SUBSISTEMUL ATMOSFERA

Structura atmosferei si rolul sau ecologic

Atmosfera reprezinta invelisul gazos al Pamantului pe care il inconjoara, care nu se disperseaza in cosmos (datorita gravitatiei terestre), a carei densitate scade paralel cu cresterea inaltimii si care nu are o limita superioara precisa. Atmosfera are o structura specifica cu insusiri fizice si chimice specifice, o anumita culoare, o dinamica a presiunii si a temperaturii, toate influentand major biotopurilor si sistemele ecologice. In plan general, atmosfera indeplineste functii ecologice esentiale cu implicatii directe asupra tuturor sistemelor biologice; - constituie o "frontiera" de rezistenta in fata "presiunilor" extraterestre, - regleaza si selecteaza intrarile si iesirile de materie, energie si informatie in schimburile care se realizeaza intre Pamant si Sistemul Solar/galaxie, - constituie un "ecran" termoizolant, este strabatut selectiv in timpul zilei de razele solare, retine caldura iar peste noapte determina mentinerea caldurii in orizonturile sale inferioare-mentinand variatiile termice diurne si nocturne in limite mici (de mare importanta pentru sistemele biologice).

Structura atmosferei

Atmosfera este mai subtire la Poli si mai groasa la Ecuator datorita miscarii de rotatie a Pamantului, avand aspectul unei sfere turtite la poli - directia Nord-Sud; limita exterioara a atmosferei este apreciata a fi la cca. 10.000 km (inaltime de la sol) uneori fiind considerata chiar de 35.000 km; influenta Pamantului se face resimtita insa pana la 100.000 km.

Pana la 35 km inaltime se concentreaza 99% din masa atmosferei; in partea sa inferioara se desfasoara cele mai multe fenomene meteorologice cu implicatii ecologice majore; structura atmosferei nu este omogena, fiind formata din mai multe "straturi", cu insusiri specifice (fig. 1.):

▪ Troposfera este stratul atmosferic situat in imediata apropiere a suprafetei Pamantului, are grosimi variabile (in raport de latitudine) intre 6 km la poli - 11 km (zone temperate) si 16-18 km (Ecuator); cuprinde 3,4 din masa atmosferei si 90% din vaporii de apa ai atmosferei. Absoarbe cea mai mare cantitate de energie radianta emisa de suprafata terestra, in partea sa inferioara (pe o grosime de 3,5 km) se desfasoara cele mai importante fenomene meteo-aici au loc puternice perturbatii atmosferice: furtuni, cicloni, mari fluctuatii barometrice; miscarile aerului se desfasoara in toate sensurile-mai ales la suprafata Pamantului unde relieful si dezvoltarea vegetatiei deviaza curentii in desfasurarea lor; in zona superioara a troposferei miscarile aerului au loc pe verticala. Temperatura in troposfera scade relativ uniform cu cresterea inaltimii (cu o valoare medie de 6,4^o C la 1km inaltime), la limita sa temperatura medie este de -60, -80^o C in regiunea Ecuatorului si -55^o C la latitudini medii. In troposfera vaporii de apa se condenseaza formand precipitatiile, tot aici se produc vanturile, fenomenele de luminozitate, coloratie; toate procesele care apar si se desfasoara in troposfera au implicatii deosebit de importante pentru sistemele biologice.

Stratosfera urmeaza dupa tropopauza, atinge inaltimea de cca. 50 km, este rarefiata, lipsita de curenti de convectie si nori, umiditatea atmosferica este aproape zero; contine stratul de ozon - intre 20-40 km inaltime, acesta are un rol deosebit de important pentru sistemele biologice deoarece absorb radiatiile UV intr-o proportie foarte mare si reflecta radiatiile cosmice. Temperatura aerului creste de la -60^o C la baza sa pana la -4^o C la extremitatea sa superioara; prin structura sa complexa face posibila existenta vietii pe Terra, principalul sau rol ecologic fiind dat de prezenta stratului de ozon care neutralizeaza actiunea distructiva a radiatiilor UV si a radiatiilor cosmice.

