Informacja

Zmiany gazów atmosferycznych i ich skutki życia


Byłem ciekaw, jak zmiany w gazach tworzących naszą atmosferę wpłyną na życie na Ziemi lub planecie podobnej do Ziemi.

Zakładając, że w atmosferze jest podobny poziom tlenu, czy inne gazy można by zredukować, a nawet zastąpić i nadal być w stanie utrzymać życie takie, jakie znamy?

Niezupełnie biologia, ale gdyby można było również pamiętać o następujących kwestiach, byłoby to niesamowite:

[Aby nadać kontekst, chciałbym zapytać, jak niebo może być jasnoniebieskie z fioletowym odcieniem, które podtrzymuje życie większe niż to, co widzimy na Ziemi, ale wciąż zdolne do podtrzymania życia, które znajdujemy na Ziemi.

Zakładam, że potrzebny jest nieco wyższy procent tlenu, ale jakie inne gazy, które nie są śmiertelne, ale dają fioletowy odcień?]

Dziękuję wszystkim, którzy poświęcają czas na udzielenie odpowiedzi, bardzo doceniam!


Ziemia jest niebieska (przynajmniej masa nielądowa) ze względu na światło, które nasza atmosfera załamuje się od słońca. Kolor planety zależy przede wszystkim od odległości od słońca, a nie od składników gazowych.

Większość gazów nie załamuje światła. Dlatego skład gazowy planety nie może być zidentyfikowany na podstawie koloru.

Rozwijając twoje podstawowe pytanie, bilans składu gazu jest niezbędny dla większości życia na Ziemi. Na przykład dwutlenek węgla jest odpowiedzialny za fotosyntezę zachodzącą w roślinach. Różne stężenia wpływają na szybkość fotosyntezy. Innym przykładem jest to, że poziomy CO2, poziomy CO i heksa-fluorowęglowodory wpływają na ilość ciepła uwięzionego na tej planecie.

Skład gazu jest bardzo delikatny i musi pozostać w równowadze, aby zachować życie na Ziemi.


Zmiany klimatyczne i fotosynteza

Niniejszy artykuł jest przeglądem. Zgodnie z najnowszymi danymi wydanymi przez ONZ, globalne ocieplenie stanowi zagrożenie dla zdrowia i samopoczucia ludzi, a także zwierząt i roślin. Ponieważ globalne ocieplenie spowodowane jest głównie działalnością antropogeniczną, uznano, że należy ograniczyć, aw niektórych przypadkach nawet zakazać emisji tzw. gazów cieplarnianych. Rośliny są łatwiej narażone na uszkodzenia biologiczne niż jakiekolwiek inne żywe organizmy. Artykuł dotyczy środków biochemicznych, które zwiększą potencjał biologiczny roślin, w szczególności ich możliwości fotosyntetyczne i energetyczne, a tym samym przyczynią się do odporności na suszę i zapobiegną wzrostowi stężenia dwutlenku węgla w atmosferze.

Energia słoneczna jest przyjazna dla środowiska, a jej konwersja na energię substancji chemicznych odbywa się wyłącznie na drodze fotosyntezy – efektywnego mechanizmu charakterystycznego dla roślin. Jednak fotosynteza mikroorganizmów występuje częściej niż fotosynteza roślin wyższych. Ponad połowa fotosyntezy zachodzącej na powierzchni ziemi zachodzi w organizmach jednokomórkowych, zwłaszcza algach, w szczególności organizmach dwuatomowych.


Efekt cieplarniany i nasza planeta

Efekt cieplarniany występuje, gdy pewne gazy, znane jako gazy cieplarniane, gromadzą się w atmosferze Ziemi. Gazy cieplarniane obejmują dwutlenek węgla (CO2), metan (CH4), podtlenek azotu (N2O), ozon (O3) i gazy fluorowane.

Biologia, ekologia, nauka o ziemi, geografia, geografia człowieka

Zawiera ona loga programów lub partnerów NG Education, którzy dostarczyli lub wnieśli treść na tej stronie. Wyrównane przez

Efekt cieplarniany występuje, gdy pewne gazy, znane jako gazy cieplarniane, gromadzą się w atmosferze Ziemi. Gazy cieplarniane obejmują dwutlenek węgla (CO2), metan (CH4), podtlenek azotu (N2O), ozon (O3) oraz gazy fluorowane.

Gazy cieplarniane pozwalają światłu słonecznemu świecić na powierzchnię Ziemi, a następnie gazy, takie jak ozon, zatrzymują ciepło, które odbija się od powierzchni w atmosferze Ziemi. Gazy działają jak szklane ściany szklarni – stąd nazwa gaz cieplarniany.

Według naukowców średnia temperatura Ziemi spadłaby z 14˚C (57˚F) do zaledwie 18˚C (&ndash0.4˚F), bez efektu cieplarnianego.

Niektóre gazy cieplarniane pochodzą z naturalnych źródeł, na przykład parowanie dodaje do atmosfery parę wodną. Zwierzęta i rośliny uwalniają dwutlenek węgla, gdy oddychają lub oddychają. Metan jest uwalniany naturalnie z rozkładu. Istnieją dowody sugerujące, że metan jest uwalniany w środowiskach o niskiej zawartości tlenu, takich jak bagna lub wysypiska śmieci. Wulkany&mdashzarówno na lądzie, jak i pod oceanem&mdash uwalniają gazy cieplarniane, więc okresy wysokiej aktywności wulkanicznej bywają cieplejsze.

Od rewolucji przemysłowej końca XVIII i początku XIX wieku ludzie uwalniają do atmosfery większe ilości gazów cieplarnianych. Ta ilość gwałtownie wzrosła w ciągu ostatniego stulecia. Emisje gazów cieplarnianych wzrosły o 70 procent w latach 1970-2004. Emisje CO2, wzrosła w tym czasie o około 80 procent.

Ilość CO2 w atmosferze znacznie przekracza naturalnie występujący zasięg obserwowany w ciągu ostatnich 650 000 lat.

Większość CO2 że ludzie wprowadzani do atmosfery pochodzą ze spalania paliw kopalnych. Samochody, ciężarówki, pociągi i samoloty spalają paliwa kopalne. Wiele elektrowni również to robi. Inny sposób, w jaki ludzie uwalniają CO2 do atmosfery poprzez wycinanie lasów, ponieważ drzewa zawierają duże ilości węgla.


Ludzie dodają metan do atmosfery poprzez hodowlę zwierząt, składowiska odpadów i produkcję paliw kopalnych, taką jak wydobycie węgla i przetwarzanie gazu ziemnego. Podtlenek azotu pochodzi z rolnictwa i spalania paliw kopalnych. Gazy fluorowane obejmują chlorofluorowęglowodory (CFC), wodorochlorofluorowęglowodory (HCFC) i wodorofluorowęglowodory (HFC). Powstają podczas wytwarzania produktów chłodniczych i chłodniczych oraz poprzez aerozole.


Wszystkie te działania człowieka dodają do atmosfery gazy cieplarniane. Wraz ze wzrostem poziomu tych gazów rośnie temperatura Ziemi. Wzrost średniej temperatury Ziemi, do którego przyczyniła się działalność człowieka, jest znany jako globalne ocieplenie.


Efekt cieplarniany i zmiana klimatu

Nawet niewielki wzrost średnich temperatur na świecie może mieć ogromne skutki.

Być może największym, najbardziej oczywistym efektem jest to, że lodowce i pokrywy lodowe topnieją szybciej niż zwykle. Wody z roztopów spływają do oceanów, powodując wzrost poziomu mórz.

Lodowce i pokrywy lodowe pokrywają około 10 procent powierzchni lądowych świata. Posiadają od 70 do 75 procent wody słodkiej na świecie. Gdyby cały ten lód stopił się, poziom mórz podniósłby się o około 70 metrów (230 stóp).

Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu stwierdza, że ​​globalny poziom morza wzrastał o około 1,8 milimetra (0,07 cala) rocznie od 1961 do 1993 roku i około 3,1 milimetra (0,12 cala) rocznie od 1993 roku.

Podnoszący się poziom mórz powoduje powodzie w nadmorskich miastach, które mogą wysiedlić miliony ludzi na nisko położonych obszarach, takich jak Bangladesz, stan Floryda i Holandia.

