Debreceni Egyetem Gyermeknevelési és Felnıttképzési Kar

Debreceni Egyetem Gyermeknevelési és Felnıttképzési Kar

Környezeti nevelés és módszertana I. (Jegyzet belsı használatra)

Készítette:

Dr. Varga Imre

2010. január

Környezeti nevelés módszertana I.

Tartalomjegyzék Elıszó ......................................................................................................................................... 1 A természettudományok alapjai ................................................................................................. 2 Anyagszerkezet .......................................................................................................................... 8 Az anyag építıkövei............................................................................................................... 8 Alapvetı kölcsönhatások...................................................................................................... 11 Kémia ....................................................................................................................................... 14 Az Univerzum .......................................................................................................................... 20 A Föld....................................................................................................................................... 25 Litoszféra.................................................................................................................................. 31 Atmoszféra ............................................................................................................................... 34 Idıjárási jelenségek .............................................................................................................. 36 Hidroszféra ............................................................................................................................... 41 Bioszféra................................................................................................................................... 43 Kölcsönhatások a bioszférában ................................................................................................ 45 Élettelen-élı kölcsönhatás.................................................................................................... 45 Élı-élı kölcsönhatás ............................................................................................................ 48 Biogeokémiai ciklusok a bioszférában..................................................................................... 50 Energiaáramlás a bioszférában................................................................................................. 53 Társadalmi környezet ............................................................................................................... 55 Energiaforrások .................................................................................................................... 55 Nyersanyag, hulladék ........................................................................................................... 59 A társadalmi környezet komplex hatása a természeti környezetre ...................................... 60 Környezettudatos magatartás ............................................................................................... 61 Irodalom ................................................................................................................................... 63


1

Elıszó Ez a jegyzet azt a célt szolgálja, hogy segítse a Debreceni Egyetem Gyermeknevelési és Felnıttképzési Kar óvodapedagógus hallgatóit abban, hogy megszerezzék azokat az ismeretanyagokat, amelyek a ’Környezeti nevelés és módszertana I’ (régebbi nevén ’Természetismeret’) címő tantárgy teljesítéséhez szükségesek. Témáját tekintve természettudományok azaz fizika, kémia, földrajz, csillagászat, biológia témakörét érinti. Ez a terület sajnos kissé távol áll a többnyire humán beállítottságú hallgatóság számára. Gondot jelenthet számukra az, hogy az anyag nem lineáris felépítéső, a témák között rengeteg kapcsolat van, szinte mondhatnánk azt, hogy „minden összefügg minden mással”. A felkészülés során erre fokozottan oda kell figyelni, mert nem a tartalmak tudása az elsıdleges, hanem a tartalmak közötti összefüggések átlátása. Nem szükséges elveszni a számokban, adatokban inkább a megértésen van a hangsúly. Az elıadások által érintett témák a hétköznapokban is megjelennek, akár a kisgyermekek is felvethetnek olyan kérdéseket, amelyekre a válasz egyszerő, de csak kevesen tudnak rá kielégítıen felelni. Az általános mőveltség és a széles látókör nélkülözhetetlen elemei azok a tények, elvek, jelenségek melyekkel a jegyzet keretein belül ismerkedhetnek meg a hallgatók. Mindezek szükségesek ahhoz, hogy a környezettudatos magatartás kialakuljon a pedagógusban, majd pedig ez a gyermekek nevelésében is megjelenjen.


2

A természettudományok alapjai A korábban különálló tudományágak, mint a fizika, kémia, biológia, földrajz, csillagászat fejlıdésük során egyre újabb területeket tártak fel a világból. Ezek a területek mára már átfedésbe kerültek, gondoljunk csak az atomfizikára, biokémiára vagy az asztrofizikára. Ezeket a tudományágakat átfogóan, egységesen kell ma már szemlélnünk, melynek hátterében mindig ott van egy speciális nyelv a matematika. A természettudományokban a „dolgokról” nem csak minıségileg (kvalitatívan), hanem mennyiségileg (kvantitatívan) is beszélünk. Ahhoz viszont, hogy ezt megtehessük a mennyiségek pontos leírására mértékegységeket kell bevezetnünk. Például a hosszúság mérésére a méter nevő mennyiséget. Így ahhoz, hogy egy mennyiségrıl pontosan tudjunk beszélni mindig meg kell adnunk egy mérıszámot és egy mennyiséget. Például egy test hossza 21 méter. A különbözı mennyiségekhez különbözı

mértékegységek

rendelhetık.

A

mértékegységeket

többféleképpen

csoportosíthatjuk. Lehetnek például metrikus (méter, liter) vagy angolszász mértékegységek (inch, font). Egyes mértékegységek kifejezhetıek másokkal, mások nem. Az SI mértékegységekbıl (méter, kilogramm, másodperc, stb.) az összes mértékegység származtatható. Nézzünk egy konkrét esetet: a Newton felírható kg*m/s2 alakban is. Azért hogy az kisebb-nagyobb mennyiségek leírásához ne kelljen túl kicsi vagy túl nagy mérıszámokat használni alkalmazhatjuk az alábbi elıtagokat. név nano mikro milli centi deci

jel n µ m c d

érték 0,000 000 001 0,000 001 0,001 0,01 0,1

név deka hekto kilo mega giga

jel dk h k M G

érték 10 100 1000 1000 000 1000 000 000

A természettudományokban vannak olyan alapvetı törvények illetve alapelvek, amelyek a gerincét képezik a természettudományoknak. Ilyenek többek között a Newton törvények, a megmaradási törvények, a szimmetria, stb. Ismerkedjünk meg most ezekkel! Newton I. törvénye: Egy test megırzi mozgásállapotát (egyenes vonalú egyenletes mozgást végez, vagy állva marad) mindaddig, amíg egy külsı tényezı


3

annak megváltoztatására nem kényszeríti. Ennek a törvénynek a szemléltetésére leggyakrabban használt példa az, amikor a fékezı buszon az addig álló labda elkezd gurulni. Hogy is van ez? Senki nem nyúlt a labdához mégis elkezd mozogni. Akkor nem igaz az I. törvény? Nyugodjunk meg igaz. A labda ugyanis nem állt, hanem a busszal együtt mozgott. Viszont a labdát nem „érdekli”, hogy a busz mit csinál. Ha a busz fékez (csökkenti a sebességét) a labda akkor is tovább fog menni azonos sebességgel. Csak akkor fogja megváltoztatni a sebességét, ha egy másik tárgy arra kényszeríti, tehát például akkor, amikor mozgása során eléri a busz elejét és nekiütközik annak. Vagy nézzünk egy másik példát! Tegyük fel egy őrhajó halad a Föld és a Hold között, mondjuk fél úton ’v’ sebességgel a Hold felé. Vajon mennyi üzemanyag szükséges neki 100 km megtételéhez? Közelítsük meg a problémát fizikus szemmel! Mi hat az őrhajóra? Mivel kerül kölcsönhatásba? Mivel érintkezik? Semmivel. Akkor továbbra is ’v’ sebességgel fog mozogni, minden beavatkozás nélkül. Vagyis ilyenkor nincs szüksége üzemanyagra!!! (Az csak a lassításhoz, gyorsításhoz, irányváltozáshoz, azaz a mozgásállapot megváltoztatásához szükséges.) A Földön az autóknak azért van szükségük üzemanyagra, mert az alkatrészek, a kerekek súrlódása, a közegellenállás mind kényszeríti az autót mozgásállapotának megváltozatására (lassulásra), így az állandó sebességnek „ára van”, tankolnunk kell. Newton II. törvénye: Egy test mozgását környezete befolyásolja. Sokak számára ez a törvény csak ’F=ma’, egy üres képlet. Pedig ennek tartalma is van. Egy ’m’ tömegő test mozgását az ı gyorsulása (’a’) jellemzi, ezt pedig a test környezete határozza meg, amely környezeti hatást az erınek (’F’) nevezett mennyiséggel fejezzük ki tömören. Ez azt a nagyszerő képességet adja meg számunkra, hogy ha ismerjük, hogy egy test milyen kapcsolatban áll környezetével ismerjük annak hatását meg tudjuk mondani minden idıpontban a gyorsulását. Ez azt jelenti, hogy ismerjük a mozgását, meg tudjuk mondani hol lesz a következı percben, vagy hol volt 5 perccel ezelıtt. Betekinthetünk a múltba vagy a jövıbe. A II. törvény alapján azt is tudjuk, hogy ugyanakkora (erı)hatás egy nagyobb tömeget kevésbé tud megmozdítani. Minél nagyobb egy test tömege annál nehezebben lehet megmozdítani, azaz annál nagyobb a tehetetlensége (tehetetlenség = tömeg).


4

Newton III. törvénye: Ha egy test valamekkora erıt fejt ki egy másikra, akkor a másik is ugyanakkora nagyságú, de ellentétes irányú erıt fejt ki az elıbbire. Mondhatnánk tréfásan azt is, hogy ezt a törvényt még egy egyszerő szék is „ismeri”. Hogyan vizsgáztassuk le a széket? Egyszerő. Álljunk rá! İ abban a pillanatban „kiszámolja” a rá ható erıt és pontosan akkora erıvel fogja ellensúlyozni, aminek köszönhetıen meg tudunk állni a széken. Newton IV törvénye: Ha egy testre egyszerre több test hat akkor a test ezek együttes hatásának megfelelıen fog mozogni. Ez azt a könnyítést adja meg a fizikus számára, hogy ha ismerjük B hatását A-ra (meg tudjuk mondani, hogy mozogna az A test) és C önálló hatását is A-ra, akkor egyszerően azt is meg tudjuk mondani, hogyan fog mozogni A ha egyszerre B és C is hat rá. Ha egy rendszer semmilyen kölcsönhatásban nincs a környezetével, akkor azt mondjuk, hogy a rendszer zárt, ellenkezı esetben nyílt rendszerrıl beszélünk. Egy nyílt rendszer mindig zárttá tehetı, ha a környezetnek azt a részét, amelyikkel kölcsönhatásban van, hozzárendeljük a rendszerhez. Ez azért fontos, mert zárt rendszerekben van jó néhány mennyiség, amelyik egy speciális viselkedést mutat, kimondható rájuk egy megmaradási tétel. Zárt rendszerben lejátszódó bármilyen folyamat során az adott mennyiség értéke nem változik, a kezdeti és a végállapotban is ugyanannyi. Nézzünk példákat megmaradási törvényekre! Tömegmegmaradás: egy zárt rendszer össztömege állandó. Mit jelent ez konkrét esetekben? Oldjunk fel 1kg vízben 10g konyhasót. Oldás elıtt a rendszer össztömege 1010g, az elkészült oldaté szintén 1010g. Ha elégetünk egy kg fát nem egy kg hamu keletkezik. Az égı fa nem zárt rendszer, kölcsönhatásban van a levegıvel, mivel az égéshez oxigén kell és közben széndioxid keletkezi. Ha megmérnénk a fa és az égéshez szükséges oxigén tömegét az ugyanannyi lenne, mint a keletkezı gázok, hamu és pernye össztömege. Energiamegmaradás: a rendszer összenergiája állandó,

csak

az egyes

energiaformák átalakulnak egymásba. A forró víz hőlése során hıenergiát ad át a környezı testeknek, akik ezáltal felmelegednek. A fa égése során keletkezı hıenergia nem a „semmibıl jön”. Ez az energia korábban a fa anyagának kémiai kötéseiben volt tárolva kémiai energiaként. A lejtın leguruló golyó egyre gyorsabban mozog, azaz nı


5

a mozgási energiája. Ennek viszont az az ára, hogy folyamatosan csökken a helyzeti energiája. Az elızı két megmaradási törvényt ki kell egészítenünk egy kicsit, ahhoz, hogy minden esetben igaz legyen. Einstein relativitáselmélete óta tudjuk, hogy az energia és a tömeg ekvivalens azaz egyenértékő mennyiségek, egymásba át tudnak alakulni a híres E=mc2 képlet alapján. Így megmaradási törvényt igazából csak kettejükre együttesen tudunk értelmezni. Hol jelentkezik ez a gyakorlatban? Vegyük például a Napot! Honnan származik a napsugarak energiája? Mitıl olyan forró a Nap? Honnan az a rengeteg energia? A csillagok belsejében lejátszódó nukleáris folyamatok (magfúzió) során hidrogénbıl hélium keletkezik. Csakhogy 1 kg hidrogénbıl nem egészen 1kg hélium lesz. Néhány gramm anyag eltőnik. Nem más anyaggá alakul, nem elpárolog, hanem megszőnik anyagnak lenni, átalakul energiává. Lendületmegmaradás: Egy test lendülete nem más, mint a tömegének és sebességének szorzata. Zárt rendszerben az elemek lendületének összege sohasem változik. Lövés elıtt a puska és a töltény is állnak, sebességük nulla, így lendületük egyenként is összességében is nulla. Lövés után a kis tömegő „golyó” nagy sebességgel halad elıre, van valamekkora lendülete. Hogyan lehet akkor a rendszer összlendülete nulla? Úgy, hogy a puska ellentétes irányú ugyanakkora nagyságú lendületre tesz szert (Newton III. törvény). Azaz a lövedékkel ellentétes irányban visszalökıdik, de mivel jóval nagyobb tömegő, mint a lövedék, ahhoz hogy ugyanakkora lendülete legyen sokkal kisebb sebességgel fog visszalökıdni. Perdületmegmaradás: A perdület a lendülethez hasonló mennyiség csak ez a forgó rendszereket írja le (nem a haladót). Ez is megmaradó mennyiség. Emiatt van szükség a helikoptereken farokrotorra, különben a géptest a fırotorral ellentétes forgást végezne. Elektromos töltés megmaradás: Egy zárt rendszer össztöltése mindig ugyanannyi. A klóratomban 17 elektron és 17 proton (azonos nagyságú ellentétes töltés) van, így a klóratom semleges. Azonban beszélünk klór ionról is, ami egyszeresen negatív töltéső. Mivel az elektromos töltésre érvényes a megmaradási törvény klóratomból csak úgy lehet klór ion, ha egy elektront szerez a környezetébıl, máshogy nem.


6

Anyagmegmaradás: Bármilyen kémiai folyamatban a kiindulási és a keletkezı anyagokban ugyanazok az atomok vannak, ugyanolyan létszámban, csak máshogy kapcsolódnak egymáshoz. Ha sósavba (HCl) vasat (Fe) teszünk Hidrogén gáz (H2) keletkezik. A hidrogén nem jelenhet meg a semmibıl, a kiindulási anyagok között volt eddig. A vas és a klór atomok pedig nem tőnnek el, hanem vaskloriddá alakulnak. Ráadásul a különbözı atomok darabszámának aránya is állandó marad. Ezt írja le a reakció kémiai egyenlete: 2HCl+2Fe2FeCl+H2. Ezért nem tudtak az alkimisták egyszerő anyagokból aranyat elıállítani. Azonban a radioaktivitás felfedezésével olyan (magfizikai) folyamatokat is megfigyelhetünk, amelyek során az atom belsejében történı változások miatt egy atom egy másik elem atomjává alakul. Barionszám és leptonszám megmaradás: Az atomokat alkotó részecskékre bevezethetünk megmaradási törvényeket, amelyekkel bármilyen (nem csak kémiai) folyamatokra kiterjeszthetı az anyagmegmaradás törvénye. A megmaradási törvényeken túl a természetben nagyon fontos a szimmetria és az arra való törekvés. Szimmetriára szükség van például az egyensúlyi állapotok kialakulásához is. Newton II. törvénye, azaz a hatás-ellenhatás törvénye is szimmetriát fejez ki. A pozitív töltések mellett mindig vannak ellentétes, negatív töltések, melyek egymás hatásait „semlegesítik”. A biológiában a serkentı hormonok mellett mindig vannak gátló hormonok, egyensúlyt csak együttesen tudnak kialakítani. Ha egy felmágnesezett acél rudat eléggé felmelegítünk, elveszti mágnesességét. Ez elég jelentıs változás, pedig az egész mögött csak az áll, hogy az atomi szinten fennálló szimmetria változik. Van egy fontos elv, amelynek kémiai megnyilvánulása a Le Chatelier-Braun-elv, fizikában történı megjelenése a Lenz-törvény. Lényege, hogy egy egyensúlyban lévı rendszer megzavarásakor olyan folyamatok indulnak be, amelyek csökkenteni igyekeznek a zavaró hatást. A széndioxid vízben történı oldódása során szénsav keletkezik (H2O+CO2H2CO3), amely egy megfordítható reakció. A szódásszifonban a szénsav és a széndioxid egyensúlyban van. A reakció mind a két irányban lejátszódik folyamatosan. Akkor amikor kiengedünk egy pohárba egy kis szódát, a keletkezı széndioxid „elszökik”. Ezért olyan folyamatok játszódnak le, amelyek pótolni igyekeznek a gázt. Ezért a szóda „ereje elmegy”.


7

Van egy mennyiség, amely egy rendszer rendezetlenségét írja le. Ez az entrópia. Rendezett állapot az, amikor a lencse és a hamu külön kupacban van, rendezetlen az, amikor össze vannak keveredve. Elıbbi esetben az entrópia kicsi, utóbbiban nagy. A zárt rendszerekben lejátszódó folyamatok mindig olyanok, hogy a rendszer entrópiája nem csökkenhet. Hamupipıkének tehát a mostohája azt a feladatot adta, hogy csökkentse a világ entrópiáját. Ez csak akkor tehetı meg, ha egy másik rendszer entrópiája még nagyobb mértékben nı (Hamupipıke nagyon elfárad). Egyébként ez az elv határozza meg a folyamatok irányát és így ezzel az idı irányát is. Vannak még ezen kívül is fontos elvek a természetben, vegyük például az evolúció motorját, a természetes kiválasztódást, de ezekrıl most nem beszélünk.


