k7soxnox, 03-11-21, Miljöföreläsning 7: Hydrosfären. Försurning och övergödning Denna föreläsning handlar om inledningsvis om hydrosfären - dvs. vatten i form av hav, sjöar, is och grundvatten. Därefter diskuteras hur vi påverkar miljön genom utsläpp av försurande och gödande ämnen. Hydrosfären Det mesta av vattnet i hydrosfären är saltvatten, men icke desto mindre finns betydande lager av sötvatten i form av exempelvis grundvatten, F7.2. Även om det finns stora sötvattenlager så är det det hydrologiska kretsloppet som begränsar vattentillgången på lång sikt. Vatten avdunstar, bildar moln och regn, och en del regnar ner på land där salter i markvattnet lakas ut och där nya salter tillkommer genom vittring. Dessa vattenlösliga ämnen från marken gör att vatten i vattendrag och sjöar kan få en annan saltsammansättning, F7.3 (=j3.20). Regnvatten innehåller i stort sett samma salter som havsvatten men bara en 5000-del. Droppar som bildas av havsvatten (spray) avdunstar och bildar små luftburna saltpartiklar och dessa löses i regnvattnet vilket förklarar varför regnvatten har samma saltsammansättning som havsvatten. Havets saltsammansättning har varit konstant i uppemot en miljard år, dvs. det råder balans i bortfört och tillfört. En viktig egenskap hos vatten är att det är tyngst vid 4 C, F7.4. 4 C är alltså normalt temperaturen i botten på svenska någorlunda djupa sjöar. På sommar och vinter fås stabil skiktning, men på vår och höst fås en omblandning, F7.5 (=j3.24). Men detta gäller inte saltvatten, F7.6. I havet är salthalten 3,5%, vilket ger maximal densitet vid fryspunkten, c:a -1,9 C. Djuphaven är kalla, runt 2 C, F7.7. Hälften av havens ytvatten har en årsmedeltemperatur över 20 C, men trots detta är medeltemperaturen i haven endast 3,5 C. Kallt bottenvatten tillförs från norra och södra ishavet. Vid Island finns ett gigantiskt "vattenfall" (under vattnet) där tungt vatten (kallt, hög salthalt) rasar ner i djuphavet, F7.8. Detta har stor betydelse för klimatet i Europa, genom att det bildas en motriktad ytlig ström, Golfströmmen. Troligtvis är Nordeuropa ungefär 6 C varmare på grund av denna. Denna tillförsel av kallt vatten syresätter djuphaven, och även ytvattnet är normalt väl syresatt (genom fotosyntesen). Det är gott om både O 2 och CO 2 (i första hand i form av HCO 3 - ) i havet. Haven är mycket djupa och har ett medeldjup på 3700 m, F7.9. Trots att havsytan är mer än dubbelt så stor som landytan är havens produktion av biomassa betydligt mindre - kanske en tiondel av produktionen på land. Det är stor skillnad mellan olika områden främst beroende på tillgången av närsalter. Havet löser CO 2 i form av karbonater, eftersom havet är svagt basiskt (ph = 8,2), F7.11. Mängden karbonater i havet motsvarar 50 ggr mängden CO 2 i atmosfären. Havet är därför en koldioxidsänka och en stor del av människans utsläpp, 85%, förväntas lösa sig i havet. Men tyvärr är detta en process som kommer att ta många hundra år då omblandningen i haven är mycket långsam. Idag hamnar hälften av människans CO 2 -utsläpp i atmosfären, drygt hälften av den CO 2 som inte hamnar i atmosfären löses i haven, F7.12. Resten, runt en femtedel av utsläppen eller 4 miljarder ton CO 2, vet man faktiskt inte säkert vart den tar vägen, men man tror att mycket binds i mark och växtlighet på norra halvklotet.
