Maa süsteemide vahelised seosed Tiina Kapten Geograafiaõpetaja

Omavahel vastasmõjudes olevad Maa sfäärid moodustavad süsteemi, kus seosed avalduvad energiavoogude ning aine liikumise kaudu sfääride vahel. Muutus ühes sfääris võib esile kutsuda muutusi ka teistes sfäärides

Aineringed Maa sfäärides Biogeokeemilised aineringed ehk ainete ringkäik looduses on ainete pidevalt korduv ringlemine Maa pinnal, sfääri piires või ühest sfäärist teise. Aineringe on Maa sfääride ja nende osade üks iseloomulikumaid omadusi. Aineringe põhiline energiaallikas on päikesekiirgus. Erinevalt energiast on toitained taaskasutatavad, seetõttu räägitaksegi aineringetest. Samas tuleb energiast kõneldes rääkida energiavoost läbi süsteemi.

Geoloogiline aineringe Geoloogiline aineringe viib Maa pinnal murenenud kivimid maakoore liikuvais osades suurde sügavusse, kus need moonduvad ja toob moonde- kivimid hiljem jälle maapinnale murenema.

Bioloogiline aineringe Bioloogilises aineringes sünteesivad rohelised taimed orgaanilist ainet, mida teised organismid kasutavad oma orgaanilise aine ülesehitamiseks. Bioloogilise aineringe sulgeb orgaanilise aine lagunemine mineraalaineiks, süsihappegaasiks ja veeks. Bioloogiline aineringe toimub veekogudes, mullas ja ökosüsteemides ning on puhtalt biosfääriprotsess, hõlmates nagu biosfäärgi teiste sfääride osi. Bioloogiline ja biogeokeemiline ainete ringlemine toimub peamiselt vesilahustes ja on seotud elu keemiliste protsessidega.

Aineringe kiirus ja varude suurus Aineringet iseloomustab käive. Käibe kestus näitab, kui pika aja jooksul aine hulk vahetusfondis vahetub. Sisult samalaadne mõiste käibe kiirus, näitab, kui suur osa ringluses olevast ainest mingi aja jooksul vahetub. Aineringe võib toimuda väga erineva suurusega alal, mis on omakorda osa globaalsest aineringest. Elutegevusega seotud biogeokeemiline tsükkel toimib ökosüsteemi piires üpris väikeses ruumiosas suhteliselt suletud aineringena.

Aineringe on tihedalt seotud veeringega, sest vesi paigutab ümber teisi aineid vesilahuses ning liigutab mehaaniliselt litosfääri ja pedosfääri osakesi. Vesi on teiste aineringete jaoks kandja. Süsiniku- ja hapnikuringe eluslooduses on seotud energiavooga läbi ökosüsteemi. Mineraalsete taimetoitainete - lämmastiku, fosfori, kaltsiumi, magneesiumi, väävli jt ringesse on kaasatud nii keemilised kui bioloogilised protsessid.

Süsinikuringe Üle 99% süsinikust on koondunud maakoore ülaossa: mitmesuguste karbonaatsete ja orgaaniliste settekivimite ning setetena. Aktiivses süsinikuringes osaleb sellest vaid väga väike osa. Setete käibe kiirus ringes ulatub looduslikult miljonitesse aastatesse. Maailmamerre on talletunud kokku 40 triljonit tonni süsinikku, millest lõviosa moodustab sügavamates kihtides olev lahustunud anorgaaniline süsinik. Vaid 2,5% süsinikust on koondunud ookeani pinnakihti ja vähem kui ainult 1 sajandik sellest on talletunud mereorganismidesse. Mullad sisaldavad 1,58 triljonit tonni süsinikku, millest turvas moodustab alla veerandi. Atmosfääris oleva süsiniku kogus on 750 x 10 9 tonni, mis on veidi suurem kui maismaataimedesse koondunud süsinikuvaru.

