Vides zinības un izglītība ilgtspējīgai attīstībai: Vielu un enerģijas aprite uz Zemes

1.2. Vielu un enerģijas aprite uz Zemes

Uz Zemes notiek nemitīga elementu, vielu un enerģijas aprite, kuru apraksta vielu aprites cikli. Vielu aprites ciklus sauc par bioģeoķīmiskiem cikliem, jo tie ietver daudzas ķīmiskās pārvērtības, ģeoloģiskos procesus, un to veidošanā aktīvi piedalās dzīvie organismi. Vielu (piemēram, ūdens) un elementu (piemēram, skābekļa, sēra, oglekļa) avots ir litosfēra, no kuras vielas var nokļūt atmosfērā un hidrosfērā vulkānu izvirdumos vai iežiem dēdējot. Vielas un elementi no hidrosfēras nokļūst atmosfērā, turklāt nozīmīgi ir procesi, kas saistās ar ūdens apriti dabā. Dzīvie organismi biosfērā asimilē vielas no litosfēras, hidrosfēras un atmosfēras, bet pēc to bojāejas vielas atgriežas ar biosfēru saistītajās vidēs.

Vielu un elementu apriti virza enerģijas plūsmas, kas Zemi sasniedz no Saules. Enerģijas plūsma nosaka fizikālos procesus (piemēram, ūdens iztvaikošanu un kondensēšanos; atmosfēras cirkulāciju, kas rada vēju), kā arī vidē notiekošās ķīmiskās reakcijas. Saules enerģija ir pamatā dzīvo organismu attīstībai. Bioģeoķīmiskai apritei ir pakļauti gan ķīmiskie elementi (piemēram, slāpeklis, magnijs, sērs), gan arī vielas (piemēram, ūdens). Daudzi no vielu apritē esošajiem elementiem veido dzīvo organismu pamatmasu. Ogleklis un skābeklis veido līdz 80% no cilvēka masas. Citi elementi ir atrodami Zemes garozā un ūdeņos mikrodaudzumos, bet arī tie ir nepieciešami dzīvības procesu nodrošināšanai (piemēram, fosfors, bors, varš). Tātad vielu un elementu apriti nosaka gan bioloģiskie, gan ģeoloģiskie procesi, bet pēc būtības vielu un elementu aprites koncepcija atklāj ģeoloģisko pārvērtību raksturu, fizikālos procesus un ķīmiskās reakcijas vidē, kā arī bioloģisko sistēmu (dzīvo organismu) pārvērtības. Vielu aprite ģeoloģiskajā vidē ietver procesus, kas sākušies pēc Zemes izveidošanās. Zemes attīstības gaitā notika cietas garozas rašanās, kuru ietekmēja šķidrā Zemes kodola masas periodiska izlaušanās līdz Zemes virskārtai (1. attēls), veidojot izvirdumiežus. Izvirdumiežiem dēdējot (sabrūkot), to sastāvs pārvērtās un veidojās nogulumieži, kas, savukārt, sablīvējoties veidoja metamorfos iežus (piemēram, pārveidojoties kaļķakmenim, radās marmors).

1. attēls. Nogulumiežu slānis (Devona, Lielbritānija)

Nogulumieži radušies, pārveidojoties Zemes cietā apvalka minerāliem. Tie pārvietojās ar ūdeņu plūsmām un izgulsnējās ūdenstilpēs. Atšķirīga sastāva slāņi parāda vides apstākļu mainību atmosfērā, hidrosfērā un biosfērā.

Gandrīz visi minerāli uz Zemes ir radušies ģeoloģiskos procesos. Minerāli, kas radušies Zemes dzīlēs vai tās virspusē, var ilgi saglabāties gandrīz nemainīgi. Ja pēc minerālu izveidošanās fizikālie un ķīmiskie apstākļi un apkārtējās vides sastāvs ievērojami mainās, notiek sākotnējo minerālu īpašību un sastāva pārvērtības: tie sāk noārdīties, veidojas jauni minerāli vai to sakopojumi, kas ir vairāk piemēroti jaunajiem apstākļiem. Šādas minerālu pārvērtības notiek nepārtraukti. Ir zināmi minerāli, kuru izmaiņas notiek lēni, un tās nav samērojamas ar cilvēka mūža garumu vai pat ģeoloģisko laiku, turpretī citi minerāli ir izteikti neizturīgi pret ārējo apstākļu maiņu un var strauji izmainīties Saules gaismas, gaisa vai mitruma ietekmē. Tāpēc Zemes garozas veidošanā dažādiem minerāliem ir visai atšķirīga nozīme. Daļa minerālu ir noturīgi, stabili un, mainoties spiedienam, temperatūrai un videi, ir spējuši saglabāties. Citi, savukārt, ir dinamiski, vairākkārt mainījuši savu minerālo formu un aktīvi piedalās Zemes garozas sastāva un īpašību pārmaiņās. To sauc par iežu aprites ciklu (2. attēls), kas noturīgiem minerāliem var ilgt miljardiem gadu.

VA_2

2. attēls. Iežu aprites cikls dabā

Enerģijas aprite un Zemes klimats

Galvenais enerģijas avots uz Zemes ir Saules enerģija. Galvenie faktori, kas nosaka Saules enerģijas pieplūdi, ir

starojuma veiktais attālums;

leņķis, kādā Saules starojums sasniedz Zemes virsmu;

atmosfēras sastāvs un Saules un kosmiskās telpas starojuma mijiedarbība ar Zemes atmosfēru veidojošām gāzēm.

