sistēmā ir savstarpēji saistītu elementu kopums, kas veic … · •atmosfērai ir slāņaina...
TRANSCRIPT
• Pasaule ap mums ir izkārtota noteiktā kārtībā – sistēmā (grieķu val. systema - vesels, sastāvošs no daļām). Sistēma ir savstarpēji saistītu elementu kopums, kas veic noteiktas funkcijas. Pēc sarežģītības pakāpes dabas sistēmas, kuras veido Zeme un viss, kas uz tās atrodas, ir pieskaitāmas ļoti sarežģītām sistēmām.
• Dzīvie organismi un to skaitā cilvēks var ietekmēt uz Zemes noritošos procesus, piemēram, vielu plūsmas, klimatu, ūdeņu apriti.
• Vides zinātne – zinātne par vides sistēmām un cilvēka ietekmi uz tām.
4
Sistēmas
Vispārīgais princips ir kopīgs - visās sistēmās ir kāds virzošais spēks, kas liek sistēmām darboties.
• visām sistēmām ir noteikta struktūra, • sistēmas ir reālās pasaules abstrakcijas vispārinājums vai
idealizācija, • sistēmu funkcionēšana izpaužas kā strukturāla
mijiedarbība starp elementiem, • sistēmas funkcijas netieši norāda uz kāda “materiāla”
plūsmu vai pārvietošanos, • funkciju nodrošināšanai ir nepieciešams kāds virzošais
spēks vai enerģijas avots, • visās sistēmās ir noteikta integrācijas pakāpe.
5
NETĀLU NO IGUASU ŪDENSKRITUMA UZ PARANAS UPES – ROBEŽA STARP BRAZĪLIJU UN PARAGVAJU
6
Vides sistēmu pašregulācijas iespējas cilvēku pasaulē
Automašīnu
izgāztuve
ASV.
7
Modeļi
Terminu “modelis” ikdienā lieto ar vairākām nozīmēm:
• paraugs vai etalons;
• veidojums ar kura palīdzību kaut ko attēlo samazinātā veidā;
• objekts, ko veido, lai aizstātu pētāmo objektu un kam ar to ir zināma līdzība;
• attēlojamais objekts tēlotājā mākslā;
• cilvēks, kas pozē māksliniekam.
Lai vienkāršotu vides sistēmas, tās aizvieto ar modeļiem, bet, lai modeļi būtu noderīgi, tiem jāidealizē sistēmas, kā arī pietiekami skaidri jāparāda sistēmas struktūru un darbības mehānismu.
• Saules sistēma radusies pirms apmēram 4,6 mljrd. gadu, kondensējoties starpzvaigžņu telpā esošajam gāzu un putekļu mākonim.
• Dzīvība aizsākās apmēram 1,6 mljrd. gadu pēc Zemes izveidošanās. Zeme no kosmosa
• Zeme funkcionē kā noteiktas sistēmas (sfēras):
– atmosfēra, – hidrosfēra, – litosfēra,
starp kurām pastāv vielu un enerģijas plūsmas.
• Zemes sfēras atšķiras pēc: – sastāva, – masas, – noritošajiem procesiem, kuru
rezultātā notiek attiecīgo sfēru veidojošās vielas apmaiņa.
Masa, kg Aprites laiks,
gadi Veidojošie ķīmiskie elementi
Vielas
stāvoklis
Atmosfēra 5,2 1018 0,2 N2, O2, H2O, CO2, Ar gāzveida
Hidrosfēra 1,4 1021 1600 H2O (ūdens, ledus), ūdenī
izšķīdušas vielas (Na+, Ca+2, Cl-) šķidrs, ciets
Biosfēra 4,2 1015 60 organiskas vielas, H2O šķidrs, ciets
Litosfēra:
Garoza
Mantija
Kodols
2,4 1022
4,0 1024
1,9 1024
>3 107
>108
nemainās
silikāti, karbonāti, sulfīdi, oksīdi
silikāti (olivīns, piroksēns)
dzelzs un niķelis
ciets
ciets
šķidrs
(kodola
centrs - ciets)
• Zemes galveno sastāvdaļu masa, vielu aprites laiks un struktūras galvenie elementi:
• Sistēmas var iedalīt: – atvērtās (kur vielas un enerģijas plūsmas netiek ierobežotas,
piem., okeāns attiecībā pret hidrosfēru vai Zeme attiecībā pret enerģijas plūsmām),
– slēgtās (piem., Zeme attiecībā pret vielu plūsmām).