Mezosfera se afla pana la cca. 80 km si ii este caracteristica scaderea temperaturii de la -4^o C (in partea sa inferioara) pana la -83^o C la limita sa superioara.

▪ Ionosfera, situata intre 80 si 1000 km inaltime, contine gaze foarte rarefiata, temperatura sa creste in partea sa inferioara destul de mult, de la -82^o C -la mezopauza, in cativa zeci de km ajunge la 200^o C pentru ca in partea sa superioara sa ajunga la temperaturi de 1100-1600^o C; din cauza cresterii temperaturii se mai numeste termosfera si este structurata pe mai multe straturi ionizante (D,E,F,G), ionizarea se desfasoara sub influenta radiatiilor solare si a celor cosmice ier gradul de ionizare variaza functie de intensitatea acestora; absorbtia rad. UV solare determina incalzirea puternica in timpul zilei in timp ce noaptea temperatura scade destul de mult; straturile mai putin ionizate au proprietatea de a reflecta undele radio, permitand efectuarea legaturilor radio pe tot globul. La acest nivel se formeaza Aurorele boreale-fenomene fizice determinate de radiatiile solare patrunse in atmosfera.

Exosfera este ultimul strat al atmosferei, situata de la inaltimi de peste 1000 km si reprezinta stratul atmosferic exterior; la inaltimile de 3 000-4 000 km si 15 000-20 000 km se afla 2 centre de radiatii formate din particule electrice de provenienta Solara si captate de campul magnetic terestru (campul magnetic terestru este resimtit in spatiu pana la 100 000 km inaltime).

Figura 1. Structura atmosferei

Atmosfera anihileaza efectul distrugator al radiatiilor solare:

- absoarbe si difuzeaza 57% din radiatia incidenta; - la nivelul suprafetei Pamantului ajung 43% din radiatia incidenta, din care: - 27% radiatie directa si 16% radiatie difuza;

- prin structura si compozitia sa: - nu permite rad. UV sa atinga suprafata Terrei; - nu permite pierderile de caldura in spatiul cosmic acumulate la nivelul scoartei si astfel variatiile de temperatura diurne/nocturne sunt de mica amplitudine;

- determina circulatia apei in natura.

Asa cum am prezentat anterior, sursa care determina incalzirea atmosfere este Soarele, conditiile acestei incalziri fiind determinate de proprietatile fizice ale maselor de aer, starea atmosferei, gradul de insolatie functie de miscarea de rotatie a Pamantului in jurul axei sale si in jurul Soarelui; atmosfera se incalzeste intr-o masura mai mica (15%) la strabaterea razelor solare, cel mai mult incalzindu-se, indirect datorita radiatiei calorice emise de scoarta terestra (acumulata din energia termica solara, fig. 2.).

Variatiile temperaturii atmosferice:

zilnice,

sezoniere,

anuale, - acestea determinand aparitia unor adaptari legate de bioritm ale sistemelor biologice;

multianuale, - care pot sa determine fie adaptarea/selectia prim modificari morfologice, fiziologice, comportamentale, fie extinctia unor specii.

Figura 2. Schimbul termic cu atmosfera al unei suprafete terestre (nude): a. ziua-in timpul insolatiei puternice; b. noaptea

Radiatie solara (100%=2cal/cm²/min)    12% imprastiere in spatiu

9% reflectat in spatiul cosmic

Nori

Reflexie 33% ATMOSFERA

Rad. contrara

25% difuzie

Absorbtie in atmosfera

Rad. calorica

rad. difuza Reflexie formare de roua

(Albedo) schimb de caldura

Sol Evaporatie    Sol (0.6 cal/cm²/min-la 20^o C)

a.     b.