Zemes enerģijas bilance

Zemi sasniedz gan Saules elektromagnētiskais starojums, gan jonizētu daļiņu plūsma (piemēram, ūdeņraža vai hēlija atomu kodoli) un elementārdaļiņas, gan arī no kosmiskās telpas nākošu daļiņu un starojuma plūsma (kosmiskais starojums). Zemes klimatu galvenokārt ietekmē elektromagnētiskā starojuma plūsma. No Saules Zemi sasniedz starojums, kas atbilst pilnam elektromagnētiskā starojuma spektram: g stari, rentgenstarojums, ultravioletais starojums, kā arī redzamā gaisma, infrasarkanais starojums un radioviļņi. Elektromagnētiskā starojuma enerģija samazinās, pieaugot viļņa garumam, tāpēc lielākajai daļai starojuma, kas sasniedz Zemi, ir augsta enerģija un relatīvi īss viļņa garums.

Ievērojama daļa Saules starojuma (γ stari, rentgenstari un ultravioletais starojums ar īsu viļņu garumu) Zemes virsmu nesasniedz, bet tiek saistīta atmosfēras augšējos slāņos vai arī atstarota atpakaļ kosmiskajā telpā. Augstas enerģijas Saules starojuma pārvērtības Zemes atmosfērā nosaka γ staru, rentgenstarojuma un ultravioletā starojuma ar īsu viļņu garumu mijiedarbība ar atmosfēru veidojošām gāzēm.

Redzamā gaisma (viļņu garums ir aptuveni 0,40–0,70 μm) ir būtiska zaļo augu un daudzu dzīvnieku dzīvības nodrošināšanai. Redzamā gaisma nodrošina enerģiju, kas ir vajadzīga fotosintēzē, bet dzīvniekiem regulē reprodukcijas laiku, migrāciju un daudzas citas dzīvības norises. Infrasarkanajam starojumam (siltumstarojumam) ir ievērojami zemāka enerģija, taču tas ir nozīmīgs Zemes klimata veidošanā, jo nodrošina atmosfēras apakšējo slāņu un Zemes virsmas sasilšanu. Saules starojuma enerģija ir aptuvenā līdzsvarā ar Zemes virsmas atstarotās enerģijas daudzumu (3. attēls). Enerģijas plūsma, kas sasniedz Zemes atmosfēras augšējos slāņus, ir ~1370 W/m². Lielākā daļa šīs enerģijas tiek atstarota kosmiskajā telpā vai arī tiek absorbēta, mijiedarbojoties ar gāzēm, kas veido Zemes atmosfēru. Enerģijas plūsma, kas sasniedz troposfēras augšējo virsmu, ir vairs tikai 342 W/m².

VA_3

3. attēls. Zemes enerģijas bilance

Aptuveni 30% Saules starojuma tiek atstaroti atpakaļ Visumā, pie tam daļu šīs enerģijas atstaro mākoņu sega un smalkās daļiņas, kas atrodas atmosfērā. 51% Saules starojuma absorbē Zemes virsma, un šī enerģija tiek izlietota iztvaikošanā, Zemes virsmas infrasarkanā starojuma veidā un konvekcijas un advekcijas procesos.

Teorijai, ka Zemes atmosfēras sastāvs var ietekmēt no Saules saņemto enerģijas daudzumu un Zemes klimatu, ir vairāk nekā 100 gadu. Saules starojums Zemes virsmu sasilda, un līdz ar to Zeme izstaro siltumu. Tomēr, tā kā Zemes virsmas temperatūra ir ievērojami mazāka nekā Saules virsmas temperatūra, starojuma enerģija, ko Zeme izstaro, ir ievērojami zemāka, un starojuma viļņu garums – ievērojami lielāks nekā starojumam, kas nāk no Saules. No Zemes virsmas galvenokārt tiek izstarots infrasarkanais starojums, kas spēj mijiedarboties ar atmosfēru veidojošām gāzēm.

Vairākas atmosfēru veidojošās gāzes spēj intensīvi absorbēt infrasarkano starojumu. Šādas gāzes ir ogļskābā gāze (oglekļa dioksīds CO₂), metāns (CH₄), ozons (O₃) un ūdens tvaiki, kā arī slāpekļa (I) oksīds (N₂O) un cilvēka darbības dēļ atmosfērā nokļuvušas gāzes – hlorfluorogļūdeņraži (freoni).

Ogļskābā gāze, metāns un arī ūdens tvaiki atmosfērā darbojas līdzīgi kā stikls siltumnīcā (4. attēls). Tās caurlaiž Saules starojumu, bet aiztur no Zemes virsmas atstaroto infrasarkano starojumu. Šāda efekta dēļ gāzes sauc par siltumnīcefekta gāzēm. Jo augstāka ir siltumnīcefekta gāzu koncentrācija atmosfērā, jo vairāk infrasarkanā starojuma tiek aizturēts Zemes atmosfērā, un līdz ar to pieaug Zemes virsmas temperatūra. Ja Zemes atmosfēru veidotu tikai slāpeklis un skābeklis – gāzes, kas nepiedalās siltumnīcefekta veidošanā, Zemes gada vidējā temperatūra būtu tikai +6 ºC (faktiski tā ir aptuveni +15 ºC).

