche oder Wolken) reflektieren Strahlung o Wärme: Ein Teil der kurzwelligen Strahlung wird als langwellige Strahlung (Wärme) von der Erde wieder re-emittiert.

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