Ugrás a tartalomhoz

Környezeti rendszerek

Dr. Kerényi Attila, Dr. Kiss Tímea, Dr. Szabó György (2013)

Debreceni Egyetem

10.2. Anyagáramlások a levegő és víz mozgásaival összekapcsolt geoszférákban

10.2. Anyagáramlások a levegő és víz mozgásaival összekapcsolt geoszférákban

Az előző fejezetben láthattuk, hogy a földkéreg által határolt Föld bolygó belsejében viszonylag zárt anyagáramlás zajlik. Azért nem tökéletesen zárt, mert a vulkanizmus révén gázok és aeroszolok kerülnek a légkörbe, és a víz alatti vulkanizmus a mélytengerek anyagi összetételét, sőt a fény nélküli élővilág kialakulását is befolyásolja.

A földkéreg fölötti geoszférák még szorosabb kapcsolatban vannak egymással, s bennük az anyagáramlásokat meghatározó módon két közeg, a levegő és a víz biztosítja. A bioszféra és a társadalom anyagcseréjével, termelésével és fogyasztásával közvetlenül hasznosítja a légkör, a hidroszféra és a litoszféra anyagait (utóbbinak csak a legfelső vékony, néhány km-es rétegét), és térben is átszövi ezeket a geoszférákat. Mindezért indokolt, hogy a bennük lejátszódó anyagáramlásokat együtt tárgyaljuk.

Azt is tudnunk kell, hogy minden anyagáramlás egyben energiaáramlással is együtt jár. Az egyik legismertebb, legközönségesebb anyag a Földön a víz, amelynek ötször akkora a hőkapacitása, mint a kéreg anyagáé, vagyis a víz mozgásával nagy mennyiségű hőenergia szállítása is történik. A továbbiakban mégis az anyagáramlásokat helyezzük a középpontba, mert azok mennyiségi viszonyai pontosabban ismertek. (Az éghajlati rendszernél azonban visszatérünk a hőenergia szállítására.)

Az anyagáramlások jellemzője, hogy egyfajta ciklikusság, körfolyamat figyelhető meg működésük során. A „körfolyamatot” természetesen nem geometriai értelemben használjuk, hanem „a kiindulóponthoz való visszatérés” értelemben, mint ahogy azt a litoszféra és a földköpeny anyagáramlási ciklusánál is megfigyelhettük. A továbbiakban tárgyalandó anyagciklusokat az egyszerűség kedvéért a Föld külső anyagciklusainak nevezzük. Mint látni fogjuk, ezek is kapcsolatba kerülnek a belső (földköpenybeli) anyagáramlási ciklussal, így bizonyítva, hogy bolygónk működési egységet képező, hatalmas méretű, többszörösen összetett rendszer. A külső anyagciklusoknak mégis vannak olyan sajátosságai, amelyek eltérnek a belső anyagciklustól.

Az egyik ilyen eltérés az anyagáramlásokat mozgásban tartó erőhatásokban keresendő. A külső anyagciklusok mozgásához szükséges energiát meghatározó módon a Nap sugárzó energiája biztosítja, míg a belső anyagciklusokban a földmag héja a meghatározó. A gravitáció mindkét esetben fontos erőhatás, a külső erőhatások jó része azonban a napenergia áttételes érvényesülését jelzi: pl. a szél, a hullámzás, a párolgás; sőt a zöld növényekben akkumulálódott energia is a napsugárzásból származik.

Az élettelen Föld időszakában csak kémiai és fizikai változások zajlottak bolygónkon. Az akkori anyagáramlásokat kevésbé ismerjük, és számos hipotetikus elem teszi bizonytalanná ezek értelmezését.