Hipotēzi par siltumnīcefektu veidojošo gāzu un pirmkārt par CO₂ lomu Zemes klimata veidošanā Svante Areniuss izteica jau 1896. gadā. Viņa aprēķini, ka CO₂ koncentrācijas dubultošanās atmosfērā var izraisīt Zemes vidējās temperatūras pieaugumu par 5–6 ºC, mūsdienās pilnībā apstiprinās.

4. attēls. Saules elektromagnētiskā starojuma absorbcijas princips Zemes atmosfērā un siltumnīcā

Pat nelielas siltumnīcefekta gāzu daudzuma izmaiņas atmosfērā izraisa temperatūras izmaiņas uz Zemes, līdz ar to mainot ledāju platības, okeāna līmeni, straumju režīmu, biotopu izplatību un klimatu.

Siltumnīcefekta gāzu ietekme uz Zemes klimatu

Katru no siltumnīcefekta gāzēm (3. tabula) raksturo atšķirīga spēja saistīt un atgriezt atpakaļ uz Zemi Saules starojumu. Starojuma daudzumu izsaka vatos uz kvadrātmetru (W/m²), un tas parāda, kā attiecīgā gāze ietekmē enerģijas daudzumu, kas sasniedz Zemes virsmu, un līdz ar to, cik lielā mērā tā spēj ietekmēt klimatu. Ja radiācijas daudzuma vērtība ir pozitīva, tad gāze sekmē Zemes temperatūras paaugstināšanos, bet, ja negatīva, – temperatūras pazemināšanos. Dabīgā siltumnīcefekta pastāvēšana nodrošina to, ka mūsdienās temperatūra uz Zemes atbilst dzīvības pastāvēšanas priekšnoteikumiem. Siltumnīcefekts pastāv ne tikai uz Zemes. Tiek uzskatīts, ka tas nosaka klimatu arī uz Venēras, un siltumnīcefekta dēļ temperatūra uz šīs planētas sasniedz pat +450 ºC.

Daudzām siltumnīcefektu izraisošām gāzēm raksturīgs augsts noturīgums, kuru var novērtēt kā laiku, kas paiet, kamēr tās tiek saistītas vai izvadītas no atmosfēras ( 1.tabula). Ūdens tvaiki relatīvi ātri tiek izvadīti no atmosfēras nokrišņu veidā, bet metāns fotoķīmiski oksidējas par oglekļa dioksīdu un ūdeni. Oglekļa dioksīds tiek saistīts, tam izšķīstot ūdenī, bet slāpekļa (I) oksīdam (N₂O) raksturīgs ļoti augsts noturīgums un stabilitāte. Īpaši noturīgas ir daudzas cilvēka darbības dēļ atmosfērā nokļuvušās vielas, piemēram, freoni, kas spēs ietekmēt atmosfērā noritošos procesus vēl ilgu laiku.

1. tabula

Siltumnīcefektu veidojošo gāzu koncentrācijas mainība atmosfērā un tās ietekme uz Zemes enerģētisko bilanci

Siltumnīcefekta gāze	Gāzes koncentrācija atmosfērā, triljonā daļa		Emisijas apjoms, gadā	Mūža ilgums atmosfērā, gadi
Siltumnīcefekta gāze	1998	1750	Emisijas apjoms, gadā	Mūža ilgums atmosfērā, gadi
Ogļskābā gāze CO₂*	365	278	26,4 GT[1]
Metāns CH₄**	1745	700	600 Tg	8,4
Slāpekļa (I) oksīds N₂O**	314	270	16,4 Tg N	120
Perfluoretāns C₂F₆	3	0	~2 Gg	10 000
Freons 11 CFCl₃	268	0		45
Freons 23 CHF₃	14	0	~7 Gg	260

* Koncentrācija izteikta kā miljonā daļa.

** Koncentrācija izteikta kā miljardā daļa.

[1] Šeit un turpmāk siltumnīcefektu radošo gāzu koncentrācija izteikta tilpuma un skaita daļās – attiecīgi: m. d. – miljonās daļas (angļu val. parts per million – ppm); mlrd. d. – miljardās daļas; t. d. – triljonās daļas. Šis koncentrācijas apzīmējums norāda uz vielas daudzumu kopējā gaisa daudzumā. 300 m. d. nozīmē, ka miljons gaisu veidojošo gāzu molekulu satur 300 molekulas attiecīgās siltumnīcefekta gāzes vai arī miljons tilpuma vienību gaisa (piemēram, kubikcentimetri) satur 300 cm³

attiecīgās gāzes.

Peta (P) – 10¹⁵

Giga (G) – 10⁹

Tera (T) – 10¹²

Mili (m) – 10^-3

Mikro (µ) – 10^-6

Nano (n) – 10^-9

Dažādas siltumnīcefektu veidojošās gāzes var atšķirīgi ietekmēt Zemes klimatu gan ņemot vērā to spēju atstarot atpakaļ infrasarkano starojumu, gan arī to koncentrāciju atmosfērā. Ja CO₂ potenciālo ietekmi uz Zemes klimatu pieņem par 1, tad citu siltumnīcefektu izraisošo vielu relatīvais potenciāls ietekmēt Zemes siltuma bilanci var būt ievērojami lielāks: metānam (CH₄) tas ir 11, slāpekļa (I) oksīdam (N₂O) – 270, bet freonam 11 (CF₃Cl) – 3400. Zinot siltumnīcefekta gāzu radiācijas daudzumu, var novērtēt, kādas izmaiņas radīs to koncentrācijas pieaugums atmosfērā un kāda būs tā ietekme (5. attēls, 1. tabula).

