16. Globalny cykl hydrologiczny i procesy warunkujące jego funkcjonowanie; Efekt

cieplarniany, kwaśne deszcze, i dziura ozonowa jako przykłady zagrożeń środowiska Ziemi;

Globalny cykl hydrologiczny i procesy warunkujące jego funkcjonowanie.

Cykl hydrologiczny zużywa aż 20% energii promieniowania słonecznego. Jest on po cyklu obiegu CO2 najważniejszym dla przyrody ze względu na znaczenie wody. Oba cykle w dużym stopniu są wrażliwe na działalność człowieka oraz wpływają na pogodę i klimat. W przyrodzie woda występuje w stanie gazowym, stałym i ciekłym, a jej użytkowanie przez człowieka jest prawie wyłącznie związane ze stanem ciekłym. Największe zapotrzebowanie na ten związek dotyczy wody o względnie niskiej zawartości rozpuszczonych w niej soli mineralnych, tzw. Wody słodkiej. 97% zasobów wody przypada na wodę słoną w oceanach, reszta to woda słodka, z której aż trzy czwarte jest unieruchomione w postaci lodowców i pokrywy lodowej. Pozostała część wody słodkiej to wody gruntowe, wody jezior i rzek ( 0,33% całości wody słodkiej ) i woda w postaci pary wodnej w atmosferze ( 0,035% )(…) Woda, która nie została uwięziona w postaci wiecznego lodu, krąży nieustannie różnymi szlakami w biosferze. Ten cykl naturalnych przepływów wody nazywamy cyklem hydrologicznym. Obieg wody odbywa się praktycznie bez strat, a rocznie około 1% wody pochodzącej z opadów jest zużywane na produkcję biomasy ekosystemów. Charakterystyczną cechą obiegu tego związku chemicznego jest to, że więcej wody wyparowuje z mórz i oceanów niż do nich wraca. Wynika to z tego, iż część opadów atmosferycznych opadających na ekosystemy lądowe zawiera wodę pochodzenia oceanicznego. Z wody tej korzysta też człowiek. Obliczono, że w dolinie Missisipi 90% opadów pochodzi z mórz.

Drugim charakterystycznym zjawiskiem cyklu jest powiększający się deficyt tzw. Puli wody podziemnej, powodowany głównie działalnością człowieka, w wyniku czego następuje zwiększenie szybkości spływu wód powierzchniowych. Obieg wody w biosferze jest jednym z czynników decydujących nie tylko o klimacie, ale także o rodzajach gleb i roślinności.

Rozpatrując zasoby wodne kuli ziemskiej, należy stwierdzić, że najistotniejsza dla funkcjonowania ekosystemów lądowych jest ta część wody, którą mogą one zgromadzić. Rozkład różnych opadów na lądach jest nierównomierny i charakteryzuje się czterema cechami w wymiarze ogólnoświatowym: pierwsza to maksimum opadów równikowych, odchylonych nieco w stronę półkuli północnej; druga w środkowych szerokościach geograficznych, gdzie występują regularne opady na zachodnich wybrzeżach kontynentów; trzecia to istnienie komór wysokiego ciśnienia w wypalonych suszą obszarach podzwrotnikowych, gdzie deszcz pada rzadko i nie w każdym roku, czwarta to strefa podbiegunowa, która w wyniku zimnego i suchego powietrza, małej ilości opadów staje się pustynią arktyczną.

Krążenie wody w przyrodzie jest stosunkowo szybkie, a ze względu na długość i czas trwania cyklu wyróżnia się duży i mały obieg. Mały cykl hydrologiczny trwa od 1 doby do 1 roku i obejmuje wodę krążącą w układzie atmosfera - powierzchniowa warstwa litosfery wraz z organizmami żywymi, zwłaszcza roślinami. Wyparowywana z gleby i wytranspirowana przez rośliny woda dostaje się do atmosfery i w krótkim czasie skrapla się, opadając w postaci deszczu lokalnego. Najbardziej typowym przykładem małego obiegu jest krążenie wody w wilgotnym lesie w klimacie równikowym lub obieg wody w układzie: morze, ocean parowanie atmosfera deszcz, śnieg morze, ocean. Duży cykl hydrologiczny obejmuje układ: morze, ocean kontynent morze kontynent.

Cała masa wody na Ziemi ulega wymianie w ciągu około 3600 lat, wody atmosferycznej - co mniej więcej 12 dni.