8

Anyagszerkezet Az anyag építıkövei Mindannyian jól ismerjük az alumíniumot. Ebbıl készülnek például az elektromos vezetékek, az alufólia. Tudjuk, hogy ez egy szilárd fém, szürke színő, jól vezeti az elektromosságot és a hıt, viszonylag puha, nem rozsdásodik, sósav hatására hidrogént termel, stb. Végezzük el a következı gondolatkísérletet. Vegyünk egy 1 m hosszú alumínium drótot! Vágjuk ketté! Ha megvizsgáljuk a két darabot, azt vehetjük észre, hogy fizikai és kémiai tulajdonságai nem változtak. Az egyik darabot újra vágjuk ketté! Ezek a kis darabok is a fent leírt tulajdonságokkal rendelkeznek. Vágjuk újra ketté, majd újra! Azt tapasztaljuk, hogy ez az aprócska drótdarab még mindig szürke, szilárd, jól vezeti az elektromosságot és a hıt, viszonylag puha és nem rozsdásodik és sósav hatására hidrogént termel. Tehát tulajdonságai függetlenek a mérettıl. De vajon meddig folytathatnánk ezt a kísérletet? Elıbb-utóbb azt tapasztalnánk, hogy ez a folyamat nem folytatható a végtelenségig. Egy idı után már nem írhatnánk le az anyag tulajdonságait a fenti jelzıkkel. Eljuthatunk egy olyan legkisebb méretig, ahol, még az anyag kémiai tulajdonságai ugyanazok. Minden anyag elemi építıkövekbıl áll, amelyek magukban hordozzák az anyag kémiai tulajdonságait. Ezek az építıkövek az atomok, molekulák. Az azonos atomokból álló anyagokat kémiai elemeknek nevezzük. Ha megvizsgáljuk, hogy az egyes anyagok hogyan viselkednek, milyen kölcsönhatásba, reakcióba lépnek egymással és ezek során mivé alakulnak, rájöhetünk, hogy a molekulák is kisebb egységekbıl állnak, de ezek már más-más tulajdonságokkal bírnak, mint maga a molekula. A vizsgálatok azt mutatják, hogy az univerzumban található szinte megszámlálhatatlanul sokféle molekula mindössze kb. 90 eltérı tulajdonságú egységbıl, atomból áll össze. Ezeket (és még kb. 30 mesterségesen elıállított atomot) a Mengyelejev-féle periódusos rendszer foglalja össze. Például a vizet (H2O) alkotó molekulák két hidrogén atomból (H) és egy oxigén atomból (O) állnak, vagy például az inzulin molekulát 791 atom alkotja megfelelı egyedi struktúrában elrendezve. Ha az atomok nagyságát szeretnénk megmérni a milliméter

milliárdod

részét

jelentı

pikométeres

skálán

kell

dolgoznunk.


9

Szemléltetésként ez azt jelenti, hogy kb. 10 milliárd atomot kellene egymás mellé helyezni egy egyenes mentén, hogy e láncolat hossza elérje az 1 m-t. Míg az anyagok makroszkopikus tulajdonságaival (olvadáspont, elektromos vezetıképesség, sőrőség, stb.) a fizika foglalkozik, az atomi szintő felépítését, kölcsönhatásait, reakcióit, stb. a kémia tudománya írja le. A tudósok a XX. század elején kísérleteik, vizsgálataik során azt tapasztalták, hogy az atomok úgy viselkednek, mintha nem tömör, nem folytonosan kitöltött gömbök lennének, mint pl. egy biliárdgolyó, hanem csak a közepükben lenne egy kismérető, sőrő mag. Másrészt az elektromos tulajdonságok miatt valamiféle elektromos töltéssel rendelkezı részecskéket is kell tartalmazniuk az atomoknak. Így szülelett meg az atomok Rutherford-féle modellje, mely szerint egy atom kis méterő (10-14 m), de nagy tömegő (nagy sőrőségő) pozitív elektromos töltéső atommagból és a körülötte „keringı” parányi, kis tömegő negatív töltéső elektronokból (elektronburok) áll. Szemléltessük a méreteket! Ha az atommag egy cseresznye nagyságú lenne, akkor az elektronok tıle kb. 100 méterre keringenének. Ha pedig egy 4kg tömegő 10cm átmérıjő vasgolyóból (lásd súlylökés) egy képzeletbeli speciális eszközzel külön tudnánk választani a vas atomok magjait és elektronjait, akkor az atommagok súlya 3,999kg lenne az elektronoké, pedig 1g. Ráadásul az atommagok mindössze egy baktérium mérető „kupacot” alkotnának. Tehát az atommag nagyon kicsi és nagyon sőrő, az anyagot alkotó atomok, pedig tele vannak „üres hellyel”. További vizsgálatok során kiderült, hogy az atommag sem egy egyszerő homogén gömb, ennek is van szerkezete, ez is részecskéket tartalmaz: protonokat és neutronokat. Ezek mérete és tömege nagyjából egyforma, de a proton (az elektronéval megegyezı nagyságú) pozitív elektromos töltéső, a neutron viszont elektromosan semleges. A mag alkotóit, azaz a neutronokat és a protonokat együttesen nukleonoknak hívjuk. Az atomok elektromos semlegességét annak köszönhetjük, hogy bennük az elektronok és a protonok egyenlı számban fordulnak elı. Egy atom protonszáma, azaz az ún. rendszám meghatározza, hogy milyen anyagról van szó. Ha például egy anyag atomjaiban 47 proton van akkor az ezüst, ha 79 akkor az arany. Persze a semleges arany atomokban ekkor pontosan 79 elektron található. Speciális körülmények között


10

elıfordulhat, hogy egy atom elveszít, vagy szerez néhány elektront, ekkor elveszti semlegességét, ionná válik. Az atomok neutronszáma változó lehet, tehát elıfordulhat, hogy ugyanazon anyag két atomjának nem egyezik meg a neutronszáma – csak a protonszám. Az olyan atomokat, amelyek rendszáma (azaz protonszáma) megegyezik, de neutronszáma eltér izotópoknak nevezzük. Például egy „átlagos” hidrogénatom (H) 1 protont és egy elektront tartalmaz. Viszont elıfordul olyan hidrogén atom is, amely még 1 vagy 2 neutront is tartalmaz. (Elıbbi változatot deutériumnak (2H vagy D) utóbbit tríciumnak (3H vagy T) nevezzük, bár ezek is hidrogén atomok.) A kis rendszámú atomokban a neutronszám nagyjából megegyezik a protonszámmal, a nagyobb rendszámú atomokban a neutronok száma nagyobb, mint a protonoké. Mivel az atomok tömegét döntıen a protonok és a neutronok adják, ezért ezek együttes darabszámát tömegszámnak nevezzük. Tehát minden olyan anyagot, amelyekkel a hétköznapi életben találkozunk elektronok, protonok és neutronok alkotnak, ezért ıket már általános iskolában is elemi részecskéknek neveztük. Azonban speciális körülmények között megfigyeltek még legalább 100 eleminek vélt részecskét. Pontosabb vizsgálatok azonban azt mutatták, hogy ezek többsége (még a proton és a neutron is) belsı szerkezettel rendelkezik, ık is kisebb egységekbıl állnak, azaz nem tekinthetıek eleminek. Ezeket az új alkotóelemeket kvarkoknak nevezzük. Egy proton két u-kvarkból és egy dkvarkból áll, míg a neutron egy u-kvarkot és két d-kvarkot tartalmaz. Ma 13 részecskét tekintünk eleminek. Az egyik a foton („fényrészecske”). A többi 12 két csoportra (leptonok és kvarkok) osztható (1. Táblázat). Ezek közül a hétköznapi élet minden tárgyát u-kvarkok, d-kvarkok és elektronok alkotják. Lepton

Kvark

elektron

u-kvark

elektron neutrínó

d-kvark

müon

c-kvark

müon neutrínó

s-kvark

tau

b-kvark

tau neutrínó

t-kvark


11

Ezek a részecskék alkotják a világegyetem anyagát. Ezek mellett azonban megfigyelhetı még másik 12 részecske, amelyek szintén elemiek, szinte teljes mértékben azonos tulajdonságaik vannak a fent említett 12 részecskével, csak egyetlen tulajdonságuk tér el (az viszont ellentétes). Ez a tucat új részecske alkotja az ún. antianyagot. Az anyag és az antianyag egymás ellentettjei. A tisztánlátás végett nézzünk egy példát! A „hétköznapi” elektron nagyon kis mérető, kis tömegő (a proton tömegének 1840-ed része), a protonéval megegyezı nagyságú, de ellentétes elıjelő elektromos töltéssel rendelkezı elemi részecske. Az ı anti részecske párja az ún. pozitron (anti-elektron) is nagyon kis mérető, kis tömegő (egyenlı az elektron tömegével), a protonéval megegyezı nagyságú, és azonos elıjelő elektromos töltéssel rendelkezı elemi részecske. Tehát mindenben megegyeznek, csak a töltésük ellentétes. Hasonló módon léteznek anti-kvarkok, amelyek anti-protonokat és anti-neutronokat alkotnak. Nagyon fontos tulajdonsága az anyagnak és az antianyagnak, hogy ha találkoznak kölcsönösen megsemmisítik egymást. Ez a folyamat az annihiláció. Ennek során két nagy energiájú foton keletkezik, amelyek egymással 180°-ot bezáró szögben sugárzódnak szét. Ennek hatására a világunkban (amelyet anyag alkot) bármilyen antianyag nagyon hamar megsemmisül. Az annihilációval ellentétes folyamat, az ún. párkeltés során két megfelelı szögben érkezı, nagy energiájú fotonból anyaganytianyag pár jöhet létre.

Alapvetı kölcsönhatások Miután megismertük az anyag építıköveit, nézzük meg milyen kölcsönhatásban állnak ezek egymással! Elsı lépésben egy nagyon fontos fizikai mennyiségrıl, az erırıl kell beszélnünk, mely valamiféle hatást testesít meg. Azt mondhatjuk, hogy a testek mozgását a rájuk ható erık határozzák meg. Az általános- és középiskolás fizika tanulmányok révén mindenkinek van már valamiféle tapasztalata ebben a témában. Sokat beszélünk általánosságban az erıkrıl, most nézzünk néhányat ezek közül, amelyekkel a hétköznapi életben találkozhatunk! Gravitációs erı, rugó erı, felhajtó erı, elektromos erı, súrlódási erı, tartó erı, mágneses erı, nyomó erı, izomerı, közegellenállási erı, stb. A tudósok megállapították, hogy alapjában véve összesen négy féle erı létezik. Ezeket alapvetı kölcsönhatásoknak nevezzük.


12

1 Gravitációs kölcsönhatás: Newton óta tudjuk, hogy minden tömeggel rendelkezı test vonz minden másik tömeggel rendelkezı testet. Ez a vonzás végtelen hatótávolságú. Ez a kölcsönhatás a felelıs az alma fáról való leesésért és a bolygók Nap körüli keringéséért is. 2 Elektromágneses kölcsönhatás: Legtöbben az elektromos és a mágneses erıt két külön kölcsönhatásnak vélik, azonban ezek csak egy átfogóbb hatás eltérı megnyilvánulási formái. Az álló illetve a mozgó töltések kölcsönhatását írják le. Az azonos töltések (és az ellentétes áramok) taszítják egymást, az ellentétes töltések (és az azonos áramok) vonzzák egymást. Ez a kölcsönhatás is végtelen hatótávolságú, de árnyékolható (a töltések hatását a környezı ellentétes töltések hosszútávon gyengíthetik).

Minden

olyan

jelenségben

szerepet

játszik,

ahol

elıfordul

elektromosság, mágnesesség vagy fény. 3 Erıs kölcsönhatás: A kvarkok között lép fel. Hatására alakulnak ki a kvarkokból a nukleonok, és az atommagot (nukleonokat) is ez tartja össze. Hatótávolsága nagyon kicsi, csak az atommagon belül érvényesül. 4 Gyenge kölcsönhatás: Hatótávolsága szintén nagyon rövid, csak az atomokon belül érzékelhetı a hatása. A radioaktív β–bomlásban játszik fontos szerepet. A hétköznapokban csak a gravitációs erı és az elektromágneses erı érzékelhetı, a rövid hatótávolságú kölcsönhatások nem. Tehát a mindennapokban tapasztalható erık mindegyike e két kölcsönhatásból származik. Vegyük például az egyszerő „mechanikai” erıket (nyomó erı, tartóerı, rugó erı, súrlódási erı, stb.). Ezek az elektromágneses erıbıl származnak. Miért is? Ahogy a testet, úgy a felületét is atomok alkotják. Mi történik akkor, ha két felületet közelítünk egymáshoz? Az atomok és így a test is összességében elektromosan semlegesek, de ha a két felületen lévı atomok elégé megközelítik egymást, akkor az elektronjaik jóval közelebb kerülnek egymáshoz, mint az atommagok. Ezért az elektronok sokkal jobban taszítják egymást, mint ahogy az atommagok vonzzák ıket. Ez a taszítás megakadályozza, hogy az egyébként szinte teljesen üres atomok egymásba hatoljanak. Ettıl ’kemények’ a testek. Ez adja az érintkezı felületek között fellépı nyomóerıt, ez a taszítóerı egyenesíti ki az összenyomott rugót, és még sorolhatnánk. Az elektronok taszításának van egy másik következménye is. Minél jobban próbáljuk összenyomni a


13

két felületet az elektronok, annál jobban taszítják egymást, tehát sohasem kerülnek egymáshoz ’igazán’ közel, a két felület között mindig van egy kis rés, lehet, hogy csak a µm tört része, de rés. Mivel az atomoknak nincs éles határfelülete és az elektronburkok is csak megközelítik egymást nem is létezik a hagyományos értelemben vett érintkezés. Nézzük

egy

másik

fontos

jelenségkört,

amelyik

az

elektromágneses

kölcsönhatáshoz kapcsolható. E az optika. A megértéshez elég lehet az is, ha tudjuk, hogy a fény nem más, mint elektromágneses hullám. Amikor egy izzó wolfram szál fényt bocsát ki az azért történik, mert a wolfram atomok elektronburkában az egyik elektron helyzete megváltozik. Ugyanezzel magyarázható a fény elnyelés is. Ráadásul mivel a látható fény csak egy kis része az elektromágneses hullámoknak a jelenségkör jóval tágabb. (Elektromágneses hullámok frekvencia szerint növekvı sorrendben: rádióhullám,

mikrohullám,

infravörös

fény,

látható

fény,

ultraibolya

fény,

röntgensugárzás, radioaktív γ sugárzás.) Így tehát a rádió, a mobil telefon, a mikrohullámú sütı, a tőzfény, a napbarnulás, a röntgen diagnosztika mind szorosan kapcsolódik az elektromágneses kölcsönhatáshoz. Létezik még egy fontos terület, amely az elektromágneses kölcsönhatáshoz köthetı. Ez a kémia, de errıl a következı fejezetben részletesen beszélünk.


14

Kémia Az anyag építıköveit jelentı atomok atommagból és elektronburokból állnak. Az anyag kémiai tulajdonságait (más anyagokkal történı reakcióit) az elektronburok felépítése határozza meg. Nézzük meg, hogyan is épül fel ez a burok! Mivel az atomok elektromosan semlegesek így a protonjaik és elektronjaik száma egyenlı. A protonokat és neutronokat tartalmazó atommag körül az elektronok (adott távolságokra elhelyezkedı) elektronhéjakra rendezıdnek. Minden héjon meghatározott számú elektron fér el. A maghoz legközelebbi, legbelsı héjon maximum 2 elektron tartózkodhat, a következı héjon 8 elektron, a harmadikon 18, a negyediken 32 negatív töltéső elemi részecske helyezkedhet el. Ezek a héjak alhéjakra oszthatóak. Ezeket az alhélyakat s, p, d és f betőkkel jelöljük. Az elektronok mindig úgy helyezkednek el, elıször a legkisebb energiájú (legbelsı) héjat töltik be, ha itt nem férnek el következik a második héj, ha amelyik ott sem fér el az a harmadik héjra kerül, és így tovább. Ennek eredményeképpen a belsı héjak mindig teljesen betöltöttek és a legkülsı héj (amin kívül már nincsenek elektronok) vagy teljesen vagy részlegesen van betöltve az atom elektronszámától függıen. Az a legkülsı héj nagyon fontos szerepet játszik az anyag kémiai viselkedésében, külön névvel is rendelkezik, vegyértékhéjnak nevezzük. Az elıbbiek alapján tehát ha tudjuk mennyi a rendszáma (protonok száma) egy atomnak, akkor tudjuk, hogy ugyanennyi elektronja van. Ekkor viszont meg tudjuk mondani, hogyan néz ki, épül fel az elektronburka, amibıl következtethetünk a kémiai tulajdonságaira. Ha egy anyag minden atomja ugyanannyi protont tartalmaz, akkor az anyagot kémiai elemnek nevezzük (ellenkezı esetben vegyületrıl, elegyrıl, keverékrıl, stb. beszélünk). A természetben 90 féle különbözı elemet találhatunk és további kb. 20 elemet sikerült mesterségesen elıállítani. Ezeket kémiai tulajdonságaik alapján rendszerezve alkotta meg Mengyelejev az ún. periódusos rendszert. Mivel az elektronszerkezet szoros összefüggésben van a kémiai tulajdonságokkal így a periódusos rendszer végül is az elemek atomjainak elektronszerkezetére épül. A táblázat sorai -amelyeket periódusoknak nevezünk- határozzák meg, hogy hány elektronhéja van az atomnak, oszlopai (ún. fıcsoport), pedig azt mutatják meg hány eletronja van az adott atomnak a vegyértékhéján. A táblázat s, ,p ,d, f mezıkre


15

osztható a vegyértékhéj alhéjainak megfelelıen. A táblázatban az elemek növekvı rendszám szerint vannak elrendezve. Mivel az elemek kémiai tulajdonságait a vegyértékhéjon elhelyezkedı elektronok határozzák meg, így az azonos oszlopban lévı elemek kémiai tulajdonságai azonosak. (pl. 8. fıcsoport: nemesgázok, 7. fıcsoport halogének, 2. fıcsoport alkáliföldfémek, stb). A hétköznapi élet legtöbb anyagát azonban nem elemek alkotják, hanem elemekbıl felépülı kötött szerkezetek, pl. molekulák. Miért kötıdnek az atomok egymáshoz? Minden atom arra törekszik, hogy minden elektronhéja teljesen betöltött legyen (a vegyértékhéj is), energetikailag ugyanis ez a legkedvezıbb. A különbözı atomok

