Zavatarelli, Marco

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Biosfera  Alma Mater Studiorum Università di Bologna  sede di Ravenna Laurea Triennale in Scienze Ambientali Corso: Climatologia Marco.Zavatarelli@unibo.it  Riferimenti P. Colinvaux Why big fierce animals are rare. Penguins book Capitolo 5 the nation states of trees Pidwirny, M. (2011) http://www.eoearth.org/view/article/162312  R.E. Ricklefs. The economy of nature. Freeman & C. (L’economia della natura, Zanichelli)   https://en.wikipedia.org/wiki/Gaia_hypothesis (copia del testo nel materiale  Scaricabile da AMS campus)     www.jameslovelock.org/key2.html  La Biosfera false-color composite of global  oceanic and terrestrial  photoautotroph abundance, from  September 1997 to August 2000.  Provided by the SeaWiFs Project,  NASA/Goddard Space Flight  Center and ORBIMAGE La Biosfera Living matter gives the biosphere an extraordinary character, unique in  the universe... Cosmic energy determines the pressure of life that can be  regarded as the transmission of solar energy to the Earth's surface...  Activated by radiation, the matter of the biosphere collects and redistributes  solar energy, and converts it ultimately into free energy capable of doing work  on Earth...  A new character is imparted to the planet by this powerful cosmic force.  The radiations that pour upon the Earth cause the biosphere to take on  properties unknown to lifeless planetary surfaces, and thus transform the face of the Earth...  In its life, its death, and its decomposition an organism circulates its atoms through the biosphere  over and over again.             Vladimir Vernadsky, Biosfera, 1926 Vladimir Ivanovich Vernadsky  Russian, Ukrainian and Soviet mineralogist and  geochemist who is considered one of the founders of  geochemistry, biogeochemistry, and of radiogeology,  In his 1926 book The Biosphere  he hypothesized  that life is the geological force that shapes the  earth.  Biosfera e bilancio energetico del pianeta Una MINIMA quantità della radiazione solare che raggiunge il pianeta “Rifornisce la biosfera 341 W.m-2 161 W.m-2 180 W.m-2 Albedo + assorbimento  atmosferico Energia utilizzata Per Produzione  Primaria  lorda Energia corrispondente a Produzione  Primaria  netta STIME..soggette ad  incertezza ed errore Vegetazione e clima A partire dal  18° secolo Domande: •  Perchè la vegetazione nelle diverse parti Del mondo è drasticamente differente?  •  Perchè vaste aree del pianeta hanno  Vegetazione (formazioni) relativamente  uniforme?  •  Perchè la transizione da una formazione  all’altra è piuttosto netta/   Vegetazione e clima Augustin-Pyramus  De Candolle  (1778-1841) De Candolle nel 1855 diede una risposta ecologica (climatologica) a queste  domande  individuando nel regime termico prevalente e,il fattore determinante  le formazioni vegetali e la loro Transizione dall’una all’altra. Vegetazione e clima Echistoterme: Formazioni tipiche di zone dove la temperatura annua media è inferiore a 0°  e la stagione vegetativa è limitata a 2 o 3 mesi. (Erbe di alta montagna, piante delle tundre) Microterme: Formazioni tipiche di zoneècon temperature  tra 0° e 15° e con riposo vegetativo nella stagione invernale. E' propria ad es. delle regioni  dell' Europa Settentrionale.  Mesoterme: Formazioni tipiche di zone  con climi temperati Xerofile: Formazioni tipiche di climi secchi,  aridi e asciutti.  Megaterme: Formazioni tipiche di zone tropicali  umide con temperatura costantemente sopra i 20° Vegetazione e clima E D C C A Una prima classificazione dei climi del pianeta Basata sulla distribuzione delle formazioni vegetali Che (In assenza di satelliti o sistemi osservativi meteorologici) rispecchiavano I principali regimi di  temperatura.  Vegetazione e clima Il sistema di classificazione climatico di Vladimir Koppen. Basato originalmente sulla ipotesi che la distribuzione delle formazioni vegetali fosse  Essenzialmente definita dalle caratteristiche climatiche (temperatura e diponibilità di acqua) Le prime mappe climatiche erano essenzialmente mappe della vegetazione    La classificazione climatica  di Koppen-Geiger Il sistema di classificazione climatico di Vladimir Koppen. Attualmente basato su valori di temperatura e precipitazione. 