Efekt cieplarniany.
Globalne ocieplenie stało się jednym z najważniejszych problemów środowiskowych lat dziewięćdziesiątych. Globalne ocieplenie jest pochodną efektu szklarniowego (cieplarnianego), który jest jedną z najlepiej udokumentowanych teorii chemii atmosfery. Rycina 28.15 przestawia efekt szklarniowy, będący skutkiem zatrzymywania ciepła przy powierzchni Ziemi. Para wodna, CO2 i inne gazy w ilościach śladowych bardziej absorbują długofalowe, podczerwone promieniowanie emitowane przez kulę ziemską. Wzrost stężenia gazów szklarniowych powoduje więc ocieplenie Ziemi przez odbijanie promieniowania. Żadne z podanych stwierdzeń nie jest kontrowersyjne i odnosi się w równym stopniu do Ziemi, jak i do Wenus ( gęsta atmosfera CO2, bardzo gorąco ) oraz Marsa ( cienka atmosfera CO2, bardzo zimno ). Kontrowersyjne jest natomiast, w jaki sposób na podstawie efektu szklarniowego przewidzieć, o ile podniesie się temperatura Ziemi przy określonej zmianie poziomu takich gazów jak CO2.

Jednym ze sposobów określenia zmian klimatycznych jest spojrzenie w przeszłość. Można wykorzystać do tego lodowce. W śniegu zostaje uwięzione powietrze, gdy przekształca się on w lód lodowca. Pobierając próbki z lodowca można prześledzić zmiany składu atmosfery w przeszłości. Najbardziej pokazowym przykładem zastosowania tej metody jest rdzeń lodowy, o długości 2083 metrów pobrany przez radziecką ekspedycję antarktyczną w stacji w Wostok na Antarktydzie. Ten lodowy rdzeń obejmuje okres 160 000 lat. Temperatura w okresie formowania lodu może być określona na podstawie stosunku zawartego w nim tlenu 18 do tlenu 16. Wynikające z tych pomiarów serie zmian w czasie są przedstawione na rycinie. W okresie 160 000 lat istnieje ścisła korelacja między poziomem CO2 w powietrzu i globalną temperaturą. Ekstrapolacja tych zależności na przyszłość natrafia jednak na trzy trudności. Po pierwsze, obecny poziom CO2 przekracza jego poziom naturalny, jaki występował w ciągu ostatnich 160 000 lat. Nie wiemy, czy możemy ekstrapolować zakładając taką samą zależność, jaką stwierdzono dla wcześniejszego okresu. Po drugie, zmieniamy zawartość CO2 bardzo szybko z roku na rok, podczas gdy zmiany w przeszłości były bardzo wolne. Nie wiemy, jak szybko może ustalić się równowaga między źródłami i „ściekami” CO2. Po trzecie, rycina pokazuje jedynie korelacje między CO2 i temperaturą, a nie wiemy jeszcze co jest przyczyną, co zaś skutkiem.

Do globalnego ocieplenia obok CO2 przyczyniają się także inne gazy szklarniowe. Najważniejszymi z nich są metan, tlenki azotu, ozon i fluorochlorki węgla. W następnym stuleciu te śladowy gazy szklarniowe łącznie mogą być w tworzeniu efektu szklarniowego równie ważne jak CO2.

Jak zmiany poziomu CO2 i przypuszczalne ocieplenie klimatu wpłynie na organizmy żyjące na Ziemi? Istnieje pilna potrzeba odpowiedzi na to pytanie, choć udzielenie konkretnych odpowiedzi w przypadku ekosystemów rolnych i naturalnych jest bardzo trudne. Rozważmy tę kwestię na poziomie osobnika, biocenozy i ekosystemu.

Reakcje organizmów roślinnych

Wpływ podwyższonej zawartości CO2 i wyższej temperatury był szczegółowo badany dla określonych gatunków roślin, ponieważ może to być stosunkowo łatwo wykonane w szklarniach. Gdy inne zasoby są dostępne w odpowiednich ilościach, dodatkowy CO2 może spowodować zwiększenie wzrostu roślin C3 w szerokim przedziale stężeń CO2. Natomiast rośliny C4 nie zwiększają wydajności fotosyntezy przy wyższym poziomie CO2. (…) Przyspieszenie wzrostu u roślin C3 nie zawsze jest takie proste. Niektóre z nich przystosowują się do dużej zawartości CO2 i w miarę upływu czasu wykazują zmniejszone tempo fotosyntezy. Aby można obserwować wpływ zwiększonej zawartości CO2, muszą być w nadmiarze inne zasoby ważne dla wzrostu: woda, światło i substancje biogenne. Przyspieszenie wzrostu przy zwiększonej zawartości CO2 obserwuje się również u drzew iglastych i liściastych, a podwojenie poziomu CO2 powoduje zwiększenie wzrostu drzewa przeciętnie o 40%.

