02 September 2011


The Concept of the Ecosystem

"I bequeathe myself to the dirt, to grow from the grass I love;
If you want me again, look for me under your boot-soles."
- Walt Whitman
In this lesson, we will learn answers to the following questions:
  • What is an ecosystem, and how can we study one?
  • Is the earth an open or closed system with respect to energy and elements?
  • How do we define "biogeochemical cycles," and how are they important to ecosystems?
  • What are the major controls on ecosystem function?
  • What are the major factors responsible for the differences between ecosystems?

Introduction - What is an Ecosystem?

An ecosystem consists of the biological community that occurs in some locale, and the physical and chemical factors that make up its non-living or abiotic environment. There are many examples of ecosystems -- a pond, a forest, an estuary, a grassland. The boundaries are not fixed in any objective way, although sometimes they seem obvious, as with the shoreline of a small pond. Usually the boundaries of an ecosystem are chosen for practical reasons having to do with the goals of the particular study.The study of ecosystems mainly consists of the study of certain processes that link the living, or biotic, components to the non-living, or abiotic, components. Energy transformations andbiogeochemical cycling are the main processes that comprise the field of ecosystem ecology. As we learned earlier, ecology generally is defined as the interactions of organisms with one another and with the environment in which they occur. We can study ecology at the level of the individual, the population, the community, and the ecosystem.
Studies of individuals are concerned mostly about physiology, reproduction, development or behavior, and studies of populations usually focus on the habitat and resource needs of individual species, their group behaviors, population growth, and what limits their abundance or causes extinction. Studies of communities examine how populations of many species interact with one another, such as predators and their prey, or competitors that share common needs or resources.
In ecosystem ecology we put all of this together and, insofar as we can, we try to understand how the system operates as a whole. This means that, rather than worrying mainly about particular species, we try to focus on major functional aspects of the system. These functional aspects include such things as the amount of energy that is produced by photosynthesis, how energy or materials flow along the many steps in a food chain, or what controls the rate of decomposition of materials or the rate at which nutrients are recycled in the system.

Components of an Ecosystem

You are already familiar with the parts of an ecosystem. You have learned about climate and soils from past lectures. From this course and from general knowledge, you have a basic understanding of the diversity of plants and animals, and how plants and animals and microbes obtain water, nutrients, and food. We can clarify the parts of an ecosystem by listing them under the headings "abiotic" and "biotic".


SunlightPrimary producers
Water or moistureOmnivores
Soil or water chemistry (e.g., P, NH4+)Detritivores

All of these vary over space/time

By and large, this set of environmental factors is important almost everywhere, in all ecosystems.
Usually, biological communities include the "functional groupings" shown above. A functional group is a biological category composed of organisms that perform mostly the same kind of function in the system; for example, all the photosynthetic plants or primary producers form a functional group. Membership in the functional group does not depend very much on who the actual players (species) happen to be, only on what function they perform in the ecosystem.

Processes of Ecosystems

This figure with the plants, zebra, lion, and so forth illustrates the two main ideas about how ecosystems function: ecosystems have energy flows and ecosystems cycle materials. These two processes are linked, but they are not quite the same (see Figure 1).

Figure 1. Energy flows and material cycles.
Energy enters the biological system as light energy, or photons, is transformed into chemical energy in organic molecules by cellular processes including photosynthesis and respiration, and ultimately is converted to heat energy. This energy is dissipated, meaning it is lost to the system as heat; once it is lost it cannot be recycled.  Without the continued input of solar energy, biological systems would quickly shut down. Thus the earth is an open system with respect to energy.
Elements such as carbon, nitrogen, or phosphorus enter living organisms in a variety of ways. Plants obtain elements from the surrounding atmosphere, water, or soils. Animals may also obtain elements directly from the physical environment, but usually they obtain these mainly as a consequence of consuming other organisms. These materials are transformed biochemically within the bodies of organisms, but sooner or later, due to excretion or decomposition, they are returned to an inorganic state. Often bacteria complete this process, through the process called decomposition or mineralization (see previous lecture on microbes).
During decomposition these materials are not destroyed or lost, so the earth is a closed systemwith respect to elements (with the exception of a meteorite entering the system now and then). The elements are cycled endlessly between their biotic and abiotic states within ecosystems. Those elements whose supply tends to limit biological activity are called nutrients.

The Transformation of Energy
The transformations of energy in an ecosystem begin first with the input of energy from the sun. Energy from the sun is captured by the process of photosynthesis. Carbon dioxide is combined with hydrogen (derived from the splitting of water molecules) to produce carbohydrates (CHO). Energy is stored in the high energy bonds of adenosine triphosphate, or ATP (see lecture on photosynthesis).
The prophet Isaah said "all flesh is grass", earning him the title of first ecologist, because virtually all energy available to organisms originates in plants. Because it is the first step in the production of energy for living things, it is called primary production (click here for a primer on photosynthesis)Herbivores obtain their energy by consuming plants or plant products,carnivores eat herbivores, and detritivores consume the droppings and carcasses of us all.