VA_5

5. attēls. Globālais vidējais starojuma daudzums nozīmīgākajiem Zemes klimata sistēmu ietekmējošiem faktoriem. Saules starojuma daudzuma vērtība (radiācijas daudzums) parāda atstarotās enerģijas izmaiņas pie troposfēras augšējās robežas, kuras notiktu, ja attiecīgais komponents tiktu pilnīgi izslēgts no atmosfēras.

Pēdējo 10 000 gadu laikā, bet it īpaši pēdējā gadsimta laikā, trīs nozīmīgāko siltumnīcefekta gāzu koncentrācija Zemes atmosfērā ir ievērojami pieaugusi, un līdz ar to palielinājies Saules starojuma daudzums, kas tiek atgriezts atpakaļ uz Zemes virsmas (6. attēls).

6. attēls. Siltumnīcefektu izraisošo gāzu koncentrācijas izmaiņas un to ietekme uz saņemtā Saules starojuma daudzumu pēdējo 10 000 gadu laikā

Gan ūdeņu, gan sauszemes biosfēra ietekmē atmosfēras sastāvu, saistot ogļskābo gāzi, bet atbrīvojot skābekli un ūdens tvaikus. Biosfērai ir centrālā vieta oglekļa aprites ciklā. Kaut arī klimata sistēmas elementus raksturo atšķirīgs ķīmiskais sastāvs, fizikālās īpašības un ietekme uz Zemes klimata veidošanos, starp tiem notiek vielu un enerģijas apmaiņa. Jebkuras izmaiņas klimata sistēmā neatkarīgi no tā, vai tās nosaka dabiski procesi vai arī cilvēka darbība, var ietekmēt citus sistēmas elementus un radīt klimata izmaiņas. Klimata mainības cēloņi var būt gan dabiski procesi, gan cilvēka darbība, vispirms ietekmējot atmosfēras sastāvu, kā arī zemes lietojuma veidus.

Hidroloģiskais cikls

Ūdens ir dabas resurss, kas atjaunojas, tas uztur dzīvību uz Zemes. Tas ir mūsu un visu pārējo sugu svarīgākais eksistences līdzeklis.

Dabas ūdeņus klasificē pēc to kopējās mineralizācijas pakāpes (tajos izšķīdušo minerālvielu daudzuma), atsevišķi nodalot saldūdeņus (to kopējais sāļu daudzums ir līdz 1 g/l), iesāļūdeņus (1–10 g/l), sāļūdeņus (10–35 g/l) un sālsūdeņus (35 g/l un vairāk).

Saldūdens ir neliela visu uz Zemes esošo ūdeņu daļa – aptuveni 3%. Nedaudz vairāk kā divas trešdaļas saldūdens ir saistītas ar ledājiem un sniega segu, viena trešdaļa – ar pazemes ūdeni, bet upes un ezeri veido ļoti nelielu saldūdens daļu (7. attēls, 2. tabula).

VA_7

7. attēls. Ūdeņu krājumu sadalījums uz Zemes

2. tabula

Ūdeņu krājumi uz Zemes

Ūdeņu veids	Tilpums, km³
Ūdeņu veids	Tilpums, km³
Okeāni	1 338 000 000
Pazemes ūdeņi	23 900 000
t. sk. saldūdens pazemes ūdeņi	10 530 000
Augsnes mitrums	16 500
Ledāji un sniega sega	24 064 100
Saldūdens ezeri	91 000
Sāļie ezeri	85 400
Upju ūdeņi	2120
Ūdens atmosfērā	12 900

Ūdeņu apriti apraksta hidroloģiskais cikls (8. attēls), kurā var nodalīt piecas nozīmīgākās daļas: ūdeņus okeānos, atmosfērā, ledājos, pazemē un saldūdeņu resursus. Hidroloģiskais cikls parāda saistību starp šiem galvenajiem ūdens avotiem un atspoguļo iztvaikošanas un arī atmosfēras nokrišņu izkrišanas procesu lielo lomu ūdens bilances veidošanā. Galvenais enerģijas avots, kas nosaka ūdens iesaistīšanos globālās aprites ciklā, ir Saule, kuras siltuma ietekmē Zemes virskārtā esošās ūdens masas sasilst un iztvaiko. Iztvaiko ne tikai ūdens no jūru un okeānu virsmas, bet arī augsnes mitrums, ledāji un Zemes sniega sega. Iztvaikojušais ūdens nokļūst atmosfērā, kur ūdens tvaiki atdziest un kondensējas. Par kondensācijas centriem kalpo atmosfērā esošās putekļu daļiņas. Ūdens kondensāciju var radīt arī kosmiskās telpas starojuma iedarbībā radušās daļiņas. Kondensācijas procesi norit troposfēras augšējos slāņos, kā arī uz zemes virsmas. Nokrišņi var izkrist lietus, sniega un krusas veidā. Ūdens tvaikiem nonākot atmosfērā, tie tiek pakļauti vielu izkliedes procesiem, kas raksturīgi atmosfērai, respektīvi, ūdens tvaiki, kas pārsvarā veidojas virs jūru un okeānu virsmas, pārvietojoties gaisa masām, var tikt pārnesti lielos attālumos un izkrist virs kontinentiem.

