Ugrás a tartalomhoz

Ökológia

Dr. Horváth Balázs, Pestiné dr. Rácz Éva Veronika (2011)

A légkör

A légkör

Tengerszinten a légköri levegő nyomása nagyjából 105Pa = 105 N/m2. Ez azt jelenti, hogy minden egyes négyzetméterre 105 newton erő hat, ez pedig körülbelül megfelel egy 104 kg (10 tonna) tömegű test súlyának. 6000 km-es (6 x 106 m) Földsugárral számolva bolygónk felszíne 4r2π = 4 x (6 x 106)2 x π ≈ 4 x 36 x 3,14 x 1012≈ 4,52 x 1014 m2, így a Föld felszínére összesen megközelítőleg 4,52 x 1015 tonna tömegű testnek megfelelő súly nehezedik. A légkör tömege tehát óriási ─ még egy átlagos, 1 km3térfogatú felhő tömege is (természetesen a felhő alkotórészének tekintve nemcsak a vizet, hanem a levegőt is) 1 millió tonna körül mozog.

A légkör felfelé egyre ritkul, éles határa a világűr felé nincs. Mindazonáltal kb. 3000 km vastagságúnak vehetjük, amelynek gyakorlatilag csak az alsó 15 km-ében van élet. Már ekkora magasságban is –55 °C körüli a levegő hőmérséklete, nyomása pedig a tengerszinten mérhetőnek kb. hetedrésze. Az UV-sugarakkal szembeni védelem szempontjából fontos ózonréteg túlnyomórészt a 20-25 km-es magasságban helyezkedik el.

A levegőt nagyjából 78% nitrogén, 21% oxigén és 1% argon alkotja, az üvegházhatás szempontjából lényeges CO2 térfogataránya mindössze 0,03-0,04%. Ezen felül még sokféle természetes és mesterséges vegyület megtalálható a légkörben (pl. az üvegházhatás oroszlánrészéért felelős vízgőz).

A Föld légköre nem volt mindig a maihoz hasonló összetételű. Az élet 3,5 milliárd évvel ezelőtti megjelenése előtt olyan volt, mint ma a szomszédos bolygóké: H, He, metán, NH3, S, H2S, vízgőz alkotta. Az első fotoszintetizáló szervezetek azonban (mintegy 2 milliárd évvel ezelőttől kezdődően) felesleges anyagcsereterméküket, az oxigént – ahogy elszaporodtak és elterjedtek - egyre nagyobb és nagyobb mennyiségben bocsátották a légkörbe, így az felhalmozódhatott.  Egyrészt védő ózonréteget hozott létre, másrészt lehetővé tette az oxigént légző élőlények megjelenését).

Ma sem minden élőlénynek van szüksége oxigénre az élethez. Oxigénigény szempontjából az élőlényeket a következőképpen csoportosíthatjuk:

  1. obligát aerob élőlények: oxigén nélkül elpusztulnak

  2. anaerob élőlények: csak oxigén nélkül élhetnek, az oxigén rájuk nézve mérgező

  3. fakultatív aerob élőlények: oxigén hiányában is életképesek, de mivel légzésükhöz oxigént használni képesek, ezért e gáz jelenléte kedvező számukra

  4. mikroaerofil élőlények: a kevés oxigént kedvelik

  5. aerotoleráns anaerob élőlények: elviselik az oxigén jelenlétét, de nem hasznos számukra, mert csak fermentálásra képesek

Az élőlények többsége obligát aerob, tehát az oxigén létfontosságú számukra. Nekik a levegő 21%-os oxigéntartalma általában messzemenően elegendő, de egyes élőhelyeken hiány alakulhat ki oxigénből. A hegyekben felfelé haladva egyre csökken a légnyomás, és kb. 5500 méteres magasságban éri el a tengerszintre jellemző érték felét. A nitrogén és az oxigén aránya is kissé módosul a kisebb molekulatömegű nitrogén javára. A magashegységekben tehát az oxigénkoncentráció jóval kisebb, de ehhez az ottani élőlények sikerrel alkalmazkodtak (pl. a vérük lejjebb élő rokonaikénál több vörösvérsejtet vagy több hemoglobint tartalmaz). A talajban és a vízben azonban az oxigén limitáló tényező lehet. A még viszonylag sok oxigént tartalmazó +4 °C–os édesvizek oxigéntartalma 14 mg/l. Hasonlítsuk ezt össze a levegő átlagos oxigéntartalmával! 24,5 liter standard állapotú levegő tömege 29 g, anyagmennyisége pedig 1 mol. Ennek 21 %-a oxigén, azaz 0,21 mol, ami 32 g/mol x 0,21 mol = 6,72 g-ot jelent. Vagyis a szárazföldi élőlények közegük 1 literéből kereken 480-szor (6720 mg / 14 mg = 480) annyi oxigénhez juthatnak, mint vízi társaik az övékből.

