Környezeti klimatológia II.
Makra László
Az óceánok
Alapismeretek
Az óceánok Az óceánok nagyon fontos szerepet töltenek be a földi éghajlat irányításában az Egyenlítőtől a sarkok felé történő hőszállítás révén. E hőszállítás nélkül bolygónk legnagyobb része túl hideg lenne az emberi élet számára. A tenger egyúttal fontos táplálék és energiaforrás is. A nem megújuló energiaforrások közül az olaj és a gáz, míg a megújulóak közül a szél és a hullámok találhatók itt. A partvidéki területek szerepe különösen fontos, mivel a földi népesség több mint 60 %-a a tengerparti 100 km-es sávban él.
Az Alapismeretek c. fejezetben: 9 Megfigyeljük, hogyan áramlik a hő az óceánokban, s a víz mely különleges tulajdonságai segítenek a földi éghajlat szabályozásában. 9 Megismerjük az óceánokban előforduló legfontosabb életközösséget, a fitoplanktonokét; bemutatjuk növekedésüket, és táplálékforrásaikat. 9 Azt is tanulmányozzuk, hogy ezek az egysejtű tengeri növények hogyan befolyásolják az éghajlatot a szén-dioxid megkötésével, s olyan gázok termelésével, amelyek a légkörbe kerülve segítenek a felhőzet kialakításában.
1. Fejezet: Az óceánok és az éghajlat • A víz tulajdonságai • Az óceáni cirkuláció • A szén-dioxid megkötés
2. Fejezet: Óceáni tápanyagok • Fitoplanktonok és tápanyagok • A fitoplanktonok növekedése • Eutrofizáció
3. Fejezet: Fitoplanktonokból származó gázok • • • •
Kéngázok Aeroszolok és az éghajlat Tengervízből származó gázok – I. Tengervízből származó gázok – II.
1.Fejezet: Az óceánok és az éghajlat • A víznek van egy csodálatos tulajdonsága, amivel hozzájárul az éghajlat irányításához, és lehetővé teszi a Földön az életet. Bár a bolygónkat Földnek nevezzük, valójában területének csak 29 %-a szárazföld; a maradék vízzel borított, és csaknem az összes víz az óceánokban található. Az óceánok vize folyamatosan mozgásban van a bolygó körül, mint ha egy hatalmas szállítószalag lenne, a felszíni vizek felől a mélyebb felé süllyedve és ismét felemelkedve. A szél, a víz sótartalma és a hőmérséklet irányítják ezt az áramlási rendszert. Ez az óceáni cirkuláció segít a Napból származó hő szétterjesztésében a Földön.
Az óceánok hatalmas mennyiségű szén-dioxidot is megkötnek a légkörből. Az ember által a fosszilis üzemanyagok elégetésével termelt szén-dioxidnak kb. negyede az óceánokban tárolódik. Egyes óceáni területeken ez a szén évszázadokon keresztül képes elraktározódni, csökkentve ezáltal a globális felmelegedés hatását.
A víz speciális tulajdonságai A Föld 71 %-a vízzel borított, és ennek a víznek a 97 %-a az óceánokban található. A víz két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll. A víz elektronstruktúrája miatt az oxigénatom gyengén negatív töltésű, a hidrogénatom pedig gyengén pozitív töltésű. Amikor a vízmolekulák közel kerülnek egymáshoz, a negatív és a pozitív töltésű részek vonzzák egymást. Ez a vonzási kölcsönhatás a hidrogénkötés. A hidrogénkötések az okozói a víz speciális tulajdonságainak, amelyek lehetővé teszik az életet a Földön.
A víz szerkezetén láthatjuk az oxigén atom gyenge negatív töltését, és a hidrogén atom gyenge pozitív töltését. A vízmolekulák ezen elektromos szerkezetük miatt képesek hidrogénkötés kialakítására másik vízmolekulával.
9 A víz az egyetlen természetes anyag, melyet mindhárom halmazállapotban [gáz (vízgőz), folyadék és szilárd anyag (jég)] megtalálhatunk a Földön. 9 A sűrűség egy mérték, mely megmutatja, hogy mennyire tömör egy anyag. Úgy határozzuk meg, hogy az anyag tömegét elosztjuk a térfogatával. A szilárd anyagok majdnem minden esetben a legsűrűbbek, aztán következnek a folyadékok, végül a gázok. A hőmérséklet növekedésével a sűrűség általában csökken. A tiszta víz kivétel ez alól. Ez az egyetlen olyan anyag, melynek folyadékként legnagyobb a sűrűsége. A víz 4 °C körül a legsűrűbb. Ez azért van, mert a vízmolekulák közötti hidrogénkötés a A tiszta víz sűrűsége miként jégnek egy nagyon stabil nyílt struktúrát ad. változik a hőmérséklettel. Az Alacsony hőmérsékleten a víznek nagyobb ábra mutatja, hogy a tiszta a sűrűsége, mint a jégnek, ami azt jelenti, víznek folyadék állapotban 4 °Chogy a jég úszik a vízen. on a legnagyobb a sűrűsége.
A tengervíz hőmérséklete miként változik a léghőmérséklettel. Rögzített sókoncentráció mellett (ebben az esetben 35 ezrelék), a tengervíz sűrűsége csökken a hőmérséklettel.
9 Sót adva a vízhez növekszik a sűrűsége. Ez meggátolja a hidrogén kötések kialakulását. Ez azt jelenti a tengervíznél, eltérően a tiszta vízhez, hogy a sűrűség maximuma nem 4 °Cnál van, hanem amikor jéggé alakul, azaz fagyáskor. Ez azt is jelenti, hogy a tengervíz 0 °C alatt fagy meg (ezért szórnak sót az utakra hideg éjszakákon, hogy csökkentsék a jég kialakulásának kockázatát).
9 A víznek igen nagy a fajlagos hőkapacitása. Ez azt jelenti, hogy sok energia szükséges ahhoz, hogy a hőmérsékletét növelje (az energia ahhoz kell, hogy felbontsa a hidrogénkötéseket). Mivel a Föld felszínének 71 %-át víz borítja, a Napból érkező energia csak kis változást okoz a bolygó hőmérsékletében. Ez gátolja meg, hogy túl meleg vagy túl hideg legyen, s lehetővé teszi a feltételeket az élethez. A hőt az óceánok nyáron tárolják, télen pedig visszasugározzák a légkörbe. Az óceán ennek következtében mérsékli az éghajlatot, csökkenti az Négyszer több energia szükséges évszakok közötti különbségeket. a víznek 1 °C-kal történő fölmelegítéséhez, a levegőhöz képest.
9 A víznek a párolgási hője is magas. Ez azt jelenti, hogy sok napenergia szükséges ahhoz, hogy a folyadékból vízgőz legyen. Mivel a vízgőz a melegebb területek felől a hidegebb felé mozog, visszaalakul folyadékká, és csapadékot okozhat. Ez felszabadítja a hőt, ami felmelegíti a levegőt. Ez a hatalmas mennyiségű energia magába foglalja a földi viharok és szelek erejét. 9 Számos anyag oldódik a vízben és stabilizálódik a hidrogén kötéssel. Ez teszi lehetővé az oxigén, a szén-dioxid, a tápanyagok és a szennyező anyagok szállítását a vízben, továbbá lehetővé teszi a biológiai folyamatokat is. 9 Mivel az olajmolekulák nagyok, és elektromosan nem töltöttek, nem tudnak kisebb töltött molekulákra bomlani és stabilizálódni a vízben. Ez azt jelenti, hogy nem oldódnak a vízben.
Kép a hullámokról, ahogyan egy kutatóhajó oldalához csapódnak
Az óceáni cirkuláció A Napból érkező energia nem egyenletesen érkezik az egész Földre. A legtöbb energia az Egyenlítőnél lép be a Föld-légkör rendszerbe. Ez nagy hőmérsékleti különbség kialakulásához vezet az Egyenlítő és a sarkok között. Mind a levegő, mind az óceán mozgásait ez a hőmérséklet-különbség irányítja, és eredménye az Egyenlítőtől a sarkok felé történő hőszállítás. A bolygó hőtranszportjának kb. felét az óceánok végzik, ezért az óceánok rendkívül fontosak a földi éghajlatot kormányzó rendszerben. Ha a globális felmelegedés megváltoztatja az óceáni cirkulációt, óriási változások valószínűek az éghajlatban is. Az óceáni cirkuláció oxigént is szállít a légkörből az óceánokba, lehetővé téve ezáltal az életet a tengerben.
A tengervíz folyamatosan mozog, mintha egy hatalmas szállítószalag lenne: a felszínről a mélyebb rétegek felé lesüllyed, majd más helyeken felemelkedik. A hatalmas távolságok miatt, továbbá amiatt, hogy az óceánok lévén lassú rendszer, egy körforgás elvégzéséhez hosszú időre van szükség. Kb. 1000 évig tart, amíg a víz körbejárja a Földet. A víz mozgását az óceánokban két erő okozza, amelyek szorosan kapcsolódnak egymáshoz: ¾
A sűrűség által előidézett cirkuláció, melyet a különböző helyek tengervíz sűrűségének különbségei vezérelnek. A tengervíz sűrűsége függ annak hőmérsékletétől és sótartalmától. Az így keletkezett mozgás a termohalin cirkuláció (thermo = hőmérséklet; haline = só).
¾
A szél által irányított cirkuláció, ami hatalmas felszíni áramlatokat okoz, mint pl. a Golf-áramlás.
Az óceáni cirkuláció vázlatos képe (NASA). A világos színű sáv mutatja a felszíni vizek általános mozgását, a sötéttel jelzett útvonal pedig a vizek mozgását a mélyben. A számok a következű áramlatok elhelyezkedését mutatják: 1. A Golf-áramlás, mely a trópusokról Észak-Európa felé szállít hőt. 2. az Észak-atlanti mélytengeri leáramlás helye, ami az erős hűlés eredménye. 3. az Antarktiszi mélytengeri áramlás, melynek oka az Antarktisz körüli tengerjég.