U większości roślin, gdy wzrasta poziom CO2, zmniejsza się transport wody przez szparki. Ponieważ przy wysokim poziomie CO2 szparki są częściej zamknięte, strata wody w wyniku transpiracji jest mniejsza i ostatecznym rezultatem jest efektywniejsze jej wykorzystanie. Rośliny uprawne mogą lepiej rosnąć przy podwyższonym poziomie cO2 z powodu wydajniejszego korzystania z wody, nawet jeśli poziom CO2 nie ma wpływu na intensywność fotosyntezy.

Wpływ CO2 na rozmnażanie się roślin był badany znacznie mniej szczegółowo niż jego wpływ na wzrost. Nie ma wyraźnego wzorca zmian, poszczególne gatunki różnie reagują na zmiany stężenia CO2. Początek kwitnienia może być przyspieszony lub opóźniony pryz podwyższonej zawartości CO2, może się tworzyć mniej lub więcej kwiatów, a liczba nasion i ich wielkość może się zwiększyć lub zmniejszyć.

Warstwy zmarzliny w glebie zawierają duże ilości zamrożonej materii organicznej, która jest niedostępna dla destruentów. Zwiększenie poziomu CO2 spowoduje wzrost temperatury i zwiększone parowanie w arktycznej tundrze. Bilings i współautorzy ( 1983 ) twierdzą, że wzrost temperatury może sprawić, iż biocenozy tundry arktycznej z magazynu staną się źródłem CO2. Aby sprawdzić tę hipotezę, z tundry arktycznej wzięto próbki o ośmiocentymetrowej średnicy i przeniesiono je do szklarni, a następnie zmierzono dla nich bilans CO2 przy jego dwóch różnych poziomach i dwóch poziomach wody gruntowej. Przy stałym poziomie wody gruntowej zwiększenie zawartości dwutlenku węgla ma niewielki wpływ na cykl węgla w zbiorowiskach roślinnych tundry, co wskazuje, że w ekosystemie tym CO2 nie jest czynnikiem ograniczającym. Na cykl węgla w tundrze ma natomiast silny wpływ poziom wody gruntowej. Gdy poziom ten opada, zachodzi intensywniejszy rozkład materii organicznej. Proces ten jest dodatkowo przyspieszany, jeśli wzrasta równocześnie temperatura. Ostatecznym rezultatem prac Billinga jest stwierdzenie, że podwojenie ilości CO2 i związane z tym ocieplenie przekształci ekosystem wilgotnej tundry północnej Alaski z magazynu CO2 w jego źródło.

Reakcje zespołów zwierząt

Nie istnieją dane wskazujące, że zmiany poziomu CO2 w przyszłym stuleciu wpłyną bezpośrednio na zwierzęta. Istnieje jednak obawa, że populacje i zespoły zwierząt roślinożernych mogą odczuć zmiany pośrednio, przez zmiany w roślinach stanowiących ich pożywienie. Zawartość azotu w liściach zwykle spada, gdy zwiększa się zawartość CO2, a to może powodować zmniejszenie wzrostu larw owadów tych gatunków, dla których czynnikiem ograniczających jest azot. W naturalnych biocenozach azot zawarty w roślinach jest często czynnikiem ograniczającym dla owadów roślinożernych a zmniejszona zawartość azotu może zredukować liczebność owadów na roślinach żyjących w warunkach zwiększonego poziomu azotu, roślinożerne owady żerujące na roślinach rosnących w warunkach zwiększonego stężenia CO2 muszą zwiększyć konsumpcję o 20 do 80%.

Kwaśne deszcze

Działalność człowieka polegająca na spalaniu paliw kopalnych wpłynęła bardziej na cykl siarki niż innych pierwiastków biogennych. Podczas gdy emisje dwutlenku węgla i azotu powodowane przez człowieka sięgają zaledwie 5 do 10% emisji naturalnej, to w przypadku siarki wartość ta stanowi około 160%. Jednym z dobrze widocznych skutków tej zmiany cyklu siarki jest powszechny w Europie i Ameryce Północnej problem kwaśnego deszczu. Przez kwaśne opady rozumie się opady śniegu lub deszczu, które mają pH niższe niż 5,6. Niskie wartości pH są spowodowane obecnością silnych kwasów ( kwas siarkowy, azotowy ), które stanowią produkty spalania paliw kopalnych. Nad znacznymi połaciami Europy Zachodniej i wschodniej części Ameryki Północnej średnia roczna wartość pH opadów wynosi od 4,0 do 4,5 , a opady w czasie niektórych burz mają pH 2 do 3.

