Lagi

3.4: Hidrosfer, Kriosfer, dan Biosfer - Geosains

3.4: Hidrosfer, Kriosfer, dan Biosfer - Geosains


Hidrosfer dan Kriosfer

Hidrosfer mencakup semua air di permukaan bumi, seperti lautan, danau, sungai, sungai, dan air tanah. 97% dari semua air di bumi adalah air laut (dibahas dalam Bab 7).

NS kriosfer adalah air beku di Bumi termasuk gletser, es laut, salju, es air tawar, dan tanah beku (permafrost).

NS siklus hidrologi menggambarkan pergerakan air melalui hidrosfer dan kriosfer. Pergerakan air dan es mengikis permukaan tanah dan menyediakan cekungan laut dengan sedimen. Bahan terlarut menjadi garam dalam air laut. Garam dalam air laut terkonsentrasi saat air menguap dan kemudian jatuh sebagai presipitasi, dengan sebagian besar jatuh kembali ke laut. Sisanya jatuh di darat dan menjadi es, limpasan, air tanah, atau diserap dan dilepaskan oleh makhluk hidup, kebanyakan tumbuhan.


Gambar 3.6. NS siklus hidrologi menggambarkan pergerakan air melalui hidrosfer dan kriosfer.

Biosfer

Syarat lingkungan adalah wilayah bumi yang ditempati oleh organisme hidup. Kehidupan seperti yang kita ketahui membutuhkan air cair. Sejauh ini, biosfer hanya dikenal di Bumi. Biosfer bumi meliputi permukaan tanah, lautan, dan air permukaan (termasuk dasar laut di bagian terdalam cekungan laut). Kehidupan ditemukan di atmosfer yang lebih rendah (mengingat burung, serangga terbang, dan serbuk sari dan mikroba yang tertiup angin), dan jauh di bawah tanah, seperti di gua-gua, dan bahkan lebih dalam di mana mikroba telah ditemukan di air tanah dan di ruang berpori di antara butiran mineral padat. batuan jauh di bawah permukaan. Mikroba dapat mentolerir suhu yang hampir mendidih dan kondisi asam yang ekstrim dari mata air panas dan kolam termal di Taman Nasional Yellowstone dan pengaturan hidrotermal lainnya di seluruh dunia. Mikroba ditemukan mengkonsumsi dan menurunkan cadangan minyak di reservoir minyak bumi jauh di bawah tanah. Salah satu tujuan yang paling dicari dalam eksplorasi ruang angkasa adalah menemukan bukti biosfer di planet dan bulan lain.


EarthComm Earth's Fluid Spheres: Cryosphere dan Alur Cerita Komunitas Anda

Di bawah ini adalah alur cerita yang dirancang oleh Cheryl Mosier, seorang Guru Ilmu Bumi di Columbine High School di Littleton, Colorado.

  1. Bola cair dalam sistem Bumi termasuk hidrosfer, atmosfer, dan kriosfer, yang berinteraksi dan mengalir untuk menghasilkan cuaca, iklim, gletser, bentang laut, dan sumber daya air yang selalu berubah. Ini mempengaruhi komunitas manusia, membentuk tanah, mentransfer material dan energi Bumi, dan mengubah lingkungan dan ekosistem permukaan.
  1. Bahaya alam yang terkait dengan proses dan peristiwa Bumi termasuk kekeringan, banjir, badai, aktivitas gunung berapi, gempa bumi dan perubahan iklim. Mereka menimbulkan risiko bagi manusia, properti dan komunitas mereka. Ilmu bumi digunakan untuk mempelajari, memprediksi, dan mengurangi bahaya alam sehingga kita dapat menilai risiko, merencanakan dengan bijak, dan menyesuaikan diri dengan efek bahaya alam.

Kegiatan 1 – Es adalah Bahan yang Tidak Biasa

Kegiatan 2 – Bagaimana Gletser Menanggapi Perubahan Iklim

Kegiatan 3 – Bagaimana Gletser Mempengaruhi Permukaan Laut?

Kegiatan 4 – Bagaimana Naik dan Turunnya Permukaan Laut Memodifikasi Lanskap

Aktivitas 5 – Bagaimana Gletser Memodifikasi Lanskap

Kegiatan 6 – Bencana Banjir dari Danau Glasial

Aktivitas 7 – Es Nonglasial di Permukaan Bumi

Bukti Kunci Dipelajari

- grafik kurva pemanasan untuk es

- Bandingkan kepadatan es dan air

- ikatan hidrogen menjelaskan beberapa sifat unik air

- model matematika gletser

- bagaimana gletser merespons perubahan iklim

- perkiraan, dengan peta, berapa banyak es di Pleistosen dan permukaan laut pada saat itu

- memperkirakan volume es di Greenland dan Antartika dan menghitung berapa banyak permukaan laut akan naik

- menentukan bagaimana perubahan permukaan laut akan berdampak pada CO

- menggambarkan fitur garis pantai selama permukaan laut tinggi dan permukaan laut rendah

