Környezeti
klimatológia II.
Makra László
Az óceánok
Alapismeretek
Az óceánok
Az óceánok nagyon fontos szerepet töltenek be a földi éghajlat irányításában az Egyenlítőtől a sarkok felé
történő hőszállítás révén. E hőszállítás nélkül bolygónk legnagyobb része túl hideg lenne az emberi élet
számára. A tenger egyúttal fontos táplálék és
energiaforrás is. A nem megújuló energiaforrások közül az olaj és a gáz, míg a megújulóak közül a szél és a
hullámok találhatók itt. A partvidéki területek szerepe különösen fontos, mivel a földi népesség több mint 60
%-a a tengerparti 100 km-es sávban él.
Az Alapismeretek c. fejezetben:
9 Megfigyeljük, hogyan áramlik a hő az óceánokban, s a víz mely különleges tulajdonságai segítenek a földi éghajlat
szabályozásában.
9 Megismerjük az óceánokban előforduló legfontosabb életközösséget, a fitoplanktonokét; bemutatjuk növekedésüket, és táplálékforrásaikat.
9 Azt is tanulmányozzuk, hogy ezek az egysejtű tengeri növények hogyan befolyásolják az éghajlatot a szén-dioxid
megkötésével, s olyan gázok termelésével, amelyek a légkörbe kerülve segítenek a felhőzet kialakításában.
1. Fejezet: Az óceánok és az éghajlat
• A víz tulajdonságai
• Az óceáni cirkuláció
• A szén-dioxid megkötés
2. Fejezet: Óceáni tápanyagok
• Fitoplanktonok és tápanyagok
• A fitoplanktonok növekedése
• Eutrofizáció
3. Fejezet: Fitoplanktonokból származó gázok
• Kéngázok
• Aeroszolok és az éghajlat
• Tengervízből származó gázok – I.
• Tengervízből származó gázok – II.
1.Fejezet: Az óceánok és az éghajlat
• A víznek van egy csodálatos tulajdonsága, amivel hozzájárul az éghajlat irányításához, és lehetővé teszi a Földön az életet. Bár a bolygónkat Földnek nevezzük, valójában területének csak 29 %-a
szárazföld; a maradék vízzel borított, és csaknem az összes víz az óceánokban található. Az óceánok
vize folyamatosan mozgásban van a bolygó körül, mint ha egy hatalmas szállítószalag lenne, a felszíni vizek felől a mélyebb felé süllyedve és ismét
felemelkedve. A szél, a víz sótartalma és a
hőmérséklet irányítják ezt az áramlási rendszert. Ez az óceáni cirkuláció segít a Napból származó hő
szétterjesztésében a Földön.
Az óceánok hatalmas mennyiségű
szén-dioxidot is megkötnek a légkörből.
Az ember által a fosszilis üzemanyagok elégetésével termelt szén-dioxidnak kb.
negyede az óceánokban tárolódik.
Egyes óceáni területeken ez a szén évszázadokon keresztül képes
elraktározódni, csökkentve ezáltal a globális felmelegedés hatását.
A víz speciális tulajdonságai
A Föld 71 %-a vízzel borított, és ennek a víznek a 97 %-a az óceánokban található. A víz két hidrogénatomból és egy
oxigénatomból áll. A víz elektronstruktúrája miatt az oxigénatom
gyengén negatív töltésű, a hidrogénatom pedig gyengén pozitív töltésű.
Amikor a vízmolekulák közel kerülnek egymáshoz, a negatív és a pozitív töltésű részek vonzzák egymást. Ez a vonzási kölcsönhatás a hidrogénkötés. A hidrogénkötések az okozói a víz speciális
tulajdonságainak, amelyek lehetővé teszik az életet a Földön.
A víz szerkezetén láthatjuk az oxigén atom gyenge negatív töltését, és a hidrogén atom gyenge pozitív töltését. A vízmolekulák ezen elektromos szerkezetük miatt képesek hidrogénkötés kialakítására másik vízmolekulával.
A tiszta víz sűrűsége miként változik a hőmérséklettel. Az
ábra mutatja, hogy a tiszta víznek folyadék állapotban 4 °C-
on a legnagyobb a sűrűsége.
9 A víz az egyetlen természetes anyag, melyet mindhárom
halmazállapotban [gáz (vízgőz), folyadék és szilárd anyag (jég)] megtalálhatunk a Földön.
9 A sűrűség egy mérték, mely
megmutatja, hogy mennyire tömör egy anyag. Úgy határozzuk meg, hogy az
anyag tömegét elosztjuk a térfogatával. A szilárd anyagok majdnem minden esetben a legsűrűbbek, aztán következnek a
folyadékok, végül a gázok. A hőmérséklet növekedésével a sűrűség általában
csökken. A tiszta víz kivétel ez alól. Ez az egyetlen olyan anyag, melynek folyadék- ként legnagyobb a sűrűsége. A víz 4 °C körül a legsűrűbb. Ez azért van, mert a vízmolekulák közötti hidrogénkötés a
jégnek egy nagyon stabil nyílt struktúrát ad.
Alacsony hőmérsékleten a víznek nagyobb a sűrűsége, mint a jégnek, ami azt jelenti, hogy a jég úszik a vízen.
A tengervíz hőmérséklete miként változik a léghőmérséklettel.
Rögzített sókoncentráció mellett (ebben az esetben 35 ezrelék), a
tengervíz sűrűsége csökken a hőmérséklettel.
9 Sót adva a vízhez növekszik a sűrűsége. Ez meggátolja a hidrogén kötések kialakulását. Ez azt jelenti a tengervíznél, eltérően a tiszta vízhez, hogy a sűrűség maximuma nem 4 °C- nál van, hanem amikor jéggé alakul, azaz fagyáskor. Ez azt is jelenti, hogy a tengervíz 0 °C alatt fagy meg (ezért
szórnak sót az utakra hideg éjszakákon, hogy csökkentsék a jég kialakulásának kockázatát).
Négyszer több energia szükséges a víznek 1 °C-kal történő
fölmelegítéséhez, a levegőhöz képest.
9 A víznek igen nagy a fajlagos
hőkapacitása. Ez azt jelenti, hogy sok energia szükséges ahhoz, hogy a
hőmérsékletét növelje (az energia ahhoz kell, hogy felbontsa a hidrogénkötéseket).
Mivel a Föld felszínének 71 %-át víz
borítja, a Napból érkező energia csak kis változást okoz a bolygó hőmérsékletében.
Ez gátolja meg, hogy túl meleg vagy túl hideg legyen, s lehetővé teszi a feltételeket az élethez. A hőt az óceánok nyáron
tárolják, télen pedig visszasugározzák a légkörbe. Az óceán ennek következtében mérsékli az éghajlatot, csökkenti az
évszakok közötti különbségeket.
Kép a hullámokról, ahogyan egy kutatóhajó oldalához csapódnak 9 A víznek a párolgási hője is magas. Ez azt jelenti, hogy sok
napenergia szükséges ahhoz, hogy a folyadékból vízgőz legyen.
Mivel a vízgőz a melegebb területek felől a hidegebb felé mozog, visszaalakul folyadékká, és csapadékot okozhat. Ez felszabadítja a hőt, ami felmelegíti a levegőt. Ez a hatalmas mennyiségű
energia magába foglalja a földi viharok és szelek erejét.
9 Számos anyag oldódik a vízben és stabilizálódik a hidrogén kötéssel.
Ez teszi lehetővé az oxigén, a szén-dioxid, a tápanyagok és a szennyező anyagok szállítását a vízben, továbbá lehetővé teszi a biológiai folyamatokat is.
9 Mivel az olajmolekulák nagyok, és elektromosan nem töltöttek, nem tudnak kisebb töltött molekulákra bomlani és stabilizálódni a vízben. Ez azt jelenti, hogy nem oldódnak a vízben.