• Sistēmas raksturo to spēja reaģēt uz ietekmēm jeb atgriezeniskā saite – pašregulējoša vai sistēmas stāvokli stabilizējoša, nodrošina sistēmas uzturēšanu relatīvi konstantos apstākļos.
• Atgriezeniskā saite var būt: – pozitīva (ja iedarbība uz sistēmu noved pie tālākas sistēmas
darbības pieauguma), – negatīva.
Negatīvas atgriezeniskās saites piemērs:
Vata regulators regulē tvaika padevi uz tvaika mašīnu. Jo intensīvāk darbojas tvaika mašīna, jo ātrāk griežas centrbēdzes mehānisms kā rezultātā tvaika padeves vārsts aizvien ciešāk noslēdz tvaika padevi.
• Atmosfēra sastāv no vielām gāzveida stāvoklī (O2, N2).
• Kopējā atmosfēras masa (5,2 1018 kg) ir apmēram viena miljonā daļa jeb 0,00009 % no Zemes masas.
• Atmosfērai ir slāņaina uzbūve, un tāpēc atkarībā no attāluma līdz Zemes virsmai daudzi tās raksturlielumi (piem., temperatūra) un sastāvs mainās neviendabīgi.
• Zemākie atmosfēras slāņi ir ievērojami blīvāki un tajos ir koncentrēta atmosfēras gāzu pamatmasa, bet augšējos slāņos gāzu koncentrācija ir ievērojami zemāka – gāzes eksistē jonizētā stāvoklī.
• Zemes atmosfēras un temperatūras mainība atkarībā no attāluma līdz Zemes virsmai:
Zemes atmosfēra atrodas dinamiskā līdzsvara stāvoklī.
Ja atmosfēras spiediens mainās vienmērīgi, tad temperatūras izmaiņas
notiek lēcienveidīgi, atkarībā no attāluma līdz
Zemei.
• Atmosfēras loma Zemes sistēmā:
– atmosfērā noris intensīvi vielu un enerģijas aprites procesi, līdz ar to atmosfēras pastāvēšana ir dzīvības priekšnosacījums uz Zemes.
– Zemes siltuma bilances nodrošināšana.
– atmosfēru var uzskatīt par barjeru, kas pasargā dzīvības procesus uz Zemes, jo atmosfērā tiek absorbēts kosmiskais starojums un liela daļa no Saules nākošā elektromagnētiskā starojuma.
– atmosfēras augstais kustīgums nodrošina to, ka piesārņojums, kas rodas vienā Zemes reģionā tiek transportēts uz citiem reģioniem un var tikt izkliedēts pat globālā mērogā.
• Hidrosfēra ir Zemes virsmas un tai tuvējās Zemes garozas daļas ūdeņu kopums, kurā lielāko daļu aizņem Pasaules okeāns.
• Hidrosfēras kopplatība (okeāns + ledāji + ezeri + upes + purvi + mitrzemes) ir 383 milj. km2, un tā aizņem 75 % no Zemes virsmas kopplatības.
• Vielu aprite lielā mērā saistās ar ūdens apriti uz Zemes. Ūdens nosaka dzīvības procesu norisi un raksturu uz Zemes, kā arī ir galvenā augstākos dzīvos organismus veidojošā viela.
• Litosfēra ir Zemes ārējā cietā daļa.
• Astenosfēru un augšējo mantiju veido daļēji izkusuši ieži un šķidrs materiāls.
• Zemes ārējais kodols ir šķidrs un veido ~ 30 % no Zemes masas.
• Iekšējais kodols ir ciets un sastāv galvenokārt no Fe un Ni.
• Biosfēra ir Zemes daļa, kurā ir izplatīti dzīvie organismi. Biosfēra ietver:
– apakšējo atmosfēras daļu (troposfēru), – visu hidrosfēru, – augšējo litosfēras daļu.
• Biosfēra ir gan dzīvo būtņu kopums, ko sauc par biomasu, gan arī organismu dzīves vide.
• Dzīvos organismus iedala:
– autotrofos – primāro biomasu radīt spējīgie, – heterotrofos – primārās biomasas patērētāji.
