Atmosfera ziemska. Wpływ człowieka

Atmosfera ziemska. Wpływ człowieka

Atmosfera jest elementem naszego środowiska. Jej stan jest wynikiem wielu skomplikowanych i powiązanych ze sobą procesów. Nawet niewielkie zakłócenie jednego z procesów może prowadzić do dużych zmian stanu atmosfery i całego środowiska naturalnego. Przykładem jest wspomniane wcześniej zachwianie równowagi w warstwie ozonowej czy wzrost ilości dwutlenku węgla w atmosferze. Są to zmiany o charakterze globalnym, ale nie mniej istotne są zjawiska występujące w mniejszej skali. Spektakularnym przykładem wrażliwości atmosfery na niewielkie nawet zaburzenia są ślady po emisji spalin ze statków sięgające tysięcy kilometrów i widoczne na zdjęciach satelitarnych. Głównymi antropogennymi czynnikami wywołującymi zmiany w atmosferze są emisje różnego rodzaju zanieczyszczeń oraz zachwianie stosunków wodnych w środowisku przyrodniczym.

Zakłócenia w obiegu wody

Woda, obok tlenu, jest najważniejszym dla życia biologicznego składnikiem atmosfery. Jej koncentracja w atmosferze ulega ciągłym zmianom i zależy od warunków lokalnych. Procesy kondensacji i parowania wody wywierają wpływ na wymianę ciepła w atmosferze i na jej dynamikę. Chmury zmieniają bilans radiacyjny, opady odgrywają ważną rolę w usuwaniu z atmosfery pyłów i innych zanieczyszczeń. Woda ogrywa też ważną rolę wchodząc w reakcje z substancjami zawartymi w atmosferze lub rozpuszczając je. Z tego powodu wszelkie zmiany stosunków wodnych w atmosferze mają kolosalne znaczenie dla środowiska przyrodniczego. Źródłem wody w atmosferze jest parowanie z powierzchni Ziemi, które w dużej mierze zależy od szaty roślinnej, a przede wszystkim od obecności lasów. Rośliny zatrzymują dużą część wody opadowej, która zamiast od razu spływać do morza, powoli paruje z powierzchni roślin. Las, uwalniając parę wodną do atmosfery oraz spowalniając przepływ powietrza, jest często miejscem zapoczątkowującym konwekcję powodującą powstanie chmur i opadów. Wycięcie lasu powoduje, że opady konwekcyjne nad danym obszarem zdarzają się rzadziej, ponadto woda opadowa szybko spływa (często wywołując gwałtowne powodzie) i paruje do atmosfery w zupełnie innym miejscu. Zmienia się też albedo powierzchni Ziemi, rośnie różnica temperatur między dniem a nocą, maleje ilość wód gruntowych. Pociąga to za sobą zmianę klimatu całej okolicy, jej stepowienie i pustynnienie. Do podobnych skutków prowadzi niewłaściwa melioracja, zbyt intensywna uprawa roli i wypasanie bydła. Szacuje się, że co roku wskutek tych wszystkich czynników w skali globu ulega pustynnieniu około 210 tys. km² powierzchni lądów, czyli obszar odpowiadający 2/3 powierzchni Polski. Od lat człowiek pragnął wpływać na cyrkulację wody w atmosferze, usiłując wywoływać deszcz. Od kilkudziesięciu lat podejmowane są w tym celu poważne przedsięwzięcia naukowe. Stosowano „zasiewanie” chmur różnymi substancjami (przede wszystkim zestalonym CO₂ oraz jodkiem srebra AgI), mające doprowadzić do szybszego zamarzania kropelek chmurowych i powstania opadu. Wyniki tych eksperymentów okazały się niejednoznaczne; jedne doniesienia mówią o wzroście opadów o kilka procent (nawet do 20%), inne — o bezskuteczności czy wręcz negatywnym efekcie tych eksperymentów. Podobnie jest z eksperymentami dotyczącymi zapobiegania gradobiciom przez „zasiewanie” chmur burzowych. Zaobserwowano natomiast przypadki sztucznego wywołania czy wzrostu ilości opadów związane z emisją pary wodnej i ciepła z wielkich elektrowni cieplnych, jednak skala i częstość występowania tego zjawiska są niewielkie.