Figure 2 portrays a simple food chain, in which energy from the sun, captured by plant photosynthesis, flows fromtrophic level to trophic level via the food chain. A trophic level is composed of organisms that make a living in the same way, that is they are all primary producers (plants),primary consumers (herbivores) or secondary consumers (carnivores). Dead tissue and waste products are produced at all levels. Scavengers, detritivores, and decomposers collectively account for the use of all such "waste" -- consumers of carcasses and fallen leaves may be other animals, such as crows and beetles, but ultimately it is the microbes that finish the job of decomposition. Not surprisingly, the amount of primary production varies a great deal from place to place, due to differences in the amount of solar radiation and the availability of nutrients and water.
For reasons that we will explore more fully in subsequent lectures, energy transfer through the food chain is inefficient. This means that less energy is available at the herbivore level than at the primary producer level, less yet at the carnivore level, and so on. The result is a pyramid of energy, with important implications for understanding the quantity of life that can be supported.
Usually when we think of food chains we visualize green plants, herbivores, and so on. These are referred to asgrazer food chains, because living plants are directly consumed. In many circumstances the principal energy input is not green plants but dead organic matter. These are called detritus food chains. Examples include the forest floor or a woodland stream in a forested area, a salt marsh, and most obviously, the ocean floor in very deep areas where all sunlight is extinguished 1000's of meters above. In subsequent lectures we shall return to these important issues concerning energy flow.
 Finally, although we have been talking about food chains, in reality the organization of biological systems is much more complicated than can be represented by a simple "chain". There are many food links and chains in an ecosystem, and we refer to all of these linkages as a food web. Food webs can be very complicated, where it appears that "everything is connected to everything else", and it is important to understand what are the most important linkages in any particular food web.


How can we study which of these linkages in a food web are most important? One obvious way is to study the flow of energy or the cycling of elements. For example, the cycling of elements is controlled in part by organisms, which store or transform elements, and in part by the chemistry and geology of the natural world. The term Biogeochemistry is defined as the study of how living systems influence, and are controlled by, the geology and chemistry of the earth. Thus biogeochemistry encompasses many aspects of the abiotic and biotic world that we live in.There are several main principles and tools that biogeochemists use to study earth systems. Most of the major environmental problems that we face in our world toady can be analyzed using biogeochemical principles and tools. These problems include global warming, acid rain, environmental pollution, and increasing greenhouse gases. The principles and tools that we use can be broken down into 3 major components: element ratios, mass balance, and element cycling.
1. Element ratios
In biological systems, we refer to important elements as "conservative". These elements are often nutrients. By "conservative" we mean that an organism can change only slightly the amount of these elements in their tissues if they are to remain in good health. It is easiest to think of these conservative elements in relation to other important elements in the organism. For example, in healthy algae the elements C, N, P, and Fe have the following ratio, called theRedfield ratio after the oceanographer who discovered it:

C : N : P : Fe = 106 : 16 : 1 : 0.01
Once we know these ratios, we can compare them to the ratios that we measure in a sample of algae to determine if the algae are lacking in one of these limiting nutrients.

2. Mass Balance
Another important tool that biogeochemists use is a simple mass balance equation to describe the state of a system. The system could be a snake, a tree, a lake, or the entire globe. Using a mass balance approach we can determine whether the system is changing and how fast it is changing. The equation is:

In this equation the net change in the system from one time period to another is determined by what the inputs are, what the outputs are, and what the internal change in the system was. The example given in class is of the acidification of a lake, considering the inputs and outputs and internal change of acid in the lake.

3. Element Cycling
Element cycling describes where and how fast elements move in a system. There are two general classes of systems that we can analyze, as mentioned above: closed and open systems.
closed system refers to a system where the inputs and outputs are negligible compared to the internal changes. Examples of such systems would include a bottle, or our entire globe. There are two ways we can describe the cycling of materials within this closed system, either by looking at the rate of movement or at the pathways of movement.
  1. Rate = number of cycles / time * as rate increases, productivity increases
  2. Pathways-important because of different reactions that may occur
In an open system there are inputs and outputs as well as the internal cycling. Thus we can describe the rates of movement and the pathways, just as we did for the closed system, but we can also define a new concept called the residence time. The residence time indicates how long on average an element remains within the system before leaving the system.
  1. Rate
  2. Pathways
  3. Residence time, Rt
Rt = total amount of matter / output rate of matter(Note that the "units" in this calculation must cancel properly)
Controls on Ecosystem Function
Now that we have learned something about how ecosystems are put together and how materials and energy flow through ecosystems, we can better address the question of "what controls ecosystem function"? There are two dominant theories of the control of ecosystems. The first, called bottom-up control, states that it is the nutrient supply to the primary producers that ultimately controls how ecosystems function. If the nutrient supply is increased, the resulting increase in production of autotrophs is propagated through the food web and all of the other trophic levels will respond to the increased availability of food (energy and materials will cycle faster). 
The second theory, called top-down control, states that predation and grazing by higher trophic levels on lower trophic levels ultimately controls ecosystem function. For example, if you have an increase in predators, that increase will result in fewer grazers, and that decrease in grazers will result in turn in more primary producers because fewer of them are being eaten by the grazers. Thus the control of population numbers and overall productivity "cascades" from the top levels of the food chain down to the bottom trophic levels.
So, which theory is correct? Well, as is often the case when there is a clear dichotomy to choose from, the answer lies somewhere in the middle. There is evidence from many ecosystem studies that BOTH controls are operating to some degree, but that NEITHER control is complete. For example, the "top-down" effect is often very strong at trophic levels near to the top predators, but the control weakens as you move further down the food chain. Similarly, the "bottom-up" effect of adding nutrients usually stimulates primary production, but the stimulation of secondary production further up the food chain is less strong or is absent.
Thus we find that both of these controls are operating in any system at any time, and we must understand the relative importance of each control in order to help us to predict how an ecosystem will behave or change under different circumstances, such as in the face of a changing climate.

The Geography of Ecosystems

There are many different ecosystems: rain forests and tundra, coral reefs and ponds, grasslands and deserts. Climate differences from place to place largely determine the types of ecosystems we see. How terrestrial ecosystems appear to us is influenced mainly by the dominant vegetation.The word "biome" is used to describe a major vegetation type such as tropical rain forest, grassland, tundra, etc., extending over a large geographic area (Figure 3). It is never used for aquatic systems, such as ponds or coral reefs. It always refers to a vegetation category that is dominant over a very large geographic scale, and so is somewhat broader than an ecosystem.

