45 миллионов китайцев погибли от голода в 1958 -1960 гг. в результате политики «Большого скачка»
Возрастное распределение народонаселения Франции на 1 января 1967 г.
Возрастное распределение народонаселения России на 1 января 1999 г.
1897 г. 1929 г.
1939 г. 1946 г.
Эхо 2 Эхо 3 1959 г. 1979 г.
Эхо 2 Эхо 3 Эхо 4 1989 г. 1999 г.
2012 г. Зарождение нового «эха»
2012 г.
2012 г.
«Русский крест»
Поло-возрастные пирамиды на разных фазах демографического перехода
Немецкая марка с национальными стадиями демографического перехода
Медианный возраст населения Земли
Плодовитость человечества (количество детей за жизнь матери) 5. 5 5 4 3. 5 3 2. 5 2 1. 5 1 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040
Скорость прироста населения Земли (% в год)
Мировой демографический переход: факты и прогноз
Мировой демографический переход: факты и прогноз
Заключение Что же нас ждет после демографического перехода? Уже сейчас ясно что в нашей популяции есть социальные механизмы ограничивающие рождаемость. Это не значит, что мы вымрем от старости. Просто в популяции будет постоянный небольшой уровень молодежи и почти отсутствие прироста. Если развивающиеся технологии и затормозятся снижением роста населения, тем не менее скорее всего смогут удовлетворить потребности всех (включая развивающиеся страны). Если сейчас удастся снять ограничение на 1) энергию 2) продолжительность жизни, это может стать совершенно новым этапом, связанным с искусственным планированием рождаемости. Возражение (развитых стран) связанное с тем, что развивающиеся страны не могут идти тем же путем неограниченного потребления, что и развитые – едва ли состоятельно, хотя бы с точки зрения нереальности такого запрета, и растущих биотехнологий, которые как раз делают это реальным. Они все равно пройдут ту же стадию (это касается и России). Другое дело, что развитые страны, оказавшиеся по другую сторону демографического перехода, должны оказывать развивающимся странам помощь в скорейшем решении проблем перехода, что в общих интересах.
ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ ИЗУЧАЕТ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ – ОБМЕН ВЕЩЕСТВАМИ МЕЖДУ ОРГАНИЗМАМИ И СРЕДОЙ, где основными «драйверами» являются организмы
Главный объект глобальной экологии – биосфера (термин: Эдуард Зюсс (1875). Область Земли населенная организмами, и находящаяся под их влиянием), и крупные экосистемы (биомы) – единые системы из сообществ организмов и их абиотической среды, объединенные общим типом обмена веществ в пределах однородных условий общего пространства.
Биотическая компонента редуцированный) Трофическая группировка (гильдия, ассоциация простое сообщество) синонимы: биотоп, косная среда, окружающая среда Сообщество Абиотическая компонента Биоценоз (полный или синоним: живое вещество Видовая популяция биогеоценоз (по В. Н. Сукачеву), экосистема по А. Тэнсли (1935) экосистема по Ф. Эвансу (1956)
• Чем крупнее экосистемы – (биосфера - самая большая из них) тем более замкнут в них круговорот веществ. • По энергии все экосистемы открыты. Основной источник ее на Земле – энергия Солнца. • Обмен веществ со средой нужен не только для построения и поддержания тел живых организмов, но и для получения энергии в доступной им форме.
Сергей Николаевич Виноградский 1856 -1953 В 1896 году сформулировал представление о жизни на Земле как о системе взаимосвязанных биогеохимических циклов, катализируемых живыми существами
С. Н. Виноградский: … Организованные существа черпают материалы для постройки своих тел из резервуара минеральной природы, где они находят нужные им углерод, азот, водород, кислород и элементы золы. Простая логика уже говорит нам, что если бы накопление углерода, азота и прочих элементов продолжалось бесконечно в одном направлении и не было бы процессов обратных, то запас этих веществ в конце концов истощился бы рано или поздно, как бы велик он ни был …
… Итак, нам вполне ясна необходимость следующего вывода: без круговорота веществ немыслимо правильное и продолжительное существование организованного мира за счет запасов неорганического. В природе должны одновременно происходить две группы химических процессов: процессы создания органического вещества и процессы разрушения, синтез и анализ …
Потоки и резервуары (пулы) вещества образуют быстрые и медленные круговороты Резервный фонд вещества в земной коре
Организмам нужны не любые вещества и химические элементы, а только те, которые обладают важными для них свойствами, например, богаты энергией (органич. в-ва), служат окислителями (O 2) или входят в состав основных органических молекул (С, Н, N, P). Важна также их распространенность в природе и доступность (пример – Н 2 О).