Az óceáni cirkuláció
A Napból érkező energia nem egyenletesen érkezik az egész Földre. A legtöbb energia az Egyenlítőnél lép be a Föld-légkör rendszerbe. Ez nagy hőmérsékleti
különbség kialakulásához vezet az Egyenlítő és a
sarkok között. Mind a levegő, mind az óceán mozgásait ez a hőmérséklet-különbség irányítja, és eredménye az Egyenlítőtől a sarkok felé történő hőszállítás. A bolygó hőtranszportjának kb. felét az óceánok végzik, ezért az óceánok rendkívül fontosak a földi éghajlatot
kormányzó rendszerben. Ha a globális felmelegedés megváltoztatja az óceáni cirkulációt, óriási változások valószínűek az éghajlatban is. Az óceáni cirkuláció
oxigént is szállít a légkörből az óceánokba, lehetővé
téve ezáltal az életet a tengerben.
A tengervíz folyamatosan mozog, mintha egy hatalmas szállítószalag lenne: a felszínről a mélyebb rétegek felé lesüllyed, majd más
helyeken felemelkedik. A hatalmas távolságok miatt, továbbá amiatt, hogy az óceánok lévén lassú rendszer, egy körforgás elvégzéséhez hosszú időre van szükség. Kb. 1000 évig tart, amíg a víz körbejárja a Földet.
A víz mozgását az óceánokban két erő okozza, amelyek szorosan kapcsolódnak egymáshoz:
¾ A sűrűség által előidézett cirkuláció, melyet a különböző helyek tengervíz sűrűségének különbségei vezérelnek. A tengervíz sűrűsége függ annak hőmérsékletétől és sótartalmától. Az így keletkezett mozgás a termohalin cirkuláció (thermo =
hőmérséklet; haline = só).
¾ A szél által irányított cirkuláció, ami hatalmas felszíni áramlatokat okoz, mint pl. a Golf-áramlás.
Az óceáni cirkuláció vázlatos képe (NASA). A világos színű sáv mutatja a felszíni vizek általános mozgását, a sötéttel jelzett útvonal pedig a vizek mozgását a mélyben. A számok a következű áramlatok elhelyezkedését mutatják: 1. A Golf-áramlás, mely a
trópusokról Észak-Európa felé szállít hőt. 2. az Észak-atlanti mélytengeri leáramlás helye, ami az erős hűlés eredménye. 3. az Antarktiszi mélytengeri áramlás, melynek oka
az Antarktisz körüli tengerjég.
1 2
3
Termohalin cirkuláció
Északi félteke
Óceáni cirkuláció felszíni tengervizet szállít a poláris területek felé, ahol az lehűl. Ez a hűlés hőt szabadít fel, ami melegíti a levegőt, a víz hideggé válik, ennek következtében elég sűrű lesz, hogy lesüllyedjen az óceán aljára. Ez eredményezi az új mélytengeri víz kialakulását, ami a már létezőt az Egyenlítő felé tolja. Ilyen mélytengeri víz kialakulásának főbb területei a Labrador-tenger és a Grönlandi-tenger az Észak-Atlanti-óceán északi részén. Ez az Észak-atlanti mélytengeri víz ezután dél felé áramlik az óceáni fenék mentén, utat engedve több meleg felszíni víznek, hogy az a helyébe áramoljon. Erős hűlés a Csendes-óceán északi részén lévő Bering-tengerben is előfordul, de itt az óceáni fenék struktúrája
meggátolja a mélytengeri víz bekapcsolódását az óceáni cirkulációba.
Antarktisz
Az Antarktisz körül is kialakul mélytengeri vízáramlás, mely a tengerjég képződésére vezethető vissza. Ez a jég nagyon kevés sót tartalmaz és így, ahogyan a jég képződik, a környező víz egyre sósabbá és sűrűbbé válik. Ez a nagyon sűrű víz lesüllyed az antarktiszi kontinens szélén és kialakítja az antarktiszi mélytengeri vízáramlást. Ez a víz aztán a legtöbb óceán fenekén áthalad.
Ez a NOAA térkép a földfelszín különböző magasságait mutatja. A világos színek az
óceán fenéki hátságokat jelzik. Ezen területek felett a víz összekeveredése
révén a mélytengeri víz a felszínre emelkedik.
Úgy gondoljuk, hogy a mélytengeri cirkuláció az óceáni fenék mentén elérkezik a óceáni hátságokhoz, melyek a fenéken „hegyvidéki” terü- letek. Ezen területek érdessége erős keveredést okoz, ami a mély- tengeri vizet a felszíni emelkedésre kényszeríti. A déli óceánokban a szél is erős keveredést idéz elő, ami a mélytengeri víznek ugyan- csak a felszíni emelkedéséhez vezet. Ha a víz már a felszínre jutott, akkor a szél által hajtott felszíni áramlásokkal visszatér a pólusokra, és ezzel záródik a kör.
Sokáig úgy gondoltuk, hogy a pólusoknál kialakuló mélytengeri vizek az Egyenlítő felé mozognak, lassan felmelegszenek, és felemelkednek a felszínre az egész óceánon. Ez a víz ezután visszatér a pólusokhoz a meleg felszíni áramlásokban, s így záródik a vízkörzés. Azonban a
jelenlegi vizsgálatok azt mutatják, hogy ez a fokozatos feláramlási folyamat túl lassú ahhoz, hogy meg tudjuk vele magyarázni a tengervíz korát.
Ezen a képen tisztán látható a Golf áramlás meleg vizének áramlása az
Észak-Atlanti-óceánon keresztül. A bal sarokban még éppen látható Észak-Amerika partvidéke. A NASA
Terra és Aqua műholdjain lévő MODIS-sal (Mérsékelt Felbontású spektro-radiométer) készült a kép.
Szél által hajtott cirkuláció
A Golf áramlás
A Golf áramlás az egyik legfontosabb szél által hajtott áramlás. Nagyon
meleg trópusi vizet szállít a Karibi- tengertől és a Mexikói-öbölből az Észak-Atlanti-óceánon keresztül
Észak-Európába. A víz által szállított hőenergia felmelegíti a felette lévő levegőt, s ennek a meleg levegőnek a mozgása nagyon fontos módja az észak felé irányuló hőtranszportnak.
Ezen hőtranszport eredményeként Észak-Európa sokkal melegebb, mint a hasonló szélességek Észak-
Amerikában, vagy akár a csendes- óceáni területek.
Pl. Iqaluit (64°N, 068°W; Kanada északnyugati területe) évi közép-
hőmérséklete -9,1 °C. Ezzel szemben a norvégiai Trondheimé (63 °N, 10 °E) +4,8 °C. A sokéves feljegyzések szerint Észak-Európa átlag- hőmérséklete 9 °C-kal magasabb a hasonló szélességek átlagos évi középhőmérsékletéhez képest.
A Golf-áramlás egy délnyugati áramlás. Hasonló áramlások a csendes- óceáni Kuro Shio (Fekete-áramlás), valamint az indiai-óceáni Agulhas- áramlás. Ezek az áramlások az óceáni medence alakja, az általános szélirány és a földforgás kölcsönhatásaként jönnek létre. Mindegyikük- nek nagy a sebessége (a Golf áramlás átlagos sebessége 1 m⋅s-1, ami 3,6 km⋅h-1), mindegyik elég keskeny (100 és 200 km közötti), s mind- egyiküknek nagyon fontos hatásuk van a régió éghajlatára, amelynek a közelében elhaladnak. Keleti áramlásokat is megfigyelhetünk a
világóceánban. Ezek hideg felszíni vizet szállítanak a pólusoktól az Egyenlítő felé. Ezek azonban gyengébbek, mint a nyugati áramlások.
Hogyan kötik meg az óceánok a szén-dioxidot?
A legfontosabb üvegházgáz a vízgőzön kívül a szén-
dioxid (CO
2). Légköri koncentrációja mind a természetes, mind az antropogén okok miatt az idők során változott.
Ennek az az oka, hogy az ember által termelt szén-dioxid nem marad a légkörben, hanem eltározódik: egyrészt az óceánokban, másrészt a szárazföldön (a növényekben és a talajokban). Az óceánokban és a szárazföldön egyaránt messze a legnagyobb szén-dioxid tározók a kalcium-
karbonát (CaCO
3) üledékek. A második legnagyobb tározó a mély óceán, ahol a szén elsősorban oldott karbonátként (CO
32-) és hidrogén-karbonát ionként (HCO
3-) fordul elő. Úgy gondoljuk, hogy a fosszilis
üzemanyagok égéséből származó szén-dioxid mintegy harmada az óceánokban tározódik, ahová fizikai és
biológiai folyamatok révén kerül.
