Země jako systém
Obsah Země jako systém....................................................................................................................... 1 Obsah...................................................................................................................................... 2 Seznam obrázků ..................................................................................................................... 2 Seznam tabulek ...................................................................................................................... 2 Současná Země a její biosféra ................................................................................................ 3 Základní charakteristiky Země........................................................................................... 3 Otevřenost systému Země .................................................................................................. 3 Stavba zemského nitra........................................................................................................ 4 Koloběh látek na Zemi ....................................................................................................... 4 Biosféra .................................................................................................................................. 8 Atmosféra ............................................................................................................................... 9 Hydrosféra............................................................................................................................ 11 Shrnutí .................................................................................................................................. 14 Kontrolní úkoly, otázky, základní témata pro úvahy ........................................................... 14 Zdroje informací................................................................................................................... 14
Seznam obrázků Obr. 1 Obecné schéma koloběhů prvků. Begon aj. (1997) ........................................................ 5 Obr. 2 Koloběh fosforu. Begon aj. (1997) ................................................................................. 6 Obr. 3 Koloběh dusíku. Begon aj. (1997) .................................................................................. 6 Obr. 4 Koloběh síry. Begon aj. (1997)....................................................................................... 7 Obr. 5 Koloběh uhlíku. Begon aj. (1997)................................................................................... 8 Obr. 6 V troposféře se odehrávají veškeré děje počasí. Foto: Němec. .................................... 10 Obr. 7 Povrchová voda je významnou součástí krajiny a nepřetržitý koloběh vody je podmínkou života. Foto: Němec. ..................................................................................... 12 Obr. 8 Rozdělení světové vody na sladkou a slanou vodu. Jánský 1992................................. 13 Obr. 9 Rozdělení sladké vody na ledovce, spodní vodu a povrchovou vodu. Jánský 1992..... 13 Obr. 10 Zastoupení povrchové vody ve stojatých vodách, tekoucích vodách, v půdě, atmosféře a živých organismech. Jánský 1992 ................................................................ 13
Seznam tabulek Tab. 1 Základní fyzické a fyzikální charakteristiky Země......................................................... 3 Tab. 2 Složení Země - označení některých vrstev se překrývá .................................................. 4 Tab. 3 Extrémní rozmezí podmínek, v nichž přežívají organismyChyba! Záložka není definována. Tab. 4 Složení atmosféry a základní charakteristika jejích vrstev (uvedeny průměrné hodnoty). ............................................................................................................................ 9 Tab. 5 Průměrné složení přízemní vrstvy atmosféry Země a doba setrvání jejích složek (podle Herčík 1997)..................................................................................................................... 10 Tab. 6 Rozdělení vody na zemském povrchu (podle Jánský 1992, Beneš - Novotná 1995). .. 11
Současná Země a její biosféra Základní charakteristiky Země Základní charakteristika Země je v Tab. 1. Tyto údaje sice charakterizují Zemi jako celek, nemohou však postihnout dynamiku změn jejího povrchu a jejího nitra a rozdíly podmínek na povrchu Země. Tab. 1 Základní fyzické a fyzikální charakteristiky Země. parametr/jednotky poloměr na pólu [km] poloměr na rovníku [km] hmotnost [kg] průměrná hustota [g cm-3] minimální vzdálenost od Slunce [km] maximální vzdálenost od Slunce [km] střední vzdálenost od Slunce [km] (astronomická jednotka = 1AU) odchylka zemské osy od roviny ekliptiky [0] průměrná teplota povrchu [0C] solární konstanta [J m-2 s-1] celková energie dopadající na horní hranici atmosféry Země za rok ze Slunce [J ] celková energie dopadající na horní hranici atmosféry Země za rok ze Slunce [J/km2] albedo [%]: čerstvě napadlého sněhu orné půdy polních kultur lesa v době vegetace travního porostu pouští gravitační zrychlení [m s-2] intenzita magnetického pole [T ] povrch oceánů [106 km2 ] povrch pevnin [106 km2 ]
hodnota parametru 6356,75 6378,14 5,974 . 1024 5,515 147 . 106 152 . 106 149,597 . 106 23,45 15 1373 5,74 . 1024 10,9 . 1015 80 10 10 - 25 10 – 20 20 – 25 přes 30 9,82 6 . 10-5 356,864 152,941
Země obíhá okolo Slunce průměrnou rychlostí 29,77 km s-1 po mírně excentrické dráze (apogeum 152 . 106, perigeum 147 . 106) v průměrné vzdálenosti 149,598 . 106 km od Slunce (astronomická jednotka = 1AU). Sklon osy otáčení Země vzhledem k rovině její oběžné dráhy je 23,450, délka dne je 23 hod 56 min 4 sekundy, délka oběhu okolo Slunce je 365 dní 6 hod 9 min. Vlivem rotace je Země zploštělá, rozdíl mezi průměrem Země na pólech a na rovníku je 0.00335. Rotace Země a poloha a reliéf kontinentů má vliv na globální proudění vzduchu v atmosféře a na mořské proudy.