Miliony ludzi więcej w krajach takich jak Boliwia, Peru i Indie są uzależnione od wody lodowcowej do picia, nawadniania i energii wodnej. Szybka utrata tych lodowców zniszczyłaby te kraje.

Emisje gazów cieplarnianych wpływają nie tylko na temperaturę. Innym efektem są zmiany opadów, takie jak deszcz i śnieg.

W ciągu XX wieku opady wzrosły we wschodnich częściach Ameryki Północnej i Południowej, północnej Europie oraz północnej i środkowej Azji. Jednak zmniejszył się w niektórych częściach Afryki, Morza Śródziemnego i południowej Azji.

Wraz ze zmianą klimatu zmieniają się siedliska żywych organizmów. Zwierzęta przystosowane do określonego klimatu mogą być zagrożone. Wiele społeczeństw ludzkich jest uzależnionych od przewidywalnych wzorców opadów deszczu, aby uprawiać określone rośliny na żywność, odzież i handel. Jeśli klimat danego obszaru ulegnie zmianie, ludzie, którzy tam mieszkają, mogą nie być w stanie uprawiać roślin, od których zależą przetrwanie. Niektórzy naukowcy obawiają się również, że choroby tropikalne rozszerzą swój zasięg na regiony o bardziej umiarkowanym klimacie, jeśli temperatury na tych obszarach wzrosną.

Większość klimatologów zgadza się, że musimy zmniejszyć ilość gazów cieplarnianych uwalnianych do atmosfery. Sposoby na to, obejmują:

  • mniej jazdy, korzystania z transportu publicznego, wspólnych przejazdów, chodzenia lub jazdy na rowerze.
  • Latanie mniej&mdasairplanes generuje ogromne ilości emisji gazów cieplarnianych.
  • ograniczanie, ponowne wykorzystanie i recykling.
  • sadzenie drzew&mdashtres pochłaniają dwutlenek węgla, utrzymując go z dala od atmosfery.
  • zużywając mniej energii elektrycznej.
  • jedząc mniej mięsa &mdashcows są jednymi z największych producentów metanu.
  • wspieranie alternatywnych źródeł energii, które nie spalają paliw kopalnych.

Zdjęcie: James P. Blair

Gaz wytworzony przez człowieka

Chlorofluorowęglowodory (CFC) to jedyne gazy cieplarniane, które nie zostały wytworzone przez naturę. Powstają w puszkach chłodniczych i aerozolowych.

CFC, stosowane głównie jako czynniki chłodnicze, to chemikalia opracowane pod koniec XIX wieku i szeroko rozpowszechnione w połowie XX wieku.

Inne gazy cieplarniane, takie jak dwutlenek węgla, są emitowane w wyniku działalności człowieka na nienaturalnym i niezrównoważonym poziomie, ale cząsteczki występują naturalnie w ziemskiej atmosferze.

pojemnik z płynnym materiałem pod wysokim ciśnieniem. Po uwolnieniu przez mały otwór ciecz staje się sprayem lub pianą.

sztuka i nauka uprawy ziemi pod uprawę roślin (rolnictwo) lub hodowlę zwierząt (ranching).

warstwy gazów otaczające planetę lub inne ciało niebieskie.

pierwiastek chemiczny o symbolu C, który stanowi podstawę wszelkiego znanego życia.

gaz cieplarniany wytwarzany przez zwierzęta podczas oddychania i wykorzystywany przez rośliny podczas fotosyntezy. Dwutlenek węgla jest również produktem ubocznym spalania paliw kopalnych.

związek chemiczny najczęściej stosowany w czynnikach chłodniczych i uniepalniaczach. Niektóre CFC mają destrukcyjny wpływ na warstwę ozonową.

wszystkie warunki pogodowe dla danej lokalizacji przez pewien okres czasu.

ciemne, stałe paliwo kopalne wydobywane z ziemi.

krawędź lądu wzdłuż morza lub innego dużego akwenu.

zbiór zjawisk fizycznych związanych z obecnością i przepływem ładunku elektrycznego.

warunki, które otaczają i wpływają na organizm lub społeczność.

proces, w którym ciekła woda staje się parą wodną.

przelewanie się akwenu na ląd.

dodać lub połączyć z pierwiastkiem fluor (F).

ekosystem wypełniony drzewami i zaroślami.

węgiel, ropa naftowa lub gaz ziemny. Paliwa kopalne powstałe z pozostałości starożytnych roślin i zwierząt.

stan skupienia bez ustalonego kształtu, który równomiernie wypełni każdy pojemnik. Cząsteczki gazu są w ciągłym, losowym ruchu.

masa lodu, która powoli porusza się po lądzie.

wzrost średniej temperatury powietrza i oceanów na Ziemi.

budynek, często wykonany ze szkła lub innego przezroczystego materiału, służący do wspomagania wzrostu roślin.

zjawisko, w którym gazy przepuszczają światło słoneczne do atmosfery ziemskiej, ale utrudniają ucieczkę ciepła.

gaz w atmosferze, taki jak dwutlenek węgla, metan, para wodna i ozon, który pochłania ciepło słoneczne odbite od powierzchni Ziemi, ogrzewając atmosferę.

środowisko, w którym organizm żyje przez cały rok lub krócej.

gaz cieplarniany często używany jako przemysłowy materiał chłodzący.

energia użyteczna wytwarzana przez ruch wody przekształcona w energię elektryczną.

gaz cieplarniany często używany jako przemysłowy materiał chłodzący.

obszar o powierzchni mniejszej niż 50 000 kilometrów kwadratowych (19 000 mil kwadratowych) pokryty lodem.

zmiana działalności gospodarczej i społecznej, zapoczątkowana w XVIII wieku, spowodowana zastąpieniem narzędzi ręcznych maszynami i produkcją masową.

sztuczne podlewanie ziemi, zwykle pod rolnictwo.

miejsce, w którym śmieci są pokryte brudem i innym materiałem pochłaniającym, aby zapobiec zanieczyszczeniu otaczającej ziemi lub wody.

zwierzęta hodowane na sprzedaż i zysk.

słodka woda pochodząca z topniejącego śniegu lub lodu.

związek chemiczny będący podstawowym składnikiem gazu ziemnego.

mając do czynienia z bardzo małymi organizmami.

proces wydobycia rudy z Ziemi.

najmniejsza jednostka fizyczna substancji, składająca się z dwóch lub więcej połączonych ze sobą atomów.

rodzaj paliwa kopalnego składającego się głównie z metanu gazowego.

gaz cieplarniany stosowany w medycynie i produkcji rakiet. Znany również jako gaz rozweselający lub gaz szczęśliwy.

duży zbiornik słonej wody, który pokrywa większość Ziemi.

forma tlenu pochłaniająca promieniowanie ultrafioletowe.

zakład przemysłowy do wytwarzania energii elektrycznej.

wszystkie formy, w których woda spada z atmosfery na Ziemię.

metody poruszania się, które są dostępne dla wszystkich członków społeczności za opłatą i które podążają ustaloną trasą i rozkładem: autobusy, metro, pociągi i promy.


Zanieczyszczenia atmosferyczne: źródła i skutki

Zanieczyszczenia emitowane są do atmosfery w wyniku procesów naturalnych, a także w wyniku działalności człowieka. Źródła niektórych powszechnych zanieczyszczeń zestawiono w tabeli 2.2. Należy w tym miejscu podkreślić, że lista nie jest kompletna. Naturalnymi źródłami emisji są oceany, wulkany, bagna, biologicznie rozkładająca się materia organiczna, obszary pustynne i półpustynne, lasy i pożary lasów, pioruny itp.

Działalność człowieka, która powoduje zanieczyszczenia powietrza, ma charakter bytowy, transportowy, rolniczy i przemysłowy. Głównymi źródłami przemysłowymi są piece do spalania paliw kopalnych, kopalnie, kamieniołomy, przemysł metalurgiczny i przetwórstwa metali, przemysł chemiczny, spożywczy, biochemiczny i farmaceutyczny.

Skutki zanieczyszczeń atmosferycznych:

Zanieczyszczenia powietrza wpływają na ekosystemy na różne sposoby. Efekty przejawiają się poprzez bezpośrednie lub pośrednie wywołanie pewnych zmian w ekosystemie.