Fizikai folyamatok
A szén-dioxid könnyebben oldódik a hideg vízben, mint a meleg vízben.
Könnyebben oldódik a tengervízben, mint a tiszta vízben, mert a tengervíz a természeténél fogva tartalmaz karbonát ionokat.
A szén-dioxid és a karbonát ion reakciójaként hidrogén-karbonát
képződik. Ezen reakció miatt, a tengervízben a szervetlen szén csak 0,5
%-ban fordul elő szén-dioxid gázként. Mivel a szén-dioxid szintje ilyen alacsony a tengervízben, több szén-dioxid tud belépni a légkörből a vízbe (a vegyészek ezt úgy ismerik, mint egy példa a Le Chatelier elvre). Ha a víz a felszínen marad, és felmelegszik, mozgása közben a szén-dioxid relatíve gyorsan visszakerül a légkörbe. Azonban, ha a víz lesüllyed az óceánban, a szén-dioxid több mint ezer évig tározódhat, mielőtt a
cirkuláció visszahozná a felszínre. Magas szélességeken a Déli-óceán, valamint az Atlanti-óceán északi részén a Labrador-tenger és az Északi- tenger hideg vize lesüllyed a mélybe. Ennek következtében ezek a
területek az óceán fő szén-dioxid nyelői.
A biológiai pumpa leegyszerűsített működési elve. A fitoplanktonok a
fotoszintézis során felveszik a szén-dioxidot. A baktériumok elfogyasztják őket.
Ily módon tápanyag és szén-dioxid kerül vissza a vízbe. Ez a folyamatot a remineralizáció, vagy vissza-ásványosodás, mely főleg a felszíni vizekben történik (lásd: Alapismeretek, 2. fejezet). Ha a fitoplanktonok elpusztulnak, és lesüllyednek a mély tengerekbe, az általuk remineralizáció révén fölvett szén-
dioxid a mély tengerekben évszázadokon keresztül elraktározódik, ezáltal csökkentve a globális felmelegedés hatását.
Biológiai folyamatok
Akárcsak a fizikai folyamatokon alapuló kivonódás során, a szén-dioxidot a
fotoszintézis során a fitoplanktonok is felveszik, és növényi anyaggá alakítják át. A szárazföldi növények és a tengeri fitoplanktonok kb. ugyanakkora
mennyiségű szén-dioxidot vesznek fel, azonban a tengeri fitoplanktonok sokkal gyorsabban nőnek, mint a szárazföldi növények.
A fitoplantkonok által felvett szén-dioxid legnagyobb része visszajut a légkörbe, amikor a fitoplanktonok elpusztulnak, vagy elfogyasztják őket.
Azonban közülük sokan süllyedő részecskeként a mélytengeri üledékbe kerülnek. Ezeket a süllyedő növényi anyagokat úgy tekinthetjük, mint biológiai pumpát, amely a szén-dioxidot a légkörből a mély tengerekbe juttatja. A legtöbb ilyen jellegű szén-dioxid kivonódás a magas
szélességeken a legintenzívebb, mivel a flitoplanktonok itt olyan nagy tömegben vannak jelen, hogy elpusztulásuk után kellően sok szén-dioxid tud velük lesüllyedni az óceán mélyebb rétegeibe.
Elektronmikroszkóp segítségével készült felvétel az Emiliania Huxleyi nevű fitoplankton fajról, annak
kalcium-karbonát vázával
A számítógépes modellek szerint az emberi tevékenység meg- változtathatja a fitoplanktonok fajok összetételét az óceánokban.
Ennek következtében az ember megváltoztathatja a mélytengerekben tározódó szén-dioxid mennyiségét is. Pl. néhány fitoplankton faj
kalcium-karbonát vázat készít magának, elsősorban a bőségesen megtalálható Emiliania Huxleyi. A váz készítésekor ezek a fito-
planktonok valójában kivonják a szén-dioxidot, s ezzel csökkentik a teljes légköri szén-dioxid szintet.
Jelenleg nem tudjuk az összes okát annak, hogy bizonyos fitoplankton fajok miért bizonyos óceáni területeken élnek, s fejlődnek. Ez azt jelenti, hogy jelenleg nem tudjuk megmondani, vajon az emberi tevékenység megváltoztatja-e azon fitoplanktonok ökoszisztémákat, amelyek
kalcium-karbonát vázat készítenek, és így azt sem tudjuk, hogy milyen hatással lesznek azok az éghajlatra.
2. Fejezet: Tápanyagok az óceánban
A szárazföldön könnyen tapasztalhatjuk, hogy különböző területeken a növények növekedése jelentősen eltérhet. A trópusi esőerdőkben legnagyobb a biomassza (élő növényi tömeg) növekedése, míg a sivatagokban a legkisebb.
Habár ezt nem ennyire egyszerű belátni, hasonló a helyzet az óceánokban is. Az oceonográfusok az óceánok sivatagi régióit OLIGOTRÓF területeknek nevezik. (Oligo = kicsi;
troph = táplálni; görög eredetű, így az oligotróf terület
egyszerűen kevés táplálékkal rendelkező területeket jelöl.) A fő növényi tápanyagok, mint pl. a nitrogén és a foszfor, alacsony szintje ezeken a területeken csekély növekedést okoz. Ebben a fejezetben megnézzük, hogy ezek a
tápanyagok honnan származnak, s hogy a fitoplanktonok
miként növekednek az óceánokban.
A klorofillt (mely a növények fotoszintézist végző színezőanyaga) használjuk az
biológiai növekedés mérésére az óceánokban. A kék területek a kevés klorofillal az óceánok sivatagjai. A vörös
területek, melyek általában a partok mentén találhatók, biológiailag a
legaktívabbak.
A szárazföldről származó nagy mennyiségű nitrogén és foszfor bevétel a part menti vizeket az óceánok biológiailag legaktívabb területeivé teszi. Ezen tápanyagok legnagyobb része antropogén
tevékenységből származik.
A tápanyag többlettel rendelkező területeket EUTRÓF (a görög „táplál”
szóból) területeknek nevezzük. Kiterjedt
fitoplankton ökoszisztémák fejlődhetnek e területeken, amelyek eutrofizációs
problémákat okozhatnak, melyeket e fejezetben fogunk megtárgyalni.
Fitoplanktonok és tápanyagok az óceánokban
A fitoplanktonok egysejtű növények (phyto = növény, planktos = vándorolni), melyek az óceánok felszíni vizeiben élnek. Legtöbbjük egyszerűen sodródik az
óceáni áramlatokkal, de sok közülük egy kis mozgásra is képes. A fotoszintézis folyamatában napfényt, szén- dioxidot (CO
2) és vizet használnak a szerves anyag előállításához, mellyel táplálkoznak, és a sejtjüket építik. Egyik melléktermékük az oxigén, és ez teszi lehetővé az állatok számára az életet a Földön. A
fitopanktonok majdnem annyi szén-dioxidot vonnak ki a légkörből, mint a szárazföldi növények, ezáltal
segítenek az éghajlat szabályozásában.
A fotoszintézis során a klorofill (a növények zöld színtestje), felfogja a Napból érkező energiát. Mivel a fitoplanktonoknak szükségük van a napenergiára, a fotoszintézis csak az óceán felsőbb rétegeiben tud lejátszódni. A szabad óceánban ez a réteg kb. 100 méter mélységű, ami egy akár 3000 m mélységű vízoszlop felett
is lehet. A napenergia egy része a víz oxigénre és hidrogénre való bontására fordítódik. Az oxigén nem szükséges, ezért távozik a sejtből. A hidrogén hátramarad, amikor a víz szétbomlik, és kölcsönhatásba lép a szén-dioxiddal, s további napenergiát felhasználva, egyszerű szerves molekulákat (mint pl. a glükóz)
alakít ki. Ezek a nagyobb szerves összetevők építőkövei.
A fitoplanktonoknak is szükségük van tápanyagra a növekedéshez.