8. attēls. Hidroloģiskais cikls

Atmosfēras nokrišņi var veidot sniega segu, tos var asimilēt augi, tie var iesūkties augsnē un papildināt pazemes ūdeņu krājumus. Tomēr par vienu no svarīgākajām ūdeņu kustības plūsmām uzskata to akumulāciju upju baseinos un ūdeņu virszemes noteci ar upju ūdeņiem. Līdz ar to ūdens aprites cikls noslēdzas. Katrā aplūkotajā vidē ūdens var aizkavēties atšķirīgu laika posmu (ūdens aprites laiks). Ūdens aprites laiku nosaka ūdens masa attiecīgajā vidē (piemēram, okeānos atrodas lielākā daļa hidroloģiskajā ciklā esošās ūdens masas), kā arī tas, cik intensīviem procesiem pakļauti ūdeņi konkrētajā vidē. Ūdens aprites laiks jūrās un okeānos tiek vērtēts kā apmēram 4000 gadi, ezeros un ūdenstilpēs – apmēram 10 gadi, pazemes ūdeņos – no dažām nedēļām līdz apmēram 10 000 gadiem, ledājos – 100–10 000 gadi, atmosfērā – apmēram 10 dienas.

Hidroloģiskā cikla būtisks elements ir lielākās ūdeņu masas – okeānu un jūru ūdeņu plūsmas – raksturs (jūru un okeānu straumes). Straumes okeāna virskārtā rodas vēja, Zemes griešanās spēka (t. s. Koriolisa spēka) un termisko faktoru mijiedarbībā. Līdz ar ūdeni siltās virsūdens straumes pārvieto milzīgu siltuma enerģijas daudzumu no Pasaules okeāna tropiskajiem rajoniem uz mērenā un aukstā klimata joslām, tādējādi padarot daudz maigāku klimatu plašos sauszemes apgabalos. Savukārt, aukstās straumes atdzesē tropiskos apgabalus.

Ūdens ir viena no cilvēka visvairāk patērētajām vielām – milzīgi ūdens daudzumi tiek izmantoti gan sadzīves vajadzībām, gan arī ražošanā, bet visvairāk ūdens tiek lietots lauksaimnieciskajā ražošanā (9. attēls). Galvenokārt tiek patērēts kvalitatīvs saldūdens, bet cilvēka darbībā veidojas notekūdeņi, kuri bieži netiek pietiekami attīrīti. Pasaulē visvairāk ūdens tiek patērēts lauksaimniecībā (69%), rūpniecībā (23%), mājsaimniecībās un pakalpojumu sniegšanā (aptuveni 8%). Rūpniecībā ūdeni izmanto visdažādākajos tehnoloģiskajos procesos. Ņemot vērā salīdzinoši lielo ūdens daudzumu, kas nepieciešams rūpnieciskās produkcijas ražošanai, tieši saldūdeņu pieejamība daudzos gadījumos ir galvenais faktors rūpnieciskās ražošanas izvietošanai. Mūsdienās, kad nozīmīgi ir arī daudzi citi ekonomiskie faktori, lielākajā daļā rūpniecisko tehnoloģiju ūdens tiek izmantots atkārtoti, to attīrot un atkal iesaistot ražošanā.

Daudz ūdens patērē mājsaimniecībās. Zināms, ka cilvēkam atkarībā no āra temperatūras un svara ik dienas personiskam patēriņam ir nepieciešami 2,5–3 litri ūdens. Aprēķināts, ka mērenajā joslā viens pilsētas iedzīvotājs diennaktī patērē aptuveni 200–220 litru ūdens, bet, lai apmierinātu visas viena cilvēka vajadzības, ieskaitot pārtikas un preču ražošanu, kā arī pakalpojumu sniegšanu, tiek patērēts vairāk nekā 320 litru ūdens diennaktī.

Baltijas jūras reģionā iedzīvotāji un tautsaimniecība ir nodrošināti ar saldūdens krājumiem – to nosaka relatīvi augstais nokrišņu daudzums un zemā iztvaikošana. Pašreiz Baltijas jūras baseina ziemeļu daļā ūdens pieejamība iedzīvotāju nelielā blīvuma dēļ neietekmē cilvēku dzīves kvalitāti un ekonomiku, bet Vācijā un Polijā ūdens resursi ir limitējošais faktors lauksaimniecības turpmākai attīstībai. Tā, piemēram, Polijā jau mūsdienās izmanto 18% no kopējās ūdens noteces upēs, kas tiek uzskatīts par maksimālo ūdens daudzumu, ko var patērēt, neietekmējot ūdens ekosistēmas. Savukārt, Vidusjūras valstīs saldūdens apjoms ir nepietiekams un būtiski ierobežo tradicionālo lauksaimniecības veidu attīstību, tāpēc tautsaimniecība pārorientējas uz pakalpojumu nozarēm (galvenokārt tūrismu).

Intensīvā lauksaimniecība ir nozare, kas patērē visvairāk ūdeņu. Attīstītās valstīs šāds ūdens patēriņš nepārsniedz 20–25%, taču attīstības zemēs apūdeņošanai tiek patērēti 80% un pat vairāk.