„együttmőködve”

próbálják

ezt

a

problémát

megoldani,

melynek

eredményeképpen kémiai kötés alakul ki. Most négy különbözı kémiai kötés mechanizmust nézzünk meg! Az ionos, kovalens és fémes kötést elsıdleges kötésnek is hívjuk, mert jóval erısebb, mint a hidrogénkötés. 1 Ionos kötés: Ha egy atomnak például csak egy elektronra lenne szüksége ahhoz, hogy teljesen betöltse vegyértékhéját, akkor próbál egyet elvenni egy másik atomtól, például olyantól, akinek csak egy elektronja van a külsı héján és így ha megszabadulna tıle ı is csak zárt (teljesen betöltött) héjjal rendelkezne. Ez fordul elı például akkor amikor az egy „fölösleges” elektront tartalmazó nátrium (Na) odaadja az elektronját egy klór (Cl) atomnak, akinek így a külsı héja teljesen betöltıdik. Viszont ilyenkor a nátriumban kevesebb elektron lesz, mint proton a klórban pedig több, azaz az elıbbi pozitív ionná válik, az utóbbi pedig negatív ionná. Mivel ezek ellentétes elektromos töltésőek vonzani fogják egymást, kötés alakul ki köztük, melynek az eredménye a nátriumklorid (NaCl) azaz a közönséges konyhasó. 2 Kovalens kötés: Bizonyos esetekben az atomok nem sajátítják ki teljesen a másik atom elektronjait, hanem inkább közös elektronpárokon osztozkodnak. Például a hidrogénatomnak egy elektronja van és mivel az elsı héjon maximum két elektron lehet a hidrogénatom vegyértékhéja (azaz egyetlen héja) akkor lenne betöltve ha rajta két elektron lenne. Viszont nem elég „erıs” ahhoz, hogy elvegyen egyet másik atomtól. Ezt úgy oldja meg a természet, hogy két hidrogénatom megosztja az egy-egy elektronját (közös elektronpár), amelyek mind a két atommag körül fognak „keringeni” (mintha mindkét elektronhéj két elektront tartalmazna). Így a két


16

hidrogénatom kötıdésével létrejön a hidrogén molekula (H2). Hasonlóképpen viselkedik a levegı oxigénje (O2) és kovalens kötés tartja össze a vízmolekula (H2O) hidrogén és oxigén atomjait is. 3 Fémes kötés: Egyes atomok úgy válnak meg a vegyértékelektronjaiktól, hogy egyszerően eladják ıket és így az atomtörzseket egy nagy, közös elektronfelhı veszi körül. A leadott elektronok szinte szabadon mozoghatnak a testeken belül, az atomok között és ez a negatív „elektrontenger” tartja össze a pozitív atomtörzseket. Mivel a vegyértékelektronok majdnem teljesen szabadok elektromos tér (feszültség) hatására könnyen elmozdulnak és így vezetik az elektromos áramot. Az ilyen atomokból álló elemek a fémek, például: vas, alumínium, higany, arany. 4 Hidrogén kötés: Ha a hidrogén elveszti egyetlen elektronját, akkor nem marad más, mint egy szimpla proton (nincsenek lezárt elektronhéjak, nincs nagy neutronokat is tartalmazó atommag). Ha egy molekulában elıfordul egy ilyen kötött hidrogén, akkor az a része a molekulának pozitív töltéső lesz (a zárt elektronhéjak nem árnyékolják a magot). Más molekuláknak lehet kissé negatív oldala, ahol több elektron van. Így a két ellentétesen töltött oldal kissé vonzza egymást, ami egy gyenge kötést eredményez. Például a vízmolekula hidrogénje bizonyos körülmények között kötıdik egy másik vízmolekula oxigén atomjához. Ez a kötés eredményezi azt, hogy a víz sőrősége 4°C alatt csökkeni kezd. A kémiai reakciók során a kiinduló anyag(ok)ból más anyag(ok) keletkeznek eközben új kémiai kötések jöhetnek létre vagy a meglévı kötések felbomolhatnak, átalakulhatnak. A reakciók során azonban mindig teljesülnie kell az anyagmegmaradás elvének, miszerint a kémiai folyamatok során a különbözı rendszámú atomok száma nem változik. Tekintsük át egy példát! A fotoszintézis során széndioxidból (CO2) és vízbıl (H2O) szénhidrát (C6H12O6) és oxigén (O2) keletkezik. Ha fel szeretnénk írni a pontos reakcióegyenletet, akkor figyelembe kell venni, hogy a szén, oxigén és hidrogénatomok mennyisége a reakció során ne változzon. Így az egyenletet a következıképpen kell megadnunk: 6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2 A kémiai reakciók sebességét több tényezı befolyásolja: anyagminıség, koncentráció, hımérséklet, katalizátorok.


17

A reakciók egy részének lejátszódásához energia szükséges, amely energiát a rendszer a környezetétıl vonja el. Ezek az endoterm folyamatok. Más reakciók során energia szabadul fel. Ezeket hívjuk exoterm folyamatnak. Tehát egyes kémiai reakciók lezajlásával energiát nyerhetünk. A kémiai úton tárolt energia hasznosítása a hétköznapi élet része. A szén, a fa, a gázolaj, a benzin, a földgáz égése mind olyan kémiai reakció (oxidáció) melynek során hıenergia szabadul fel. Az akkumulátorok és szárazelemek belsejében lejátszódó kémiai folyamatok eredményeképpen elektromos energiát nyerhetünk. Az élılények táplálkozása is arra szolgál, hogy a táplálékban tárolt kémiai energiát az élılények kinyerjék. Beszélhetünk protonátmenettel és elektronátmenettel járó kémiai reakciókról. Protonátmenettel járó reakciók során hidrogén ion (H+), azaz proton kerül átadásra. A proton leadó vegyületet savnak, a felvevıt bázisnak nevezzük. Például a hidrogén-klorid (HCl) gáz vízzel (H2O) reakcióba lépve a hidrogén ionját (proton) átadja a víznek és így kloridion (Cl-) és oxóniumion (H3O+) keletkezik. A savak bázisokkal lejátszódó reakcióját közömbösítésnek nevezzük ennek hatására víz és különbözı sók képzıdnek. Például sósav (HCl) és nátrium-hidroxid (NaOH) reakciójából víz (H2O) és nátrium-klorid (NaCl) azaz konyhasó keletkezik. A tiszta vízben is lejátszódik protonátmenettel járó reakció a vízmolekulák között. Ezt

disszociációnak

nevezzük,

és

a

következıképpen

írhatjuk

le:

H2O+H2OH3O++OH-. Ez az alapja a kémhatás fogalmának. Az a vizes oldat, amelyikben több oxóniumion van, mint hidroxidion azt savas kémhatásúnak nevezzük. Azt a vizes oldatot pedig, amelyik több hidroxidiont tartalmaz lúgos kémhatásúnak nevezzük. Ha a kétféle ion mennyisége egyenlı semleges kémhatásról beszélünk. Az oxóniumionok koncentrációjának negatív logaritmusát pH-értéknek nevezzük. A savak pH-ja 7-nél kisebb, a lúgoké 7-nél nagyobb, a semleges kémhatású oldatok pH-ja pedig pontosan 7. A pH-érték fontos az élıvilágban. A talaj pH-ja 3,0 és 8,4 között lehet. Egyes növények eltérı pH-jú talajban képesek megélni. Az állatok emésztése savas és lúgos környezetben is történik. Az embernél is fontos a sav-bázis egyensúly fenntartása. Néhány emberi testnedv pH-értékét összehasonlíthatjuk. Gyomornedv pH: 1,0-3,0, nyál pH: 6,5-7,5, vér pH: 7,35-7,45, hasnyálmirigy váladék pH: 8,8.


18

A kémiai reakciók másik nagy csoportja az elektronátmenettel járó ún. redoxi reakciók. Az az anyag, amelyik elektront ad le oxidálódik, amelyik pedig felveszi az elektront, az redukálódik. A legtöbb energiatermelésre használt reakció ide tartozik, például az égés, az akkumulátorok, a táplálkozás, stb. Egy konkrét példa legyen a szén égése: C + O2 = C4+ + 2O2− = CO2. A kémiai elemekbıl a különbözı kötések révén létrejött vegyületeket két csoportra oszthatjuk szerves és szervetlen vegyületekre. A megkülönböztetésnek az az alapja, hogy a szénatomok összekapcsolódva egyedülálló módon hosszú láncokat, elágazó szerkezeteket képesek létrehozni, melyekrıl eleinte azt gondolták, hogy csak az élılények tudják ıket elıállítani. Azokat a szénvegyületeket, amelyek tartalmaznak szén-szén illetve szén-hidrogén kötést szerves vegyületeknek nevezzük, minden más vegyületet pedig szervetlennek. A szerves vegyületek alapja tehát a szén, de tartalmazhatnak hidrogént, oxigént, nitrogént, stb. Hihetetlenül változatos és sokféle szerkezetet találhatunk itt például, szénhidrogének (földgáz, benzin), szénhidrátok (cukor), aminosavak (fehérjék), zsírsavak (zsírok, olajok), nukleinsavak (DNS), alkoholok, mőanyagok (PVC, polietilén, bakelit), és így tovább. A szervetlen vegyületek általában egyszerőbb felépítésőek és mindenféle atomot tartalmazhatnak. A konyhasó, a sósav, a víz, a rozsda, a mész mind szervetlen vegyületek. Ismerkedjünk

meg

a

szerves

vegyületek

fontosabb

csoportjaival!

A

legegyszerőbb szerves vegyületek a szénhidrogének, amelyek csak szén és hidrogén atomokat tartalmaznak. Az olyan szénhidrogéneket ahol a szénatomok között csak egyszeres kovalens kötés van telített szénhidrogéneknek nevezzük, azokat pedig ahol többszörös kovalens kötések is megtalálhatóak telítetleneknek nevezzük. A szénatomok egymáshoz kapcsolódásával kialakuló szerkezetek lehetnek nyíltak (láncszrőek) és lehetnek zártak (győrőket tartalmazók). Szénhidrogének például a metán (CH4, földgáz), a propán és a bután (C3H8, C4H10, PB-gáz), oktán (C8H18, benzin), acetilén (C2H2), benzol (C6H6), stb. Ezen kívül beszélhetünk még heteroatomokat (O, N, P, S, Cl, F) tartalmazó szerves vegyületekrıl. Alkoholok (pl.: metilalkohol, etilalkohol), aldehidek (pl.: formaldehid), ketonok (pl.: aceton, kámfor), karbonsavak (pl.: hangyasav, ecetsav, szalicilsav), észterek (pl.: zsírok, olajok), éterek (pl.: éter, hasis), szénhidrátok (pl.:


19

szılıcukor, cellulóz, keményítı), aminok (pl.: hisztamin, kinin), aminósavak (fehérjék alapjai), amidok (pl.: B12-vitamin, LSD, penicillin), nukleinsavak (DNS alapjai), halogénezett szénhidrogének (pl.: freon PVC, teflon, DDT).


20

Az Univerzum Földünk a Naprendszer része. Az univerzumnak ez a kb. 2 fényév mérető része tartalmaz egy csillagot (Nap), 8 bolygót, közel 70 holdat, sok ezer kisbolygót, üstökösöket, stb. A Naprendszer kb. 5 milliárd évvel ezelıtt alakult ki. A világegyetemnek ezen a részét akkoriban szupernóvák, felrobbant csillagok maradványaiból álló gáz és porfelhı töltötte ki. Ebben a forgó anyagfelhıben a kisebbnagyobb részecskék a tömegvonzás hatására lassan vonzani kezdték egymást, ütköztek és egyre nagyobb tömegő testekké álltak össze. A forgás középpontjában nagyon sok anyag halmozódott fel, ami az erıs gravitációs vonzás hatására nagyon összesőrősödött, felmelegedett, benne energiatermelı magfúzió indult meg, vagyis létrejött egy csillag, a Nap. A körülötte keringı apró törmelékbıl pedig fokozatosan néhány nagyobb égitest jött létre (bolygók, holdak, üstökösök, stb.). Ismerkedjünk meg a Naprendszer elemeivel részletesebben, kezdjük a Nappal! Nap Az Föld egy központi égitest, a Nap nevő csillag körül kering. A Nap-Föld távolság 150 millió km. A központi csillagunk átmérıje 1393000km (109-szerese a Föld átmérıjének), tömege 2*1030 kg (a Föld tömegének millió szorosa), ami a Naprendszer tömegének 99,9%-át adja. Anyaga nagyrészt hidrogén (75%) és hélium (25%). Ezek az anyagok olyan folyamatokban (magfúzió) vesznek részt, amelyek alapja

a

relativitáselmélet

által

leírt

tömeg-energia

átalakulás.

Ennek

eredményeképpen hatalmas energia szabadul fel. Ennek hatására a Nap felszíne 5500°C-ra hevül, magjában pedig 15 millió °C-os hımérséklet uralkodik. Ezt az energiát érezzük még ilyen hatalmas távolságból is a napsütés melegének. A Napot a következı részekre oszthatjuk: mag (a fúzió színtere), sugárzási zóna, konvekciós zóna, fotoszféra (a napsugarak szülıhelye, gyakorlatilag ezt nevezhetnénk felszínnek) és a korona. A Nap felszínén sötét (pár száz fokkal hidegebb) foltok figyelhetıek meg, ezek az ún. napfoltok. Számuk 11 évenként lecsökken és újra megnı. Hatásuk kis mértékben megfigyelhetı a Földön is. A nap felszínén idınként hatalmas láng-szerő formákat ún. napkitöréseket, protuberanciákat figyelhetünk meg. A Napból a fénysugarakon kívül erıs részecskesugárzás is indul a világőrbe. Ez a napszél. A Föld


21

felszínén ez kevésbé érzékelhetı, mert a Föld mágneses tere eltéríti a töltött részecskék áramát. Ennek hatására jön létra a sarkok körül a sarki fény. Bolygók A Nap körül 8 nagymérető égitest kering. İk a Nap bolygói. A bolygók tulajdonságaik alapján két nagyobb csoportba oszthatóak. A Föld típusú bolygók (Merkúr, Vénusz, Föld, Mars) a Naphoz közel helyezkednek el, átmérıjük kicsi, szilárd felszínük van, nagy a sőrőségük. A Jupiter típusú bolygók (Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz) a Naptól távol helyezkednek el, nagymérető összesőrősödött gázgömbök, többnyire nem rendelkeznek szilárd felszínnel. A bolygók Nap körüli mozgását a Kepler törvények írják le. Kepler I. törvénye: A bolygók ellipszis pályán keringenek, amelynek egyik gyújtópontjában a Nap helyezkedik el. Kepler II. törvénye: Egy bolygótól a Napig húzott egyenes szakasz egyenlı idık alatt egyenlı területeket súrol. Ennek az a következménye, hogy a pálya egyes szakaszain más-más sebességgel keringenek a bolygók. Így tehát a Földön is az év egyes szakaszaiban nem egyforma hosszúak a napok (nem a nappalokról van szó), azaz egy nap nem pontosan 24,00 óra. Kepler III. törvénye: Ha ’a’ a bolygók pályasugara (fél nagytengelye) és ’T’ a keringési ideje, akkor a2/T3 minden bolygóra egyenlı. Tehát a bolygók naptávolsága meghatározza a keringési idıt. A fenti táblázat alapján látható, minél messzebb van egy bolygó a Naptól annál több idı alatt kerüli meg azt (nem csak ezért mert több az út, hanem mert kisebb sebességgel is halad). Ezek a törvények mindenféle csillagászati megfigyelések nélkül is felállíthatóak a Newton törvények alapján. Ha ismerjük két test által egymásra kifejtett gravitációs erı formáját, azaz a környezet, meg tudjuk mondani, hogyan mozognak a testek. A kísérleti tapasztalatok, megfigyelések egyeznek az elméleti leírással. A Naptól való átlagos távolságuk és átmérıjük keringési- és forgási idejük a következı táblázatban tekinthetı meg:


bolygó

naptávolság

átmérı

(millió km)

(km)

22

keringési

forgási idı

idı (földi

(földi nap)

év)

Merkúr

58

4878

0,241

58,7

Vénusz

108

12103

0,615

-243,0

Föld

150

12756

1.000

1.00

Mars

227

6794

1,880

1,03

Jupiter

778

138000

11,9

0,411

Szaturnusz

1429

114000

29,5

0,428

Uránusz

2871

49950

84,0

-0,720

Neptunusz

4500

48600

165,0

0,671

Holdak és győrőrendszerek A bolygók körül is keringhetnek nagyobb testek, ezek a holdak. A Merkúrnak és a Vénusznak nincsenek holdjai a Szaturnusznak több mint 20 holdja van (összesen kb 60-70). Vannak bolygóknál is nagyobb holdak és kicsi, néhány km átmérıjőek. A Jupiter típusú bolygók körül megszámlálhatatlanul sok egészen apró mérető testek (kövek, kavicsok, por) is keringenek. Ezek alkotják a bolygók győrő rendszerét, amelyek közül kétség kívül a Szaturnuszé a legnagyobb, leglátványosabb. Bolygónktól 384400km-re egy 3476km átmérıjő test, a Hold kering. A Föld körüli keringési ideje és a tengelyforgási ideje megegyezik (27,3 nap), ezért a Földrıl mindig ugyanazt az oldalát láthatjuk. Légköre nincs. Felszíni hımérséklete 130 °C (napos oldal) és -150 °C (éjszakai oldal) között ingadozik. Kisbolygók A Mars és a Jupiter pályája között több tízezer kismérető szabálytalan alakú test kering, a kisbolygók. Ezt a területet, pedig kisbolygó-övezetnek nevezzük. A legnagyobb kisbolygó a Ceres 1000km átmérıjő. Üstökösök A Naprendszerben található szabálytalan alakú jégbıl és porból álló égitestek. A Naphoz közeledve felmelegszenek és porból és gázokból álló csóvájuk keletkezik, amely mindig a Nappal ellentétes oldalon található. (kóma, mag, csóva) Talán


23

legismertebb képviselıjük a 76 évenként visszatérı Halley-üstökös (legközelebb 2061ben tér vissza. Meteorok Amikor az őrben található kisebb (pár cm) „őrtörmelék” belép a Föld légkörébe, ott felizzik, elég és közben csóvát húz. Ezt a pár másodpercig tartó fényes csíkként látható jelenséget hívja a népnyelv hullócsillagnak, a csillagászok pedig meteornak. Ha egy nagyobb meteor nem ég el teljesen a felszínbe csapódva krátert hoz létre. A becsapódó meteort meteoritnak hívjuk. Csillagok Mi található a Nap hatáskörén, azaz a Naprendszeren kívül? Ez a terület még a Naprendszernél is ritkább, üresebb, sivárabb. Ahogy távolodunk a naptól elıbb-utóbb egy másik csillag hatáskörébe kerülünk. A csillagok a mi Napunk rokonai. Hatalmas forró gázgömbök. Méretük erısen ingadozik (0,01Nap – 1000Nap méret). Színük amelyet felszíni hımérsékletük határoz meg - is változó (vörös-3000°C; fehér20000°C). A csillagok távolságát fényévben mérjük. 1 fényév az a távolság, amelyet a fény 1 év alatt megtesz. (1 fényév=9 467 000 000 000km) A Nap után a legközelebbi csillag a Proxima Centauri, egy jelentéktelen kis csillag (szabad szemmel nem is látható), amelynek távolsága 4,2 fényév. Az égen szabad szemmel kb. 2000 csillagot láthatunk. Nappal azért nem látjuk a csillagokat, mert a napfény szóródik a légkörben és ez az erıs szórt fény elnyomja a csillagok halvány fényét. (Napfogyatkozáskor, amikor a Hold eltakarja a Napot nappal is láthatunk csillagokat.) Galaxisok Ha a csillagok távolságát megmérjük, azt tapasztaljuk, hogy nem egyenletesen töltik ki a teret, többnyire egy 100000fényév átmérıjő 2000fényév vastagságú (spirális karokból álló) korong alakú térrészben helyezkednek el. Ez a Tejútrendszer, amely közel 100 milliárd csillagból áll. Ezen kívül a tér még üresebb. Viszont nagy távolságokra újabb csillagcsoportosulásokat, újabb galaxisokat találunk. Ezek közül a 2,2 millió fényévre lévı Andromeda-köd a legismertebb (Jó esetben még szabad szemmel is látható apró halvány foltként.) A galaxisok sem egyenletesen vannak szétszórva, csoportokba rendezıdnek. A mi galaxisunk, azaz a Tejútrendszer a 20


24

galaxist tartalmazó Lokális rendszer tagja. Egyes galaxis halmazok akár több száz galaxist is tartalmazhatnak. A galaxishalmazok pedig szuperhalmazokat alkotnak. A lokális rendszer a Virgo szuperhalmaz tagja. A galaxisok távolodnak egymástól.