Figure 3: The distribution of biomes.
We can draw upon previous lectures to remember that temperature and rainfall patterns for a region are distinctive. Every place on earth gets the same total number of hours of sunlight each year, but not the same amount of heat. The sun's rays strike low latitudes directly but high latitudes obliquely. This uneven distribution of heat sets up not just temperature differences, but global wind and ocean currents that in turn have a great deal to do with where rainfall occurs. Add in the cooling effects of elevation and the effects of land masses on temperature and rainfall, and we get a complicated global pattern of climate.
A schematic view of the earth shows that, complicated though climate may be, many aspects are predictable (Figure 4). High solar energy striking near the equator ensures nearly constant high temperatures and high rates of evaporation and plant transpiration. Warm air rises, cools, and sheds its moisture, creating just the conditions for a tropical rain forest. Contrast the stable temperature but varying rainfall of a site in Panama with the relatively constant precipitation but seasonally changing temperature of a site in New York State. Every location has a rainfall- temperature graph that is typical of a broader region.

Figure 4. Climate patterns affect biome distributions.
We can draw upon plant physiology to know that certain plants are distinctive of certain climates, creating the vegetation appearance that we call biomes. Note how well the distribution of biomes plots on the distribution of climates (Figure 5). Note also that some climates are impossible, at least on our planet. High precipitation is not possible at low temperatures -- there is not enough solar energy to power the water cycle, and most water is frozen and thus biologically unavailable throughout the year. The high tundra is as much a desert as is the Sahara.

Figure 5. The distribution of biomes related to temperature and precipitation.


  • Ecosystems are made up of abiotic (non-living, environmental) and biotic components, and these basic components are important to nearly all types of ecosystems.  Ecosystem Ecology looks at energy transformations and biogeochemical cycling within ecosystems.
  • Energy is continually input into an ecosystem in the form of light energy, and some energy is lost with each transfer to a higher trophic level. Nutrients, on the other hand, are recycled within an ecosystem, and their supply normally limits biological activity.  So, "energy flows, elements cycle".
  • Energy is moved through an ecosystem via a food web, which is made up of interlocking food chains. Energy is first captured by photosynthesis (primary production). The amount of primary production determines the amount of energy available to higher trophic levels.
  • The study of how chemical elements cycle through an ecosystem is termed biogeochemistry. A biogeochemical cycle can be expressed as a set of stores (pools) and transfers, and can be studied using the concepts of "stoichiometry", "mass balance", and "residence time".
  • Ecosystem function is controlled mainly by two processes, "top-down" and "bottom-up" controls.
  • A biome is a major vegetation type extending over a large area. Biome distributions are determined largely by temperature and precipitation patterns on the Earth's surface.

Review and Self Test

Suggested Readings:

  • Borman, F.H. and G.E. Likens. 1970. "The nutrient cycles of an ecosystem." Scientific American, October 1970, pp 92-101. 
  • Wessells, N.K. and J.L. Hopson. 1988. Biology. New York: Random House. Ch. 44.
All materials © the Regents of the University of Michigan unless noted otherwise.

19 Ogos 2011



Kepentingan kepada sistem bumi:
Suria merupakan punca tenaga utama bagi meneruskan kelangsungan proses dalam sistem bumi dan juga kelangsungan hidup manusia, haiwan serta tumbuhan. Peranan tenaga suria kepada sistem bumi meliputi aspek-aspek seperti yang berikut:

Kepentingan kepada sistem atmosfera.
Semua proses dan fenomena dalam atmosfera bermula dengan adanya tenaga haba. Tanpa tenaga haba, tindakan angin,hujan/kerpasan, ribut taufan, petir dan lain-lain lagi tidak akan berlaku.
Contohnya dalam proses kejadian hujan. Bermula dengan tenaga suria yang akan memanaskan permukaan air seperti laut dan sungai.

Tenaga haba yang mencukupi diperlukan untuk membolehkan wap-wap air tersejat ke udara.
Semakin tinggi wap-wap air naik ke udara, proses kondensasi akan berlaku yang menunjukkan tenaga haba dalam jisim udara tersebut semakin berkurangan atau suhu di dalamnya semakin rendah sehingga wap-wap air tadi tepu untuk turun sebagai hujan.

Begitu juga dengn angin, syarat yang membolehkan angin bertiup ialah mesti ada perbezan tekanan udara. Perbezaan tekanan udara ini wujud akibat perbezaan suhu tau tenaga di antara dua tempat.

Mengikut Hukum Boyle, apabila suhu tinggi maka tekanan udara menjadi rendah dan apabila suhu rendah maka tekanan udara menjadi tinggi.
Angin akan bertiup dri tekanan tinggi ke tekanan rendah. Semakin besar perbezaan tekanan ini maka angin akan berukar menjadi ribut, taufan, tornado dan sebagainya.

Kepentingan kepada sistem geomorfologi.
Untuk membolehkan semua proses geomorlogi seperti luluhawa,hakisan,pengangkutan,dan pemendapan berlaku mesti adanya tenaga haba dari sinar suria.
Tenaga ini akan bertukar kepada pelbagai bentuk khususnya tenaga potensi dan juga tenaga kinetik.
Kedua-dua tenaga ini menjadi penentu kepada kelangsungan proses-proses geomorfologi di muka bumi ini.