5 Tipi climatici Principali    A: Clima tropicale Umido B: Clima Arido C: Clima Umido Temperato D: Clima Umico freddo E: Clima Polare La classificazione climatica  di Koppen-Geiger Sottotipi climatici Basati sulle specifiche caratteristiche di: Precipitazione Temperatura Più 2 sottotipi polari specifici    Tropical moist:Very warm climates (tropics) with high  precipitation. All months have average temperatures  above 18°C  La classificazione climatica  di Koppen-Geiger    Dry: climate with little precipitation during most of the year.  Losses of water from evaporation and  transpiration greatly  exceed atmospheric input.  La classificazione climatica  di Koppen-Geiger    Moist mid latitude climate with mild winter:  Summer temperatures are warm to hot and winters are mild.  The primary distinguishing characteristic of these climates is  the coldest month has an average temperature between  18° and -3°C. La classificazione climatica  di Koppen-Geiger    Moist mid latitude climate with cold winter:  Summer temperatures are warm and winters are cold. The  primary distinguishing characteristic of these climates is the  average temperature of warmest month exceeds 10°C, and  average temperature of coldest is below -3°C . La classificazione climatica  di Koppen-Geiger    Polar: Very cold winters and summers, with no real summer  season. The primary distinguishing characteristic of these  climates is the warmest month has an average temperature  below 10°C. La classificazione climatica  di Koppen-Geiger Vegetazione e clima Biomi del pianeta Biomi del pianeta Identificati principalmente da variazioni delle caratteristiche Ambientali (temperatura, umidità, precipitazioni) e  geografici (altitudine) Vegetazione e clima Vegetazione e clima Diagramma di Whittaker Biomi classificati in base a temperatura e  precipitazioni Vegetazione e clima Corrispondenza diretta (In generale) Fra proprietà climatiche e Biomi  Variazione osservabile in funzione  Della latitudine…............. Vegetazione e clima …....o della elevazione In sintesi: Holdridge’s life zones. Definizione dei biomi sulla base di  variazionidi temperatura e precipitazione.  Vegetazione e clima In sintesi: Holdridge’s life zones. Definizione dei biomi sulla base di  variazionidi temperatura e precipitazione.  Vegetazione e clima In sintesi: Holdridge’s life zones. Definizione dei biomi sulla base di  variazion idi temperatura e precipitazione.  Vegetazione e clima In sintesi: Holdridge’s life zones. Definizione dei biomi sulla base di  variazioni di latitudine , altitudine, e valori di temperatura, umidità e evapotraspirazione.  Vegetazione e clima Potential evapotranspiration  (PET): Amount of water that  would be evaporated and  transpired if there were sufficient  water available.  High temperatures result in  Higher PET. Evapotranspiration  (ET) is the sum of evaporation  and plant transpiration from the  Earth's land surface to  atmosphere. The ratio,  precipitation/PET, is the aridity  index (AI) Coldest regions have not much evapotranspiration nor precipitation, hence polar deserts. In the warmer regions,  there are deserts with maximum PET but low rainfall that make the soil even  drier, and rain forests with low PET and maximum rainfall causing river systems to drain excess water into oceans. Vegetazione e clima Da “epipelagico” a  “adale”. Biomi sotanzialmente definiti sulla base Della penetrazione della  radiazione  Solare nella colonna d’acqua (e sul  valore di temperatura)  Biomi marini Clima e biosfera Quindi…... Le caratteristiche fisiche del sistema climatico determinano e governano le caratteristiche della  biosfera. (gli elementi biologici del sistema climatico sono governati da quelli fisici). È pensabile una interazione diretta (non passiva) della biosfera sull’intero sistema climatico? Una possibilità (estrema)  di questo tipo è formulata nella cosiddetta “ipotesi Gaia” formulata nel 1972 da Lovelock e Margulis. Ipotesi “Gaia” Ipotesi “Gaia” Concetto maggiormente criticato Ipotesi “Gaia” Regolazione