2 1
3
Termohalin cirkuláció Északi félteke Óceáni cirkuláció felszíni tengervizet szállít a poláris területek felé, ahol az lehűl. Ez a hűlés hőt szabadít fel, ami melegíti a levegőt, a víz hideggé válik, ennek következtében elég sűrű lesz, hogy lesüllyedjen az óceán aljára. Ez eredményezi az új mélytengeri víz kialakulását, ami a már létezőt az Egyenlítő felé tolja. Ilyen mélytengeri víz kialakulásának főbb területei a Labrador-tenger és a Grönlandi-tenger az Észak-Atlanti-óceán északi részén. Ez az Észak-atlanti mélytengeri víz ezután dél felé áramlik az óceáni fenék mentén, utat engedve több meleg felszíni víznek, hogy az a helyébe áramoljon. Erős hűlés a Csendes-óceán északi részén lévő Bering-tengerben is előfordul, de itt az óceáni fenék struktúrája meggátolja a mélytengeri víz bekapcsolódását az óceáni cirkulációba.
Antarktisz Az Antarktisz körül is kialakul mélytengeri vízáramlás, mely a tengerjég képződésére vezethető vissza. Ez a jég nagyon kevés sót tartalmaz és így, ahogyan a jég képződik, a környező víz egyre sósabbá és sűrűbbé válik. Ez a nagyon sűrű víz lesüllyed az antarktiszi kontinens szélén és kialakítja az antarktiszi mélytengeri vízáramlást. Ez a víz aztán a legtöbb óceán fenekén áthalad.
Sokáig úgy gondoltuk, hogy a pólusoknál kialakuló mélytengeri vizek az Egyenlítő felé mozognak, lassan felmelegszenek, és felemelkednek a felszínre az egész óceánon. Ez a víz ezután visszatér a pólusokhoz a meleg felszíni áramlásokban, s így záródik a vízkörzés. Azonban a jelenlegi vizsgálatok azt mutatják, hogy ez a fokozatos feláramlási folyamat túl lassú ahhoz, hogy meg tudjuk vele magyarázni a tengervíz korát.
Ez a NOAA térkép a földfelszín különböző magasságait mutatja. A világos színek az óceán fenéki hátságokat jelzik. Ezen területek felett a víz összekeveredése révén a mélytengeri víz a felszínre emelkedik.
Úgy gondoljuk, hogy a mélytengeri cirkuláció az óceáni fenék mentén elérkezik a óceáni hátságokhoz, melyek a fenéken „hegyvidéki” területek. Ezen területek érdessége erős keveredést okoz, ami a mélytengeri vizet a felszíni emelkedésre kényszeríti. A déli óceánokban a szél is erős keveredést idéz elő, ami a mélytengeri víznek ugyancsak a felszíni emelkedéséhez vezet. Ha a víz már a felszínre jutott, akkor a szél által hajtott felszíni áramlásokkal visszatér a pólusokra, és ezzel záródik a kör.
Szél által hajtott cirkuláció A Golf áramlás A Golf áramlás az egyik legfontosabb szél által hajtott áramlás. Nagyon meleg trópusi vizet szállít a Karibitengertől és a Mexikói-öbölből az Észak-Atlanti-óceánon keresztül Észak-Európába. A víz által szállított hőenergia felmelegíti a felette lévő levegőt, s ennek a meleg levegőnek a mozgása nagyon fontos módja az észak felé irányuló hőtranszportnak. Ezen hőtranszport eredményeként Észak-Európa sokkal melegebb, mint a hasonló szélességek ÉszakAmerikában, vagy akár a csendesóceáni területek.
Ezen a képen tisztán látható a Golf áramlás meleg vizének áramlása az Észak-Atlanti-óceánon keresztül. A bal sarokban még éppen látható Észak-Amerika partvidéke. A NASA Terra és Aqua műholdjain lévő MODIS-sal (Mérsékelt Felbontású spektro-radiométer) készült a kép.
Pl. Iqaluit (64°N, 068°W; Kanada északnyugati területe) évi középhőmérséklete -9,1 °C. Ezzel szemben a norvégiai Trondheimé (63 °N, 10 °E) +4,8 °C. A sokéves feljegyzések szerint Észak-Európa átlaghőmérséklete 9 °C-kal magasabb a hasonló szélességek átlagos évi középhőmérsékletéhez képest. A Golf-áramlás egy délnyugati áramlás. Hasonló áramlások a csendesóceáni Kuro Shio (Fekete-áramlás), valamint az indiai-óceáni Agulhasáramlás. Ezek az áramlások az óceáni medence alakja, az általános szélirány és a földforgás kölcsönhatásaként jönnek létre. Mindegyiküknek nagy a sebessége (a Golf áramlás átlagos sebessége 1 m⋅s-1, ami 3,6 km⋅h-1), mindegyik elég keskeny (100 és 200 km közötti), s mindegyiküknek nagyon fontos hatásuk van a régió éghajlatára, amelynek a közelében elhaladnak. Keleti áramlásokat is megfigyelhetünk a világóceánban. Ezek hideg felszíni vizet szállítanak a pólusoktól az Egyenlítő felé. Ezek azonban gyengébbek, mint a nyugati áramlások.
Hogyan kötik meg az óceánok a szén-dioxidot? A legfontosabb üvegházgáz a vízgőzön kívül a széndioxid (CO2). Légköri koncentrációja mind a természetes, mind az antropogén okok miatt az idők során változott. Ennek az az oka, hogy az ember által termelt szén-dioxid nem marad a légkörben, hanem eltározódik: egyrészt az óceánokban, másrészt a szárazföldön (a növényekben és a talajokban). Az óceánokban és a szárazföldön egyaránt messze a legnagyobb szén-dioxid tározók a kalciumkarbonát (CaCO3) üledékek. A második legnagyobb tározó a mély óceán, ahol a szén elsősorban oldott karbonátként (CO32-) és hidrogén-karbonát ionként (HCO3-) fordul elő. Úgy gondoljuk, hogy a fosszilis üzemanyagok égéséből származó szén-dioxid mintegy harmada az óceánokban tározódik, ahová fizikai és biológiai folyamatok révén kerül.
Fizikai folyamatok A szén-dioxid könnyebben oldódik a hideg vízben, mint a meleg vízben. Könnyebben oldódik a tengervízben, mint a tiszta vízben, mert a tengervíz a természeténél fogva tartalmaz karbonát ionokat.
A szén-dioxid és a karbonát ion reakciójaként hidrogén-karbonát képződik. Ezen reakció miatt, a tengervízben a szervetlen szén csak 0,5 %-ban fordul elő szén-dioxid gázként. Mivel a szén-dioxid szintje ilyen alacsony a tengervízben, több szén-dioxid tud belépni a légkörből a vízbe (a vegyészek ezt úgy ismerik, mint egy példa a Le Chatelier elvre). Ha a víz a felszínen marad, és felmelegszik, mozgása közben a szén-dioxid relatíve gyorsan visszakerül a légkörbe. Azonban, ha a víz lesüllyed az óceánban, a szén-dioxid több mint ezer évig tározódhat, mielőtt a cirkuláció visszahozná a felszínre. Magas szélességeken a Déli-óceán, valamint az Atlanti-óceán északi részén a Labrador-tenger és az Északitenger hideg vize lesüllyed a mélybe. Ennek következtében ezek a területek az óceán fő szén-dioxid nyelői.
Biológiai folyamatok Akárcsak a fizikai folyamatokon alapuló kivonódás során, a szén-dioxidot a fotoszintézis során a fitoplanktonok is felveszik, és növényi anyaggá alakítják át. A szárazföldi növények és a tengeri fitoplanktonok kb. ugyanakkora mennyiségű szén-dioxidot vesznek fel, azonban a tengeri fitoplanktonok sokkal gyorsabban nőnek, mint a szárazföldi növények. A biológiai pumpa leegyszerűsített működési elve. A fitoplanktonok a fotoszintézis során felveszik a szén-dioxidot. A baktériumok elfogyasztják őket. Ily módon tápanyag és szén-dioxid kerül vissza a vízbe. Ez a folyamatot a remineralizáció, vagy vissza-ásványosodás, mely főleg a felszíni vizekben történik (lásd: Alapismeretek, 2. fejezet). Ha a fitoplanktonok elpusztulnak, és lesüllyednek a mély tengerekbe, az általuk remineralizáció révén fölvett széndioxid a mély tengerekben évszázadokon keresztül elraktározódik, ezáltal csökkentve a globális felmelegedés hatását.
A fitoplantkonok által felvett szén-dioxid legnagyobb része visszajut a légkörbe, amikor a fitoplanktonok elpusztulnak, vagy elfogyasztják őket. Azonban közülük sokan süllyedő részecskeként a mélytengeri üledékbe kerülnek. Ezeket a süllyedő növényi anyagokat úgy tekinthetjük, mint biológiai pumpát, amely a szén-dioxidot a légkörből a mély tengerekbe juttatja. A legtöbb ilyen jellegű szén-dioxid kivonódás a magas szélességeken a legintenzívebb, mivel a flitoplanktonok itt olyan nagy tömegben vannak jelen, hogy elpusztulásuk után kellően sok szén-dioxid tud velük lesüllyedni az óceán mélyebb rétegeibe.
Elektronmikroszkóp segítségével készült felvétel az Emiliania Huxleyi nevű fitoplankton fajról, annak kalcium-karbonát vázával
A számítógépes modellek szerint az emberi tevékenység megváltoztathatja a fitoplanktonok fajok összetételét az óceánokban. Ennek következtében az ember megváltoztathatja a mélytengerekben tározódó szén-dioxid mennyiségét is. Pl. néhány fitoplankton faj kalcium-karbonát vázat készít magának, elsősorban a bőségesen megtalálható Emiliania Huxleyi. A váz készítésekor ezek a fitoplanktonok valójában kivonják a szén-dioxidot, s ezzel csökkentik a teljes légköri szén-dioxid szintet.
Jelenleg nem tudjuk az összes okát annak, hogy bizonyos fitoplankton fajok miért bizonyos óceáni területeken élnek, s fejlődnek. Ez azt jelenti, hogy jelenleg nem tudjuk megmondani, vajon az emberi tevékenység megváltoztatja-e azon fitoplanktonok ökoszisztémákat, amelyek kalcium-karbonát vázat készítenek, és így azt sem tudjuk, hogy milyen hatással lesznek azok az éghajlatra.