Ogólne efekty można sklasyfikować jako poniżej:

I. Wpływ na właściwości atmosferyczne

II. Wpływ na roślinność’s

IV. Wpływ na ludzi

V. Wpływ na grunty i akweny

I. Wpływ na właściwości atmosferyczne:

Właściwości atmosferyczne troposfery ulegają znacznemu wpływowi ze względu na obecność zanieczyszczeń oraz w pewnym stopniu te ze stratosfery. Właściwości pozostałych warstw (mezosfery i termosfery) pozostają prawie niezmienione, ponieważ zanieczyszczenia praktycznie nie są tam obecne.

A. Efekty troposferyczne:

Zanieczyszczenia gazowe i pyłowe, które są bezpośrednio emitowane do troposfery w wyniku działalności naturalnej i ludzkiej, wpływają na następujące właściwości troposfery:

(ii) tworzenie się mgły i zamglenia,

(iv) zasięg promieniowania słonecznego,

(vi) Kierunek i prędkość wiatru.

Gdy wiązka światła przechodzi przez powietrze, jej intensywność maleje na skutek pochłaniania i rozpraszania przez cząsteczki gazów obecnych w powietrzu oraz przez zawieszone w powietrzu cząsteczki (zwłaszcza submikronowe).

Główne składniki powietrza, a mianowicie tlen i azot, nie pochłaniają ani nie rozpraszają światła, ale robią to cząsteczki zanieczyszczającego gazu i zawieszone cząstki (zarówno płynne, jak i stałe). Zakres absorpcji i rozpraszania zależy od konkretnych obecnych zanieczyszczeń i ich stężenia.

Zmniejszone natężenie światła w wyniku pochłaniania i rozpraszania zmniejsza widoczność. Dwutlenek azotu i aerozole silnie pochłaniają światło widzialne w niebiesko-zielonym zakresie długości fal i wytwarzają żółto-brązową mgiełkę. Ozon pochłania fale o długości poniżej 3200 A.

Higroskopijne cząsteczki obecne w powietrzu wychwytują wilgoć z powietrza wraz ze wzrostem wilgotności i w konsekwencji dodatkowo zmniejszają widoczność. Przy wilgotności 70% RH i mniejszej efekt nie jest tak wyraźny, ale powyżej 70% RH efekt jest znaczny.

Na widoczność uzależnioną od stężenia zanieczyszczeń gazowych i zawieszonych cząstek ma wpływ prędkość wiatru. Wraz ze wzrostem prędkości wiatru do około 24 km/h widoczność poprawia się, ponieważ stężenie zanieczyszczeń maleje z powodu dyspersji. Jednak przy większej prędkości wiatru, ze względu na efekt szorowania, w powietrzu wzrasta koncentracja cząstek stałych (kurzu). Prowadzi to do większego rozproszenia, aw konsekwencji pogorszenia widoczności.

(ii) Formowanie się mgły i zamglenia:

Zanieczyszczone powietrze z dużą ilością zawieszonych cząstek sprzyja powstawaniu mgły w sprzyjających warunkach. Zwykle powietrze jest nienasycone parą wodną. Wraz ze spadkiem temperatury powietrza (w nocy) może ono ulec nasyceniu, a przy dalszym spadku temperatury powietrze może ulec przesyceniu parą wodną. W takich warunkach tworzy się zawiesina drobnych kropelek wody w powietrzu, czyli mgła. Drobne zawieszone cząstki stałe obecne w powietrzu służą jako jądra kondensacji.

Jeśli liczba cząstek byłaby duża, utworzone kropelki wody miałyby mały rozmiar, a mgła byłaby bardziej stabilna. Taka mgła skuteczniej rozpraszałaby światło, a tym samym zmniejszałaby widoczność. Gdyby w powietrzu było mniej zawieszonych cząstek, kropelki wody miałyby większy rozmiar, stąd powstająca mgła byłaby mniej stabilna.

Gdy w powietrzu znajduje się duża liczba drobnych cząstek stałych, pochłaniają one i rozpraszają światło. Powoduje to zmniejszoną widoczność. Taka sytuacja nazywana jest mgłą. Drobne cząstki stałe mogą zostać zawieszone w powietrzu z powodu dużej prędkości wiatru i/lub z powodu emisji z jednostek przemysłowych, a także z powodu tworzenia się aerozolu.

Kiedy wilgotność względna (RH) w powietrzu staje się wystarczająco wysoka, cząstki zarodkujące zostają "aktywowane" i rozpoczyna się kondensacja pary wodnej w atmosferze. Mechanizm działania jąder kondensacji chmur (CCN) nie jest znany, wiadomo jednak, że higroskopijne i rozpuszczalne w wodzie cząstki są bardziej skuteczne niż CCN. Źródłem CCN mogą być zarówno procesy naturalne, jak i operacje przemysłowe. CCN emitowany ze źródeł przemysłowych uzupełnia naturalny CCN.

Po zainicjowaniu procesu kondensacji dalszy rozwój będzie zależał od liczby i wielkości kropel w chmurze. Jeśli jest większa liczba mniejszych kropel, nie będą się one łatwo aglomeracji, a zatem będzie mniej opadów. Jeżeli liczba CCN byłaby stosunkowo mniejsza, wielkość wytwarzanych kropelek byłaby większa, co powodowałoby łatwiejszą koalescencję i tym samym powodowałoby większe wytrącanie. Opady mogą być suche (śnieg) lub mokre (deszcz) w zależności od temperatury otoczenia.

(iv) Zapadalność na promieniowanie słoneczne:

Zanieczyszczenia obecne w powietrzu zakłócają padanie promieniowania słonecznego na powierzchnię ziemi poprzez rozpraszanie i pochłanianie nadchodzącego promieniowania. Cząstki stałe i ciekłe na ogół rozpraszają przychodzące promieniowanie, podczas gdy zanieczyszczenia gazowe i aerozole pochłaniają promieniowanie.

Absorpcja zachodzi przy określonych długościach fal w zależności od obecnych zanieczyszczeń. Na przykład dwutlenek azotu pochłania promieniowanie w zakresie długości fal 3600-4000 A, podczas gdy ozon pochłania fale o długości poniżej 3200 A.

Ze względu na rozpraszanie i pochłanianie napływającego promieniowania słonecznego przez zanieczyszczenia unoszące się w powietrzu, mniej energii docierałoby do powierzchni Ziemi, powodując niższą temperaturę powierzchni. Energia pochłonięta przez zanieczyszczenia gazowe jest uwalniana do atmosfery w postaci ciepła, które powoduje wzrost temperatury troposferycznej.

Zachmurzenie zmniejsza również częstość występowania promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi.

W ciągu dnia do powierzchni ziemi dociera promieniowanie słoneczne, którego część jest pochłaniana. Następnie grunt przenosi część pochłoniętego promieniowania do powietrza troposferycznego poprzez promieniowanie wtórne i konwekcję. Na wyższych wysokościach troposfery strumień z powodu ponownego promieniowania i konwekcji jest mniejszy.

W konsekwencji temperatura powietrza jest niższa. Zmienność temperatury w troposferze wraz z wysokością wynika również ze spadku ciśnienia atmosferycznego wraz z wysokością. Spadek ten wynika z adiabatycznej ekspansji ‘pakietów lotniczych’, gdy poruszają się w górę z powodu konwekcji.

Natężenie promieniowania słonecznego w miejscu na poziomie gruntu zależy od kąta padania, który z kolei zależy od pory dnia (w stosunku do wschodu słońca) oraz pory roku. W bezchmurny dzień i w powietrzu wolnym od zanieczyszczeń, intensywność jest maksymalna w południe, kiedy słońce jest nad głową. Gdy zanieczyszczenia są obecne w powietrzu w wyższym stężeniu i występuje zachmurzenie, intensywność słońca jest mniejsza. Zmienność nasłonecznienia powoduje zmianę normalnego profilu temperatury troposferycznej.

Ziemia odbiera promieniowanie słoneczne i część promieniuje ponownie w ciągu dnia, ale w nocy promieniuje ponownie tylko. Stąd temperatura gruntu stopniowo spada po zachodzie słońca i po pewnym czasie staje się niższa niż powietrza nad nim. Ta sytuacja jest określana jako ‘inwersja’.