- erosi dan pengendapan gletser

- efek dari kegagalan bendungan es dan bencana banjir

- bagaimana bencana banjir mengubah lanskap

- beberapa proses geologi berlangsung cepat

- stabilitas struktur di permafrost

- masalah permafrost manusia

- lingkaran umpan balik positif antara es laut dan iklim

- bagaimana tekanan mempengaruhi salju

- mekanisme bagaimana gletser terbentuk dan bergerak

- mekanisme pencairan pasca-glasial dan dampaknya terhadap permukaan laut

- bagaimana perubahan permukaan laut berdampak pada sejarah manusia

- pergerakan gletser dapat mengubah pola aliran sungai

- Bentang alam CO terkait dengan gletser

- dampak pada CO dari bencana banjir di masa lalu/masa depan

- implikasi es laut, gunung es, dan es di sistem Bumi

- pemahaman tentang bagaimana kriosfer dibuat

- pemahaman tentang kriosfer

- bagaimana kriosfer dipengaruhi oleh iklim

- hubungan antara kriosfer dan hidrosfer

- perubahan permukaan laut dan dampaknya pada bidang lain

- bagaimana gletser mengubah geosfer

- perubahan geosfer karena kriosfer

- interaksi antara kriosfer dan hidrosfer dan atmosfer

Kehidupan Nyata dan Tantangan Bab

- pemahaman tentang es dan bagaimana ia terbentuk

- bagaimana gletser terbentuk dan bereaksi terhadap perubahan iklim

- bagaimana perubahan permukaan laut akan berdampak pada CO

- sejarah manusia dan perubahan permukaan laut

- Lanskap CO yang terkait dengan gletser

- dampak lokal dari bencana banjir

- perubahan lokal karena pencairan permafrost

- di mana permafrost dalam CO

- perubahan di sepanjang garis pantai selama permukaan laut tinggi/rendah

- erosi dan pengendapan dari gletser

- perubahan lanskap karena bencana banjir

- lokasi permafrost dan bagaimana tanah berubah sepanjang tahun

Hidrosfer

- perubahan permukaan laut karena volume es

- bagaimana pola aliran berubah

- jumlah air di udara karena gletser yang mencair

- perubahan iklim karena perubahan es laut

- bagaimana gletser merespons perubahan iklim

- bagaimana gletser terbentuk dan bergerak

- erosi dan pengendapan gletser

- bencana banjir dan penyebabnya

- perubahan es laut dan gunung es dan dampaknya terhadap manusia dan bidang lainnya


Edisi Khusus ini, &ldquoCryosphere&rdquo, dari Geosains bertujuan untuk menyajikan keragaman di lapangan dan penelitian mutakhir tentang gletser, lapisan es, permafrost, es laut, dan lapisan salju. Ini juga berusaha untuk menampilkan berbagai studi regional dan pendekatan metodologis seperti eksperimen laboratorium, pengukuran dan pengamatan lapangan, pemodelan numerik, dan penginderaan jauh. Kontribusi pada interaksi antara kriosfer dan elemen lain dari geosistem (atmosfer, biosfer, hidrosfer, dan litosfer) sangat menarik, seperti aspek terapan yang terkait dengan kriosfer, misalnya, bahaya alam, tenaga air, sumber daya air, dan buatan. glasiasi. Terakhir, namun tidak kalah pentingnya, Edisi Khusus memungkinkan untuk memperluas imajinasi kita di luar Bumi, dan menyambut wawasan baru ke dalam kriosfer planet lain.

Prof. Dr. Ulrich Kamp
Editor Tamu

Informasi Pengiriman Naskah

Naskah harus diserahkan secara online di www.mdpi.com dengan mendaftar dan masuk ke situs web ini. Setelah Anda terdaftar, klik di sini untuk pergi ke formulir pengiriman. Naskah dapat diserahkan sampai batas waktu yang ditentukan. Semua makalah akan ditinjau oleh rekan sejawat. Makalah yang diterima akan diterbitkan terus menerus di jurnal (segera setelah diterima) dan akan terdaftar bersama di situs web edisi khusus. Artikel penelitian, artikel ulasan, serta komunikasi singkat diundang. Untuk makalah yang direncanakan, judul dan abstrak pendek (sekitar 100 kata) dapat dikirim ke Kantor Redaksi untuk diumumkan di website ini.

Naskah yang dikirimkan tidak boleh diterbitkan sebelumnya, atau sedang dipertimbangkan untuk diterbitkan di tempat lain (kecuali makalah prosiding konferensi). Semua manuskrip secara menyeluruh direferensikan melalui proses peer-review buta tunggal. Panduan untuk penulis dan informasi relevan lainnya untuk pengiriman naskah tersedia di halaman Petunjuk untuk Penulis. Geosains adalah jurnal bulanan akses terbuka peer-review internasional yang diterbitkan oleh MDPI.

Silakan kunjungi halaman Petunjuk untuk Penulis sebelum mengirimkan naskah. Biaya Pemrosesan Artikel (APC) untuk publikasi di jurnal akses terbuka ini adalah 1500 CHF (Swiss Franc). Makalah yang dikirimkan harus diformat dengan baik dan menggunakan bahasa Inggris yang baik. Penulis dapat menggunakan layanan pengeditan bahasa Inggris MDPI sebelum publikasi atau selama revisi penulis.


Geosains

Di dalam Departemen, penelitian geosains berfokus pada proses fisik, kimia, dan biologis yang bertemu di dekat permukaan bumi. Pekerjaan yang bervariasi ini menghubungkan Bumi yang padat dengan hidrosfer, kriosfer, atmosfer, dan biosfer. Bidang penelitian aktif kami meliputi: geomorfologi, dari pegunungan dan pantai hingga bentang laut dan permukaan planet, dinamika dan endapan gletser, sungai, lingkungan pesisir dan laut, dampak regional dan global perubahan iklim, Sejarah bumi, dari pembentukan hingga geokimia isotop dan suhu rendah saat ini. dan geokimia organik dan biogeokimia. Pengajaran dan bimbingan kami mempersiapkan siswa dan rekan pascadoktoral untuk berkarir dalam penelitian fundamental, pemerintah, pendidikan, konsultasi dan hukum lingkungan, perencanaan masyarakat, manajemen sumber daya, dan disiplin ilmu lain yang mengandalkan pemahaman kuantitatif dan ketat tentang lingkungan Bumi.

Biogeosciences

Biogeoscience adalah pendekatan sistem untuk memecahkan masalah lingkungan yang kompleks. Para peneliti dapat lebih memahami ekosistem dengan mempelajari proses interdisipliner seperti siklus nutrisi, dinamika populasi ekologis, geokimia isotop, hidrologi DAS dan banyak lainnya. Topik penelitian saat ini meliputi pengaruh karbon terestrial pada ekosistem danau, merkuri dan dinamika karbon di sungai, fluks nitrogen di daerah aliran sungai dengan relief rendah, pemulihan dari pengendapan asam di sungai pegunungan, anggaran nitrogen pada pertanian permakultur, dan indikator peringatan dini perubahan rezim ekosistem. Lokasi lapangan termasuk Taman Nasional Shenandoah (SWAS-VTSS), Pusat Penelitian Lingkungan Universitas Notre Dame, Pace Estate, dan Timbercreek Organics.

Sistem Pesisir

Penelitian tentang sistem pesisir di departemen mencakup berbagai disiplin ilmu dan lingkungan. Sistem yang dipelajari meliputi padang lamun, terumbu karang, hutan bakau, rawa asin dan pulau penghalang. Kelompok penelitian kami yang beragam mempelajari ekologi, hidrologi, dan geomorfologi dari berbagai sistem ini. Fokus penelitian saat ini meliputi genetika tanaman, penyimpanan karbon, kenaikan permukaan laut, rezim aliran, akuakultur, produksi dan metabolisme primer, spesies invasif dan banyak lagi. Penelitian ini dilakukan di banyak lokasi, termasuk Pantai Timur Virginia, Florida dan Karibia, Israel, Panama, Hawaii, dan Meksiko.