Latvija ir bagāta ar ūdeņiem, kas pilnībā nodrošina iedzīvotāju, dabas saglabāšanas un tautsaimniecības vajadzības. Virszemes ūdeņi aizņem 2543 kvadrātkilometrus jeb 3,7% valsts teritorijas. Latvijā pavisam ir 12 500 upes un 2256 ezeri, kas lielāki par 1 hektāru. Ūdeņu bagātību papildina aptuveni 800 mākslīgās ūdenstilpes – hidroelektrostaciju ūdenskrātuves, zivju dīķi un saglabājušies dzirnavu dīķi.

Baltijas jūrai kā iekšzemes jūrai ir raksturīga ierobežota ūdens apmaiņa, relatīvi zems sāļums, neliels dziļums, plašs sateces baseins un liela saldūdens ietekme, kas kopā nosaka tās īpašo jutīgumu pret piesārņojumu. Tāpēc jūrā novadītās kaitīgās vielas saglabājas salīdzinoši ilgi, uzkrājas ūdenī, nogulumos un dzīvajos organismos.

9. attēls. Ūdens patēriņa mainības tendences un tās prognozes dažādos tautsaimniecības sektoros

Kaut arī hidroloģiskajā ciklā iesaistītās ūdens masas ir milzīgas, tomēr cilvēka darbība ietekmē ūdeņu plūsmas. Pašlaik cilvēces ūdens patēriņš ir salīdzināms ar būtisku daļu no pasaules upju noteces. Jau tuvā nākotnē cilvēka ūdens patēriņš varētu pārsniegt dabisko ūdeņu plūsmu iespējas.

10. attēls. Arāla jūras platība 2008. gadāAr nepārtrauktu līniju atzīmēta jūras platība 1960. gadā.

Cilvēka negatīvo ietekmi uz ūdens aprites procesiem ilustrē Arāla jūras izsīkšana (10. attēls), ko rada tajā ieplūstošo upju ūdeņu intensīva izmantošana lauku apūdeņošanai (galvenokārt audzējot kokvilnu). 1960. gadā Arāla jūras platība bija 67 000 kvadrātkilometri, bet 2008. gadā tās platība jau bija sarukusi līdz 17 000 kvadrātkilometriem, un tiek prognozēts, ka pārredzamā nākotnē tā var izzust pilnībā, atstājot savā vietā sāls tuksnesi.

Oglekļa cikls

Ogleklis ir nozīmīgākais dzīvos organismus veidojošais elements. Ogleklis ir relatīvi maz sastopams, jo tā vidējā izplatība uz Zemes ir 350 mg/kg. Tomēr vielu apritē ogleklim ir īpaša loma.

Oglekļa aprite (bioģeoķīmiskās aprites cikls) ietver viena oglekļa savienojuma pārvēršanos citos, un tā notiek atmosfērā, hidrosfērā, litosfērā un biosfērā. Litosfērā ogleklis ietilpst karbonātu nogulumiežu sastāvā (kaļķakmens – CaCO₃, dolomīts – CaMg(CO₃)₂ un citi), kā arī veido fosilā kurināmā nogulas (akmeņogles, nafta, degakmens). Ievērojami daudzumi oglekļa savienojumu (ogļskābā gāze un metāns) atrodas mūžīgā sasaluma joslās un veido organisko vielu sadalīšanās produktus augsnes masā un ūdenstilpju nogulumu sastāvā.

Hidrosfērā oglekļa savienojumi ietilpst dzīvās organiskās vielas sastāvā, karbonātjonos un hidrogēnkarbonātjonos kā izšķīdusī ogļskābā gāze un metāns. Atmosfērā atrodas 760 miljardi tonnu oglekļa šādu savienojumu veidā: oglekļa (II) oksīds (CO), oglekļa (IV) oksīds (CO₂), metāns (CH₄). Oglekļa savienojumiem katrā aprites cikla posmā ir atšķirīgs aprites laiks: atmosfērā tas ir visai īss – 3 gadi, augsnē – 25 gadi, okeānos – 350 gadi, bet karbonātu iežu aprites laiks pārsniedz simtiem miljonu gadu.

Oglekļa ciklā nozīmīgas funkcijas ir biosfēras dzīvajiem, fotosintezējošiem organismiem, kas nepārtraukti saista CO₂ no atmosfēras, veidojot organiskus savienojumus. CO₂ pilns aprites cikls atmosfērā ir ātrs un notiek apmēram 4,5 gados.

Ne visi atmirušie organismi un augi sadalās uzreiz. Neliela to daļa pārvietojas uz iekšzemes ūdenstilpju, jūru un okeānu dziļākajām vietām un uzkrājas nogulumu veidā. Organiskais materiāls, kas lēni sadalās, iekļaujas iežu veidošanās procesā un var atkal tikt ienests atmosfērā dabiskā ceļā (piemēram, erozijas procesā).

Oglekļa dioksīds no atmosfēras var nonākt un izšķīst ūdeņos, kur to izmanto aļģes, līdzīgā veidā, kā to saista sauszemes augi. Papildus tam daži ūdenī dzīvojošie dzīvnieki ekstrahē kalciju un oglekļa dioksīdu no ūdens, veidojot kalcija karbonāta čaulas. Organismiem atmirstot, tās nogulsnējas ūdenstilpju dibenā un veido kaļķakmeni. Šādā veidā daļa oglekļa pievienojas iežu aprites ciklam. Nākotnē, iespējams, iežu aprites cikls uznesīs kaļķakmeni atpakaļ Zemes virspusē, kur erozijas process un dēdēšana to sadalīs un ogleklis izšķīdušā veidā atgriezīsies atpakaļ okeānā un iekļūs atmosfērā kā CO₂.