Эволюция биосферы – последовательность событий, порожденная геохимической активностью организмов О 2 в атмосфере млрд лет назад
Владимир Иванович Вернадский (1863 – 1945)
Георгий Александрович Заварзин James Lovelock Gaia hypothesis
Г. А. Заварзин «Лекции по природоведческой микробиологии» 2009 Функциональное разнообразие прокариот сложило систему отношений биосферы и геосферы (точнее – литосферы). Все остальные организмы вписывались в эту ранее сложившуюся систему отношений. Они не могли противоречить ей и удерживались только в том случае, если согласовывались с биогеохимической системой прокариот…
Understanding biogeochemical coevolution is critical to the survival of humans as we continue to influence the fluxes of matter and energy on a global scale. Microbial life can easily live without us; we, however, cannot survive without the global catalysis and environmental transformations Science 23 May 2008: Vol. 320. no. 5879 it provides. Paul G. Falkowski, Tom Fenchel, Edward F. Delong
1. Развитие биосферы происходит аддитивно - за счет добавления новых компонентов к уже существующей и работающей системе
Г. А. Заварзин «Лекции …» История биоты – аддитивная эволюция с этапами: I. Прокариоты. II. Прокариоты + протисты. III. Прокариоты + протисты + многоклеточные.
Г. А. Заварзин «Лекции …» На каждом этапе определяющая роль принадлежит первичным продуцентам – оксигенным фотоавтотрофам: I. Цианобактерии II. Цианобактерии + водоросли III. Цианобактерии + водоросли + растения
2. Поддержание биогеохимических циклов возможно только за счет работы сообщества разных организмов
3. Биосфера была и остается гетерогенной системой, т. к. включает биотопы, существенно различающиеся по физическим и биогеохимическим параметрам
иосфера возникла 3. 5 миллиарда лет тому назад. И она вряд ли просуществует ещё более 1. 5 миллиардов лет
Carl Edward Sagan (1934 – 1996) Carl Sagan, W. Reid Thompson, Robert Carlson, Donald Gurnett & Charles Hord A search for life on Earth from the Galileo spacecraft // Nature. 1993. V. 365. P. 715 - 721
Galileo spacecraft - запуск к Юпитеру – 18 октября 1989 г.
C H N O P S шесть основных элементов живого
1. Все, кроме фосфора, могут образовывать летучие соединения (PH 3 фосфин ядовит и нестоек) 2. Более 99% вещества организмов приходится только на четыре элемента: водород, углерод, азот и кислород
3. Высокое содержание кислорода в атмосфере обязано эквивалентному колву углерода, вышедшего из цикла в ходе эволюции биосферы 4. Азота на планете много, но он находится в малодоступной форме 5. Водород - единственный среди биогенов имеет планетарный незамкнутый цикл (улетучивается в космос) 6. Циклы водорода и кислорода – движутся общими абиотическими силами, поскольку связаны с круговоротом воды
ЦИКЛ УГЛЕРОДА
Самые распространенные элементы. . . • Во вселенной: H He O С N • На Земле: Fe O Si Mg Ni • В литосфере и коре Земли: O Si Al Fe Ca • В живом веществе: О С H Ca N С - 0. 02% (литосфера) - 18% (живое вво) - 45% (на сухую массу живого)
УГЛЕРОД • Углеродный цикл – ведущий. Основа органических веществ. Максимальная биофильность среди всех биогенов. Благодаря легкому образованию неограниченных цепочек С-С-. . . -С на его основе можно строить полифункциональные биоструктуры, в том числе для запасания энергии. Диоксид углерода как основной источник С-орг. легко образуется, распространен, летуч, устойчив, вступает в реакцию с водой и является парниковым газом. Входит в реакции фотосинтеза-дыхания.