Sokféle vegyi anyag kell nekik, de kettő, nevezetesen a nitrogén és a foszfor a kritikus, mivel ezek elég nagy mennyiségben szükséges a számukra, azonban a tengervízben csak alacsony koncentrációban vannak jelen. A nitrogén és a foszfor olyan, mint amikor a szárazföldi növényeket műtrágyázzuk, s ezeket protein, nukleinsav és más sejt- részek előállítására használják a fitoplanktonok, azaz olyan anyagok készítéséhez, amelyek az életükhöz és a szaporodásukhoz szükséges.
A fitoplanktonoknak jól meghatározott arányban szükségesek a tápanya- gok. Minden 106 szénatomhoz, amiből szerves anyag készül, 16 nitro- gén és 1 foszfor atom is szükséges. A legtöbbjük nem képes közvetlenül felhasználni a légkörben található nitrogén gázt (N2), ezért a nitrogén
kémiailag reaktív formáját igénylik, mint pl. nitrát (NO3-) vagy az ammó- nium (NH4+). Nagy mennyiségű szén-dioxid mindig rendelkezésre áll, így a fitoplankton addig képes növekedni, amíg fel nem használja az összes hasznosítható nitrogént és foszfort, ami legelőször szokott elfogyni. A legtöbb óceánban a nitrogén fogy el először, ezért mondhatjuk, hogy a növekedést a nitrogén korlátozza. A Földközi-tenger keleti részén a foszfor a korlátozó, itt a növekedés akkor áll meg, amikor a fitoplankto- nok felhasználták az összes foszfort, még ha nitrogén van is a vízben.
Tápanyagforrások
A tápanyagok természetes forrásból a sziklák mállásából és a légköri nitrogéngáz (N2) biológiailag használható formába történő átalakulásából származnak. Az emberi tevékenység drasztikusan megnövelte ezeket a forrásokat.
Foszfor
A fő antropogén foszforforrás a mosóporok és a szennyvíz. A fejlettebb technológiájú
szennyvízkezelés és a foszformentes
mosószerek használata csökkenti a folyók és a tengerek foszfor bevitelét.
A fő foszfor források
A fő nitrogén források
Nitrogén
A folyókba kerülő nitrogén vegyületek elsősorban az intenzív mezőgazdasági tevékenység eredményei, melyek (NO3-) alapú
műtrágyák túlzott használatából és felszántott földekről származnak.
Mind a nitrát-, mind az ammónium ion megtalálható a légkörben. A nitrát ionok a nitrogén magas hőmérsékleten történő égésekor
keletkeznek az autók motorjaiban és energiaiparban. Az ammónium ion (NH4+) a tárolt és szétszórt állati trágyából származik. Mindegyik kihullik a légkörből, s a csapadékkal, vagy mint gáz, vagy mint
részecske bekerül a folyókba és az óceánokba.
Szilícium
Egy másik fontos tápanyag, amely a sziklák mállásakor keletkezik, a szilícium. Ennek hiánya meggátolja bizonyos fitoplanktonoknak – a diatómáknak – a növekedését, melyek ebből készítik héjazatukat.
Ha a nitrogén, vagy a foszfor elfogy, a fitoplanktonok növekedése megáll. Ha a szilícium fogy el, a fitoplankton még növekszik, de a típusa megváltozik.
Fémek, mint nyomelemek
A fitoplanktonoknak kis mennyiségben több fémre is szükségük van, pl.
vasra, rézre, cinkre és kobaltra. Jelentős óceáni térségekben a
fitoplanktonok növekedéséhez nincsen elegendő vas. Ez fontos az éghajlat szempontjából (lásd még: Kiegészítő ismeretek, Óceáni tápanyagok, c. fejezet).
Remineralizáció
A fitoplanktonok nagyon gyorsan nőnek, és csak kb. egy napig élnek.
Amikor elpusztulnak, a baktériumok, vagy a zooplanktonok (kicsi állatkák) megeszik őket, amik a fitoplanktonok szerves anyagát
visszaalakítják szén-dioxiddá, miközben oxigént használnak fel, s a felhasznált tápanyagokat visszabocsátják a vízbe. Ez a folyamat a
remineralizáció, és főleg a felszíni vizekben játszódik le. A szén-dioxid vagy visszajut a légkörbe vagy újra hasznosul az újra kibocsátott
tápanyagokkal együtt a fotoszintézisben. Ha ez utóbbi történik, a légköri szén-dioxid szintben nem történik változás.
A remineralizáció leegyszerűsített folyamata. A világoskék felszíni vizekben kialakul egy ciklus, ami a fitoplanktonok fotoszintéziséből indul ki, a
baktériumok remineralizációjával folytatódik, aminek az eredményeképpen keletkező tápanyagok és szén-dioxid a fitoplanktonok
fotoszintéziséhez kell, lezárva a ciklust, de utóbbi kikerülhet a légkörbe is. A mélytengeri vizekben a ciklus nem zárul, a remineralizáció
eredménye hosszú időkre a mélyebb rétegekben marad.
Azonban, ha a fitoplanktonok lesüllyednek a felszíni rétegből, és a mély óceánban remineralizálódnak, akkor a tápanyagok és a szén-dioxid az óceán alsóbb rétegeiben eltározódik, s így a szén-dioxid nem tud
visszatérni a légkörbe. Így a felszíni vizek szén-dioxid tartalma alacsonyabb lesz. Ez több szén-dioxid belépését engedi meg a légkörből, így segíti a légköri szén-dioxid koncentrációjának csökkentését.
A szén-dioxid csak akkor tér vissza a légkörbe, amikor az óceáni cirkuláció felhozza a mélytengeri vizet a felszínre, ez a folyamat kb.
1000 évig tart. Ez a biológiai szivattyú (lásd: Alapismeretek, „A víz az óceánokban” c. fejezet).
A fotoszintézis által felvett szén-dioxid 15 %-a a mélyóceánokban
tározódik. Ennek csak nagyon kis része ülepszik le és válik üledékké.
Még kisebb része válik olajjá és szénné. A fosszilis energiahordozók égetésével mintegy milliószor gyorsabban bocsátjuk ki ezt az eltározott széndioxidot, mint az a természetes biológiai körfolyamatban történne.
Az erdők és a fitoplanktonok nem tudják elég gyorsan felvenni a szén- dioxidot, hogy lépést tartsanak a növekvő kibocsátással és fenntartsák a légköri szén-dioxid szintet, ennek következtében az elmúlt pár
évtizedben az drámai növekedésnek indult.
A fitoplankton növekedésének évszakos körfolyamata
A fitoplankton növekedésnek egy jól meghatározott
évszakos sémája van a mérsékelt és a sarki óceánokban.
Ezt fizikai, biológiai és kémiai folyamatok irányítják.
Az évszakos fitoplankton körfolyamat az északi félteke mérsékelt övi óceánjaiban. A legnagyobb fitoplankton
növekedés tavasszal
figyelhető meg, amikor sok a napfény és a tápanyag. A második csúcs a fitoplankton biomasszában ősszel fordul elő. Ezeket a nagy fitoplankton növekedéseket virágzásnak nevezik.
A tengervíz sűrűségét a hőmérséklete és a sótartalma határozza meg.
Ahogyan a víz hőmérséklete növekszik a Napsugárzás hatására, a
vízmolekulák egyre nagyobb mozgási energiával rendelkeznek, több hely lesz közöttük, és a sűrűség csökken. Amint a hőmérséklet csökken, a
vízmolekuláknak kevesebb energiájuk lesz, nem mozognak annyit, és közelebb kerülnek egymáshoz. Ez több hidrogén kötés előfordulásához és így a sűrűség növekedéséhez vezet.
A víz sóssága annak egy mérőszáma, hogy mennyi oldott só található a vízben. Messze a leggyakoribb só a tengervízben a nátrium-klorid
(mindennapi asztali só), de sok más oldott vegyület is található a
tengervízben, melyek a víz sótartalmát meghatározzák. A víz párolgása az óceánból növeli a sűrűséget. A beérkező csapadék és a folyóvíz
csökkenti a víz sűrűségét. A sótartalom és a hőmérséklet változásai szerint az óceánt vertikális rétegekre oszthatjuk, mely rétegeket eltérő sűrűségű víz alkotja. A kevésbé sűrű víz a sűrűbb víz felszínén úszik.