Geomorfologi dan Sedimentologi

Geomorfologi adalah studi tentang bagaimana lanskap planet berubah melalui waktu sebagai respons terhadap proses fisik, kimia, dan biologis. Para peneliti di departemen ini mempelajari lanskap dalam berbagai skala, mulai dari transportasi sedimen skala partikel hingga evolusi global permukaan planet, menggunakan berbagai metode termasuk pemodelan komputasi, studi lapangan, dan pekerjaan eksperimental. Contoh proyek penelitian baru-baru ini termasuk menyelidiki efek banjir dan aliran puing-puing pada saluran sungai yang mengukur tingkat erosi sedimen dan pengendapan di lahan basah pesisir yang membatasi modifikasi fluvial di permukaan Mars untuk menilai potensi planet untuk layak huni dan menggunakan pemodelan komputasi untuk memahami evolusi lanskap di bulan-bulan es di Jupiter, Saturnus, dan planet-planet raksasa lainnya.


3.4: Hidrosfer, Kriosfer, dan Biosfer - Geosains

Bab ini dibagi menjadi tiga bagian: (1) pengamatan hidrologi yang diperlukan untuk memahami dampak perubahan iklim terhadap umpan balik rezim hidrologi terhadap iklim (2) pengamatan hidrologi yang diperlukan untuk GCM dan (3) pengamatan hidrologi yang diperlukan untuk pemodelan biosfer. Tiga bagian pertama tidak dimaksudkan untuk saling eksklusif dan pembaca akan melihat banyak variabel diulang di ketiga bagian. Ketiga bagian ini mengarah pada pemilihan set minimum variabel yang akan dimasukkan dalam Sistem Operasional Awal (IOS). Pembaca dirujuk ke Lampiran I untuk rincian tentang setiap variabel, termasuk alasan, dan resolusi temporal dan spasial yang diperlukan.

3.2 Memahami Dampak Iklim pada Rezim Hidrologis dan Umpan Balik terhadap Iklim

Siklus hidrologi adalah intrinsik dengan sistem iklim bumi. Proses dimana air, dalam semua fasenya, bergerak melalui atmosfer, dan bergerak ke dan dari berbagai tempat penyimpanan di permukaan bumi saling terkait dengan yang mengatur anggaran energi bumi (Brutsaert, 1984). Namun, proses tersebut tidak cukup dipahami dan merupakan subjek penelitian saat ini, misalnya, dalam berbagai kegiatan Eksperimen Siklus Energi dan Air Global (GEWEX). Kuantitas dan kualitas air mempengaruhi masyarakat manusia, baik secara langsung maupun tidak langsung melalui kontrolnya terhadap fungsi biosfer. Ketersediaan air merupakan faktor pengendali utama dalam distribusi dan kelimpahan vegetasi dan produktivitas biologis.

Salah satu konsekuensi paling signifikan dari perubahan iklim akan menjadi pergeseran geografis rezim hidrologi regional, dan perubahan terkait dalam ketersediaan sumber daya air yang merupakan faktor penting dalam perencanaan pembangunan ekonomi dan berkelanjutan. Pada gilirannya, perubahan siklus hidrologi akan menciptakan umpan balik terhadap sistem iklim global. Kemampuan kita untuk mengkarakterisasi keadaan siklus hidrologi saat ini, secara global dan regional, dan untuk membuat prediksi kuantitatif tentang sifat perubahan potensial bergantung pada informasi yang konsisten dan berkualitas dengan cakupan spasial dan temporal yang memadai. Kumpulan data hidrologi seperti itu saat ini kurang untuk banyak wilayah di Bumi.

Ketersediaan air yang memadai dengan kualitas yang sesuai merupakan faktor utama dalam perencanaan pembangunan berkelanjutan. Akibatnya, penelitian yang memberikan bukti bahwa kualitas dan kuantitas air dapat dikurangi oleh perubahan iklim menimbulkan keprihatinan sosial yang valid (Revelle dan Wagoner, 1983). Memperoleh pemahaman dan pengetahuan tentang anggaran air dan energi merupakan langkah pertama yang penting dalam mendeteksi, menilai, dan memprediksi perubahan iklim global. Tidak seperti data yang berkaitan dengan pancaran atau rezim termal permukaan seperti albedo dan suhu permukaan yang cukup mudah diperoleh dari satelit, banyak pengamatan yang berkaitan dengan siklus hidrologi memerlukan pengukuran in situ. Lebih lanjut, banyak data hidrologi dikumpulkan secara lokal dan/atau nasional dan tidak dibagikan secara memadai secara internasional.

Untuk memahami interaksi antara iklim dan siklus hidrologi, perlu dipahami distribusi relatif serta fluks air di antara berbagai repositorinya, serta komposisi dasar neraca air atmosfer dan terestrial (Rhodes, et al., 1994). Perkiraan distribusi air yang tersedia adalah sebagai berikut. Sekitar 97,3% dari persediaan air bumi ada di lautan. Sebagian besar air tawar ditangkap di lapisan es, lapisan es, dan gletser (2,05% dari total). Sisa 0,7% termasuk 0,68% sebagai air tanah, 0,01% di danau permukaan, kolam dan waduk buatan, 0,005% dicirikan sebagai "kelembaban tanah", 0,001% di atmosfer, 0,0001% di sungai dan sekitar 0,00004% terikat di biosfer (Berner dan Berner, 1987). Tingkat pertukaran dalam reservoir ini berkisar dari ribuan tahun untuk lautan dan lapisan es, hingga ratusan hingga ribuan tahun untuk air tanah, hingga bertahun-tahun untuk penimbunan permukaan, hingga berbulan-bulan untuk kelembaban tanah, dan berhari-hari untuk atmosfer, saluran sungai, dan reservoir biosfer. (Nance, 1971 L'Vovich, 1979). Adalah penting bahwa repositori terkecil dan paling cepat ditukar adalah yang paling penting bagi manusia dan berpotensi paling responsif terhadap perubahan iklim.

