Zagrożenia cywilizacyjne dla środowiska i zrównoważony rozwój
Największe źródło zanieczyszczenia środowiska: procesy wytwarzania energii
Zagrożenia Biosfery
Gwałtowny rozwój populacji ludzkiej (1)
Zmiany klimatu ziemi (3)
Kurczenie się zasobów wodnych (9)
Utrata szaty roślinnej ziemi (5)
Postępująca degradacja ziem uprawnych (6)
Nadmierna eksploatacja ekosystemów i niezrównoważony rozwój miast (7)
Postępująca urbanizacja (11)
Wielkie ruchy ludności (10)
Nadmierna chemizacja produkcji rolnej (8)
Chemiczne zatrucie biosfery, szczególnie atmosfery (4)
Uszkodzenie ozonowej warstwy ziemi (2)
Wstęp
Zasoby gleb Ziemi wg. World soil resources: an explanatory note on the FAO, Food & Agriculture Org., 1993, s.12, ok. 12,625 mld ha.
Rozdział pierwszy (I)
Rozdział drugi (II)
Efekt cieplarniany - przewodnik
Ziemia, której historia liczy sobie około 4,55 mld. lat, od chwili jej powstania ulegała nieustannym przeobrażeniom. Ich finalne skutki możemy obserwować dzisiaj. Nie oznacza to wcale, że przemiany te ustały. Zachodzą one nieustannie zmieniając oblicze naszej planety. Niemniej w skali czasu jednego, dwu pokoleń są to zmiany niezauważalne i nie popełniając większego błędu możemy, a raczej mogliśmy mówić, że Ziemia pozostawała, i miejmy nadzieję, pozostanie w stanie równowagi dynamicznej. Oznacza to tyle, że na planecie przemiany zachodziły nieustannie, ale ich działania równoważyły się (prawie) i to w każdej sferze. Dotyczyło to także równowagi termicznej. Ilość ciepła pozyskiwana przez planetę od Słońca w formie docierającego doń promieniowania, była równoważona emisją takiej samej ilości energii promienistej w kosmos. Ponieważ inne rodzaje energii, ze względu na ich niewielki udział, nie mają praktycznego wpływu na warunki panujące na powierzchni naszej planety, np. energia geotermalna, to temperatura na ziemi powinna być przez czas jej istnienia praktycznie stała i gdyby nie ów "efekt cieplarniany" ujemna. Według różnych źródeł powinna ona wynosić od -27 do -18 oC. Najczęściej podaje się że byłoby to -19 oC. Ponieważ średnia temperatura u powierzchni Ziemi zawiera się w zakresie 14 - 15 oC, to bez trudu można wyliczyć, że efekt cieplarniany wyrażony przyrostem średniej temperatury powierzchni naszej planety wynosi 33 - 34 oC.
Jak to się dzieje? Jest to nieźle przedstawione na rysunku zamieszczonym w Wikipedii (kopia poniżej). By ułatwić jego zrozumienie narysujmy analogiczny, acz uproszczony rysunek pomocniczy. Punkty zaczepienia i końcówki strzałek usytuujmy tak, by pokazywały jasno, skąd - dokąd transportowane jest ciepło. Na rysunku są trzy przestrzenie: górna - kosmos, środkowa - atmosfera ziemska, dolna - skorupa ziemska. Bilans Kosmosu: + 107 - 342 + 235 = 0; bilans atmosfery (wraz z chmurami): + 67 + 24 + 78 + 350 - 165 - 30 - 324 = 0; bilans powierzchni Ziemi: + 168 + 324 - 24 - 78 - 350 - 40 = 0 [W/m2].