Mivel azon folyamatokra fordítunk figyelmet, amelyek a fitoplanktonok növekedését befolyásolják, a következőkben azt vizsgáljuk, hogy a
melegedés változásai miként befolyásolják az óceánok felső néhány száz méterének függőleges szerkezetét.
Az ábra azt szemlélteti, hogy az évszakos hőmennyiség
miként változtatja meg az óceánok felső néhány száz
méterének szerkezetét és működését.
A fekete körök a tápanyagot, a zöldek a fitoplanktonokat
jelentik.
Tavasz
Tavasszal a Nap felmelegíti az óceán felszíni vizeit, ezért azok sűrűsége csökken. Ez a meleg víz ténylegesen a hidegebb víz felszínén úszik. A sűrűbb víz van alul és szinte semmi keveredés nincsen közöttük.
Ez azt jelenti, hogy a fitoplankton növekedés a felszíni vizekben történik. Itt elegendő napfény,
tápanyag van, ami télen a mélyebb rétegek vizéből a keveredéssel
emelkedett fel. Ezek a feltételek kiválóak a fitoplanktonok
növekedéséhez. Ekkor a
fitoplanktonok számának gyors növekedése figyelhető meg, amit tavaszi virágzásnak is neveznek.
Az ábra azt szemlélteti, hogy az évszakos hőmennyiség
miként változtatja meg az óceánok felső néhány száz
méterének szerkezetét és működését.
A fekete körök a tápanyagot, a zöldek a fitoplanktonokat
jelentik.
Nyár
Ahogy nőnek a fitoplanktonok,
felhasználják a felszíni vizekben lévő tápanyagokat. Mivel az alsó
rétegekkel kicsi az átkeveredés, a fitoplanktonok növekedése megáll, amikor már elhasználtak minden hozzáférhető tápanyagot. A
tápanyagok remineralizációja a felszíni vizekben, valamint a légkörből származó tápanyag lehetővé teszi a fitoplankton
növekedését, de a mérsékelt övben a nyár biológiailag nem aktív időszak összehasonlítva a tavasszal.
Az ábra azt szemlélteti, hogy az évszakos hőmennyiség
miként változtatja meg az óceánok felső néhány száz
méterének szerkezetét és működését.
A fekete körök a tápanyagot, a zöldek a fitoplanktonokat
jelentik.
Ősz
A Napból kevesebb hő érkezik, mivel a nappalok hossza rövidebb. Ez azt jelenti, hogy a felszíni vizek lehűlnek, és sűrűségük megnő. Mivel kisebb a felszíni és az alatta lévő vizek között a sűrűségkülönbség, egy kis mértékű keveredés tapasztalható. Ez lehetővé teszi, hogy a tápanyagban gazdag vizek összekeveredjenek a felszíni- vel, s mivel ott még elegendő fény van a fotoszintézishez, gyakran fordul elő kis mértékű fitoplankton virágzás.
Az ábra azt szemlélteti, hogy az évszakos hőmennyiség
miként változtatja meg az óceánok felső néhány száz
méterének szerkezetét és működését.
A fekete körök a tápanyagot, a zöldek a fitoplanktonokat
jelentik.
Tél
Télen még kevesebb hő érkezik a Nap- ból, ami azt jelenti, hogy a felszíni
vizek tovább hűlnek, ezáltal növekszik a sűrűségük. Ez lehetővé teszi a felszí- ni vizek mélyebb vízrétegekkel való keveredését. Ezzel a keveredéssel a mélyebb vízből származó tápanyagok kerülnek a felszínre. Bár sok a táp-
anyag, de nincsen elegendő napfény a fitoplanktonok számára a fotoszintézis- hez, így ténylegesen nem sokat nőnek.
A trópusokon ezen évszakos körforgás nem annyira jellegzetes, mivel a nap- sugárzás energiája ott nem változik túl sokat az éven belül, és a fitoplankto- nok egyfolytában tudnak növekedni.
Tápanyagok és az eutrofizáció problémája a part menti vizekben
A Föld népességének több mint 60 %-a a partok 100 km- es körzetében él, és a jövőben a tengerparti területeken a népesség növekedése várhatóan magasabb lesz, mint bárhol másutt a Földön. A part azonban nemcsak
élőhely, hanem a kereskedelmi tevékenység színtere is, mint pl. ásványtermelés, olyan hulladékok lerakása,
mint pl. a szennyvíz és az ipari hulladék, a halászat és a turizmus. A nagy népsűrűség és az intenzív ipari
tevékenység azt jelenti, hogy számos part menti
területen az emberi tevékenység károsítja a természetes
ökoszisztémát.
Az érintett part menti vizek egyik fő problémája a nitrogén és a foszfor szennyezés. Ezek a szennyezőanyagok alapvetően az emberi
tevékenységből származnak, és magukban foglalják a
mezőgazdaságból, az iparból és a közlekedésből eredő szennyezéseket is (lásd: ezen fejezet első szakasza)). Ezen szennyezőanyagok közül többet a fitoplanktonok tápanyagként hasznosítanak. A part menti vizek tápanyagokkal való túlterhelése túlzott fitoplankton növekedést
eredményez. A nagy mennyiségű fitoplankton növekedést virágzásnak nevezzük, s ezeknek a nagy virágzásoknak nem kívánatos hatásaik lehetnek.
Eutrofizáció = a többlet tápanyag hatása miatti fokozódó
fitoplankton növekedés.
Tehát melyek az eutrofizációval kapcsolatos problémák?
1. A magas tápanyag koncentráció nagymérvű fitoplankton virágzáshoz vezethet. Ez az egész vízfelszínt elborítja, és
meggátolja, hogy a fény az alsóbb vízszinteket is elérje.
Ezáltal megáll a mélyebb rétegekben a növények növekedése, és csökken a biológiai diverzitás.
2. Amikor a fitoplanktonok elpusztulnak, a baktériumok megeszik (remineralizálják) őket. Ez a folyamat
felhasználja a vízben lévő oxigént. Amikor igazán nagy a virágzás, a bakteriális
bomlás olyan sok oxigént használ el a mélyebb
rétegekben, hogy nem marad elegendő a halaknak a
légzésre, s így el kell hogy ússzanak onnan, mert
különben elpusztulnának.
A tengerfenéken élő állatok nem könnyen tudnak elmenni élőhelyükről, így azok is elpusztulnak. Az EU a világ harmadik legfontosabb halászati hatalma, ezért az európai egészséges part menti vizek fenntartása
gazdaságilag igen fontos.
3. A többlet tápanyagok néha hozzájárul- hatnak olyan fitoplankton fajok növeke- déséhez, amelyek káros méreganyag- okat termelnek. Ezek a mérgek más fajok pusztulását is okozhatják, ideértve pl. a halakat is. A kagylókban, rákokban a méreg felhalmozódik, amikor megeszik a fitoplanktonokat, s ezek a mérgek
tovább kerülnek az emberbe, amikor megesszük ezeket az állatokat. A kagylómérgezés megzavarja az emésztést, ritkábban meggátolja a légzést és így életveszélyes is lehet.
A kép egy tengerparti
figyelmeztetést mutat, arra intve az embereket, hogy ne egyék meg a
rákokat, kagylókat, mert bénító kagylóméreggel fertőzöttek.
4. A nagy fitoplankton
virágzás hatalmas, undort keltő habot okozhat a
tengerparton. Ezek nem mérgezőek, de időlegesen tönkreteszik a tengerpartot, csökkentik a rekreációs
értékét. A terület turizmusból származó jövedelmét
károsan érintik.
Az eutrofizáció gazdaságilag nagyon költséges lehet és lépéseket kell tenni annak érdekében, hogy csökkentsük a part menti vizek
tápanyagbevételét. Kormányközi szervezetek egyetértenek abban, hogy az Északi-tenger és a Balti-tenger tápanyag-bevételeit az 1985- ös értékeket felére kellene csökkenteni. Ha elérjük ezt, a számítógépes modellek szerint 2010-re a part menti vizek megtisztulnak.
Mit értünk el ez idáig Európában?