Otevřenost systému Země Země je otevřený systém. Ze Slunce Země přijímá na hranici horní vrstvy atmosféry elektromagnetické záření, jehož rozložení intenzity odpovídá přibližně záření absolutně černého tělesa o teplotě 5780 K. Často je záření ze Slunce charakterizováno jedinou hodnotou
- hustotou dopadající energie, která odpovídá solární konstantě (1326 W m-2). Ze Slunce dopadá na horní hranici atmosféry také proud elementárních částic - sluneční vítr, jehož hlavními složkami jsou protony a elektrony. Horní hranice atmosféry je vystavena také kosmickému záření, jehož energetická hustota je nesrovnatelně nižší v porovnání s energií záření ze Slunce, zato však obsahuje podstatně pestřejší spektrum částic a záření z hlediska druhů a zejména energií. Na horní hranici atmosféry dopadají také meteory a meteority, jejichž dopadem se zvětšuje hmotnost Země o cca 400 tun za rok. Těmito mechanismy Země získává energii a minimální množství hmoty. Země také záření a hmotu uvolňuje do prostoru. Zemský povrch se dopadajícím zářením dlouhodobě neohřívá (odhlédneme - li od předpokládaných účinků antropogenně zesíleného skleníkového efektu) a vyzáří tedy v průměru stejné množství energie, kolik na ní z kosmického prostoru dopadne. Dochází však k výrazné transformaci dopadajícího záření a většina vyzařované energie se výrazně posouvá do IČ oblasti. V této souvislosti je zajímavé povšimnout si celkového tepelného toku z nitra Země (vznikajícího rozpadem radioaktivních prvků, slapovým třením, přeměnou potenciální energie), který činí 30 . 106 MW za rok, a porovnat jej s celkovým tokem energie ze Slunce, jehož hodnota je 90 . 1010 MW za rok (cca 10.000x více než současný instalovaný výkon technosféry). Země také ztrácí část atmosféry, zejména nejlehčích prvků vodíku a hélia, které v horních vrstvách atmosféry v důsledku rozdělení rychlostí v plynech (popsané Maxwellovým rozdělením) nejsnáze dosahují únikové rychlosti.
