How climate and human activity shape a mountain ecosystem
A detailed biological assessment of Africa’s highest
mountain explores how climate modulates the effects of human land use
on plants, animals, microorganisms and a diverse array of ecosystem
functions.
Mountains support roughly one-third of all land-dwelling species and supply water for nearly half of all people1. The ecology of mountain environments is strongly influenced by climate2–4.
For example, because temperatures drop as altitude increases, organisms
that have greater cold tolerance are favoured at higher elevations.
Accordingly, there is a rapid change in the species present as one moves
up a mountain from the warm lowlands to the cold highlands. And because
few organisms can withstand the most-extreme conditions, the total
number of species tends to be low on mountaintops.
Climate change is now rearranging the pieces of this puzzle5,6, and ecologists are struggling to predict the picture that will emerge7,8.
One major source of uncertainty is the extent to which the effects of
human land use (activities such as farming and logging) might interact
with climatic factors to shape the distribution of species and the
operation of biogeochemical processes. Writing in Nature, Peters et al.9
report their analysis of an astonishingly comprehensive ecological data
set from Mount Kilimanjaro (Fig. 1), which shows that temperature and
rainfall modulate the effects of human land use on biodiversity and
ecosystems.
Figure 1 | A field of maize (corn) in the shadow of Mount Kilimanjaro, Tanzania. Peters et al.9
report a study of sites at different elevations on Mount Kilimanjaro in
which they investigated how climate regulates the effects of human land
use (such as maize farming) on ecosystems. Credit: Cheryl-Samantha Owen/NPL
A previous study10
from the same research group revealed that the number of plant and
animal species declines at an almost linear rate as elevation increases
on Mount Kilimanjaro, suggesting that temperature is the main
determinant of species richness. Peters et al. have expanded the
scope and scale of that earlier assessment. Their new study reports data
gathered over 6 years by 50 researchers at 60 sites ranging from 866 to
4,550 metres above sea level. These sites represented both natural
habitats, such as lowland savannahs and alpine heaths, and habitats that
had been heavily affected by human activity, including cropland and
logged forests. The authors noted the number of species of plants,
animals and soil-dwelling bacteria at each study site. They also
recorded data for 30 different ecosystem functions, which are processes
related to the transfer of energy and matter through the system (for
example, the rates at which plants grow, organic matter decomposes and
greenhouse gases are emitted).
To convert human impacts into a common currency for use in statistical analyses, Peters et al.
devised a quantitative metric of land-use intensity, which integrated
information about several types of human disturbance. To assess climate,
they monitored the average annual temperature and rainfall at each
site. Researchers studying large-scale ecological phenomena are often
forced to gather previously published data from disparate sources and
stitch this information together for analysis, which can introduce
biases and artefacts. By instead measuring a wide range of attributes in
many places using standardized methods, Peters and colleagues were able
to paint one of the most detailed ecological portraits achieved thus
far for any mountain.
Peters et al. report that the
combined effects of climate and human land use manifested in a
consistent way for both plants and animals. Species richness hardly
differed between natural and human-altered habitats at high elevations,
but species richness was reduced in the low-elevation habitats that had
been transformed by human activity. These trends were best described by
statistical models that included interactions between climate and
land-use intensity — in other words, the effects of land use were
dependent on climate, and the interplay of both these factors was
necessary to explain the patterns observed in the data.
The
trends in ecosystem functions in relation to climate and human activity
are harder to decipher. All but five of the functions studied were
affected by land-use intensity, and in most cases the effects of land
use depended on climate. But these interactions exhibited all manner of
forms, defying attempts to identify a general pattern. A clearer picture
emerged when Peters and colleagues amalgamated all 30 of the ecosystem
functions into a composite statistical index: overall, ecosystem
functioning was more heavily affected at sites with greater land-use
intensities, and these effects were stronger at low and high elevations
than at intermediate elevations.
Ecologists yearn for simple
rules to describe how ecosystems respond to environmental gradients and
to perturbations arising from human activity. Yet analysing such complex
systems, with their multitude of interwoven parts, requires a level of
statistical abstraction that makes it difficult to discover the
fundamental mechanisms underlying the patterns in the data. Peters and
colleagues have unveiled a rich tapestry of ecological patterns on Mount
Kilimanjaro, but explaining why those patterns are shaped by climate
and land use in the ways that they are stands as a non-trivial challenge
for future investigation.
As with any large-scale comparative
analysis, one must also consider potential alternative explanations for
the results. For example, on Mount Kilimanjaro, areas higher than 1,800
metres above sea level are part of a national park, and this designation
places constraints on human land use. Indeed, Peters and colleagues
found that land-use intensity was greatest at low elevations (and
therefore positively correlated with temperature) across the mountain,
which is typical for mountains worldwide11.
