Produzione primaria effetti della temperatura

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1 Produzione primaria effetti della temperatura 1

2 Produzione primaria Produzione di composti organici da CO 2 in atmosfera e acqua principalmente fotosintesi chemiosintesi molto meno rilevante sostiene direttamente o indirettamente tutti gli organismi viventi ha un ruolo chiave nel ciclo del C 2

3 Produzione primaria Autotrofi (o produttori primari) Base della catena trofica Negli ecosistemi terrestri sono principalmente le piante in quelli acquatici le alghe PP lorda e netta 3

4 Produzione primaria % % % 4

5 Produzione primaria Fissazione di C (g C/m 2 /yr) Lorda (GPP) Netta (NPP) Terrestre Oceanica 5

6 Un ive rs it à d i Pa d o va LASA La b ora t orio d i An a lis i d e i Sis t e m i a m b ie n t a li Lu c a Pa lm e ri /

7 7

8 Terra Dal satellite (normalised difference vegetation index, NDVI): PP totale (autotrofi) Gt C/yr Organismi terrestri 56.4 Gt C/yr (53.8%) Produzione degli oceani 48.5 Gt C/yr (46.2%) In termini areali: terreno 426 g C/m 2 /yr (esclusi ghiacci permanenti) oceani 140 g C/m 2 /yr. Differenza significativa negli stocks: negli oceani ~50% di PP ma gli autotrofi oceanici solo 0.2% della biomassa totale 8

9 Bilancio energetico Produzione Primaria: E solare = E rif + NPP + Respirazione Livelli Trofici superiori: E cibo = E biom + E term/resp + E na Rapporti stechiometrici: es. Rapporto Redfield, C:N:P=40:7:1 (in peso) 9

10 Piramide trofica 10

11 Conservazione della materia V dc dt input output formazione trasformazione Produzione netta = Cibo ingerito - respirazione - escrezione - cibo non assimilato Efficienza = (Produzione netta)/(cibo ingerito) (10-20%) 11

12 Conservazione dell energia Primo principio della Termodinamica U energia interna du= Q - W è un potenziale termodinamico b differenziale esatto: U a,b du a vale per tutte le trasformazioni (reversibili o irreversibili) Equivalenza calore/lavoro esperimento di Joule equivalente meccanico della caloria J =4186 Joule/Kcal 12

13 Conservazione dell energia L energia si trasforma: quantità qualità Efficienza: 0,2% 3% 1 40% 13

14 Dissipazione dell energia La freccia nel tempo: passato futuro Secondo Principio della Termodinamica I processi spontanei seguono versi prestabiliti S, entropia: funzione di stato S è una funzione di stato estensiva se lo stato varia ds=d e S+d i S d e S Q T d i S 0 per processi spontanei (= 0 reversibili) Processi reversibili b q S a,b T a 14

15 Secondo principio Per processi irreversibili irrev q T q rev T S Per un sistema adiabatico ( q=0), l entropia può solamente crescere, o al più, nel caso di trasformazioni reversibili, rimanere costante b q a T 0 L entropia dell universo aumenta! 15

16 II principio ed ecosistemi Sistema non in equilibrio la produzione di entropia p ds dt 0 p misura la dissipazione di energia Il sistema usa tutte le risorse a disposizione in modo da incrementare l accumulo di energia ad alta qualità, aumentando di conseguenza la dissipazione di energia dissipata Energia solare Accumulo di energia alta qualità riflessa Sistemi più anziani dissipano più energia! 16

17 Significato statistico dell entropia Sistema di N particelle in equilibrio a T=cost caos molecolare completo (equiprobabilità degli stati) distribuzione di equilibrio P E e funzione di distribuzione per l energia E k B T E F k f E e B T Maxwell-Boltzmann f v n 2 mk B T e k B T mv

18 Significato statistico dell entropia Boltmann order principle n. di microstati f E de E E 0 entropia S k B log Stati più probabili: realizzati con un numero maggiore di microstati Equilibrio Energia libera Entropia F=U-TS massima Sistemi isolati chiusi evolvono verso stati di entropia F minimamassima 18

19 Significato statistico dell entropia La costante di boltzmann (k or k B ) è la costante fisica che esprime il legame fra energia e temperatura J K -1 19

20 Ponte fra macro e micro Macroscopicamente: Gas ideale: pv=nrt p pressione V volume n numero di moli T temperatura absoluta R costante dei gas [ J K 1 mol 1] Microscopicamente: Con l introduzione della costante di Boltzmann si trasforma questa equazione in un modello descrittivo delle proprietà microscopiche delle molecole pv=nkt N numero di molecole di gas k costante di Boltzmann. 20

21 Sezione d urto (per reazioni chimiche) Rapporto fra n. di collisioni favorevoli e n. di collisioni possibili N E a N tot A + B P 21

22 Svante Arrhenius (1889) k Ae k aumenta se T aumenta se E a diminuisce E a RT E 1 a 1 2 R T k k e 1 T

23 Velocità di reazione Generalmente raddoppia per ogni 10 ºC di aumento della temperatura. le reazioni delle molecole di grandi dimensioni (ad es. le proteine), possono subire incrementi molto maggiori. per T> 40 C le reazioni biochimiche diventano sempre meno funzionali (la struttura delle proteine inizia a degenerare, gli enzimi non riescono più a svolgere la catalisi) 23

24 Le anomalie di H

25 da dt µ r es m s A G crescita algale dove A: concentrazione ponderale algale [mgx/l] : tasso di crescita [1/d] r: tasso di respirazione [1/d] es: tasso di essudazione [1/d] m: tasso di mortalità non predatoria [1/d] s: tasso di sedimentazione [1/d] G: grazing [mgx/l/d] da dt µ m s A G dove A: concentrazione numerica [cell/l] 25

26 crescita algale Respirazione ed essudazione: r r T ref f T alcuni autori la fanno dipendere anche dallo stato fisiologico della cellula: r T ref r min T ref k r T ref f L, N,P,C,Si,... 26

27 crescita algale Mortalità non predatoria: m m T ref f T alcuni autori considerano anche un effetto del tipo capacità portante: m T ref k m T ref A Sedimentazione: s v s h 27

28 Fattori di limitazione µ µ MAX T ref f T f L f N, P,C, Si,... f N, P,C,Si,... f N f P f C f Si... f N, P,C,Si,... f N, P,C, Si,... min f N, f P, f C, f Si,... n 1 f N 1 f P 1 f C 1 f Si... f N, P,C, Si,... f N f P f C f Si... n 28

29 Dipendenza dalla temperatura Lineare: f T T T min T ref T min esponenziale: f T T T ref A ottimo: f T e T T 2.3 T x T opt 2 29

30 Processi biologici crescita algale max (1/day) Temperature C 30

31 Processi biologici crescita algale 31

32 Termoclino 32