Stavba zemského nitra Z dynamiky šíření vln při zemětřesení, modelů a výpočtů byl jako zjednodušující abstrakce sestaven následující vrstvový model stavby Země - Tab. 2. Model ukazuje překrývání jednotlivých vrstev, vyčleněných pro jejich odlišnou strukturu, složení a funkci, ale nezahrnuje dostatečně krátkodobou (např. počasí) a dlouhodobou proměnlivost (vlivy eroze, pohyby kontinentů atd.) mnoha parametrů vrstev, které jsou součástí biosféry (atmosféra, hydrosféra, litosféra). Tab. 2 Složení Země - označení některých vrstev se překrývá sféra atmosféra hydrosféra kůra - sial (pevniny) kůra - sima (oceány) litosféra (zahrnuje sial i sima) astenosféra svrchní plášť spodní plášť vnější jádro vnitřní jádro
hloubka [km] +10000 - 0 +11 - 11 0 - 35 0 - 10 0 - 80 80 - 200 0 - 700 700 - 2885 2885 - 5150 5150 - 6371
složení (hlavní hustota prvky) [g cm-3] N, O H,O 1,0 Si, Al, O 2,7 Si, Mg, O 2,9 3,3 3,3 2,7 až 3,3 4,3 Fe, Ni 10 - 12,3 13,3 - 13,6
Koloběh látek na Zemi V zemském nitru, na jejím povrchu a v atmosféře dochází k přesunům značného množství hmoty různého složení. Ze všech prvků v biosféře využívají organismy biogenní prvky (prvky nacházející se v živých organismech), z nichž jsou nejvíce zastoupeny vodík,
uhlík, kyslík, dusík. Rozlišujeme makrobiogenní prvky s průměrným zastoupením nad 1% obsahu v organismech (vodík, uhlík, kyslík, dusík, fosfor, vápník), oligobiogenní prvky s obsahem mezi 0.5 a 1% (sodík, draslík, hořčík, železo, chlór, síra) a mikrobiogenní prvky (stopové - mangan, kobalt, měď, jód, molybden, brom, křemík. fluór, zinek, lithium). Jsou sledovány a popisovány toky především makrobiogenních prvků a uváděny jako cykly uhlíku, kyslíku, dusíku, fosforu a vápníku – viz Obr. 2, Obr. 3, Obr. 4 a Obr. 5. Zjednodušeně bývají přesuny biogenních prvků a vody popisovány koloběhem těchto látek, omezeným na svrchní část litosféry, hydrosféru a atmosféru. "Motorem" koloběhu látek je nerovnoměrně distribuované sluneční záření a fotosyntézou zásobovaná činnost organismů, vnitřní energie Země a cílená činnost člověka, založená opět především na využití energie slunečního záření (fosilní paliva) a energii štěpení prvků. Vybrané cykly prvků, převzaté z BEGON - HARPER - TOWNSEND (1997), jsou uvedeny na Obr. 2 až Obr. 5, na Obr. 1 je obecné schéma koloběhů prvků.
Obr. 1 Obecné schéma koloběhů prvků. Begon aj. (1997)
Obr. 2 Koloběh fosforu. Begon aj. (1997)
Obr. 3 Koloběh dusíku. Begon aj. (1997)
Obr. 4 Koloběh síry. Begon aj. (1997)
Obr. 5 Koloběh uhlíku. Begon aj. (1997)
Biosféra Současnou biosféru by bylo možné vymezit extrémními podmínkami tlaku, teploty, pH, intenzity světelného záření, obsahu kyslíku, v nichž ještě žijí nebo přežívají organismy, lze však předpokládat ještě určité rozšíření těchto mezí na základě dalších výzkumů (viz nedávný objev jednoduchých organismů v horkých pramenech na dně oceánu). Navíc je velmi obtížné vytvořit hranici mezi životem a „neživotem“ – mnoho virů či baktérií „přežívá“ i za velmi nízkých teplot (např. kapalného dusíku) a po zvýšení teploty jsou schopny aktivizovat své vitální funkce. Většinou se pozemský život vymezuje podmínkami, kdy existuje voda v kapalném skupenství (viz např. rovnice z Green Bank – Drakova rovnice). Vrstvy biosféry