• Dzīvās vielas masā dominē fitomasa, bet zoomasas apjoms ir ap 2-10 % no kopīgā biomasas daudzuma.
• Dzīvā viela sastāda 0,01 % no Zemes garozas masas. Biomasas koncentrācija ir atšķirīga:
– tropu mežos – vidēji 65 kg/m3, – taigā 20-25 kg/m3, – melnzemes joslas stepēs 1 kg/m3, – tuksnešos 0,25 kg/m3.
• Pasaules okeāns pēc biomasas koncentrācijas lielākoties ir tuvs tuksnešiem, tomēr jūras organismi ātrāk vairojas un arī sadalās, bioloģiskā aprite ir daudz intensīvāka. Tādējādi planktons ir lielākā un nozīmīgākā planētas dzīvo organismu kopa (biocenoze).
• Dzīvās sistēmas atšķirībā no nedzīvajām, aktīvi apmainās ar apkārtējo vidi, nemitīgi uzņemot no tās vielu un enerģiju un izdalot vidē dzīvības procesu atkritumproduktus.
• Galvenās dzīvo sistēmu kategorijas ir: – šūna, – organisms, – populācija, – biocenoze.
• Šūnām un organismiem piemīt kairināmība – tie aktīvi reaģē uz izmaiņām vidē, aug, attīstās un vairojas.
• Nedzīvās dabas elementu kopums, ko sauc par biotopu un dzīvo organismu kopums jeb biocenoze, veido vienotu sistēmu – ekosistēmu.
• Ekosistēmas dzīvais komponents ir sugu sabiedrības – biokopas.
• Biokopu raksturo sugu daudzveidība (sugu skaits).
• Visas uz Zemes dzīvojošās organismu sugas iedala četros lielos nodalījumos – valstīs – baktērijas, sēnes, augi, dzīvnieki.
• Dzīvie organismi ir biokopu pamatvienības. Šie organismi ir atkarīgi no vides faktoriem (piem., temperatūras, mitruma, augsnes auglības) un vienlaikus arī paši tos pārveido.
• Ekosistēmas ir atvērtas sistēmas: tās nepārtraukti uzņem un izvada enerģiju un vielas, kā arī ir saistītas savā starpā un veido ekosistēmu pakārtotību jeb hierarhiju.
• Ekosistēmas galvenā funkcija ir dzīvības nepārtrauktības nodrošināšana.
• Starp ekosistēmām nav iespējams novilkt precīzas robežas, ja vien tās nav iezīmējusi pati daba (piem., līnija starp sauszemi un ūdeni). Visbiežāk starp ekosistēmām ir izteikta pārejas zona – ekotons.
• Dažādu sugu organismi ekosistēmā parasti mijiedarbojas savā starpā un veido ekoloģisko barības ķēdi jeb trofisko ķēdi.
• Trofiskā ķēde neatspoguļo attiecības starp sugām, bet gan raksturo organismu barošanās hierarhiju ekosistēmā, kā arī vielu un enerģijas plūsmu tajā.
• Enerģijas deficīts un zudumi trofiskajā barības ķēdē ir cēlonis tam, ka ekosistēmā parasti augēdāju ir mazāk nekā augu un plēsēju mazāk nekā upuru.
• Trofiskais tīkls atspoguļo barības attiecības starp atsevišķām sugām.
Sugas ar daudzveidīgu barošanos veido tīkla mezglu
punktus, bet sugas, kas specializējušās tikai viena
barības objekta patērēšanā, tīklam ir piesaistītas tikai ar
vienu pavedienu.
• Ekosistēmas nemitīgi mainās, attīstās. Vienu biokopu nomaina cita, atšķirīga pēc sugu sastāva. Šo procesu dēvē par ekoloģisko sukcesiju.
Ekoloģiskās sukcesijas piemērs
– tīruma aizaugšana un egļu meža izveidošanās,
kas notiek aptuveni 80-100
gadu laikā.
• Sukcesijas var iedalīt laika ziņā: – īsas jeb mikrosukcesijas, kas
notiek dažu nedēļu laikā, – ilgas sukcesijas, piem., ezera
pakāpeniska aizaugšana un pārveidošanās par purvu ilgst gadu tūkstošus.