25

A Föld A Föld a Naprendszer (Naptól számított) 3. bolygója. A Naptól átlagosan 150 millió kilométerre kering. Pályája nem szabályos kör, hanem egy ellipszis. A Nap-Föld távolság minimálisan 147 millió km, maximálisan 152 millió km. Pályájának Naphoz közeli szakaszán télen található. Keringési ideje (év) 365,25 nap. Az egyszerőség kedvéért a hétköznapokban 365 napot nevezünk egy évnek, a maradék negyed napokból pedig minden 4. évben összegyőlik egy ún. szökınap. A Föld közel gömb alakú (kissé lapult). Egyenlítıi átmérıje 12756km, sarki átmérıje 12714km. Egy teljes tengely körüli fordulat megtételéhez szükséges idı (nap) 23 óra 56 perc, bár a mindennapokban sokkal fontosabb a Nap két delelése között eltelt idı átlagosan 24 óra. A Föld forgástengelye a Föld keringési síkjával 66,6°-os szöget zár be. Bolygónk tömege: 6*1024 kg, átlagos sőrősége 5,5 kg/dm3 (a víz sőrőségének 5,5-szöröse). Tömegének és átmérıjének köszönhetıen a szökési sebesség (az a sebesség, amivel egy tárgy elhagyhatja az égitestet) a felszínen 11,2 km/s. A Föld körül egy hold kering, amit Holdnak nevezünk. A Földet különbözı burkokra ún. szférákra oszthatjuk. A Föld gázburka az atmoszféra, vagyis a légkör. A vízburkot hidroszférának hívjuk. Ez magába foglalja a felszíni és a felszín alatti vizeket. A bolygónk külsı szilárd kızetburka a litoszféra. Ez alatt helyezkednek el a belsı szférák. A Föld speciális bolygó abban az értelemben, hogy rajta élet található, ezért definiálhatunk egy sajátos réteget, amely magába foglalja az élılényeket és azok élıhelyeit, környezetét. Ezt bioszférának hívjuk. A élet megjelenésével a litoszféra egyes részei átalakultak, kialakult a pedoszféra, vagyis a talaj. Mindegyik burokkal foglalkozni fogunk részletesen, most nézzük csak meg a belsı szférákat! A Föld belsı szerkezetét a legbelül elhelyezkedı mag, majd a köpeny és az azt burkoló kéreg alkotja. A mag két részre osztható a külsı folyékony mag és a belsı szilárd mag. A magon kívüli rész az alkotó anyagok keménységi foka szerint mezoszférára, asztenoszférára és litoszférára, összetételük és sőrőségük szerint, pedig alsó és felsı köpenyre és kéregre osztható. A kérgen nyugszik az óceánok és felszíni vizek alkotta hidroszféra és az élılényeket és azok élettereit (élıhelyeit) magába


26

foglaló bioszféra. A vasban dús forró mag hozza létre a Föld mágneses terét, melynek tengelye eltér a forgástengelytıl és lassan változtatja is a helyét. A Föld felszínének 29%-át szárazföldek 71%-át óceánok és egyéb felszíni vizek alkotják. A felszínen az átlaghımérséklet 14°C, mely a légkör jelenléte nélkül kb. -20 °C lenne. Az átlagtól jelentıs eltérések is lehetnek. Az eddig mért legalacsonyabb hımérséklet -88°C (Antarktisz), a legmagasabb közel 58°C (Afrika). Bolygónk felszíne nem teljesen sima, kisebb-nagyobb kiemelkedések (hegyek) és hasadékok (mélytengeri árkok) között sokféle felszíni formával találkozhatunk. A felszínt különbözı erık formálják: a kéreg mozgásai, vulkanikus tevékenység, a szél és a víz eróziós hatása, hımérsékletingadozás, stb. Annak a ténynek, hogy a Föld forgástengelye a keringési síkkal 66,6°-os szöget zár be és, hogy a forgástengely mindig ugyanabba az irányba mozog, van egy fontos következménye. A keringés egyik szakaszában a napsugarak a Földnek fıként az északi félgömbjét melegítik, így ott ilyenkor melegebb idı van (nyár). A keringés más szakaszában pedig pont a déli félgömböt érik nagyobb szögben a napsugarak. Ilyenkor északon hidegebb van (tél). Tehát az évszakok váltakozása nem attól függ, hogy a Föld néha közelebb, néha távolabb van a Naptól. A Föld a Naphoz legközelebb január 4.-én jár (perihélium), legtávolabb pedig július 4.-én (afélium). Az északi féltekét június 22.-én süti a Nap a legnagyobb mértékben illetve december 22.-én a legkevésbé. Ezeken a napokon van az északi félgömbön a leghosszabb illetve a legrövidebb nappal. Ezeket a napokat hívjuk nyári és téli napfordulónak. Március 21.-én és szeptember 23.-án a Nap a két földtekét egyformán süti. Ekkor a nappalok és az éjszakák egyforma hosszúak,

ezért ezeket a nevezetes dátumokat tavaszi és ıszi

napéjegyenlıségnek hívjuk. Vizsgáljuk meg a Nap látszólagos mozgását az égbolton! A Nap egy körív mentén mozog, ez a látszólagos körív nem minden napon ugyanaz. Nyáron, amikor az északi félgömböt (pl. Magyarország) világítja meg jobban a Nap, akkor a pályája magasabbra ível (ezért van melegebb), és kelettıl északra kel a Nap és nyugattól északra nyugszik, így a nappalok hosszabbak, mint 12 óra. Télen a nap pályája laposabb, nem emelkedik olyan magasra, mint nyáron, továbbá kelettıl délre kel és nyugattól délre nyugszik, azaz a nappalok rövidebbek, mint az éjszakák. Pontosan


27

keleten (nyugaton) csak a tavaszi és ıszi napéjegyenlıség idején kel (nyugszik) a Nap. A Nap pályaívének magassága a földrajzi elhelyezkedéstıl is függ. A sarkkörön túl az is elıfordulhat, hogy a Nap nem nyugszik le. A sarkpontokon fél évig nappal, fél évig este (szürkület) van. Az Egyenlítı tájékán a Nap mindig kelet (nyugat) közelében kel (nyugszik), és meredeken emelkedik az ember feje fölé (ahogy Magyarországon soha). Az északi félgömbön a Nap pályájának legmagasabb pontja mindig nagyjából dél irányában található, míg a déli félgömbön mindig észak irányában. Vagyis például Sydneyben az északi fekvéső helyiségek a naposak. Egyébként amiatt, hogy a Föld nem egyenletes sebességgel kering a Nap körül (Kepler II. törvénye) a Nap Többnyire nem pontosan déli 12 órakor delel. A Földnek, mint bolygónak egy kísérıje van, a Hold nevő hold, amit szabad szemmel is megfigyelhetünk, és azt tapasztalhatjuk, hogy fázisokat mutat, azaz nem mindig látható minden része. Egy logikus s, ha meggondoljuk, hogy a Holdnak nincs saját fénye, csak a Nap sudarait veri vissza és ha mozgása során a Naphoz és a Földhöz viszonyított helyzete változik, akkor változik a megvilágított felének a Földrıl való megfigyelhetısége. A fázisok változása 29 napos ciklust mutat. Amikor a Nap és a Hold a föld két ellentétes oldalán található, akkor a Holdnak a teljes megvilágított oldalát láthatjuk a Földnek azon az oldalán, ahol éjszaka van. Ezt a fázist nevezzük teleholdnak. Amikor a Hold és a Nap a bolygónknak ugyanazon az oldalán van, akkor a Hold pont az árnyékos oldalát mutatja felénk, és így a nappali fényben nem is láthatjuk. Ezt nevezzük újholdnak. Amikor a Nap, a Hold és a Föld derékszöget zár be a Holdnak éppen a felét láthatjuk. Ez két esetben történhet meg, amelyeket elsı és utolsó negyednek nevezünk. (Értelemszerően ezek napnyugtakor illetve napkeltekor láthatóak.) Ezek között a fázisok között a hold sarlója fokozatosan növekszik és csökken. Újhold idején, elıfordulhat az, hogy a Nap a Hold és a Föld tökéletesen egy egyenesre esnek, ekkor a Hold árnyéka a Földre vetül, és a felszín egy kis területén teljesen, máshol részben kitakarja a Napot. Ezt a jelenséget teljes ill. részleges napfogyatkozásnak nevezzük. Ha Hold a pályájának éppen a Földtıl távolabbi részén helyezkedik el a napfogyatkozás idején, akkor nem tudja az egész napot kitakarni, ilyenkor a Nap a Hold sziluettjét körülvevı győrőként figyelhetı meg (győrős


28

napfogyatkozás). A napfogyatkozások rövid jelenségek, maximum 8 percig láthatóak. Magyarországon teljes fogyatkozás legutóbb 1999.08.11.-én volt, legközelebb 2081.09.03.án lesz, de közben még számos részleges fogyatkozást láthatunk. Teleholdkor, ha a Nap, a Föld és a Hold éppen egy egyenes mentén helyezkednek el, akkor a Hold átvonul a Föld árnyékkúpján. Ekkor az addig fényes telehold nem tőnik el teljesen, elsötétedik, kissé vöröses színő lesz néhány óráig. Ez évente kb. másfélszer történik meg, ritkábban, mint a napfogyatkozás, azonban ez a Föld teljes éjszakai oldaláról látható, így gyakrabban figyelhetjük meg mi is. A Föld 4,6 milliárd évvel ezelıtt alakult ki, történelmét 4 eon-ra oszthatjuk: hadaikum, archaikum proterozoikum, phanerozoikum. Ez utóbbi továbbit három idı alkotja:

paleozoikum,

mezozoikum,

cenozoikum

(vagy

kainozoikum).

Ezek

idıszakokra oszthatóak. Paleozoikum: kambrium, ordovicium, szilúr, devon, karbon, perm. Mezozoikum: triász, júra, kréta. Cenozoikum: harmadidıszak, negyedidıszak. A cenozoikum idıszakai pedig korokra oszlanak. Harmadidıszak: paleocén eocén, oligocén, miocén, pliocén. Negyedidıszak: pleisztocén és holocén. A hadaikum 4600 millió évvel ezelıtt kezdıdött és 3900 millió évvel ezelıttig tartott. A folyamatos meteor becsapódások miatt a felszín kb. 1000°C-os, majd a becsapódások ritkulásával, lassan elkezdett hőlni és megszilárdult. Ahogy a hımérséklet tovább csökkent a légkörbıl a vízgız lecsapódott, de mielıtt a még pár száz fokos felszínt elérte volna újra elpárolgott (évezredes esızések idıszaka). A következı eon az archaikum, mely 2500 millió évvel ezelıttig tartott. Ekkor a légkör még nem tartalmazott oxigént (O2), csak ammóniát (NH3), metánt (CH4), vízgızt (H2O) és széndioxidot (CO2). Az ekkor kialakult ısóceánban közel 3,5 milliárd évvel ezelıtt kialakultak az elsı, még sejtmag nélküli (prokarióta) élılények, például baktériumok. Az archaikum után következett a proterozoikum, amely 570 millió évvel ezelıttig tartott. Az elsı sejtmagvas egysejtőek 1,4 milliárd, a többsejtő élılények kb. 1 milliárd évvel ezelıtt jelentek meg, majd pedig hamarosan a csalánozók, győrősférgek, és tengeri ízeltlábúak. A Föld történetének utolsó eonja a phanerozoikum három idıre oszlott: paleozoikum, mezozoikum, cenozoikum vagy más néven kainozoikum. Ezek tovább oszthatóak idıszakokra. A kambriumban (570-550 millió évvel ezelıtt (m.é.e.)) az


29

élılények elterjedésével a légkör oxigéntartalma elkezdett rohamosan növekedni, majd ennek hatására kialakult az ózonréteg. Közben megjelentek a gerinctelen vázas állatok (pl. trilobita). A devon idıszakban (408-360 m.é.e.) A növények (ısharasztok) és az állatok (ízeltlábúak) meghódították a szárazföldeket. A karbon idıszakban (360-286 m.é.e.) jellemzı mocsárerdık maradványai alkotják a mai kıszén lelıhelyeket. Ekkor terjednek el a kétéltőek. A földkéreg lemeztektonikai mozgásai miatt kialakul a Pangea az összes szárazföldet magába foglaló egységes ıskontinens. A paleozoikum (ısidı) végét jelentı triász idıszakban (286-245 m.é.e.) elterjedtek a hüllık és a nyitvatermık. Az idıszak végén az állatvilág 50%-a kihalt. A mezozoikumban (középidı) található júra (208-144 m.é.e) és kréta (144-66 m.é.e) idıszak a nyitvatermık (fenyık) és a hüllık (dinoszauruszok) virágkora, bár megjelennek a zárvatermık, a madarak és az emlısök is. Az egységes Pangea feldarabolódik, az északi kontinenst Laurázsiának a délit Gondwanának nevezzük. A kréta korszak végén az állatvilág jelentıs része (70%) kihal egy meteor becsapódás következtében. A középidıt követı

Kainozoikum (újidı) két idıszakra osztható. A

harmadidıszakban (66-2 m.é.e.) elterjednek a zárvatermık, és az emlısök. A harmadidıszak az alábbi korokra osztható: paleocén, eocén, oligocén, miocén, pliocén. Az oligocén korban, kb. 30 m.é.e. jelentek meg az emberszabásúak. A harmadidıszak végére a kontinensek nagyjából a mai helyükre kerültek. A negyedidıszak (2 millió évvel ezelıttıl máig) két korra osztható: pleisztocén és holocén. Erre az idıszakra tehetı az ember evolúciója. Az emberszabásúak fokozatos felegyenesedésével egyre jobban felszabadult a mellsı végtagjuk és így azokat eszközök készítésére tudta használni, megjelent a Homo Habilis, az ügyes ember (1,8 m.é.e.). Végül az emberelıdök 1,5 m.é.e. teljesen felegyenesedtek kialakult a Homo Erectus, a felegyenesedett ember, majd 0,5 m.é.e. megjelent az értelmes ember (Homo Sapiens), majd pedig az utolsó jégkorszak végén jelent meg a mai ember (Homo Sapiens Sapiens). Ekkor, kb 10000 évvel ezelıtt kezdett el az ember mezıgazdasággal, állattenyésztéssel foglalkozni. Kb. 8000 évvel ezelıtt jelentek meg ez elsı nagyvárosok (Babilon, Jerikó). 6000 évvel ezelıtt találta fel az ember az írást. Nagyjából 200 évvel ezelıtt az ipari forradalom idején jelentıs társadalmi és technikai


30

változások következtek be. Durván 50 évvel ezelıtt pedig az ember elhagyta azt az égitestek, ahol született, megkezdıdött az őrkorszak. A Földet leírhatjuk homomorf modellekkel, amelyek ábrázolják a leglényegesebb elemeket, kölcsönhatásokat, folyamatokat. Az élettelen Föld modellje a legegyszerőbb. A Földet négy elem alkotja: atmoszféra, hidroszféra, litoszféra és a belsı szférák. Egyek mindegyike kölcsönhatásban áll egymással. Például a felszíni vizek párolgása változtatja az atmoszféra vízgıztartalmát, belsı szférák mozgása összetöredezi a litoszférát, stb. A Föld egy nyílt rendszer, mivel energiacserét folytat a világőrrel. Az élı Föld modellje egy kicsivel összetettebb mivel itt már figyelembe kell venni a bioszférát és a pedoszférát és ezek hatásait a többi burokra. A társadalmasított Föld modelljében egy speciális élılény az ember egy új elemét alkotja a modellnek. Az emberi társadalom tevékenységei befolyásolják a többi szférát, újabb kölcsönhatásokat kell tehát figyelembe venni (pl. környezetszennyezés).


