1

Ochrona powietrza

Wykład 7

Dolne warstwy atmosfery są siedliskiem życia.

12755 km

12755 km

Biosfera:

Biosfera:

- powierzchniowe warstwy litosfery,

- cała przestrzeń hydrosfery,

- atmosfera do wysokości troposfery (dla
większości organizmów do granicy wiecznych
śniegów).

Skład powietrza w troposferze:

- 78 % azotu,

- 21 % tlenu,

- 0,03% dwutlenku węgla,

- poniżej 1% inne gazy.

O

2

i CO

2

– „kompromis ewolucyjny”

Ekologiczne uwarunkowania

składu atmosfery

Z tlenem i azotem

pozostają w równowadze niskie koncentracje

dwóch związków tlenu – dwutlenku węgla i pary

wodnej.

Wokół nas mamy na szczęście

tlen i azot

dzięki którym życie może w takiej formie
funkcjonować.

AZOT

2

Azot jest więc nam niezbędny do życia również w swej

wolnej, nieaktywnej chemicznie postaci.

Azot jest określany często (nawet w podręcznikach) jako
„wypełniacz”, przez co podkreślamy, że kluczowe znaczenie ma dla
życia tlen i dwutlenek węgla.

Czy istniej

Czy istniej

ą

ą

organizmy korzystaj

organizmy korzystaj

ą

ą

ce z wolnego azotu?

ce z wolnego azotu?

Bakterie wiążące azot, a występujące w brodawkach korzeniowych
u roślin motylkowych.

• Ich znaczenie od dawna docenia rolnictwo.
Dawno temu powszechny był zwyczaj zostawiania ugorem na
rok pola intensywnie uprawianego przez ostatnie 2 – 3 lata.

• Najważniejszym z tego, co działo się podczas rocznego
odpoczynku, była aktywność bakterii, które wiążą azot z
atmosfery, łącząc go z tlenem, a tak powstałe azotany są
znakomitym nawozem.

Bakterie wiążące azot produkują nawóz azotowy, dzięki któremu
zbieramy plony z pól.
Z drugiej jednak strony usuwają one pewne ilości azotu z
atmosfery.

Żyją one w cuchnącym b

łocie: w bagnach, na dnie

zanieczyszczonych jezior.

Fot. National Geographic

Żywią się bogatymi zasobami materii organicznej, która
w różnych formach zbiera się tam w ogromnych ilościach.
Błotniste dno pozbawione jest jednak tlenu, a komórka
bez tlenu nie jest w stanie spalać materii organicznej, by
normalnie funkcjonować.

Bakterie te na drodze doboru naturalnego znalazły
jednak rozwiązanie tego problemu i potrzebny im tlen
czerpią z azotanów.

Efektem działania bakterii żyjących w dennym osadzie

jest stałe uzupełnianie składu naszej atmosfery.

Bez nich życie na Ziemi byłoby niemożliwe.

3

TLEN

Źródła tlenu:
1. Rośliny zielone
2. Bakterie rozkładające azotany
3. Rozpad wody w górnych warstwach atmosfery

Roślinność stale dostarcza tlen do atmosfery,

w ilościach znacznie przewyższających te,

które zawdzięczamy bakteriom bagiennym.

• Wysoko ponad atmosferą, gdzie palą
zabójcze promienie Słońca, cząsteczki wody
rozkładane są do tlenu i wodoru.

• Lekki wodór ucieka w przestrzeń, a
pozostaje cięższy od niego tlen; nie wiemy
jednak, jak wiele tlenu rocznie w ten sposób
zyskujemy.

• Wielu naukowców sądzi, że jednak rośliny
ogrywają tu znacznie większą rolę.

Wiele modeli opracowanych na podstawie badań wskazuje

na to, że:

w pierwotnej atmosferze ziemskiej nie było tlenu,

a jego obecność zawdzięczamy dopiero pierwszym

roślinom.

Wniosek:

skład powietrza wokół naszej planety

regulowany jest przez żywe organizmy.