• Ekosistēma attīstības gaitā virzās uz noteiktu galamērķi – ekoloģisko klimaksu, kuru sasniedzot tā vairs tālāk nemainās.
34
Ķērpis ir aļģes un sēnes simbioze
• Cilvēks ir ekosistēmas sastāvdaļa, kas, atšķirībā no pārējiem organismiem, spēj: – būtiski ietekmēt vides sistēmas, – izmantot tajās saražoto bioloģisko produkciju, – izmainīt sugu sastāvu sev vēlamajā virzienā.
• Lai sekmīgi apsaimniekotu ekosistēmas, ir labi jāpārzina to funkcionēšanas likumsakarības un sugu struktūra.
• Cilvēks ar savu rīcību spēj planētas ekosistēmas gan uzturēt, gan sagraut.
• Gadījumos, kad nav pietiekamas informācijas par sistēmu, iejaukšanās tajā drīkst veikt tikai ievērojot maksimālās piesardzības principu.
• Uz Zemes notiek pastāvīga elementu, vielu un enerģijas aprite, kas ietver gan ķīmiskās pārvērtības, gan ģeoloģiskos procesus un to veidošanā aktīvu dalību ņem dzīvie organismi. Tādējādi vielu apriti apraksta bioģeoķīmiskie cikli.
• Vielu (piem., ūdens) un elementu (piem., skābeklis, sērs, ogleklis) avots ir litosfēra, no kuras vielas var nokļūt atmosfērā un hidrosfērā vulkāniskās darbības rezultātā vai iežiem dēdējot.
• Nozīmīgākie elementi vidē – ogleklis un skābeklis. Citi elementi, kas Zemes garozā un ūdeņos atrodami mikrodaudzumos (piem., fosfors, bors, varš), arī ir nepieciešami dzīvības procesu nodrošināšanai.
• Vielu un elementu apriti virza enerģijas plūsmas, kas Zemi sasniedz no Saules.
• Zemi veidojošā viela ir pakļauta pārvērtību un izmaiņu procesiem:
Daļa minerālu ir stabili, noturīgi, un mainoties
vides apstākļiem ir spējuši saglabāties. Citi
savukārt ir dinamiski un aktīvi piedalās
Zemes garozas sastāva un īpašību pārmaiņās.
• Galvenais enerģijas avots uz Zemes ir Saules enerģija.
• Galvenie faktori, kas nosaka Saules enerģijas pieplūdi ir: – starojuma veiktais attālums, – leņķis, kādā Saules starojums sasniedz Zemes virsmu, – atmosfēras sastāvs un no Saules un kosmiskās telpas nākošā
starojuma mijiedarbība ar Zemes atmosfēras gāzēm.
• Zemi sasniedz:
– no Saules nākošais elektromagnētiskais starojums, kas galvenokārt ietekmē Zemes klimatu,
– jonizētu daļiņu plūsma (piem., ūdeņraža vai hēlija atomu kodoli) un elementārdaļiņas,
– no kosmiskās telpas nākošu daļiņu un starojuma plūsma (kosmiskais starojums).
• Attiecība starp atstaroto un absorbēto enerģiju:
~30 % no starojuma, tiek atstarota atpakaļ Visumā (daļu atstaro mākoņu sega un smalkās daļiņas, kas atrodas atmosfērā), 51 % no Saules nākošā starojuma absorbē Zemes virsma, un šī enerģija tiek
izlietota vides procesos (piem., iztvaikošana).
• No Saules nākošā elektromagnētiskā starojuma absorbcijas princips Zemes atmosfērā un siltumnīcā:
Siltumnīcefekta gāzes (ogļskābā gāze, metāns) un arī ūdens tvaiki ir caurlaidīgas ienākošajam starojumam, bet aiztur no Zemes virsmas
atstaroto infrasarkano starojumu. Jo augstāka ir šo gāzu koncentrācija atmosfērā, jo vairāk starojuma tiek aizturēts Zemes atmosfērā un līdz
ar to pieaug Zemes virsmas temperatūra.
• Ūdens ir atjaunojošais dabas resurss un dzīvību uzturošā viela uz Zemes.
• Dabas ūdeņus klasificē pēc to mineralizācijas pakāpes:
– saldūdeņi (kopējais sāļu daudzums ir līdz 1 g/l),
– iesāļūdeņi (sāļu daudzums 1-10 g/l),
– sāļūdeņi (sāļu daudzums 10-35 g/l), – sālsūdeņi (sāļu daudzums >35 g/l).