Az aerob állatok oxigénigénye nyilván nagymértékben függ a testtömegüktől: nagyobb szervezeteknek több energiára van szükségük, így több oxigénre is. Azonban az állat testének 1 g-jára jutó átlagos oxigénfogyasztás is erősen eltérő, hiszen a nagyobb testű fajok tömegegységenként jóval kevesebb oxigént használnak fel, mint a kisebb termetűek. Egy 10 g-os egér anyagcseréje akár 100-szor olyan intenzív is lehet, mint egy elefánt 10 g-os átlag-szövetdarabjának anyagcseréje. Ez nem meglepő, hiszen a nagytestű állatok sejtjeinek sokkal nagyobb hányada van „belül”, ennélfogva egy elefántnak is sokkal kevesebb energiát kell fordítania hőtermelésre, mint pl. egy egérnek. A tömegegységre jutó oxigénfelhasználás ilyetén alakulása tehát a Bergmann-szabály egyik következménye.

Az idők során természetesen nemcsak a légkör oxigéntartalma növekedett, hanem a többi gáz részaránya is változott. A CO2 koncentrációja 1000 évvel ezelőtt 0,028 térfogatszázalék volt, ami egyenlő 280 milliomodrésszel (280 ppm /parts per million/). A XIX. században aztán az ipari forradalomnak köszönhetően elkezdett emelkedni, ami egyre gyorsuló ütemben máig is folytatódik. 2011 februárjában a szén-dioxid térfogataránya a Mauna Loa-i (Hawai-szigetek) mérések szerint 391,76 ppm (kb. 0,039%)1.

A légkör széndioxid-koncentrációja az évszakoknak megfelelően is változik. Amikor az északi félgömbön nyár van, a CO2 globális koncentrációja csökken, hiszen a fotoszintetizáló növények lombjuk, testük felépítése során rengeteg CO2–ot kivonnak a légkörből és szerves anyagokká alakítanak. Ősszel, mikor a levelek lehullanak és az egyéves növények elpusztulnak,  a lebontó szervezeteknek köszönhetően ez a szénmennyiség lassanként újra CO2-dá alakul és visszajut a levegőbe. Így a CO2-koncentráció az előző év tavaszán mért értékre növekszik ismét (pontosabban az ipari forradalom óta egy annál nagyobb értékre áll be). Noha a déli félgömbön pont akkor van nyár, amikor az északin tél, az utóbbi félteke évszaka a döntő, hiszen a délin jóval kevesebb szárazföld, kevesebb erdő van.

A fotoszintézis intenzitása nemcsak a hőmérséklettől és a fénytől, hanem a CO2 koncentrációjától is függ: minél több a CO2, annál gyorsabb a fotoszintézis (7. ábra). Itt is van egy minimális érték (CO2–kompenzációs pont), ami alatt nettó fotoszintézis nincs. Ilyen alacsony koncentrációknál a gázmolekulák diffúziója az, ami korlátozza a sebességet, nagyobb koncentrációk esetén pedig a sejtek fotoszintetizáló apparátusának véges kapacitása a limitáló tényező. A CO2-koncentráció ─ fotoszintézis összefüggést egy kezdetben meredeken emelkedő, majd egyre inkább vízszintesbe forduló görbével mutathatjuk be. A legintenzívebb szervesanyag-előállítás mindenesetre a légkörinél magasabb CO2-koncentráció mellett valósul meg (némelyek ezért abban bíznak, hogy a fosszilis tüzelőanyagok egyre gyorsuló felhasználása a termésátlagok növekedését vonja majd maga után. Üvegházakban valóban így történik, de mivel az egyes növényfajok produktivitásának CO2-függése eltérő, ezért a megváltozott CO2-koncentrációk esetleg olyan fajokat juttathatnak előnyhöz, amelyek eddig háttérben voltak, ez pedig a növénytársulásban a dominanciaviszonyok felborulását okozhatja. Másrészt számolnunk kell a CO2 éghajlatváltoztató hatásával is.