Folyók szennyezése
A szennyvíz kezelésére és a foszfátmentes mosószerek
felhasználására vonatkozó európai direktívák a folyóinkba és
tengereinkbe kerülő foszfor mennyiségének csökkenéséhez vezettek.
Viszont a foszfor koncentráció még mindig magas a part menti
vizekben, és úgy tűnik, hogy a korábbi szennyezésekből eltárolódott foszfor most lassan visszakerül a vízbe az üledékekből. A nitrát
tartalmú műtrágyák használata csökken Európában az 1980-as évek óta, de a mezőgazdasági forrásokból származó nitrogén bevétel még mindig magas.
Légköri szennyezés
Annak ellenére, hogy a légszennyező anyagok kibocsátása általában mérséklődik, a nitrogén-oxidok szintje a légkörben még mindig magas.
Az új autókba szerelt katalizátorok csökkentik a nitrogén-oxid
kibocsátást, azonban a közúti közlekedés egyre bővül, ami részben kompenzálja az egy autó által kibocsátott csökkentett emissziót. Az
ammónia emissziója is csökken, elsősorban az állati eredetű szennyvíz hatékonyabb kezelése miatt, de még hosszú az út, hogy elérjük kitűzött célunkat. A légszennyezéssel az egyik fő probléma az, hogy a
kibocsátás helyétől távol ülepedhet ki. Ez történhet akár más országban is, ezért nekünk európai léptékű, vagy globális
intézkedésekre van szükségünk, hogy mérsékeljük a part menti vizek terhelésének légköri forrásait, s ezt politikailag nehéz elérni.
3. Fejezet: Fitoplanktonokból származó gázok
Eredetileg úgy gondolták, hogy az óceánok és a légkör függetlenül működik, de már tudjuk, hogy mindkettőnek nagy befolyása van a másikra. Ebben a fejezetben
megnézzük, hogy az óceánokban élő fitoplanktonoknak milyen a hatása az éghajlatra. Úgy gondoljuk, hogy ezek a pici egysejtű növények annyi ként bocsátanak a
légkörbe, mint a Földön az összes erőmű együttesen! A dimetil-szulfid gázzal [DMS = (CH
3)
2S] kiemelten
foglalkozunk, mert valószínűleg ez a biológiailag termelt legfontosabb gáz. Megismerjük, hogy miért és hogyan termelődik ez a gáz és miért olyan fontos az
éghajlatunkban. Más, az éghajlat számára fontos
gázokat is megvizsgálunk, melyek a tengervízben
alakulnak ki és tanulmányozzuk, milyen szerepet
játszanak a globális felmelegedésben, valamint a
sztratoszférikus ózoncsökkenésben.
Kén-gázok
Dimetil-szulfid DMS (CH3-S-CH3)
Az egyik legfontosabb, az óceánból a légkörbe kikerülő nyomgáz a dimetil-szulfid (DMS). Ez az egyik vegyi
összetevő, ami a tengerek jellegzetes illatát adja.
A DMS a dimetil–szulfónio-propionát (DMSP) bomlásából származik, ami számos fitoplankton sejtjében megtalálható. Eleinte úgy gondoltuk, hogy a fitoplanktonok azért termelik a DMSP-t, hogy segítse az óceáni sós környezetben az életet, de manapság úgy tűnik, hogy a DMPS-t arra is használják, hogy a káros hulladékoktól megszabaduljanak, valamint lehetővé tegyék az életet a nagyon hideg vízben, s talán még védelmet nyújt az ellen, hogy más állatok megegyék őket. Nem minden
fitoplankton termel DMSP-t, és most még nem tudjuk, hogy miért csak bizonyos fajok teszik ezt. A fitoplanktonok egyik típusa – a coccolitofórok – fontos DMSP termelő. Mészvázuk van.
A coccolitofór Emiliania Huxleyi.
Ez a kép egy nagyon fontos coccolitofórt mutat, az Emiliania Huxleyi-t. Ez az egysejtű tengeri fitoplankton több, mint 30 kalcium-
karbonátból álló lappal (azaz coccolittal) veszi körbe magát. Az egyes lemezek átmérője 0,003 mm.
Amikor a fitoplanktonok
megfertőződnek, elpusztulnak, vagy megeszik őket, a DMSP
kölcsönhatásba lép a tengervízzel, ahol DMS-re bomlik. A DMS nagy része a vízben marad, és a
baktériumok elfogyasztják őket, vagy más vegyi anyaggá alakulnak át. Egy részük azonban megszökik, és belép a légkörbe.
Mivel a DMS biológiai folyamat során előálló vegyi anyag, a DMS kibocsátás tavasszal, nyáron és ősszel fordul elő, amikor a
fitoplanktonok termelődnek. A kibocsátás egyaránt származik a part menti vizekről, és a nyílt
óceánokról, de a legnagyobb mennyiségben ott termelődik, ahol a fitoplanktonok képződnek.
Sok DMS bocsátódik ki az Atlanti- óceán északkeleti részéről és a Csendes-óceán északi részén lévő Bering tengerből, mivel itt találhatók rendszeres coccolitofór virágzások. Az Európa part menti vizeiből is sok DMS kerül a
légkörbe.
A coccolitofór Emiliania Huxleyi kalcium- karbonát lapkái azt jelentik, hogy a virágzás
(nagy mennyiségű szervezet) látható a tengerben, és az űrbõl készült műholdképen is látható. A zöldes-kékes szín a cocclotofóra
virágzása a Bering tengerben.
Természetes forrásokból kb. ugyanannyi kén kerül a légkörbe, mint az ember által elégetett fosszilis üzemanyagokból. Így az előző képen látható kicsi fitoplanktonok ugyanolyan fontosak az éghajlatunk
számára, mint a hatalmas erőművek, ahol energiát állítunk elő. Az emberi tevékenységtől távoli területeken a légkörben jelenlévő kén alapvetően a tengervízből kibocsátott DMS-ből származik. Becslések szerint évente 20 és 50 millió tonna közötti mennyiségű kén kerül az óceánokból a légkörbe.
Aeroszolok és az éghajlat
Ha a dimetil-szulfid (DMS) bekerül a légkörbe, akkor kölcsönhatásba lép más vegyületekkel és szulfát aeroszolokat képződnek (az aeroszolok egyszerű részecskék, vagy folyadékcseppek az áramló
levegőben). Ezek a szulfát aeroszolok igen fontos
szerepet játszanak az éghajlatunkban. Visszaszórják a napfényt a világűr felé, és megindítják a felhőképződést.
Mindkét folyamat megakadályozza, hogy a napenergia
teljes spektruma elérje a földfelszínt. Ez azt jelenti, hogy
a szulfátok segítenek hűteni a Földet.
Mind a kén-dioxid (SO2), mind a metán kénes sav (MSA – CH3SO3H).
Akkor képződik, amikor a DMS szulfát aeroszolokká alakul. A kén- dioxid DMS-ből és a szerves tüzelőanyagok (pl. a szén) égéséből
származik. MSA csak a DMS-ből képződik. Ily módon az MSA a tengeri kén légköri kibocsátásának jó nyomjelzője. A kén-dioxid ekkor átalakul kénsavvá (H2SO4), így a DMS szerepet játszik a légkör savasságának szabályozásában.
Ez a kénsav képes reakcióba lépni az ammónia (NH3) gázzal, melyet a fitoplanktonok természetes folyamatokban szintén előállítanak, s az ammóniából azután ammónium-szulfát aeroszolok képződnek. Mind a kénsav, mind az ammónium-szulfát felhő kondenzációs magként
(CCN) szerepelnek. Ezek azok a részecskék, amelyek felszínén a víz kondenzációja lezajlik, azaz elkezdődik a cseppképződés. Ezek
szükségesek ahhoz, hogy a felhőképződés elinduljon.
Tehát hogyan befolyásolja a DMS az éghajlatot?
A vázlat a tengeri forrásokból származó kén fontosságát mutatja. [DMS = dimetil- szulfid] A legfontosabb kéntartalmazú gázt néhány fitoplankton faj termeli. [CCN =
a felhőképződéshez szükséges cseppképző magvak] Az aeroszolok ahhoz szükségesek, hogy a felhőképződés elkezdődjön. A kén-dioxid gáz közbenső
anyagként részt vesz a DMS szulfát aeroszollá való alakulásában.