Dalam proses luluhawa fizikal tenaga suria(haba) diperlukan untuk meningkatkan dan menurunkan suhu mengikut perubahan siang dan malam.
Perubahan tenaga haba ini akan menyebabkan batuan menjadi leburpanas dan sejuk dan seterusnya tersepai. Begitu juga dengan luluhawa kimia, tenaga haba diperlukan untuk membolehkannya beroperasi.
Mengikut prinsip Vant Hoff “syarat mula luluhawa kimia bertindak ialah pada suhu 10℃ dan setiap kali suhu meningkat sebanyak 10℃ maka kadar tindak balas kimia batuan akan turut meningkat 2 atau 3 kali ganda.

Dalam proses hakisan pula, tenaga yang bertindak ialah tenaga kimia yang juga berasal daripada tenaga haba suria yang telah mengalami perubahan.

Semakin laju pergerakan air sama ada sungai,ombak, atau glasier maka tenaga kinetik yang terhasil adalah tinggi dan ini akan menyebabkan kadar hakisan juga menjadi tinggi.

Dalam kes hakisan glasier misalnya, kadar hakisan akan berganda pada musim panas kerana pada masa itu kuantiti glasier yang cair adalah banyak. Kecairan glasier hanya berlaku apabila mempunyai tenaga haba suria yang mencukupi.

Kepentingan kepada sistem hidrologi
Kitaran hidrologi biasanya dimulakan dengan proses sejatan permukaan dan juga sejat-peluhan tumbuhan serta tanih.

Mengikut RJ Chorley (1969) untuk memulakan sejatan di permukaan air laut, tasik dan sungai memerlukan sejumlah 600 kalori haba bagi setiap satu gram air pada suhu 100°c.
Begitu juga dengan proses sejat-peluh dari tumbuhan dan lembapan tanih.Tumbuhan memerlukan tenaga haba untuk melakukan proses transpirasi bagi membolehkan wap-wap air terbebas menerusi liang stomanya.

Semakin tinggi haba maka kadar transpirasi semakin meningkat.

Kepentingan kepada sistem ekologi.
Dalam konteks ekologi, kepentingan tenaga suria boleh dilihat dari 2 aspek iaitu kepentingannya kepada ekosistem dan juga kepentingannya kepada tumbesaran tumbuhan dalam ekosistem.
Ekosistem melibatkan rantaian makanan, untuk membolehkan bekalan tenaga suria yang cukup kepada tumbuhan yang bertindak sebagai pengeluar.
Tanpa tenaga suria tumbuhan tidak dapat melakukan proses fotosintesis untuk membuat makanannya.

Tenaga suria juga penting dalam tumbesaran hutan semula jadi.
Dengan adanya bekalan suhu dan hujan yang cukup ini maka pelbagai pokok kayu keras seperti cengal,seraya dan balau tumbuh dengan baik di samping tumbuhan menumpang dan melilit, spora serta paku pakis dan sebagainya.
Kepelbagaian jenis tumbuhan ini pula telah menjadi habitat pelbagai jenis fauna di dalam ekosistem hutan

Kepentingan tenaga suria kepada manusia.

1.Menjalankan aktiviti pertanian.Jumlah tenaga suria yang cukup dipelukan untuk membolehkan tanaman melakukan pelbagai jenis aktiviti.
2.Menjalankan aktiviti pelancongan.Sinar suria amat mempengaruhi nilai suhu setempat dan seterusnya nilai suhu yang berbeza akan mempengaruhi aktiviti pelancongan.
3.Menjalankan aktiviti perikanan.Tenaga suria amat penting dalam mempengaruhi suhu air dan arus laut.Ia akan mewujudkan habitat yang sesuai untuk hidupan.
4.Menjalankan aktiviti perindustrian.Amat penting bagi industri sederhana seperti aktiviti pengeringan,industri batik dan lain-lain.


Apakah El Niño?
Setiap tiga ke tujuh tahun, suatu arus laut yang panas menggantikan arus laut yang kebiasaannya sejuk di luar pantai barat Peru, Amerika Selatan. Fenomena lautan yang ini disebut sebagai El Niño. Pemanasan lautan ini didapati berlaku di kawasan yang lebih luas meliputi Pasifik tengah dan timur serta mempunyai kaitan dengan peristiwa cuaca luar biasa yang ketara di tempat-tempat tertentu di dunia seperti banjir yang teruk dan kemarau yang berpanjangan. Di Asia Tenggara, Indonesia dan Australia, berlaku keadaan cuaca lebih kering dari normal sementara di Pasifik tengah dan timur berhampiran khatulistiwa kebiasaannya mengalami keadaan lembap.
Secara lazimnya, El Niño berlaku untuk tempoh 9 hingga 18 bulan. Biasanya ia mula terbentuk pada awal tahun, berada di kemuncak pada akhir tahun dan menjadi lemah menjelang awal tahun berikutnya. El Niño yang mempunyai keamatan yang sama tidak semestinya menghasilkan corak iklim yang sama.

Bagaimana El Niño dikaitkan dengan keadaan atmosfera?
Semasa El Niño berlaku, suhu air laut yang lebih panas di Pasifik tengah dan timur membekalkan haba dan lembapan tambahan kepada atmosfera yang berada di atasnya. Ini mendorong pergerakan menaik yang kuat dan dengan demikian merendahkan tekanan permukaan di dalam kawasan berpergerakan menaik itu. Udara lembap yang naik itu terpeluwap lalu membentuk kawasan ribut petir yang luas dan hujan lebat di kawasan berkenaan. Di bahagian barat Pasifik termasuk Malaysia, tekanan atmosfera meningkat, menyebabkan cuaca menjadi lebih kering secara relatifnya.