Normalnie po wschodzie słońca ziemia zaczyna otrzymywać energię słoneczną, a jej temperatura stopniowo wzrasta, co skutkuje zanikiem stanu inwersji. Jednakże, gdy zanieczyszczenia są obecne w powietrzu w wyższym stężeniu, stan inwersji może utrzymywać się przez dłuższy czas nawet po wschodzie słońca z powodu mniejszego narażenia na promieniowanie słoneczne. W silnie zanieczyszczonej atmosferze inwersja może trwać kilka dni razem.

Pionowy konwekcyjny ruch powietrza w troposferze następuje z powodu ujemnego gradientu temperatury. Taki ruch pomaga w rozpraszaniu zanieczyszczeń. Wspomniane wcześniej czynniki wpływają na "normalny" gradient temperatury troposferycznej, a tym samym zakłócają proces dyspersji zanieczyszczeń.

Troposferyczne wzory profili temperaturowych w różnych warunkach atmosferycznych pokazano na rys. 2.2. Należy tutaj zauważyć, że warunki atmosferyczne określane są jako „stabilne”, gdy opierają się pionowemu ruchowi konwekcyjnemu.

Wskaźnik poronień jest prawie identyczny jak wskaźnik powinięć adiabatycznych w stanie suchym. Taki stan panuje w dni o umiarkowanym nasłonecznieniu. Kiedy ma miejsce pewien pionowy ruch powietrza, sytuacja jest określana jako neutralna stabilna.

B. Superadiabatyczny:

Stan upływu jest większy niż w przypadku suchej adiabatyki. W dni silnego nasłonecznienia obserwuje się taki stan.

Wskaźnik lapsusów jest mniejszy niż w przypadku suchej adiabatycznej. Zdarza się to w dni o niewielkim nasłonecznieniu. Gdy ma miejsce bardzo mały ruch powietrza w pionie, stan określa się jako nieco stabilny.

Temperatura powietrza wzrasta wraz z wysokością do pewnej wysokości, a następnie spada. Taka sytuacja może mieć miejsce późną nocą. Stabilna inwersja występuje, gdy nie ma pionowego ruchu powietrza poniżej przerwy. Gdy warunki troposferyczne są neutralne, wznoszący się pakiet powietrza uległby ochłodzeniu z powodu ekspansji adiabatycznej, a jego temperatura byłaby taka sama jak powietrza otoczenia na tej wysokości.

Ponieważ nie byłoby różnicy w gęstości pomiędzy unoszącym się pakietem a otaczającym powietrzem, dalszy pionowy ruch pakietu nie byłby ani tłumiony, ani wzmacniany.

W warunkach superadiabatycznych wznoszący się pakiet powietrza, nawet po ochłodzeniu z powodu ekspansji adiabatycznej, osiągnąłby temperaturę wyższą niż temperatura powietrza otoczenia na tej wysokości. W konsekwencji posunąłby się dalej w górę. Taki ruch sprzyja konwekcji pionowej.

W warunkach subadiabatycznych lub inwersji, gdy "pakiet" powietrza porusza się w górę z powodu turbulencji, staje się chłodniejszy i gęstszy (z powodu ekspansji adiabatycznej) niż powietrze otoczenia na tej wysokości i dlatego ma tendencję do cofania się. W rezultacie ruch pionowy jest utrudniony.

Zanieczyszczenia obecne w powietrzu nie tylko powodują zmianę profilu temperatury troposferycznej, ale mogą również powodować wzrost średniej globalnej temperatury dolnej troposfery. Niektóre gazy, takie jak dwutlenek węgla, metan, tlenki azotu i chlorofluorowęglowodór (CFC) pochłaniają ponowne promieniowanie gruntu (część podczerwona).

Wraz ze wzrostem stężenia w/w zanieczyszczeń w powietrzu będą one wychwytywać więcej wtórnego promieniowania gruntu i tym samym powodować wzrost średniej globalnej temperatury troposfery. Wraz ze wzrostem temperatury troposferycznej temperatura powierzchni Ziemi wzrośnie z powodu wymiany ciepła między nimi.

Ten efekt jest nieco podobny do tego, co dzieje się w szklanej szklarni. W szklarni ponowne promieniowanie gruntu jest zabezpieczone przed ucieczką do przestrzeni przez szklaną osłonę. W rezultacie temperatura wewnątrz szklarni jest zawsze wyższa niż na zewnątrz. Ponieważ wspomniane wcześniej zanieczyszczenia gazowe powodują zanik troposfery, podobnie jak w szklarni, gazy te określa się mianem gazów cieplarnianych.

Dwutlenek węgla, który jako taki jest uważany za niezanieczyszczający, jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do efektu cieplarnianego. Stężenie dwutlenku węgla w troposferze jest najwyższe w porównaniu z innymi gazami cieplarnianymi.

Co więcej, od lat 70. zaobserwowano, że jego koncentracja w troposferze wzrasta w tempie 3,8% na dekadę z powodu postępującego niekontrolowanego spalania paliw kopalnych przez człowieka w celu zaspokojenia stale rosnącego zapotrzebowania na energię.

Sytuacja pogarsza się z powodu wylesiania. W związku z powyższym powszechnie przyjmuje się, że nie ma innej alternatywy niż zmniejszenie wskaźnika emisji CO2 szczególnie z konwencjonalnych elektrowni opartych na paliwach kopalnych.

Obecnie podejmowane są poważne wysiłki w celu opracowania procesów wychwytywania i przechowywania dwutlenku węgla, a także procesów konwersji wychwyconego CO2 glonów, metanolu, węglowodorów itp. Postępujące globalne ocieplenie wynikające z efektu cieplarnianego prawdopodobnie spowoduje różne zmiany w biosferze, takie jak zmiana opadów, zmniejszenie produkcji rolnej i topnienie niektórych stałych okładów lodowych. Jeśli niektóre ze stałych warstw lodowych (lodowce i lód polarny) stopią się, poziom oceanu wzrośnie, w wyniku czego nisko położone obszary przybrzeżne ziemi zostaną zalane.

Aby ocalić Ziemię (jedyne siedlisko człowieka) przed niedaleką katastrofą, przedstawiciele 160 krajów spotkali się w Kioto w 1997 roku, aby opracować protokół znany jako Protokół z Kioto. Celem protokołu jest podjęcie wszelkich wysiłków w celu zmniejszenia wskaźnika emisji ‘gazów cieplarnianych’.

Wyznaczonym celem jest stopniowe zmniejszanie tempa emisji, tak aby do 2012 r. ich stężenie w atmosferze było o 5,2% mniejsze niż w 1990 r. Jednak ze względu na niezatwierdzenie protokołu przez niektóre kraje rozwinięte wątpię, czy cel zostanie zrealizowany.

(vi) Kierunek i prędkość wiatru:

Wiatr jest ogólnie definiowany jako ruch powietrza w kierunku poziomym. Pionowy ruch powietrza jest określany jako updraft lub downdraft.

Czynnikami wpływającymi na ruch powietrza w kierunku poziomym są:

(ii) Siła Coriolisa oraz

Gradient ciśnienia występuje głównie z powodu nierównomiernego tempa nagrzewania się lądu i oceanu. Zwykle w ciągu dnia masa lądu szybko się nagrzewa, podczas gdy ocean nagrzewa się powoli. W konsekwencji gradient ciśnienia rozwija się od oceanu do lądu, a bryza morska wieje w kierunku lądu.

W nocy ląd ochładza się szybko w porównaniu do oceanu, a bryza wieje w kierunku morza. Prędkość wiatru zależy od wielkości gradientu ciśnienia, na który z kolei wpływa natężenie promieniowania słonecznego, stężenie zanieczyszczeń w powietrzu, zachmurzenie i lokalna topografia.

Siła Coriolisa jest spowodowana obrotem Ziemi wokół własnej osi. Siła ta odchyla wiatr w prawo i jest proporcjonalna do prędkości wiatru. Siła tarcia przeciwdziała ruchowi powietrza. Siła ta jest maksymalna na powierzchni ziemi, stąd prędkość wiatru w każdej chwili jest minimalna na poziomie gruntu i rośnie wraz z wysokością.

Prędkość wiatru mierzy się zazwyczaj na stacjach meteorologicznych na wysokości 10m. Prędkość na dowolnej innej wysokości jest obliczana na podstawie zależności.