2. Fejezet: Tápanyagok az óceánban A szárazföldön könnyen tapasztalhatjuk, hogy különböző területeken a növények növekedése jelentősen eltérhet. A trópusi esőerdőkben legnagyobb a biomassza (élő növényi tömeg) növekedése, míg a sivatagokban a legkisebb. Habár ezt nem ennyire egyszerű belátni, hasonló a helyzet az óceánokban is. Az oceonográfusok az óceánok sivatagi régióit OLIGOTRÓF területeknek nevezik. (Oligo = kicsi; troph = táplálni; görög eredetű, így az oligotróf terület egyszerűen kevés táplálékkal rendelkező területeket jelöl.) A fő növényi tápanyagok, mint pl. a nitrogén és a foszfor, alacsony szintje ezeken a területeken csekély növekedést okoz. Ebben a fejezetben megnézzük, hogy ezek a tápanyagok honnan származnak, s hogy a fitoplanktonok miként növekednek az óceánokban.
A szárazföldről származó nagy mennyiségű nitrogén és foszfor bevétel a part menti vizeket az óceánok biológiailag legaktívabb területeivé teszi. Ezen tápanyagok legnagyobb része antropogén tevékenységből származik. A tápanyag többlettel rendelkező területeket EUTRÓF (a görög „táplál” szóból) területeknek nevezzük. Kiterjedt fitoplankton ökoszisztémák fejlődhetnek e területeken, amelyek eutrofizációs problémákat okozhatnak, melyeket e fejezetben fogunk megtárgyalni.
A klorofillt (mely a növények fotoszintézist végző színezőanyaga) használjuk az biológiai növekedés mérésére az óceánokban. A kék területek a kevés klorofillal az óceánok sivatagjai. A vörös területek, melyek általában a partok mentén találhatók, biológiailag a legaktívabbak.
Fitoplanktonok és tápanyagok az óceánokban A fitoplanktonok egysejtű növények (phyto = növény, planktos = vándorolni), melyek az óceánok felszíni vizeiben élnek. Legtöbbjük egyszerűen sodródik az óceáni áramlatokkal, de sok közülük egy kis mozgásra is képes. A fotoszintézis folyamatában napfényt, széndioxidot (CO2) és vizet használnak a szerves anyag előállításához, mellyel táplálkoznak, és a sejtjüket építik. Egyik melléktermékük az oxigén, és ez teszi lehetővé az állatok számára az életet a Földön. A fitopanktonok majdnem annyi szén-dioxidot vonnak ki a légkörből, mint a szárazföldi növények, ezáltal segítenek az éghajlat szabályozásában.
A fotoszintézis során a klorofill (a növények zöld színtestje), felfogja a Napból érkező energiát. Mivel a fitoplanktonoknak szükségük van a napenergiára, a fotoszintézis csak az óceán felsőbb rétegeiben tud lejátszódni. A szabad óceánban ez a réteg kb. 100 méter mélységű, ami egy akár 3000 m mélységű vízoszlop felett is lehet. A napenergia egy része a víz oxigénre és hidrogénre való bontására fordítódik. Az oxigén nem szükséges, ezért távozik a sejtből. A hidrogén hátramarad, amikor a víz szétbomlik, és kölcsönhatásba lép a szén-dioxiddal, s további napenergiát felhasználva, egyszerű szerves molekulákat (mint pl. a glükóz) alakít ki. Ezek a nagyobb szerves összetevők építőkövei.
A fitoplanktonoknak is szükségük van tápanyagra a növekedéshez. Sokféle vegyi anyag kell nekik, de kettő, nevezetesen a nitrogén és a foszfor a kritikus, mivel ezek elég nagy mennyiségben szükséges a számukra, azonban a tengervízben csak alacsony koncentrációban vannak jelen. A nitrogén és a foszfor olyan, mint amikor a szárazföldi növényeket műtrágyázzuk, s ezeket protein, nukleinsav és más sejtrészek előállítására használják a fitoplanktonok, azaz olyan anyagok készítéséhez, amelyek az életükhöz és a szaporodásukhoz szükséges. A fitoplanktonoknak jól meghatározott arányban szükségesek a tápanyagok. Minden 106 szénatomhoz, amiből szerves anyag készül, 16 nitrogén és 1 foszfor atom is szükséges. A legtöbbjük nem képes közvetlenül felhasználni a légkörben található nitrogén gázt (N2), ezért a nitrogén kémiailag reaktív formáját igénylik, mint pl. nitrát (NO3-) vagy az ammónium (NH4+). Nagy mennyiségű szén-dioxid mindig rendelkezésre áll, így a fitoplankton addig képes növekedni, amíg fel nem használja az összes hasznosítható nitrogént és foszfort, ami legelőször szokott elfogyni. A legtöbb óceánban a nitrogén fogy el először, ezért mondhatjuk, hogy a növekedést a nitrogén korlátozza. A Földközi-tenger keleti részén a foszfor a korlátozó, itt a növekedés akkor áll meg, amikor a fitoplanktonok felhasználták az összes foszfort, még ha nitrogén van is a vízben.
Tápanyagforrások A tápanyagok természetes forrásból a sziklák mállásából és a légköri nitrogéngáz (N2) biológiailag használható formába történő átalakulásából származnak. Az emberi tevékenység drasztikusan megnövelte ezeket a forrásokat.
Foszfor A fő antropogén foszforforrás a mosóporok és a szennyvíz. A fejlettebb technológiájú szennyvízkezelés és a foszformentes mosószerek használata csökkenti a folyók és a tengerek foszfor bevitelét.
A fő foszfor források
A fő nitrogén források
Nitrogén A folyókba kerülő nitrogén vegyületek elsősorban az intenzív mezőgazdasági tevékenység eredményei, melyek (NO3-) alapú műtrágyák túlzott használatából és felszántott földekről származnak. Mind a nitrát-, mind az ammónium ion megtalálható a légkörben. A nitrát ionok a nitrogén magas hőmérsékleten történő égésekor keletkeznek az autók motorjaiban és energiaiparban. Az ammónium ion (NH4+) a tárolt és szétszórt állati trágyából származik. Mindegyik kihullik a légkörből, s a csapadékkal, vagy mint gáz, vagy mint részecske bekerül a folyókba és az óceánokba.
Szilícium Egy másik fontos tápanyag, amely a sziklák mállásakor keletkezik, a szilícium. Ennek hiánya meggátolja bizonyos fitoplanktonoknak – a diatómáknak – a növekedését, melyek ebből készítik héjazatukat. Ha a nitrogén, vagy a foszfor elfogy, a fitoplanktonok növekedése megáll. Ha a szilícium fogy el, a fitoplankton még növekszik, de a típusa megváltozik.
Fémek, mint nyomelemek A fitoplanktonoknak kis mennyiségben több fémre is szükségük van, pl. vasra, rézre, cinkre és kobaltra. Jelentős óceáni térségekben a fitoplanktonok növekedéséhez nincsen elegendő vas. Ez fontos az éghajlat szempontjából (lásd még: Kiegészítő ismeretek, Óceáni tápanyagok, c. fejezet).
Remineralizáció A fitoplanktonok nagyon gyorsan nőnek, és csak kb. egy napig élnek. Amikor elpusztulnak, a baktériumok, vagy a zooplanktonok (kicsi állatkák) megeszik őket, amik a fitoplanktonok szerves anyagát visszaalakítják szén-dioxiddá, miközben oxigént használnak fel, s a felhasznált tápanyagokat visszabocsátják a vízbe. Ez a folyamat a remineralizáció, és főleg a felszíni vizekben játszódik le. A szén-dioxid vagy visszajut a légkörbe vagy újra hasznosul az újra kibocsátott tápanyagokkal együtt a fotoszintézisben. Ha ez utóbbi történik, a légköri szén-dioxid szintben nem történik változás.
Azonban, ha a fitoplanktonok lesüllyednek a felszíni rétegből, és a mély óceánban remineralizálódnak, akkor a tápanyagok és a szén-dioxid az óceán alsóbb rétegeiben eltározódik, s így a szén-dioxid nem tud visszatérni a légkörbe. Így a felszíni vizek szén-dioxid tartalma alacsonyabb lesz. Ez több szén-dioxid belépését engedi meg a légkörből, így segíti a légköri szén-dioxid koncentrációjának csökkentését. A remineralizáció leegyszerűsített folyamata. A világoskék felszíni vizekben kialakul egy ciklus, ami a fitoplanktonok fotoszintéziséből indul ki, a baktériumok remineralizációjával folytatódik, aminek az eredményeképpen keletkező tápanyagok és szén-dioxid a fitoplanktonok fotoszintéziséhez kell, lezárva a ciklust, de utóbbi kikerülhet a légkörbe is. A mélytengeri vizekben a ciklus nem zárul, a remineralizáció eredménye hosszú időkre a mélyebb rétegekben marad.
A szén-dioxid csak akkor tér vissza a légkörbe, amikor az óceáni cirkuláció felhozza a mélytengeri vizet a felszínre, ez a folyamat kb. 1000 évig tart. Ez a biológiai szivattyú (lásd: Alapismeretek, „A víz az óceánokban” c. fejezet). A fotoszintézis által felvett szén-dioxid 15 %-a a mélyóceánokban tározódik. Ennek csak nagyon kis része ülepszik le és válik üledékké. Még kisebb része válik olajjá és szénné. A fosszilis energiahordozók égetésével mintegy milliószor gyorsabban bocsátjuk ki ezt az eltározott széndioxidot, mint az a természetes biológiai körfolyamatban történne. Az erdők és a fitoplanktonok nem tudják elég gyorsan felvenni a széndioxidot, hogy lépést tartsanak a növekvő kibocsátással és fenntartsák a légköri szén-dioxid szintet, ennek következtében az elmúlt pár évtizedben az drámai növekedésnek indult.
A fitoplankton növekedésének évszakos körfolyamata A fitoplankton növekedésnek egy jól meghatározott évszakos sémája van a mérsékelt és a sarki óceánokban. Ezt fizikai, biológiai és kémiai folyamatok irányítják. Az évszakos fitoplankton körfolyamat az északi félteke mérsékelt övi óceánjaiban. A legnagyobb fitoplankton növekedés tavasszal figyelhető meg, amikor sok a napfény és a tápanyag. A második csúcs a fitoplankton biomasszában ősszel fordul elő. Ezeket a nagy fitoplankton növekedéseket virágzásnak nevezik.