These correlations make it difficult to fully disentangle the roles of
climate and land use. Is it possible that human impacts were greatest at
low elevations simply because human activity was much higher outside
the national park?
To address this question, the authors carried
out more analyses on different subsets of their data, which reinforced
their original conclusions. Nevertheless, further work will be needed to
establish the degree to which variation in human impacts at different
elevations is governed by biophysical mechanisms, as opposed to
reflecting trends in human behaviour that stem from both climatic and
legal restrictions on land use.
As mountain environments heat up
in a warming world, what can be done to safeguard their great biological
wealth? Neither climate change nor human pressure on mountains will
stop any time soon, but areas can be protected from intensive land use,
and that can make a difference. Peters and colleagues’ results indicate
that such protection would need to span a range of elevations, from the
low-lying sites that are currently most vulnerable to human impacts to
the highland areas that will provide future homes for refugee species
moving upslope. Nearly 40% of all mountain ranges lack any strictly
protected nature reserves, and vanishingly few have conservation areas
that span the entirety of their elevation12. There is an urgent need to expand the world’s protected areas to achieve better coverage of elevation gradients13.
Vista próxima do vulcão de Stromboli que entra em erupção framgents derretidos incandescentes da lava.
Crédito: B. Chouet / USGS.
Um vulcão na Terra é uma abertura ou fissura na crosta do planeta,
através da qual lava, cinzas, rochas e gases entram em erupção. Um vulcão é também uma montanha formada pelo acúmulo desses produtos eruptivos.
Os vulcões existem há muito tempo na Terra, provavelmente causando desastres como a extinção em massa do Permiano há cerca de 250 milhões de anos, a maior extinção em massa da história da Terra, de acordo com um artigo de 2015. Os vulcões podem e já existiram em outros mundos: embora os vulcões na Lua e em Marteestejam latentes há muito tempo, os vulcões ainda estão muito ativos na lua de Júpiter, Io .
Pesquisadores estão se esforçando para encontrar formas de prever
quando erupções vulcânicas podem acontecer na Terra, analisando pistas
como cristais e gases ligados a vulcões.
Vamos dar uma olhada em como os vulcões se formam na Terra:
A crosta terrestre tem de 5 a 60 quilômetros de espessura, de acordo com o US Geological Survey . Ele é dividido em sete peças principais e 152 menores, chamadas placas tectônicas, de acordo com um artigo de 2016 de Christopher Harrison, da Universidade de Miami. Estas placas flutuam em uma camada de magma - rocha semi-líquida e gases dissolvidos.
Nos limites dessas placas - onde passam, são empurradas para baixo, ou
se afastam umas das outras - o magma, que é mais leve que a rocha sólida
circundante, é frequentemente capaz de forçar seu caminho através de
rachaduras e fissuras. O magma pode explodir do respiradouro, ou pode sair do vulcão como um copo transbordante. Magma que entrou em erupção é chamado de lava. [ Relacionado: 50 fatos surpreendentes do vulcão ]
Principais tipos de vulcões
Osvulcões de cone de cinza (também chamados de cones de escória) são o tipo mais comum de vulcão , de acordo com a San Diego State University, e são os vulcões em forma de cone simétricos em que normalmente pensamos.
Eles podem ocorrer como vulcões únicos ou como vulcões secundários
conhecidos como "cones parasitas" nos lados de vulcões ou
vulcões-vulcões. Fragmentos aerotransportados de lava, chamados tephra, são ejetados de uma única abertura. A lava esfria rapidamente e cai como cinzas que se acumulam ao redor da abertura, formando uma cratera no topo, de acordo com o US Geological Survey.
Os vulcões de cone de cinzas são relativamente pequenos, geralmente com
apenas 91 metros de altura e não mais de 366 metros de altura. Eles podem acumular-se em curtos períodos de alguns meses ou anos.
Estratovulcões também são chamados vulcões compostos
porque são construídos de camadas de fluxo alternado de lava, cinzas e
blocos de pedra não derretida, de acordo com o US Geological Survey. Eles são maiores que os cones de cinzas, subindo para 8 mil pés (2.438 metros). Os estratovulcões resultam de um sistema de condutas de ventilação que sai de um reservatório de magma abaixo da superfície.
Quando dormentes, eles normalmente têm lados côncavos íngremes que
varrem juntos no topo em torno de uma cratera relativamente pequena.