Problema poluarii atmosferice la scara globala presupune urmarirea a sase categorii de noxe:

1. Monoxid si dioxid de carbon CO, CO₂;

2. Oxizi ai metalelor grele Pb, Hg, etc.;

3. Oxizi ai azotului NO_x;

4. Oxizi ai sulfului SO_x (mai ales SO₂);

5. Ozonul si Comp. org. volatili (COV) CH₄, C₃H₈, C₄H₁₀, C₅H₈, C₁₀H₁₅, Potential toxici, carcinogeni, etc.;

6. Particule materiale in suspensie a caror marime variaza intre 10m (PM10) si 2,5 m (PM2,5).

Sunt evidentiate 2 categorii majore de surse: naturale si antropogene, ultima dintre ele incluzand o multitudine de surse si o mare varietate de noxe; sursele urbane si industriale pot genera procese de inversiune termica cu efecte locale uneori foarte grave asupra populatiei urbane; poluarea in mediul rural este datorata mai ales activitatilor desfasurate in agricultura industriala: utilizarea substantelor volatile din grupa insecticidelor, fungicidelor si erbicidelor, activitatile de infiintare, intretinere si recoltare - mai mult sau mai putin mecanizate sunt surse de NO_x, SO₂, CH₄, NH₃.

Emisii S +O2 atmosferic ox. de sulf-SO2 +O2 atmosferic SO3 +H2O vapori din atmosfera H2SO4 +NH3 Ploi acide (NH4)2SO3 (Poluare secundara)

Emisii C +O2 atmosferic ox. de carbon-CO si CO2

Emisii N +O2 atmosferic ox. de azot-NOx +O2 atmosferic NO2 UV +H2O vapori din atmosfera +comp. hidroxicarbonati NO+O(atomic) NO+HNO2 Peroxiacilnitrati Ozon/ diversi Ploi acide Poluanti (COV)

SCHIMBARI CLIMATICE GLOBALE

Pentru problemele de la nivelul atmosferei termenul de durabilitate este folosit intr-un sens mai restrans; adaptand definitia durabilitatii data de Daly, se subliniaza necesitatea ca atat bunurile capitalului natural cat si cele de origine antropica sa ramana intacte in cursul dezvoltarii si/sau mentinerii SSU si SSE globale. In acest context principalele directii de cercetare si de supraveghere a atmosferei sunt legate de mentinerea capacitatii atmosferei de a sustine sistemele biologice in dinamica naturala de desfasurare a proceselor; cu alte cuvinte atmosferei trebuie sa sustina urmatoarele servicii esentiale pentru sistemele actuale:

- sa regleze bugetul global de energie si sa o redistribuie intre latitudinile mari si mici, intre regiunile oceanice si continente;

- sa stabilizeze regimul termic de la suprafata scoartei terestre si succesiunea anotimpurilor;

- sa permita patrunderea radiatiei solare (din domeniul vizibil) necesara fotosintezei plantelor;

- sa retina componentele din radiatia incidenta solara si radiatiile cosmice care sunt nocive pentru sistemele biologice;

- sa redistribuie, sa inlature si sa elimine gazele sau particulele incompatibile cu procesele biologice si care ar putea deveni daunatoare daca s-ar acumula in atmosfera.

Dupa o lunga perioada de timp vietuitoarele acestei planete au dobandit mecanisme care le permite adaptarea la variatii (sau chiar schimbari) ale parametrilor de mediu, mai intai prin schimbari structurale la nivelul comunitatilor si apoi prin mecanismele evolutiei genetice.

Activitatile de monitorizare a acestui subsistem au in vedere definitia dezvoltarii durabile formulata de Comisia Brundland conform carei activitatile sistemelor umane trebuie sa "satisfaca nevoile prezentului fara sa compromita satisfacerea necesitatilor viitoarelor generatii" (Comisia Mondiala a Mediului, 1987).

Din punctul de vedere al biosferei, functia esentiala a atmosferei este sa mentina un climat cat mai stabil; intr-un sens cat se poate de larg, climatul include caracteristicile meteorologice, fizico-chimice si radioactive ale atmosferei, iar coordonatele schimbarilor nu trebuie sa depaseasca limitele de toleranta ale comunitatilor vegetale si animale.