A tengervíz sűrűségét a hőmérséklete és a sótartalma határozza meg. Ahogyan a víz hőmérséklete növekszik a Napsugárzás hatására, a vízmolekulák egyre nagyobb mozgási energiával rendelkeznek, több hely lesz közöttük, és a sűrűség csökken. Amint a hőmérséklet csökken, a vízmolekuláknak kevesebb energiájuk lesz, nem mozognak annyit, és közelebb kerülnek egymáshoz. Ez több hidrogén kötés előfordulásához és így a sűrűség növekedéséhez vezet. A víz sóssága annak egy mérőszáma, hogy mennyi oldott só található a vízben. Messze a leggyakoribb só a tengervízben a nátrium-klorid (mindennapi asztali só), de sok más oldott vegyület is található a tengervízben, melyek a víz sótartalmát meghatározzák. A víz párolgása az óceánból növeli a sűrűséget. A beérkező csapadék és a folyóvíz csökkenti a víz sűrűségét. A sótartalom és a hőmérséklet változásai szerint az óceánt vertikális rétegekre oszthatjuk, mely rétegeket eltérő sűrűségű víz alkotja. A kevésbé sűrű víz a sűrűbb víz felszínén úszik. Mivel azon folyamatokra fordítunk figyelmet, amelyek a fitoplanktonok növekedését befolyásolják, a következőkben azt vizsgáljuk, hogy a melegedés változásai miként befolyásolják az óceánok felső néhány száz méterének függőleges szerkezetét.
Tavasz
Az ábra azt szemlélteti, hogy az évszakos hőmennyiség miként változtatja meg az óceánok felső néhány száz méterének szerkezetét és működését. A fekete körök a tápanyagot, a zöldek a fitoplanktonokat jelentik.
Tavasszal a Nap felmelegíti az óceán felszíni vizeit, ezért azok sűrűsége csökken. Ez a meleg víz ténylegesen a hidegebb víz felszínén úszik. A sűrűbb víz van alul és szinte semmi keveredés nincsen közöttük. Ez azt jelenti, hogy a fitoplankton növekedés a felszíni vizekben történik. Itt elegendő napfény, tápanyag van, ami télen a mélyebb rétegek vizéből a keveredéssel emelkedett fel. Ezek a feltételek kiválóak a fitoplanktonok növekedéséhez. Ekkor a fitoplanktonok számának gyors növekedése figyelhető meg, amit tavaszi virágzásnak is neveznek.
Nyár
Az ábra azt szemlélteti, hogy az évszakos hőmennyiség miként változtatja meg az óceánok felső néhány száz méterének szerkezetét és működését. A fekete körök a tápanyagot, a zöldek a fitoplanktonokat jelentik.
Ahogy nőnek a fitoplanktonok, felhasználják a felszíni vizekben lévő tápanyagokat. Mivel az alsó rétegekkel kicsi az átkeveredés, a fitoplanktonok növekedése megáll, amikor már elhasználtak minden hozzáférhető tápanyagot. A tápanyagok remineralizációja a felszíni vizekben, valamint a légkörből származó tápanyag lehetővé teszi a fitoplankton növekedését, de a mérsékelt övben a nyár biológiailag nem aktív időszak összehasonlítva a tavasszal.
Ősz
Az ábra azt szemlélteti, hogy az évszakos hőmennyiség miként változtatja meg az óceánok felső néhány száz méterének szerkezetét és működését. A fekete körök a tápanyagot, a zöldek a fitoplanktonokat jelentik.
A Napból kevesebb hő érkezik, mivel a nappalok hossza rövidebb. Ez azt jelenti, hogy a felszíni vizek lehűlnek, és sűrűségük megnő. Mivel kisebb a felszíni és az alatta lévő vizek között a sűrűségkülönbség, egy kis mértékű keveredés tapasztalható. Ez lehetővé teszi, hogy a tápanyagban gazdag vizek összekeveredjenek a felszínivel, s mivel ott még elegendő fény van a fotoszintézishez, gyakran fordul elő kis mértékű fitoplankton virágzás.
Tél
Az ábra azt szemlélteti, hogy az évszakos hőmennyiség miként változtatja meg az óceánok felső néhány száz méterének szerkezetét és működését. A fekete körök a tápanyagot, a zöldek a fitoplanktonokat jelentik.
Télen még kevesebb hő érkezik a Napból, ami azt jelenti, hogy a felszíni vizek tovább hűlnek, ezáltal növekszik a sűrűségük. Ez lehetővé teszi a felszíni vizek mélyebb vízrétegekkel való keveredését. Ezzel a keveredéssel a mélyebb vízből származó tápanyagok kerülnek a felszínre. Bár sok a tápanyag, de nincsen elegendő napfény a fitoplanktonok számára a fotoszintézishez, így ténylegesen nem sokat nőnek. A trópusokon ezen évszakos körforgás nem annyira jellegzetes, mivel a napsugárzás energiája ott nem változik túl sokat az éven belül, és a fitoplanktonok egyfolytában tudnak növekedni.
Tápanyagok és az eutrofizáció problémája a part menti vizekben A Föld népességének több mint 60 %-a a partok 100 kmes körzetében él, és a jövőben a tengerparti területeken a népesség növekedése várhatóan magasabb lesz, mint bárhol másutt a Földön. A part azonban nemcsak élőhely, hanem a kereskedelmi tevékenység színtere is, mint pl. ásványtermelés, olyan hulladékok lerakása, mint pl. a szennyvíz és az ipari hulladék, a halászat és a turizmus. A nagy népsűrűség és az intenzív ipari tevékenység azt jelenti, hogy számos part menti területen az emberi tevékenység károsítja a természetes ökoszisztémát.
Az érintett part menti vizek egyik fő problémája a nitrogén és a foszfor szennyezés. Ezek a szennyezőanyagok alapvetően az emberi tevékenységből származnak, és magukban foglalják a mezőgazdaságból, az iparból és a közlekedésből eredő szennyezéseket is (lásd: ezen fejezet első szakasza)). Ezen szennyezőanyagok közül többet a fitoplanktonok tápanyagként hasznosítanak. A part menti vizek tápanyagokkal való túlterhelése túlzott fitoplankton növekedést eredményez. A nagy mennyiségű fitoplankton növekedést virágzásnak nevezzük, s ezeknek a nagy virágzásoknak nem kívánatos hatásaik lehetnek.
Eutrofizáció = a többlet tápanyag hatása miatti fokozódó fitoplankton növekedés.
Tehát melyek az eutrofizációval kapcsolatos problémák? 1. A magas tápanyag koncentráció nagymérvű fitoplankton virágzáshoz vezethet. Ez az egész vízfelszínt elborítja, és meggátolja, hogy a fény az alsóbb vízszinteket is elérje. Ezáltal megáll a mélyebb rétegekben a növények növekedése, és csökken a biológiai diverzitás.
2. Amikor a fitoplanktonok elpusztulnak, a baktériumok megeszik (remineralizálják) őket. Ez a folyamat felhasználja a vízben lévő oxigént. Amikor igazán nagy a virágzás, a bakteriális bomlás olyan sok oxigént használ el a mélyebb rétegekben, hogy nem marad elegendő a halaknak a légzésre, s így el kell hogy ússzanak onnan, mert különben elpusztulnának. A tengerfenéken élő állatok nem könnyen tudnak elmenni élőhelyükről, így azok is elpusztulnak. Az EU a világ harmadik legfontosabb halászati hatalma, ezért az európai egészséges part menti vizek fenntartása gazdaságilag igen fontos.
A kép egy tengerparti figyelmeztetést mutat, arra intve az embereket, hogy ne egyék meg a rákokat, kagylókat, mert bénító kagylóméreggel fertőzöttek.
3. A többlet tápanyagok néha hozzájárulhatnak olyan fitoplankton fajok növekedéséhez, amelyek káros méreganyagokat termelnek. Ezek a mérgek más fajok pusztulását is okozhatják, ideértve pl. a halakat is. A kagylókban, rákokban a méreg felhalmozódik, amikor megeszik a fitoplanktonokat, s ezek a mérgek tovább kerülnek az emberbe, amikor megesszük ezeket az állatokat. A kagylómérgezés megzavarja az emésztést, ritkábban meggátolja a légzést és így életveszélyes is lehet.
4. A nagy fitoplankton virágzás hatalmas, undort keltő habot okozhat a tengerparton. Ezek nem mérgezőek, de időlegesen tönkreteszik a tengerpartot, csökkentik a rekreációs értékét. A terület turizmusból származó jövedelmét károsan érintik.
Az eutrofizáció gazdaságilag nagyon költséges lehet és lépéseket kell tenni annak érdekében, hogy csökkentsük a part menti vizek tápanyagbevételét. Kormányközi szervezetek egyetértenek abban, hogy az Északi-tenger és a Balti-tenger tápanyag-bevételeit az 1985ös értékeket felére kellene csökkenteni. Ha elérjük ezt, a számítógépes modellek szerint 2010-re a part menti vizek megtisztulnak.
Mit értünk el ez idáig Európában? Folyók szennyezése A szennyvíz kezelésére és a foszfátmentes mosószerek felhasználására vonatkozó európai direktívák a folyóinkba és tengereinkbe kerülő foszfor mennyiségének csökkenéséhez vezettek. Viszont a foszfor koncentráció még mindig magas a part menti vizekben, és úgy tűnik, hogy a korábbi szennyezésekből eltárolódott foszfor most lassan visszakerül a vízbe az üledékekből. A nitrát tartalmú műtrágyák használata csökken Európában az 1980-as évek óta, de a mezőgazdasági forrásokból származó nitrogén bevétel még mindig magas.
Légköri szennyezés Annak ellenére, hogy a légszennyező anyagok kibocsátása általában mérséklődik, a nitrogén-oxidok szintje a légkörben még mindig magas. Az új autókba szerelt katalizátorok csökkentik a nitrogén-oxid kibocsátást, azonban a közúti közlekedés egyre bővül, ami részben kompenzálja az egy autó által kibocsátott csökkentett emissziót. Az ammónia emissziója is csökken, elsősorban az állati eredetű szennyvíz hatékonyabb kezelése miatt, de még hosszú az út, hogy elérjük kitűzött célunkat. A légszennyezéssel az egyik fő probléma az, hogy a kibocsátás helyétől távol ülepedhet ki. Ez történhet akár más országban is, ezért nekünk európai léptékű, vagy globális intézkedésekre van szükségünk, hogy mérsékeljük a part menti vizek terhelésének légköri forrásait, s ezt politikailag nehéz elérni.
