Transcript Maa süsteemide vahelised seosed

Maa süsteemide
vahelised seosed
Tiina Kapten
Geograafiaõpetaja
► Omavahel
vastasmõjudes olevad Maa
sfäärid moodustavad süsteemi, kus
seosed avalduvad energiavoogude
ning aine liikumise kaudu sfääride
vahel.
► Muutus
ühes sfääris võib esile kutsuda
muutusi ka teistes sfäärides
Aineringed Maa sfäärides
►
Biogeokeemilised aineringed ehk ainete ringkäik
looduses on ainete pidevalt korduv ringlemine Maa pinnal,
sfääri piires või ühest sfäärist teise.
►
Aineringe on Maa sfääride ja nende osade üks
iseloomulikumaid omadusi.
►
Aineringe põhiline energiaallikas on päikesekiirgus.
►
Erinevalt energiast on toitained taaskasutatavad, seetõttu
räägitaksegi aineringetest.
►
Samas tuleb energiast kõneldes rääkida energiavoost läbi
süsteemi.
Geoloogiline aineringe
►
Geoloogiline aineringe viib Maa pinnal murenenud kivimid
maakoore liikuvais osades suurde sügavusse, kus need
moonduvad ja
toob moondekivimid hiljem
jälle maapinnale
murenema.
Bioloogiline aineringe
►
Bioloogilises aineringes sünteesivad rohelised taimed
orgaanilist ainet, mida teised organismid kasutavad oma
orgaanilise aine ülesehitamiseks.
►
Bioloogilise aineringe sulgeb orgaanilise aine lagunemine
mineraalaineiks, süsihappegaasiks ja veeks.
►
Bioloogiline aineringe toimub veekogudes, mullas ja
ökosüsteemides ning on puhtalt biosfääriprotsess,
hõlmates nagu biosfäärgi teiste sfääride osi.
►
Bioloogiline ja biogeokeemiline ainete ringlemine toimub
peamiselt vesilahustes ja on seotud elu keemiliste
protsessidega.
Aineringe kiirus ja varude
suurus
►
Aineringet iseloomustab käive.
►
Käibe kestus näitab, kui pika aja jooksul aine hulk
vahetusfondis vahetub.
►
Sisult samalaadne mõiste käibe kiirus, näitab, kui suur
osa ringluses olevast ainest mingi aja jooksul vahetub.
►
Aineringe võib toimuda väga erineva suurusega alal, mis
on omakorda osa globaalsest aineringest.
►
Elutegevusega seotud biogeokeemiline tsükkel toimib
ökosüsteemi piires üpris väikeses ruumiosas suhteliselt
suletud aineringena.
► Aineringe
on tihedalt seotud veeringega, sest
vesi paigutab ümber teisi aineid vesilahuses
ning liigutab mehaaniliselt litosfääri ja
pedosfääri osakesi.
► Vesi
on teiste aineringete jaoks kandja.
► Süsiniku-
ja hapnikuringe eluslooduses on
seotud energiavooga läbi ökosüsteemi.
► Mineraalsete
taimetoitainete - lämmastiku,
fosfori, kaltsiumi, magneesiumi, väävli jt
ringesse on kaasatud nii keemilised kui
bioloogilised protsessid.
Süsinikuringe
►
Üle 99% süsinikust on koondunud maakoore ülaossa: mitmesuguste
karbonaatsete ja orgaaniliste settekivimite ning setetena.
►
Aktiivses süsinikuringes osaleb sellest vaid väga väike osa.
►
Setete käibe kiirus ringes ulatub looduslikult miljonitesse aastatesse.
►
Maailmamerre on talletunud kokku 40 triljonit tonni süsinikku, millest
lõviosa moodustab sügavamates kihtides olev lahustunud anorgaaniline
süsinik.
►
Vaid 2,5% süsinikust on koondunud ookeani pinnakihti ja vähem kui
ainult 1 sajandik sellest on talletunud mereorganismidesse.
►
Mullad sisaldavad 1,58 triljonit tonni süsinikku, millest turvas moodustab
alla veerandi.
►
Atmosfääris oleva süsiniku kogus on 750 x 10 9 tonni, mis on veidi
suurem kui maismaataimedesse koondunud süsinikuvaru.
►
Veelgi olulisem kui ainevarud biosfääri eri osades on aineringe
tasakaalu seisukohast aastased ainevood.