Zanieczyszczenie atmosfery

Rozwój cywilizacji powoduje powstanie sztucznych źródeł emisji do atmosfery pyłów i gazów. Podstawowe zanieczyszczenia atmosfery to: dwutlenek siarki SO₂, tlenki azotu: NO, NO₂, tlenek węgla CO, węglowodory, pyły, zawierające często metale ciężkie (Pb, Ni, Cd, Cu). Dwutlenek węgla i para wodna, mimo że w czystej atmosferze występują w znacznych ilościach, zawarte w gazach spalinowych mogą także mieć negatywny wpływ na środowisko. Źródłem SO₂ jest przede wszystkim spalanie paliw stałych. W atmosferze SO₂ łatwo ulega utlenieniu do SO₃, który następnie reaguje z wodą tworząc kwas siarkowy H₂SO₄. Kwas siarkowy i inne kwasy, rozpuszczone w kropelkach tworzących opady (kwaśne opady), wpływają destrukcyjnie na roślinność na powierzchni Ziemi i w wodach. Tlenki azotu, podobnie jak SO₂, powstają w procesach spalania i mogą przekształcić się w wyniku przemian chemicznych w kwas azotowy HNO₃. W silnie zurbanizowanych obszarach z dużym ruchem samochodowym stężenie tlenków azotu w powietrzu przewyższa często stukrotnie wartości typowe dla obszarów wiejskich, gdzie tlenki te są wytwarzane w naturalnych procesach biologicznych. Negatywny wpływ tlenków azotu na ozonosferę został omówiony wcześniej. Tlenki azotu biorą także udział w reakcjach fotochemicznych zachodzących przy powierzchni Ziemi, prowadzących do powstania smogu fotochemicznego. CO (czad) jest produktem spalania. Jest silnie trujący i nawet w bardzo niewielkich koncentracjach jest niezwykle szkodliwy. Węglowodory są emitowane głównie przez samochody. Najprostszy z nich, metan, powstaje także w dużych ilościach na obszarach intensywnej hodowli zwierząt czy uprawy ryżu. Niektóre węglowodory są silnie kancerogenne (rakotwórcze), metan jest gazem silnie wpływającym na efekt cieplarniany. Pod wpływem promieniowania słonecznego węglowodory reagują z tlenkami azotu, co prowadzi do powstania smogu fotochemicznego. Pyły mogą zawierać wiele groźnych substancji. Działając jako jądra kondensacji pary wodnej, powodują wzrost koncentracji cząstek chmurowych (kropelek wody i kryształków lodu) i modyfikują warunki powstawania opadu. W obszarach przemysłowych koncentracja cząstek chmurowych (szczególnie w chmurach kłębiastych) jest często kilkadziesiąt razy większa niż w obszarach niezapylonych, a same cząstki są odpowiednio mniejsze. Rozpuszczone w nich związki chemiczne też wpływają na warunki powstania opadu. CO₂ jest gazem odgrywającym dużą rolę w powstawaniu efektu cieplarnianego. Wzrost koncentracji CO₂ w atmosferze może mieć poważny wpływ na klimat w skali globalnej. Para wodna zawarta w spalinach reaguje z tlenkami siarki i azotu tworząc kwasy: siarkowy i azotowy. Duża koncentracja węglowodorów i tlenków azotu występująca w miastach prowadzi do powstania smogu fotochemicznego. W dzień, pod wpływem promieniowania słonecznego, substancje te reagują ze sobą, w wyniku czego powstaje ozon i inne bardzo aktywne chemicznie związki, zabójcze dla procesów biologicznych. O ile ozon w stratosferze chroni nas przed szkodliwym dla zdrowia promieniowaniem nadfioletowym, o tyle przy ziemi w większych stężeniach jest toksyczny. Smog fotochemiczny jest w miesiącach letnich poważnym zagrożeniem w dużych metropoliach, takich jak Meksyk, Tokio czy Los Angeles. Wraz z rozwojem motoryzacji staje się groźny i w miastach Polski.