3. Fejezet: Fitoplanktonokból származó gázok Eredetileg úgy gondolták, hogy az óceánok és a légkör függetlenül működik, de már tudjuk, hogy mindkettőnek nagy befolyása van a másikra. Ebben a fejezetben megnézzük, hogy az óceánokban élő fitoplanktonoknak milyen a hatása az éghajlatra. Úgy gondoljuk, hogy ezek a pici egysejtű növények annyi ként bocsátanak a légkörbe, mint a Földön az összes erőmű együttesen! A dimetil-szulfid gázzal [DMS = (CH3)2S] kiemelten foglalkozunk, mert valószínűleg ez a biológiailag termelt legfontosabb gáz. Megismerjük, hogy miért és hogyan termelődik ez a gáz és miért olyan fontos az éghajlatunkban. Más, az éghajlat számára fontos gázokat is megvizsgálunk, melyek a tengervízben alakulnak ki és tanulmányozzuk, milyen szerepet játszanak a globális felmelegedésben, valamint a sztratoszférikus ózoncsökkenésben.
Kén-gázok Dimetil-szulfid DMS (CH3-S-CH3) Az egyik legfontosabb, az óceánból a légkörbe kikerülő nyomgáz a dimetil-szulfid (DMS). Ez az egyik vegyi összetevő, ami a tengerek jellegzetes illatát adja. A DMS a dimetil–szulfónio-propionát (DMSP) bomlásából származik, ami számos fitoplankton sejtjében megtalálható. Eleinte úgy gondoltuk, hogy a fitoplanktonok azért termelik a DMSP-t, hogy segítse az óceáni sós környezetben az életet, de manapság úgy tűnik, hogy a DMPS-t arra is használják, hogy a káros hulladékoktól megszabaduljanak, valamint lehetővé tegyék az életet a nagyon hideg vízben, s talán még védelmet nyújt az ellen, hogy más állatok megegyék őket. Nem minden fitoplankton termel DMSP-t, és most még nem tudjuk, hogy miért csak bizonyos fajok teszik ezt. A fitoplanktonok egyik típusa – a coccolitofórok – fontos DMSP termelő. Mészvázuk van.
A coccolitofór Emiliania Huxleyi. Ez a kép egy nagyon fontos coccolitofórt mutat, az Emiliania Huxleyi-t. Ez az egysejtű tengeri fitoplankton több, mint 30 kalciumkarbonátból álló lappal (azaz coccolittal) veszi körbe magát. Az egyes lemezek átmérője 0,003 mm.
Amikor a fitoplanktonok megfertőződnek, elpusztulnak, vagy megeszik őket, a DMSP kölcsönhatásba lép a tengervízzel, ahol DMS-re bomlik. A DMS nagy része a vízben marad, és a baktériumok elfogyasztják őket, vagy más vegyi anyaggá alakulnak át. Egy részük azonban megszökik, és belép a légkörbe.
Mivel a DMS biológiai folyamat során előálló vegyi anyag, a DMS kibocsátás tavasszal, nyáron és ősszel fordul elő, amikor a fitoplanktonok termelődnek. A kibocsátás egyaránt származik a part menti vizekről, és a nyílt óceánokról, de a legnagyobb mennyiségben ott termelődik, ahol a fitoplanktonok képződnek. Sok DMS bocsátódik ki az Atlantióceán északkeleti részéről és a Csendes-óceán északi részén lévő Bering tengerből, mivel itt találhatók rendszeres coccolitofór virágzások. Az Európa part menti vizeiből is sok DMS kerül a légkörbe.
A coccolitofór Emiliania Huxleyi kalciumkarbonát lapkái azt jelentik, hogy a virágzás (nagy mennyiségű szervezet) látható a tengerben, és az űrbõl készült műholdképen is látható. A zöldes-kékes szín a cocclotofóra virágzása a Bering tengerben.
Természetes forrásokból kb. ugyanannyi kén kerül a légkörbe, mint az ember által elégetett fosszilis üzemanyagokból. Így az előző képen látható kicsi fitoplanktonok ugyanolyan fontosak az éghajlatunk számára, mint a hatalmas erőművek, ahol energiát állítunk elő. Az emberi tevékenységtől távoli területeken a légkörben jelenlévő kén alapvetően a tengervízből kibocsátott DMS-ből származik. Becslések szerint évente 20 és 50 millió tonna közötti mennyiségű kén kerül az óceánokból a légkörbe.
Aeroszolok és az éghajlat Ha a dimetil-szulfid (DMS) bekerül a légkörbe, akkor kölcsönhatásba lép más vegyületekkel és szulfát aeroszolokat képződnek (az aeroszolok egyszerű részecskék, vagy folyadékcseppek az áramló levegőben). Ezek a szulfát aeroszolok igen fontos szerepet játszanak az éghajlatunkban. Visszaszórják a napfényt a világűr felé, és megindítják a felhőképződést. Mindkét folyamat megakadályozza, hogy a napenergia teljes spektruma elérje a földfelszínt. Ez azt jelenti, hogy a szulfátok segítenek hűteni a Földet.
Mind a kén-dioxid (SO2), mind a metán kénes sav (MSA – CH3SO3H). Akkor képződik, amikor a DMS szulfát aeroszolokká alakul. A kéndioxid DMS-ből és a szerves tüzelőanyagok (pl. a szén) égéséből származik. MSA csak a DMS-ből képződik. Ily módon az MSA a tengeri kén légköri kibocsátásának jó nyomjelzője. A kén-dioxid ekkor átalakul kénsavvá (H2SO4), így a DMS szerepet játszik a légkör savasságának szabályozásában. Ez a kénsav képes reakcióba lépni az ammónia (NH3) gázzal, melyet a fitoplanktonok természetes folyamatokban szintén előállítanak, s az ammóniából azután ammónium-szulfát aeroszolok képződnek. Mind a kénsav, mind az ammónium-szulfát felhő kondenzációs magként (CCN) szerepelnek. Ezek azok a részecskék, amelyek felszínén a víz kondenzációja lezajlik, azaz elkezdődik a cseppképződés. Ezek szükségesek ahhoz, hogy a felhőképződés elinduljon.
Tehát hogyan befolyásolja a DMS az éghajlatot?
A vázlat a tengeri forrásokból származó kén fontosságát mutatja. [DMS = dimetilszulfid] A legfontosabb kéntartalmazú gázt néhány fitoplankton faj termeli. [CCN = a felhőképződéshez szükséges cseppképző magvak] Az aeroszolok ahhoz szükségesek, hogy a felhőképződés elkezdődjön. A kén-dioxid gáz közbenső anyagként részt vesz a DMS szulfát aeroszollá való alakulásában.
A Föld közvetlen hűtése A szulfát aeroszolok közvetlenül képesek elnyelni, vagy szórni a napfényt, mielőtt az elérné a Föld felszínét. A minket elérő napenergia csökkentése révén az aeroszolok hozzájárulnak ahhoz, hogy bolygónk hűvösebb legyen. Ez a hűtő folyamat valamilyen módon ellensúlyozza a szén-dioxid és más üvegházgázok melegítő hatását.
Az aeroszolok közvetett hatása
Felhők
A felhőképződésben és a kondenzációs magvak képződésében betöltött szerepük révén a szulfát aeroszoloknak is van indirekt hatásuk az éghajlatra. Ha növekszik a felhők mennyisége és fehérsége, akkor növekszik a bolygónk albedója is. Az albedót nagyon egyszerűen úgy definiálhatjuk, hogy mennyi napenergia verődik vissza az űrbe. A fehér felszínek (pl. a felhők és a jég) sok napfényt sugároznak vissza az űrbe, ám a sötét felszínek (pl. az óceánok) hatékonyan nyelik el a napfényt. Mivel a felhők sok napfényt vernek vissza az űr felé, a Föld hűlését okozhatják. Az óceánok felett, a szulfát aeroszolok mennyisége az egyik legfontosabb tényező, ami a felhők kiterjedését és típusát meghatározza. Azonban, a felhők a Földről érkező infravörös sugárzást is elnyelik, így melegedést okoznak. Nem tudunk még eleget a felhőtípusok kialakulásáról, és emiatt, nem lehetünk teljesen biztosak, hogy ez a melegedés teljesen, vagy részlegesen kiegyenlíti a hűtés hatását.
Az eltérő természetes felszínek albedójának különbözőségei
A felhőknek, a hónak és a jégnek nagy az albedója; a napsugárzás nagy részét visszaverik. A vízfelszín és az erdő albedója alacsony, a napsugárzásból sokat nyelnek el, és csak viszonylag kis hányadot sugároznak vissza. Az egész Földre vonatkozóan a beérkező napfény kb. 30 %-a verődik vissza a világűrbe, 50 %-át nyeli el a Föld és kb. 20 %ot a légköri vegyületek, aeroszolok és felhők nyelnek el.
A fitoplanktonok ennek következtében nemcsak a tengeri levegő savasságának fő okozói, hanem fontos aeroszol és felhő kondenzációs mag források. Ennek eredményeként hatással vannak a Föld sugárzási egyenlegére. Jelenleg azonban pontosan még nem tudjuk megmondani, hogy a hatásuk hűtés, vagy fűtés lesz-e.
Az éghajlat szempontjából fontos egyéb gázok – I. Számos gáz kerül a tengervízből a légkörbe, s közülük sok hatással van az éghajlatra. Néhány (pl. a dimetilszulfid) a fitoplanktonok növekedésekor keletkezik. Mások akkor képződnek, amikor a napfény kölcsönhatásba lép az óceán felszíni vizeiben lévő szerves (szén alapú) anyagokkal. Ezen szerves vegyületek közül több eredetileg a fitoplanktonokból származik. E fejezetben megvizsgálunk néhány gázt, melyek a troposzférát, a légkör alsó rétegét befolyásolják.
Halogénezett szénhidrogének A halogénezett szénhidrogének az egyszerű szerves (széntartalmú) vegyületek csoportja, melyek halogén atomokat tartalmaznak. A halogén speciális neve a periódusos rendszer 7. csoportjának, amelyhez többek között a klór, bróm, jód tartozik. A halogének a tengervíz nagyon fontos alkotórészei. Valójában a halin szó, melyet a sótartalomra értünk, eredetileg a halogén szóból származik. A klór töltött anionja, a klorid (Cl-) a leggyakoribb – a víztől eltérő – vegyület a tengervízben. A tengerből származó egyik legfontosabb halogénezett szénhidrogén a metil-jodid, melynek képlete CH3I.
Honnan származnak a tengeri halogénezett szénhidrogének?
Tengeri hínár
A halogénezett szénhidrogének a tengervízben biológiai folyamatok és a napfény segítségével képződnek. A metil-jodidot néhány hínár és fitoplankton faj állítja elő, de nem tudjuk teljesen biztosan, hogy miért állítják elő ezt a vegyületet.