by bylo nejen chybné chápat staticky, ale i odděleně vzhledem k jejich propojení energetickými a hmotnými toky aktuálně i v jejich historii - oddělení do vrstev je spíše výsledkem antropogenní abstrakce. Vhodné je proto mluvit o neživé složce biosféry, kterou tvoří plynná, kapalná a pevná fáze s neustálým dynamickým koloběhem látek. Na povrchu Země se jednotlivá území odlišují aktuální hodnotou mnoha fyzikálních veličin a jejich denním i ročním kolísáním. Z těchto veličin určuje především teplota, množství srážek a slunečního záření rozdělení povrchu Země do klimatických oblastí, kterým je přizpůsobena odlišná vegetace. Dalším schematickým pohledem na biosféru je proto geografické rozdělení organismů do biomů1, u nichž přibližně můžeme vymezit podmínky, v nichž jednotlivé biomy tvoří dominantní systém. Aspekty typické pro biosféru: definitivnost (absolutní nebo z hlediska mnoha generací) - jednou vyhynulý druh je pro biosféru navždy ztracen, odplavená půda se obnovuje tisíce let, radioaktivní zamoření mění životní prostředí na desetitisíce let, vytěžené ložisko uhlí se za současných podmínek již neobnovuje časové zpoždění reakce ekosystému, prostředí nebo celé biosféry na působení faktoru dosažení limitu, postupná difúze škodliviny (freony a ozón, bioakumulace škodlivé látky v ekosystému - PCB, azbest, DDT), skleníkový efekt, kumulace malých změn (půda zhutňování, zasolování, ztráty humusu) synergický efekt - účinek dvou nebo více jevů se může vzájemně zesilovat (ozónová díra, změna albeda Země a globální oteplování) prevence - odstranění projevu je mnohem náročnější a nákladnější než zabránit příčině problém měřítka - současná technika zatím pracuje v makrokosmu, měřítkem života je zejména mikrokosmos, život je ovlivňován megakosmem (vznik a udržování podmínek pro život) limitovanost zdrojů a prostoru uzavřenost a neuzavřenost cyklů – uvádí se uzavřenost cyklů jako typická vlastnost, protipříkladem jsou korálové útesy, ložiska vápence, uhlí, ropy, které mají organický původ určitá minimální velikost a neuzavřenost ekosystému pro jeho dlouhodobou stabilitu (viz pokusy s relativně uzavřenými ekosystémy o velikosti desítek tisíc m3 – mimo jiné příprava dlouhodobých kosmických letů) voda je hlavním vnějším a vnitřním prostředím pro život, sladká voda tvoří jen malou část vody na Zemi, jen velmi malá její část je dostupná pro koloběh v biosféře 1
Též zonální ekosystém, terestrický biom, angl. biome, je rozsáhlá oblast příbuzných rostlinných a živočišných společenstev, závislých na podobných podnebních a půdních podmínkách. Mezi biomy patří tropické deštné pralesy, savany, stepi, polopouště, pouště, tvrdolisté lesy, listnaté lesy mírného pásma, jehličnaté lesy, tajga, tundra aj.
Atmosféra Složení atmosféry je výsledkem rovnováhy mezi fyzikálními silami (úniky plynu ve vyšších vrstvách atmosféry), uvolňováním plynů abiotickými procesy (sopečná činnost), vázáním plynů (horniny, voda) a vlivy flóry a fauny (dýchání, fotosyntéza, rozklad uhynulých organismů, trávení). Funkce a chování atmosféry: • filtrování dopadajících částic a záření na zemský povrch - pohlcuje, přeměňuje nebo odchyluje většinu UV záření, γ záření, nabité částice slunečního větru, kosmické záření • zabraňuje