Veelgi olulisem kui ainevarud biosfääri eri osades on aineringe tasakaalu seisukohast aastased ainevood. Nii nagu veeringe puhul, toimub ka muude ainevoogude kaudu geosfääride sidumine üheks terviklikuks biosfääriks. Võtmeroll aineringete käivitamisel ja toimimisel on elusorganismidel. Roheliste taimede tähtsaim ülesanne on fotosüntees, mille käigus seotakse CO2 ja vett ning toodetakse orgaanilist ainet (glükoosi) ja hapnikku. Vastand protsessiks on hingamine ehk respiratsioon, mille käigus O2 tarbitakse orgaanilise aine lagundamiseks ning vabanevad CO2 ja veeaur.

Seega toimub nii süsiniku kui ka hapniku aineringe reguleerimine peamiselt taimede vahendusel. Ühtlasi on rohelised taimed kui produtsendid aluseks kogu bioloogilise aineringe ja energiavoo toimimisele, tootes mineraalsetest ainetest orgaanilist ainet sellest toituvatele konsumentidele - loomsetele organismidele - ja pannes aluse toiduahelatele Orgaanilise aine puhasproduktsioon (fotosünteesil seotud CO2 - hingamise käigus vabanenud CO2) on ookeanides ja maismaal enam-vähem võrdne, ulatudes 50 x 10 9 tonnini aastas. Kui lisada CO2 ja metaani (CH4) vabanemine laguprotsessides, samuti süsiniku neeldumine vees ja maismaasetetes, saame: maismaalt atmosfääri suunatud aastaseks süsinikuvooks 60 x 10 9 tonni, atmosfäärist maismaale suunatud süsinikuvooks aga 61,4 x 10 9 tonni. ookeanist atmosfääri 90 x 10 9 tonni atmosfäärist ookeani 92 x 10 9 tonni Seega läheb aastas looduslike protsesside poolt atmosfääri 3,4 x 10 9 tonni võrra vähem CO2 kui seda maismaal ja ookeanides seotakse.

Bilansi tasakaalustavad vulkaanipursked, mille korral võib atmosfääri paiskuda võrreldav kogus süsinikku, nii CO2 kui CH4 koostises. Süsiniku geoloogilise aineringega võrreldes on biosfääri aineringes süsiniku käive oluliselt kiirem. Süsiniku käibe kiirus ookeani biomassis kompenseerib suhteliselt väikese süsinikuvaru mereelustikus, tagades maismaa ökosüsteemidega võrreldava produktsioonitaseme. Meresetetes, eriti ookeanide madalates kaldapiirkondades on käive väga varieeruv ulatudes 0,1 kuni 1000 aastani. Inimtegevus muudab oluliselt litosfäärse süsiniku käibe kiirust fossiilsete kütuste põletamise teel. See lisab biosfääri aineringesse koos tsemendi tootmisega 5,5 x 10 9 tonni süsinikku aastas. Inimtegevuse peamiseks mehhanismiks globaalse keskonnaseisundi tasakaalu rikkumisel on aineringluse kiirendamine.

On ka vastupidiseid näiteid: Veel lisandub sellele kogusele 1,1 x 10 9 tonni C aastas, mis tuleb maakasutuse muutustest: järjest väiksemaks jääb metsade pindala, mille tõttu suur osa CO2 jääb fotosünteesis sidumata. On ka vastupidiseid näiteid: USA-s tolmutormide tagajärjel kõlbmatuks muutunud põllumaadele istutatud lehtpuumetsad on muutnud süsinikubilansi keskkonnasõbralikumaks, sest metsades seotakse CO2 inimtekkeliste allikatega võrreldavates kogustes. Ka põllumajandustehnika muutmine on aidanud kaasa CO2 lendumise vähenemisele. seetõttu ei olda üksmeelel Kyoto protokolli ratifitseerimise osas, mis näeb ette kasvuhoonegaaside emissiooni olulist piiramist kõigis riikides. Asja teevad keerulisemaks teised kasvuhoonegaasid, eriti metaan (CH4) ja dilämmastikoksiid ehk naerugaas (N2O), mille emissioon on inimtegevuse tagajärjel kasvanud palju kiiremini kui süsinikdioksiidi oma. Jäädes küll CO2-st üldkoguselt suurusjärgu võrra maha, on nende gaaside kasvuhooneefekti tekitav võime vastavalt 21 ja 310 korda suurem kui süsinikdioksiidil.