Gdzie jesteśh = prędkość wiatru na wysokości hwm,

U10 = prędkość wiatru na wysokości 10 m,

n = wykładnik, ułamek dodatni, 0,5 lub mniej. Jego wartość liczbowa zależy od stabilności atmosfery i lokalnych cech, w tym rzeźby terenu (przyrody i ukształtowania terenu).

W przypadku braku konkretnych informacji można przyjąć następujące wartości w zależności od warunków pogodowych:

n = 0,2 dla warunków niestabilnych,

= 0,25 dla warunków neutralnych, oraz

Prędkość wiatru może być wyrażona w jednostkach m/s lub km/h.

Stacje meteorologiczne przez cały rok informują nie tylko o prędkości wiatru, ale także o jego kierunku. Takie dane są często przedstawiane graficznie. Zarówno częstotliwość, jak i prędkość wiatru we wszystkich możliwych kierunkach (8 do 16) są narysowane w skali zwykle dla okresu jednego roku. Taki schemat nazywa się różą wiatrów. Rysunek 2.3 pokazuje typową różę wiatrów dla Kalkuty.

Długość segmentu róży wiatrów reprezentuje jej częstotliwość z określonego kierunku, podczas gdy szerokość/odcień tego samego reprezentuje zakres prędkości wiatru z tego kierunku. Takiemu wykresowi towarzyszy skala prędkości wiatru.

Z dotychczasowej dyskusji wynika, że ​​głównym czynnikiem wywołującym wiatr jest gradient ciśnienia wynikający z nierównego ogrzewania i chłodzenia lądu i oceanu. Inne czynniki, które wpływają na prędkość i kierunek wiatru, to warunki pogodowe, pora roku, prąd oceaniczny itp.

Należy w tym miejscu zauważyć, że duża prędkość wiatru pomaga w rozproszeniu cząstek stałych i zanieczyszczeń gazowych, ale zbyt duża prędkość wiatru usuwa pyły (w porze suchej) i tym samym zwiększa stężenie cząstek stałych w powietrzu.

Pył zawieszony i zanieczyszczenia gazowe obecne w powietrzu w stosunkowo wyższym stężeniu zakłócają padanie promieniowania słonecznego na ziemię, co ma negatywny wpływ na prędkość wiatru. To z kolei opóźnia proces rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń.

II. Wpływ na roślinność:

Zanieczyszczenia obecne w troposferze wpływają na roślinność na trzy różne sposoby:

(i) Atakując komórki różnych części roślin,

(ii) Poprzez interakcję z enzymami obecnymi w roślinach i

(iii) Ingerując w proces fotosyntezy.

Efekty mogą być widoczne lub niewidoczne.

Widoczne uszkodzenia roślin mogą być ostre lub przewlekłe. Ostre urazy występują, gdy rośliny są narażone na wyższe stężenie zanieczyszczeń. Błony komórkowe mogą pękać w wyniku chemicznego działania zanieczyszczeń gazowych, co skutkuje utratą zawartości komórki i ostatecznie śmiercią komórki.

Zanieczyszczenia takie jak SO2, O3PAN doprowadzą do takich zmian. Zanieczyszczenia takie jak SO2, NH3, O3, fluorki i PAN wpływają na chlorofil, który jest kluczowym składnikiem fotosyntezy. W rezultacie liście usychają. Nieprawidłowy wzrost liści i łodyg jest wywoływany przez etylen i herbicydy. Przewlekłe widoczne uszkodzenia występują w wyniku długotrwałego i powtarzającego się narażenia roślin na zanieczyszczenia o stosunkowo niskim stężeniu.

Niewidoczne uszkodzenia przejawiają się w postaci zmniejszonego wzrostu, ingerencji w fotosyntezę i procesy z nią związane. Zachodzi również zmniejszenie plonu owoców z powodu ataku na strukturę reprodukcyjną. WIĘC2, O3, a fluorki niekorzystnie wpływają na tempo wzrostu. WIĘC2, NIEx, PAN, O3, a fluorki zakłócają proces fotosyntezy i szlaki metaboliczne. fluorki, O3 a inne utleniacze atakują strukturę rozrodczą.

Cząsteczki kurzu zakłócają proces fotosyntezy, pokrywając powierzchnie liści, a także blokując aparaty szparkowe. Stopień zniszczenia roślinności w zanieczyszczonej atmosferze zależy od gatunku rośliny, występujących specyficznych zanieczyszczeń, ich stężenia i czasu narażenia.

Stężenia progowe obrażeń niektórych powszechnych zanieczyszczeń są wymienione w tabeli 2.3.

III. Wpływ na zwierzęta:

Ryby i zwierzęta domowe są dotknięte, gdy spożywają toksyczne chemikalia i metale ciężkie. Zwierzęta domowe mogą zostać dotknięte w taki sam sposób jak ludzie, wdychając zanieczyszczenia gazowe i cząstki unoszące się w powietrzu.

Metale ciężkie, takie jak arsen, ołów, molibden, rtęć i ich związki są emitowane podczas procesów przemysłowych, takich jak prażenie, wytapianie, produkcja stali itp. Mogą one gromadzić się na roślinności i paszach, które spożywane przez roślinożerców mogą na nie wpływać. Człowiek może zostać dotknięty spożyciem mleka i mięsa zaatakowanych roślinożerców.

IV. Wpływ na istoty ludzkie:

Air-borne gaseous pollutants and suspended particles affect human health and may produce various types of physiological effects. Common pollutants, such as CO, SO2, NOx, hydrocarbons and particulates are directly emitted from industrial sources, whereas, O3, PAN, and some other oxidants are produced due to secondary reactions.

Various other toxic chemicals are emitted and are present in the surroundings of the places where those chemicals are produced, used or handled. The biological/physiological effects of some of the above mentioned pollutants are briefly discussed hereunder and are summarized in Table 2.4.

(i) Effects of Carbon monoxide (CO):

CO is a colorless and odorless gas. It affects by combining with hemoglobin (Hb) in blood. Hemoglobin carries O2 from the respiratory system to the different parts of human body and removes CO2 from those places by forming unstable complexes with O2 and CO2.

The affinity of CO towards hemoglobin is more than that for oxygen. As a result when CO is breathed in, it forms a relatively more stable complex (COHb, carboxyhaemoglobin) with hemoglobin consequently the oxygen carrying and CO2 removal capacity of blood, decrease.

The level of COHb complex in the blood of a person depends on CO concentration in air as well as on the duration of exposure of an individual. If about 0.5 to 2% of the total hemoglobin is complexed with CO there would not be much effect. However, with increasing concentration of COHb in blood, progressively manifested symptoms are headache, dizziness, nausea, vomiting, and difficulty in breathing, collapse, unconsciousness and death.

The reaction between CO and hemoglobin being a reversible one when a person leaves a polluted area with a non-lethal dose of CO he breathes out CO and recovers. CO does not leave any permanent effect. The global average concentration of CO in air is about 0.1 ppmv. Its threshold limit is 50 ppmv. At a concentration of 1000 ppmv or more it is fatal.

(ii) Effects of Sulphur dioxide (SO2):

WIĘC2 combines with water in the respiratory system to produce sulphurous acid (H2WIĘC3) which irritates conjunctiva, upper respiratory tract and throat resulting in airway resistance. When inhaled at a concentration of 5 ppmv or more for about 10 minutes or so the pulse and breathing rate increase.

Symptoms such as nasopharyngitis and coughing develop on prolonged exposure. WIĘC2 combined with benzo (a) pyrene (C2OH12), a product of incomplete combustion, causes pulmonary cancer. The global average concentration of so2 is 0.0002 ppmv. Its threshold limit is 2 ppmv. At a concentration level of 500 ppmv it is fatal.

(iii) Effects of NOx:

Nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide are the major nitrogen oxides present in air. Of these two NO is less toxic. Like CO, NO combines with hemoglobin and thereby interferes with the oxygen transfer process. NO gets oxidized to NO2 which on inhalation is converted to nitrous acid (HNO2) and nitric acid (NHO3) in the lungs.

These exert toxic effects on the deep lungs and peripheral airway. At a lower concentration of NOx, the eyes, throat and lungs get irritated. Regular exposure at 10-40 ppmv concentration may cause distention of lungs and scarring of pulmonary tissues. Continued exposure at 500 ppmv or more would lead to death.

The threshold value of NO2 is 5 ppmv.