31

Litoszféra A Föld szilárd kızetburkát litoszférának nevezzük. Mielıtt a kızetekrıl beszélnénk tisztáznunk kell egy pár alapfogalmat. Kristálynak nevezzük a szabályos belsı szerkezettel rendelkezı, általában sík lapokkal határolt, kémiailag jól meghatározható és homogén anyag. A földkéreg természetes és szervetlen eredető, homogén, szilárd, meghatározott kémiai összetétellel jellemezhetı, többnyire kristályos szerkezető (néha amorf) építıeleme az ásvány. Az ásványok tanulmányozásával az ásványtan vagy mineralógia tudománya foglalkozik. Kémiai felépítés szerint az ásványokat különbözı típusokba sorolhatjuk: szilikátok (kaolin, földpát, zeolit), oxidok (kvarc, magnetit, zafír), karbonátok (kalcit, dolomit), egyéb ásványok (grafit, gipsz, pirit, stb.). A kızetek a bolygók szilárd anyagát alkotó, kémiailag heterogén, regionális elterjedéső ásványtársulásai. A kızetek tanulmányozásával a kızettan tudománya foglalkozik. Az érc olyan ásvány vagy kızet, amelybıl gazdaságosan állíthatóak elı fémek (például bauxitból alumínium). A Föld belsı szerkezetét a legbelül elhelyezkedı mag, az azt körülvevı köpeny és a kívül elhelyezkedı kéreg alkotja. Az utóbbin nyugszik a felszíni vizek alkotta hidroszféra. A mag külsı része folyékony, belsı része szilárd. Itt a hımérséklet 5000°C körüli. A magon kívüli rész az alkotó anyagok keménységi foka szerint mezoszférára (kevésbé képlékeny), asztenoszférára (képlékeny) és litoszférára, összetételük és sőrőségük szerint, pedig alsó és felsı köpenyre és kéregre (legkisebb sőrőségő) osztható. A kızetburok, vagyis a litoszféra vastagsága óceánok alatt 35-50km vastag, kontinensek alatt vastagsága 70-100km. A földköpeny mozgása magával sodorja a kérget és kb. 12 lemezre törte. Ezeknek a kéreglemezeknek a közepén találhatjuk az ısmasszívumoknak nevezett legvastagabb, legmerevebb részeit a kéregnek. Ezeket veszik körül a mobilis kéregrészek, amelyeket intenzív tektonikus és szeizmikus tevékenységek jellemeznek. Ezek eredménye a vulkánok kitörése vagy a földrengések keletkezése (utóbbiak erısségét Richter-skálán mérjük). A kızetlemezek folyamatosan mozognak egymáshoz képest. Ez a mozgás lehet távolodás, vagy közeledés. A


32

távolodás során a lemezek között felnyomul a magma, ami a felszínen megszilárdul. Így jött létre például az Atlanti-hátság (az Atlanti óceán közepén húzódó víz alatti hegységrendszer). A közeledés vagyis az ütközés három csoportba osztható. Ha két kontinentális

lemez

ütközik

a

lemezszegélyek

összetorlódnak,

töredeznek,

meggyőrıdnek. Ez a hegységképzıdés folyamata (pl.: Himalája). Ha egy óceáni lemez kontinentálissal ütközik, akkor az óceáni lemez a másik alá bukik (szubdukció). Az alábukás helyén mélytengeri árkok alakulnak ki. A kontinentális lemez felgyőrıdik, töredezik (vulkáni tevékenység). Ezt figyelhetjük meg Dél-Amerika partjainál. Abban az esetben pedig, ha két óceáni lemez ütközik egymásnak a vékonyabb a vastag alá bukik. Így alakultak ki a kelet-ázsiai szigetívek. A litoszférát alkotó kızeteket kialakulásuk szerint csoportosíthatjuk: magmás, üledékes, átalakult. Mindegyik csoportot további három alcsoport alkot. A magmás kızetek az izzó magma megszilárdulásával kialakuló durva szemcsés kızet. Alcsoportok: mélységi magmás, kiömléses, vulkáni. Több ezer méter mélyen megrekedt magmából alakult ki. A nagy nyomás és hımérséklet miatt nagy kristályok keletkeznek. Ilyen a gránit, gabbró, diorit. A kiömléses kızetek a felszínre törı lávából alakul ki. Például: andezit, bazalt, riolit, obszidián. A vulkáni törmelékes kızetek a vulkánkitörések során keletkezett gázok által a levegıbe jutott, majd leülepedett törmelékbıl kialakuló porózus kızetek, mint például az andezittufa, riolittufa, bazalttufa. Az üledékes kızetek más kızetek pusztulásával, mállásával, esetleg élılények maradványaiból keletkeznek. A törmelékes kızeteket laza vagy összeálló üledék alkotja. Ilyen például a homok, lösz, agyag, homokkı, bauxit. A vegyi üledékes kızetek valamilyen oldatból vállnak ki (mészkı, kısó, dolomit). A szerves üledékes kızetek élılények maradványainak felhalmozódásával, átalakulásával alakultak ki. Eredetük szerint lehetnek növényi (kıszén, lignit) és állati (kıolaj) eredetőek. Az átalakult kızetek már korábban kialakult kızetek mélybe süllyedésével átalakulnak ki magas hımérsékleten és nyomáson. A kéreg nagy része ilyen kızet. Érintkezéses kızetek üledékes kızetek forró magmával való érintkezése során alakulnak ki, mint például az agyagpala. A kızetek nyomás hatására is átalakulhatnak


33

(kvarcit, csillámpapa). Átkristályosodott kızeteknél a kristályszerkezet változik meg (márvány, grafit). A földkéreg legfelsı mállott rétegét talajnak nevezzük, melynek legfıbb tulajdonsága a termıképesség. A talajképzıdést különbözı tényezık befolyásolják: földtani tényezık (alapkızet, vízhálózat), éghajlati tényezık (hımérséklet, csapadék), domborzati tényezık (felszíni formák), biológiai tényezık (élılények tevékenysége). A talaj két lépésben alakul ki: 1) kızetek aprózódása, kémiai- és biológiai mállás 2) humuszképzıdés (élılények által termelt szerves anyagok). Így talaj csak az élılények megtelepedésével alakulhat ki.


34

Atmoszféra A Földet gázburok veszi körül. A légkör anyagának 78%-a nitrogén (N2), 21%-a oxigén (O2), 0,9%-a argon (Ar). A maradék 0,1% többféle anyagot tartalmaz, de nagyon kis mennyiségben. Koncentrációjukat ezért százalék helyett ppm egységekben szokás megadni (1ppm = egymilliomod rész). Ráadásul ezek a kis mennyiségben elıforduló gázok közül néhány aránya változhat is. Állandó mennyiségőek: neon (18ppm), hélium (5ppm), kripton (1ppm). A változó mennyiségő gázok a következık: széndioxid (CO2, 340ppm), metán (CH4, 2-3ppm), hidrogén (H2, 0,3-0,5ppm), dinitrogén-oxid (N2O, 0,2-0,3ppm), ózon (O3, 0-500ppm). Erıssen változik a koncentrációja a vízgıznek (H2O, 40-400ppm), szén-monoxidnak (CO), nitrogéndioxidnak (NO2), ammóniának (NH3), kén-dioxidnak (SO2). A légkör fizikai és kémiai tulajdonságai alapján rétegekre osztható. Ezek a felszíntıl a világőr felé haladva a következık: troposzféra, sztratoszféra, mezoszféra, termoszféra, exoszféra. A troposzféra tehát a földfelszínnel érintkezı légréteg, mely kb. 15km-es magasságin tart. Itt található az atmoszféra tömegének 80%-a. Itt a legnagyobb a lényomás (100 kPa) és a levegı sőrősége (1300g/m3). A meteorológiai és klimatikus jelenségek itt játszódnak le, itt található a felhıöv, és a látható valamint az infravörös fény többsége is itt nyelıdik el. A magasság növekedésével a hımérséklet fokozatosan csökken. A troposzféra felett helyezkedi el a sztratoszféra (a kettejük közti határt tropopauzának hívjuk). A sztratoszféra kb. 35km vastag. Ebben található egy kisebb vastagságú légréteg, amelyben az oxigénbıl (O2) kialakuló ózon (O3) koncentrációja jóval magasabb, mint máshol. Ezt hívjuk ózonrétegnek. Ez nyeli el a Földre érkezı ultraibolya sugárzást. A sztratoszférában a hımérséklet a magassággal egy darabig még csökken (-80°C) aztán emelkedni kezd (+20°C). A mezoszféra 50km-es magasságban kezdıdik és 80km-es magasságig tart. Bár a légnyomás itt csak ezrede a felszíninek a légkörbe belépı tárgyak (pl.: meteor) itt égnek el. A hımérséklet fokozatosan csökken, a mezoszféra tetején (mezopauza) már 100°C-os hideg uralkodik.


35

Tovább emelkedve a hımérséklet emelkedik (500-900°C), mivel az itt található ritka gázokat a Napból érkezı sugárzás felmelegíti. Ezért ezt a km 700 km magasságig tartó réteget termoszférának nevezzük. Benne a sugárzás és a meleg hatására a gázok ionizálódnak. Ez az ionoszféra, amelyrıl a rádióhullámok visszaverıdnek segítve ezzel például a rövidhullámú rádiózást. Egyébként itt is található ózon, azaz itt is folyik az UV-sugarak elnyelése. A Föld légkörének nincs éles határa, a légkör folyamatosan ritkul, végül eltőnik, egybeolvad a világőrrel. Így 700 km felett exoszféráról beszélünk, amely már nagyon ritka (10-43 kPa), fıként hidrogén és hélium alkotja. Mint említettük a sztratoszférában található egy ózonban dús réteg mely elnyeli a Napból a Földre érkezı UV-sugarak jelentıs részét. Azonban megfigyelték, hogy az ózonréteg vastagsága a XX. századi ember tevékenységei hatására jelentısen csökkent (ózonlyuk). Elsısorban a halogénezett szénhidrogén vegyületek (CFC, freon) használata miatt. A felszínt érı nagyobb mennyiségő ultraibolya sugárzás bırrákot, szemkárosodást és az ökoszisztéma egyensúlyának megbomlását eredményezheti. Egy másik napjainkban gyakran emlegetett légköri jelenség az üvegházhatás. Ez egy természetes folyamat, melynek a lényege a következı. A Földet elérı napsugarak nagy része elnyelıdik, melegítve ezzel a felszínt. Mint tudjuk a meleg testek hısugarakat bocsátanak ki (ezzel „hőtik magukat”). Csakhogy amíg a napsugarak gond nélkül áthatolnak a légkörön, addig a hısugarak egyes légköri gázokon visszaverıdnek és így tovább melegítik, illetve melegen tartják a felszínt. Ugyanígy melegszik fel a lezárt gépkocsik belseje jóval melegebbre, mint a környezetük. Az ilyen tulajdonsággal rendelkezı gázok (ún. üvegházhatású gázok) többek kötött a széndioxid (CO2), a vízgız (H2O), metán (CH4). Mint említettük ez egy természetes folyamat, mivel ha a Földnek nem lenne légköre a felszín közel 30°C-kal lenne hidegebb, mint most (átlag 14°C). A gond az, hogy ez a folyamat az emberi tevékenységek hatására (geológiai skálán mérve) hirtelen felerısödött. A fosszilis tüzelıanyagok (szén, kıolajszármazékok, földgáz) égetése során keletkezı CO2 koncentrációja kis mértékben ugyan, de megnıtt és már ez a kis változás is elegendı ahhoz, hogy a felszín hımérséklete melegedjen. Hatására a jégtakarók (sarkokon, gleccserekben, magas hegyekben) fokozottabb olvadásba kezdtek melynek hatására a


tengerek

területeket

fognak

elhódítani

a

szárazföldtıl,

36

megváltozhatnak

a

tengeráramlások, amelyek jelentıs klimatizáló hatást fejtenek ki. Az éghajlat változása a bioszféra minden elemére kihat. Ezt a folyamatot kizárólag az üvegház hatású gázok kibocsátásának csökkentésével tudjuk lassítani.

Idıjárási jelenségek A Föld felszínének a hımérséklete erısen változó, emiatt a különbözı helyeken eltérı a levegı hımérséklete, nyomása változhat az összetétele, stb. Ezek az eltérések a kiegyenlítıdési folyamatok révén eltőnnének, egyensúly állna be, ha a napsugarak (energia áramlás) nem erısítenék folyamatosan az eltéréseket. Ennek a két hatásnak az örökös harca hozza létre bolygónk sokszínő idıjárását. Érdemes megvizsgálni, mi befolyásolja a felszín (és így a felszín közeli levegı) hımérsékletét. A nap sugarai egyértelmően melegítik a felszínt, ez a hatás azonban nem egyenletes. A Föld tengely körüli forgása (nappalok-éjszakák) révén az egyes területek megvilágítottsága jelentısen eltér. Mivel a Föld közel gömb alakú a napsugarak beesési szöge eltérı, ami azt jelenti, hogy például a sarkok közelében a napsugarak laposabb szögben esnek a felszínre, azaz ugyanannyi fényenergia nagyobb területen oszlik el, kevésbé melegítve a felszínt. Másrészt, mivel a bolygónk forgástengelye nem merıleges a keringés síkjára, a beesés szöge a keringés különbözı fázisaiban is eltérı (évszakok). A felszínt csak azok a fénysugarak melegítik, amelyek elnyelıdnek, így a fényvisszaverıdés is befolyásolja a felszíni hımérsékletet. A sarkokat borító fehér jégtakaróról a napsugarak nagy része visszaverıdik, így az továbbra is hideg marad. Mivel a Nap sugarai az Egyenlítı környékére érkeznek legnagyobb beesési szögben, mégsem ez a Föld legmelegebb területe, mert az itt jellemzı párás, felhıs levegırıl a fény jelentıs része visszaverıdik a világőrbe. Mint már említettük a földi légkörnek van egy speciális hı visszatartó hatása (üvegházhatás), mely nélkül a felszín hımérséklete 30°C-kal melegebb (átlagosan 14°C), mint légkör nélkül lenne. (Utóbbi esetben nem folyékony víz a felszínen.) A légkörnek emellett van egy hımérséklet kiegyenlítı hatása is, ami nélkül a nappalok és az éjszakák között nagyobb lenne a hımérséklet különbség. Ugyanezzel a hımérséklet kiegyenlítı hatással a világóceán is rendelkezik. Mivel a víz hıkapacitása (hı tároló képesség) nagy lassan melegszik fel és lassan hől le és ráadásul az áramlások révén körbefogja a


37

bolygót. A légkör alsó része a troposzféra, tehát fontos szerepet játszik a felszín hımérsékletének alakításában. Mivel a levegı hımérséklete az egyes helyeken eltérhet, így a felszíni légnyomás sem mindenhol egyforma. Ugyanis a meleg levegı kitágul, azaz kisebb lesz a nyomása. Mint tudjuk a nyomás egy kiegyenlítıdı mennyiség, ez az eltérı nyomású területek közti légáramlást hoz létre. A levegı mozgása alapvetıen kétféle lehet. Egyrészt a nagyobb nyomású hely felıl a kisebb nyomású felé a felszínnel párhuzamos légáramlás (szél) jön létre. Másrészt a kitáguló meleg levegı a kisebb nyomás révén felemelkedik (felhajtóerı) a hidegebb pedig lesüllyed, azaz a felszínre merılegesen mozog. A felszálló levegı a tágulással együtt fokozatosan hől is, így a benne lévı vízpára kicsapódásával a felhık képzıdhetnek. Ezzel ellentétben a lefelé szálló levegı fokozatosan melegszik, a pára nem tud kicsapódni, így ez derült idıt eredményez. Ahonnan a levegı elszáll oda érkeznie is kell levegınek, ahova pedig levegı érkezik, onnan el is kell távoznia, emiatt összességében a levegı ciklikusan, körkörösen áramlik, amit légkörzésnek nevezünk. Az Egyenlítı környékén a nagy beesési szög miatt meleg felszín felmelegíti a felette lévı levegıt, amely így kitágul, felszáll és felszáll a magasba. Fent pedig a fokozatos hőlés közben észak és dél felé veszi az irányt. Eközben persze a felszállt levegı helyére a nagyobb nyomású szomszédos területek felıl levegı érkezik. Az Egyenlítı felé tartó felszíni szelek neve passzát szél. A magasban a sarkok felé áramló levegı a 30. szélességi kör táján többnyire megreked, végül leereszkedik és egy része a felszín felett újból az Egyenlítı felé veszi az irányt. Az itt folyton lefelé szálló levegıben nem képzıdhetnek felhık, ezért ezek a területeken minden kontinensen sivatagokat találunk (Pl.: Szahara). Az itt lefelé szálló levegı másik része a felszínen a sarkok felé indul. Elıbb-utóbb azonban itt is torlódik a levegı és így kénytelen lesz felemelkedni. A magasban a levegı egy része a sarkok felé veszi az irányt, ahol lehől, leszáll és a felszín mentén távolodik a sarkoktól. Ez a hideg levegı „összeütközik” az Egyenlítı felıl érkezı meleg levegıvel, torlódnak, majd újra felszállva köröznek tovább. A mérsékelt övben, ahol mi lakunk, hol a hideg, hol a meleg levegı nyer teret magának, küzdenek egymással a folyton ide-oda tolódó frontvonalon, ettıl könnyen


38

forgásba jöhet egy több száz kilométer kiterjedéső légtömeg. Az alacsony nyomású, lassan forgó, mérsékelt övi, légtömegeket ciklonnak nevezzük, bennük a felfelé áramló levegıben

felhık

képzıdnek.

A

magas

nyomású

légköri

képzıdményeket

anticiklonnak nevezzük, a bennük lefelé mozgó levegı mindig derült idıt eredményez. A hideg és a meleg légtömegek gyakran csak kerülgetik egymást, de néha „összecsapnak” a frontvonal mentén és ekkor a meleg levegı a hideg felé kell hogy kerüljön. Ha az égi háború során a meleg levegı a „támadó fél”, akkor azt mondjuk melegfront közeledik. Ekkor a meleg levegı fokozatosan felsiklik a hideg fölé. Tavasszal és ısszel fıleg több napig tartó csendes esıt eredményez, télen pedig a csendes hóesés puha hópelyhei jelzik a melegfrontot. Mire kitisztul az ég rendszerint enyhül az idı. Ha a hideg levegı érkezik próbál benyomulni a meleg alá. Ez a hidegfront, ami hirtelenebb változást eredményez. Télen fagyos szelet és apró száraz havat vagy kis pelyhő hóviharokat. Nyáron záporokat, zivatarokat, jégesıt, felhıszakadást, villámokat. A felszíni vizek párolgása miatt a légkör mindig tartalmaz több-kevesebb vizet, azonban ebbıl nem mindig képzıdnek felhık, és nem minden felhıbıl lesz esı. A párolgás során egyes vízmolekulák elhagyják a folyadékot. Amíg a vízmolekulák a levegıben magányosan bolyonganak a víz gáz halmazállapotú. Azonban, ha sok vízmolekula van a levegıben, vagy csökken a hımérséklet a vízmolekulák összekapcsolódnak, kis cseppeket alkotnak, pára keletkezik. A felfelé szálló levegı rendszerint lehől és így benne is keletkezik pára (a harmatpont alatt). Ám a vízmolekulák nem tudnak maguktól összekapcsolódni, mindig kell valami, amire lecsapódnak. Például egy porszem. Az ilyen apró pára cseppek felülete tömegükhöz képest nagy így lebegni tudnak és a légmozgás sodorhatja ıket. Ha a levegıben sok ilyen cseppecske van azok útját állják a fénynek és így már kevésbé átlátszóak. Az ilyen légtömegeket felhınek hívjuk felhınek. Ha a levegı melegszik a cseppek elpárolognak, a felhık eltőnnek. Ha a hımérséklet csökken további vízmolekulák kapcsolódnak a csepphez, amely így fokozatosan növekszik, és egy idı után már nem képes a levegıben maradni, csapadék keletkezik. A felhıket csoportosíthatjuk magasság szerint, így vannak alacsony szintő felhık (0-2km), közepes szintő felhık (2-7km), magas szintő felhık (7-12km) és több réteget


39

átfogó ún. függıleges felépítéső felhık (2-12km). Másrészt alak szerint is csoportosíthatunk. Így megkülönböztetünk réteges jellegő, gomolyos jellegő és függıleges felépítéső felhıket. A levegı páratartalmából többféle csapadék keletkezhet. Ahhoz, hogy a felhıbıl esı essen az szükséges, hogy a keletkezett páracseppek (halmazállapot és méret alapján) különbözıek legyenek. A nagyobb cseppek máshogy mozognak, mint a kisebbek, így a nem egyszerre mozgás révé gyakoriak az ütközések, az összetapadás. Emellett a folyékony cseppekrıl elpárolgó vízmolekulák ráfagynak a jeges cseppekre, növelve azokat addig, amíg már nem tudnak a levegıben maradni, lehullnak, és közben megolvadnak. Ekkor esik az esı. Ha hirtelen emelkedik fel a levegı (például egy forró nyári koradélután tornyosuló zivatarfelhıben), akkor az erıs felfelé áramlás sokáig a magasban tartja a jégcseppeket, amelyek ezalatt olyan nagyra nınek, hogy esés közben már nem tudnak megolvadni, azaz jégesı esik. Hideg idıben, a felhıben kialakult apró jégszemek nem tudnak esés közben megolvadni és a jégkristályok hópelyhekké kapcsolódnak. Erıs fagyban a kristályok kevésbé tudnak összetapadni, ekkor porhó esik. A lehulló esıcseppek hideg idıben túlhőtött állapotba kerülhetnek. Ez azt jelenti, hogy egy folyadék hımérséklete fagypont alá süllyedhet, anélkül, hogy megfagyna. Viszont ez egy instabil állapot, ha például a folyadékot megrázzuk, azonnal megfagy. Ez történhet az esıcseppel is fagypont alá hől a hımérséklete, de nem fagy meg addig, amíg a felszínre nem csapódik, de akkor hirtelen megszilárdul és összefüggı jégfelület jön létre. Ezeken kívül még további csapadékformák is léteznek. A köd nem más, mint felszíni felhı. A harmat a levegı pár tartalmának kicsapódása a felületekre hővös idıben, míg a dér a felszínre fagyó pára hideg idıben. Zúzmara akkor keletkezik, ha párás melegebb levegıbıl hideg testekre jégkristályok rakódnak. Zivatarok idején gyakran láthatunk villámokat. Ezek több millió Volt feszültségő elektromos kisülések, melyeknek az oka töltések szétválása a felhıkben (tisztázatlan körülmények között). A levegın áthaladó jelentıs elektromos áram a gázokat felizzítja (ezt láthatjuk). Ezek a forró gázok hirtelen kitágulva egy lökéshullámot hoznak létre.