Eesti olukord süsinikuringe aspektist vaadatuna: põlevkivi põletamisel keskkonda paisatava CO2 kogus on nii suur, et selle kompenseerimiseks oleks vaja kuus korda rokem metsa kui Eestis kasvab. Ehkki globaalses ulatuses on Eesti panus keskkonna saastumisse väike, peab iga riik oma saastepotentsiaali kahandama. EL tingimustes hakkab iga keskkonda paisatav CO2 tonn järjest rohkem maksma, mis lähitulevikus kajastub elektrienergia hinna mitmekordses tõusus.

Lämmastikuringe Lämmastiku aineringe on süsinikuringe kõrval teine tugevasti inimtegevuse poolt muudetud biogeokeemiline tsükkel. Sarnase käibekiirusega süsinikuringest eristab lämmastikuringet asjaolu, et biosfääri lämmastikuvaru on atmosfääris peamiselt molekulaarse lämmastiku (N2) kujul. Märgatavalt väiksemas koguses sisaldub atmosfääriõhus lämmastikoksiide ning ammooniumiühendeid. Atmosfäärne lämmastikuvaru (kokku 78% atmosfääri mahust) ületab maakoore settekivimites ja setetes oleva varu ühe (1), ookeanides sisalduva lämmastikukoguse kahe (2) ning maismaataimedesse ja mereorganismidesse talletunud lämmastikukogusest mitme (3-4) suurusjärgu võrra. Selline jaotus on tingitud lämmastikumolekuli püsivusest, mistõttu selle lõhkumiseks on vaja palju energiat.

Tänu püsivusele ei suuda enamik aineringes osalevaid organisme sellist lämmastikku kasutada. Looduslikult toimub lämmastikumolekuli lõhkumine atmosfääri elektrilahenduste (välgu) kaasabil. On bioloogilised N fikseerijad – organismid, kes N2 molekuli suudavad lõhkuda ja teevad sel viisil N aatomid keemilistele reaktsioonidele kättesaadavaks

Teiseks oluliseks erinevuseks võrreldes süsinikuringega on maismaalt tuleva suurema lämmastikuvoo mõju veeökosüsteemidele ja ookeanile. See tuleneb lämmastikuühendite heast lahustuvusest, mis seob selle toitaine tihedamini veeringega. Looduslikes tingimustes on lämmastiku aastane ärakanne maismaalt ookeani 36 miljonit tonni, millele lisandub ligikaudu sama palju inimtegevusest tulenevat lämmastikku. Molekulaarse lämmastiku käive atmosfääris ja setetes on aeglane, käibe kestus ulatub miljonitesse aastatesse. Oluliselt kiirem on lämmastikuühendite käive aga mullas (käibe kestus - 2000 aastat) ja taimedes (50 aastat). Mikroorganismide poolt fikseeritava õhulämmastiku käive kestab aga vaid kuni 5 nädalat. Lämmastiku bioloogiline ringe on väga keerukas kompleks mitmesugustest reaktsioonidest milles osaleb suur hulk mikroorganisme.

1. Ammonifikatsioon: 2. Nitrifikatsioon: 3. Denitrifikatsioon: Orgaanilise lämmastiku (valkudes ja teistes orgaanilistes ühendites oleva lämmastiku) mineraliseerumine ja tekkinud lämmastikuühendite edasine transformeerumine näeb üldistatult välja järgmine: 1. Ammonifikatsioon: nii aeroobses kui anaeroobses keskkonnas ammonifitseerivate bakterite toimel ilma energialisata; kõrge kontsentratsiooni korral lendub ammoniaak (NH3), kuid enamasti on tulemuseks ammooniumioon (NH4). 2. Nitrifikatsioon: aeroobses keskkonnas nitrifitseerivate bakterite toimel ilma energialisata kaheetapilise protsessina: nitritiooni (NO2) moodustumine nitraatiooni (NO3) moodustumine 3. Denitrifikatsioon: anaeroobses keskkonnas bakterite toimel vajab lisaenergiat (glükoos) nitraat asendab hapnikku, lämmastik käitub elektronide vastuvõtjana. molekulaarne lämmastik eraldub kui on piisavalt orgaanilist ainet ja aega protsessi kulgemiseks muidu on saaduseks kasvuhoonegaasina ja osoonikihi hävitajana tuntud naerugaas (N20). Denitrifikatsioon sulgeb lämmastiku aineringe.