►
Nii nagu veeringe puhul, toimub ka muude ainevoogude kaudu
geosfääride sidumine üheks terviklikuks biosfääriks.
►
Võtmeroll aineringete käivitamisel ja toimimisel on elusorganismidel.
►
Roheliste taimede tähtsaim ülesanne on fotosüntees, mille käigus
seotakse CO2 ja vett
ning toodetakse
orgaanilist ainet
(glükoosi) ja hapnikku.
►
Vastand protsessiks
on hingamine ehk
respiratsioon, mille
käigus O2 tarbitakse
orgaanilise aine
lagundamiseks ning
vabanevad CO2 ja
veeaur.
►
Seega toimub nii süsiniku kui ka hapniku aineringe reguleerimine peamiselt
taimede vahendusel.
►
Ühtlasi on rohelised taimed kui produtsendid aluseks kogu bioloogilise
aineringe ja energiavoo toimimisele, tootes mineraalsetest ainetest
orgaanilist ainet sellest toituvatele konsumentidele - loomsetele
organismidele - ja pannes aluse toiduahelatele
►
Orgaanilise aine puhasproduktsioon (fotosünteesil seotud CO2 - hingamise
käigus vabanenud CO2) on ookeanides ja maismaal enam-vähem võrdne,
ulatudes 50 x 10 9 tonnini aastas.
►
Kui lisada CO2 ja metaani (CH4) vabanemine laguprotsessides, samuti
süsiniku neeldumine vees ja maismaasetetes, saame:




►
maismaalt atmosfääri suunatud aastaseks süsinikuvooks 60 x 10 9 tonni,
atmosfäärist maismaale suunatud süsinikuvooks aga 61,4 x 10 9 tonni.
ookeanist atmosfääri 90 x 10 9 tonni
atmosfäärist ookeani 92 x 10 9 tonni
Seega läheb aastas looduslike protsesside poolt atmosfääri 3,4 x 10
võrra vähem CO2 kui seda maismaal ja ookeanides seotakse.
9
tonni
►
Bilansi tasakaalustavad vulkaanipursked, mille korral võib atmosfääri paiskuda
võrreldav kogus süsinikku, nii CO2 kui CH4 koostises.
►
Süsiniku geoloogilise aineringega võrreldes on biosfääri aineringes süsiniku
käive oluliselt kiirem.
►
Süsiniku käibe kiirus ookeani biomassis kompenseerib suhteliselt väikese
süsinikuvaru mereelustikus, tagades maismaa ökosüsteemidega võrreldava
produktsioonitaseme.
►
Meresetetes, eriti ookeanide madalates kaldapiirkondades on käive väga
varieeruv ulatudes 0,1 kuni 1000 aastani.
►
Inimtegevus muudab oluliselt litosfäärse süsiniku käibe kiirust fossiilsete
kütuste põletamise teel.
►
See lisab biosfääri aineringesse koos tsemendi tootmisega 5,5 x 10 9 tonni
süsinikku aastas.
►
Inimtegevuse peamiseks mehhanismiks globaalse
keskonnaseisundi tasakaalu rikkumisel on aineringluse
kiirendamine.
►
Veel lisandub sellele kogusele 1,1 x 10
maakasutuse muutustest:
9
tonni C aastas, mis tuleb
 järjest väiksemaks jääb metsade pindala, mille tõttu suur osa CO2 jääb
fotosünteesis sidumata.
►
On ka vastupidiseid näiteid:
 USA-s tolmutormide tagajärjel kõlbmatuks muutunud põllumaadele istutatud
lehtpuumetsad on muutnud süsinikubilansi keskkonnasõbralikumaks, sest
metsades seotakse CO2 inimtekkeliste allikatega võrreldavates kogustes.
 Ka põllumajandustehnika muutmine on aidanud kaasa CO2 lendumise
vähenemisele.
►
seetõttu ei olda üksmeelel Kyoto protokolli ratifitseerimise osas, mis näeb
ette kasvuhoonegaaside emissiooni olulist piiramist kõigis riikides.
►
Asja teevad keerulisemaks teised kasvuhoonegaasid, eriti metaan (CH4)
ja dilämmastikoksiid ehk naerugaas (N2O), mille emissioon on
inimtegevuse tagajärjel kasvanud palju kiiremini kui süsinikdioksiidi oma.