Аноксигенный фотосинтез: CO 2 + 2 H 2 S + энергия света (CH 2 O) + H 2 O + 2 S Оксигенный фотосинтез: CO 2 + 2 H 2 O + энергия света (CH 2 O) + H 2 O + O 2
Дыхание: (CH 2 O) + O 2 CO 2 + H 2 O + энергия Фотосинтез: CO 2 + H 2 O + энергия (CH 2 O) + O 2 Эти реакции – основа круговорота углерода в биосфере
Группы организмов, выделенные в зависимости от источника углерода и энергии, а также характера окисляемого субстрата Источник энергии Свет (Фототрофы) Окислительновосстановительные реакции (Хемотрофы) Окисляемые субстраты (доноры электронов) Неорганические вещества (Литотрофы) Ист оч-ник углерода СО 2 (Автотрофы) Органические соединения (Гетеротрофы) Органические вещества (Органотрофы) Неорганические вещества (Литотрофы) Органические вещества (Органотрофы) Фотолитоавтотро фы (цианобактерии, пурпурные серные бактерии, растения) Фотоорганоавтотрофы (некоторые пурпурные бактерии) Хемолитоавтотро фы (водородные бактерии, тионовые бактерии, нитрифицирующи е бактерии) Хемоорганоавтотрофы (метанобразующие архебактерии) Фотолитогетеротрофы (некоторые бактерии с аноксигенным фотосинтезом) Фотоорганогетеро трофы (несерные пурпурные бактерии) Хемолитогетеротрофы (сульфатвосстанав -ливающие и неко -торые водородные бактерии) Хемоорганогетеро -трофы (большинство бактерийдеструкторов, грибы, животные)
Условная цель живых организмов – построить свои тела и поддерживать их существование. Для этого нужно много С и энергии. . Революция фотосинтеза в том, что организмы научились для этого использовать энергию Солнца (переводить ее в доступную форму в виде орг. в-в) и усваивать С в виде СО 2, а Н - брать из Н 2 ОТолько растения и другие автотрофы создают органическое в-во из неорганики (они – продуценты или автотрофы), остальные организмы берут его у них в готовом виде и расходуют на себя (они – консументы и редуценты, или гетеротрофы). Дыхание служит только для получения энергии, т. е. производит обратный Ф. процесс. Оно есть у всех, включая растения.
• Углеродный обмен в биосфере (это почти одно и то же, что обмен СО 2) связан с активностью биоты во всех масштабах пространства и времени и почти полностью определяется ею.
Обмен СО 2 между экосистемой и атмосферой в суточном масштабе
Обмен СО 2 между экосистемой и атмосферой в годовом масштабе
Сентябрь Май Содержание СО 2 в течении года в атмосфере Северного полушария
Глобальный баланс углерода на нижней границе атмосферы (выделение и поглощение СО 2 в атмосферу , Гт. С за год) Источники Стоки Дыхание наземной биоты: +59 Дыхание почвы: +58 Дыхание океана: +90 Сжигание ископ-го топлива: +6. 4 Сведение лесов и антроп. нагрузка на экосистемы: +1. 7 Пожары: +2. 1 Вулканизм: +0. 1 (меридиональный обмен СО 2 атм-ра/ океан: +6) Итого: +217. 4 Наземный фотосинтез: -120 Фотосинтез океана: -92 Растворение СО 2 в океане: -2. 2 (меридиональный обмен СО 2 атм-ра/ океан: -6) -214. 2 Прирост в атмосфере: +3. 2 Гт. С (на 2010 г)
Глобальный углеродный бюджет (Гт С год-1) Остается в атмосфере 3. 2 6. 4 Сжигание ископаемого топлива 1. 0 2. 2 Сток на суше Сток в океан По пространственной принадлежности стока на суше до сих пор нет единства мнений!