Seetõttu nimetatakse teda limiteerivaks teguriks. Lämmastikuvood biosfääri eri osade vahel on määratud fikseerimise, ammonifikatsiooni, nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni tsüklitega. Lämmastik on oluline taimetoitaine, mida paljudes looduslikes ökosüsteemides ei piisa optimaalse produktsiooni saavutamiseks. Seetõttu nimetatakse teda limiteerivaks teguriks. Porsumise käigus eraldub looduslikes tingimustes maakoorest ringlusse vaid 4 miljonit tonni lämmastikku aastas. Seetõttu kujunes välja õhulämmastiku fikseerimise võime. See on omane paljudele tsüanobakteritele ja ka mitmetele mullas elavatele bakteritele. Osa neist elab sümbioosis taimede juurtel, osa aga vabalt mullas ja veekogude setetes. Tänu neile organismidele on aastane molekulaarse lämmastiku voog: atmosfäärist maismaale 190 miljonit tonni atmosfäärist maailmamerre 40 miljonit tonni. Seda voogu tasakaalustab looduslikes tingimustes denitrifikatsioon: atmosfääri maismaalt 147 miljonit tonni atmosfääri ookeanidelt 30 miljonit tonni N2

Olulise toitainena limiteerib lämmastik kultuurtaimede kasvu, mistõttu ta on enimkasutatavaks väetiseks. 20. saj algul sünteesiti Saksamaal õhulämmastikust ammoniaaki. Sellega imiteeriti looduslikku fikseerimisprotsessi (kasutati kõrget temperatuuri, rõhku ja vastavaid katalüsaatoreid). Järgnes mitte ainult lõhkeainete, vaid ka lämmastikväetiste tootmise buum. 20. sajandi lõpuks kasvas sünteesitud lämmastikväetiste kasutamine 150 miljoni tonnini aastas. Intensiivse põllumajandusega maades põhjavee ulatuslik reostumine nitraatidega, veekogude eutrofeerumine ja looduslike liigirikaste koosluste hävimine, kuna enamik looduslikke liike ei talu kõrget lämmastikufooni. Nüüdseks on arenenud riikides lämmastikväetiste süntees ja kasutamine oluliselt vähenenud, mistõttu ka lämmastikuvood biosfääri eri osade vahel on kahanenud. Praegu toodetakse aastas vaid 20 miljonit tonni lämmastikväetisi ja lisaks kasvatatakse liblikõielisi taimi

Fossiilsete kütuste põlemisel vabanevad NOx gaasid annavad 20 miljonit ja biomassi põletamine 12 miljonit tonni N aastas. NOx gaaside peamiseks allikaks on sisepõlemismootoriga autod, kus kõrgel temperatuuril põleva kütuse jääkidena tekib rohkesti NO, mis õhu käes oksüdeerub kiiresti NO2. Maalähedases õhukihis, eriti soojema kliima alade suurlinnades on NOx koos aluseks sudu tekkele, mille koostiseks on osoon, mitmed orgaanilised ühendid ja fotooksüdandid. Tänu katalüsaatorite kasutuselevõtule, mis seovad autode heitgaasides NOx ühendeid, samuti vähemsaastavate kütuste kasutamisele on lämmastikuühendite emissioon hakanud kahanema. Arengumaades, kuhu on suurenenud põllumajandus ja rasketööstus, suureneb saasteainete, sh lämmastikuühendite emissioon jõudsalt. Kui süsinikuringe puhul inimese tegevus üksnes kiirendas looduslikke, eelkõige litosfääriga seotud aineringeid, siis lämmastiku puhul lisandus varude ja voogude vahelise loodusliku tasakaalu muutmine.