►
Jäädes küll CO2-st üldkoguselt suurusjärgu võrra maha, on nende
gaaside kasvuhooneefekti tekitav võime vastavalt 21 ja 310 korda
suurem kui süsinikdioksiidil.
► Eesti
olukord süsinikuringe aspektist
vaadatuna:
 põlevkivi põletamisel keskkonda paisatava CO2 kogus
on nii suur, et selle kompenseerimiseks oleks vaja
kuus korda rokem metsa kui Eestis kasvab.
 Ehkki globaalses ulatuses on Eesti panus keskkonna
saastumisse väike, peab iga riik oma
saastepotentsiaali kahandama.
 EL tingimustes hakkab iga keskkonda paisatav CO2
tonn järjest rohkem maksma, mis lähitulevikus
kajastub elektrienergia hinna mitmekordses tõusus.
Lämmastikuringe
►
Lämmastiku aineringe on süsinikuringe kõrval teine tugevasti
inimtegevuse poolt muudetud biogeokeemiline tsükkel.
►
Sarnase käibekiirusega süsinikuringest eristab lämmastikuringet
asjaolu, et biosfääri lämmastikuvaru on atmosfääris peamiselt
molekulaarse lämmastiku (N2) kujul.
►
Märgatavalt väiksemas koguses sisaldub atmosfääriõhus
lämmastikoksiide ning ammooniumiühendeid.
►
Atmosfäärne lämmastikuvaru (kokku 78% atmosfääri mahust) ületab
maakoore settekivimites ja setetes oleva varu ühe (1), ookeanides
sisalduva lämmastikukoguse kahe (2) ning maismaataimedesse ja
mereorganismidesse talletunud lämmastikukogusest mitme (3-4)
suurusjärgu võrra.
►
Selline jaotus on tingitud lämmastikumolekuli püsivusest, mistõttu
selle lõhkumiseks on vaja palju energiat.
► Tänu
püsivusele ei suuda enamik aineringes
osalevaid organisme sellist lämmastikku kasutada.
► Looduslikult
toimub lämmastikumolekuli lõhkumine
atmosfääri elektrilahenduste (välgu) kaasabil.
► On
bioloogilised N
fikseerijad –
organismid, kes N2
molekuli suudavad
lõhkuda ja teevad
sel viisil N aatomid
keemilistele
reaktsioonidele
kättesaadavaks
►
Teiseks oluliseks erinevuseks võrreldes süsinikuringega on maismaalt
tuleva suurema lämmastikuvoo mõju veeökosüsteemidele ja ookeanile.
►
See tuleneb lämmastikuühendite heast lahustuvusest, mis seob selle
toitaine tihedamini veeringega.
►
Looduslikes tingimustes on lämmastiku aastane ärakanne maismaalt
ookeani 36 miljonit tonni, millele lisandub ligikaudu sama palju
inimtegevusest tulenevat lämmastikku.
►
Molekulaarse lämmastiku käive atmosfääris ja setetes on aeglane, käibe
kestus ulatub miljonitesse aastatesse.
►
Oluliselt kiirem on lämmastikuühendite käive aga mullas (käibe kestus 2000 aastat) ja taimedes (50 aastat).
►
Mikroorganismide poolt fikseeritava õhulämmastiku käive kestab aga
vaid kuni 5 nädalat.
►
Lämmastiku bioloogiline ringe on väga keerukas kompleks
mitmesugustest reaktsioonidest milles osaleb suur hulk mikroorganisme.
►
Orgaanilise lämmastiku (valkudes ja teistes orgaanilistes ühendites
oleva lämmastiku) mineraliseerumine ja tekkinud lämmastikuühendite
edasine transformeerumine näeb üldistatult välja järgmine:
►
1. Ammonifikatsioon:
 nii aeroobses kui anaeroobses keskkonnas ammonifitseerivate bakterite
toimel ilma energialisata;
 kõrge kontsentratsiooni korral lendub ammoniaak (NH3), kuid enamasti on
tulemuseks ammooniumioon (NH4).