Oglekļa oksīdu un metāna emisijas apjoma pieaugums var kļūt par faktoru, kas negatīvi ietekmēs vidē noritošos procesus un oglekļa aprites ciklu. Tiek vērtēts, ka pēdējo 100 gadu laikā CO₂ antropogēnās emisijas apjoms pieaudzis vidēji par 2,5% gadā (11. attēls). CO₂ saturu gaisā ietekmē arī mežu platību samazināšanās. Pašreizējais CO₂ antropogēnās emisijas apjoms ir 9,0 ± 0,5 GtC gadā, bet atkarībā no iedzīvotāju skaita pieauguma modeļa tiek lēsts, ka 2100. gadā tas var sasniegt pat līdz 35,8 GtC gadā.

11. attēls. Ogļskābās gāzes emisijas apjoma izmaiņas pēdējo gadsimtu laikā

Cilvēka saimnieciskā darbība izmaina oglekļa apriti un sekmē litosfērā uzkrāto oglekļa savienojumu nokļūšanu atmosfērā. Fosilā kurināmā izmantošana un mežu izciršana veicina CO₂ pāreju no litosfēras un biosfēras atmosfērā daudz ātrāk, nekā tas notiktu dabiskā ceļā. Tajā pašā laikā tā atgriešana no atmosfēras dabiskā ceļā norisinās daudz lēnāk, nekā cilvēka saimnieciskā darbība to papildina, tādēļ CO₂ daudzums atmosfērā palielinās.

Nozīmīgu vietu oglekļa aprites ciklā ieņem metāns. Metāns absorbē infrasarkano radiāciju daudz efektīvāk nekā CO₂, tādēļ tā loma siltumnīcefekta palielināšanā ir ļoti nozīmīga, kaut arī metāna koncentrācija atmosfērā ir salīdzinoši zemāka. Kopš pagājušā gadsimta 60. gadiem, kad tika uzsākti metāna koncentrācijas mērījumi atmosfērā, tā daudzums kopumā pieaudzis par aptuveni 1% gadā. Daļa metāna rodas, audzējot rīsus, kā arī mājlopus, īpaši liellopus. Vēsturiski metāna koncentrācijas izmaiņas, tāpat kā CO₂ izmaiņas, ir saistītas ar klimata izmaiņām leduslaikmetu un starpleduslaikmetu laikā. Tomēr pēdējo gadu pētījumi liecina, ka ģeoloģiskie procesi var būt nozīmīgs metāna avots un, piemēram, tādas dabas parādības kā dubļu vulkāni, var būt uzskatāmas par izcelsmes avotu gandrīz 10% atmosfērā nonākušā metāna.

Ogļskābās gāzes koncentrācija atmosfērā ir pieaugusi no 280 miljonajām daļām pirmsindustriālajā laikmetā līdz 385 miljonajām daļām 2008. gadā (12. attēls). Pētot kontinentālajos ledājos ieslēgtā gaisa sastāvu, pierādīts, ka mūsdienās CO₂ koncentrācija ir ievērojami augstāka, nekā tā bijusi pēdējo 650 000 gadu laikā (180–300 m. d.). Galvenais faktors, kas nosaka CO₂ koncentrācijas paaugstināšanos, ir cilvēka darbība, kas spēj ietekmēt visu oglekļa aprites ciklu.

12. attēls. Oglekļa aprites cikls. Apjomi izteikti PgC, bet plūsmas PgC gadā.

Slāpekļa bioģeoķīmiskās aprites cikls

Slāpeklis veido 76% no atmosfēras masas, ietilpst olbaltumvielu un DNS sastāvā un tāpēc ir viens no dzīvo organismu pastāvēšanai nepieciešamajiem elementiem. Tajā pašā laikā litosfērā un hidrosfērā slāpekļa savienojumu koncentrācija ir ievērojami zemāka, bet atšķirībā no skābekļa slāpeklis ir inerts, un tiešā veidā lielākā daļa dzīvo organismu nespēj to izmantot, jo saite starp atomiem slāpekļa molekulā ir ļoti stabila. Līdz ar to slāpekļa aprites ciklā norit dažādi procesi, kas nodrošina atmosfēras slāpekļa (N₂) saistīšanu tādu savienojumu veidā, kas ir pieejami dzīvajiem organismiem.

Slāpekļa savienojumu aprite

Slāpekļa savienojumi vidē sastopami kā slāpekļa (I) oksīds (N₂O), slāpekļa (II) oksīds (NO), slāpekļa (IV) oksīds (NO₂), slāpekļskābe (HNO₃), amonjaks (NH₃) un amonija sāļi. Citi slāpekļa savienojumi vai nu veidojas kā starpprodukti dažādās reakcijās, vai arī ir nestabili un ātri sadalās. Slāpekļa savienojumi ir savstarpēji saistīti, un tie var pārvērsties cits citā (13. attēls). Liela loma slāpekļa aprites ciklā ir mikroorganismu izraisītām reakcijām, jo hidrosfērā un litosfērā tieši tie nosaka lielāko daļu slāpekļa savienojumu pārvērtību, līdz ar to nodrošinot biosfēras dzīvo organismu pastāvēšanai nepieciešamo slāpekļa savienojumu sintēzi un. Tikai neliela daļa slāpekļa savienojumu iesaistās tā apritē, jo atmosfērā notiek reakcijas starp slāpekli un skābekli. Šo reakciju norisei nepieciešama augsta enerģija, kas veidojas tikai zibens izlādes laikā vai augstākajos atmosfēras slāņos.