Sedangkan neraca uap air atmosfer regional dapat diringkas sebagai:

Hubungan mendasar untuk neraca air terestrial adalah:

P - E = R + D S GW + D S SM + D S SS + D S B

E mewakili evapotranspirasi

P mewakili curah hujan

Q mewakili air yang dapat diendapkan di kolom air

D mewakili divergensi horizontal (konvergensi), yaitu air yang diangkut keluar (ke) kolom air regional

R mewakili limpasan (aliran dalam saluran karena kontribusi atmosfer)

D S GW mewakili perubahan penyimpanan air tanah

D S SM mewakili perubahan penyimpanan kelembaban tanah

DS SS mewakili perubahan penyimpanan permukaan, seperti danau, waduk dan lahan basah (secara teknis, DS SS juga dapat mencakup penyimpanan air dalam fase padatnya, seperti gletser atau massa salju musiman, tetapi ini akan diperlakukan di sini sebagai komponen dari kriosfer) dan

D S B mewakili perubahan air dalam penyimpanan biomassa.

Ada saling melengkapi antara fase atmosfer dan terestrial dari siklus hidrologi. Perlu dicatat bahwa untuk fase terestrial, neraca air global terkadang ditulis secara sederhana:

dengan mengasumsikan bahwa dalam jangka panjang, terdapat kondisi keseimbangan dan tidak ada perubahan bersih pada reservoir terestrial lainnya (Baumgartner dan Reichel, 1975 Korzun, 1978). Hubungan singkat ini menarik perhatian pada fakta bahwa debit, fenomena hidrologi pada dasarnya, dapat berfungsi sebagai fenomena yang terintegrasi, meringkas perilaku dua parameter yang sangat bervariasi (dalam ruang dan waktu), curah hujan dan evapotranspirasi. Namun, jika seseorang memungkinkan kemungkinan perubahan iklim daripada hanya variasi iklim jangka panjang, penggambaran neraca air yang disederhanakan ini tidak memadai untuk mempelajari keseimbangan hidrosfer.

Semua variabel persamaan neraca air terestrial dipengaruhi oleh, dan berfungsi sebagai, umpan balik ke sistem iklim, dan akibatnya harus dipantau jika penilaian variasi iklim selama beberapa interval akan dibuat. Namun, beberapa variabel seperti E, DS SM dan DSB sangat dinamis pada skala temporal pendek dan sangat bervariasi pada skala spasial kecil, sehingga pilihan langkah waktu atau agregat spasial yang akan dipantau ditentukan oleh dampak yang dipelajari. . Informasi tentang ketiga variabel hidrologi dan iklim yang sangat penting ini umumnya tidak tersedia pada basis agregat jangka panjang atau spasial yang besar. Sedangkan pengukuran E dan S SM sering ditemukan di DAS musiman atau studi pertanian regional, informasi mengenai S B umumnya jarang dan hanya perkiraan. Ketiga variabel ini harus dianggap sebagai peningkatan potensial dalam program pemantauan regional atau global jangka panjang, meskipun saat ini tidak ada konsensus tentang bagaimana melakukan pengukuran atau bagaimana menggabungkan pengukuran setelah dibuat.

Karena nilai tukar atmosfernya yang cepat, curah hujan berpotensi menjadi indikator yang sangat sensitif terhadap variasi dan perubahan iklim. Ini adalah satu-satunya masukan dalam neraca air permukaan bumi (evapotranspirasi dan limpasan merupakan kerugian utama). Selain itu, ia memainkan peran penting dalam siklus energi atmosfer karena pelepasan panas laten yang terkait dengan kondensasi uap air. Penilaian IPCC tahun 1990 mencatat bahwa curah hujan tampaknya meningkat di luar daerah tropis, dengan kecenderungan menurun di sub-tropis. Namun, sifat curah hujan yang sangat bervariasi dan tidak memadainya jaringan curah hujan global membuat sulit saat ini untuk mengkarakterisasi tren jangka panjang.

Evapotranspirasi adalah proses dimana air dikembalikan ke atmosfer. Di atas permukaan tanah, sulit untuk membedakan kontribusi yang diperoleh dari proses penguapan murni fisik dan yang disebabkan oleh transpirasi oleh tanaman hidup, maka istilah evapotranspirasi yang menggabungkan kontribusi dari kedua sumber. Karena sifat spasial dan temporalnya yang sangat bervariasi, evapotranspirasi merupakan parameter yang sulit diukur (Oliver, 1983). Metode pengukuran berkisar dari penggunaan panci evaporasi dan lysimeter, hingga perkiraan anggaran massal berdasarkan neraca air regional terestrial, hingga perhitungan berdasarkan derivasi anggaran energi (Brutsaert, 1984 Shuttleworth, 1993), hingga pengukuran fluks di atas kanopi (Baldocchi, et al., 1988). Meskipun kumpulan data evaporasi telah dipublikasikan di masa lalu (misalnya, Farnsworth dan Thompson, 1982) dan terlepas dari minat internasional baru-baru ini dalam pengukuran evapotranspirasi, termasuk metode berbasis penginderaan jauh, (misalnya, Brutsaert, et al., 1988) , tidak ada satu metode pengukuran atau agregasi yang saat ini disepakati untuk studi regional atau global.

Keseimbangan bersih antara curah hujan dan penguapan tercermin dalam limpasan dan perubahan nilai penyimpanan. Karena aliran sungai merupakan fenomena yang terintegrasi, mungkin dalam beberapa kasus tertentu memberikan sinyal peringatan dini perubahan iklim yang diperkuat. Dengan demikian, tujuan deteksi perubahan iklim perlu menekankan sungai-sungai besar yang mengaliri daerah-daerah kontinental utama dan deret waktu yang lama, lebih disukai pada skala sub-tahunan yang cukup untuk mempelajari variasi musiman. Hal ini juga menekankan perlunya data dari daerah aliran sungai yang lebih kecil tetapi hampir murni karena kesulitan dalam memisahkan perubahan yang disebabkan oleh iklim dari perubahan lain yang terjadi secara bersamaan karena perkembangan penggunaan lahan dan air (Slack dan Landwehr, 1992).