Rys. 2 Pomocniczy do Rys. 1 [W/m2]
Rys. 1. Efekt cieplarniany (kopia z Wikipedii) [W/m2]
Jak to uwidoczniono na rysunku 1 promieniowanie słoneczne dociera do atmosfery ziemskiej i podąża przez nią w kierunku powierzchni Ziemi. Po drodze część zostanie odbita od chmur i aerozoli i wróci w kosmos (77 W/m2; dalej jednostki pominiemy), część (30) dotrze do powierzchni Ziemi ale się od niej odbije i też wróci w kosmos, część zostanie w atmosferze pochłonięta (67) ogrzewając ją, a część dotrze do powierzchni Ziemi (168) i zostanie pochłonięta ogrzewając glebę. Przypomnijmy, tutaj, że energia promienista zamienia się w ciepło i grzeje, tylko wtedy kiedy jest pochłaniana przez materię, a nie przez nią przenika lub od niej się odbija. Ciepła powierzchnia Ziemi (tak jak każde ciało) emituje w kierunku kosmosu promieniowanie (na dzisiaj 390), z którego część rzeczywiście ucieknie w kosmos (40), ale większość zostanie w atmosferze pochłonięta i reemitowana w stronę powierzchni Ziemi (324). To co nie wróciło na ziemię (350 - 324 = 26) ogrzeje atmosferę. Zostanie też ona podgrzana wskutek przetransportowania do niej ciepła z powierzchni Ziemi wraz z ciepłem parowania wód (78) oraz w drodze konwekcji (24). Sumując otrzymujemy 67 + 24 + 78 + 26 = 195. Atmosfera oddaje tę ilość ciepła do kosmosu: strumienie 165 + 30. Podane wyżej strumienie energii cieplnej osiągają te wartości przy określonej temperaturze atmosfery i powierzchni Ziemi - temperaturach równowagi. W razie zwiększonego zatrzymywania w atmosferze promieniowania emitowanego z powierzchni Ziemi wskutek wzrostu koncentracji niektórych gazów - tzw. cieplarnianych, temperatura Ziemi i jej atmosfery musi wzrosnąć, by zwiększyć ucieczkę ciepła w kosmos. Podsumowując: efekt cieplarniany jest skutkiem pochłaniania w atmosferze docierającego doń promieniowania, głównie długofalowego emitowanego z powierzchni Ziemi. Powoduje to wzrost temperatury atmosfery do momentu, kiedy to wzmagająca się na skutek tego energia promieniowania emitowanego z atmosfery do kosmosu nie zrówna się z energią promieniowania pochłanianego w atmosferze. Każdemu wzrostowi zdolności atmosfery do pochłaniania promieniowania (ściśle powiązanemu z zawartością weń gazów cieplarnianych) towarzyszy więc wzrost temperatury atmosfery i powierzchni Ziemi. Następujący na skutek tego dryft stanu równowagi termicznej wywołuje podobną odpowiedź ze strony ekosystemu ziemskiego. Podobną ale nie taką samą. Tutaj była tylko zmiana temperatury, a w ekosystemie powierzchni Ziemi uzależnionym od zdecydowanie większej liczby czynników (parametrów) nastąpi "przemeblowanie" całych stosunków, tym większe, im większy będzie wzrost temperatury. Może wywołać to ogromne straty przeliczalne na pieniądze, ale i takie, które trudno w nich wyrażać, np. wymarcie wielu gatunków, po nasz włącznie. Przedstawione wyżej rozważanie jest uproszczone, pomijające choćby zmiany zdolności do dobijania promieniowania przez powierzchnię Ziemi i atmosferę wraz z chmurami. W praktyce zjawiska te są dużo bardziej złożone, stąd i wiele trwających nieustannie sporów co do ich istoty i skutków. Wątpliwości są na tyle fundamentalne, że niekiedy dotyczą tego co jest przyczyną, a co skutkiem. Na dowód zacytuję fragment tekstu z Wiedzy i Życia (odnośnik niżej): "Po raz kolejny stwierdzono także ścisły związek wahań temperatury i stężenia gazów cieplarnianych w powietrzu. Wciąż nie wiadomo tylko, czy przyrost CO2 w powietrzu powoduje ocieplenie (w wyniku efektu cieplarnianego), czy też jest na odwrót - ocieplenie powoduje przyrost CO2 (jako konsekwencja rozgrzania oceanów i uwolnienia z nich tego gazu)". Więcej wartościowych informacji można stosunkowo łatwo znaleźć w Wikipedii: http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_cieplarniany, http://pl.wikipedia.org/wiki/Globalne_ocieplenie, http://pl.wikipedia.org/wiki/Kontrowersje_wok%C3%B3%C5%82_globalnego_ocieplenia i w cytowanych weń materiałach źródłowych. Wartymi przeczytania są też artykuły drukowane w czasopiśmie Wiedza i Życie: http://archiwum.wiz.pl/2001/01074200.asp, http://archiwum.wiz.pl/1999/99110400.asp, http://archiwum.wiz.pl/1999/99100300.asp, http://archiwum.wiz.pl/1998/98051700.asp, http://archiwum.wiz.pl/1999/99045000.asp, niektóre strony internetowe, np. http://www.ocieplenie.info/. Szczególnie wartym przeczytania, choć kontrowersyjnym, jest artykuł prof. Z. Jaworowskiego w Polityce: http://www.polityka.pl/polityka/index.jsp?place=Lead33&news_cat_id=936&news_id=251186&layout=18&forum_id=14624&fpage=Threads&page=text#1.