dell’Ossigeno atmosferico Ipotesi “Gaia” Regolazione dell’Ossigeno atmosferico Before photosynthesis evolved, Earth's atmosphere had no free oxygen Photosynthetic  prokaryotic organisms that produced O2 as a waste product lived long before the first build-up of  free oxygen in the atmosphere perhaps as early as 3.5 billion years ago. The oxygen they  produced would have been rapidly removed from the atmosphere by weathering of reducing  minerals, most notably iron. This 'mass rusting' led to the deposition of iron oxide on the ocean  floor, forming banded iron formations. Oxygen only began to persist in the atmosphere in small  quantities about 50 million years before the start of the Great Oxygenation Event[  This mass oxygenation of the atmosphere resulted in rapid buildup of free oxygen.  Ipotesi “Gaia” Regolazione della temperatura planetaria Ipotesi “Gaia” Relativa costanza della  Temperatura terrestre a fronte Di una diminuita concentrazione Di CO2 (riduzione effetto serra) E di un aumento della radiazione  Solare’…....          ...che presuppone un meccanismo Omeostatico di regolazione Regolazione della temperatura planetaria Un possibile meccanismo di regolazione “The CLAW (Charlson,Lovelock, Andreae, Warren)  Hypothesis   Ipotesi “Gaia” Regolazione della temperatura planetaria  The CLAW hypothesis, proposes a feedback loop that operates between ocean ecosystems  and the Earth's climate.It proposes that phytoplankton that produce dimethyl sulfide are r responsive to variations in climate forcing, and that these responses lead to a negative feedback loop that acts to stabilise the temperature of the Earth's atmosphere. Un possibile meccanismo di regolazione “The CLAW (Charlson,Lovelock, Andreae, Warren)  Hypothesis   Ipotesi “Gaia” Regolazione della temperatura planetaria 1. Global  Warming (Anthropogenic Greenhouse) 2. Aumento produzione Primaria Oceanica 3. Aumento  Conc. Atm. DMS 4. + Nuclei di  condensazione 5.Aumento  Copertura nuvolosa 6.Aumento  Albedo Ipotesi “Gaia” “Daisyworld” (Mondo Margherita)   Ipotesi “Gaia” “Daisyworld”   Il tasso di βcrescita delle daisies é zero per T<5°C e per T>40°C  Per  5.0<T<22.5 °C      0<β<1 Per 22.5<T<40.9 °C      1<β<0 Variazione della temperatura planetaria in Funzione della Luminosità solare In ASSENZA di Margherite Ipotesi “Gaia” “Daisyworld”  1 Daisies (margherite) con valore di albedo identico a quello del suolo       Superficie del pianeta (%) Ricoperta dalle margherite Margherite “Neutrali” Nessuna crescita al di sopra e al di sotto delle Temperature che limitano la crescita. Crescita nel range: 5.0<T<22.5 °C   Con valori massimi per la temperatura ottimale T=22.5 °C Nessuna variazione nell’evoluzione della temperatura rispetto ad un pianeta senza margherite Ipotesi “Gaia” “Daisyworld”  2 Daisies (margherite) solo nere con valore di albedo minore di quello del suolo (maggior assorbimento)       Superficie del pianeta (%) Ricoperta dalle margherite Le margherite “nere” assorbono maggiormente La radiazione solare e portano più rapidamente la temperatura planetaria al valori prossimi a quello ottimale, mantenedola costante  per un certo periodo nonostante l’aumento della luminosità solare. Ipotesi “Gaia” “Daisyworld”  3 Daisies (margherite) solo bianche con valore di albedo maggiore di quello del suolo (minor assorbimento assorbimento)       Superficie del pianeta (%) Ricoperta dalle margherite Le margherite “bianche” riflettono maggiormente La radiazione solare. Una volta raggiunta la temperatura ottimale, questa viene mantenuta più o meno costante nonostante l’aumento della luminosità solare.  N.B. La figura Mostra anche il processo di diminuzione della luminositàsolare Ipotesi “Gaia” “Daisyworld”  4 Daisies (margherite) solo bianche  e nere Superficie del pianeta (%) Ricoperta dalle margherite Lo sviluppo iniziale di una sola specie (nera), la coesistenza di entrambe (bianche e nere) le specie ed il prevalere della seconda (bianche). Permette il massimo mantenimento della temperatura ottimale, ottimizzando quindi il processo di omeostasi. 

climatologia 6 Biosfera

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