(iv) Effects of Ammonia(NH3):

NH3 is a colorless gas with a pungent odour. It is an irritant to skin, respiratory tract, mucous membranes and eyes. At higher concentrations it corrodes tissues and causes laryngeal and bronchial spasm and edema. At a concentration of about 5 ppmv it can be detected by its pungent smell.

At concentration around 150-200 ppmv it causes general discomfort and tears in the eyes. When a person is exposed to about 2000 ppmv concentration of ammonia, suffers from burns and skin blisters and progressively experiences serious edema, asphyxia and finally death.

(v) Effects of Hydrogen Sulphide (H2S):

h2S is a colorless gas with a rotten egg smell. It may cause eye irritation at a concentration of about 100 ppmv. Inhalation of H2S at a higher concentration irritates the entire respiration tract.

(vi) Effects of Chlorine (Cl2):

CI2 is a greenish yellow gas with a characteristic pungent smell. It irritates eyes, skin and the respiratory tract. At higher concentration of Cl2 one suffers from skin burns, redness of eyes, blurred vision and lung damage. At a concentration of about 1000 ppmv it becomes lethal.

(vii) Effects of Ozone(O3)

Inhalation of ozone above its normal concentration causes pulmonary inflammatory response. Exposure to ozone at a concentration of 1.5 to 2 ppmv irritates eyes, throat and lung. Continuous or intermittent exposure to ozone may cause chronic bronchitis, bronchiolitis and fibrotic changes of lungs. Ozone is a potential mutagen as it degenerates chromosome in lymphocytes. Its threshold limit value is 0-1 ppmv. Other photochemical oxidants present in polluted air, such as peroxyacetyle nitrate (PAN), peroxybenzoly nitrate cause effects similar to those of ozone.

Threshold Limit Value (TLV):

The Industrial Threshold Limit Value set by the American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) refer to indoor air-borne concentration of substances and represent the conditions under which it is believed that nearly all healthy adult workers may be exposed eight hours a day, five days per week without adverse effects.

Effects of Suspended Solid Particles (SSP):

Air-borne particles enter the respiratory system and get deposited in the different regions of the respiratory system depending upon their size, shape and density. The large (5 pm and more) and denser particles are deposited in the nasal region and are removed by mucous discharges. Finer and lighter particles penetrate deeper into the system.

Particles about 2 pm in size and finer enter into the lungs. Finer particles having larger external and internal surface areas (per unit mass) adsorb gaseous pollutants present in air and carry them deep inside the lungs. Particles with adsorbed pollutants cause more harm. The particles themselves may be toxic. The effects of some air-borne gaseous pollutants on human beings and their TLV are summarized in Table 2.4.

Time Weighted Average concentration for 8 hours workday and 5 days workweek.

Short Term Exposure Limit: 15 minute time weighted average which should not exceed any time during a workday.

V. Effects on Land and Water Bodies:

Particulate matter emitted from industrial units settle on land, buildings and other structures which give them a grimy look. Such deposits on land may interfere with soil fertility. Acid gases, such as CO2, NOx, WIĘC2 react in the atmosphere and are deposited on land and water bodies either in the form of acid rain by combining with rain water or as dry salt particles.

Such acid deposition on land would adversely affect land fertility and vegetation growth. Plant nutrients and micro-nutrients present in soil would be leached away by acid rain as a result of which the affected land would not be able to support growth of various types of plants. Because of poor vegetation cover, rain water and wind will carry away the top soil layer and finally may turn the area arid.

Acid deposition on water bodies in general would affect the growth of aquatic plants and fish. However, fresh water bodies, which constitute only a very small fraction of the total hydrosphere, would be seriously affected by acid rain and salt deposits. Industrial units and human settlements located near the fresh water bodies would get affected once the water bodies would get affected due to acid rain.

VI. Effects on Materials:

Air-borne gaseous pollutants and particles affect buildings and other structures, equipment and machinery. Gaseous pollutants may directly attack building materials, metals and non-metals by reacting irreversibly. In the case of metals the mechanism of attack may be electro chemical in nature.

The extent of damage would depend on the temperature of the environment and the presence of moisture. Even in those cases where the surfaces are not directly attacked chemically but are covered by particle, they get damaged during the process of cleaning. The surfaces also get corroded by acid rain.

Particulate matter damages surfaces of equipment and machinery by abrasion and by getting lodged in between the moving parts. Particulate matter and gaseous pollutants may affect sensitive components of instruments and equipment either by getting deposited or by reacting chemically.

B. Stratospheric Effects:

In the stratosphere very little emission of pollutants occurs directly. The only direct sources of emission are supersonic air-crafts and rockets. The exhaust from such sources may contain CO, CO2 NIEx, WIĘC2, H2O and hydrocarbons depending on the fuel used.

Some pollutants also reach the stratosphere directly due to volcanic eruption. Other than these, some gaseous pollutants, which escape, complete chemical transformation in the troposphere, diffuse into the stratosphere. These are mainly NOx, chlorofluorocarbons and some hydrocarbons.

The above-mentioned pollutants react with the ozone molecules present in the ozone layer (of the stratosphere) and undergo oxidation. Absorption of UV solar radiation by the ozone molecules and the oxidation reactions (of Pollutants) cause a little warming of the stratosphere. This results in a slight positive (vertical) temperature gradient in the stratosphere.

In the ozone layer ozone molecules are produced by photochemical reactions as a result of absorption of solar UV radiation. Some of the ozone molecules get destroyed due to reactions with the pollutants present. As the concentration of the pollutants is increasing in the stratosphere the rate of destruction of ozone molecules is becoming more than its rate of production. This process is causing depletion of ozone molecules in the ozone layer.

The pollutants, which have been identified as the major agents responsible for depletion of ozone, are the chlorofluorocarbons (CFC). CFC is used as refrigerants in refrigerators and air-conditioners. Those are also used as aerosol spray, solvents, cleaning agents, foam-blowing agents, etc. The other ozone depleting substances (ODS) are methyl chloroform, carbon tetrachloride, methyl bromide and halons.

The CFC molecules, which find their way to the atmosphere, do not react chemically with oxygen in the troposphere but diffuse to the stratosphere where UV radiation dissociates them and produces chlorine atoms. The atoms act as a catalyst in the conversion of ozone into oxygen. As a result of this process the concentration of ozone molecules in the ozone layer is getting depleted.

The ozone layer plays a very important role in protecting living beings on the earth by absorbing high-energy solar UV radiation (220-330 nm). Progressive depletion of the ozone layer would result in more infiltration of UV radiation, which would cause more harm to the living beings including man.

Human health gets affected as a result of overexposure to UV radiation as it causes skin cancer, cataracts and immune system suppression. UV radiation also damages plants, marine ecosystem and synthetic as well as natural polymers.

Scientists, politicians and even common people, over the world, are concerned about the progressive depletion of the ozone layer. At some places (for example, at the South Pole) the ozone layer has become very thin, which is referred to as ‘ozone hole’.

To forestall further reduction of the ozone layer and also to enhance its regeneration an Interna­tional Agreement (Montreal Protocol) was signed in 1987 at Montreal. It was agreed that CFC production would be halved by 1995 and completely phased out by 2000. The Protocol was substan­tially amended in 1990 and 1992.

The developed countries agreed to phase out CFC with HCFC (hydro chlorofluorocarbon) by 2000. HCFC mostly undergoes chemical transformation in the tropo­sphere and the lower stratosphere and hence would not affect the ozone layer too much.

It has been envisaged to phase out HCFC with HFC (hydro fluorocarbon) which is more ozone-friendly having zero ozone depletion potential. The United Nation Environmental Programme (UNEP) has proposed that HCFC production should be stopped by 2005.


Other Things to Know About Methane Emissions

Who are the biggest methane emitters?

China, the United States, Russia, India, Brazil, Indonesia, Nigeria, and Mexico are estimated to be responsible for nearly half of all anthropogenic methane emissions. The major methane emission sources for these countries vary greatly. For example, a key source of methane emissions in China is coal production, whereas Russia emits most of its methane from natural gas and oil systems. The largest sources of methane emissions from human activities in the United States are oil and gas systems, livestock enteric fermentation, and landfills.

Why aren’t efforts to capture and profitably use methane emissions more widespread?

Despite multiple benefits, methane recovery is not widespread for several reasons.