Nie wnikając głębiej w temat, a tym bardziej nie próbując rozstrzygać kto ma rację, można podać niektóre fakty. Do najważniejszych gazów cieplarnianych zaliczane są: para wodna, dwutlenek węgla (CO2), metan (CH4), tlenek diazotu (N2O), freony (chloropochodne węglowodorów) i inne. Efekty wywoływane przez niektóre składniki atmosfery zostały zebrane w zamieszczonej niżej tabeli.
Tabela 1. Absorpcja promieniowanie podczerwonego (IR) przez hipotetyczną atmosferę ziemską pozbawioną niektórych składników oraz przyrost energii powodowany przez składnik na poziomie topopauzy[16]
Absorbent usunięty z mieszaniny |
Część IR zaabsorbowana, % |
Różnica przychodu i ubytku energii promienistej na poziomie tropopauzy, W/m2 |
Żaden |
100 |
0 |
H2O |
64 |
-56 |
Chmury |
84 |
- |
CO2 |
91 |
-23 |
O3 |
97 |
- |
Inne gazy cieplarniane |
98 |
-3 |
H2O + Chmury |
34 |
- |
H2O + CO2 |
47 |
-89 |
Wszystkie bez H2O + chmury |
85 |
- |
Wszystkie bez H2O |
66 |
- |
Wszystkie bez CO2 |
26 |
- |
Wszystkie bez O3 |
7 |
- |
Wszystkie bez gazów cieplarnianych |
8 |
- |
Wszystkie |
0 |
- |
W I kolumnie tabeli pokazano jaka będzie absorpcja (w %) promieniowania podczerwonego jeżeli z masy powietrza zostanie usunięty dany składnik. Pośrednio świadczy to o wielkości wpływu tego składnika na całość efektu. Z wartości podanych w kolumnie trzeciej można wnioskować, że para wodna i CO2 przyczyniają się do absorpcji znaczących ilości energii promienistej w atmosferze (po usunięciu obu składników maleje ona o 89 W/m2; przypomnijmy - całość to 350). Jednakże jest to efekt powodowany przez sumę tych składników niezależnie od ich pochodzenia (naturalne czy antropogeniczne). Udział absorpcji powodowanej gazami pochodzenia antropogenicznego (wyznaczony jako zmiana w stosunku do stanu z roku 1750) jest ok. pięćdziesiąt razy mniejszy i wynosi ok. 1,6 W/m2 - Rys. 3
(http://en.wikipedia.org/wiki/File:Radiative-forcings.svg ) (całość jest czytelna po powiększeniu).
Rys. 3. Wymuszona zmiana energii promieniowania (radiative forcing)
Zazwyczaj przyjmuje się, że para wodna jest najważniejszym gazem absorbującym promieniowanie wywołując samodzielnie 36% - 66% bezpośredniego efektu cieplarnianego, a razem z chmurami od 66% do 85% tego zjawiska. Sam CO2 odpowiada za 9% - 26%, podczas gdy O3 jest odpowiedzialny za 7%, a inne gazy cieplarniane (w tym głównie metan, tlenki azotu i freony) za 8% efektu.
Jakie efekty może wywołać wzrost średniej temperatury biosfery naszej planety - przewodnik?
Prognozowanie zmian które mogą pojawić się w biosferze na skutek wzrostu jej temperatury i innych parametrów jest nie mniej złożone, jak prognozowanie skali samego efektu cieplarnianego. Niektóre zmiany, jak przykładowo zmiany plonowania roślin powodowane wzrostem stężenia CO2 można przewidywać dość dokładnie, bo efekty te zostały dokładnie zbadane - w tym przykładzie w związku z obserwacjami poczynionymi podczas upraw w szklarniach. Inne, jak zmiany poziomu oceanu światowego, pokrywy lodowej, kierunku prądów oceanicznych itp. są utrudnione ze względu na brak bezpośredniego doświadczenia badawczego. Doświadczenie zastępowane jest modelami, ale te, jak można zauważyć z lektury polecanego wcześniej artykułu prof. Z. Jaworowskiego dają wyniki obarczone dużą niepewnością. Dalej zasygnalizowane zostaną poprzez wskazanie źródeł internetowych (podanie lików) najczęściej prezentowane skutki ocieplenia klimatu.