►
2. Nitrifikatsioon:
 aeroobses keskkonnas nitrifitseerivate bakterite toimel ilma energialisata
 kaheetapilise protsessina:
► nitritiooni (NO2) moodustumine
► nitraatiooni (NO3) moodustumine
►
3. Denitrifikatsioon:
anaeroobses keskkonnas bakterite toimel
vajab lisaenergiat (glükoos)
nitraat asendab hapnikku, lämmastik käitub elektronide vastuvõtjana.
molekulaarne lämmastik eraldub kui on piisavalt orgaanilist ainet ja aega
protsessi kulgemiseks
 muidu on saaduseks kasvuhoonegaasina ja osoonikihi hävitajana tuntud
naerugaas (N20).
 Denitrifikatsioon sulgeb lämmastiku aineringe.




►
Lämmastikuvood biosfääri eri osade vahel on määratud fikseerimise,
ammonifikatsiooni, nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni tsüklitega.
►
Lämmastik on oluline taimetoitaine, mida paljudes looduslikes
ökosüsteemides ei piisa optimaalse produktsiooni saavutamiseks.
►
Seetõttu nimetatakse teda limiteerivaks teguriks.
►
Porsumise käigus eraldub looduslikes tingimustes maakoorest ringlusse
vaid 4 miljonit tonni lämmastikku aastas.
►
Seetõttu kujunes välja õhulämmastiku fikseerimise võime. See on omane
paljudele tsüanobakteritele ja ka mitmetele mullas elavatele bakteritele.
Osa neist elab sümbioosis taimede juurtel, osa aga vabalt mullas ja
veekogude setetes.
►
Tänu neile organismidele on aastane molekulaarse lämmastiku voog:
 atmosfäärist maismaale 190 miljonit tonni
 atmosfäärist maailmamerre 40 miljonit tonni.
►
Seda voogu tasakaalustab looduslikes tingimustes denitrifikatsioon:
 atmosfääri maismaalt 147 miljonit tonni
 atmosfääri ookeanidelt 30 miljonit tonni N2
►
Olulise toitainena limiteerib lämmastik kultuurtaimede kasvu, mistõttu ta
on enimkasutatavaks väetiseks.
►
20. saj algul sünteesiti Saksamaal õhulämmastikust ammoniaaki. Sellega
imiteeriti looduslikku fikseerimisprotsessi (kasutati kõrget temperatuuri,
rõhku ja vastavaid katalüsaatoreid).
►
Järgnes mitte ainult lõhkeainete, vaid ka lämmastikväetiste tootmise
buum. 20. sajandi lõpuks kasvas sünteesitud lämmastikväetiste
kasutamine 150 miljoni tonnini aastas.
►
Intensiivse põllumajandusega maades põhjavee ulatuslik reostumine
nitraatidega, veekogude eutrofeerumine ja looduslike liigirikaste
koosluste hävimine, kuna enamik looduslikke liike ei talu kõrget
lämmastikufooni.
►
Nüüdseks on arenenud riikides lämmastikväetiste süntees ja kasutamine
oluliselt vähenenud, mistõttu ka lämmastikuvood biosfääri eri osade
vahel on kahanenud.
►
Praegu toodetakse aastas vaid 20 miljonit tonni lämmastikväetisi ja lisaks
kasvatatakse liblikõielisi taimi
►
Fossiilsete kütuste põlemisel vabanevad NOx gaasid annavad 20 miljonit
ja biomassi põletamine 12 miljonit tonni N aastas.
►
NOx gaaside peamiseks allikaks on sisepõlemismootoriga autod, kus
kõrgel temperatuuril põleva kütuse jääkidena tekib rohkesti NO, mis õhu
käes oksüdeerub kiiresti NO2.
►
Maalähedases õhukihis, eriti soojema kliima alade suurlinnades on NOx
koos aluseks sudu tekkele, mille koostiseks on osoon, mitmed
orgaanilised ühendid ja fotooksüdandid.
►
Tänu katalüsaatorite kasutuselevõtule, mis seovad autode heitgaasides
NOx ühendeid, samuti vähemsaastavate kütuste kasutamisele on
lämmastikuühendite emissioon hakanud kahanema.
►
Arengumaades, kuhu on suurenenud põllumajandus ja rasketööstus,
suureneb saasteainete, sh lämmastikuühendite emissioon jõudsalt.
►
Kui süsinikuringe puhul inimese tegevus üksnes kiirendas looduslikke,
eelkõige litosfääriga seotud aineringeid, siis lämmastiku puhul lisandus
varude ja voogude vahelise loodusliku tasakaalu muutmine.