VA_13

13. attēls. Slāpekļa savienojumu dabiskie procesi vidē. Slāpekļa fiksēšanu (pārvēršanos reaģētspējīgos un bioloģiski pieejamos savienojumos) nodrošina atmosfērā noritošās reakcijas un dzīvo organismu darbība.

Galvenais process slāpekļa aprites ciklā ir tā saistīšana (asimilācija) – reakcijas, kurās mikroorganismi saista atmosfēras slāpekli, pārvēršot to amonjakā. Slāpekli spēj saistīt baktērijas un arī zilaļģes. Mikroorganismi producē 1–5 kg N/ha, bet gumiņbaktērijas 100–300 kg N/ha.

Asimilācijā veidojas slāpekļa organiskie savienojumi. Tiem sadaloties, veidojas amonjaks vai amonija sāļi (amonifikācija), kuri tālāk pārvēršas par nitrātiem un nitrītiem (nitrifikācija). Nitrifikāciju var uzskatīt arī par organisko un neorganisko slāpekļa savienojumu oksidēšanos.

Noslēdzošais slāpekļa aprites cikla posms ir slāpekļa atgriešanās atmosfērā – N₂ veidošanās (denitrifikācija). Šis process norit augsnē, un denitrifikācijā var veidoties arī N₂O.

Slāpekļa (I) oksīds (N₂O) dabiski ir sastopams atmosfērā kā dažādu bioloģisku pārvērtību produkts. N₂O antropogēnās emisijas apjoms ir niecīgs, un līdz ar to piesārņojums ar slāpekļa (I) oksīdu, īpaši ņemot vērā tā zemo toksiskumu, nav uzskatāms par bīstamu dzīvajiem organismiem. Šī viela ir bez smakas un garšas, ķīmiski inerta. N₂O atmosfērā nokļūst galvenokārt denitrifikācijas procesos, pārveidojoties lauksaimniecībā izmantotajiem slāpekļa savienojumiem gan augsnē, gan arī ūdeņos, un tā ikgadējās emisijas apjoms ir 100 miljoni tonnu gadā. Kopējais N₂O daudzums atmosfērā ir 2000 miljoni tonnu. Tā aprites periods ir 120 gadu, bet N₂O saturs atmosfērā pēdējā gadsimta laikā pieaug par 0,3% gadā. Līdz ar to N₂O uzskatāma par vienu no svarīgākajām siltumnīcefektu izraisošām gāzēm.

Līdzīgi kā citus elementus, arī slāpekļa apriti apraksta tā bioģeoķīmiskās aprites cikls (14. attēls).

14. attēls. Slāpekļa bioģeoķīmiskās aprites cikls. Plūsmas izteiktas PgC gadā.

1914. gadā vācu ķīmiķi Fricis Hābers un Ulrihs Bošs izstrādāja rūpniecisku metodi gaisa slāpekļa izmantošanai amonjaka ražošanā – tā radīja pamatu liela mēroga minerālmēslu rūpniecības attīstībai. Mūsdienās minerālmēslu ražošanas kopapjoms ir apmēram 100 miljoni tonnu gadā, kas aptuveni atbilst tam slāpekļa apjomam, kas tiek fiksēts mikroorganismu darbības rezultātā (100–200 miljoni tonnu gadā) (15. attēls). Tātad cilvēka darbība jau pašlaik pēc apjoma ir salīdzināma ar dabiskajiem slāpekļa bioģeoķīmiskās aprites cikla procesiem, bet paredzams, ka tuvā nākotnē tos pārsniegs.

15. attēls. Slāpekļa fiksēšanas apjoms dabiskajos un cilvēka darbības procesos pasaules mērogā

Ņemot vērā slāpekļa savienojumu ražošanas ievērojamos apjomus, tie var negatīvi ietekmēt gan vidē noritošos procesus, gan arī cilvēku un dzīvnieku veselību.

Slāpekļa savienojumi pieder pie augu attīstībai nepieciešamajām barības vielām, kuras lauksaimniecībā tiek ievadītas augsnē, lai nodrošinātu kultivējamo augu attīstību un lielāku ražību. Tomēr liela daļa izmantoto slāpekļa savienojumu nokļūst pazemes un virszemes ūdeņos, bet līdz ar virszemes noteci – jūrās un okeānos. Slāpekļa savienojumi izkrīt arī ar atmosfēras nokrišņiem (16. attēls), un tie pārsātina gan ūdeņus, gan augsni, bet nākamajos etapos rada eitrofikāciju.

VA_16

16. attēls. Slāpekļa savienojumu izkrišana ar atmosfēras nokrišņiem – apjomu mainība pēdējo gadsimtu laikā un apjomu prognoze

Kopumā slāpekļa savienojumu emisija mūsdienās Eiropā ir kļuvusi par vienu no bīstamākajiem vides piesārņojuma faktoriem. Īpaši aktuāli šie jautājumi ir Baltijas jūras reģiona valstīs, kur slāpekļa savienojumu slodze izraisa daudzus negatīvus procesus, tajā skaitā Baltijas jūras piesārņojumu. Līdz ar to aktuāls kļūst jautājums par slāpekļa savienojumu plūsmu, to lietošanas apjomu un emisijas ierobežošanu.