CHILLED STORAGE | Zasady

Controlled-atmosphere Storage Rooms

Controlled-atmosphere storage rooms were developed for specialized fruit stores, especially those for apples. Interest is growing in the application of this technique to other commodities including meat and fish. In addition to the normal temperature control plant, these stores also include special gas-tight seals to maintain an atmosphere, which is normally lower in oxygen and higher in nitrogen and carbon dioxide than air. An additional plant is required to control the CO2 concentration, generate nitrogen and consume oxygen. (See CONTROLLED-ATMOSPHERE STORAGE | Applications for Bulk Storage of Foodstuffs .)

There is growing interest in the use of controlled atmosphere retail packs to extend the chilled storage and display life of meat and meat products. Since the packs insulate the products, efficient precooling before packaging is important.


A Whale of an Effect on Ocean Life: The Ecological and Economic Value of Cetaceans

What if an animal could entertain and educate millions of people annually, enhance productivity (thereby increasing the number of fish in the sea), mitigate climate change, feed billions of marine animals, generate billions of dollars in revenue globally, and even help get tough stains out of your clothes? Does such an animal exist?

Whales—animals that humans nearly exterminated—can do all that and more. The unsubstantiated claims that whales compete with humans for fish or that they must be killed to ensure global food security are nonsense. Instead, a growing body of scientific evidence demonstrates that saving whales could help save the planet and, in turn, humankind.

Photo by Daniel Benhaim

Approaching Extinction
The era of large scale commercial whaling lasted nearly 400 years, from the early 17th century to 1986. During that period, whalers mercilessly pursued their prey, exploiting and depleting one species after the next. While the exact death toll amassed over these four centuries is not known, scientists have estimated that during the 20th century alone, over 3 million whales were killed, mainly for their valuable oil.

By the time a global moratorium on commercial whaling, approved by the International Whaling Commission (IWC), went into effect in 1986, scientists estimated that whale numbers had plummeted from 66 to 90 percent of their pre-whaling abundance, with some populations, like blue whales in the Southern Hemisphere, declining by 99 percent. While the moratorium remains intact today—saving countless whales—commercial and “scientific” whaling continue, with Iceland, Norway, and Japan killing more than 43,000 whales since 1986.

A previously ignored consequence of the slaughter was that it prevented whales from fulfilling their evolutionary role in the ecosystem. In every ecosystem, every native species has a role in the ecology of their habitat, from the smallest microorganisms to the most dominant predator. In a properly functioning ecosystem, they collaborate in a symbiotic dance that maximizes productivity and abundance within nature’s parameters.

Enhancing Productivity
Far from just providing huge amounts of meat, blubber, and oil for human consumption, whales provide important ecosystem services that have gone overlooked in debates about commercial whaling and whale conservation.

Whale fecal plumes contain valuable nutrients like iron, nitrogen, and phosphorus. They stimulate production of microscopic marine algae, or phytoplankton, which form the base of many marine food chains. Phytoplankton, via photosynthesis, convert chlorophyll, sunlight, and a variety of nutrients including carbon dioxide into energy, while expelling oxygen. Phytoplankton feed zooplankton, tiny animals that live in surface waters, and both are critical food sources for many marine species such as krill and other marine invertebrates, fish, and even marine mammals, including whales.

In a study of blue whales in Antarctica, scientists determined that iron concentration in blue whale feces is 10 million times that of Antarctic seawater. As iron is a limiting micronutrient in the Southern Ocean, its availability triggers phytoplankton blooms. Another study determined that blue whales in the Southern Ocean, via fecal plumes, increase primary production available to support fisheries by 240,000 (metric) tonnes of organic carbon (which all animals in the oceans need to survive) per year. If blue whales recover to pre-industrial whaling levels, this benefit will increase to 11 million tonnes of carbon per year—increasing, not decreasing, fishery yields. While this is only a small fraction of the overall primary production in the Southern Ocean, at the local scale where such fertilization benefits are realized, the impacts may be significant.

Indeed, scientists have determined that the slaughter of baleen whales in the Southern Ocean caused a long-term decline in primary production, which, in turn, caused the krill population to plummet to as low as 20 percent of pre-industrial whaling levels. Today, although whale stocks in the Southern Ocean are recovering—some more quickly than others—krill numbers have not recovered to pre-industrial whaling levels and are now threatened by direct harvest and climate change.

In the Gulf of Maine, scientists found that marine mammals enhance primary production in feeding areas by supplying nitrogen to surface waters through release of fecal plumes and urine. They determined that whales and seals may replenish 23,000 tonnes of nitrogen per year in the Gulf of Maine surface waters, more than the input of nitrogen from all of the rivers feeding the gulf combined.

In another study, endangered right whales in the Bay of Fundy in Canada were found to enhance primary productivity through the release of nitrogen and phosphorus in their fecal plumes. In Hawaii, the feeding behavior of 80 sperm whales transferred 100 tonnes of nitrogen from deep waters to surface waters, enhancing primary production by 600 tonnes of organic carbon per year. Due to the decimation of sperm whales by commercial whaling, however, Hawaiian waters have lost 2,000 tonnes of new nitrogen each year, decreasing primary production in the region by 1,000 tonnes of organic carbon annually.

The deep diving and surfacing behavior of sperm whales and some baleen whales transports nutrients in their fecal plumes from deeper water to the surface and, for gray and humpback whales, by carrying sediment from the sea floor and redistributing it in the water column, to the benefit of sea birds and other marine species. Jak zauważył dr. Joe Roman and James McCarthy, “Cetaceans feeding deep in the water column effectively create an upward pump, enhancing nutrient availability for primary production in locations where whales gather to feed.” This vertical transport of nutrients is referred to as the “whale pump” and was first postulated in 1983. Scientists have determined that biomixing by marine vertebrates, including whales, contributes one-third of total ocean mixing, comparable to the effect of tides or winds.

Whales also transport nutrients in their fecal plumes, urine, sloughed skin, and placental materials horizontally, a phenomenon referred to as the “whale conveyor belt,” as they migrate between nutrient-rich feeding areas and nutrient-limited breeding/birthing areas. Blue whales in the Southern Ocean, for example, transport approximately 88 tonnes of nitrogen per year from their feeding to their calving grounds. Before commercial whaling, blue whales would have transported 24,000 tonnes of nitrogen via the conveyor belt.

Sequestering Carbon
Phytoplankton use carbon dioxide during photosynthesis. Thus, enhancing phytoplankton productivity via the release of nutrients in whale feces increases the removal of carbon dioxide from the atmosphere. In the Southern Ocean, approximately 12,000 sperm whales deposit an estimated 36 tonnes of iron into surface waters each year, enhancing primary production in phytoplankton. While the carbon contained in some phytoplankton will continue to be recycled by marine animals feeding and defecating in surface waters, 20 to 40 percent of such carbon will settle to the sea floor as phytoplankton die and sink, effectively locking up the carbon for centuries to millennia. Globally, more than 200,000 tonnes of carbon may be sequestered—and its negative effects on climate removed—each year.

Sperm whales, by enhancing primary productivity, effectively remove 240,000 tonnes more carbon from the atmosphere than they add during respiration. Since sperm whale population numbers in the Southern Ocean have not recovered to pre-industrial whaling levels, an extra 2 million tonnes of carbon that could have been removed by a full complement of sperm whales remains in the atmosphere each year. Since Southern Ocean sperm whales represent only 3 percent of all sperm whales globally, the species may significantly contribute to iron fertilization and carbon drawdown.

When whales die, their massive bodies contain a large amount of carbon. As their carcasses sink to the ocean floor—often referred to as “whale fall,” this carbon is effectively stored in the ocean for centuries. Scientists have estimated that the combined global populations of nine great whale species (blue, fin, gray, humpback, bowhead, sei, Bryde’s, minke, and right whales) sequester nearly 29,000 tonnes of carbon per year via whale falls. Due to the significant loss of whales to commercial whaling, current populations of large baleen whales store 9.1 million tonnes less carbon than if their numbers were at pre-exploitation levels. If these whale stocks were rebuilt, they would remove 160,000 tonnes of carbon each year through whale falls, which is roughly equivalent to 110,000 hectares of forest (or an area the size of Rocky Mountain National Park).