Salah satu istilah kunci dalam neraca air cair global yang umumnya belum diperhitungkan adalah kontribusi air tanah terhadap lautan di dunia, baik secara langsung pada antarmuka darat-laut maupun tidak langsung, akibat penambangan antropogenik air tanah dari akuifer dengan isi ulang. Memang, telah disarankan bahwa kontribusi air tanah ke lautan dunia selama abad terakhir telah menjadi faktor signifikan dalam kenaikan permukaan laut (Sahagian, et al., 1994), setidaknya sebesar yang dikaitkan dengan pencairan gunung. gletser.

Kelembaban tanah merupakan variabel penting tidak hanya dalam studi teoritis keseimbangan air global (Milly, 1994) dan siklus biogeokimia global (Raich, et al., 1991 Rastetter, et al., 1991) tetapi juga dalam analisis/studi yang berkaitan dengan perdagangan dan pertanian (Sonka, et al., 1992). Hal ini terkait erat dengan tingkat evapotranspirasi dan, seperti evapotranspirasi, sangat bervariasi secara temporal dan spasial. Beberapa kemajuan telah dibuat dalam studi untuk mengembangkan metode penginderaan jauh untuk mengukur kelembaban tanah, tetapi set data kelembaban tanah umumnya hanya tersedia untuk studi spasial dan temporal terbatas.

Tingkat dan luas danau dan waduk besar dapat menjadi indikator perubahan iklim yang berguna. Mereka memiliki kecenderungan untuk menyaring variabilitas jangka pendek dan menanggapi perubahan jangka panjang dalam siklus hidrologi. Waduk buatan manusia dapat dibangun untuk mengurangi dampak iklim ekstrim pada masyarakat (Thomas, 1959). Pertumbuhan jumlah waduk dan penggabungan danau alam mungkin memiliki efek peredam pada kenaikan permukaan laut (Newman dan Fairbridge, 1986). Baru-baru ini, telah disarankan bahwa secara global, permukaan reservoir dapat berfungsi sebagai sumber atau penyerap dua gas rumah kaca, karbon dioksida dan metana (Kelly, et al, 1994). Oleh karena itu, beberapa perhitungan harus dibuat dari fluktuasi temporal genangan air permukaan, terutama di daerah yang tertutup secara hidrologis. Penginderaan jauh mampu memberikan informasi tentang daerah yang tergenang pada resolusi spasial yang sesuai tetapi pengamatan di tempat diperlukan untuk membantu masalah-masalah seperti membedakan perairan terbuka dari lahan basah dari berbagai jenis, memperkirakan volume air yang terlibat, dan melacak kejadian musiman.

Penyimpanan air biomassa adalah parameter konseptual untuk mempelajari dampak perubahan iklim dan diperlukan untuk menutup neraca air regional dan global, meskipun hanya sebagian kecil dari neraca air global. Meskipun praktis tidak mungkin untuk mengukur secara langsung, dapat diperkirakan melalui persamaan neraca air. Hal ini terkait erat dengan pertanyaan tentang tutupan lahan dan dinamika vegetasi di suatu wilayah, dan perkiraan perkiraan juga dapat diperoleh dari pengetahuan tentang biomassa, indeks luas daun, atau kehijauan (Tucker, et al., 1985). Variabel ini disebutkan demi kelengkapan saja, tidak diusulkan untuk mengukur variabel ini saat ini karena kesulitan pengukuran yang terlibat.

Sungai adalah sarana utama transportasi nutrisi seperti karbon, nitrogen dan fosfor dari darat ke laut dan memainkan peran penting dalam siklus belerang juga. Beban sedimen dapat mempengaruhi proses laut yang signifikan secara iklim, tetapi juga menunjukkan perubahan terestrial. Kekhawatiran yang berkaitan dengan kuantifikasi efek polutan dan hilangnya keanekaragaman hayati, apakah secara langsung mencerminkan perubahan iklim atau tidak, menjadikan sedimen sebagai variabel yang signifikan. Dengan demikian, faktor tambahan - pergerakan sedimen dan zat biogeokimia yang menyertai seperti nutrisi, karbon dan logam berat, yang diangkut dari darat melalui sungai untuk diukur di muara sungai besar - telah ditambahkan ke daftar variabel yang disarankan untuk pengamatan dua alasan: variabel ini relevan baik untuk neraca air dan pertanyaan ekologi wilayah pesisir, dan merupakan variabel integrasi yang terkait dengan kondisi iklim.

3.3 Variabel Hidrologi Diperlukan untuk GCM

Perbedaan harus ditarik antara model prediksi cuaca numerik (NWP) dan GCM. Model NWP memprediksi keadaan atmosfer masa depan pada skala waktu singkat (jam ke hari), berdasarkan serangkaian kondisi awal. Kondisi awal untuk model berjalan berasal dari bidang parameter yang menggabungkan data pengamatan yang berasimilasi pada waktu awal. Validasi dilakukan dengan membandingkan prediksi model keadaan atmosfer pada waktu akhir dengan pengamatan.

GCM, di sisi lain, mensimulasikan evolusi atmosfer dalam skala waktu yang lebih lama, bertahun-tahun hingga beberapa dekade. Karena atmosfer adalah sistem yang kacau, prediksi keadaan atmosfer sesaat di masa depan yang sebenarnya tidak dapat dibuat dengan keyakinan apa pun selama periode yang lebih lama dari beberapa hari. Validasi dilakukan dengan membandingkan bidang keluaran model dengan rata-rata beberapa tahun bidang yang diamati (biasanya diringkas sebagai rata-rata bulanan). Ini harus disediakan pada grid global, pada resolusi yang sama dengan atau lebih besar dari model grid. Saat ini, ini umumnya cukup kasar untuk GCM di horizontal namun, untuk memenuhi kebutuhan masa depan seperti pemodelan skala regional, data observasi mungkin akan diperlukan dalam dekade pada skala beberapa (5-50) km. .

Fitur skala besar dari atmosfer bebas dapat divalidasi menggunakan keluaran model NWP yang diperoleh dengan asimilasi data empat dimensi dari variabel yang diamati. Namun, bidang berasimilasi terestrial dan dekat permukaan (fluks permukaan, kelembaban tanah, suhu udara layar, dll.) tidak berguna untuk validasi karena sangat dipengaruhi oleh parameterisasi model dari proses skala sub-grid yang belum terselesaikan dan oleh karena itu sangat model -bergantung. Oleh karena itu, validasi bidang permukaan yang dihasilkan model harus dilakukan berdasarkan data penginderaan jauh dan pengamatan permukaan. Meskipun banyak variabel berguna sebagai input atau untuk validasi model, variabel yang memiliki arti khusus untuk pemodelan tercantum di bawah ini.