Arra is van bizonyíték, hogy a metil-jodid a napfény és a jodidot tartalmazó szerves molekulák kölcsönhatásakor képződik A nyílt óceánokon lehet, hogy ez metil-jodid a legfontosabb forrása. A képződött halogénezett szénhidrogének kis része a tengervízből bekerül a légkörbe.
Miért fontosak a halogénezett szénhidrogének? A napfény sok jódot és brómot tartalmazó halogénezett szénhidrogént bonthat le a troposzférában, így igen reagens gyököket hozva létre. Ezen a módon különböznek a klórtartamú halogénezett szénhidrogénektől (CFC-k), melyek az ember által készített halogén tartalmú vegyi anyagok. A CFC-k is képesek felbomlani halogén gyökökre az UV sugárzás hatására, de csak a sztratoszférában. A halogén gyökök rendkívül reagensek és a sok fontos reakciójuk közül az egyik az ózon (O3) bontása. A troposzférában az ózon káros az emberi egészségre, és jelentős üvegházgáz (az üvegházhatás növekményének kb. 15 %-ért felelős). Ily módon a tengerből kibocsátott halogénezett szénhidrogének csökkenthetik troposzférikus ózon szintjét, ezáltal mérsékelve a globális felmelegedést. Azonban a csökkenő ózonkoncentráció a hidroxil (OH) gyökök mennyiségét is csökkenti a troposzférában. Ezek a hidroxil-gyökök megtisztítják a levegőt a káros vegyületektől. Ha viszont alacsonyabb koncentrációjuk, romolhat a levegő minősége.
A tengeri jód körforgalmának vázlata, mely a tengervízben lévő fő metil-jodid forrásokat mutatja: a jód szállítását a légkörbe, és a jodid szerepét az ózonbontásban. A jód mozgását is láthatjuk a tengerből a szárazföld felé. A jód segít megelőzni több, az emberi egészséggel kapcsolatos problémát.
A jódnak az óceántól a szárazföld felé történő szállítása igen fontos része a jód körforgásának. Ez a jód forrás az emberi egészség kritikus pontja. Ha a jód nem szállítódna a szárazföld felé, az emberek gyakrabban szenvednének agykárosodásban és golyvában, melyet a pajzsmirigy megdagadása okoz.
A metán (CH4) A metán (a természetes gáz fő alkotórésze) jelentős üvegházgáz, ami természetes és antropogén forrásokból is származik. Rizsföldek és az intenzív állattartás a légkör legnagyobb metánforrásai, de az óceán is kismértékű természetes forrásának számít. Mi a forrása a tengeri metánnak? Amikor a vízben, vagy az üledékekben az oxigén koncentrációja nulla, a baktériumok metánt termelnek, amikor a szerves anyagot elfogyasztják. Tölcsértorkolatok, sós mocsarak és a part menti vizek a felelősek a teljes óceáni metán kibocsátás kb. 75 %-áért.
A sós mocsarak igen fontos metán források
A fűtés és a szerves anyagok nyomás alatti elégetése is termelhet metánt. Az óceáni üledékekben is hatalmas metánkészletek találhatók, amit gázellátásra használunk fel. Az ezekből az üledékekből származó, természetes módon kibocsátott metánt a baktériumok felhasználják, mielőtt az eléri a légkört.
Miért olyan fontos a metán? A troposzférában a metán egy fontos üvegházgáz (20 éves időskálán 62szer hatékonyabb, mint a szén-dioxid), s emiatt jelentősen hozzájárul a globális melegedéshez. Valójában az üvegházhatás 15-20 %-áért felelős. Fontos a szerepe a hidroxil-gyökök szabályozásában. Ezek a gyökök felelősek a légkörnek a káros vegyületektől való megtisztításáért. Ha a metánszint emelkedik, az OH-gyökök koncentrációja ugyanolyan mértékben csökken. Ez az a képesség, amivel a légkör tisztítja magát. Az eutrofizáció egyik következménye a víz alacsonyabb oxigénszintje. Ha az eutrofizáció folytatódó probléma lesz a part menti vizekben, valószínűleg a tengeri metán forrás erősödni fog.
Hatalmas mennyiségű metán tárolódik az óceánokban, mint metánhidrát. A globális melegedés egyik lehetséges következménye az óceáni üledékekből történő növekvő metánkibocsátás lehet. Eddig nincs arra utalás, hogy az elmúlt 800.000 ezer év alatt ezekből a forrásokból származó metán mennyisége a Föld éghajlatának meleg periódusaiban felszabadult volna. Azonban ha ez történne, jelenleg nem vagyunk biztosak abban, hogy a baktériumok képesek lennének megbirkózni a koncentráció emelkedésével. Nem lehet teljesen kizárni, hogy a metán-hidrátok tengeri metánforrássá válhatnak, hozzájárulva az üvegházhatáshoz.
Nem metán szénhidrogének (NMHC) A szénhidrogének a szerves vegyületek egy csoportja, melyek főleg szénből és hidrogénből állnak, és főként tüzelőanyagként használjuk őket. A legegyszerűbb szénhidrogén a metán. Azonban más szénhidrogének is fontosak az éghajlat szempontjából. Az óceánok a légkörbe kerülő NMHC-k kisebb forrása, szemben a szárazföldi forrásokkal. Ezek lehetnek természetesek, emberi tevékenységből származóak, és magukba foglalják a növényeket, talajt és a szerves üzemanyagokat is.
Honnan származnak az NMHC-k?
Az izoprén szerkezeti képlete
A tengervízben a szénhidrogének biológiai folyamat révén, s a napfény, valamint a szerves anyag kölcsönhatásaként képződnek. Az egyik legfontosabb NMHC az izoprén (2, metil buta-1, 3 dién H2C=C(CH3)CH=CH2). A szárazföldi növények és mindegyik eddig említett tengeri fitoplankton faj előállítja ezt a vegyületet.
Jelenleg nem tudjuk, hogy a növények miért termelnek izoprént; lehet, hogy az egyszerűen csak a fotoszintézis mellékterméke.
Miért fontosak az NMHC-k? Ha az NMHC-k egyszer kikerülnek a levegőbe, reakcióba lépnek a levegőben lévő oxidánsokkal, mint az OH, vagy az ózon. A szennyezett levegőben hozzájárulnak az ózonképződéshez, míg a tiszta levegőben (pl. az óceánok felett) bontják az ózont. Az NMHC-k légköri reakciói fontosak a hidroxil-gyökök OH szintjének szabályozásában, s így szerepet játszanak a levegő káros anyagoktól való megtisztításában.
Az óceánból származó, az éghajlat szempontjából fontos egyéb gázok – II. Számos, a tengervízben képződő gáz nem bomlik fel a troposzférában, s ezért el tudják érni a sztratoszférát. A sztratoszféra éghajlatunk számára igen fontos: 9 Tartalmazza az ózonréteget, ami megvéd minket a Napból érkező káros UV sugárzástól. 9 Tartalmazza a szulfát részecskék rétegét is, ami meggátolja a Napból érkező energia egy részét abban, hogy elérje a földfelszínt. Bár a sztratoszféra a földfelszín felett 11 km magasságban kezdődik, a tengervízből származó gázok befolyásolják kémiáját.
A dinitrogén oxid (N2O) A másik, biológiai folyamatok révén előállított gáz a dinitrogén-oxid. Mivel a troposzférában ez sem bomlik le, nagyon hosszú a légköri tartózkodási ideje, kb.120 év.
Honnan származik a dinitrogén-oxid? A dinitrogén-oxid legnagyobb forrása a talaj, különösen a trópusokon, és a kibocsátása egyre növekszik – valószínűleg a növekvő műtrágya felhasználás következtében. Az óceánok is nagyon fontos forrásai, különösen a tölcsértorkolatok és a part menti vizek. Itt a dinitrogénoxidot azok a baktériumok állítják elő, amelyek a nitrogénvegyületeket táplálékká alakítják át.
Miért fontos a dinitrogén-oxid? A troposzférában a dinitrogénoxid 275-ször hatékonyabb üvegházgáz, mint a szén-dioxid (azaz az üvegház potenciálja a szén-dioxidénak 275-szerese). Így jelentősen hozzájárul a globális felmelegedéshez.
Mivel olyan hosszú a légköri tartózkodási ideje, fel tud kerülni a sztratoszférába, és hatással tud lenni az éghajlatra. A sztratoszférában az UV sugárzás felbontja a dinitrogén-oxidot és nitrogén-oxid gyök keletkezik (NO). Ez a gyök már közvetlenül részt vesz az ózonbontásban. Habár a troposzférában az ózon komoly gond, azonban a sztratoszférában szükséges, hogy megvédjen minket az UV sugárzástól.
A part menti vizekből származó dinitrogén-oxid kibocsátás úgy növekszik, ahogyan az éghajlatunk melegszik. A nitrát-koncentrációban bekövetkező változások kapcsolatban vannak a növekvő mezőgazdasági tevékenységgel, ami megváltoztatja a dinitrogén-oxid képződését. A képződés további fontos helye az árapály-jelenségnek kitett és a sekély vizű üledékek. Így a tengervíz szintjében bekövetkező változások és / vagy a part menti árapálynak kitett területek kezelésének további hatása lehet. A további eutrofizáció a dinitrogén-oxid fokozódó képződéséhez vezethet. Az Indiai-óceán part menti területein az emberi tevékenységből származó dinitrogén-oxid kibocsátás emelkedésének már vannak bizonyítékai.
Karbonil-szulfid (COS) A karbonil-szulfid fontos légköri kéngáz. Elsősorban az óceánokban képződik, de kis mértékben ipari eredetű. Összehasonlítva a DMS-sel, mely nagy mennyiségben kerül kibocsátásra, de gyorsabban el is bomlik, a COS igen stabil gáz.
Honnan származnak a tengeri karbonil-szulfidok? A tengerből származó karbonil-szulfid a napfény és az óceán felső rétegeiben lévő kéntartalmú szerves anyag kölcsönhatásából származik. Elsősorban a part menti vizekben képződik. Mivel a vízben nehezen oldódik, ezért könnyen bekerül a légkörbe.
Miért fontosak a karbonil-szulfidok? A karbonil-szulfid nem bomlik le a troposzférában, így – a dinitrogénoxidhoz hasonlóan – bekerülhet a sztratoszférába. Ott átalakul szulfát aeroszollá. A szulfát aeroszolok visszaverik a beérkező napfényt a világűr felé, s így hűtik a bolygónkat.