dopadu meteorů na zemský povrch, výrazně snižuje účinky dopadu meteoritů (zejména menších) • uzavírá koloběh řady látek - vody, CO2, O2, N2 aj. • relativně slabě pohlcuje viditelné záření a blízké IČ záření, které může být využíváno fotosyntetizujícími organismy a podporuje orientaci organismů v prostoru • výrazně ohřívá zemský povrch přítomností několika skleníkových plynů. Teplota povrchu se zvyšuje o 34 0C, což lze vypočítat jako rozdíl průměrné aktuální teploty zemského povrchu - cca 150C a teploty povrchu absolutně černého tělesa, které vyzařuje v rovnováze se zářením, dopadajícím ze Slunce) • složení záření dopadajícího na zemský povrch je následující - 10% UV záření vlnových délek 140 - 380 nm, 45% fotosynteticky využitelné záření vlnových délek 380 - 720 nm, 45% infračervené záření s delšími vlnovými délkami • stabilizuje teplotu mezi dnem a nocí • vytváří počasí a podnebí (spolu s mořskými proudy, reliéfem terénu a rozdílnými tepelnými charakteristikami vod oceánů a moří a pevniny) • její složení je významně ovlivňováno činností flóry a fauny; změna složení atmosféry v minulosti (obohacování kyslíkem) vedle k výraznému ovlivnění evoluce na Zemi i změně složení hornin a nerostů na povrchu V Tab. 3 je uvedeno složení atmosféry a základní charakteristika jejích jednotlivých vrstev. V troposféře se odehrávají veškeré děje počasí – viz Obr. 6. Tab. 3 Složení atmosféry a základní charakteristika jejích vrstev, někde uvedeny průměrné hodnoty. Částečně podle http://astrokurz.wz.cz/19_Meteorologie.htm. vrstva troposféra
výška [km] 0 - 12
teplota [0C] 15 až (-60)
tropopauza stratosféra spodní vrchní
8 - 12 12 – 60 12 – 30 30 - 60
-45 až -85 -45 až 20 -45 až -75 -20 až 20
stratopauza mezosféra termosféra
50 - 60 60 - 80 80 - 800
20 až -90 -90 až 600
exosféra
1000 - 10000
1350
tlak [Pa] další charakteristika 105 - 102 počasí, horní hranice je hranicí biosféry 102 - 10-1 odděluje troposféru a stratosféru 10-1 – 10-3 pohlcování krátkovlnného UV záření (ozónová vrstva), kosmického záření, nabitých částic slunečního větru, γ záření odděluje stratosféru a mezosféru 10-3 - 10-4 výskyt nočních stříbřitých oblaků 10-4 - 10-5 silná ionizace vzduchu, díky ultrafialovému záření dochází k rozbití atomů plynů, el. vodivost, součástí je ionosféra, která odráží rádiové vlny, šířící se od povrchu Země -5 10 až 0 okrajová vrstva, únik nejlehčích částic do meziplanetárního prostoru
Obr. 6 V troposféře se odehrávají veškeré děje počasí. Foto: Němec. Tab. 4 Průměrné složení přízemní vrstvy atmosféry Země a doba setrvání jejích složek (podle Herčík 1997). objemová koncentrace (ppm) průměrná doba setrvání (dní) 5 7,8084 . 10 4 . 108 dusík 2 . 106 2,0946 . 105 kyslík 3 9,34 . 10 argon 2 . 104 10 voda 2 3,6 . 10 2 . 103 CO2 1,8 . 101 neon 5,24 4 . 109 helium 1,5 2 . 103 CH4 0,5 3 . 103 H2 0.3 7 . 103 N2O 0.3 102 CO 0,03 7 . 102 O3 0,02 9 NO2 0,01 2 SO2 0,01 5 NH3 0,001* 4 . 104 * freony *nepřesné - celková koncentrace všech freonů, resp. průměrná doba zdržení
Složení záření dopadajícího na zemský povrch je následující - 10% UV záření vlnových délek 140 - 380 nm, 45% fotosynteticky využitelné záření (FAR, angl. PAR) vlnových délek 380 - 720 nm, 45% infračervené záření s delšími vlnovými délkami.