Curah hujan mendorong hidrologi permukaan tanah. Sayangnya, ini juga salah satu variabel yang paling sulit untuk diukur secara spasial komprehensif. Pada skala waktu tahunan, simulasi debit yang benar bersama dengan curah hujan, memberikan validasi tidak langsung dari model laju evapotranspirasi permukaan. Pengumpulan data debit juga menghadirkan lebih sedikit masalah daripada evapotranspirasi, yang sulit diukur dan sangat bervariasi secara spasial. Untuk melengkapi database yang ada, bagaimanapun, ada persyaratan untuk perkiraan limpasan yang akurat oleh daerah aliran sungai utama. Langkah-langkah penting adalah penyediaan peta digital global batas-batas cekungan untuk daerah tangkapan yang dipantau dan serangkaian koreksi terhadap data debit mentah, yang menggambarkan jumlah air yang dikeluarkan dari sungai untuk penggunaan manusia (irigasi, pasokan air kota, dll. .).

Pengumpulan data tingkat salju yang sedang berlangsung menggunakan citra satelit yang terlihat memberikan data validasi orde pertama yang berguna untuk pemodelan salju di GCM. Namun, variabel yang dimodelkan sebenarnya adalah setara air salju. Validasi ketat dari kinerja GCM berkaitan dengan simulasi salju memerlukan pengembangan database jangka panjang yang setara dengan air salju.

Simulasi iklim, kecuali multi-dekade, dapat sangat sensitif terhadap kelembaban tanah awal, terutama untuk tanah yang dalam. Oleh karena itu, upaya berkelanjutan untuk menghasilkan klimatologi kelembaban tanah global menjadi penting, terlepas dari masalah heterogenitas spasial. Item ini diberikan prioritas rendah saat ini, bukan karena tidak penting, tetapi karena kesulitan berat yang terkait dengan pengukurannya. Alternatif untuk pengamatan langsung mungkin melibatkan pemodelan kelembaban tanah secara berkelanjutan, menggunakan database tanah berkualitas tinggi, pengamatan meteorologi yang diperbarui (misalnya, dari WWW) dan batasan berdasarkan catatan aliran sungai.

Untuk memungkinkan pemodelan fluks permukaan yang realistis, karakteristik permukaan tanah harus ditentukan sedemikian rupa untuk mencerminkan seakurat mungkin kondisi ambien. Oleh karena itu diperlukan informasi tentang tutupan lahan, karakteristik vegetasi, luas badan air dan lahan basah, dan parameter tanah.

3.4 Variabel Hidrologi Diperlukan untuk Model Biosfer

Karena sistem biologis terkait erat dengan air, sebagian besar model ekologi yang terkait dengan perubahan iklim memerlukan data hidrologi masukan atau keluaran dari model hidrologi. Model yang dijelaskan di bawah ini dimaksudkan untuk menunjukkan jenis data hidrologi yang diperlukan oleh model biologis ini. Diskusi yang lebih rinci tentang model biologis itu sendiri terkandung dalam Bab 2.

Perubahan iklim mungkin memiliki dampak yang signifikan pada aliran sungai dan sumber daya air (Kaczmarek, et al., 1996, Arnell 1996), dan ini pada gilirannya mengontrol proses biologis. Prioritas biosfer global untuk data hidrologi agak berbeda dari yang didefinisikan oleh ahli hidrologi. Misalnya, model-model biosfer membutuhkan perkiraan limpasan grid area, bukan data dari muara sungai. Juga karbon sungai dan transportasi nutrisi dari permukaan tanah dibutuhkan oleh ahli ekologi global. Data biogeokimia tidak umum diambil di stasiun hidrologi standar. Model biologis juga membutuhkan data curah hujan dan limpasan grid spasial yang didefinisikan secara akurat.

Sementara model biologis membutuhkan kelembaban tanah hingga kedalaman 1-2 meter, pengetahuan tentang kebasahan permukaan dapat berguna. Partisi energi permukaan bereaksi paling cepat terhadap kebasahan permukaan (berlawanan dengan profil tanah). Juga, dekomposisi nutrisi, fluks gas jejak dan perkecambahan biji adalah proses ekologi yang pemodelannya akan mendapat manfaat dari kebasahan permukaan jika tersedia pada frekuensi temporal yang tinggi. Pengamatan kebasahan permukaan diperlukan untuk berbagai tipe ekosistem meskipun tampaknya sensor yang dibawa oleh satelit tidak akan dapat mendeteksi kebasahan permukaan di bawah kanopi vegetasi yang tebal atau berbiomassa tinggi.

Sebagian besar model biologis yang dijelaskan di bawah ini dan dalam Bab 2 menghitung evapotranspirasi pada langkah harian hingga bulanan. Kemajuan teknologi terkini sekarang memungkinkan konsep jaringan fluks menara global untuk pengukuran terus menerus terhadap air dan fluks CO2. Meskipun hanya sejumlah situs yang saat ini dapat didukung oleh teknologi ini karena biaya yang terlibat, bahkan 10 situs pengukuran fluks uap air yang terdistribusi dengan baik akan sangat berharga untuk mengkalibrasi dan memvalidasi model biosfer global.

Kelembaban relatif adalah variabel penting lainnya dalam banyak model biogeokimia karena pentingnya tingkat asimilasi karbon. Derivasi data radiasi dan kelembaban dari curah hujan asli dan pengamatan suhu perlu dilakukan dengan logika dan algoritma yang konsisten. In several respects, the global four-dimensional data assimilation forecasting models are the best current methodology for ingesting daily observations, error checking, spatial extrapolation, and derivation of variables at the appropriate scales of resolution for use in biospheric models. The IGBP Biospheric Aspects of the Hydrological Cycle (BAHC) Project's Focus 4 (Weather Generator) is exploring these issues.

The importance of extreme but infrequent hydrological and meteorological events is critical to the ecosystem response. For example, minimum temperatures, particularly frost events, have profound control over vegetation. Major flooding events or particularly intense periods of precipitation are also important. It is crucial that derived and archived data must not be aggregated if such aggregation results in removing extreme events from the record.