Kiegészítő ismeretek
Az óceánok Az Óceánok, Kiegészítő ismeretek c. fejezetben a következő témaköröket tekintjük át: 9 a globális felmelegedéssel kapcsolatos előrejelzések miként változtatják meg a tengerszintet és az óceáni cirkulációt? 9 ez utóbbinak milyen további hatása lehet a Föld éghajlatára? 9 Az Észak-atlanti Oszcilláció – mint természetes időjárási jelenség – miként befolyásolja Európa téli időjárását? 9 Miért vannak az óceánban nagy területek, ahol sok a tápanyag, de csekély a fitoplankton növekedés, különös tekintettel a vasra, mint mikrotápanyagra? 9 A fitoplanktonokból milyen gázok kerülnek a légkörbe? 9 Bemutatjuk az éghajlati visszacsatolás koncepcióját.
1. Fejezet: Az óceánok és az éghajlat • • •
Az éghajlatváltozás és az óceánok Az Észak-atlanti Oszcilláció Tengerszint növekedés
2. Fejezet: Óceáni tápanyagok • • •
Vas az óceánokban Vas, por és éghajlat A vas és az éghajlatváltozás
3. Fejezet: Fitoplanktonokból származó gázok • •
Levegő-tenger gázcsere A GAIA és a CLAW
1. Fejezet: Az óceánok és az éghajlat • Tudjuk, hogy az óceánok a Föld éghajlati rendszerének egy valóban nagyon fontos részét képezik. Azonban nem tudjuk, hogy az óceáni cirkuláció hogyan változik meg a globális felmelegedés során. Nem tudjuk azt sem, hogy az olyan természetes időjárási jelenség, mint az ÉszakAtlanti Oszcilláció – ami befolyásolja Európa téli időjárását – megváltozik-e a globális felmelegedés hatására. • Ebben a fejezetben elemezzük az óceáni cirkulációra vonatkozó korszerű számítógépes modellek előrejelzéseit, s azt, hogy a globális felmelegedésnek milyen valószínűsített hatása lehet Földünk éghajlatára.
A globális felmelegedés következményei az óceáni cirkulációra A globális felmelegedésnek valószínű, hogy számos hatása van az óceánokra. Tudjuk, hogy a szén-dioxid a hideg vízben könnyebben oldódik, mint a melegben, így a magas hőmérséklet csökkenti az óceánok szén-dioxid felvevő képességét, s ez tovább erősíti az üvegházhatást. Magasabb hőmérsékletnél előrejelezhető, hogy növekedni fog a magasabb szélességeken lévő óceánokba jutó édesvíz. A számítógépes modellek azt feltételezik, hogy ez a többlet édesvíz a közepes és magasabb szélességeken megnövekvő esőzésekből, valamint a jég olvadásából származik. A magasabb hőmérséklet hatására a víz kitágul, s a jég olvadásából származó vízzel együtt a tengerszint emelkedését okozza, valamint árvizeket idézhetnek elő.
Az óceáni cirkuláció igen érzékeny a rendszerbe belépő édesvíz mennyiségére. Az édesvíz szabályozza a tengervíz sűrűségét, s így a tengervíz azon képességét, hogy lesüllyedjen, amikor lehűl. Ha a víz édesvíztartalma túl magas, a hűlés során nem válik elég sűrűvé, hogy a mély óceánba lesüllyedjen. Ha a víz nem süllyed le a magas szélességeken, akkor csak a szél az, ami a Golf-áramlást kormányozza, és így lecsökken a cirkuláció intenzitása az óceánban. Az utolsó jégkorszak kb. 13.000 évvel ezelőtt fejeződött be, és a Föld melegebbé vált. Ez a melegedés – a jégtáblák elolvadásával – növelte az Atlanti-óceán északi részén belépő édesvíz mennyiségét. Egy idő után az óceáni cirkuláció leállt, és az észak-atlanti terület ismét hidegebbé vált. Ugyanakkor az édesvíz utánpótlás megállt, mivel az összes jég elolvadt. Emiatt az óceáni cirkuláció képes volt ismét újraindulni. Ez egy – geológiai időskála szerint – gyors hőmérséklet emelkedést okozott, mivel a meleg trópusi víz az északatlanti területek felé tudott áramlani.
Vannak geológiai bizonyítékaink arra, hogy a termohalin-cirkuláció többször megállt a múltban. Az elmúlt jégkorszak végén, kb. 15.000 évvel ezelőtt, a jégtakarók elolvadtak Észak-Amerika körül, és növelték az Atlanti–óceán északi részébe jutó édesvíz mennyiségét. Ez csökkentette a tengervíz sótartalmát, egyre mérsékelte annak lesüllyedését, s ennek következtében csökkent a mélytengeri áramlás intenzitása. Van rá bizonyíték, hogy ez okozta a termohalin-cirkuláció leállását, a Golf áramlás délebbre helyeződését, s ennek következményeként csökkent a hőszállítás Észak-Európa felé. Ez megszakította az elmúlt jégkorszak végének melegedését. A jégminták és a mélytengeri üledékek azt mutatják, hogy a hőmérséklet Északnyugat-Európában 5 °C-kal csökkent néhány évtized alatt, visszahozva ezáltal az észak-atlanti területekre a jégkorszaki viszonyokat. Ez a földtörténeti korszak „Felső-Dryas Hideg Periódus” néven ismert. Arra is van bizonyítékunk, hogy az óceáni cirkuláció változik a globális felmelegedés következtében. A megfigyelések azt mutatják, hogy az észak-atlanti térség tengervizének sótartalma folyamatosan csökkent az elmúlt 40 év során.
Kilenc különböző számítógépes modell igen különböző eredményeket ad a globális felmelegedés miatti óceáni cirkuláció megvátozásra. Néhány modell azt mutatja, hogy nem lesz, vagy nagyon kicsi lesz a változás az észak-atlanti területen a mélytengeri vízáramlás intenzitásában, és ennek következtében kis változás következik be a termohalin cirkulációban. Mások azonban azt mondják, hogy a globális felmelegedés nagymértékben csökkenteni fogja a mélytengeri vízáramlás sebességét. Az áramlás intenzitásának kifejezésére használt mértékegység a Sverdrup (Sv), ami a mozgó víz térfogatát adja meg [1 Sv = 106 m3 víz mozgása másodpercenként]. A legrosszabb szcenárió az, hogy a globális felmelegedés 2100-ra 15 Sv-pal csökkenti a felszíni víz leáramlását a mélytengerbe az észak-atlanti területeken, ezáltal jelentősen mérsékelve a termohalin cirkulációt.
A globális felmelegedés hatásának előrejelzése komplex számítógépes modellek használatát igényli, amelyek mindegyike tartalmaz feltevéseket a jövőbeli feltételekre, ezeket azonban a jelenben nem lehet ellenőrizni. Ennek eredményeképpen a különböző modellek más és más eredményt adnak a globális felmelegedésre. Néhány modell szerint a globális felmelegedés a termohalin-cirkuláció gyengüléséhez vezet ebben az évszázadban, de az óceáni cirkuláció nem fog teljesen leállni. Más modellek az óceáni cirkulációnak – a növekvő mennyiségű édesvíz hatására történő – teljes leállását jelzik. Nehéz megbecsülni, hogy milyen lenne az éghajlatunk, ha az óceáni cirkuláció megváltozna. A komplex modellek arra utalnak, hogy 2 °C körüli hűlés következik be Európa legnagyobb részén a Golf-áram karibi térségből való hőtranszportjának gyengülése következtében.
Az ábra a levegő hőmérsékletét jelzi előre arra az esetre, ha a termohalin cirkuláció egyszerűen leáll. A legtöbb számítógépes modell azt mutatja, hogy Európa hidegebbé válik, ha a Golf áramlás lelassul, mivel az kevesebb hőt szállít a trópusokról Észak-Európába.
Az üvegházgázok melegítő hatását együttesen kell figyelembe venni, hogy átfogó éghajlati előrejelzést kaphassunk. Globálisan a hőmérséklet növekedését várjuk. Azonban, ha Európában összeomlik a termohalin-cirkuláció, akkor a legtöbb modell szerint a hőmérséklet alig változna, vagy csak egy kis mértékű melegedés lenne. A csekély melegedéssel együtt az éghajlat nedvesebbé és viharosabbá válna. Annak az előrejelzése, hogy hol és mikor fordulnak majd elő ezek a viharok, nagyon nehéz. Még alaposabb megfigyelések és pontosabb számítógépes modellek szükségesek ahhoz, hogy csökkentsük azt a bizonytalanságot, ami az éghajlatunkkal jövőbeli alakulásával kapcsolatos.
2. Fejezet Óceáni tápanyagok - vas Az óceán nagy területein rengeteg nitrogént és foszfort tartalmazó tápanyag található, ugyanakkor mégis csak kevés a fitoplankton ezen régiókban. Az elmúlt évtizedekben az oceanográfia egyik legnagyobb felfedezése az volt, hogy sok helyen a vas koncentrációja alacsonyabb, mint az a szint, ami a fitoplanktonok növekedéséhez szükséges. Ebben a fejezetben elemezzük a vas fontosságát az óceánokban, és azt, hogy a vas miért játszik lényeges szerepet az éghajlatunkban. Megnézzük az érveket és ellenérveket, azzal kapcsolatosan, hogy jó lenne-e a nyílt óceán nagy területeit vassal műtrágyázni; illetve, hogy ezzel megoldhatjuk-e a globális felmelegedés problémáját.
Vas az óceánokban A vas a negyedik leggyakoribb kémiai elem a földkéregben, és a teljes tömegének kb. 4 %-át alkotja. Minden élő faj alapvető mikrotápanyaga. Az óceánok legfontosabb vas forrása a por, ami majdnem teljes egészében a Föld sivatagi területeiről származik. Vannak olyan nagy óceáni területek, ahol sok nitrogént és foszfort tartalmazó tápanyag található, de mégsincs túl sok fitoplankton. Ezek a területek távol helyezkednek el a sivatagoktól, és úgy gondoljuk, hogy a vas hiánya az, ami megakadályozza ezeken a helyeken a fitoplankton növekedést.
Az óceánokban lévő vas honnan származik?
NASA SeaWiFS műholdképe egy Afrika partjai előtt átvonuló porviharról, 2000 február 26-án. Ez az erős vihar képes volt a szaharai port 1000 mérföldre elszállítani az Atlanti-óceán fölé.