Hydrosféra Hydrosféra pokrývá většinu povrchu Země (viz Tab. 1). Velká většina (97%) vody na Zemi je voda slaná (viz Obr. 8), sůl se v mořích a oceánech koncentruje především jako výsledek vymývání solí z pevnin. Většina sladké vody je vázána v ledovcích, podstatnou část sladké vody tvoří voda podzemní, povrchová voda tvoří jen 1% sladké vody (viz Obr. 9). Lidstvo využívá zejména povrchovou vodu, pro úpravu na pitnou vodu je využívána i voda podzemní. Nejvíce povrchové vody se nachází v jezerech (Bajkal asi 1/5 povrchové sladké vody) a řekách (viz Obr. 10). Podrobné rozdělení vody na zemském povrchu včetně doby zdržení je v Tab. 5. Tab. 5 Rozdělení vody na zemském povrchu (podle Jánský 1992, Beneš - Novotná 1995). procent celkového množství
objem vody [103 km3]
oceány a moře ledovce na oceánech a pevninách sladkovodní jezera slaná jezera umělé nádrže bažiny řeky
97,6784 1,7237 0,0093 0,0075 0,0004 0,0004 0,0001
podzemní voda do hloubky 800 m podzemní voda pod 800 m půdní vláha voda v pásmu provzdušnění živé organismy atmosféra (do 11 km)
0,2873 0,2873 0,0018 0,0029
podzemní voda celkem povrchová sladká voda celkem
0,5746 0,0102
0,0009
doba zdržení vody [rok]
37600 24 000 15000 130 6,2 105 6 6 1,25 0,0337 dne) 4 000 4 000 25 40 13 0,028 dne) 8 000 143
(12,3
(10,2
Obr. 7 Povrchová voda je významnou součástí krajiny a nepřetržitý koloběh vody je podmínkou života. Foto: Němec.
Rozdělení světové vody Vo da c e lko vě
3% Oc e ány S ladká vo da
97%
Obr. 8 Rozdělení světové vody na sladkou a slanou vodu. Jánský 1992.
Sladká voda 20% 1% Le do vc e S po dní vo da Po vrc ho vá vo da
79%
Obr. 9 Rozdělení sladké vody na ledovce, spodní vodu a povrchovou vodu. Jánský 1992
Povrchová voda
8% 1% 1% 38%
Je ze ra Vlhko s t v půdě Atmo s fé ric ká vlhko s t Ře ky
52%
Živé o rg anis my
Obr. 10 Zastoupení povrchové vody ve stojatých vodách, tekoucích vodách, v půdě, atmosféře a živých organismech. Jánský 1992
Shrnutí Biosféra jako součást otevřeného systému Země je komplexním systémem, který se dokáže díky své složitosti, vnitřním vazbám a základní charakteristice živých organismů, kterou je aktivní reakce na vnější podněty, přizpůsobovat změnám fyzikálních, geografických a chemických podmínek krátkodobou "adaptací", resp. evolučními změnami. Toto přizpůsobování probíhá současně na všech úrovních biosféry a má různé formy - od aktivní změny podmínek prostředí (v minulosti obohacení atmosféry kyslíkem a snížení obsahu CO2; neustálé obohacování půdy zbytky organismů, biogenní eroze) přes změnu v rozšíření druhů a struktury ekosystému, změnu chování druhů (zimní spánek, migrace) až po vývoj nových adaptačních mechanismů daného druhu a vznik nového druhu.
Kontrolní úkoly, otázky, základní témata pro úvahy 1. 2. 3. 4. 5.
Jaké jsou základní charakteristiky systému? Vysvětlete termín synergie v souvislosti se systémem. Proč je významný systémový pohled na environmentální problémy? Jaké funkce má pro život na Zemi atmosféra? Jaké cykly prvků jsou nejvýznamnější pro procesy v biosféře? Jak člověk do těchto cyklů vstupuje? 6. Jaké jsou vzájemné souvislosti ozónové díry a skleníkového efektu?
Zdroje informací 1. Begon M. aj. (1997): Ekologie, jedinci, populace a společenstva, vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc, ISBN 80-7067-695-7 2. Beneš P., Novotná J.: Chemie a radiační hygiena prostředí, vydavatelství ČVUT, Praha 1995, ISBN 80-01-01335-9 3. Herčík M.: Životní prostředí (úvod do studia), VŠB - TU Ostrava 1997, ISBN 80-7078340-0 4. Horník S. aj. (1982): Základy fyzické geografie, Státní pedagogické nakladatelství, Praha 5. Jánský B.: Geografie moří a oceánů, PřF UK Praha 1992 6. Moldan B.: Životní prostředí globální perspektiva, Centrum Univerzity Karlovy pro otázky životního prostředí, Praha 1994 7. Stonawski J.: Základy ekologie, Karolinum, Praha 1997, ISBN 80-7066-736-2