Semasa El Niño terbentuk, tekanan permukaan atmosfera rendah terletak di permukaan lautan yang lebih panas ditandakan dengan warna merah di khatulistiwa tengah Pasifik. Semasa ketiadaan El Niño atau keadaan normal, tekanan permukaan atmosfera di Pasifik barat biasanya rendah manakala di tengah dan timur Pasifik adalah tinggi. Dalam keadaan ini, umumnya keadaan kawasan Pasifik barat adalah lembap manakala Pasifik tengah dan timur adalah kering.
(Sumber Diagram: NOAA)
Corak tekanan permukaan atmosfera yang berselang-seli di kawasan tropika Lautan Pasifik, yang mana keadaan lautan bertukar dari El Niño kepada keadaan normal dan sebaliknya dikenali sebagai Ayunan Selatan (SO). Gandingan hubungan di antara atmosfera dan lautan semasa kejadian El Niño ini dikenali sebagai El Niño-Ayunan Selat



Isu tenaga dan alam sekitar mula diminati pada awal tahun 1980 apabila penggunaan tenaga didapati berkait rapat dengan peningkatan suhu dunia. Suhu purata permukaan bumi meningkat sebanyak 0.6oc dari tahun 1960-1990 berbanding 0.2oc dari tahun 1860-1960 dan 0.1oc seratus tahun sebelumnya. Ahli sains membuktikan bahawa kebanyakan gas yang dihasilkan daripada pembakaran bahan api fosil seperti karbon dioksida adalah penyebab utama penongkatan suhu yang menyebabkan berlakunya pemanasan global.


Bumi bersuhu purata 15 darjah Celcius walaupun matahari bersuhu purata 6000 darjah Celcius. Imbangan di antara sinaran yang diterima dan dipantulkan oleh bumi bergantung kepada atmosfera. Awan dan permukaan bumi akan memantulkan kembali sinaran matahari ke angkasa lepas menjadikan bumi sedikit dingin.
Kehadiran ‘gas rumah hijau’ (CO2, wap air, metana, nitrat, dll) menyebabkan penyerapan cahaya yang tinggi dalam atmosfera menjadikan bumi bertambah panas. Komponen gas rumah hijau yang paling banyak dalam atmosfera ialah CO2. Dikatakan kehadiran gas-gas rumah hijau ini adalah hasil daripada perbuatan dan aktivit manusia sendiri demi pembangunan global.

Komponen gas -gas rumah hijau

· Karbon dioksida (CO2): CO2 memasuki atmosfera melalui pembakaran bahan api berfosil (HC seperti petroleum, gas asli, dan arang batu), sisa pepejal, hutan, sisa-sisa kimia yang aktif (i.e. pembuatan simen). CO2 dikitarkan semula di dalam atmosfera sebagai salah satu komponen dalam Kitaran Biologi Karbon.

· Metana (CH4): Metana dibebaskan semasa penjanaan, produksi, dan penghasilan arang batu, gas asli, dan minyak HC, juga daripada aktiviti pertanian serta emisi gas daripada haiwan perternakan seperti kambing biri-biri dan sebagainya.

· Nitrat oksida (N2O): Nitrat oksida dibebaskan ke atmosfera melalui emisi gas daripada aktiviti pertanian, perternakan, industri serta pereputan sisa pepejal. · Gas berfluorin: Hidrofluorokarbon, perfluorokarbon, dan sulfur hexafluorida adalah sintetik, dan merupakan gas-gas rumah hijau yang teremisi daripada pelbagai proses industri. Gas-gas berfluorin dibebaskan ke atmosfera dan menjadi punca penipisan lapisan ozon (i.e. CFC, HCFC, and halon). Gas-gas ini umumnya teremisi dalam kuantiti yang kecil, namun kemudaratan gas-gas ini kadang-kala diklasifikasikan sebagai High Global Warming Potential gases (“High GWP gases”).

Impak Rumah Hijau

Kenaikan suhu bumi

Perubahan cuaca yang melampau (taufan, banjir, tanah runtuh, dll.)

Peningkatan aras laut akibat pencairan glasier, akibat pemanasan global


Kandungan CO2 yang tinggi dalam atmosfera

Peningkatan emisi gas-gas rumah hijau di negara-negara yang sedang membangun

Penipisan lapisan ozon

18 Ogos 2011


Gunung berapi.

Oleh Mohamed Yosri Mohamed Yong
Bagi penduduk Malaysia, kita beruntung disebabkan kita berada jauh daripada kawasan gunung berapi. Malaysia tidak terdedah kepada ancaman bencana alam gunung berapi, bagaimanapun kita perlu tahu mengenai gunung berapi untuk memahami bumi dan alam sekitar kita. Selain itu, negaraIndonesia yang merupakan jiran Malaysia, turut mempunyai beberapa gunung berapi yang aktif. Gunung berapi terdapat di seluruh dunia, tetapi lokasi gunung berapi yang paling dikenali adalah gunung berapi yang berada di sepanjang lingkaran Cincin Api Pasifik. "Pacific Ring of Fire". Lingkaran Cincin Api Pasifik merupakan sempadan pertembungan antara dua plak tetonik.Lingkaran Cincin Api Pasifik terletak sepanjang pantai barat Tengah dan Selatan Amerika, Jepun, dan Filipina, merentasi New Zealand, ke lautan Atlantik. Gunung berapi juga wujud di tengah laut sepanjang rabung laut. Rabung Tengah Atlantik merupakan contoh gunung berapi dasar laut. Apabila gunung berapi dasar laut ini meletus, lava mengalir keluar dan membentuk dasar lautan. Gunung berapi juga boleh terbentuk selain dari di kawasan sempadan plat tetonik, sebagai contohnya gunung berapi Hawai.