• Saldūdens ir neliela visu Zemes ūdeņu daļa (~3 %), no kā apmēram 2/3 saistīta ar ledājiem un sniega segu, bet 1/3 ar pazemes ūdeņiem. Upes un ezeri veido niecīgāko saldūdens daļu.
• Ūdens krājumu sadalījums uz Zemes:
Ūdeņu veids Tilpums, km3
Okeāni 1 338 000 000
Pazemes ūdeņi 23 900 000
tsk. saldūdens pazemes ūdeņi 10 530 000
Augsnes mitrums 16 500
Ledāji un sniega sega 24 064 100
Saldūdens ezeri 91 000
Sāļie ezeri 85 400
Upju ūdeņi 2 120
Ūdens atmosfērā 12 900
• Hidroloģiskais cikls apraksta ūdens apriti vidē:
• Cilvēka darbība būtiski ietekmē ūdeņu plūsmas. Jau tuvā nākotnē cilvēka ūdens patēriņš varētu pārsniegt dabisko ūdeņu plūsmu iespējas.
Arāla jūras platība 2008. gadā (ar nepārtrauktu līniju atzīmēta jūras platība 1960. gadā).
Ūdens patēriņa mainības tendences un tās prognozes dažādos tautsaimniecības sektoros.
• Ogleklis ir nozīmīgākais dzīvos organismus veidojošais elements, tomēr uz Zemes ir relatīvi maz izplatīts (vidēji 350 mg/kg).
Oglekļa ciklā nozīmīgas
funkcijas ir biosfēras dzīvajiem,
fotosintezējošiem organismiem, kas
nepārtraukti saista CO2 no atmosfēras,
veidojot organiskus savienojumus.
• Oglekļa oksīdu un metāna emisijas apjoma pieaugums var kļūt par faktoru, kas var negatīvi ietekmēt vidē noritošos procesus un oglekļa aprites ciklu.
• Tiek vērtēts, ka pēdējo 100 gadu laikā CO2 antropogēnās emisijas apjoms pieaudzis vidēji par 2,5 % gadā. CO2 saturu gaisā ietekmē arī mežu platību samazināšanās.
Ogļskābās gāzes emisijas apjoma izmaiņas pēdējo gadsimtu laikā.
• Slāpekļa fiksēšanu (pārvēršanos reaģētspējīgos un bioloģiski pieejamos savienojumos) nodrošina atmosfērā noritošās reakcijas un dzīvo organismu darbība.
Slāpekļa savienojumi vidē sastopami
galvenokārt kā N2O, NO, NO2, HNO3, NH3, amonija sāļi. Slāpekļa
savienojumi ir savstarpēji saistīti un var pārvērsties viens
otrā.
Slāpekļa fiksēšanas apjoms dabiskajos un cilvēka darbības
procesos pasaules mērogā.
• Galvenais process slāpekļa aprites ciklā ir tā asimilācija – reakcijas, kurās mikroorganismi saista atmosfēras slāpekli. Asimilācijas rezultātā veidojas slāpekļa organiskie savienojumi.
• Ņemot vērā slāpekļa savienojumu ražošanas ievērojamos apjomus, tie var negatīvi ietekmēt gan vidē noritošos procesus, gan arī cilvēku un dzīvnieku veselību.
• Slāpekļa savienojumi lauksaimniecībā tiek ievadīti augsnē, lai nodrošinātu kultivējamo augu lielāku ražību. Tomēr liela daļa no izmantotajiem slāpekļa savienojumiem nokļūst pazemes un virszemes ūdeņos. Kopā ar slāpekļa savienojumiem, kas izkrīt ar atmosfēras nokrišņiem tie rada, gan ūdeņu, gan augsnes „pārbarošanu pārsātināšanu”, bet nākošajos etapos – eitrofikāciju.
Slāpekļa savienojumu izkrišanas ar atmosfēras nokrišņiem apjomu mainība pēdējo gadsimtu laikā un tā apjomu prognoze.
• Fosfora aprite ir īpaši nozīmīga tāpēc, ka fosfors bieži ir dzīvo organismu attīstību limitējošs elements.