Transport zanieczyszczeń w atmosferze

Zanieczyszczenia wyemitowane do atmosfery są następnie transportowane przez przepływy atmosferyczne, często na bardzo duże odległości. Badanie i modelowanie tego transportu jest trudne nie tylko ze względu na wieloskalowość ruchów w atmosferze i występującą w niej turbulencję, ale także ze względu na różnorodność przemian chemicznych i fotochemicznych, jakim podlegają zanieczyszczenia, oraz mechanizmów ich usuwania z atmosfery (wymywanie, osiadanie, pochłanianie przez rośliny). W wielu wypadkach udaje się jednak śledzić transport zanieczyszczeń w skali od dziesiątek do wielu tysięcy kilometrów. Meteorologiczne pomiary wiatrów na różnych wysokościach pozwalają na wykreślenie trajektorii mas powietrza w troposferze i dolnej stratosferze. W ten sposób udowodniono np. związek między emisją dwutlenku siarki w Niemczech i Wielkiej Brytanii a zakwaszeniem jezior skandynawskich, czy badano drogi transportu pyłów radioaktywnych po awarii w Czarnobylu. I w tej dziedzinie coraz większą rolę odgrywają nowoczesne modele numeryczne.

Zmiany klimatu

Zarówno historia geologiczna, jak i pisana, przekonują nas o tym, że klimat na Ziemi się zmienia. Powstaje jednak pytanie jak działalność człowieka wpływa na szybkość i kierunek tych zmian. Niestety, na to pytanie nie jest łatwo odpowiedzieć. Wiele zagadnień o podstawowym znaczeniu, które nie zostały do końca przebadane. Przykładem jest np. zespół zjawisk nazwany El Niño — Oscylacja Południowa (ang. El Niño — Southern Oscillation, ENSO), który ma związek z anomaliami pogodowymi w skali globalnej. Co roku, w okolicach Bożego Narodzenia (stąd nazwa: El Niño znaczy «dzieciątko») zimny oceaniczny Prąd Peruwiański jest odchylany przez ciepły prąd z północy. Normalnie zjawisko to trwa kilka tygodni, po czym ciepły prąd zanika. Jednakże co kilka lat El Niño jest ponadprzeciętnie ciepły i silny, co wiąże się z anomaliami w rozkładzie prądów morskich na całym równikowym Pacyfiku. Anomalie w rozkładzie temperatury powierzchni oceanu prowadzą do anomalii w rozkładzie ciśnienia atmosferycznego, osłabienia pasatów nad Pacyfikiem oraz zmiany miejsca występowania prądów strumieniowych (jet stream). Wpływa to na pogodę na całej kuli ziemskiej, a szczególnie w obszarze Pacyfiku. Jak widać, na klimat i pogodę kolosalny wpływ ma oddziaływanie ocean–atmosfera, a mechanizmy tych oddziaływań wymagają dalszych badań. Innym zjawiskiem, o którym w ciągu ostatnich lat wiemy coraz więcej jest globalna zmiana klimatu wywołana efektem cieplarnianym. Zwiększona emisja tzw. gazów cieplarnianych (dwutlenek węgla, metan, freony, tlenki azotu) powoduje zmiany w bilansie energetycznym naszej planety i w konsekwencji wzrost średniej temperatury przy powierzchni Ziemi. Na przykład wzrost temperatury powierzchni Ziemi powoduje zwiększenie intensywności parowania, co wywołuje wzrost zachmurzenia, zmiany albeda i w konsekwencji zmniejszenie dopływu energii do powierzchni Ziemi. Ten sam wzrost temperatury powoduje topienie się czap lodowych, a więc wpływa na spadek albeda i co za tym idzie przyczynia się do zwiększonego dopływu energii. Te wszystkie procesy mają wpływ na globalną cyrkulację atmosfery, a także na cyrkulacje w mniejszej skali. Dzięki zastosowaniu coraz to nowszych narzędzi badawczych w tym np. satelitów, czy modeli cyfrowych o zjawiskach wiemy więcej i możemy dokładniej prognozować, jednak wciąż wiele pozostaje do przeanalizowania. Część zagadek kryje struktura chmur czy zjawiska związane z elektrycznością atmosferyczną. Nie są też dobrze poznane tak istotne dla naszego codziennego życia mechanizmy powstawania opadów czy własności przepływów turbulentnych. W miarę poznawania naszego środowiska zdajemy sobie sprawę z powiązań i oddziaływań pomiędzy jego elementami, o których wcześniej nie mieliśmy pojęcia. Opracowujemy prognozy, a jedną z przyczyn ich niesprawdzalności jest nasza ignorancja.

 

Szymon Malinowski

Aktualizacja: Maciej Żołnierczuk. Stan na 2022 r.