Os estratovulcões podem entrar em erupção com grande violência . A pressão se acumula na câmara de magma à medida que os gases, sob imenso calor e pressão, são dissolvidos na rocha líquida.
Quando o magma alcança os conduítes, a pressão é liberada e os gases
explodem, como o refrigerante que sai de uma lata de refrigerante que
você sacudiu e abriu repentinamente, de acordo com a San Diego State
University.
Por se formarem em um sistema de condutos subterrâneos, os
estratovulcões podem estourar os lados do cone, assim como a cratera do
cume.
Os estratovulcões são considerados os mais violentos.O Monte Santa Helena
, no estado de Washington, é um estratovulcão que entrou em erupção em
18 de maio de 1980. Aproximadamente 230 milhas quadradas (596
quilômetros quadrados) de floresta foram completamente destruídas e 57
pessoas foram mortas.
Ao longo do dia, os ventos sopraram 520 milhões de toneladas de cinzas
em direção ao leste dos Estados Unidos e causaram completa escuridão em
Spokane, Washington, a 402 quilômetros do vulcão, de acordo com o
Serviço Geológico dos Estados Unidos.
Os vulcões de escudo são enormes vulcões , levemente inclinados, construídos com lava muito fina que se espalha em todas as direções a partir de uma abertura central. Eles têm bases largas de vários quilômetros de diâmetro com declives médios mais íngremes e um cume mais plano. As encostas convexas gentis lhes dão um contorno como o escudo de um cavaleiro medieval . As erupções desses vulcões geralmente não são explosivas, mas são mais como líquido transbordando nas bordas de um contêiner. O maior vulcão do mundo, Mauna Loa, no Havaí , é um vulcão-escudo, de acordo com o US Geological Survey. O Mauna Loa tem cerca de 17 mil metros de sua base abaixo do oceano até o cume, que fica a 4,170 metros acima do nível do mar. É também um dos vulcões mais ativos da Terra e é cuidadosamente monitorado. A erupção mais recente foi em 1984.
Cúpulas de lava são construídas quando a lava é muito viscosa a fluir , de acordo com o US Geological Survey. Uma bolha ou uma camada de rocha refrescante se forma sobre uma fissura.
Esta lava mais fria e espessa geralmente se eleva perto do final de uma
erupção explosiva e cúpulas de lava freqüentemente se formam dentro das
crateras dos vulcões.Mount St. Helens tem várias cúpulas de lava bem definidas dentro da cratera , de acordo com a NASA.
Outras formas terrestres vulcânicas
Além de conhecidos vulcões simétricos, como o Monte Fuji, no Japão, e o
Kilimanjaro, na Tanzânia, a atividade vulcânica é responsável por
vários outros tipos de relevo distintos.
Calderas : Uma caldeira
é uma depressão em forma de tigela formada quando um vulcão entra em
colapso no vazio deixado quando sua câmara de magma é esvaziada.Existem três tipos , de acordo com a San Diego State University. O primeiro tipo é uma caldeira de cratera. Este é o resultado de um estratovulcão entrando em colapso em sua câmara de magma durante uma violenta erupção. Caldeiras basálticas têm um padrão de anel concêntrico resultante de uma série de colapsos graduais em vez de um único evento. Eles são freqüentemente encontrados no cume de vulcões de escudo, como as crateras no topo de Mauna Loa e Kilauea. As caldeiras ressurgentes são as maiores estruturas vulcânicas da Terra. Eles são o resultado de erupções catastróficas que superam qualquer erupção já registrada por seres humanos. A caldeira de Yellowstone, às vezes chamada de "super vulcão", é um exemplo.
Plugues vulcânicos : Quando o magma se solidifica na fissura de um vulcão, a rocha dura e densa pode formar um " pescoço " que permanece quando a rocha circundante mais macia for erodida, de acordo com o US Geological Survey. Isso pode resultar em marcos dramáticos como Ship Rock, no Novo México, e Devil's Tower, em Wyoming.
Cones de
tufos: também conhecidos como maars, os cones são crateras rasas e
planas que os cientistas pensam formaram como resultado de uma violenta
expansão de gás magmático ou vapor, de acordo com o US Geological
Survey.
Os maars variam em tamanho de 60 a 1.980 metros de profundidade e 9 a
198 metros de profundidade, e a maioria é comumente preenchida com água
para formar lagos naturais.
Maars ocorrem geologicamente jovens regiões vulcânicas do mundo, como o
oeste dos Estados Unidos e a região de Eifel da Alemanha.