Utrzymywane

tego

składu

atmosfery

jest

wspólnym zadaniem wszystkich ekosystemów kuli
ziemskiej.

Teoria roli i obiegu CO

2

4

• CO

2

jest gazem, którego stężenie w powietrzu

regulowane jest w bardzo delikatny sposób.

• Stężenie CO

2

utrzymywane jest na tym niewielkim

poziomie przez szereg wzajemnie oddziałujących na siebie
mechanizmów.

• Jest on obecny w atmosferze w bardzo niewielkich
ilościach, a stanowi zaledwie 0,03% wszystkich gazów.

•Jest to koncentracja, którą trudno precyzyjnie zmierzyć,
nie dysponując nowoczesnym sprzętem pomiarowym.

• Gaz ten jest łatwo rozpuszczalny w wodzie – woda morska jest
nim w zasadzie nasycona.

• Chemia tego roztworu nie jest prosta, gdyż są w nim jednocześnie
obecne kwasy węglowe, węglany i dwuwęglany, ale

w oceanach koncentracja rozpuszczonego CO

2

przewyższa pięćdziesięciokrotnie jego stężenie w atmosferze,

mimo, że atmosfera styka się z powierzchnią wody i możliwa jest
między nimi swobodna wymiana.

• Gdyby powietrze pozbawione było CO

2

, woda morska natychmiast

utraciłaby swój gaz;

• gdyby w atmosferze przybyło go zbyt wiele, woda pochłonęłaby
nadwyżkę.

W wodzie morskiej węglany gromadzą się:

- nie tylko w wyniku absorbowania CO

2

z powietrza,

- ale również dzięki dopływom z lądu, gdzie deszcze nieustannie
wymywają go ze skał wapiennych.

Nadwyżki odkładane są w postaci osadów dennych:

biały wapienny muł, który pewnego dnia wynurzy się z oceanu w
postaci skał.

Stężenie CO

2

w morzu jest stałe dzięki odkładaniu

nadmiaru węglanów na dnie.

A więc 0,03% CO

2

w powietrzu jest wynikiem chemicznej

równowagi między powietrzem i wodą.

Czy ta równowaga jest trudna do zaburzenia?

Regulacja zawartości CO

2

odbywa się przede wszystkim

poprzez reakcje chemiczne i fizyczne na Ziemi.

Jakie znaczenie ma wobec tego spalanie

paliw kopalnych?

Wszystko, co żyje, przystosowuje się do tego, co w wyniku
tych reakcji powstaje.

• Używamy obecnie jako opału nafty i węgla. Spalając je
wzbogacamy atmosferę o nowe porcje tego gazu.

• Jest to oczywiście ten sam CO

2

, który był już kiedyś,

miliony lat temu w atmosferze.

• W tym samym czasie ten ubytek gazu z atmosfery został
wyrównany przez niezawodne urządzenie pochłaniające w
oceanie, i w ten sposób luka została „załatana”.

• Rośliny, które syntetyzowały z niego cukry obumarły, a w
miejscach w których nie zostały rozłożone, przechowały się
w postaci węgla i ropy.

5

• Teraz, kiedy spalamy węgiel, dawny CO

2

pojawia

się jako coś zupełnie nowego, jako śwież dopływ
do atmosfery.

• Zasoby węgla i nafty, które zużyjemy kilkakrotnie
przewyższają jego stężenie w atmosferze, tak więc
powiększy się koncentracja CO

2

w powietrzu o

kilka razy.

Czego można się spodziewać?

Jednak

niektóre

pomiary

koncentracji

CO

2

wykazują tendencję niezbyt optymistyczną.

Obserwujemy obecnie stały wzrost koncentracji
CO

2

,

co

niezbicie

wykazują

wyniki

wielu

niezależnych pomiarów.

Co się stało z pochłaniającą rolą

oceanów?

Pochłonięcie nadmiaru gazu wymaga czasu.

