Troposfera

Wiadomości podstawowe

Emisje biosferyczne

Biosfera dostarcza do atmosfery m.in. gazy cieplarniane, ale także tysiące innych związków chemicznych. Wiele z nich to związki organiczne, a biosfera (rozumiana tu głównie jako drzewa, plankton w oceanie i inne rośliny) dostarcza ich do atmosfery w skali globalnej więcej niż ludzie.

Węgiel jest ważnym pierwiastkiem dla organizmów żywych. Związki chemiczne, w skład których wchodzi węgiel, wodór, często tlen i czasami także kilka innych pierwiastków (azot, fosfor, siarka) są nazywane związkami organicznymi. Ludzie dostarczają ich do atmosfery w dużych ilościach np. używając rozpuszczalników, w postaci spalin samochodowych oraz wskutek działalności niektórych gałęzi przemysłu, np. rafinerii. Większość z nas mieszka w miastach i dlatego trudno nam uwierzyć, że to nie ludzie są głównymi emitorami tych związków do atmosfery. W skali globalnej przeważają jednak źródła naturalne, takie jak duże, słabo zaludnione obszary leśne, sawanny czy oceany.

Co biosfera emituje do atmosfery?

Idąc przez las czy łąkę czujesz zapach wielu gazów organicznych, wydzielanych do powietrza przez drzewa, trawy i kwiaty. W skali całego świata do powietrza dostaje się ich w ten sposób ponad 1000 mln ton rocznie, z czego około 500 mln ton stanowi izopren, a 130 mln ton to monoterpeny. Dla porównania szacuje się, że ludzie dostarczają do atmosfery około 200 mln ton związków organicznych rocznie (z wyłączeniem metanu). Gdy wąchasz szpilki sosny to właśnie monoterpeny dostają się do twojego nosa.

Rośliny wytwarzają je i uwalniają do powietrza poprzez liście i igły zwłaszcza w sytuacji zagrożenia (np. zbyt wysoka temperatura powietrza, susza, uszkodzenie drzewa), ale także w warunkach normalnych. Ponadto około 200 mln t metanu rocznie jest dostarczane ze źródeł naturalnych. Jednakże gospodarka dostarcza prawie drugie tyle, głównie z pól ryżowych i hodowli bydła. 
Musimy także wziąć pod uwagę, że 71% powierzchni Ziemi pokrywają oceany, i że żyje w nich wiele organizmów (np. algi). Także w oceanach zachodzą różne procesy chemiczne prowadzące do uwalniania do atmosfery gazów organicznych, np. 45 mln  ton rocznie siarczku metulu (ang. dimethyl sulfide, DMS). Ten związek organiczny zawierający siarkę jest w powietrzu utleniany do kwasu siarkowego, co przyczynia się do tworzenia chmur ponad oceanami.

Aby zrozumieć działanie systemu klimatycznego i procesy zachodzące w atmosferze nie wystarczy jedynie obserwować zmiany w emisjach antropogenicznych związków organicznych; należy także zwrócić uwagę na to jaką rolę odgrywają rośliny w globalnym obiegu tych związków i jakim zmianom to ulega. Oto trzy przykłady, które pomogą nam zrozumieć znaczenie emisji biogenicznych.

2. Drzewo jako źródło związków organicznych (wg N.C. Hewitta, autor ryciny: Elmar Uherek)
Izopren (około 500 mln t/rok globalnie) i monoterpeny (około 130 t/rok) są ważnymi związkami organicznymi, uwalnianymi w dużych ilościach przez drzewa i inne rośliny. Rośliny produkują jednak także wiele innych substancji.
Objaśnienia: cell walls - ścianki komórek, pectin deposition - osadzanie się pektyny, methanol - metanol, flowers - kwiaty, floral scents - zapachy kwiatów, hundreds of gaseous compounds - setki związków gazowych, cell membranes - błony komórkowe, fatty acid peroxidation - nadtlenianie kwasów tłuszczowych, aldehydes - aldehydy, alcohols - alkohole, tissues - tkanki, phytohormones - hormony roślinne, ethane - etan, chloroplasts - chloroplasty, light - światło, hemiterpenes - hemiterpeny, monoterpenes - monoterpeny, isoprene - izopren, resin ducts - kanaliki żywiczne, glands - żołędzie, stored - zmagazynowane, formaldehyde - formaldehyd, formic acid - kwas mrówkowy, acetaldehyde - aldehyd octowy, acetic acid - kwas octowy, ethanol - etanol, acetone - aceton, leaves - liście, stems - pnie, roots - korzenie, other - inne, metabolites - metabolity
Proszę kliknąć na rycinę aby zobaczyć ją w powiększeniu! (100 kB)

Monoterpeny

Monoterpeny odgrywają znaczącą rolę w powstawaniu substancji zapachowych wydzielanych przez wiele roślin, np. drzewa w lesie czy owoce cytrusowe. Monoterpeny to związki organiczne składające się z węgla, wodoru i czasami także atomów tlenu. Mają ciekawie brzmiące nazwy jak limonen czy pinen. Są wytwarzane przez drzewa i inne rośliny a następnie uwalniane do powietrza, najintensywniej o wschodzie Słońca, w ciepłe dni. Gdy roślina znajdzie się w stanie zagrożenia, np. z powodu nadmiernie wysokiej temperatury, suszy czy uszkodzenia, wytwarzanie tych substancji może się zwiększyć.