A Föld közvetlen hűtése
A szulfát aeroszolok közvetlenül képesek elnyelni, vagy szórni a napfényt, mielőtt az elérné a Föld felszínét. A minket elérő napenergia csökkentése révén az aeroszolok hozzájárulnak ahhoz, hogy bolygónk hűvösebb legyen. Ez a hűtő folyamat valamilyen módon ellensúlyozza a szén-dioxid és más
üvegházgázok melegítő hatását.
Felhők
Az aeroszolok közvetett hatása
A felhőképződésben és a kondenzációs magvak képződésében betöltött szerepük révén a szulfát aeroszoloknak is van indirekt hatásuk az
éghajlatra. Ha növekszik a felhők mennyisége és fehérsége, akkor növekszik a bolygónk albedója is. Az albedót nagyon egyszerűen úgy definiálhatjuk, hogy mennyi napenergia verődik vissza az űrbe. A fehér felszínek (pl. a felhők és a jég) sok napfényt sugároznak vissza az űrbe, ám a sötét felszínek (pl. az óceánok) hatékonyan nyelik el a napfényt.
Mivel a felhők sok napfényt vernek vissza az űr felé, a Föld hűlését
okozhatják. Az óceánok felett, a szulfát aeroszolok mennyisége az egyik legfontosabb tényező, ami a felhők kiterjedését és típusát meghatározza.
Azonban, a felhők a Földről érkező infravörös sugárzást is elnyelik, így melegedést okoznak. Nem tudunk még eleget a felhőtípusok
kialakulásáról, és emiatt, nem lehetünk teljesen biztosak, hogy ez a melegedés teljesen, vagy részlegesen kiegyenlíti a hűtés hatását.
Az eltérő természetes felszínek albedójának különbözőségei
A felhőknek, a hónak és a jégnek nagy az albedója; a napsugárzás nagy részét
visszaverik. A vízfelszín és az erdő albedója alacsony, a
napsugárzásból sokat nyelnek el, és csak viszonylag kis
hányadot sugároznak vissza. Az egész Földre vonatkozóan a
beérkező napfény kb. 30 %-a verődik vissza a világűrbe, 50
%-át nyeli el a Föld és kb. 20 %- ot a légköri vegyületek,
aeroszolok és felhők nyelnek el.
A fitoplanktonok ennek következtében nemcsak a tengeri levegő
savasságának fő okozói, hanem fontos aeroszol és felhő kondenzációs mag források. Ennek eredményeként hatással vannak a Föld sugárzási egyenlegére. Jelenleg azonban pontosan még nem tudjuk megmondani, hogy a hatásuk hűtés, vagy fűtés lesz-e.
Az éghajlat szempontjából fontos egyéb gázok – I.
Számos gáz kerül a tengervízből a légkörbe, s közülük sok hatással van az éghajlatra. Néhány (pl. a dimetil- szulfid) a fitoplanktonok növekedésekor keletkezik.
Mások akkor képződnek, amikor a napfény
kölcsönhatásba lép az óceán felszíni vizeiben lévő szerves (szén alapú) anyagokkal. Ezen szerves
vegyületek közül több eredetileg a fitoplanktonokból származik. E fejezetben megvizsgálunk néhány gázt, melyek a troposzférát, a légkör alsó rétegét
befolyásolják.
Halogénezett szénhidrogének
A halogénezett szénhidrogének az egyszerű szerves (széntartalmú) vegyületek csoportja, melyek halogén atomokat tartalmaznak. A halogén speciális neve a periódusos rendszer 7. csoportjának, amelyhez többek között a klór, bróm, jód tartozik. A halogének a
tengervíz nagyon fontos alkotórészei. Valójában a halin szó, melyet a sótartalomra értünk, eredetileg a halogén szóból származik. A klór
töltött anionja, a klorid (Cl-) a leggyakoribb – a víztől eltérő – vegyület a tengervízben. A tengerből származó egyik legfontosabb halogénezett szénhidrogén a metil-jodid, melynek képlete CH3I.
Honnan származnak a tengeri halogénezett szénhidrogének?
A halogénezett szénhidrogének a
tengervízben biológiai folyamatok és a napfény segítségével képződnek. A metil-jodidot néhány hínár és fitoplankton faj állítja elő, de nem tudjuk teljesen
biztosan, hogy miért állítják elő ezt a vegyületet.
Arra is van bizonyíték, hogy a metil-jodid a napfény és a jodidot tartalmazó szerves molekulák kölcsönhatásakor képződik A nyílt
óceánokon lehet, hogy ez metil-jodid a legfontosabb forrása. A képződött halogénezett szénhidrogének kis része a tengervízből bekerül a légkörbe.
Tengeri hínár
Miért fontosak a halogénezett szénhidrogének?
A napfény sok jódot és brómot tartalmazó halogénezett szénhidrogént bonthat le a troposzférában, így igen reagens gyököket hozva létre.
Ezen a módon különböznek a klórtartamú halogénezett
szénhidrogénektől (CFC-k), melyek az ember által készített halogén tartalmú vegyi anyagok. A CFC-k is képesek felbomlani halogén
gyökökre az UV sugárzás hatására, de csak a sztratoszférában.
A halogén gyökök rendkívül reagensek és a sok fontos reakciójuk közül az egyik az ózon (O3) bontása. A troposzférában az ózon káros az
emberi egészségre, és jelentős üvegházgáz (az üvegházhatás
növekményének kb. 15 %-ért felelős). Ily módon a tengerből kibocsátott halogénezett szénhidrogének csökkenthetik troposzférikus ózon szintjét, ezáltal mérsékelve a globális felmelegedést. Azonban a csökkenő ózon- koncentráció a hidroxil (OH) gyökök mennyiségét is csökkenti a
troposzférában. Ezek a hidroxil-gyökök megtisztítják a levegőt a káros vegyületektől. Ha viszont alacsonyabb koncentrációjuk, romolhat a levegő minősége.
A tengeri jód körforgalmának vázlata, mely a tengervízben lévő fő metil-jodid forrásokat mutatja: a jód szállítását a légkörbe, és a jodid szerepét az ózon- bontásban. A jód mozgását is láthatjuk a tengerből a szárazföld felé. A jód segít
megelőzni több, az emberi egészséggel kapcsolatos problémát.
A jódnak az óceántól a szárazföld felé történő szállítása igen fontos része a jód körforgásának. Ez a jód forrás az emberi egészség kritikus pontja. Ha a jód nem szállítódna a szárazföld felé, az emberek gyakrabban
szenvednének agykárosodásban és golyvában, melyet a pajzsmirigy megdagadása okoz.
A metán (CH
4)
A metán (a természetes gáz fő alkotórésze) jelentős üvegházgáz, ami természetes és antropogén forrásokból is származik. Rizsföldek és az intenzív állattartás a légkör legnagyobb metánforrásai, de az óceán is kismértékű természetes forrásának számít.
Mi a forrása a tengeri metánnak?
A sós mocsarak igen fontos metán források
Amikor a vízben, vagy az üledékek- ben az oxigén koncentrációja nulla, a baktériumok metánt termelnek, amikor a szerves anyagot elfo- gyasztják. Tölcsértorkolatok, sós mocsarak és a part menti vizek a felelősek a teljes óceáni metán kibocsátás kb. 75 %-áért.
A fűtés és a szerves anyagok nyomás alatti elégetése is termelhet
metánt. Az óceáni üledékekben is hatalmas metánkészletek találhatók, amit gázellátásra használunk fel. Az ezekből az üledékekből származó, természetes módon kibocsátott metánt a baktériumok felhasználják, mielőtt az eléri a légkört.
Miért olyan fontos a metán?
A troposzférában a metán egy fontos üvegházgáz (20 éves időskálán 62- szer hatékonyabb, mint a szén-dioxid), s emiatt jelentősen hozzájárul a globális melegedéshez. Valójában az üvegházhatás 15-20 %-áért felelős.
Fontos a szerepe a hidroxil-gyökök szabályozásában. Ezek a gyökök felelősek a légkörnek a káros vegyületektől való megtisztításáért. Ha a metánszint emelkedik, az OH-gyökök koncentrációja ugyanolyan
mértékben csökken. Ez az a képesség, amivel a légkör tisztítja magát.
