Übersicht Einführung (cb, mh)

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1 Übersicht 19.10. Einführung (cb, mh)
Motive, Konzepte, Begriffe und Definitionen (cb) Erdgeschichte (mh) Evolutionsgeschichte (mh) Organismen und ihre Autökologie (cb) Funktionen, Prozesse, Wechselwirkungen (cb) C-Kreislauf, Modelle abiotischer Systeme (mh) Populationsökologie (cb) Metapopulation und Trophiestufen (cb) Biozönosen und Ökosysteme (Synökologie) (cb) Zeitliche Muster (mh) Räumliche Muster (cb) Serviceleistungen von Ökosystemen (mh) Forst-, Land-, Fischwirtschaft, Naturschutz (mh) 8.2 Umweltveränderungen und Umweltschutz (cb,mh)

2 Venus Erde heute ohne Leben Mars Temp. 459°C CO2 96,5% N2 2% CH4 0,0%
CH4 1,7 ppm 0,0% O2 20,95% ,0% Mars Temp °C CO2 96,2% N2 2,5% CH4 0,0% O2 0,15% Die junge Erde. Die heutige Venus und der heutige Mars besitzen eine Vergleichbare Atmosphäre. (aus: Gaia-Vortrag von Holger Lange), die Anfangsschätzungen über den N-Anteil variieren stark, (siehe Nature vom , 419, S. 785.)

3 Verlauf des CO2-Partialdrucks in der Atmosphäre

4 Überleben des Stammbaums während der frühen Vergletscherungen
Paul F. Hoffman and Daniel P. Schrag, Scientific American (2000) From: Paul F. Hoffman and Daniel P. Schrag (1999)

5 Phasen der Evolution I. Phase: Prokaryontische Evolution:
„Überlebenskünstler“ morphologisch ähnlich und konservativ Physiologisch divers alle biogeochemischen Kreisläufe existieren führt zur eukaryotischen Zelle: dem universellen Baustein des höheren Lebens und damit zur II. Phase: Eukaryontische Evolution: morphologisch divers, physiologische konservativ Kooperation als Fortpflanzungsgemeinschaften (Art) Entwicklungsphasen und Tod (Mitose/Meiose) modularer Aufbau von Organismen Effizienter Energieumsatz (Atmung)

6 Cyanobakterien: Fossil und rezent
ca. 1 Mrd. Jahre alt, Fundort: Bitter Springs, Australien Das extremste beispiel für morphologischen Konservatismus Weitere Informatíonen siehe: Cyanobakterium der Gattung Oscillatoria:

7 Eine Zunahme an Komplexität ?
Aus dem Complexity Heft 4(2) 1998

8 Zusammenfassung: Erdgeschichte
Naturgeschichte setzt Randbedingungen für Biosphäre Zunahme der Sonnenstrahlung Abkühlung und Ausdifferenzierung der festen Materie, SiO2 Akkumulation in der Kontinentalkruste, O2 Akkumulation in der Atmosphäre „kein Wasser, kein Granit, keine Kontinente …“ Auf langen Zeiträume gegenseitige Beeinflussung der Geschichte der unbelebten Teile der Erde und des Lebens

9 Zusammenfassung: Evolution
Diversität des Lebens durch Evolution Kette von physiologischen und morphologischen Innovationen, Ende-offen ? Diversität durch Entwicklung (Morphogenese) Modular und hierarchisch Niemals „wegen Umbau geschlossen“ Evolution In zwei Phasen: erst physiologisch und dann morphologisch (vor/nach kambrischer Explosion) Vernetzung von Evolutions- und Erdgeschichte Über Anfangs- und Randbedingungen und durch Innovationen im Innern des belebten Systeme („eingefrorene Zufälle“)

10 Ko-Evolution von Biosphäre und deren unbelebter Umwelt
Aus Nature Heft vom

11 Beziehungen zwischen Erd- und Evolutions-Geschichte
Alle „großen Veränderung“ verlaufen nahezu synchron und beinhalten: Klimaänderungen Änderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre Umstellungen in den geochemischen Kreisläufen Auftauchen neuer Physiologien oder Baupläne Schwankung im Proterozoikum (>0.53 Ga) systematisch größer als im Phanerozoikum (<0.53 Ga) ?