• Równowaga szybko ustala się między powierzchnią wody i
warstwą otaczającego powietrza.

• Żeby nadwyżki CO

2

mogły zostać pochłonięte wody muszą się

wymieszać tak, by te z nadwyżką CO

2

znalazły się przy dnie, a same

zostały zastąpione przez świeżą wodę.

• Wody w oceanach mieszane są przez wiatry bardzo powoi.
Potrzeba przeszło stu lat, by chociaż raz wymieniła się cała ilość
wody.

Niektóre przewidywania mówią, że zanim oceany zaczną ponownie wychwytywać
z atmosfery CO

2

i przywrócą jego dawne proporcje, jego ilość w atmosferze niemal

się podwoi.

Stężenie CO

2

w powietrzu wzrośnie więc z 0,03 do 0,06% objętościowych.

Jakie to będzie miało skutki?

Istnieją różne scenariusze dalszych wydarzeń.

Podwojenie ilości jednego z najważniejszych gazów
atmosfery na pewno nie pozostanie bez zmian w całej
biosferze.

Co się stanie?

Nie oznacza to na pewno

nagłej katastrofy.

Z drugiej jednak strony

wzrost ten nie może być
bez znaczenia.

Uważa się, że procesy te doprowadzą do

globalnych zmian klimatu

6

Różne zjawiska zaliczane są do tzw. efektów globalnych, z
których obecnie nacisk kładzie się na:

1. Nasilenie efektu cieplarnianego.

2. Zubożenie warstwy ozonowej.

Ale należy pamiętać, że:

• problemami zmian globalnych
zajmują się tysiące naukowców i
organizacji na świecie

Możliwość różnych interpretacji i
prognoz

• modele zmian są oparte na
ogromnej

liczbie

danych

wyjściowych

• istnieje

nieskończona

liczba

wzajemnych powiązań i sprzężeń
zwrotnych

w

systemie

klimatycznym

Potrzebna jest ogromna moc
obliczeniowa

Duży stopień niepewności modeli

?

1000

1250

1500

1750

2000

270

280

290

300

310

320

330

340

350

C

O

2

w

p

o

w

ie

tr

zu

Wzrost stężenia CO

2

w atmosferze

w ciągu ostatniego 1000 lat

310

380

370

360

350

340

330

320

C

O

2

w

p

o

w

ie

tr

zu

1950

1960

1970

1980

1990

2000

Rok

Wzrost stężenia CO

2

w atmosferze

w ciągu ostatnich 40 lat

Obserwatorium Mauna Loa, Hawaje

Jednym z elementów klimatu jest

temperatura

Temperatura

Temperatura w konkretnym miejscu jest wynikiem
działania trzech czynników:

1) ilości promieniowania słonecznego docierającego do
powierzchni Ziemi,

2) rozmieszczenia lądów i wód w danym rejonie,

3) składu atmosfery (efekt cieplarniany).

7

1)

2)

Ląd nagrzewa się szybko, ale też szybko oddaje ciepło dlatego wewnątrz lądu
panują tzw. klimaty kontynentalne.

Charakteryzują się znacznymi wahaniami dobowymi i sezonowymi temperatur.

Wody nagrzewają się i ochładzają wolniej ponieważ:

- mają większą masę niż lądy i ok. 2 razy większą pojemność cieplną,

- stale lub okresowo mieszają się.

Ziemia

Atmosfera

Często można się spotkać z następującym
przedstawieniem efektu cieplarnianego

3)

Efektem byłby stały wzrost temperatury na

Ziemi

Energia

docierająca ze

Słońca

=

Energia odbita od

powierzchni Ziemi i

atmosfery

+

Energia

wyemitowana jako

prom. cieplne

Ziemia

Atmosfera

Ziemia otrzymuje energię Słońca w

postaci

promieniowania krótkofalowego

(dł. fal < 4 µm)

Prom. widzialne

(zakres fal 0,4 do ok. 0,76 µm)

Prom. UV

(0,1- 0,4 µm)

Prom. podczerwone

(0,76- 4 µm)

8

Skutki pochłaniania prom. słonecznego zależą od jego energii.