1. Большая часть углерода биосферы выведена из активного круговорота и находится в осадочных породах - карбонатах и керогене 2. Формирование этих пород происходило при самом активном участии организмов 3. Углерод осадочных пород так же вовлечен в круговорот, но он совершается очень медленно – примерно за 500 миллионов лет
Карбонаты биогенного происхождения т. е. известняки (Ca. CO 3) и доломиты (Ca. CO 3·Mg. CO 3), образовались в результате перекристаллизации остатков скелетов морских организмов. В открытом океане – это планктонные кокколитофориды и фораминиферы. Кероген – органическое вещество, содержащееся в осадочных породах в рассеянной форме. Кероген образовывался на суше и в мелководных морях
Скопления керогена – это то органическое вещество, вывод которого из круговорота обеспечил сохранение в атмосфере свободного кислорода
Нарушения углеродного цикла
Доказательства антропогенной природы роста СО 2 в атмосфере 1. Рост начался в техногенную эпоху 2. Техногенная эмиссия росла параллельно 3. По росту доли легких изотопов С 13 и С 12 в атмосфере (ими обогащено ископаемое топливо) 4. Есть антропогенные выбросы (фреоны) которые растут параллельно с увеличением концентрации СО 2, метана и оксидов азота в атмосфере
Содержание СО 2 в атмосфере по данным лаборатории на склоне Мауна-Лоа (Гавайи)
4 0. 15 15 мкм СО 2 8 -14 и 16 -30 мкм
Благодаря парниковому эффекту (greenhouse effect) средняя для всего земного шара температура у поверхности земли +15 о , тогда как в его отсутствие она была бы – 23 о
Некоторые факты • Все парниковые газы составляют лишь 2% от массы атмосферы. • Из этого количества молекулы воды составляют 97. 5%, а СО 2 2. 4% • Без этих двух газов средняя температура поверхности Земли была бы -18 С, м не +14 С
Состав воздуха: 1. Молекулярный азот - 78% 2. Молекулярный кислород - 21% 3. Аргон - 1% 4. Вода (пар): от 0. 5 до 4% 5. Примеси – содержание оценивают в частях на миллион (ppm): Диоксид углерода (углекислый газ) CO 2 - 400 ppm Неон - 18. 8 ppm Гелий - 5. 5 ppm СН 4 (Метан) - 1. 7 ppm
Парников ый газ (ПГ) Концентрац Доля от Сред. ия, г/ м 3 всех ПГ, время (ppmv) % жизни Скорость Парниковый прироста, эффект от %/ год эмиссии отн. СО 2 Н 2 О 20 (10000 ppmv) 97. 5 10 суток - Не связан с антроп. СО 2 0. 5 (400 ppmv) 2. 4 4 (50200) лет +0. 5 1 СН 4 7 10 -4 (1. 7 ppmv) <0. 04 10 лет +0. 9 63 CFCs (11, 12) N 2 O <10 - 6 (700 pptv) <0. 01 80 -170 лет +4 до 7100 9 10 -4 (310 ppbv) <0. 04 170 лет +0. 25 270 O 3 4 10 -5 <0. 01 Тропос. : +1+2 неск. (-0. 5 -0. 7) недель ?
• Радиационный баланс Земли в целом определяется разницей количества приходящего коротковолнового солнечного излучения (0. 15 – 4 мкм) и исходящего длинноволнового (3100 мкм) • Закон Уэйна: Λ (мкм) = ~3000/Kо
• Существующие концентрации парникового газа определяют каков будет эффект от прибавления новых молекул этого газа. Фреоны – линейный эффект , закись азота и метан – как Х 0. 5 СО 2 – как логарифм Х, для паров воды – почти нет эффекта.
Климат зависит от внутренних физико-химических процессов (горообразование, движение материков и поднятия моря) и радиационного баланса Земли. • От чего же зависит радиационный баланс на Земле?
Природные факторы: короткопериодные (ПГ, АЭ, А) и длиннопериодные (космические) Биотические факторы Радиационный баланс атмосферы Климат Человечество Антропогенные факторы: короткопериодн ые (парниковые газы, аэрозоли, альбедо)
Факторы радиационного баланса • Парниковые газы: прямые и опосредованные эффекты (единицы – сотни млн. лет) • Солнечная активность (единицы – сотни млн. лет) • Изменения характера движения Земли вокруг Солнца: циклы Миланковича (десятки- сотни тыс. лет) • Вулканизм и аэрозоли (единицы – сотни лет) • Активность человека и биоты
Nature 399, 429 - 436 (03 June 1999); Сlimate and atmospheric history of the past 420, 000 years from the Vostok ice core, Antarctica
Станция Европейского сообщества Concordia на куполе «С» (EPICA - European Project for Ice Coring in Antarctica) Толщина льда 3 309 м Глубина бурения 3190 м Проанализирован керн длиной 3129 м Время образования льда – 740 000 лет
Nature 429, 623 - 628 (10 June 2004) Eight glacial cycles from an Antarctic ice core EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) community members Изменения температуры за 800 тысяч лет в районе Антарктиды. По оси абсцисс – возраст отложений в тысячах лет до настоящего времени (т. е. ход времени - справа налево). Чёрная линия вверху – относительное содержание дейтерия δD в колонке льда с Европейской станции (EPICA) на куполе «С» . Синяя линия внизу – относительное содержание тяжелого изотопа кислорода δ 18 O в донных отложениях в Южном океане (в последнем случае – инвертированная шкала).