Czy zjawiska te można z góry zakwalifikować jako negatywne? Raczej nie, szczególnie jeżeli rozważane będą one w skali lokalnej, a nie całego globu. Mieszkańcom chłodniejszych stref podniesienie średniej temperatury może być na rękę. Spadną koszty ogrzewania i odzieży, wydłużeniu ulegnie okres wegetacji roślin - wzrosną średnioroczne plony, ogólnie będzie przyjemniej. Co innego w strefach gdzie już teraz jest za gorąco - mogą zamienić się w pustynie. Ogólnie podniesienie temperatury zwiększy szybkość zachodzenia różnych procesów. Wzrośnie aktywność atmosferyczna, w tym siła i częstotliwość wiatrów oraz ogólna liczba i wielkość opadów. Jednym rejonom to zaszkodzi, ale wielu może pomóc. Patrząc na życie biologiczne, jeżeli nie dojdzie do totalnej zagłady jak to opisują w pkt. 18, to też jedne gatunki na tym zyskają, a inne stracą. Zresztą emisja 5000 t węgla, co podano w linku (pkt. 18) zajęłaby ludzkości około 500 lat, a to daje szansę by nasi następcy mogli zweryfikować poprawność, przynajmniej niektórych przewidywań. Nie ulega natomiast wątpliwości, że gdyby spełniła się choć istotna część tych czarnych scenariuszy, to na naszej planecie musiałyby nastąpić istotne zmiany wielu układów, w tym gospodarczych i społeczno-ekonomicznych. To oczywiście musiałoby kosztować, a ponadto daje realne podstawy do przewidywania scenariusza rodem z pkt. 16.
Czy przewidywania te mogą się spełnić - przewodnik?
Zgodnie z regułą przekory Le Chateliera-Brauna (znaną zapewne chemikom) każdemu działaniu towarzyszy przeciwdziałanie. Jak w sytuacji rosnących stężeń CO2 będzie reagowała przyroda? Na ten temat niestety istnieje niewiele materiałów. Jedno jest pewne - przyspieszą procesy biologiczne, w tym, wzrost roślin, a więc wzrośnie absorpcja i akumulacja CO2 w roślinach. Dla spowolnienia przyrostu stężenia CO2 ważne jest by były to rośliny długo żyjące, najlepiej drzewa. Bez problemu zmagazynują węgiel na 100 lat, niektóre z nich na znacznie dłużej. Obyśmy tylko dali im szansę istnienia. Na rysunku 4 pokazano jak stężenie CO2 wpływa na natężenie fotosyntezy u obu typów roślin, C3 i C4.
Rys. 4. Wpływ stężenia CO2 na natężenie fotosyntezy mierzone pobieraniem CO2 u roślin C3 i C4 (http://pl.wikipedia.org/wiki/Fotosynteza#Fotosynteza_C3-C4).
Widzimy, że natężenie fotosyntezy (szybkość) rośnie u obu typów roślin. Jest faktem, że obrazujące to krzywe mają nieco różny kształt, ale najważniejsze jest to, że przyrost natężenia fotosyntezy zachodzi do stężeń CO2 wyższych niż obecnie występujące w powietrzu, czyli 0,06% dla roślin C4 (stanowią ok. 1% wszystkich roślin) i 0,1% (1000 ppm) dla C3, a to daje szansę na hamowanie przyrostu stężenia CO2 póki ten poziom nie zostanie przekroczony.
Rys. 5. Typowy wykres natężenia fotosyntezy w zależności od natężenia światła dla niskiej i wysokiej temperatury (http://pl.wikipedia.org/wiki/Fotosynteza#Fotosynteza_C3-C4).
Z rysunku 5 widzimy, że natężenie fotosyntezy zależy bardzo silnie od temperatury, a więc to zjawisko też będzie przeciwdziałało jej dalszemu przyrostowi.
W miarę wzrostu stężenia CO2 (tak jak i każdego innego gazu) rośnie jego rozpuszczalność w wodzie, ale wraz ze wzrostem temperatury wody maleje. Który z tych dwu procesów będzie w istniejących w danej chwili na Ziemi warunkach dominował? Gdyby rozpuszczanie, to ocean światowy mógłby pochłonąć olbrzymie ilości CO2. Zapewne istnieje więcej procesów mogących spowalniać wzrost stężenia CO2 oby tylko nie zostały "wyłączone" przez człowieka.
Niezależnie od tego czy efekt cieplarniany może wymknąć się spod kontroli, czy też nie, jedno jest ważne - paliwa kopalne trzeba oszczędzać, bo już teraz zaczynamy odczuwać ich niedostatek. Co powiedzą o nas kolejne pokolenia jeżeli będą musiały się bez nich obejść? Przecież te kopaliny to nie tylko nośnik energii, ale też podstawowy surowiec dla przemysłu chemicznego. Bez nich nie sposób wytworzyć tanio większość znanych nam produktów chemicznych: nawozów, tworzyw sztucznych, leków, środków ochrony roślin itd.
107
342
235
30
168
165
78
24
67
350
324
77
30
Kosmos ±
Słońce
40
Atmosfera ±
Odbite od chmur i ziemi
Wyemitowane z chmur
Wyemitowane z ziemi
Ziemia, pochłonięte
Wyszukiwarka