Siarka uwalniana do atmosfery utlenia się szybko do jonów siarczanowych ( SO4) i osadza na powierzchni lądów lub w oceanach. Krótkoterminowe zjawiska takie jak erupcje wulkanów, przyczyniają się do globalnego cyklu siarki i sprawiają, że trudno jest ocenić stan równowagi atmosfery. Emisje spowodowane przez człowieka są najważniejszym źródłem dodatkowej siarki w atmosferze. Huty metali i elektrownie w ciągu ostatnich 100 lat zwiększyły wielkość emisji. Aby rozwiązać problem lokalnych zanieczyszczeń, budowano wyższe kominy w tych zakładach przemysłowych, co zmniejszało zanieczyszczenie na poziomie gruntu. Wysokie kominy ( powyżej 300m )są obecnie standardem, co wpływa jednak na przenoszenie zanieczyszczeń przez wiatr na dalsze odległości. Lodowce na Grenlandii wykazują znaczny wzrost zanieczyszczenia SO4 w ciągu ostatnich 50 lat. Niszczący wpływ zanieczyszczeń siarkowych na roślinność znany jest od ponad wieku. Dramatycznym przykładem jest sytuacja miasta Queenstown na Tasmanii. W latach 1896-1922 z tamtejszej huty miedzi wydobywał się dym o dużej zawartości siarki. Przeciętna tona rudy z kopalni zawierała 48% siarki, 40% żelaza i mniej niż 3% miedzi. Więcej niż połowa siarki była emitowana z kominów, a spaliny z huty były tak toksyczne, że w ciągu jednego złego dnia mogły zniszczyć roślinność. Przeważające wiatry niosły zanieczyszczenia na wschód i południowy wschód. Gdy zniknęła roślinność, erozja gleby wskutek ulewnych dreszczów oraz pożary zniszczyły całą wierzchnią warstwę gleby i obecnie, 70 lat po zamknięciu huty, tamtejszy teren przypomina krajobraz księżycowy. Kwaśne deszcze nie są więc zjawiskiem nowym.

Obecnie szacunki wskazują, że w ostatecznym rozrachunku więcej SO4 trafia z lądu do oceanów niż w kierunku odwrotnym. Ocean jest także ogromnym zbiornikiem aerozoli, które zawierają SO4. Głównym gazem emitowanym przez fitoplankton morzach jest siarczek metylu, który szybko utlenia się do SO4, a następnie trafia z powrotem do oceanu. Siarczany w oceanach występują w obfitości, a średni czas pobytu atomu siarki w morzy wynosi ponad 3 miliony lat.

Niektóre ze skutków, jakie kwaśne deszcze wywierają na środowisko, już są wyraźnie widoczne. Szczególnie wrażliwe wydają się ekosystemy słodkowodne. Na obszarach których podłoże stanowią skały granitowe, wysoce odporne na wietrzenie, kwaśny deszcz nie jest neutralizowany w glebie, wskutek czego zostają zakwaszone jeziora oraz cieki. Jeziora na obszarach o takim podłożu zwykle zawierają miękką wodę, o słabych właściwościach buforujących. Tak więc właściwości skały macierzystej mogą świadczyć o stopniu podatności na zakwaszenie. Prekambryjska Tarcza Bałtycka w Skandynawii, Tarcza Kanadyjska, cała Nowa Anglia, Góry Skaliste są więc terenami, gdzie mogą wystąpić te problemy.

Najwyraźniej skutki kwaśnych opadów są widoczne w populacjach ryb w Skandynawii i wschodniej Kanadzie. Zmniejszyły też liczebność lub zostały wyeliminowane populacje ryb w wielu tysiącach jezior w południowej Norwegii i Szwecji, gdy tylko pH w ich wodach spadło poniżej 5.

Skutki działania kwaśnych opadów na ekosystemy lądowe są bardziej złożone i trudniejsze do wyjaśnienia. Dobrym przykładem złożonego charakteru tych skutków jest degradacja lasów w Europie. Problem jest szczególnie poważny w Europie Środkowej, gdzie żółknięcie i utrata igieł u świerka przyciągnęły uwagę publiczną. Uszkodzenia świerków na dużą skalę zostały po raz pierwszy zauważone pod koniec lat siedemdziesiątych w Bawarii w Niemczech, a na początku lat 80. Około 25% wszystkich lasów europejskich zostało uznanych za umiarkowanie lub poważnie uszkodzone przez nieznane czynniki. Obecnie wiadomo, że są za to odpowiedzialne liczne, współdziałające ze sobą czynniki związane z zanieczyszczeniami powietrza.