Kitaran hayat gunung  berapi

Gunung berapi terdapat dalam beberapa bentuk sepanjang kitaran hayatnya. Gunung berapi yang aktif mungkin bertukar menjadi separuh aktif, menjadi pendam, sebelum akhirnya menjadi tidak aktif atau mati. Bagaimanapun gunung berapi mampu menjadi pendam selama tempoh 610 tahun sebelum bertukar menjadi aktif semula. Oleh itu, sukar untuk menentukan keadaan sebenar sesuatu gunung berapi itu, samada ia dalam tempoh pendam atautelah mati.
Kitaran letusan gunung berapi.
Gunung berapi mampu menyebabkan banyak kerosakan harta benda apabila ia meletus. Bagaimanapun, secara amnya tanah di sekitar gunung berapi menjadi amat subur dan sesuai untuk tanaman Oleh itu, ramai manusia yang menyambung nyawa untuk menetap berhampiran dengan gunung berapi untuk mengusahakan tanaman bagi menyara hidup mereka. Oleh itu amatlah penting bagi manusia untuk cuba menjangkakan bila gunung berapi akan meletus.
Apabila sesebuah gunung berapi itu meletus pelbagai jenis batu dan debu dihasilkan yang dikenali dengan pelbagai nama, antaranya adalah gas, abu, lapilli dan bom. Lapilli adalah bahan-bahan pepejal yang mempunyai diameter antara 4-32 mm. Manakala bom pula adalah pepejal yang lebih kasar daripada 32mm.

Jenis dan ciri-ciri gunung berapi.

Gunung berapi dibahagikan kepada beberapa jenis bergantung kepada jenis dan kelikatan magma yang membentuk gunung berapi itu. Antara jenis-jenis gunung berapi adalah seperti berikut :-

Bentuk mukabumi oleh gunung berapi.

Apabila magma disejukkan dalam bumi sebelum dikeluarkan, magma ini akan membentuk pelbagai bentuk muka bumi yang dikenali sebagai bentuk muka bumi jalar dalam.  Bentuk muka bumi jalar dalam akan kelihatan apabila pergerakan air dan perubahan iklim telah menghakis dan mendedahkan nya pada permukaan bumi. Antara jenis-jenis bentuk muka bumi jalar dalam adalah :-

  • Sil
  • Daik
  • Batolitos
  • Lakolitos
  • Lapolitos
  • Paklitos


Sil adalah batuan igneus yang berkedudukannya selari dengan rataan lapis. Sil mempunyai ketebalan berbeza-beza dari beberapa meter. Sil yang mengalami penggondolan akan membentuk air terjun atau jeram jika ia merentasi sungai. Sil yang besar mungkin membentuk penara. Contoh, Great Whim Sil di Northumberland, England.


Merupakan batuan jalar dalam yang terbentuk kerana magma yang menaik telah membeku di dalam rekahan batuan. Biasanya ia bersudut tepat dengan rataan lapis dan terbentuk tembok tegak. Daik yang terdedah membentuk rabung atau permatang yang kukuh. Daik juga mewujudkan air terjun atau jeram di dalam sungai dan membentuk tebing tinggi di pinggir laut. Contohnya, pantai selatan Cheng Chau di Hong Kong.


Adalah bentuk batuan jalar dalam yang sangat besar dan terletak paling jauh dari permukaan bumi. Batolitos yang terdedah akan membentuk banjaran gunung yang besar, penara dan bukit-bukit terpencil. Contohnya, Dartmoor Dome di England dan Gunung Ledang di Semenanjung Malaysia.


Berbentuk kubah dan terdapat selari dengan rataan lapis. Jika terdedah akan membentuk bukit bulat yang rendah. Contohnya, Gunung Henry di UtaraAmerika Syarikat.


Terbentuk daripada magma jalar dalam yang telah membeku di dalam kerak bumi secara mendatar dan membentuk piring. Bahagian atas di sebelah tengah lapolit ini membentuk satu lembangan cetek. Contohnya, Bushreld Compleks di Transvaal Afrika Selatan.


Berbentuk seperti kanta dan terjadi secara mendatar di antara lapisan lipatan batuan di puncak lintap mungkum atau di bawah bahagian lintap lendut. Contohnya, Bukit Corndon di England.

Cara menentukan bila gunung berapi akan meletus.

Pada masa sekarang, disebabkan peningkatan jumlah penduduk, dan oleh sebab faktor ekonomi yang lain, semakin ramai manusia yang tinggal berhampiran dengan gunung berapi. Malah sesetengah gunung berapi telah menjadi tarikan pelancung yang mendaki gunung berapi itu untuk melawat kawah gunung berapi. Disebabkan itu, adalah penting untuk pakar sains menjangkakan bila sesebuah gunung berapi itu akan meletus. Ini agar mereka dapat memberikan amaran awal, dengan itu dapat mengelakkan kehilangan jiwa yang besar. Terdapat beberapa cara bagi pakar sains untuk menjangkakan bila sesebuah gunung berapi akan meletus yang secara kasarnya dibahagi secara geofizikal dan secara kimia.

Kemusnahan oleh gunung berapi

Sesebuah gunung berapi itu mampu mendatangkan kemusnahan bukan sahaja pada kawasan sekitarnya, tetapi juga kepada kawasan yang terletak beribu-ribu kilometer darinya. Antara kemusnahan yang mampu dilakukan oleh sesebuah gunung berapi adalah melalui cara berikut :-