Az eutrofizáció egyik következménye a víz alacsonyabb oxigénszintje. Ha az eutrofizáció folytatódó probléma lesz a part menti vizekben,
valószínűleg a tengeri metán forrás erősödni fog.
Hatalmas mennyiségű metán tárolódik az óceánokban, mint metán- hidrát. A globális melegedés egyik lehetséges következménye az óceáni üledékekből történő növekvő metánkibocsátás lehet. Eddig nincs arra utalás, hogy az elmúlt 800.000 ezer év alatt ezekből a
forrásokból származó metán mennyisége a Föld éghajlatának meleg periódusaiban felszabadult volna. Azonban ha ez történne, jelenleg nem vagyunk biztosak abban, hogy a baktériumok képesek lennének megbirkózni a koncentráció emelkedésével. Nem lehet teljesen kizárni, hogy a metán-hidrátok tengeri metánforrássá válhatnak, hozzájárulva az üvegházhatáshoz.
Nem metán szénhidrogének (NMHC)
A szénhidrogének a szerves vegyületek egy csoportja, melyek főleg szénből és hidrogénből állnak, és főként tüzelőanyagként használjuk őket. A legegyszerűbb szénhidrogén a metán. Azonban más
szénhidrogének is fontosak az éghajlat szempontjából. Az óceánok a légkörbe kerülő NMHC-k kisebb forrása, szemben a szárazföldi
forrásokkal. Ezek lehetnek természetesek, emberi tevékenységből származóak, és magukba foglalják a növényeket, talajt és a szerves üzemanyagokat is.
Az izoprén szerkezeti képlete
Honnan származnak az NMHC-k?
A tengervízben a szénhidrogének biológiai folyamat révén, s a
napfény, valamint a szerves anyag kölcsönhatásaként képződnek. Az egyik legfontosabb NMHC az
izoprén (2, metil buta-1, 3 dién H2C=C(CH3)CH=CH2). A
szárazföldi növények és mindegyik eddig említett tengeri fitoplankton faj előállítja ezt a vegyületet.
Jelenleg nem tudjuk, hogy a növények miért termelnek izoprént; lehet, hogy az egyszerűen csak a fotoszintézis mellékterméke.
Miért fontosak az NMHC-k?
Ha az NMHC-k egyszer kikerülnek a levegőbe, reakcióba lépnek a levegőben lévő oxidánsokkal, mint az OH, vagy az ózon. A
szennyezett levegőben hozzájárulnak az ózonképződéshez, míg a tiszta levegőben (pl. az óceánok felett) bontják az ózont.
Az NMHC-k légköri reakciói fontosak a hidroxil-gyökök OH szintjének szabályozásában, s így szerepet játszanak a levegő káros anyagoktól való megtisztításában.
Az óceánból származó, az éghajlat
szempontjából fontos egyéb gázok – II.
Számos, a tengervízben képződő gáz nem bomlik fel a troposzférában, s ezért el tudják érni a sztratoszférát. A sztratoszféra éghajlatunk számára igen fontos:
9 Tartalmazza az ózonréteget, ami megvéd minket a Napból érkező káros UV sugárzástól.
9 Tartalmazza a szulfát részecskék rétegét is, ami meggátolja a Napból érkező energia egy részét abban, hogy elérje a földfelszínt.
Bár a sztratoszféra a földfelszín felett 11 km magasság-
ban kezdődik, a tengervízből származó gázok befolyá-
solják kémiáját.
A dinitrogén oxid (N
2O)
A másik, biológiai folyamatok révén előállított gáz a dinitrogén-oxid.
Mivel a troposzférában ez sem bomlik le, nagyon hosszú a légköri tartózkodási ideje, kb.120 év.
Honnan származik a dinitrogén-oxid?
A dinitrogén-oxid legnagyobb forrása a talaj, különösen a trópusokon, és a kibocsátása egyre növekszik – valószínűleg a növekvő műtrágya felhasználás következtében. Az óceánok is nagyon fontos forrásai, különösen a tölcsértorkolatok és a part menti vizek. Itt a dinitrogén- oxidot azok a baktériumok állítják elő, amelyek a nitrogénvegyületeket táplálékká alakítják át.
A troposzférában a dinitrogén- oxid 275-ször hatékonyabb
üvegházgáz, mint a szén-dioxid (azaz az üvegház potenciálja a szén-dioxidénak 275-szerese).
Így jelentősen hozzájárul a globális felmelegedéshez.
Miért fontos a dinitrogén-oxid?
Mivel olyan hosszú a légköri tartózkodási ideje, fel tud kerülni a
sztratoszférába, és hatással tud lenni az éghajlatra. A sztratoszférában az UV sugárzás felbontja a dinitrogén-oxidot és nitrogén-oxid gyök
keletkezik (NO). Ez a gyök már közvetlenül részt vesz az ózon-
bontásban. Habár a troposzférában az ózon komoly gond, azonban a
sztratoszférában szükséges, hogy megvédjen minket az UV sugárzástól.
A part menti vizekből származó dinitrogén-oxid kibocsátás úgy
növekszik, ahogyan az éghajlatunk melegszik. A nitrát-koncentrációban bekövetkező változások kapcsolatban vannak a növekvő mező-
gazdasági tevékenységgel, ami megváltoztatja a dinitrogén-oxid
képződését. A képződés további fontos helye az árapály-jelenségnek kitett és a sekély vizű üledékek. Így a tengervíz szintjében bekövetkező változások és / vagy a part menti árapálynak kitett területek
kezelésének további hatása lehet.
A további eutrofizáció a dinitrogén-oxid fokozódó képződéséhez vezethet. Az Indiai-óceán part menti területein az emberi
tevékenységből származó dinitrogén-oxid kibocsátás emelkedésének már vannak bizonyítékai.
Karbonil-szulfid (COS)
A karbonil-szulfid fontos légköri kéngáz. Elsősorban az óceánokban képződik, de kis mértékben ipari eredetű. Összehasonlítva a DMS-sel, mely nagy mennyiségben kerül kibocsátásra, de gyorsabban el is
bomlik, a COS igen stabil gáz.
Honnan származnak a tengeri karbonil-szulfidok?
A tengerből származó karbonil-szulfid a napfény és az óceán felső
rétegeiben lévő kéntartalmú szerves anyag kölcsönhatásából származik.
Elsősorban a part menti vizekben képződik. Mivel a vízben nehezen oldódik, ezért könnyen bekerül a légkörbe.
Miért fontosak a karbonil-szulfidok?
A karbonil-szulfid nem bomlik le a troposzférában, így – a dinitrogén- oxidhoz hasonlóan – bekerülhet a sztratoszférába. Ott átalakul szulfát aeroszollá. A szulfát aeroszolok visszaverik a beérkező napfényt a világűr felé, s így hűtik a bolygónkat.
Kiegészítő ismeretek
Az óceánok
Az Óceánok, Kiegészítő ismeretek c. fejezetben a következő témaköröket tekintjük át:
9 a globális felmelegedéssel kapcsolatos
előrejelzések miként változtatják meg a tengerszintet és az óceáni cirkulációt?
9 ez utóbbinak milyen további hatása lehet a Föld éghajlatára?
9 Az Észak-atlanti Oszcilláció – mint természetes időjárási jelenség – miként befolyásolja Európa téli időjárását?
9 Miért vannak az óceánban nagy területek, ahol sok a tápanyag, de csekély a fitoplankton növekedés, különös tekintettel a vasra, mint mikrotápanyagra?
9 A fitoplanktonokból milyen gázok kerülnek a légkörbe?
9 Bemutatjuk az éghajlati visszacsatolás
koncepcióját.
1. Fejezet: Az óceánok és az éghajlat
• Az éghajlatváltozás és az óceánok
• Az Észak-atlanti Oszcilláció
• Tengerszint növekedés
2. Fejezet: Óceáni tápanyagok
• Vas az óceánokban
• Vas, por és éghajlat
• A vas és az éghajlatváltozás
3. Fejezet: Fitoplanktonokból származó gázok
• Levegő-tenger gázcsere
• A GAIA és a CLAW
