Obsah. Seznam obrázků. Seznam tabulek

Transkript

1 Země jako systém

2 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 Shrnutí Kontrolní úkoly, otázky, základní témata pro úvahy Zdroje informací 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 Obr. 7 Povrchová voda je významnou součástí krajiny a nepřetržitý koloběh vody je podmínkou života. Foto: Němec Obr. 8 Rozdělení světové vody na sladkou a slanou vodu. Jánský Obr. 9 Rozdělení sladké vody na ledovce, spodní vodu a povrchovou vodu. Jánský Obr. 10 Zastoupení povrchové vody ve stojatých vodách, tekoucích vodách, v půdě, atmosféře a živých organismech. Jánský 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) Tab. 5 Průměrné složení přízemní vrstvy atmosféry Země a doba setrvání jejích složek (podle Herčík 1997) Tab. 6 Rozdělení vody na zemském povrchu (podle Jánský 1992, Beneš - Novotná 1995)... 11

3 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 hodnota parametru poloměr na pólu [km] 6356,75 poloměr na rovníku [km] 6378,14 hmotnost [kg] 5, průměrná hustota [g cm -3 ] 5,515 minimální vzdálenost od Slunce [km] maximální vzdálenost od Slunce [km] střední vzdálenost od Slunce [km] (astronomická jednotka 149, = 1AU) odchylka zemské osy od roviny ekliptiky [ 0 ] 23,45 průměrná teplota povrchu [ 0 C] 15 solární konstanta [J m -2 s -1 ] 1373 celková energie dopadající na horní hranici atmosféry 5, Země za rok ze Slunce [J ] celková energie dopadající na horní hranici atmosféry 10, Země za rok ze Slunce [J/km 2 ] albedo [%]: čerstvě napadlého sněhu 80 orné půdy 10 polních kultur lesa v době vegetace travního porostu pouští přes 30 gravitační zrychlení [m s -2 ] 9,82 intenzita magnetického pole [T ] povrch oceánů [10 6 km 2 ] 356,864 povrch pevnin [10 6 km 2 ] 152,941 Země obíhá okolo Slunce průměrnou rychlostí 29,77 km s -1 po mírně excentrické dráze (apogeum , perigeum ) v průměrné vzdálenosti 149, km od Slunce (astronomická jednotka = 1AU). Sklon osy otáčení Země vzhledem k rovině její oběžné dráhy je 23,45 0, 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 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

4 - 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 MW za rok, a porovnat jej s celkovým tokem energie ze Slunce, jehož hodnota je MW za rok (cca x 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 hloubka [km] složení (hlavní prvky) hustota [g cm -3 ] atmosféra N, O hydrosféra H,O 1,0 kůra - sial (pevniny) 0-35 Si, Al, O 2,7 kůra - sima (oceány) 0-10 Si, Mg, O 2,9 litosféra (zahrnuje sial i sima) ,3 astenosféra ,3 svrchní plášť ,7 až 3,3 spodní plášť ,3 vnější jádro Fe, Ni 10-12,3 vnitřní jádro ,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,

5 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)

6 Obr. 2 Koloběh fosforu. Begon aj. (1997) Obr. 3 Koloběh dusíku. Begon aj. (1997)

7 Obr. 4 Koloběh síry. Begon aj. (1997)

8 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 biomů 1, 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 m 3 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.

9 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, CO 2, O 2, N 2 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 0 C, což lze vypočítat jako rozdíl průměrné aktuální teploty zemského povrchu - cca 15 0 C 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 nm, 45% fotosynteticky využitelné záření vlnových délek 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 vrstva výška [km] teplota [ 0 C] tlak [Pa] další charakteristika troposféra až (-60) počasí, horní hranice je hranicí biosféry tropopauza až odděluje troposféru a stratosféru stratosféra spodní vrchní až až až pohlcování krátkovlnného UV záření (ozónová vrstva), kosmického záření, nabitých částic slunečního větru, γ záření stratopauza odděluje stratosféru a mezosféru mezosféra až výskyt nočních stříbřitých oblaků termosféra až 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 exosféra až 0 okrajová vrstva, únik nejlehčích částic do meziplanetárního prostoru

10 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) dusík 7, kyslík 2, argon 9, voda CO 2 3, neon 1, helium 5, CH 4 1, H 2 0, N 2 O CO O 3 0, NO 2 0,02 9 SO 2 0,01 2 NH 3 0,01 5 freony 0,001* * *nepřesné - celková koncentrace všech freonů, resp. průměrná doba zdržení

11 Složení záření dopadajícího na zemský povrch je následující - 10% UV záření vlnových délek nm, 45% fotosynteticky využitelné záření (FAR, angl. PAR) vlnových délek 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 [10 3 km 3 ] doba zdržení vody [rok] oceány a moře 97, ledovce na oceánech a pevninách 1, sladkovodní jezera 0, ,2 slaná jezera 0, umělé nádrže 0, bažiny 0, řeky 0,0001 1,25 0,0337 (12,3 dne) podzemní voda do hloubky 800 m 0, podzemní voda pod 800 m 0, půdní vláha 0, voda v pásmu provzdušnění 0, živé organismy atmosféra (do 11 km) 0, ,028 (10,2 dne) podzemní voda celkem 0, povrchová sladká voda celkem 0,

12 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% Oceány Sladká voda 97%

13 Obr. 8 Rozdělení světové vody na sladkou a slanou vodu. Jánský Sladká voda 20% 1% Le do vc e Spodní voda Povrchová voda 79% Obr. 9 Rozdělení sladké vody na ledovce, spodní vodu a povrchovou vodu. Jánský 1992 Povrchová voda 38% 8% 1% 52% Jezera Vlhko s t v půdě Atmo s fé ric ká vlhkost Řeky Živé o rg anis my Obr. 10 Zastoupení povrchové vody ve stojatých vodách, tekoucích vodách, v půdě, atmosféře a živých organismech. Jánský 1992

14 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 CO 2 ; 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. Jaké jsou základní charakteristiky systému? 2. Vysvětlete termín synergie v souvislosti se systémem. 3. Proč je významný systémový pohled na environmentální problémy? 4. Jaké funkce má pro život na Zemi atmosféra? 5. 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 Beneš P., Novotná J.: Chemie a radiační hygiena prostředí, vydavatelství ČVUT, Praha 1995, ISBN Herčík M.: Životní prostředí (úvod do studia), VŠB - TU Ostrava 1997, ISBN Horník S. aj. (1982): Základy fyzické geografie, Státní pedagogické nakladatelství, Praha 5. Jánský B.: Geografie moří a oceánů, PřF UK Praha Moldan B.: Životní prostředí globální perspektiva, Centrum Univerzity Karlovy pro otázky životního prostředí, Praha Stonawski J.: Základy ekologie, Karolinum, Praha 1997, ISBN