Schimbarile climatice globale de-a lungul secolului trecut nu sunt cele mai amenintatoare, temperatura globala a crescut cu aproximativ 3^oC si nu exista nici o dovada directa care sa stabileasca ca procesul de incalzire la care asistam se datoreaza emisiilor gazelor cu efect de sera. Rezultatele unui numar relativ mare de proiecte de cercetare prezinta faptul ca aceste cresteri ale temperaturii pe langa faptul ca nu sunt rezultatul exclusiv al concentrarii gazelor de sera in atmosfera, dozarile acestora sunt sub asteptarile cercetatorilor; aceasta poate fi explicata fie prin faptul ca sistemul atmosferic este mai stabil decat era de asteptat, fie datorita faptului ca alte procese de la acest nivel au determinat mentinerea in echilibru dinamic a gazelor mai ales a celor cu efect de sera .

Exista doua avantaje importante in monitorizarea caracteristicilor atmosferei: dinamica relativ mare a proceselor de la nivelul atmosferei astfel incat media intrinseca a acestora poate avea un rol integrator si cel de-al doilea este dat de faptul ca are "masa mica" si devine un indicator sensibil al schimbarile fizice sau chimice.

Compozitia chimica a atmosferei este unul din cei mai sensibili si siguri indicatori ai schimbarilor globale; cu toate ca exista o controversa pe aceasta tema, nu sunt cunoscute detaliile despre procesele care determina viteza de acumulare a CO₂ in atmosfera, nu exista nici un argument care sa ateste crestera concentratiilor CO₂ (ca acestea sunt mai mari decat in oricare alta perioada din ultimii 160 000 de ani) sau inregistrerea unor variatii a concentratiilor. Dupa cum arata studiile recente, multe alte gaze din atmosfera Pamantului au inregistrat modificari a concentratiilor si aceasta schimbare la nivel global dezvaluie pe de o parte mecanismele care au dus la aparitia modificarilor si pe de alta parte, identificarea locatiilor surselor /efectelor inregistrate in timp si extinderea la scara planetara. (Prinn et.al., 1992).

Monitorizarea schimbarii

Pentru a aplica masurarile proprietatilor atmosferice la evaluarea dezvoltarii sustinute, trebuie sa luam in considerare doua probleme : 1. Ce nivel de schimbare atmosferica e compatibil cu dezvoltarea durabila? 2. Cum trebuie sa fie un program de monitorizare pentru a detecta acest nivel critic de schimbare ?

Se pare ca orice schimbare seculara a proprietatilor chimice sau climaterice importante ale atmosferei nu este durabila. Dar o incetinire a ritmului de schimbare care ar cauza distrugeri mediului doar in sute de ani nu este deloc relevanta deoarece procesele sau activitatile umane care cauzeaza aceasta schimbare nu pot fi prevazute pentru aceasta perioada de timp. Activitatea de monitorizare pentru a fi pragmatica, trebuiesc selectate perioadele de timp pentru care se supravegheaza modificarile si viteza cu care se realizeaza schimbarile, care este mecanismele induse la nivelul biotei si a societatii umane. Selectia acestui cadru temporal este in aceeasi masura o problema sociala, politica cat este stiintifica.

In prezent, numai putine activitati sunt supravegheate in vederea surprinderii schimbarilor globale. Sub auspiciile Organizatiei mondiale de metereologie, o retea de statii monitorizare a fost plasata in zonele costiere ale oceanului pentru a masura concentratiile CO₂ si CH₄ atmosferic, masurarea unui numar de parametri meteorologici, ai radiatiilor. GAGE - ul (Experimentul global al gazului atmosferic) monitorizeaza concentratiile de N₂O, CH₄ si o serie de compusi halogenati in zonele maritime indepartate. O mare parte a retelelor regionale monitorizeaza poluarea regionala si locala. In legatura cu schimbarea globala / Programul International al Geosferei si Biosferei mai ales IGAC (Comisia Internationala pentru Chimia Atmosferei Globala) care constituie cel mai important proiect al programului, are in vedere alcatuirea unor noi retele pentru detectarea si monitorizarea schimbarii compozitiei atmosferei. Selectia locatiilor nu are in vedere numai zonele maritime indepartate care sunt potrivite pentru inregistrarea valorilor medii, se vor urmari tendintel globale, regiunale mari - continentale mai potrivite pentru identificarea surselor si a proceselor dar si locale.