A levegő igen fontos komponense a vízgőz, amelynek még az összes mennyiségét is csak meglehetősen pontatlanul ismerjük (~12 300 km3, ez az összes földi vízfolyások statikus vízkészletének kb. a tízszerese). A levegő vízgőzkoncentrációját az abszolút ill. a relatív páratartalommal szokás kifejezni. Az abszolút páratartalom átalában g/m3-ben adja meg az egységnyi térfogatra eső víztartalmat. A relatív páratartalom ugyanakkor az adott hőmérsékleten és nyomáson lehetséges maximális vízgőzmennyiség százalékában fejezi ki, hogy mennyi vízgőz van a levegőben. Ennek alapja az, hogy egy m3 levegő csak ─ a hőmérséklettől és nyomástól függő ─ meghatározott vízgőzmennyiséget képes befogadni. Ha egy 1 m3-es, száraz levegőt tartalmazó tartályba ennél több vizet fecskendezünk, akkor a víz e mennyiség feletti része nem párolog el, hanem folyékony állapotban a tartály alján marad. Ugyanígy, ha egy tartályt, amely ─ adott nyomáson és hőmérsékleten ─ vízgőzzel telített levegőt tartalmaz, lehűtünk, a víztartalom egy része kondenzálódik. Pontosan ez történik a felfelé emelkedő légtömegek víztartalmával is. Ha a vízszintesen haladó levegőnek pl. egy hegylánc állja útját, a levegő kénytelen felfelé is elmozdulni, ami a fentebb jellemző alacsonyabb hőmérsékletek miatt vízkicsapódással, vízcseppecskék megjelenésével jár. Ha ezek kicsinyek, felhőről beszélünk, ha azonban a cseppek tovább nőnek, a kondenzált víz csapadék formájában „kieshet” a felhőből. Ennek köszönhető, hogy a hegyvonulatok szél felőli oldala gyakran jelentősen több csapadékot élvez, mint a szélárnyékos oldal, ahová már telítetlen, szárazabb, lefelé áramló levegő jut.

Szennyező anyagok a levegőben

Természetes körülmények között a levegő igen kevés szennyező anyagot tartalmaz (pl. por, vulkánkitörésekből származó anyagok). A levegőszennyezők túlnyomórészt antropogén eredetűek.

Napjainkban sok szó esik a különböző, légszennyezést okozó vegyületek kiküszöböléséről. Erre a múltban is voltak törekvések, pl. az oktánszámnövelőként régebben a benzinbe kevert ólom-tetraetil forgalomból kivonásával sikerült elérni a légköri ólomkoncentráció és az abból eredő betegségek gyakoriságának csökkenését. Úgy tűnt, végérvényesen megoldódott a probléma. Ám napvilágot látott egy Kensington Gardenben végzett tanulmány, amely megállapította, hogy 1925 és 2001 között a házi verebek száma a kezdeti több ezerről gyakorlatilag nullára csökkent, a legvalószínűbb ok pedig az a metil-terc-butil-éter, amit ─ az elavult ólom-tetraetil helyett ─ kopogásgátló gyanánt újabban a benzinhez adagolnak (Moss, 2001). Ez az éter, ill. annak valamilyen égésterméke ugyanis feltehetően elpusztítja azokat az apró rovarokat, amelyekkel a verébszülők az első három napban a fiókáikat táplálják. Ez az eset intő példa arra, hogy egy kártékonynak bizonyult vegyület másikkal való felcserélése egyáltalán nem biztos, hogy végleges megoldást jelent – talán csak áthelyezi a problémát egy másik színtérre.

Hasonlóan tanulságos a savas esők története (Purves ─ Orians ─ Heller, 1995). A csapadék savanyodását okozó kénsav- és salétromsavtartalom növekedését először Skandináviában figyelték meg. Norvégiában 1978-ra – más halfajok mellett - a barna pisztráng populációja a felére apadt, 1983-ra pedig további 40%-os csökkenést figyeltek meg. Ma az iparosodott országokban a savas eső az általános, pl. Észak-Amerikában a csapadék átlagos pH-ja 5,6, New-Englandben 4,1, néha 3,0 (a pH=3,5 kémhatás már közvetlenül károsítja a faleveleket). Kanadában kísérletképpen egy tó vizét savanyították meg kénsavval úgy, hogy pH-ja 6,6-ről 5,2-re csökkent. Mivel ehhez a nitrifikáló baktériumok nem tudtak alkalmazkodni, a nitrogénciklus megszakadt, és mérgező ammónia halmozódott fel a vízben. A kísérlet befejeztével a pH felment ugyan 5,4-re, de savanyú kémhatás által blokkolt nitrifikáció csak egy év elmúltával indult be újra. A kémhatás megváltozása tehát jelentősen befolyásolja a vizek élővilágát, és a zavaró hatás megszűntével az élővilág csak lassan regenerálódik.

A savas esők kialakulásában fontos körülmény, hogy a savas esők és az azokat kiváltó ipari légszennyezés távolsága több száz kilométer is lehet, hiszen a példaként említett skandináv problémát is az angol és német gyárak füstgázai okozták. A savas esők ellen tehát kizárólag regionálisan érdemes fellépni, a problémát elszenvedő ország saját (lokális)  intézkedései gyakran hatástalanok maradnak. (A széndioxid-kibocsátás mérsékléséhez már ez sem elég, ehhez Föld szintű összefogás kell: ez globális probléma).