Nourishing the Depths
In addition to storing carbon, whale carcasses feed an array of marine and terrestrial species. When whales strand on land, bears, other mammals, scavenging birds, and marine and terrestrial invertebrates benefit from the massive windfall of food and nutrients and, in turn, expand the nutrient flow from the sea to land.

Whale falls, according to the scientific literature, create habitat islands, benefiting scavengers like sharks and hagfish, crustaceans, gastropods, bivalves, clams, shrimp, anemones, bacteria, and a litany of other marine organisms, including some species heretofore unknown. Indeed, scientists have identified 129 new species collected from whale remains, including over 100 considered to be whale-fall specialists, and predict that hundreds of other whale-fall specialist species remain to be discovered.

The frequency of whale falls declined substantially due to industrial whaling and may have caused a substantial number of anthropogenic species extinctions in the deep sea. Whether such species would have had any value to humans will never be known—although, in an interesting twist, enzymes of psychrotrophic bacteria (bacteria adapted to extremely cold environments) found at whale falls have garnered commercial interest from the laundry detergent, pharmaceutical, and food processing industries. One biotechnology company has determined that clones of bacteria found on whale carcasses may be effective in removing stains from laundry during cold-water washing, potentially providing significant energy savings, increased profits, and cleaner clothes.

Creating Value
Whales have an enormous economic value as the popular subject of marine tourism. Globally, whale watching generated over 2 billion dollars in revenue in 2012 and supported some 13,000 jobs while providing millions of people an opportunity to observe and learn about whales and other marine species in the wild. Such revenue is well in excess of the value of whale meat, blubber, or other products sold commercially, demonstrating the obvious fact that a live whale is worth far more than a dead one.

The ecosystem services provided by whales, including increasing primary production, directly and indirectly sequestering carbon, and providing nutrients and habitat to myriad marine species, also have an economic value. Such values have been calculated for other species, including bats and pollinators. While economists have calculated the value of whale watching, no comprehensive assessment has been done of the direct and indirect value of whales and the economic and ecosystem services they provide.

Going Forward
The direct and indirect value of whales warrants attention. At its 2016 meeting, the IWC adopted a resolution that recognizes the contributions of cetaceans to ecosystem functioning and encourages IWC member governments to factor these contributions into decision-making. It further envisions a central role for the IWC Scientific Committee in (1) reviewing the ecological, economic, and other contributions of cetaceans to ecosystem functioning, (2) identifying gaps, and (3) creating a plan for future research needs. It also promotes collaboration with other multilateral environmental agreements to study the issue.

The subject has since been discussed at a conference about whales in Tonga. It was also the subject of an AWI-cohosted workshop in late July, at the Society for Conservation Biology’s International Congress for Conservation Biology in Cartegena, Colombia, that considered how to integrate this emerging issue into global environmental policy—for the good of the whales and the health of the planet. For example, although saving whales will not fully mitigate the impacts of climate change, it should be part of a comprehensive, global strategy to reduce greenhouse gas emissions.

Whales may not swim with capes but, based on the evidence of their immense ecological and economic value, perhaps they should be considered superheroes saving the planet. They should no longer be considered as a source of consumables. Instead, they should be fully protected from commercial and “scientific” whaling, bycatch in fishing gear, and other threats to their survival, so that they can fulfill their role in helping to sustain the planet and humankind.


The effect of greenhouse gases

There are five gases of human origin that contribute most – together up to 95% of the total – to the increase in global warming. Here you will discover the source of their emission, the time they spend in the atmosphere and what percentage they contribute to the greenhouse effect.

Carbon dioxide is responsible for 53% of the level of global warming. It is the result of processes such as fuel use, deforestation and production of cement and other materials. Its permanence in the atmosphere varies, but it’s very high at all times: 80% lasts for 200 years and the other 20% can take up to 30,000 years to disappear.

Methane is the next of the greenhouse gases which has the biggest effect on global warming (15%). This is generated by activities such as livestock production, agriculture, sewage treatment, natural gas and oil distribution., coal mining, fuel use and is also given off from waste tips. It lasts an average of 12 years in the atmosphere.

Halogenated compounds such as CFCs, HCFCs, HFCs, PFCs, SF6oraz NF3 are responsible for 11 % of global warming and generated as a result of the production of chemicals by diverse sectors such as refrigeration and air conditioning, electrical and electronic equipment, medicine, metallurgy, and so on. Depending on the type of compound, their duration in the atmosphere varies from a few months to tens of thousands of years.

Tropospheric ozone also has an 11% effect on global warming. This is a product of the reaction between the gases carbon monoxide (CO), nitrogen dioxide (NO₂) and VOCs (Volatile Organic Compounds), given off during the burning of fuels. These gases don’t last as long in the atmosphere as others, a matter of months at the most.

Finally, nitrous oxide also contributes around 11% to the global warming total. It comes mainly from the use of fertilizers, fuel use, chemical production and sewage treatment, and lasts longer in the atmosphere, up to 114 years.


Microbial mitigation of climate change

An improved understanding of microbial interactions would help underpin the design of measures to mitigate and control climate change and its effects (see also ref. 7 ). For example, understanding how mosquitoes respond to the bacterium Wolbachia (a common symbiont of arthropods) has resulted in a reduction of the transmission of Zika, dengue and chikungunya viruses through the introduction of Wolbachia into populations of A. aegypti mosquitoes and releasing them into the environment 258 . In agriculture, progress in understanding the ecophysiology of microorganisms that reduce N2O to harmless N2 provides options for mitigating emissions 214,259 . The use of bacterial strains with higher N2O reductase activity has lowered N2O emissions from soybean, and both natural and genetically modified strains with higher N2O reductase activity provide avenues for mitigating N2O emissions 214 . Manipulating the rumen microbiota 260 and breeding programmes that target host genetic factors that change microbial community responses 261 are possibilities for reducing methane emission from cattle. In this latter case, the aim would be to produce cattle lines that sustain microbial communities producing less methane without affecting the health and productivity of the animals 261 . Fungal proteins can replace meat, lowering dietary carbon footprints 262 .

Biochar is an example of an agricultural solution for broadly and indirectly mitigating microbial effects of climate change. Biochar is produced from thermochemical conversion of biomass under oxygen limitation and improves the stabilization and accumulation of organic matter in iron-rich soils 263 . Biochar improves organic matter retention by reducing microbial mineralization and reducing the effect of root exudates on releasing organic material from minerals, thereby promoting growth of grasses and reducing the release of carbon 263 .

A potentially large-scale approach to mitigation is the use of constructed wetlands to generate cellulosic biofuel using waste nitrogen from wastewater treatment if all waste in China were used, it could supply the equivalent of 7% of China’s gasoline consumption 264 . Such major developments of constructed wetlands would require the characterization and optimization of their core microbial consortia to manage their emissions of greenhouse gases and optimize environmental benefits 265 .

Microbial biotechnology can provide solutions for sustainable development 266 , including in the provision (for example, of food) and regulation (for example, of disease or of emissions and capture of greenhouse gases) of ecosystem services for humans, animals and plants. Microbial technologies provide practical solutions (chemicals, materials, energy and remediation) for achieving many of the 17 United Nations Sustainable Development Goals, addressing poverty, hunger, health, clean water, clean energy, economic growth, industry innovation, sustainable cities, responsible consumption, climate action, life below water, and life on land 6 (Box 1). Galvanizing support for such actions will undoubtedly be facilitated by improving public understanding of the key roles of microorganisms in global warming, that is, through attainment of microbiology literacy in society 7 .


Anthropogenic Effect and Time Lag

Since the Industrial Revolution, the amount of CO2 is the atmosphere has been increasing due to human activities, reaching levels likely much higher than any time in approximately the last half-million years. Similarly, global average temperatures have jetted upward. By converting to renewable energy sources and clean-burning fuels, this trend could be reversed, and the proportion of atmospheric carbon dioxide -- and therefore temperatures -- could decrease back toward their natural level. However, even if humans were to completely cease carbon emissions tomorrow, it would probably take thousands of years for the excess carbon dioxide to clear out of the atmosphere, according to the National Aeronautics and Space Administration. It, therefore, remains unlikely that atmospheric CO2 levels will decrease significantly in the foreseeable future. Furthermore, the carbon dioxide already in the atmosphere means that the climate would continue warming until the Earth restores itself to its natural equilibrium.