Valószínűleg a légkör az óceánok legnagyobb vasforrása, és ez a vas főleg a talajok eróziójából képződő porból származik. A por elsősorban a sivatagi, félsivatagi területekről ered, amelyek legtöbbje az északi félteke közepes szélességein található. A sivatagokból képződő por mennyisége függ attól, hogy mennyi csapadék hull és milyen erős a szél. A legnagyobb por koncentrációk a sivatagok környezetében mérhetők, a legkisebbek pedig a déli óceánok fölötti levegőben, közel az Antarktiszhoz. Ugyanis e régiók igen távol helyezkednek el a sivatagoktól.
Az óceánokba bekerülő por A nagy porszemcsék gyorsan kiülepednek a légkörből, de a kisebb átmérőjűek (d < 10 µm) nagy távolságokra juthatnak el. A szelek nagy magasságokba tudják a részecskéket elszállítani. Azok az Atlanti-óceán fölött 5 km, a Csendes-óceán fölött 8 km magasságba is eljuthatnak. A Szaharából származó por kb. 1 hét alatt halad át az Atlanti-óceán fölött, a kínai sivatagi por pedig két hét alatt jut el a Csendes-óceán középső területeire. A porrészecskék száraz, vagy nedves ülepedéssel (a csapadék révén) bekerülnek az óceánba. Jóllehet a vas bőségesen megtalálható a porban, és sok por kerül az óceánokba, a tengervízben a vas koncentrációja igen alacsony (általában kisebb, mint 1 nmol⋅L-1, ami < 0.000000001 mol⋅L-1!). Most már tudjuk, hogy a vas a porban főleg, mint oxidált vas (III) komplexum fordul elő, ami nem nagyon oldódik a vízben. Mivel a por a felhők által szállítódik, igen savas körülmények közé is kerül, ami egy kicsit megnöveli a vas oldhatóságát. Azonban úgy gondoljuk, hogy a légkörből a tengervízbe kerülő vasnak kevesebb, mint 2 %-a oldható, amit a fitoplanktonok képesek felvenni és tápanyagként hasznosítani.
Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) (Továbbfejlesztett nagyon nagy felbontású radiométer) kép június és augusztus között a légköri részecske szállításról. Az Atlanti- és az Indiai-óceánon át vezető fő légköri transzport útvonalak jól láthatók. Mivel minden légköri részecskét mérnek, a kép a délnyugatafrikai biomassza égetésből származó részecskéket, valamint az észak-amerikai part keleti részéről származó szennyezőanyagokat is mutatja.
Magas nitrát és alacsony klorofil (HNLC) tartalmú területek az óceánokban A fő tápanyagok, amik a fitoplankton növekedést szabályozzák az óceánokban, a nitrát és a foszfát, illetve kisebb mértékben a szilikát. A legtöbb óceánban a fitoplanktonok addig növekednek, amíg minden nitrátot vagy foszfátot el nem használtak, amelyik előbb elfogy. A szubarktikus csendes-óceáni, az egyenlítői csendes-óceáni és a délióceáni részeken azonban az egész évben nagy mennyiségű van ezekből a tápanyagokból, de alacsony a fitoplankton növekedés és így a klorofil szint, ami a növényekben a fotoszintézis színanyaga. Ezek a területek az óceánok HNLC területeiként ismertek, és a világóceánok teljes területének 20%-át teszik ki.
Az óceáni felszíni vizek évi átlagos nitrát koncentrációjának térképe. Ez a kép tisztán mutatja a Csendes-óceán szubarktikus, egyenlítői és az óceánok déli területein a magas nitrát koncentrációt.
John Martin vetette föl először, hogy vashiány található az óceánok HNLC területein. A vas pedig megakadályozza a fitoplanktonok növekedését. Ennek bizonyítására tudományos kísérleteket végeztek a tengereken. A HNLC területek azok, ahol az óceáni cirkuláció nagy mennyiségű hideg vizet hoz a felszínre, mely folyamat a feláramlás (upwelling). Ezekben a vizekben magas koncentrációban találhatók a fő tápanyagok, és e vizeknek – elvileg – biológiai szempontból igen aktívaknak kellene lenniük. Azonban ezek a területek távol helyezkednek el a nagy sivatagoktól, így nincsen sok por (ennek következtében vas), ami e vizekbe kerülne. Hasonló feláramlást láthatunk az Atlanti-óceán északi részén, a 40 °É szélesség környékén, de ez az óceáni terület nem HNLC terület, mivel itt nagy mennyiségű vasbevétel tapasztalható a szaharai por révén.
3. Fejezet: Gázok fitoplanktonokból A szén-dioxid éghajlatunkra gyakorolt hatása függ attól, hogy mennyi gáz található a légkörben. A szerves üzemanyagok elégetéséből származó szén-dioxidnak kb. egyharmada tárolódik az óceánokban, jelentősen csökkentve a globális felmelegedés hatását. Ebben a fejezetben elemezzük, hogy a szén-dioxid miként kerül bele a tengervízbe. Tanulmányozni fogjuk továbbá, hogy olyan éghajlati szempontból fontos gázok, mint pl. az óceánokban képződő dimetil-szulfid hogyan hagyja el a tengervizet, és miként lép be a légkörbe. Bemutatjuk a Jim Lovelock által 1960-ban kidolgozott elméletet, amely szerint a Föld egy önszabályozó rendszer, ami arra törekszik, hogy bolygónk az élet számára alkalmas bolygó legyen, és egy példát mutatunk be, hogy ez miként történik. Ezt a rendszert a Föld görög istennőjére utalva GAIA-nak nevezte el.
A légkör és a tenger közti gázcsere A gázok juthatnak mind a légkörből az óceánba, mind az óceánból a légkörbe. A gázkicserélődést befolyásoló legfontosabb tényezők a gáz koncentráció különbsége a levegő és a víz között, valamint a szélsebesség. Jelenleg nem ismerjük mindegyik tényezőt, melyek a gázok tengerfelszínen keresztül történő mozgását szabályozzák. Ha majd egyszer többet tudunk, akkor majd képesek leszünk jobban meghatározni, hogy milyen fontos a levegő és a tenger közti gázcsere az éghajlatunk szempontjából, és majd pontosabban megállapíthatjuk a belélegzett levegő minőségét is.
A szén-dioxid (CO2) éghajlatunkra gyakorolt hatása attól függ, hogy mennyi szén-dioxid van a légkörben. A fosszilis üzemanyagok elégetéséből keletkező szén-dioxidnak kb. harmada kerül a tengerfelszínen keresztül az óceánokba. A szén-dioxid légkörből való eltávolítása révén ez a folyamat nagymértékben csökkenti a globális felmelegedés hatását. Az antropogén szén-dioxid emisszió áramlása a általában a légkörből az óceánok felé irányul. Általában miért ez a mozgás iránya? A tengervízben mind fizikai, mind biológiai folyamatok lejátszódnak, amelyek lehetővé teszik a szén-dioxid hatékony felvételét (lásd: Alapismeretek, Víz az óceánokban, Szén-dioxid c. fejezet). Ha a szén-dioxid bekerül a tengervízbe, akkor kölcsönhatásba lép a karbonát-ionokkal (CO32-), amelyek a hidrogén-karbonátból (HCO3-) származnak. Ez a reakció a jobb nyíl irányába megy végbe, és megengedi, hogy még több szén-dioxid lépjen be a légkörből az óceánokba.
E fizikai megkötés mellett a szén-dioxid biológiailag is felvehető, mégpedig fotoszintézissel a fitoplankton növekedése során, és ebben az esetben növényi anyaggá alakul át. Gázoknak a légkörből a tengerbe való áramlása mellett, van gázmozgás az óceánokból a légkör felé is. Az éghajlat szempontjából fontos gázok, mint pl. a dimetil-szulfid (DMS) és a metil-jodid (CH3I) az óceánokban képződnek, ezek azonban csak akkor befolyásolják az éghajlatot, ha kikerülnek a légkörbe. Mivel a levegőben lévő koncentrációjuk majdnem mindig alacsonyabb, mint a tengervízben, ezek a vízből a légkörbe kerülnek. Tudjuk, hogy általában minél erősebb a szél, annál nagyobb a gázkicserélődés. Az erős szelek nagy hullámokat keltenek, ezáltal érdessé teszik a tenger felszínét, s ezzel az felszín alatti vizeket összekeverik, és növelik a gázcserét az. Megtörő hullámok
Ahogy a hullámok megtörnek, milliónyi buborékot kerül a felszíni vizekbe, s azok gáztartalma a légkörbe jut. Ugyanígy fordítva: e buborékok a levegőből is szállítanak gázokat a vízbe. Ez oly módon történik, hogy a légköri gázok a tengerfelszíni buborékok révén összekeverednek a vízzel, melyek az áramlásokkal lejuthatnak a mélyóceánba. Amikor a buborékok felemelkednek a vízben és elérik a felszínt, szétpukkadnak és vízsugár kerül be a levegőbe. Ahogyan ez a sugár emelkedik, úgy milliónyi cseppre bomlik szét. A víz elpárolog, és tengeri sóból álló aeroszol részecskék maradnak hátra. Ily módon több milliárd tonna só jut be a légkörbe. Sok közülük közvetlenül visszahullik a tengerbe, de jelentős mennyiségű só szállítódik a szárazföldre. A tengeri só aeroszol részecskék nagyon fontosak a légkörben. Nemcsak a napfényt szórják vissza az űrbe, és így közvetlen hűlést okoznak bolygónkon, hanem nagyon hatékony felhőképző nukleidek, melyek elindítják a felhőképződést. Ily módon a Föld közvetett hűlését idézik elő. Ezt azonban részben ellensúlyozhatja a felhők üvegházhatása.
Egy buborék a tengerfelszínre emelkedik, majd szétpukkad, s ily módon tengeri só aeroszolokat juttat a légkörbe
Nem a szélsebesség az egyedüli tényező, ami befolyásolja a gázcserét. Tudjuk, hogy a víz hőmérséklete is fontos. A csapadék is növelheti az óceánokból történő gázkibocsátást és a tengeri jég jelenléte is megváltoztatja a gázkicserélődés sebességét. Mivel a gázkicserélődés nagyon változó környezeti tényezőktől függ, nem tudjuk még pontosan megmondani, hogy mi szabályozza a tengerfelszínen keresztül történő gázcserét.
Halászok a tengeren
Mára befejeztük, viszontlátásra!