A savas esők nemcsak a növényeket és a vízi élővilágot károsítják. Egyik jelentős hatásuk az is, hogy számos kötött állapotban levő nehézfémet kioldanak a talajból, amelyek így a felszín feletti és alatti vizeket mérgezik. Ugyanakkor az is lehet, hogy a kioldás a növényekben vagy az azokat fogyasztó állatok/emberek szervezetében épp hogy hiányt hoz létre bizonyos fémekből, ami betegségek megjelenéséhez vezet. A kémények füstgázaiból a nitrogén és a kén oxidjai eltávolíthatók ugyan, de 90%-os hatásfok felett a tisztítás amúgy is magas költségei jelentősen megugranak.

A globális elsötétülés vagy elhomályosulás (global dimming) jelenségét csak az elmúlt években ismerték fel 2,3. A vízfelszínek párolgását vizsgáló kutatók azt állapították meg, hogy adott felület párolgásának sebessége az 1950-1990-es évek közötti évtizedekben jelentősen csökkent: az Egyesült Államokban 10%-os, Nagy-Britanniában 16%-os, Oroszországban 30%-os csökkenést figyeltek meg. Ez különösen meglepő annak tükrében, hogy közben a globális hőmérséklet folyamatosan növekedett, amitől inkább a párolgás növekedését, mint lassulását várnánk. Mivel a párolgás sebessége a hőmérsékleten és a relatív páratartalmon kívül csak a napfény erősségétől függ, a változás oka ─ ez később be is bizonyosodott ─ csak ennek megváltozása lehet. A jelenség magyarázata az, hogy a füstgázokban a légkörbe jutó apró korom- és egyéb apró részecskék a felhők kialakulásakor kondenzációs magként szolgálnak, és mivel ilyen magokból manapság sokkal több van, a felhők is sokkal több és kisebb cseppből állnak, mint korábban. A sok apró cseppből álló felhők viszont tökéletesebb tükörként viselkednek, nagyobb hányadát verik vissza a Földet érő napfénynek, ennek tulajdonítható a földfelszín elsötétedése. A global dimming jelentősége nemcsak elméleti. Egyrészt a ─ főként az iparosodott északi félgömbre jellemző ─ szennyezett felhők megváltoztatják a felszínek felmelegedését, ezzel pedig a csapadék eloszlását is. Elképzelhető, hogy az északi félteke óceánjainak lehűlése, a csapadéköv délebbre vándorlása, a Száhel-övezet szárazsága és tízmillió afrikai nyomora csak ízelítő a global dimming hatásai közül. Másrészt, mivel a global dimming energiát von el a bolygótól, feltételezhető, hogy a globális felmelegedés eddig tapasztalt ─ és így is ijesztőnek talált ─ mértéke csak egy része annak, ami a global dimming nélkül fellépett volna. A füstgázok egyre elterjedtebb és tökéletesebb tisztításával a globális elsötétülés bár csökken, a globális felmelegedés még erősebb lesz. Az ezt is figyelembe vevő modellek a század végére a korábbi max. 6 °C–os helyett 10 °C–ot is elérő melegedést jósolnak, ami a bolygót emberi életre tökéletesen alkalmatlanná tenné. Bár vannak olyan újabb (bár időnként megtévesztően tálalt vagy meghamisított) megfigyelések, amelyek szerint a Föld melegedése bizonyos szempontból szorosabb összefüggést mutat a Nap ciklusainak változásával, mint a CO2 koncentrációjával, ám ez nem jelenti azt, hogy az üvegházhatás jelentősége elhanyagolható. Mint ismeretes, a Föld átlaghőmérséklete mintegy 33 °C–kal alacsonyabb lenne a jelenleginél, ha nem lenne légköre és nem lenne üvegházhatása, akárhogy is váltakoznak a napciklusok. A napszél erősségének (természetes) változása és az ember által befolyásolt üvegházhatás együtt dönt a Föld éghajlatáról.

A levegő természetesen fizikai hatásokkal is bír. A levegő földfelszínnel párhuzamos áramlása, a szél, valamint az egyéb irányú légmozgások sokrétű hatással vannak az élőlényekre:

a szél a párologtatást fokozza, ami egyrészt hőelvonó hatású (ez melegben kedvező lehet), másrészt vízveszteséget okoz.
a szél nyíró hatású a növényzetre, sérüléseket, féloldalas növekedést eredményezhet.
segítheti a termések, virágporszemek, madarak, rovarok és egyéb állatok terjedését (vagy éppen akadályozhatja azt).