Numerous applications of hydrologic models, based on empirical relationships between measured temperature/precipitation and catchment runoff, have been used to evaluate climate impacts on stream flow. Revelle and Waggoner (1983) used an empirical model to evaluate discharge from several catchments in Arizona, USA, and found that a 2K air temperature increase with a 10% decrease in precipitation would result in a 40% reduction of catchment runoff. Lettenmaier and Sheer (1991) used a conceptual hydro-logic model to evaluate climate change effects on stream flow in several California, USA, watersheds and found that snow melt would occur much earlier and that the shape of the annual hydrograph would be altered, increasing the chance of winter flooding and reducing spring and summer stream flow.

The models used in such analyses are based on a description of physical processes, and are calibrated to historical data. They do not account for, or predict, the distribution of soil moisture, infiltration, evaporation or runoff over the basin. However, they may estimate evaporation as a function of temperature and available precipitation. This latter type of model is calibrated to the climatic conditions of the data record, and should not be extended to conditions outside the range of the calibration data.

The most appropriate modelling approach for climate change analysis is the water balance model (Gleick, 1987) because it can be used to account for the effects that variation in climate parameters may have on the hydrologic processes represented in the water balance equation. It thus allows assessing the sensitivity to climate variation of hydrologic processes such as infiltration, evaporation, snow melt, and runoff. The water balance approach also provides a flexible basis for model development because it accommodates varying degrees of complexity in the terms of the equation representing individual hydrologic processes, from simple empirical parameterizations to fully mechanistic representations. This allows the staged development of a model depending on application and available data.

The basic approach to water balance modelling was developed by Thornwaite (1948) to evaluate the importance of different hydrologic parameters under a variety of hydro-climatic conditions. Standard methods for calculating water balance developed during the past 50 years (Dunne and Leopold, 1978) have been applied generally to point data, or used in a limited way in catchment (Gleick, 1987) or zonal models (Beven and Kirkby, 1979 Hornberger, et al, 1985). Beven and Kirkby (1979) used a simple water balance approach in their development of a zonal model, which was improved by Beven, et al., (1984) for catchment scale simulations, and for a more detailed treatment of soil moisture by Famiglietti, et al., (1992). However, these models are limited to catchment scale, and do not include vegetation interaction in the water balance calculation.

Table 3.1 summarizes the minimum set of hydrological variables that are required to detect climate change, assess the impacts of climate change, predict seasonal to interannual climate and to simulate long-term climate changes.

Table 3.1 - Summary list of the key hydrological observations required for climate purposes. (Details on each variable are given in Annex I)


Using bottles to explore biological concepts is several decades old. Och and Brock (1975) first described a model terrarium enclosed in a glass bottle. Since that time, there have been numerous adaptations of the "bottle biology" idea. Evolving from the need to recycle plastic drink bottles, science educators have enticed teachers to explore decomposition, fermentation, food chains, and ecosystems using inexpensive and easily accessible materials (Wisconsin Fast Plants, 1991 Ingram, 1993 Jager, 1993 Taylor, et al., 1995). Despite the excellent diagrams and detailed explanations available in these publications, many earth science teachers may have thought of bottle biology as only biological in nature, overlooking the ability of these projects to engage students in earth science topics.

The students were so excited to build the columns and collect the data that they would run into the classroom to see how their columns were doing. Of course, the principal couldn't wait to show this project off to any visitors. The Although this project is reminiscent of those in other bottle biology publications, the Earth System Science Project serves to highlight earth science concepts and describe incorporation of the project into an earth science curriculum. In addition, instructions for project construction and handouts to guide students through a full laboratory write-up are presented.


EarthComm Earth's Fluid Spheres: Weather and Your Community Storylines

Below are storylines that were designed by Cheryl Mosier, an Earth Science Teacher at Columbine High School in Littleton, Colorado.

We also include the following in this chapter:

  • Weather Cyclers (map reading, weather forecasts)
  • Weather readings (storms, clouds, hurricanes, phenomenon)
  1. Fluid spheres within the Earth system include the hydrosphere, atmosphere, and cryosphere, which interacts and flow to produce ever-changing weather, climate, glaciers, seascapes, and water resources. These affect human communities, shape the land, transfer Earth materials and energy, and change surface environments and ecosystems.
  1. Natural hazards associated with Earth processes and events include drought, floods, storms, volcanic activity, earthquakes and climate change. They pose risks to humans, their property and communities. Earth science is used to study, predict, and mitigate natural hazards so that we can assess risks, plan wisely, and acclimate to the effects of natural hazards.

Activity 1 – What Conditions Create Thunderstorms?

Activity 2 – A Thunderstorm Matures

Activity 3 – Tracking Thunderstorm Movement through Radar


3.4: The Hydrosphere, Cryosphere and Biosphere - Geosciences

The intervention will present ESA's Earth Observation Programme and its contribution to Geoscience. ESA's Earth observation missions are mainly grouped into three categories: The Sentinel satellites in the context of the European Copernicus Programme, the scientific Earth Explorers and the meteorological missions. Developments, applications and scientific results for the different mission types will be addressed, along with overall trends and strategies. A special focus will be put on the Earth Explorers, who form the science and research element of ESA's Living Planet Programme and focus on the atmosphere, biosphere, hydrosphere, cryosphere and Earth's interior. In addition the operational Sentinel satellites have a huge potential for Geoscience. Earth Explorers' emphasis is also on learning more about the interactions between these components and the impact that human activity is having on natural Earth processes. The process of Earth Explorer mission selection has given the Earth science community an efficient tool for advancing the understanding of Earth as a system.


4 Different Spheres of the Earth

Lets take a look at these four spheres of the earth in bit more detail to understand how they help make up the earth.

Hydrosphere (Water)

The hydrosphere includes all the gaseous, liquid, and solid water of the planet earth. The hydrosphere stretches all the way from the Earth’s surface downward numerous miles into the lithosphere and high above the crust into the atmosphere. Most of the water in the atmosphere is in gaseous form and as it rises higher into the atmosphere it condenses to form clouds which fall back on earth as precipitation.

All the water in the hydrosphere is always in motion just like the atmospheric gases. The natural earth features depicting the hydrosphere are the rivers, streams, lakes, seas, oceans and the water vapor. Glaciers, which are the slowly moving masses of ice, are also part of the hydrosphere. 97% of all earth’s water is salty. Oceans carry most of the salty water while the majority of lakes and rivers carry fresh water. The earth’s temperature is highly influenced by the hydrosphere.