1. Promieniowanie o największej dł. fal - ponad 0,76 µm jest
promieniowaniem cieplnym – podnosi ono temperaturę ciała, a
organizmy odczuwają ją jako „ciepło”.

2. Promieniowanie o dł. fal 0,4 – 0,76 µm, to promieniowanie
widzialne, odbijane przez ciała rejestrujemy jako „kolor” ciała.

Jego energia rozrywa niektóre słabsze wiązania chemiczne – dlatego
niektóre produkty chemiczne, farmaceutyczne lub spożywcze
chronimy przed światłem.

3. Energia promieniowania UV jest wystarczająca do rozerwania
nawet bardzo silnych wiązań chemicznych (np. struktury kwasów
DNA, co może powodować nowotwory).

Ziemia

Atmosfera

Część prom. krótkofalowego

jest pochłaniana

przez powierzchnię

Ziemi - 70%

Część prom. krótkofalowego

ulega odbiciu w

atmosferze lub na

powierzchni Ziemi - 30%

E. Słońca powoduje nagrzanie się

powierzchni Ziemi, która

wypromieniowuje ciepło w postaci

prom. długofalowego

(podczerwonego)

Niektóre gazy absorbują

prom. długofalowe i emitują

je we wszystkich kierunkach

ogrzewając w ten sposób

atmosferę

Gazy cieplarniane (szklarniowe) - GHG

(ang. greenhaus gases)

Efekt cieplarniany lub szklarniowy

(analogiczny proces zachodzi w szklarni)

Efekt cieplarniany

jest zjawiskiem naturalnym !

• Dzięki efektowi cieplarnianemu temperatura na Ziemi wynosi
średnio 15

°

C.

• Bez e. cieplarnianego byłoby około -18

°

C.

Dlatego należy mówić o nasileniu efektu
cieplarnianego, które być może jest
spowodowane działaniem człowieka.

Zmiana temperatury w stosunku do temperatury
współczesnej wywołana zmianami zawartości CO

2

(ostatnie 544 mln lat)

500

300

200

50

30

5

2

4

6

8

10

12

T

e

m

p

e

ra

tu

ra

[

°C

]

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

C

O

2

w

p

o

w

ie

tr

zu

Istnieją spore różnice zdań w ocenie

przyczyn efektu cieplarnianego

1. Część badaczy uważa, że w ok. 95% o efekcie
cieplarnianym decyduje para

wodna zawarta w

atmosferze.

Pozostałe gazy (w tym CO

2

) mają niewielkie znaczenie.

2. Inna grupa naukowców czołową rolę w tym zjawisku
przypisuje CO

2

, przy czym oceny procentowe są różne.

9

Najważniejsze gazy szklarniowe to:

-

para wodna,

- CO

2

,

- metan (CH

4

),

- podtlenek azotu (N

2

O),

- chlorowe i fluorowe związki węgla (freony - CFC, szczególnie
pochodne metanu CFC- 11 i CFC-12),

- ozon (troposferyczny!).

Gazy

te

są

przenikliwe

dla

promieniowanie

słonecznego, docierającego do powierzchni Ziemi, ale
absorbują promieniowanie ziemskie i ogrzewają się
pod jego wpływem.

Wymienione gazy są efektem emisji różnych zanieczyszczeń do
atmosfery, nie koniecznie tylko w postaci samego gazu
szklarniowego

- emitowany CO utlenia się do CO

2

,

- NO

x

i lotne związki organiczne dają początek reakcjom

prowadzącym do powstawania ozonu.

Obecnie przeważa model następujący:

- w 65% o efekcie cieplarnianym decyduje para wodna,

- w 35% pozostałe gazy szklarniowe.

w tym

17% CFC-11 i CFC-12

55% CO

2

15% metan CH

4

6% podtlenek azotu N

2

0

7% inne CFC