40

Ez a mennydörgés. A villám keltette fénysugarak fénysebességgel (gyakorlatilag azonnal) eljutnak a megfigyelıhöz, ám a hang (dörgés) sebessége csak közel egy milliomoda a fénysebességnek, pontosabban a hang 340 métert tesz meg egy másodperc alatt. Így tehát 1km megtételéhet a hangnak 3 másodpercre van szüksége. Tehát a villámlás és a dörgés között eltelt másodpercek számát ha elosztjuk hárommal, akkor megkapjuk hány kilométere volt a villámlás. A Nap fénye a vízcseppeken megtörik, azaz irányt változtat. Ez az irányváltozás azonban színenként (hullámhosszanként) változó. Ezért a „fehér” napfény a szivárvány színeire (vörös, narancs, sárga, zöld, kék, ibolya) bomlik. Ezt akkor figyelhetjük meg, ha esı után a Nap 41°-nál laposabban áll, mindig a Nappal ellentétes oldalon (fıként délután keleten, ritkábban délelıtt nyugaton). Néha a fıív mellett egy mellékívet is láthatunk fordított színsorral. A nagyvárosok idıjárása eltérhet a közvetlen környezetükétıl. Ennek az ún. városi hısziget jelenségnek több oka is van. A városok beépítettsége miatt az ott megtalálható felületek kevésbé verik vissza a fényt, mint a természetes környezet, ráadásul a városok jobban tartják a hıt, mert a természetes hőtési folyamatok (pl.: a növények és a talaj párologtatása) nem mőködnek. Emellett jelentıs az antropogén, azaz emberi eredető hıkibocsátás, gondoljunk csak a főtésre, a gépjármő forgalomra, az ipari létesítményekre, stb. A magas épületek sík felületei és éles határvonalai megváltoztatják a szélirányt, megváltozik a ventilláció. A jelentıs légszennyezés (szmog) befolyásolja a csapadékképzıdést (több páralecsapódási gócpontot adva), ráadásul a melegebb területekrıl felszálló levegı eltérítheti a vonuló esıfelhıket, helyi esıket eredményezve.


41

Hidroszféra A Föld felületének 71%-át víz borítja. Ez a Föld vízburka, vagyis a hidroszféra, melyet két részre oszthatunk felszíni és felszínalatti vizek. A felszíni vizek körébe tartoznak az óceánok, tengerek, tavak, folyók, míg a felszín alatti vizek között a talajvizet, rétegvizet és a résvizet kell megemlítenünk. Másrészt feloszthatjuk a vizeket sótartalmuk szerint is sós- és édes vizekre. A sós vizek többségét a világóceán foglalja magába. Részei az óceánok (Atlanti, Csendes, Indiai) és a tengerek, mely egy összefüggı rendszer, benne a meteorológiai-, fizikai jelenségek egységet alkotnak. A világóceán a legjelentısebb éghajlat-alakító tényezı. A víz nagy fajhıje miatt nehezen melegszik fel és hől le, a tengeráramlatok pedig hıcserét hajtanak végre a különbözı hımérséklető helyek között. A világóceán sótartalma 3,5%, Na+, Mg2+, Cl-, SO42- ionokat tartalmaz, emiatt fagyáspontja -2°C. Átlagmélysége 3,8km, bár a legmélyebb pontja 11km mélységő. A világóceán 3-4%-át jég borítja. Ennek egy része a tengeri jég (fagyott tengervíz), másik része a szárazföldi jég. Ennek kisebb része a folyók jégzajlásából ered, nagyobb része a gleccserekbıl (leszakadó jéghegyek). A világóceán mozgásai között beszélnünk kell hullámzásról, a tengerrengésrıl és a tengerjárásról. A hullámzás a felszínnel párhuzamos mozgás, melynek okozója a szél, és a ciklonok. A tengerrengés vagy tzunami egy szeizmikus árhullám, amelyet földrengés, vagy vulkánkitörés vált ki. A parthoz közeledve a sekély vízben a hullám lelassul és akár több 10 méter magasra is megnı a hullám. A tengerjárás avagy az árapály jelenség a felszínre merıleges mozgás, melyet a Hold és a Nap gravitációja okoz. Emiatt 12 órás és 14 napos periódussal (szökıár/vakár) is rendelkezik. A világóceán mozgásaival kapcsolatban mindenképpen meg kell említenünk, hogy a világóceán egy egységes áramlási rendszert alkot (nagy óceáni szállítószalag). Ezt befolyásolja az óceánok domborzata, a hımérséklet és sótartalombeli különbségek, a Coriolis-erı és az általános légkörzés. A Föld vízkészletének 1-2%-át teszik ki az édesvizek, melyek sótartalma 0,04%. Az édesvizek közel 80% jég és hó formájában van jelen, a maradék 20% nagy része pedig talajvíz. A felszíni édesvizek csak 1%-ot tesznek ki. Ezek többségét a tavak és a


42

talaj nedvessége adja, de emellett figyelembe kell venni légnedvességet, az élılények víztartalmát és a folyókat. A szárazföldi édesvizeket két csoportra oszthatjuk felszíni- és felszín alatti édesvizek. Elıbbi csoportba tartoznak a források, folyók, tavak, utóbbiba a talajvíz, rétegvíz, résvíz. A forrás a föld alatti vizek természetes felszínre bukkanása, melynek utánpótlása a víztároló rétegekben mozgó csapadékvíz. Folyó vizek között említést érdemelnek a patakok, erek, és a folyók. A patak állandó viző kis vízfolyás fıként hegy- és dombvidékeken. Az ér sík területekre jellemzı lassan áramló iszapos fenekő kis vízfolyás. A folyó a felszíni vízfolyások győjtıneve. Jellemzıi a sebesség és a vízhozam. Torkolatuk lehet delta- vagy tölcsértorkolat. A tavak tengerrel összeköttetésben nem lévı vízfelületek. Általában egységes ökoszisztémát alkotnak, gyorsan öregednek. A felszín alatti vizek egyik képviselıje a talajvíz. Az elsı vízzáró réteg fölött, porózus, szemcsés szerkezető víztartó rétegben található vízkészlet, amely közvetlen kapcsolatban van a csapadékvízzel és a felszínnel. Vízszintje változó. Magyarországon az ivóvíz 80%-a innen ered. Két vízzáró réteg között porózus víztartó, vízvezetı rétegben lévı vízkészlet. Nincs közvetlen kapcsolat a talajvízzel. Felszíni hatások alig érik. Ilyenek például az artézi vizek. A résvíz vagy hasadékvíz a szilárd kızetek repedéseiben tárolt mozgó víz, mely a környezetszennyezésre különösen érzékeny. Karbonátos kızetek sajátos hasadékvize a karsztvíz. A karsztvizekrıl részletesebben kell beszélnünk. A résekbe beszivárgó víz a talajból és a levegıbıl széndioxiot (CO2) vesz fel. Az így kialakuló szénsav oldja a karbonátos kızeteket (pl. mészkı). Így a rések tágulnak, barlangok keletkeznek. Máshol a folyamat visszafelé játszódik (pl. cseppkı képzıdik). Ezeket a kémiai folyamatokat a következıképpen írhatjuk le: CaCO3+H2CO3Ca(HCO3)2. A vízmolekulák a párolgás, lecsapódás és a vizek mozgása révén örökös körforgásban vannak. Errıl a „Biogeokémiai ciklusok” címő felyezetben részletesen is szó lesz.


43

Bioszféra A Földnek azt a részét, ahol élılényeket találhatunk bioszférának hívjuk. Ez magába foglalhatja a hidroszféra az atmoszféra a pedoszféra és a litoszféra egyes részeit. A bioszférára jellemezı, hogy egy önszabályzó, nyílt rendszer. Mivel nyílt ez azt jelenti, hogy folyamatos kapcsolatban van a környezetével az anyagkörforgások és az energiaáramlás révén. Az energiaáramlás egy egyirányú folyamat, mely során a Napból érkezı fényenergiát a növények kémiai energiává alakítják. Ez biztosítja az élılények anyagcsere-folyamataihoz szükséges energiát. Az anyagkörforgás, vagyis a biogeokémiai ciklusok során az egyes atomok idırıl-idıre visszatérnek a bioszféra egyes részeibe. Az anyagkörforgás két részre osztható: gázciklusok és üledékes ciklusok. A bioszférában lejátszódó energiaáramlásról és az anyagciklusokról késıbb még részletesen beszélünk. A bioszféra részei az élılények (biotikus tényezık), az élıhelyek és a környezeti tényezık (abiotikus tényezık) vagyis a fény, a víz, a levegı, a talaj, a hımérséklet. Az ökológia az élılények és környezetük kölcsönhatását vizsgálja, azaz az egyed feletti szervezıdési szinteket. Mielıtt tehát az élılények és környezetük kölcsönhatásait vizsgáljuk, meg kell ismerkednünk az egyed feletti szervezıdési szintekkel. Populációanak hívjuk az azonos fajhoz tartozó egyedek azon csoportját, amelyek tényleges szaporodási közösséget alkotnak, vagyis a faj egyedei között történhet sikeres párosodás és termékeny utódok létrehozása. Egy élıhelyen több növény- és állatfaj él egymással és környezetükkel kölcsönhatásban, amelyek társulást, azaz biocönózist alkotnak. A biocönózisok alapvetı tulajdonságait az benne élı növények határozzák meg. A társulásokban megfigyelhetı, élılények között lejátszódó kölcsönhatásokról a következı fejezetben beszélünk. Azt a földrajzilag többé-kevésbé körülhatárolható helyszínt, ahol a társulás él élettérnek, biotópnak nevezzük. Ez gyakorlatilag a környezeti feltételeket jelenti, a társulás jellegét írja le. Például réti, lápi, erdei, vízi életterek. A biocönózisok igen nagy kiterjedéső (akár kontinensnyi), azonos megjelenéső, jól elkülöníthetı egységei a biomok. Térbeli és éghajlati zonalitást mutatnak, és


44

igazából az élılények ezekhez való alkalmazkodása hozza létre ıket. Például: szavanna, trópus, tajga, tundra, mérsékelt övi lomberdı, stb. A biocönózis és a biotóp belsı kapcsolatrendszerét, az abiotikus tényezıket és az ezekre adott válaszokat, valamint az energiaáramlást és az anyagkörforgást együttesen ökoszisztémának nevezzük.


45

Kölcsönhatások a bioszférában A bioszférában lejátszódó kölcsönhatásokat három csoportba oszthatjuk. Élettelen-élettelen, élettelen-élı és élı-élı kölcsönhatás Az elsı a Föld szférái közötti interakciót írja le, errıl most nem beszélünk. A második az élılények és az abiotikus környezeti tényezık között játszódik le. Az élı-élı kölcsönhatás az egyedek, azonosés különbözı fajok között figyelhetı meg.

Élettelen-élı kölcsönhatás Az élılényekre ható abiotikus tényezık a következık: fény, hı, víz, levegı, talaj. Ezek hatásait nézzük meg részletesen! Fény: A sugárzásnak két típusa van: közvetlen (direkt) és szórt (diffúz). A direkt sugárzás általában kedvezıtlen, mert megnöveli az élılények testhımérsékletét. A növények például a levelek elforgatásával védekeznek. A fotoszintézishez szükséges narancs-vörös tartomány aránya csak 30-40%, míg a szórt fénynél 50-60%. A fény ökológiailag fontos hatásai a megvilágítás erıssége és a hossza. Fény hiányában a növények szövetei gyengébbek, vékonyabbak, csökken a fotoszintézis erıssége. A növénytársulások szintezettsége a fényért való versengés eredménye.

A

megvilágítás

erıssége

alapján

beszélhetünk

különbözı

növénycsoportokról. Napfénynövények, amelyek teljes megvilágítást igényelnek (pl.: gyep,

sivatagi

növények).

Árnyéktőrı

napfénynövények,

amelyek

a

teljes

megvilágítást csak egyes életfolyamataikhoz igénylik (a legtöbb általunk ismert növény ilyen). Árnyéktőrı növények, melyeknek káros a teljes megvilágítás. Árnyékkedvelı növények, kis fénymennyiséget is ki tudnak használni (pl.: páfrányok, mohák). A megvilágítás hossza határozza meg a növények nappal-éjszaka ciklusát (fotoperiodicitás), és hatással van a virágzásra és a magvak csíraképességére is. Ez alapján három növénycsoportok különíthetünk el. Hosszúnappalos növények, amelyek legalább 12 óra napsütést igényelnek virágzás idıszaka körül (pl.: búza, lucerna). A rövidnappalos növények kevesebb, mint 12 óra megvilágítást igényelnek (pl.: kukorica, rizs, banán). Vannak olyan növények, amelyeknek pedig közömbös (indifferens) a megvilágítás hossza.


46

Az állatoknál a fény elısegíti a tájékozódást és a látószervek kialakulásáért is „felelıs”. A megvilágítás erıssége alapján megkülönböztetünk fénykedvelı (pl.: a legtöbb rovar és madár), árnyékkedvelı (pl.: nappal aktív erdei álatok) és sötétségkedvelı (pl.: éjjel aktív) állatok. A megvilágítás hossza az állatok bioritmusát határozza meg. Hı: Az élılények elıfordulási közegének hımérséklete alapvetı jelentıségő. A talajt és a vizeket közvetlenül a napsugárzás melegíti, míg a levegıt közvetetten, a talaj és a víz által kisugárzott hı melegíti. A különbözı élettani folyamatoknak különbözı hıigénye van növényeknél és állatoknál is. A hıszabályozás az egyik legfontosabb homeosztatikus tényezı. A nagy növényzeti zónák a hımérsékleti adaptáció következményeként alakulnak ki. Növények esetén a hımérsékleti optimum a fényerısségtıl és a CO2 koncentrációtól függ. Alapvetıen a fotoszintézis és a légzés intenzitását, valamint a csíraképességet befolyásolja. A mérsékelt övi növényeknek szükségük van 2-3 hónap hımérsékleti nyugalomra (a téli hideg fontos!). A növényeknek nincs önálló hımérséklete, mindig a környezet határozza meg. A növények különbözı védekezı mechanizmusokat fejlesztettek ki. Meleg ellen fényvisszaveréssel (molyhos, fényes fehér felületek) és nagy mennyiségő víz tárolásával (pl. kaktuszok), párologtatásával védekeznek. Hidegben fagyálló anyagok keletkeznek a citoplazmában, a növény csökkenti a párologtató felületet (lombhullás), egyes növények esetén a talajfelszín alatti részek (gumók, hagymák, magok) túlélése jelenti a hideg elleni védekezést. Az állatoknál a hımérsékleti tolerancia jóval kisebb, mint a növényeknél. Alkalmazkodási mechanizmusok: elvándorlás (pl. madarak), hibernáció (medvék, sünök, rágcsálófélék), a kiálló, könnyen hőlı testrészek (fülek, végtagok, farok) a meleg égövi állatoknál nagyobbak, a testméret és a szigetelı réteg növekszik a sarkok felé haladva. A hıszabályozás szempontjából beszélhetünk változó testhımérséklető állatokról (a környezet hıjéhez igazodnak) és állandó testhımérséklető állatokról (függetlenednek a környezettıl). Víz: A hı mellett a legfontosabb ökológiai tényezı. Gyakran lehetetlenné teszi az életet egyes élılények számára az adott élıhelyen. Növényeknél a víz a fotoszintézis alapanyaga is. A párologtatás–vízfelvétel egyensúly a növény


47

legfontosabb élettani jellemzıinek egyike. A vízigény szerint alkotott növénytípusok: vízinövények (szárazságtőrésük csekély, alig párologtatnak), mocsári növények (intenzív vízforgalom, némelyik a szárazságot is tőri), közepes vízellátású növények (a legtöbb magyarországi növényfaj ide tartozik), szárazságtőrı növények (állandóan vagy idılegesen aszályos helyen élnek, kis vízigény, gyér párologtatás), pozsgás növények (nagy víztartalék, minimális párologtatás, pl.: kaktusz, kövirózsa). A vízigény

motiválta

alkalmazkodási

mechanizmus:

gyakorlatilag

azonosak

a

hımérséklethez alkalmazkodással (párologtatás). Az állatok számára a víz a leginkább korlátozó ökológiai tényezı. A vízi állatok számára a szervezetük sótartalmának a szabályozása a legfontosabb feladat és a víz O2 és

szervesanyag-tartalma

meghatározó.