Very low temperatures are associated with icebergs, glaciers or icecaps low to moderate temperatures are associated with the common types of precipitation like snow, rain, drizzle, sleet or hails and high temperatures are tied to dry and hot conditions and evaporation. The glaciers, icebergs, and icecaps are also categorically called the cryosphere.

Biosphere (Living Things)

All the living things in the planet are categorized under the biosphere. In this view, the biosphere includes all of the animals, plants, and microorganisms of earth. Humans as well belong to this group. The entire ecological communities within the physical surrounding of the earth are within the umbrella of living things (biosphere). These ecological communities interact together with the physical aspects of the earth including the hydrosphere, lithosphere, and the atmosphere.

Collectively, these ecological communities are made reference to as biomes. Deserts, forests, grasslands, aquatic, tundra, and chaparral are the six main biomes that are present in the biosphere. The living things on earth interact with each other in various ways, which is well elaborated under the trophic levels of food chain – how energy is transferred in ecological systems.

Lithosphere (Land)

The lithosphere is made up of all the hard and solid land mass on the earth’s surface, the semi-solid rocks (molten materials) underneath the earth crust, and the liquid rocks in the inner core of the earth. The surface of the lithosphere is uneven as it is characterized by various landform features. Some of the landforms include mountains like the Mount Fuji in Japan and Mount Vesuvius in Italy, deep valleys within the mountain ranges, huge plains like the ones in Texas and Brazil, extensive plateaus like Bolivian plateau in South America and the Colorado plateau of the United States, and hills like the black hills.

The liquid, semi-solid, and solid land components of the lithosphere form layers that are chemically and physically different. This is why the lithosphere is further divided into sub-spheres namely the crust, the mantle, the outer core, and the inner core. The crust is made of loose soil and rocks. The mantle is made of dense rock made up of nickel and iron in the form of silicate rocks and its lower part is semi-solid (partially molten) rocks.

The outer core is made up of liquid (purely molten) rock materials. The inner core is the centre of the earth which is purely made of very hot and liquid iron and nickel. The rock materials are divided into three primary categories based on how they are formed namely igneous rocks, sedimentary rocks, and metamorphic rocks.

Atmosphere (Air)

All the air in the atmosphere makes up the atmosphere. The atmosphere is a mixture of nitrogen (about 78%), oxygen (about 21%), and other gasses (about 1%) such as carbon dioxide (0.039%), argon (0.93%) and the rest are trace gases (krypton, neon, helium , and xenon). The higher the atmosphere, the thinner it becomes and this trait gradually moves towards space. The atmosphere extends all the way from the earth’s crust to more than 6200 miles (10,000 kilometers) above the earth’s surface into space. The atmosphere is divided into several layers and amongst the layers is the stratosphere that contains the ozone layer which protects the organisms in the biosphere from the sun’s harmful radiation.

Other layers of the atmosphere include the troposphere, mesosphere, thermosphere, and the exosphere. These atmospheric layers exhibit different chemical compositions and temperatures, and the temperatures and chemical compositions widely vary within the different layers. The troposphere is where most of the weather happens and it becomes colder with altitude. The air is in constant motion around the planet and it is normally responsible for some natural events in the planet such as local breeze, winds, tornado, and tropical cyclones. The atmosphere is always in constant interaction with the hydrosphere, giving rise to the planets weather conditions.


This first special issue &ldquoCryosphere&rdquo of Geosciences (2017/2018) included thirteen papers that shed light on a diverse list of ice- and snow-related topics: alpine glaciers, glacial lakes, GLOFs, permafrost, sea ice, snow cover, ice cores, and cryosols. They present results and conclusions from the Alborz, Alpen, Altai, Tien Shan, and Himalaya mountains from the Arctic and Antarctica and from the tundra of Russia and the taiga of Finland. The second volume &ldquoCryosphere II&rdquo is a continuation of this reporting on our ever-changing cryosphere and has the same focus: it aims to present the diversity within the field and state-of-the-art research on glaciers, ice sheets, permafrost, sea ice, and snow cover. It also seeks to display a wide range of regional studies and methodological approaches such as laboratory experiments, field measurements and observations, numerical modeling, and remote sensing. Contributions on the interactions between the cryosphere and other elements of the geosystem (atmosphere, biosphere, hydrosphere, and lithosphere) are of particular interest, as are applied aspects related to the cryosphere, for example, natural hazards, hydropower, water resources, and artificial glaciation. Last, but not least, the Special Issue allows for stretching our imagination beyond Earth, and welcomes new insights into the cryospheres of other planets.

Prof. Ulrich Kamp
Editor Tamu

Informasi Pengiriman Naskah

Naskah harus diserahkan secara online di www.mdpi.com dengan mendaftar dan masuk ke situs web ini. Setelah Anda terdaftar, klik di sini untuk pergi ke formulir pengiriman. Naskah dapat diserahkan sampai batas waktu yang ditentukan. Semua makalah akan ditinjau oleh rekan sejawat. Makalah yang diterima akan diterbitkan terus menerus di jurnal (segera setelah diterima) dan akan terdaftar bersama di situs web edisi khusus. Artikel penelitian, artikel ulasan, serta komunikasi singkat diundang. Untuk makalah yang direncanakan, judul dan abstrak pendek (sekitar 100 kata) dapat dikirim ke Kantor Redaksi untuk diumumkan di website ini.

Naskah yang dikirimkan tidak boleh diterbitkan sebelumnya, atau sedang dipertimbangkan untuk diterbitkan di tempat lain (kecuali makalah prosiding konferensi). Semua manuskrip secara menyeluruh direferensikan melalui proses peer-review buta tunggal. Panduan untuk penulis dan informasi relevan lainnya untuk pengiriman naskah tersedia di halaman Petunjuk untuk Penulis. Geosciences is an international peer-reviewed open access monthly journal published by MDPI.

Silakan kunjungi halaman Petunjuk untuk Penulis sebelum mengirimkan naskah. The Article Processing Charge (APC) for publication in this open access journal is 1500 CHF (Swiss Francs). Makalah yang dikirimkan harus diformat dengan baik dan menggunakan bahasa Inggris yang baik. Penulis dapat menggunakan layanan pengeditan bahasa Inggris MDPI sebelum publikasi atau selama revisi penulis.


Tonton videonya: LAPISAN BUMI ATMOSFER, HIDROSFER, LITOSFER