12 Interaktion: Erd- und Evolutionsgeschichte
4. Astro- & Geophysik ? Konzentration von CO2 (Temperatur) Volumen des Wassers in flüssiger Phase 1. Geophysik ? 3. Physik Karbonate im Sediment Kontinentalkruste Granit 2. Bio! Fotosynthese

13 Bilanzierung des CO2 Umsatzes:
CO2-Emissionen: Ein Beispiel für die Kopplung von Biosphäre und Geosphäre Bilanzierung des CO2 Umsatzes: Quellen, Senken, Inventuren Rekonstruktion der Geschichte der Atmosphäre Sedimente, Eisbohrkerne, etc. Abschätzung der Wirkungen auf das Klima (direkt und indirekt) die Biota (direkt und indirekt) Vorhersagen und Bewertung der Wirkungen Modelle der Vorhersage von Geosystemen Modelle der Klassifikation, Selektion und Bewertung von Biosystemen

14 Periodizität der Bahnparameter
The climate in Historical times (850 RB F529) Aus: Fischer et al. 2004

15 Klimaarchive aus Eisbohrkernen
The climate in Historical times (850 RB F529) Rechts ist Antarktis links Grönland Aus: Fischer et al. 2004

16 Das Klima der letzten 800.000 Jahre
Aus: MacManus (2004) News and Views Neuer Kern Aus: Nature Juni 2004

17 Ab wann beeinflusst der Mensch das Klima
Ab wann beeinflusst der Mensch das Klima? Klimavariablen während der Eiszeiten Ruddiman (2003) Climate change 61, Aus: Ruddiman (2003)

18 Klima- variablen im Holozän
Ruddiman (2003) Climate change 61, Aus: Ruddiman (2003)

19 Klima-variablen im Holozän
Ruddiman (2003) Climate change 61, Figure 2. Concentrations of atmospheric CO2 in Antarctic ice cores. (a) CO2 trends from Vostok ice record of Petit et al. (1999) using time scale of Ruddiman and Raymo (2003). Marine ä18O signal from SPECMAP (Imbrie et al., 1984). (b) CO2 trends during 4 deglacial-interglacial intervals. Asterisks mark late-deglacial CO2 maxima; circles show positions of early-interglacial CH4 minima that follow 11,000 years later during insolation minima similar to today. (c) High-resolution CO2 record from Taylor Dome of Indermuhle et al. (1999). Early-Holocene CO2 trend projected during late Holocene toward circled values reached during previous interglaciations. Er behauptet, dass er die Wackeleien aus den großen Epidemien im Anstieg der CO2 Konzentration sieht Aus: Ruddiman (2003)

20 Der globale Umsatz von CO2
Aus: Physics Today 9/2002 Der globale Umsatz von CO2 Aus: Physics today: 9/2002, anthropogene Flüsse in rot

21 Kohlenstoffkreislauf heute
Umsätze durch terrestrische und aquatische Ökosysteme etwa gleich groß Seit der Industrialisierung anthropogener Anstieg nachgewiesen „Missing sink“ Seit dem Übergang zur Landwirtschaft anthropogener Anstieg umstritten Wie sieht die Vorgeschichte des heutigen Kreislaufes auf folgenden Zeitskalen aus? Eiszeiten Evolutionsgeschichte Erdgeschichte