Rejon lasów w Bawarii w południowych Niemczech jest narażony na działanie SO2 w dużym stężeniu a poziom ozonu i tlenków azotu jest często na tyle wysoki, że może dojść do bezpośredniego uszkodzenia liści. Te gazowe zanieczyszczenia nie wpływają jednak bezpośrednio na igły drzew iglastych. Tempo fotosyntezy w igłach świerka jest takie samo w Niemczech jak i w nie zanieczyszczonej Nowej Zelandii. Wpływ zanieczyszczeń powietrza przejawia się najsilniej w glebach leśnych. Następuje zakwaszenie gleb, gdyż nagromadzenie azotanów i siarczanów oraz zakwaszona woda glebowa zmniejszają możliwość pobierania wapnia, magnezu i potasu przez korzenie. Interakcje między jonami w glebie są szczególnie skomplikowane. Na przykład pobór magnezu przez korzenie jest hamowany w obecności jonów glinu i amonowych. Siewki świerka rosnące na kwaśnych glebach odznaczają się niedoborem magnezu, zwłaszcza gdy obecny jest glin. Drzewa świerkowe są więc pobudzane do wzrostu przez nawożenie azotem zawartym w zanieczyszczonym powietrzu, ale zakwaszenie gleby, towarzyszące zwiększonej ilości azotanów i siarczanów, zmniejsza dostępność magnezu i wapnia. Niedobór tych pierwiastków powoduje żółknięcie i opadanie igieł. Choroby roślin odgrywają, jak się zdaje, jedynie drugorzędową rolę w degradacji lasów, ale kiedy drzewo jest osłabione zakłóceniem równowagi pierwiastków biogennych, choroby grzybowe lub inwazje owadów mogą się nasilić.

Zmiany w cyklu siarki spowodowane przez człowieka mogą więc zmienić krążenie pierwiastków w naturalnych ekosystemach na skutek działania różnych mechanizmów, których nie potrafimy jeszcze zrozumieć, a tym bardziej przewidzieć. Nie możemy kontynuować zanieczyszczenia powietrza w naiwnej wierze, że cykle pierwiastków biofilnych mają nieskończenie dużą odporność na dopływ pierwiastków ze źródeł antropogenicznych. Niedawne wysiłki na rzecz redukcji emisji siarki w wyniku spalania paliw kopalnych zwolniły wzrost poziomu emisji siarczanów. Kiedy więc już kwaśne opady zmniejszą się, zarówno leśne, jak i jeziorne ekosystemy mogą zacząć wracać do równowagi po wyrządzonych szkodach.

Dziura ozonowa

Ozon jest gazem, który należy rozpatrywać w dwóch aspektach. Jako gaz występujący w przyziemnych warstwach powietrza jest zjawiskiem negatywnym, ponieważ niekorzystnie oddziałuje na rośliny, zakłócając procesy fotosyntezy i osłabiając mechanizmy obronne roślin. Gaz ten niszczy też błony komórkowe, uszkadza mitochondria i zaburza procesy oddychania wewnątrzkomórkowego. Ozon przyziemny negatywnie wpływa też na zdrowie ludzi, powoduje bóle głowy, podrażnienia śluzówek oka, nosa, wywołuje kaszel, bóle klatki piersiowej, zmniejszenie wydolności fizycznej organizmu itp.

Jako gaz stratosferyczny jest zjawiskiem pozytywnym ze względu na zatrzymywanie większości promieniowania ultrafioletowego docierającego do górnych warstw atmosfery.

Zjawisko niszczenia warstwy ozonowej przejawia się dziurą ozonową. Konsekwencje zmniejszenia się grubości ozonosfery są dziś dość rozległe, tym bardziej, że utrata kilku procent tej powłoki ochronnej może znacznie ograniczyć życie na Ziemi. Już utrata 1% ozonu powoduje wzrost intensywności promieniowania ultrafioletowego na tyle, że niszczy ono chlorofil, powoduje zmiany klimatyczne, wzrost zachorowań na nowotwory i nasilenie mutacji u organizmów. Na początku lat 90. nastąpił rozrost dziury ozonowej nad Antarktydą oraz bardzo powolny spadek ozonu zimą w dużych i średnich szerokościach półkuli północnej. W tym czasie zaobserwowano również istotny spadek koncentracji tego gazu w dolnej stratosferze wiosną i latem w średnich i wysokich szerokościach geograficznej obu półkul. Przyjmuje się, że głównym mechanizmem powstawania dziury ozonowej oraz spadku ozonu w wysokich i średnich szerokościach geograficznych są procesy chemiczne związane ze wzrostem zawartości chloru i bromu w atmosferze, spowodowane produkcją antropogeniczną freonów i halonów.

---