Az élővilág megjelenésével az anyagáramlásokban nagyon fontos szerepet játszott az élő anyag működése, anyagcseréje. Mint a történeti áttekintéskor láthattuk, a légkör anyagi összetételének megváltoztatásában meghatározó szerepe volt. Az emberi társadalom megjelenéséig az anyagciklusokat méltán nevezhetjük biogeokémiai anyagciklusoknak, körfolyamatoknak. Legtöbb tankönyv a mai anyagforgalmat is ezzel a megnevezéssel ismerteti, holott kétféle fontos hatásra nem utal ez a terminus technicus. Egyrészt többféle anyagáramlás esetében (pl. vízkörforgás, gázok diffundálása, légköri elkeveredése stb.) fontos szerepe van a fizikai folyamatoknak is. Másrészt a társadalom olyan mértékű anyagcserét folytat a természeti környezettel, hogy az általa előidézett anyagáramlások több esetben 20–30%-kal módosítják a biogeokémiai ciklusok természetes áramlásainak mértékét. (Egyes anyagok estében, mint pl. az ólom, ez az antropogén többlet még ennél is sokkal nagyobb lehet.) Mindez azt is indokolja, hogy a globális anyagciklusok elnevezésében ezt az emberi hatást is érzékeltessük. Tekintettel arra, hogy munkánk a környezeti rendszerekről szól, a továbbiakban mi antropobiogeokémiai ciklusokról fogunk beszélni, hogy a társadalomnak a földi rendszer működésében betöltött fontos szerepére a nevezéktanban is utaljunk. (Az egyszerűség kedvéért több esetben csak anyagciklusokat említünk, a kifejezést azonban ekkor is antropobiogeokémiai ciklus értelemben használjuk.)

10.2.1. Az antropobiogeokémiai ciklusokkal kapcsolatos alapfogalmak

Minden anyagciklus leképezhető egy modellel, amely kémiai elem vagy vegyület mozgását írja le oly módon, hogy megadja a mozgás irányait, útvonalait, azokat a környezeti objektumokat, ahol az adott elem vagy vegyület hosszabb ideig tartózkodik (rezervoárok = raktárak), s ha rendelkezésre állnak, mindezek mennyiségi adatai.

A rezervoárok száma a rendszermodell részletességétől, vagyis a felbontóképességtől függ. A ciklus fontos jellemzője a fluxus, amely azt az anyagmennyiséget jelenti, amely egy meghatározott időtartam (rendszerint egy év) alatt egy adott szállítási útvonal mentén mozog. Ha egy elem/vegyület koncentrációja állandó marad a rezervoárban, ez azt jelenti, hogy egyensúly van a belépő és kilépő elem/vegyület mennyisége között. Ez dinamikus egyensúlyi állapotra utal. Az ember által legkevésbé befolyásolt, s így „kvázitermészetes” ciklusok globális szinten ebben a dinamikus egyensúlyi állapotban vannak.

Ha tudjuk, hogy egy rendszer ilyen állapotban van, a következőképpen határozhatjuk meg az egyes elemek tartózkodási idejét az egyes rezervoárokban (O’Neil, 1985):

Ha pl. az óceánban oldott nátrium tömege 15 · 18, és minden évben 1 · 11 érkezik hozzá, akkor a tartózkodási idő 150 millió év. Ebből az adatból azt is láthatjuk, hogy az emberi élet léptékével mérve nagyon hosszú időtartamokról van szó. Az óceánban legtöbb elem tartózkodási ideje millió éves nagyságrendű. Mint látni fogjuk, léteznek azonban gyorsabban lezajló anyagciklusok is.

Az emberi tevékenységek sokszor oly módon változtatják meg az anyagáramlásokat, hogy az anyagmennyiségek az egyes rezervoárokban (anyagraktárokban, vagy egyszerűen: raktárokban) az egyensúlytalanság irányába mozdulnak el. Vegyünk egy példát a globális földi rendszerből. Maga az élővilág a szénciklus egyik meghatározóan fontos raktára (a szénciklusban biomasszaként fogjuk tárgyalni): a tudományos becslések (számításokon alapuló, jó közelítéssel becsült értékek) az 1980-as években 56 Mrd tonnára tették a biomassza széntartalmát.

A társadalom azonban gyorsabb ütemben használja fel az élővilágot saját céljaira (fakitermelés, túlhalászás, túllegeltetés stb.) mintsem az a fotoszintézis révén pótolni lenne képes az „elvesztett” széntartalmat. Ilyen esetben tehát a raktár kezd „kiürülni” azaz a széntartalma fokozatosan csökkenni fog. Nem szabad azt sem elfelejtenünk, hogy az itt egyszerűen anyagraktárnak minősített élővilág rendkívül bonyolult, többszörösen összetett rendszert alkot, és a tartós anyagvesztés az egész élő rendszer működését hátrányosan befolyásolja.