22 Die CO2 Flüsse in den letzten 10 Jahren
Waldbrände in Indonesien Figure 1 The CO2 pulse of 1997–98 from Southeast Asia. Page et al.1 estimate that, in releasing 0.8–2.6 Pg C during this time, wildfires in Indonesia were responsible for much of the increase in levels of atmospheric CO2. Atmospheric modelling supports this view, as depicted here. Our global analysis reveals a large emission in Southeast Asia, and is the average of ten models3, each run with two data sets and different degrees of smoothing. Red lines show data6 from 97 monitoring stations; blue lines are data from a subset of 90 stations, omitting seven in the South China Sea. Dashed and solid lines show different degrees of smoothing of the variability in ocean fluxes. The land areas in Southeast Asia defined in the atmospheric model are shown by the shaded area of the inset map. The Indonesian fires were probably only part of the response of the global carbon cycle to the El Niño of that period, as other tropical land regions also show high emissions during 1997–98 in this modelling analysis. In dieser Zeit waren das % der globalen anthropogenen CO2 Emissionen In einigen Gebieten gab es bis zu 2 meter dicke Humusauflagen von denen 0,25-0,85 M durch das Feuer verschwunden waren.. Aus: Nature

23 Die CO2 Konzentration in den letzten 1000 (50) Jahren
Aus: Physics today: 9/2002 Anstieg ist heute 30% gegenüber Beginn der Industrialisierung (höchster Stand seit 20 Mill. Jahren Frage: warum ist das ein Sinus? Aus: Physics Today 9/2002

24 CO2 Konzentration in den letzten 400.000 (50) Jahren
Aus: Kirchner (2002) Climate change 52, 391 Das sieht aus wie wiederkehrende Zustände, daher wurde versucht auch in diesem Fall ein Phasenraumdiagramm zu zeichnen Aus: Kirchner (2002)

25 Das Verhältnis von CO2 Konzentration und Temperatur in den letzten 400000 (50) Jahre
Aus: Kirchner (2002) Climate change 52, 391 Ein Kreislauf aber kein Gleichgewicht Aus: Kirchner (2002)

26 19.14 Die CO2-Emission durch Verbrennung fossiler Brennstoffe und veränderte Landnutzungspraktiken (in erster Linie Waldrodungen) im Jahre (Nach UNEP 1991)

27 Experimente zur CO2-Wirkung: FACE-Ringe
(Free Air Carbon Enrichment) Aus: Oben rechts: FACT II (aspen) Winterhärte, Ozon Effekte, etc. Unten Rechts ist FACT1 (loblolly Pine Duke Univ) Alter, Bäume, Links: Prärie (Gras) Systeme in Minnesota (vor 30 Jahren aus der Landwirtschaft. Natürliche Sukzession) Vorgeschichte... Aus:

28 Schätzungen zur weiteren Verteilung des CO2 Anstieges
Aus: Physics today: 9/2002 Aus: Physics Today 8/2002

29 Modelle oder Experimente?
Neue externe Faktoren ( CO2 Konz.) und evt. neue Verteilung der Ressourcen (Niederschlag, Stickstoff) Die dokumentierte (Natur- oder Nutzungs-) Geschichte liefert nichts Vergleichbares Ist das Verständnis ausreichend für eine Vorhersage? Oder muss man die Reaktion abwarten, um sie bewerten zu können? Kann man das experimentell vorweg nehmen? Trennung von Fakten und Bewertung? Das wichtigste Vorhersageproblem war das der Jahreszeiten (am Wetter kann man das nicht ablesen, aber umgekehrt kann man das erwartete Wetter an der Jahreszeit ablesen....

30 Modelle für Astro- und Geosysteme
Kopernikanische Wende: Einfache Beschreibung der Daten (Kepler 1609) Newton‘sche Mechanik (1686) Einfache Erklärung der Daten Zustandsmodelle erlauben Vorhersagen Anwendung auf die Atmosphäre Perspektiven der Wettervorhersage (Bjerkenes 1904) Heutiges „high-end“ (Kachelmann 2003) Anwendungen auf die Erde Perspektiven der Erdvorhersage (Schellnhuber 1999) Heutiges Wissen entspricht der „low-end“ Wettervorhersage von 1904 ? Eine Geschichte mit Fortsetzung ?