4. Po lewej stronie pokazana jest struktura chemiczna monoterpenu, beta-pinenu (po lewej) i jednego z najważniejszych naturalnych związków organicznych, izoprenu (po prawej). Obydwa związki są nienasycone. Oznacza to, że mają podwójne połączenia (C=C), zaznaczone przy pomocy czerwonych elips. Aby uprościć schematy skomplikowanych cząstek organicznych, chemicy zazwyczaj nie rysują atomów węgla (C) i wodoru (H). Izopren jest pokazany na dwa sposoby, bez atomów C i H (górna część ryciny) oraz z zaznaczonymi atomami C i H (poniżej).

Substancje wydzielane przez rośliny wchodzą w reakcje chemiczne w atmosferze

Dostawszy się do atmosfery terpeny reagują z utleniaczami (np. OH lub ozonem). Powstają nowe związki chemiczne, które mogą się skraplać w powietrzu i tworzyć cząsteczki lub przyłączać się do już istniejących cząsteczek. Takie cząsteczki, zwane także aerozolami, unoszą się w powietrzu i są konieczne do utworzenia się chmur. Ponieważ różne substancje w aerozolach powodują różne procesy związane z tworzeniem się chmur, emisje roślinne podobnie jak emisje przemysłowe mają znaczący wpływ na powstawanie chmur. Powstawanie aerozolu można nawet zobaczyć: czasami obserwujemy go jako niebieską „mgłę” ponad lasami (ryc. 3), ale możemy także sztucznie go wytworzyć w laboratorium przy pomocy szpilek sosnowych (ryc. 5).

Podtlenek azotu N₂O

Azot odgrywa ważną rolę w biosferze. Wchodzi w skład cząstek budujących organizmy żywe, np. białek, aminokwasów, DNA, a także cząstek transportujących energię, które odgrywają kluczowe role w funkcjonowaniu każdego organizmu. Rośliny pobierają azot z azotanów lub amoniaku zawartych w glebie, a bakterie pomagają go przyswajać w tej formie poprzez wiązanie azotu z powietrza. Bakterie ponadto rozkładają azotany i tworzą w ten sposób podtlenek azotu, w postaci gazowej, uwalnianej do powietrza. Ponieważ podtlenek azotu jest bardzo stabilnym związkiem i nie ulega rozpadowi w swojej wędrówce przez troposferę, jest on najważniejszym źródłem tlenku azotu w stratosferze. Tam wchodzi w reakcje które powiększają dziurę ozonową i ostatecznie wraca na ziemię jako kwas azotowy. Emisje podtlenku azotu wzrastają wskutek coraz większego zużycia nawozów sztucznych w rolnictwie. Na świecie emituje się go rocznie około 15 mln ton.

Siarczek metylu (DMS)

Małe, niewidoczne gołym okiem cząsteczki kwasu siarkowego i wody powodują powstawanie chmur nad oceanami. Ale skąd się bierze kwas siarkowy? Związki siarki są bardzo istotne zwłaszcza dla metabolizmu morskich organizmów, gdyż siarka jest powszechnie dostępna w wodzie morskiej. Algi potrzebują specjalnych związków siarki, np. do regulacji ciśnienia wody w organizmie. Rozkład obumarłych alg prowadzi do uwalniania do atmosfery organicznego związku zwanego siarczkiem metylu, w postaci gazowej. Tam ulega on utlenieniu i tworzy się dwutlenek siarki, a w końcu kwas siarkowy, konieczny do tworzenia się chmur.
W części 3 poziomu podstawowego pola tematycznego “Oceany” znajdziesz więcej szczegółów na temat roli fitoplanktonu w życiu morza.

Przykłady zaprezentowane powyżej pokazują, że emisje dostarczane do powietrza przez biosferę są ściśle powiązane z procesami klimatycznymi, ale jest to zjawisko bardzo złożone.

Zajrzyj także na te strony!

Rola gazów zawierających siarkę, dostarczanych przez fitoplankton jest wyjaśniona na stronie:
Oceany - podstawy - część 3 

O tej stronie:

Autor: dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Uni Duisburg, Niemcy - 2003-07-02
1. Recenzent: Prof. Jürgen Kesselmeier - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy - 2003-07-15
2. Recenzent: Dr. Pascal Guyon - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy - 2004-05-10
Ostatnia aktualizacja: 2004-06-15
Tłumaczenie na język polski: dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków