OCHRONA POWIETRZA
Dolne warstwy atmosfery są siedliskiem życia.755 km
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.
O2 i CO2 – „kompromis ewolucyjny”
Ekologiczne uwarunkowania składu atmosfery
Wokół nas mamy na szczęście tlen i azot dzięki którym życie może w takiej formie funkcjonować
Z tlenem i azotem pozostają w równowadze niskie koncentracje dwóch
związków tlenu – dwutlenku węgla i pary wodnej
Azot- Azot jest określany często (nawet w podręcznikach) jako „wypełniacz”, przez co podkreślamy, że kluczowe znaczenie ma dla życia tlen i dwutlenek węgla.
Azot jest więc nam niezbędny do życia również w swej wolnej, nieaktywnej chemicznie postaci.
Czy istnieją organizmy korzystające 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 błocie: w bagnach, na dnie zanieczyszczonych jezior.
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.
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 CO2
CO2 jest gazem, którego stężenie w powietrzu regulowane jest w bardzo delikatny sposób.
Stężenie CO2 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 CO2 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 CO2, 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 CO2 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.
A więc 0,03% CO2 w powietrzu jest wynikiem chemicznej równowagi między
powietrzem i wodą.
Stężenie CO2 w morzu jest stałe dzięki odkładaniu nadmiaru węglanów na dnie.
A więc 0,03% CO2 w powietrzu jest wynikiem chemicznej równowagi między
powietrzem i wodą.
Czy ta równowaga jest trudna do zaburzenia?
Regulacja zawartości CO2 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 CO2, 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.
Teraz, kiedy spalamy węgiel, dawny CO2 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 CO2 w powietrzu o kilka razy.
Czego można się spodziewać?
Jednak niektóre pomiary koncentracji CO2 wykazują tendencję niezbyt optymistyczną. Obserwujemy obecnie stały wzrost koncentracji CO2, 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 CO2 mogły zostać pochłonięte wody muszą się wymieszać tak, by te z nadwyżką CO2 znalazły się przy dnie, a same zostały zastąpione przez świeżą wodę.
Wody w oceanach mieszane są przez wiatry bardzo powoli. Potrzeba przeszło stu lat, by chociaż raz wymieniła się cała ilość wody.
Niektóre przewidywania mówią, że zanim oceany zaczną ponownie wychwytywać
z atmosfery CO2 i przywrócą jego dawne proporcje, jego ilość w atmosferze niemalsię podwoi.
Stężenie CO2 w powietrzu wzrośnie więc z 0,03 do 0,06% objętościowych.
Jakie to będzie miało skutki?
Istnieją różne scenariusze dalszych wydarzeń.
Nie oznacza to na pewno Z drugiej jednak strony wzrost ten
nagłej katastrofy. nie może być bez znaczenia
Podwojenie ilości jednego z najważniejszych gazów atmosfery na pewno nie pozostanie
bez zmian w całej biosferze.
Co się stanie?
Uważa się, że procesy te doprowadzą do globalnych zmian klimatu
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 Potrzebna jest ogromna moc obliczeniowa
• istnieje nieskończona liczba
wzajemnych powiązań i sprzężeń
zwrotnych w systemie
klimatycznym
Duży stopień niepewności modeli
Jednym z elementów klimatu jest 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).
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.
Energia Energia odbita od Energia
docierająca ze powierzchni Ziemi i wyemitowana jako
Słońca prom. cieplne
atmosfery +
Ziemia otrzymuje energię Słońca w postaci promieniowania krótkofalowego
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).
Gazy cieplarniane (szklarniowe) - GHG(ang. greenhaus gases)
Efekt cieplarniany lub szklarniowy(analogiczny proces zachodzi w szklarni)
Efekt cieplarnianyjest 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.
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 CO2) mają niewielkie znaczenie.
2. Inna grupa naukowców czołową rolę w tym zjawisku przypisuje CO2, przy czym oceny procentowe są różne.
Najważniejsze gazy szklarniowe to:
- para wodna,
- CO2,
- metan (CH4),
- podtlenek azotu (N2O),
- 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 CO2,
- NOx 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
7% inne CFC
6% podtlenek azotu N20
15% metan CH4
55% CO2