Нижний график - изменения содержания СО 2 в пузырьках воздуха и дейтерия во льду Антарктиды за 800 тысяч лет (разным цветом показаны данные из разных мест и полученные разными методами. Верхний – ход температурной аномалии. Loulerlegue et al. , 2008. Nature. V. 453. P. 383 -386
Современное глобальное потепление
Факторы изменения современного климата Изменение климата. 4 доклад МГЭИК, 2007
Пинатубо, 1991
Photos show the Earth’s limb (the Earth’s horizon from orbit) at sunset before and after the Mt. Pinatubo eruption. The first view shows a relatively clear atmosphere, taken August 30, 1984. Astronauts were looking at the profiles of high thunderstorms topping out at the tropopause at sunset; different atmospheric layers absorbed the last rays of light from the sun as the spacecraft moved eastward. The same type of photograph was taken August 8, 1991, less than two months after the Pinatubo eruption. Two dark layers of aerosols make distinct boundaries in the atmosphere. The estimated altitude of aerosol layers in this view is 20 to 25 km, consistent with measurements made by other spacebased instruments.
Неблагоприятные последствия глобального потепления • Рост уровня океана. • Таяние мерзлоты (занимает 25% суши) и ледников (Гренландии – Сев. Атлантика) • Увеличение частоты и интенсивности экстремальных погодных явлений (ураганы, наводнения) • Проблемы с водными ресурсами в ряде регионов и сельским хохяйством в ряде регионов (засухи). • Гибель морской фауны (р. Н, коралловые рифы)
Таяние Гренландских ледников (данные по массе льда со спутников GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment)
«Петля Брокера»
Положительные обратные связи и глобальное потепление Снижение растворимости СО 2 в океанической воде Рост концентрации СО 2 в атмосфере Техногенный выброс СО 2 Рост температуры океанической воды Рост средней температуры атмосферы Рост концентрации паров воды в атмосфере Осушение болот Сведение лесов Загрязнение и нарушение циркуляции океанов Большая активизация процессов дыхания и выделения СО 2 по сравнению с поглощением СО 2 (в осн. в лесах и океанах)
Что мы можем сделать?
International Panel on Climate Change The IPCC is a scientific intergovernmental body set up by the World Meteorological Organization (WMO) and by the United Nations Environment Programme (UNEP). Climate Change 2013, the Fifth IPCC Assessment Report
Стратегии борьбы с приростом парниковых газов (ПГ) в атмосфере Через снижение эмиссии ПГ -Ограничение эмиссии ПГ запрет применения фреонов Через увеличение стока ПГ - Лесовосстановление и лесоразведение, залужение - Консервация бореальных болот - Прекращение сведения лесов и борьба с пожарами - Энергосбережение - Консервация природных ископаемых - Альтернативные источники энергии и технологии
Биосферная роль России ( «Мерзлотно- болотно- таежная» ) * -1 место в Мире Доля России, % Вся суша Источник Площадь суши * 11. 5 149 млн км 2 БСЭ Лесные ресурсы (запас древесины) 400 Гт. С 15. 5 Площадь умеренных, бореальных лесов (20. 1%)и тундры* Запас С в торфах болот * Площадь мерзлотных экосистем * Сток углерода* Исаев и др. 1995; Climate Change. . , 1990 32 34 млн км 2 Climate Change. . , 1990; Исаев и др. 1995; Карелин и др. 1995, Рослесхоз, 2009 60 190 Гт. С Вомперский и др. 1999 40 27 млн. км 2 Карелин, Замолодчиков, 2008 20 Замолодчиков и др. 2010, 2 Гт. С в год Люри и др. , 2010, Курганова, 2010 Вомперский и др. 1999
Скачать презентацию 45 миллионов китайцев погибли от голода в 1958
лекция 15 демография и глобальная экология.pptx