Faedah dari gunung berapi

Sesebuah gunung berapi bukan sahaja membawa kemusnahan, tetapi juga mampu memberikan faedah kepada penduduk sekitarnya selepas bahaya letupan gunung berapi telahpun berakhir. Sesebuah gunung berapi mampu memberikan faedah kepada penduduk dengan cara berikut :-Tanih yang terbentuk daripada letusan gunung berapi lava bes kaya dengan pelbagai mineral. Tanih gunung berapi ini sangat sesuai untuk kegiatan pertanian. Contohnya seperti di Dataran Tinggi Deccan di India subur untuk tanaman kapas. Di Jawa, kawasan gunung berapi diteres untuk tanaman padi.
Mata air panas dan geiser gunung berapi boleh digunakan untuk menghasilkan tenaga geotermal. Paip akan ditanam jauh ke dalam tanah untuk memanaskan air untuk menghasilkan wap bagi menjalankan turbine dan seterusnya menghasilkan kuala eletrik.
Mata air panas juga dipercayai boleh mengubati penyakit kulit. Mata air panas juga juga menjadi tarikan kepeda pelancong. Mata air panas dan geiser banyak terdapat di Daerah Rotorua diNew Zealand, Yellowstone di Amerika Syarikat, Pulau Jawa-Indonesia dan Jepun.
Aktiviti gunung berapi membentuk genahaqr (kawah gunung berapi) yang amat besar. Genahar ini akan mewujudkan tasik-tasik yang besar dan luas. Contohnya Danau Toba di Sumatera dan Tasik Crater di Amerika Syarikat. Tasik genahar ini menjadi daya tarikan pelancong.
Gunung berapi bawah laut dan di pinggir laut juga mampu membentuk tanah baru hasil magma yang keluar dari perut bumi dan masuk kelaut. Sebagai contoh, kepulauan Hawai terbentuk daripada aktiviti gunung berapi yang terletak di Rabung Tengah Atlantik. Gunung berapi ini mengeluarkan magma, dengan itu membentuk kepulauan yang boleh didiami oleh manusia.

Gunung berapi terkemuka

Antara gunung berapi yang terkemuka akibat kemusnahannya dilakukan oleh mereka adalah seperti berikut.

  • Gunung Vesuvius

  • Gunung Krakatoa

  • Gunung Pelee

  • Gunung Soufriere

  • Langkah berjaga-jaga.

    Bagi mereka yang tinggal berhampiran dengan gunung berapi, mereka perlu mengambil langkah berjaga-jaga untuk menghadapi letusan gunung berapi. Semua bangunan baru mestilah dibina pada lokasi tanah tinggi dan bukannya dicelah lereng yang akan menjadi laluan lava atau banjir lumpur. Bangunan tersebut juga mestilah tahan gempa bumi. Sistem amaran awal perlu di pasang dan dikendalikan secara berterusan. Penduduk sekitar perlu mematuhi sistem amaran awal dan mesti sanggup berpindah keluar bandar sekiranya diminta berbuat demikian. Penduduk mestilah mempunyai perancangan awal dan menyimpan peralatan kecermasan seperti peta, lampu picit, dan bekalan perubatan. Mereka juga perlu tahu tempat yang perlu di tuju sekiranya diminta berpindah keluar dari bandar tersebut.


    Air hujan secara semulajadi adalah berasid. Ini disebabkan oleh air hujan yang turun akan bergabung dengan karbon dioksida dan gas-gas berasid yang terdapat di atmosfera. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh permintaan dalam bidang industri maka penggunaan tenaga elektrik dan kereta telah menyebabkan bahan api fosil dibakar secara berleluasa. Pembakaran bahan api fosil ini akan menghasilkan berjuta-juta ton sulfur dioksida dan nitrogen oksida ke udara. Gas-gas ini apabila bergabung dengan air hujan akan menghasilkan hujan asid.

    Punca-punca Hujan Asid
    Kejadian hujan asid boleh berpunca daripada aktiviti manusia atau pun berlaku secara semula jadi

    Punca daripada kegiatan manusia

    1. Kegiatan industri : menghasilkan sulfur dioksida dan nitrogen melalui pembakaran bahan api fosil di kilang-kilang dan pembakaran arang batu bermutu rendah menyebabkan pembebasan gas sulfur dioksida yang banyak ke atmosfera.
    2. Proses peleburan bijih timah : peleburan yang banyak akan membebaskan gas sulfur dioksida terutamanya peleburan timah kuprum.
    3. Aktiviti sistem pengangkutan : asap ekzos membebaskan gas nitrogen dioksida dan nitrik oksida semasa pembakaran pada suhu tinggi di silinder kereta.
    4. Kegiatan pertanian : penggunaan baja nitrogen akan menghasilkan gas nitrogen, pembakaran terbuka bungkusan plastik baja dan sisa kayu membebaskan sulfur dioksida dan pereputan najis lembu akan membebaskan gas metana dan oksida nitrus menyebabkan hujan asid nitrik. 
    Kesan Hujan Asid
    Hujan asid mendatangkan pelbagai kemudaratan terhadap beberapa aspek tertentu iaitu dari aspek kesihatan, kesuburan tanah dan tumbuhan, ekosistem akuatik dan bangunan serta peralatan bangunan.