A

szárazföldi

állatok

nem

tudnak

alkalmazkodni a szélsıségen száraz helyekhez. Fı alkalmazkodási mechanizmusaik a párologtató felületek csökkentése és a víztartalékolás (valamilyen speciális szövetben: tevék, jegesmedve stb.) Levegı: A földi élet egyik legfontosabb klimatizáló tényezıje az atmoszféra üvegházhoz hasonló mőködése. A levegı fizikai, kémiai tulajdonságai befolyásolják az élılények létfeltételeit. A fıbb fizikai jellemzık: összetétel (megfelelı mennyiségő O2 az állatoknak és CO2 a növények fotoszintéziséhez), nyomás/sőrőség (az állatok számára alapvetı, mert a testfolyadék (vér) oxigénszállítását és így a sejtek anyagcseréjét befolyásolja), mozgás (a növények és állatok egyaránt alkalmazkodnak a szeles/szélcsendes körülményekhez) és a hımérséklet. Kémiai jellemzık alatt a különbözı szennyezıanyagok, savas esıt okozó gázok (CO2, SO2, NO2) és a por koncentrációját értjük. Talaj: Elsısorban a növényeknek fontos. A növények ásványianyag-, víz-, pHigényeinek megfelelıen terjednek el bizonyos talajtípusokon. A talaj fizikai és kémiai tulajdonságai meghatározzák a növények életesélyeit. A talaj fıbb fizikai jellemzıi: szerkezet, szemcseméret, levegıgazdálkodás, vízgazdálkodás, hıgazdálkodás. Kémiai jellemzık: humusztartalom, pH-érték, makro- (N, P, K, Ca, Mg, S, Si) és mikroelemek (B, Mn, Fe, Zn, Cu, Mo, Co stb.) mennyisége. Az állatok számára a talaj búvóhely, élıhely (férgek, ízeltlábúak, puhatestőek).


48

Élı-élı kölcsönhatás Az egy biotópban élı populációk sokoldalú kapcsolatban állnak egymással. Befolyásolják egymás megélhetését, elterjedését. A különbözı fajokba tartozó élılények egymással való kölcsönhatása lehet egyoldalú vagy kétoldalú, lehet elınyös (+), hátrányos (-) vagy közömbös (0). Versengés (kompetíció): Azonos vagy különbözı populáció egyedei közötti versengés, mely mindkét fél számára hátrányos (-,-). Oka az, hogy az azonos ökológiai igényő populációk megszerezzék az optimális életteret, ha a környezeti feltételek korlátozottak. Ez a harc tulajdonképpen az evolúció hajtóereje. A kevésbé jól alkalmazkodó faj populációja a versengésben alulmarad, és vagy elvándorol, vagy kipusztul. Ragadozás, zsákmányolás: Mindennemő táplálék megszerzése és elfogyasztása. Az egyik populáció számára elınyös a másiknak hátrányos (+,-). Predáció (ragadozás): a táplálék teljes elpusztítása és megevése. Herbivorizmus (növényevés) során a növény maga nem pusztul el (általában), csak csonkább lesz. Élısködés (parazitizmus): Az egyik populáció számára elınyös a másiknak hátrányos (+,-). Az élısködı populáció egyedei a gazdafaj populációjából táplálkoznak anélkül, hogy azt azonnal elpusztítanák. A parazita növények kész szerves anyagot vonnak el a gazdafajból. Ezek a növények fotoszintetizálni sem képesek, ilyenek például az arankafajok A félparaziták csak vizet és ásványi sókat szívnak el a gazdanövénybıl, és önmaguk állítanak elı belıle szerves anyagot (pl. fehér fagyöngy). Az állati paraziták folytathatnak külsı élısködést (szúnyog, kullancs, tető, bolha) vagy belsı élısködést (bélférgek, mételyek). Asztaltársaság (kommenzalizmus): Az egyik fél a másik táplálékából él. Ilyen kapcsolat jellemzi a ragadozókat és a dögevıket. A két populáció közül az egyik számára közömbös, a másik számára elınyös a kölcsönhatás (0,+). Együttélés (szimbiózis): Két különbözı faj kölcsönösen elınyös kapcsolata (+,+). Pl. remeterák - tengeri rózsa, bélbaktérium - flóra, Rhizobium fajok – hüvelyesek. A szimbiózis legszorosabb formája, amikor az együtt élı felek nem tudják nélkülözni egymást, egymás nélkül életképtelenek (pl. zuzmók: gomba és moszat).


49

Antibiózis, allelopátia: az egyik populáció hátrányosan hat a másik populáció élettevékenységére, miközben ez a folyamat számára közömbös (0,-). Például bizonyos mikroorganizmusok anyagcsereterméke más mikroorganizmusok mőködését, szaporodását lehetetlenné teszi. Az antibiózis során termelıdı kémiai hatóanyagok az antibiotikumok. A legismertebb gomba termelte antibiotikum a penicillin. Allelopátia során az egyik növény által termelt anyag gátolja más növények fejlıdését. Neutralizmus: kölcsönösen semleges együttélés (0,0).


50

Biogeokémiai ciklusok a bioszférában Az élı szervezet és a környezete álladó kölcsönhatása az anyagcsere (metabolizmus) révén valósul meg, így köztük állandó anyagforgalom van. Az elemek a biogeokémiai folyamatok során egy nagy körforgásban vesznek részt a bioszférán belül. Tekintsük át a víz, a szén és az oxigén, a nitrogén, a kén és a foszfor körútjának állomásait! A víz körforgása: A földi vízkészlet legnagyobb része a világóceánban található. Ez azonban párolog és nagy mennyiségő vízpára kerül az atmoszférába. Innen a víz csapadék formájában a felszínre hull, nagyrészt közvetlenül a világóceánba, kisebb részt a szárazföldekre. Utóbbi esetben bekerül a talajba, az élılényekbe vagy (a felszínen, vagy a felszín alatt) folyóvízként visszajut a tengerekbe, óceánokba. Közben persze egy része elpárolog. A légkör páratartalmának növekedéséhez hozzájárul a talajfelszín és az élılények párologtatása is. Ez a légköri nedvesség szintén csapadék formájában hull vissza a világóceánba és a szárazföldekre. A szén és az oxigén körforgása: Ennek a két elemnek az „élete” szorosan összefonódik. Az élılények szerves anyagainak egyetlen szénforrása a légkörben lévı és a vizekben oldott CO2. A fotoszintézis révén a zöld növények a szén-dioxidot kötnek meg és a szenet beépítik szerves anyagaikba, az oxigén pedig a légkörbe kerül. Az élılények többségének életfolyamataihoz erre az oxigénre van szüksége, amelyet légzés során szereznek meg, azonban közben CO2-ot bocsátanak ki. Az autotróf növények szerves anyagaiba beépült szén a táplálékláncokon végighaladva átmenetileg más a heterotróf élılényekbe is beépül. Az elhalt élılényekben nagy mennyiségő szén esne ki a körforgásból, ha egyes baktériumok és gombák lebontó folyamatai révén a szén nem jutna vissza a légkörbe CO2-ként. Bizonyos körülmények között a szerves maradványok nem bomlanak le, hanem a szerves anyagok tızegként felhalmozódnak. Ha ez az állapot geológiai korokon keresztül fennáll, akkor kıszén, kıolaj és földgáz keletkezik. Az így felhalmozott szén kiesik a körforgásból mindaddig, amíg a természeti erık, vagy az ember a felszínre nem juttatja és égési folyamatok során újra szén-dioxid képzıdik belıle. A tengerekben oldott CO2 nagy része karbonátok formájában halmozódik fel és hatalmas víz alatti sziklákat képez. Ezek a


51

kéregmozgások révén hosszú idı után a felszínre kerülnek, ahol a savas esık, a mohák, zúzmók és egyéb növények gyökereinek savas hatása révén a kızetek mállása során felszabadul a szén-dioxid. A nitrogén körforgása: Az élı szervezetek számára a nitrogén nélkülözhetetlen elem (fehérjék, nukleinsavak, stb). A földi élet számára a nitrogén forrása a légkör, mely 78% nitrogént tartalmaz. Az élılények többsége nem tudja hasznosítani a levegı nitrogénjét,

csak

egyes

mikroorganizmusok,

mint

például

a

hüvelyesek

gyökérgumóiban élı Rhizóbium fajok, melyek megkötik a nitrogént és ammóniává redukálják. A keletkezett ammónia egy részét a nitrifikáló baktériumok nitritté (NO2-) vagy nitráttá (NO3-) oxidálják. Ezek a vegyületek a növényekben bonyolultabb szerves anyagokká alakulnak, majd a táplálkozási folyamatok révén átkerülnek és beépülnek az állatokba. Az élılények maradványaiból, anyagcsere termékeibıl a talajba jutó nitrogén vegyületeket az ammonifikáció során ammóniumsók keletkeznek, melyeket a növények közvetve (az imént tárgyalt módon) már hasznosítani tudnak, akárcsak a villámlások során keletkezı ammóniát. A vulkanikus és az emberi tevékenységek során nı a légkör- és közvetve a vizek nitrogéntartalma. A különféle forrásokból származó nitrogénvegyületek vízben oldódva a folyóvizek által eljutnak a tengerekbe. Itt a nitrogén egy része a tengeri halak, és madarak révén visszajut a szárazföldre, másik része a mélytengeri üledékként kikapcsolódik a körforgásból. A kén körforgása: A kén a fehérjék felépítéséhez nélkülözhetetlen elem. A vulkáni- és az emberi tevékenység hatására kéntartalmú gázok (SO2) kerülnek a légkörbe. Innen közvetlenül vagy a csapadék révén (savas esı) szulfát ionok (SO42-) kerül a talajba, ahonnan a növények gyökerein át felszívódó kén beépül a növények szerves vegyületeibe, majd átkerül az állatokba. Az élılények maradványainak bomlása közben kén-hidrogén (H2S) keletkezik. Ezt és más szerves kéntartalmú vegyületeket egyes baktériumok tovább alakítják szolfátokat juttatva a talajba. A foszfor körforgása: A víz az ásványi anyagokkal együtt foszfátokat (PO43-) is kiold a kızetekbıl. Az ilyen oldott foszfátokat bejutnak a növényekbe. Az állatok vagy ezek elfogyasztásával vagy közvetlenül a foszfáttartalmú vizek elfogyasztásával jutnak a szükséges foszforhoz. Az élılények összetett foszfortartalmú vegyületeibıl a foszfatáló baktériumok egyszerő, oldható foszfátokat állítanak elı. A talajból kimosott


52

foszfor a folyóvizek segítségével a tengerekbe, onnan pedig a sekélyviző tengerek halaiba jut. A ezeket elfogyasztó madarak révén pedig visszakerül a szárazföldre foszfáttartalmú ürülék (guanó) formájában. Emellett nagy mennyiségő foszfor kerül ki a körforgásból a mélytengerekbe aláhulló szerves anyagok által. Az ember, az éghajlat és a kémiai elemek körforgása kölcsönhatásban állnak egymással. Ezeket a kölcsönhatásokat a víz körforgása és az élıvilág kapcsolja össze. A világóceán hatalmas víz és széntárolóként mőködik, lassítja az éghajlati változásokat. A mezıgazdaság hatására változik a nitrogén, foszfor és szén körforgása. Egyes bomlási folyamatok metánt (CH4) szabadítanak fel, mely erısíti az üvegházhatást, akárcsak a fosszilis energiahordozók égetése során keletkezı széndioxid. Az emberi tevékenységek során nagy mennyiségben keletkezı kén-dioxid (SO2) és nitrogén-oxidok (NOx) a savas esık fı okozói. Az ipar által elıállított halogénezett szénhidrogének károsítják az ózonpajzsot, ami hosszú távon szintén éghajlatváltozást idéz elı.


53

Energiaáramlás a bioszférában Az élı Föld homomorf modelljén is láthattuk, hogy a Föld egy nyílt rendszer, azaz kölcsönhatásban áll a környezetével. Például a világőrbıl folyamatosan energiát kap (napfény), bár ennek egy részét vissza is sugározza. A földre érkezı napsugarak több, mint 30%-a a légkörbıl vagy a felszínrıl visszaverıdik, a maradék közel 70% a légkör gázaiban vagy a felszínen elnyelıdik, melegítve azt. Ezt az elnyelt energiát a felszín és az atmoszféra is infravörös tartományban sugározza vissza (hısugárzás). Csakhogy egyes légköri gázok ezeket a sugarakat elnyelik, visszajuttatják a felszínre, azaz csapdába ejtik. Ez az üvegházhatás. A napfény létfontosságú a bioszféra számára. A napsugárzás biológiai hasznosításában a zöld növények (autotróf élılények) a fıszereplık, mivel csak ık képesek a fényenergiát kémiai energiává átalakítani. Bár ık is a rájuk érkezı napfény energiájának csak kb. 1%-át tudják így hasznosítani, a többi hıenergiává alakul. Az így keletkezı szerves anyagokat fogyasztják az állatok, a nem zöld növények, és a gombák, és ebbıl fedezik elı az életfolyamataikhoz szükséges energiát (pl. mechanikai energia), de az anyagcsere-folyamatok során az energia jelentıs része itt is hıveszteség formájában távozik a bioszférából. A biocönózisokban az energiaáramlás egyirányú folyamat (nem ciklikus, mint az anyagkörforgás). Az energiaáramlásban betöltött szerepük szerint az élılényeket három

csoportba

oszthatjuk:

producens

(termelı),

konzumens

(fogyasztó),

dekomponáló (lebontó). A producensek autotróf élılények, melyek szervetlen anyagokból állítanak elı szerves anyagokat. Két csoportjuk van. Az egyiket a zöld növények alkotják, melyek fotoszintézisre képesek. A másik csoportot a kemoszintetizáló baktériumok alkotják, melyek különbözı kémiai folyamatok révén nyernek energiát és állítanak elı szerves anyagokat. A konzumensek más élılények szerves anyagait alakítják át saját szerves anyagaikká. Ilyenek például az autotróf élılényeket fogyasztó növényevık. Ide sorolhatóak azonban a ragadozók és a mindenevık is, mivel ık közvetett módon ugyan, de szintén a növények által elıállított szerves anyagokat hasznosítják.


54

A dekomponáló élılényeknek két típusa van. A szaprofitonok (korhadéklakók) az elpusztult élılények szerves anyagait alakítják át sajátjukká, míg a reducens azaz mineralizáló élılények a mások által termelt szerves anyagokat szervetlen anyagokká bontják le. A biocönózisban a táplálkozás az egyik legalapvetıbb kölcsönhatási forma. Ezek alapján az élılények táplálékláncokat alkotnak, melynek három típusa a ragadozó lánc, a parazita lánc és a dedritikus lánc. Ezek általában 3-5 szintet tartalmaznak (tengerekben akár 7 szintet is). A táplálékláncok gyakran hálózatokká állnak össze, többnyire a konzumensek szintjén. A ragadozó lánc alapvetıen a következı felépítéső: növény, növényevı, ragadozó, csúcsragadozó. Például a rózsa által elıállított szerves anyagokat fogyasztja a levéltető, amire a katicabogár vadászik, ı áldozatául eshet egy széncinkének, ami a héja táplálékává válhat. A lánc mentén a testméret fokozatosan növekszik. A parazita láncban a növényeket megeszik növényevık, amiken élısködnek a paraziták. Például a füveket megeszi a házi juh, aminek a vérét szívja a juhbagócs, amiben különbözı baktériumok élısködnek. Így a lánc mentén haladva a testméret csökken. A dedritikus lánc kétféle lehet. Növényi korhadékot fogyasztó hilofág állatokat megehetik a ragadozók, így a szerves anyag visszakerül a körforgásba. Másrészt a korhadékot szaprofiton gombák fogyasztják, melyek szerves anyagait a mineralizáló baktériumok szervetlenné bontják. A trofikus szintek közötti energiahasznosítási hatékonyság körülbelül 10%, vagyis a tápláléklánc egyik szintjén lévı biomasszában (élı anyagban) tárolt energiának csak 10%-a hasznosul a következı szinten. Ezt szemlélteti az Eltonpiramis. Emiatt a lánc magasabb szintjein egyre kisebb az egyedszám. Mivel a napfény energiájának csak 1%-a kerül a bioszférába belátható, hogy 100 000J fényenergiából egy harmadlagos fogyasztóba csak 1J energia kerül.


55

Társadalmi környezet Eddig a pontig vizsgálódásainkat az élettelen és az élı Föld modell keretein belül végeztük. Most áttérünk a társadalmasított Föld modellre, azaz egy újabb fontos elemmel bıvítjük a modellünket ez pedig az ember, az emberi társadalom, melynek jelentıs hatása van a többi elemre. Mondhatnánk azt is, hogy eddig az ember természeti környezetével foglalkoztunk most pedig a társadalmi környezetét kezdjük el elemezni. A jelenlegi emberi civilizáció fennmaradásának, mőködésének két fontos feltétele a nyersanyagok és az energiaforrások megléte. Vizsgáljuk meg ezt a két témakört!

Energiaforrások Az élı Föld modell keretein belül, vagyis a természeti környezetben – mint azt az elızı fejezetbıl tudjuk – az alap energiaforrás a szinte korlátlan mennyiségben rendelkezésre álló, megújuló napenergia. Közvetve vagy közvetlenül szinte kivétel nélkül minden élılény ezt hasznosítja. Az emberi társadalom nagy energiaigényéhez más forrásokat is felhasznál. Gondoljunk csak a fosszilis tüzelıanyagokra, az izomerıre, a szél-, nap-, vízenergiára! Ezek sajátosságait tekintjük át a következıkben. Emberi- és állati izomerı: A történelem során hatalmas jelentısége volt, de szerepe mára jelentısen csökkent. Felhasználták a mezıgazdaságban, az iparban, a szállítmányozásban, közlekedésben, stb. Magas foglalkoztatást tett lehetıvé, de a hatékonyság növelése kegyetlen körülményeket eredményez (például a fejlıdı országok munkaerı kizsákmányolása). Fosszilis tüzelıanyagok: a kıszén, kıolaj, földgáz. Élılények maradványaiból keletkeztek 100 millió évek alatt. Mivel nincs utánpótlás a készleteket gyorsan fogyasztja

a

nagymértékő

felhasználás.