Fosfāti nokļūst
dzīvnieku organismos
patērējot augus, bet ar izkārnījumiem un
dzīvo organismu sadalīšanās
rezultātā pēc to bojā ejas, atgriežas augsnē un ūdeņos.
• Fosfors ir nozīmīgs dzīvo organismu dzīvības procesu nodrošināšanā, jo ietilpst ģenētiskās informācijas nesēju molekulu sastāvā (DNS, RNS), daudzu olbaltumvielu sastāvā, kā arī molekulu sastāvā, kas nodrošina enerģijas pārnesi šūnās – ATF, ADF.
• Fosfora aprites cikls atšķiras no citu elementu aprites cikliem ar to, ka tas neietver vielas gāzes fāzē.
• Cilvēka darbība ir kardināli izmainījusi fosfora plūsmu raksturu vidē. Praktiski visas fosfora savienojumu lietojuma jomas saistās ar to, ka fosfors nokļūst hidrosfērā un iesaistās ūdenstilpju eitrofikācijas procesos.
52
CILVĒKS UN VIDE – SISTĒMPIEEJA
53
CILVĒKS UN VIDE – SISTĒMPIEEJA
Mēs esam dzīvas būtnes. Mēs esam līdzīgi citām dzīvām būtnēm pēc
anatomijas un fizioloģijas. Līdzīgi citām dzīvām būtnēm mums ir nepieciešama
barība, ūdens un gaiss.
Tomēr, mēs esam atšķirīgi un šī atšķirība izpaužas sasniegumos un uzvedībā.
Mēs pārmantojam ne tikai ģenētisko vienotību, kas nosaka mūsu dabu, bet arī
saņemam kultūras mantojumu zināšanu un tradīciju veidā, kas nonāk līdz mums
ar valodu vai simboliem.
Līdzīgi citām dzīvām būtnēm mēs pārņemam arī paradumus, kas pastāv gan
laikā, gan telpā un veido mūsu vidi.
Kaut gan vidi mēs vairāk apzināmies kā ir fizikālu, ķīmisku un bioloģisku,
tomēr pastāv arī kultūrvide, kas izpaužas sociālā, ekonomiskā un
tehnoloģiskā dimensijā.
Šī īpatnība atspoguļojas pētījumos par cilvēka un vides attiecībām, kad
dabas vide asociējas ar fizikas, ķīmijas, ģeoloģijas un bioloģijas zinātnēm, bet
sociālās un pielietojamās zinātnes mēs uztveram kā kultūrvidi.
Reālajā dzīvē vides abas komponentes ir nedalāmas.
54
CILVĒKS UN VIDE – SISTĒMPIEEJA
Dabas vide nevar tikt pilnībā izprasta, izolējoties no tās un bez mijiedarbības ar
to. Tomēr pirms mūsu kultūras attiecības ar dabas vidi kļūtu par kaut ko vērā
ņemamu, mums ir jāapzina un jāizprot šī vide. Tāpēc ir nepieciešams izprast
dabas vides fizikālo, ķīmisko un bioloģisko komponenti, attiecības starp tām un pēc
tam arī mijiedarbību ar kultūrvidi.
Iepazīt dabas vidi un tās komponentes var sākot ar atsevišķiem vides
fragmentiem - noskaidrojot kā šie fragmenti ir veidoti un kā tie darbojas. Līdzīga
pieeja ir arī mehānikā, kad kādu sistēmu sadala fragmentos un izvērtā katras
detaļas darbību.
Nepieciešams analīzes process un reducēšanas pieeja, kas ir plaši izplatīta
zinātnē. Kompleksa parādība tiek reducēta līdz atsevišķām komponentēm un tiek
izvērtēta katra detaļa.
Dažādas zinātnes nozares cenšas atsevišķi nodarboties ar dažādām
komponentēm un detaļām. Ja šādu pieeju attiecinātu uz vidi, tad izrādītos, ka
okeanogrāfijai ir jānodarbojas ar okeāniem un jūrām, meteoroloģijai ar gaisu,
hidroloģijai ar ūdeni, ģeoloģijai ar iežiem, bet bioloģijai ar organismiem. Fizika un
ķīmija arī tiek iekļautas šajā procesā, bet daudz fundamentālākā līmenī.
55
56
Nepieciešama kritiska attieksme