    • Memudaratkan golongan tidak kira tua mahu pun muda terhadap penyakit athsma, bagi kanak-kanak pula fenomena ini boleh menyebabkan sakit batuk, alergi dan selesema.
    • Gas sulfur dioksida adalah merupakan agen kepada beberapa penyakit kepada manusia seperti sakit dada, tulang, batuk, sakit kerongkong, barah kolon dan barah payu dara.
    • Air dan hujan asid yang bercampur dengan plumbum, kadmium dan aluminium berbahaya kepada manusia apabila diminum di mana boleh menyebabkan cirit birit di kalangan kanak-kanak, gangguan saraf dan membahayakan otak.
    • Aluminium pula boleh menyebabkan penyakit alzheimer (berkait dengan hilang ingatan)
    Terhadap tanah dan tumbuhan
    • Menyebabkan kemusnahan hutan kerana terkena hujan asid; eg. 70% hutan di Czechslovakia musnah akibat hujan asid ini.
    • Kandungan alkali dan asid dalam tanah menjadi tidak seimbang dan mempengaruhi keseimbangan dan kestabilan tanah.
    • Nilai pH kurang daripada 6 akan menyebabkan bahan-bahan organik tanah mati, maka tanah ini menjadi tidak subur dengan ketiadaan nutrien di dalamnya.
    • Memusnahkan fungsi daun.
    • Pokok mati kerana asid bertindak balas dengan nutrien dalam tanah dan mengurangkan kesuburan tanah.
    Ekosistem akuatik
    • Tumbuhan dalam tasik dan hidupan plankton termusnah akibat penurunan nilai pH air tasik (kurang daripada 5), ini akan mengganggu kelancaran pembiakan ikan dan amfibia.
    • Ikan dan udang secara tidak langsung merupakan ancaman kepada manusia di mana kandungan raksa dan asid sulfurik yang tinggi meresap masuk ke dalam kulit haiwan ini.
    • Air sungai dan laut menjadi berasid pada pH 5 membunuh hidupan akuatik seperti ikan (atau mana-mana binatang yang bergantung kepada ikan akan mati juga eg. burung laut); berlaku di Tasik Minnesota di mana hujan asid ini telah memusnahkan 140 buah tasik di situ.
    Bangunan dan peralatan bangunan
    • Hujan asid yang turun ke bumi akan terkumpul menjadi pemndapan berasid, ini akan mempercepatkan kadar hakisan dan pengaratan barangan besi.
    • Meluntur dan merosakkan cat kereta.
    • Batuan dan binaan bangunan menjadi lemah dan rapuh serta mempercepatkan hakisan bangunan.

    Punca semulajadi
    1. Letupan gunung berapi membebaskan gas sulfur dioksida, nitrogen dioksida, karbon dioksida dan karbon monoksida.
    2. Penguraian bahan organik : aktiviti bakteria dalam tanah menukarkan nitrat kepada nitrit dan menghasilkan gas nitrogen semasa hujan kilat. Selain itu, penguraian bahan organik dan najis haiwan oleh bakteria anaerobik mengakibatkan penurunan sulfur seperti desulfovibrio di mana ianya menukarkan sulfat kepada hidrogen sulfida. Anaerobik beerti dalam keadaan tidak beroksigen biasanya di kawasan air bertakung seperti di kawasan tanah lembap. Dalam proses penurunan sulfat ini, bakteria mendapatkan tenaga untuk hidup. Hidrogen sulfida bergabung dengan oksigen (udara) untuk membentuk sulfur dioksida. Sulfur dioksida ini bertindak balas dengan air hujan dan menghasilkan hujan asid.
    3. Semburan Lautan : lautan memang kaya dengan kandungan klorida dan sulfat yang terdapat di atas permukaan atau di bawah lautan. Fitoplankton marin adalah merupakan sumber penting dalam edaran sulfur di lautan di mana ianya akan membebaskan bahan sulfur yang mudah meruap seperti dimethylsulfida (DMS). Kandungan DMS di udara akan dioksidakan kepada sulfat dan menghasilkan hujan asid. Fitoplankton membebaskan DMS untuk melindungi diri daripada kesan negatif kemasinan tinggi lautan dan kesan pembekuan.
    4. Kebakaran hutan membebaskan gas-gas pencemar seperti gas nitrogen dioksida

    Langkah-langkah Mengatasi Hujan Asid
    Bagi menangani masalah hujan asid yang kian hangan melanda dunia, sejajar dengan perkembangan sains dan teknologi, beberapa langkah selamat boleh dijalankan.
    • Tasik yang tercemar boleh dipulih melalui proses liming di mana batu kapur merupakan bahan utama dan diletakkan ke dalam air tasik yang berasid untuk dineutralkan; eg. tasik-tasik di West Wales, Canada telah menjalankan proses membaik pulih tasik-tasik yang telah tercemar, pH tasik ini 5.5 - 7.0.
    • Menghadkan pelepasan gas pencemar udara ke atmosfera dengan menggunakan bahan api yang rendah kandungan sulfur dan secara tidak langsung boleh mengurangkan gas sulfur dioksida.
    • Memperkenalkan pemasangan 'scrubbers' di cerobong asap di kilang-kilang untuk menapis gas sulfur dioksida.
    • Penggunaan sistem denitrifikasi dan dinyahsulfur, contohnya arang batu direnyukkan dan dicampurkan dengan batu kapur, dengan ini, kandungan sulfur dalam arang batu akan bertingdak balas dengan kalsium karbonat dan menghasilkan kalsium sulfat dan gypsum sebagai hasil sampingan.
    • Mempertingkatkan lagi teknologi 'flash smelting' yang sering digunakan oleh pelebur kuprum, pembebasan sulfur dioksida global dapat dikurangkan 5-10 ton setahun.
    • Menggalakkan pemasangan pengubah bermangkin (catalytic converter) pada enjin kenderaan, ini dapat mengurangkan gas NOxsebanyak 90% di mana gas pencemar dapat diubah sebelum dilepaskan ke atmosfera. Ini bertujuan untuk mengurangkan gas karbon monoksida dan nitrogen oksida asap ekzos.
    • Dari segi perundangan, boleh ditingkatkan lagi mengenai pengawalan pencemaran alam sekitar.
    • Sebagai individu, kita perlu sentiasa memastikan kenderaan kita dalam keadaan yang baik memandangkan bilangan kenderaan berdaftar di Malaysia adalah semakin meningkat.
    • Bagi meningkatkan kesedaran dalam masyarakat, perlu adakan kempen, ceramah atau pun aktiviti kemasyarakatan bagi memastikan setiap individu dalam sesuatu masyarakat memainkan peranan untuk memelihara alam sekitar.