Elsısorban

főtésre

(hıenergia),

hıerımővekben (elektromos energia) és jármővek üzemanyagaként használjuk. Ennek mellékhatása a légszennyezés és az egyre nagyobb mértékő üvegházhatás. Atomenergia: az atommag hasadás során keletkezı hatalmas mennyiségő hıenergia vízforralásra használható, ahol a keletkezı vízgız meghajtva a turbinákat és a rájuk kapcsolt generátorokat villamos energiát termel. Alapanyaga az urán, annak is


56

a 235-ös tömegszámú izotópja. Egy gramm urán hasadása egy tonna szén elégetésével egyenértékő energiát biztosít. Hátránya, hogy a keletkezı radioaktív hulladékot hosszú ideig biztonságos körülmények között kell tárolni (Bár itt legalább a hulladék gondosan van kezelve és nem kerül szándékosan a környezetbe). A jövı célkitőzései között szerepel olyan fúziós erımő kifejlesztése, melyben a maghasadásnál is nagyobb energiát termelı magfúzió radioaktív hulladék keletkezése nélkül állít elı elektromos energiát. Szélenergia: a levegı mozgási energiájának hasznosítása. A szélmalommal és a vitorlás hajókkal mozgási energiát lehet nyerni, a szélturbinákkal villamos energiát. Utóbbit használhatjuk szigetüzemben, azaz a termelt elektromos áramot a helyszínen felhasználva, vagy más elektromos hálózatra kapcsolva. Mőködtetéséhez legalább évi 4-5km/h átlagsebességő szélre van szükség, és a hatásfoka sem túl nagy. Dánia nagy hagyományokkal rendelkezik a szélenergia felhasználásban. Vízenergia: a természetes vizek mozgási és helyzeti energiájának kihasználása. A vízerımővekben például a folyók vizét felduzzasztják, így a vízszintkülönbség hatására a nagy sebességgel folyó víz turbinákat hajt meg, azok pedig generátorokat és így elektromos áram keletkezik. Hátránya, hogy jelentıs ökológiai változásokat eredményez az ártérben, termıterületeket von el a mezıgazdaságtól, a hordalék lerakódás gondokat okozhat. Napenergia: a Földre érkezı napfény energiájának hasznosítása. Passzív felhasználást jelethet az épületek megfelelı tájolása, az üvegfelületek alkalmazása. Az aktív felhasználásnak két fı ága létezik. Napkollektor segítségével az összegyőjtött fénysugarak által felmelegített vizet lehet például főtésre használni. A napelemek segítségével a fényelektromos effektust kihasználva elektromos áramot állíthatunk elı. Fıleg olyan területeken hasznos, ahol kicsi az áramigény (pl. zsebszámológép) vagy költséges az elektromos hálózat kiépítése (elszigetelt területek). A hatásfoka elég alacsony és a technológia is elég drága még jelenleg. Geotermikus energia: a Föld belsejében lévı hıenergia hasznosítása. A Föld magjában lejátszódó nukleáris folyamatok a magot még ma is magas hımérsékleten tartják. A litoszférában haladva a felszínrıl lefelé kilométerenként 30°C-ot nı a kızetek hımérséklete. A felszín alatti vizekben nagy mennyiségő hıenergia tárolódik.


57

Ezt leghatékonyabban a hévizek révén használhatjuk ki, többnyire közvetlen hı felhasználás (pl. főtés) céljából. Biomassza: energetikailag hasznosítható „élı” anyag felhasználása. Forrásai lehetnek például a mezıgazdasági terméket „hulladékai” (pl.: szalma), energetikai célból termelt növények (pl.: repce), állati eredető biomassza (pl.: trágya), fafeldolgozási melléktermék (pl.: forgács), stb. Felhasználása lehet közvetlen (tüzelés) vagy közvetett (pl.: biodízel, biogáz). Kis hatásfokú, azonban hatalmas területeket von el az élelmiszertermeléstıl (élelmiszer áremelkedés). Árapály energia: a tengerjárás miatt mozgó víztömegek hasznosítása. Az apály és a dagály közötti vízszintkülönbséget tölcsértorkolatokba épített erımővekkel elektromos áram termelésre lehet használni. Ilyen erımővet találhatunk például a Rance folyó torkolatánál Franciaországban, amely 240MW teljesítményő. Az energiahordozóknak két típusa van. A primer energiahordozók a természetben is megtalálhatóak. Lehetnek megújulóak (szél, víz, nap, biomassza, geotermikus)

és

nem

megújulóak

(fosszilis

tüzelı,

urán).

A

szekunder

energiakordozókat a primerekbıl állítják elı. Ilyen például a villamos energia, hıenergia. Tekintsük át honnan erednek az egyes „energiahordozókban tárolt” energiák! A fosszilis tüzelıanyagok (szén, kıolaj, földgáz) mind élılények maradványaiból keletkeztek, azaz a zöld növények által hasznosított napfénybıl származnak. Akárcsak a biomassza és az izomerı. Alapjuk a fotoszintézis. Mint már korábban megbeszéltük a Föld vízkészlete örök körforgásban van. Ezt a körforgást a Nap melege hajtja (párologtatás). A levegı mozgása is a Nap által többé-kevésbé felmelegített légtömegek nyomáskiegyenlítıdésébıl származik. Így a vízerımőveknek és a szélturbináknak is közvetett hajtóereje a Nap. Az ugye egyértelmő, hogy a napenergia a Nap fényébıl származik, ami pedig a Napban lejátszódó magfizikai (nukleáris) folyamatok eredménye. A geotermikus és az atomenergia is nukleáris folyamatok következménye. Így tehát az összes energiaforrásuk, erımővünk (közvetve ugyan, de) a nukleáris energia (erıs kölcsönhatás) „leszármazottja”, kivéve a gravitációs kölcsönhatáson alapuló árapály erımőveket.


58

A különbözı energiahordozókban tárolt energia gyakorlatilag csak egy állomása az egyirányú, kozmikus energiaáramlásnak. Tekintsünk meg egy konkrét áramlási útvonalat példaként! A Nap magjában lejátszódó fúziós folyamatok során az anyag egy része sugárzási energiává alakul energiává alakul. Ez felmelegíti a nap anyagát (hıenergia), ami hatására a felszínen fénysugarak keletkeznek (fényenergia). Ez a fény melegíti a felszíni vizeket (hıenergia) elısegítve a víz párolgását. A vízpára a Nap meleg hatására mozgó légtömeggel együtt vándorol (mozgási energia), majd végül lecsapódik esı formájában és folyó vizeket képez (mozgási energia). Eljutva egy vízerımőhöz mozgási energiája elektromos energiává alakul, amely az elektromos hálózaton keresztül eljut a háztartásokba. Itt például feltölthetünk vele egy ceruza akkumulátort (kémiai energia), ami egy digitális fényképezıgépben elektromos jelekké alakítja a lencsevégre kapott ragyogó Napot az égen. (Mindehhez csak pár millió év szükséges.) Az ember által felhasznált energiahordozók aránya a történelem során erısen változott. (Hasonlítsuk össze a lovas kocsik, a gızgépek és a benzinmotorok korát!) Ma az emberiség energiaigényének több mint 75%-t a fosszilis energiahordozók adják. Azonban a készletek korlátozottsága miatt, a fenntartható fejlıdéshez át kell térnünk a megújuló, alternatív energiák nagyobb mértékő használatára. Ezek közül néhánynak a hasznosítása még elég drága, de szinte korlátlanul állnak rendelkezésre, és még a környezetet sem szennyezik annyira. Szeretném még felhívni a figyelmet a nukleáris energia jelentıségére, amelytıl oly sokan félnek, indokolatlanul. A paksi atomerımő teljesítménye közel 20-szorosa az ajkai (széntüzeléső) hıerımőnek. Azonban az ajkai erımő kb. 1000-szer több sugárzást juttat a környezetbe, mint az atomerımő, mert a fosszilis eredető szénben relatíve nagy mennyiségő urán található, ami nem ég le és a füsttel együtt a külvilágba jut. Ráadásul emellett még sok más mérgezı és üvegházhatást fokozó anyagot is kibocsát (tonnaszámra). Az atomerımővekben a hulladékot nagyon szigorú feltételek mellett gondosan tárolják (nem engedik ki a kéményen). Nem is beszélve arról, hogy a hatalmas szénigényt rengeteg bányász kemény munkája (és a bányaszerencsétlenségek révén halála) árán tudják csak kielégíteni. Az esetleges balesetek veszélye is kicsi köszönhetıen modern megoldásoknak és a szigorú emberi- és mőszaki feltételeknek.


59

Míg a csernobili baleset hosszú távú hatásait is figyelembe véve sem éri el az áldozatok száma a 30000 fıt, addig Kínában egy gátszakadás során órák alatt 250000 ember vesztette életét. Egyébként a Paksi atomerımő Magyarország elektromos áram igényének 40%-át biztosítja, a legolcsóbban elıállítva az energiát.

Nyersanyag, hulladék A természeti környezetben minden ’nyersanyag’ újrahasznosítás eredménye, gondoljunk csak az anyagkörforgásra a bioszférában. A modern emberi civilizációban viszont az újrahasznosítás csak manapság kezd megjelenni. Eddig a nyersanyagokat folyamatosan elhasználtuk és fel nem hasznosított hulladékot termeltünk. Ez két okból problémás. Az egyik az, hogy a nyersanyagok nem állnak korlátlan mennyiségben rendelkezésre, véges készletek vannak, melyek elfogynak. Megemlíthetjük azt, hogy hamarosan a kıolaj és földgázkészletek elfogynak, de akár azt is, hogy a mezıgazdaságilag megmunkálható területek mérete sem növelhetı tetszılegesen. A másik probléma az, hogy a felhasználás után maradó hulladék mennyisége folyamatosan nı, ami gazdasági, biológiai, esztétikai problémát is jelent. A hulladékok nagy része újrahasznosítható, azaz a felesleges hulladékból újra nyersanyag készíthetı. Ez a folyamat néha egyszerő és olcsó (pl.: sörös palack visszaváltás és újratöltés) néha kicsit bonyolultabb és költségesebb. A dobozos üdítık, sörök alumínium doboza készülhet közvetlenül ’friss’ alumínium bauxitból való elıállításával, vagy az alumínium hulladék újrahasznosításával. Elıbbi esetben 20-szor annyi energiára van szükség, mint az utóbbiban. Az újrafelhasználást nagymértékben segíti, ha az azonos anyagú hulladékokat külön-külön tároljuk, ez az alapötlete a szelektív hulladékgyőjtésnek. Ma már szinte minden otthon közelében találhatunk szelektív hulladékgyőjtı szigeteket, azaz külön konténert a papír, mőanyag, üveg, fém hulladék számára. Az újrafelhasználásnak további formái is megtalálhatóak a mindennapokban. Például a növényi maradványok (falevelek, fő, stb.) komposztálása, a MÉH (Melléktermék És Hulladékhasznosító vállalat) vas és papír győjtése, a kinıtt ruhák adományozása a segélyszervezeteken (Vöröskereszt, Máltati Szeretetszolgálat) keresztül, stb. A jövıben az újrahasznosításnak nagyobb szerepet kell kapnia!


60

A társadalmi környezet komplex hatása a természeti környezetre Sok emberi tevékenység eredményez talaj-, lég-, folyó- és állóvízszennyezést. Néha a szennyezés közvetlen, például akkumulátorsavak, nehézfémionok, stb. Máskor összetettebb a folyamat. Például a (kipufogógázokból származó vagy a hulladékok égetése során keletkezı) gáznemő égéstermékekben megtalálható kén és nitrogén oxidok a levegı páratartalmával reakcióba lépve savas esıt eredményeznek. Ez a felszínre hullva megváltoztatja a talaj pH értékét, ami kedvezıtlen környezeti tényezıt jelent az adott társulás számára. A növényzet pusztulása pedig kihat az állatvilágra is. A „legveszélyesebb” szennyezı anyag, amellyel a társadalom elárasztja a természetet: a széndioxid (CO2). Közvetlenül nem káros, sıt természetes, de közvetett hatásai és még inkább ezen változások sebessége végzetes lehet. A széndioxid bármiféle szerves anyag égése során keletkezı gáz. A közlekedés és a főtés elsıdleges források, azonban mivel az emberiség energiaigényének közel 80%-át fosszilis tüzelıanyagok égetése biztosítja, így akár a televízió nézés növeli a légkör CO2 mennyiségét. Mint tudjuk ez az anyag az üvegházhatás legfıbb okozója, ami a globális felmelegedés forrása. Az átlagos felszíni hımérsékletnek az emelkedése nem csak annyit eredményez, hogy kevesebb pulóverre lesz szükség. Hatására megolvadhatnak a sarki jégtakarók és a gleccserek. Persze ez sem csak annyit jelent, hogy kihalnak a jegesmedvék és a tengerek szárazföldeket öntenek el (New York, Shanghai, Hollandia, stb.). Ha megolvad a jégtakaró, róla már nem verıdik vissza a napfény, hanem elnyelıdik, és ez tovább fokozza a felmelegedést (olaj a tőzre). A gleccserek adják sok folyó vízhozamának nagy részét. Például a Himalája gleccserei táplálják a Gangeszt és az Indust, melyek az ivóvizet és a mezıgazdasághoz szükséges vizet adják több száz millió (!) ember megélhetése számára. Ha ezek elapadnak (akár néhány évtizeden belül) hatalmas társadalmi problémát fog okozni a meginduló népvándorlás. Továbbá a fagyott vízkészlet megolvadásával, óriási mennyiségő édesvíz kerül a világóceánba, ahol a különbözı só koncentráció miatt leállhat a „nagy óceáni szállítószalag”. Ez az egyik legfontosabb klímabefolyásoló tényezı a Földön. Segítségével hı áramlik az egyenlítı felıl a sarkok felé, kiegyenlítve ezzel az idıjárási szélsıségeket. Ha az óceáni áramlatok leállnak, az egyenlítı környékén még melegebb lesz. Itt található a


61

Föld „tüdeje”, a trópusi esıerdık, mely fokozatosan kiszárad a melegben. Ez további gondokat okoz. Mivel a kiszáradt növények nem párologtatnak, csökken a csapadékmennyiség további aszályt okozva. A szárazságban kialakuló erdıtüzek során nagy mennyiségő CO2 kerül az atmoszférába fokozva ezzel az üvegházhatást. A túlzott meleg és az erdıtüzek megszüntetik a növények fotoszintetizálását, ami az egyetlen fegyver az üvegházhatás lefékezésére. A túlnépesedés és a klímaváltozás miatt további területeket vonnak be a mezıgazdaságba erdıirtás révén, ami szintén gyengébb fotoszintézist jelent. Ezek a folyamatok több fokos átlagos hımérsékletnövekedést okoznak pár évtized alatt. Az alkalmazkodáshoz szükséges evolúciós folyamatok nem képes ilyen gyors változások leküzdésére. Mivel a növények nem képesek elvándorolni és a környezeti tényezık már nem megfelelıek, az autotróf élılények nagy része kihal, és ez természetesen a heterotróf élılények pusztulását is jelenti. Ma az üvegházhatás két fıszereplıje, a széndioxid (CO2) és a metán (CH4) a légkörnek csupán kb. 0,035% (az 1% harmincad része). Ennek a mennyiségnek az aprócska növekedése okozta azt, hogy a mai átlaghımérséklet közel 1°C-kal magasabb, mint a száz évvel ezelıtti. Egyes becslések szerint, ha a felmelegedés mértéke megközelíti a 2°C-ot (márpedig a folyamat egyre gyorsul napjainkban), akkor a fent említett öngerjesztı folyamatok miatt a globális felmelegedést már nem lehet megállítani. +6°C elérése pedig az emberi civilizáció túlélését veszélyeztetı károkat okoz a bioszférában.

Környezettudatos magatartás Az eddigiek alapján már látható, hogy milyen összetett rendszer a Földünk, milyen szerteágazóak és komplexek az elemek közötti kölcsönhatások. Ez azt eredményezi, hogy szinte bármilyen kis változás kihat nagyon sok egyéb tényezıre. A társadalmi környezet hatása a természeti környezetre ezért sem elhanyagolható, ráadásul ez a hatás többnyire hátrányos az élıvilág számára. Az egyensúly megtartása érdekében kialakult egy új fogalom a fenntartható fejlıdés. Ez a következıképpen fogalmazható meg: a fenntartható fejlıdés olyan fejlıdési folyamat, ami kielégíti a jelen igényeit anélkül, hogy csökkentené a jövendı generációk képességét, hogy kielégítsék a saját igényeiket. Ahhoz, hogy ezt elérjük ún. környezettudatos magatartásra van szükség. Ez a bioszféra állapotával és az emberi populáció


62

környezetével kapcsolatos tájékozottságot, érzékenységet és tudatos felelıség vállalást jelent. Ha óvni akarjuk környezetünket tudnunk kell, hogy mi, hogyan, miért veszélyezteti ismernünk kell a társadalmasított Föld mőködésének részleteit. Ez különösképpen fontos azok számára, akik a gyermekek nevelésében vesznek részt (pedagógusok, majdani szülık). Mert ezt a szemléletmódot csak akkor tudják átadni másoknak, ha maguk is rendelkeznek vele, eszerint élve példát mutatnak.


Irodalom Természettudományi kislexikon (Akadémiai Kiadó, Budapest, 1992) Varga Domokos, Varga András: Ég és Föld (Móra Ferenc Ifjúsági Könyvkiadó, Budapest, 1985) Dr. Erich Überlacker: Modern fizika (Tessloff és Babilon Kiadó, Budapest, 1993) Patrick Moore, Iain Nicolson: A Nap és bolygói (Helikon Kiadó, Budapest, 1992) John Gribbin, Mary Gribbin: A természettudományokról mindenkinek (Akkord Kiadó, 2002) John Gribbin: Világőr (Alexandra Kiadó, Pécs, 2001) Marx György: Atommag-közelben (Mozaik Oktatási Stúdió, Szeged, 1996) Természetismeret I. (Nemzeti TK, 1999.) Természetismeret II. (Nemzeti TK, 1999.) Dr Kárász Imre: Ökológiai és környezetvédelmi alapismeretek (TYPOTEX kft, Budapest. 1990.) Dr Juhász Árpád : A kék bolygó (Budapest, 1983) Laki Ferenc, Miklovicz Árpád: Környezetismeret (Nemzeti TK, Budapest, 1993) Általános kémia (Mozaik kiadó, Szeged, 2003) Szerves kémia (Mozaik kiadó, Szeged, 2005) Természetföldrajzi környezetünk (Mozaik kiadó, Szeged, 2004) Moser Miklós: Körforgások a természetben és a társadalomban (Budapest, 1997) Dr. Lénárd Gábor: Biológia (Nemzeti TK, Budapest, 2007)

63

Debreceni Egyetem Gyermeknevelési és Felnıttképzési Kar

Recommend Documents