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