Platôs de lava
: Os vulcões de escudo podem entrar em erupção ao longo de linhas de
fissuras, em vez de um respiradouro central derramando lava líquida em
camadas sucessivas. Com o tempo, essas camadas formam planaltos amplos , como o Columbia Plateau, de acordo com a Encyclopedia Britannica. Estes platôs são freqüentemente cortados por desfiladeiros profundos que expõem as camadas de rocha.
Uma abertura de fissura foi aberta no vulcão Kilauea, no Havaí.
Crédito: HVO / USGS
Vulcões na história
79 DC : Um dos vulcões mais famosos é o Monte Vesúvio, que fica ao longo da Baía de Nápoles, no sul da Itália. Ele entrou em erupção dezenas de vezes nos últimos 2.000 anos, de acordo com a Encyclopedia Britannica. A erupção do ano 79, que enterrou Pompéia, tornou o Vesúvio famoso, mas outra erupção em 1631 matou cerca de 3.000 pessoas.
1783 : A erupção do Monte Skaptar na Islândia
devastou a agricultura e a pesca, causando uma fome que matou um quarto
do povo do país, segundo a Universidade do Estado do Oregon.
1815 : Redemoinhos e tsunamis da erupção do Monte Tambora , na ilha de Sumbawa, na Indonésia, mataram pelo menos 10 mil pessoas, segundo a Enciclopédia Britânica.
O vulcão enviou uma nuvem ejetada para a atmosfera que foi mais de
quatro vezes a quantidade ejetada pelo Monte Pinatubo em 1991, levando
ao " Ano sem verão
" de 1816 na Europa e América do Norte, de acordo com um artigo de 2016
da Wiley Interdisciplinary Reviews. : Das Alterações Climáticas.
1883 : Outro vulcão indonésio, Krakatoa , entrou em erupção em uma explosão ouvida 3.000 quilômetros de distância.
Pedras de 20 quilos aterrissaram em ilhas a 80 km de distância, e um
tsunami de 30 metros devastou centenas de aldeias, incluindo Java e
Sumatra, de acordo com a San Diego State University. Cerca de 36.000 pessoas morreram. A poeira alta na atmosfera fez com que a lua parecesse azul e, às vezes, verde, durante dois anos, segundo a NASA.
1902 : Monte Pelée , na ilha de Martinica, sufocou a cidade de Saint-Pierre em gás mortal e cinza quente, matando 29.933 , de acordo com o Los Angeles Times.
1980
: Mount St. Helens, no estado de Washington, explodiu a 1.300 pés do
seu topo, matando 57 pessoas e causando uma escuridão ao meio-dia nas
cidades a 135 quilômetros de distância.
A nuvem de ácido sulfúrico da Pinatubo, cerca de 20 milhões de toneladas, subiu para mais de 12 milhas na estratosfera. Nas semanas seguintes, a nuvem circundou o equador e se espalhou pelos pólos, cobrindo todo o planeta. As partículas refletiam a luz do sol e resfriavam a Terra quase por um grau Fahrenheit.
Outros importantes vulcões dos EUA
Pico de Lassen, Califórnia : Erupted entre 1914 e 1917, causando nenhuma morte, de acordo com o serviço de parque nacional. Lassen é considerado um dos mais prováveis no Cascade Range a entrar em erupção novamente.
Long Valley, Califórnia : A Caldera Long Valley
é uma depressão de 16 por 32 quilômetros nas montanhas de Sierra Nevada
causada por uma erupção de 700.000 anos atrás, de acordo com o US
Geological Survey. Uma tremenda explosão cuspiu a rocha fundida de 4 milhas abaixo da superfície; depois, toda a confusão se instalou mais de um quilômetro e meio na depressão onde o magma estivera.
O magma ainda alimenta fontes termais na caldeira.
Terremotos em 1980 marcaram o início de novas atividades que incluíram
mudanças na posição de fontes termais e enxames de outros pequenos
terremotos.
Geólogos dizem que provavelmente indica que o magma está subindo
novamente de baixo, e eles suspeitam que a área irá entrar em erupção
novamente.
Monte Shasta, Califórnia : A última erupção conhecida foi em 1786. Acredita-se que ela entre em erupção a cada 600 a 800 anos , de acordo com o US Geological Survey. A montanha é significativa como o elemento visual incrivelmente dominante na paisagem do norte da Califórnia.
KilaueaeMauna Loa, Havaí : Cada um tende a entrar em erupção a cada dois ou três anos;
As erupções são não-explosivas, permitindo que estes dois vulcões
estejam entre os vulcões ativos mais estudados no mundo, de acordo com o
US Geological Survey e a Universidade do Havaí.
Reportagem adicional de Charles Q. Choi, colaborador da Live Science.