Försurning Som tidigare nämnts är marken en mycket viktig och begränsad resurs. Om femtio år är den tillgängliga marken per människa ungefär en hektar i genomsnitt, vilket är ungefär 1½ fotbollsplan. Från marken skall vi få vår mat, vårt papper, vårt virke, vår bomull, vår energi (?), och marken skall också räcka till alla andra användningsområden som skolor, bostäder, sjukhus, vägar osv. Dessutom skall det finnas goda naturmiljöer för den ekologiska mångfalden kan fortleva. Marken är därför viktig att vårda både som produktionsresurs och som naturmiljö. För närvarande är nog försurningen ett av de viktigaste hoten mot marken i Sverige. Tidigare har försurningen förknippats med svavelutsläpp från förbränning av kol och olja. Idag har svavelutsläppen minskat mycket och det har gjort att nedfallet av försurande ämnen har minskat. Men trots detta är inte faran över, och det beror till stor del på svårigheterna att minska utsläppen av försurande kväveoxider från dieselfordon. Därmed har försurningen en viktig koppling till fordonsindustrins arbete med att minska emissionerna. Innan försurningen diskuteras är det lämpligt med en mycket kort repetition av begrepp som syra, bas, ph och buffert, F7.13, F7.14, F7.15. Med buffertverkan menas närvaro av ämnen som gör att ph ändras långsamt när man tillsätter syra. När bufferten är förbrukad faller dock ph snabbt. (Se också F7.21 nedan.) De gasemissioner som ger upphov till försurning är svaveldioxid, SO 2, och kväveoxider, NO x (dvs. NO och NO 2 ). SO 2 oxideras i luften till SO 3 som med vatten bildar svavelsyra, H 2 SO 4, en mycket stark syra som avger båda sina protoner även vid lågt ph. Svavelsyran löser sig i vatten och deponeras med regn eller snö, eller bildar aerosoler (små partiklar) som torrdeponeras. Även SO 2 torrdeponeras. Man skiljer alltså på våtdeposition och torrdeposition. Med våtdeposition menas alltså att de försurande ämnena kommer till marken med nederbörden, medan torrdeposition innebär att de försurande ämnena deponeras direkt på ytan av växter och mark. Torrdeposition är betydligt större i skogsområden än på öppna fält på grund av den större ytan av växtdelar (barr, blad etc.) som är i kontakt med luften. Huvudsaklig källa till svaveldioxidutsläpp är förbränning av svavelhaltiga bränslen som kol och olja. NO oxideras i luften till NO 2, som oxideras vidare till salpetersyra, HNO 3, också den en mycket stark syra (men med bara en proton). Salpetersyra löser sig i vatten och våtdeponeras. HNO 3, som kan förekomma både i form av aerosoler och i gasform, torrdeponeras också. Huvudsaklig källa för kväveoxidutsläpp är trafik och förbränning. Tidigare var SO 2 helt dominerande för försurningen i Sverige, men betydelsen av NO x har stadigt ökat. Idag står NO x för ungefär hälften för det försurande nedfallet, och om man enbart ser till försurande utsläpp i Sverige står kväveoxider numera för den största delen. Men den försurande effekten av NO x är inte riktigt så stor som man skulle tro om man ser till nedfallet av syra. Om nitratjonen, NO 3 -, tas upp av växtligheten så förbrukas samtidigt en proton vilket innebär att den försurande effekten av salpetersyran uteblir. Den försurande effekten beror alltså på hur mycket av nitratkvävet som tas upp av växtligheten och hur mycket som läcker ut ur marken. 7:2
Utsläpp av gasen ammoniak, NH 3, som är basisk, neutraliserar en del av de försurande ämnena i regnvattnet. Ammoniakutsläppens roll i försurningen är dock komplicerad. Visserligen fungerar ammoniak som bas (protontagare) i regnvattnet, men om sedan ammoniumjonen, NH 4 +, tas upp av växtligheten avges en proton. Då blir nettoeffekten av ammoniak noll när det gäller försurning. Ännu värre är det om ammoniumjonen omvandlas till nitrat och om denna nitrat dessutom inte tas upp av växtligheten, då frigörs två protoner totalt, vilket innebär att ammoniakens nettoeffekt blir försurande. Effekten kan alltså variera från fall till fall, men ur marksynpunkt kan man nog oftast anta att ammoniak inte bidrar nämnvärt till att motverka försurningen. Depositionen av ammonium, NH 4 + är i ungefär samma storleksordning som depositionen av nitrat, NO3 -. Huvudsaklig källa till ammoniakutsläpp är jordbruksmark och utsläppen är en följd av att marken tillförs stora mängder kväve i form av gödsel. Depositionen av ammonium och nitrat ger även problem med övergödning vilket behandlas avslutningsvis. Tabellen nedan sammanfattar hur växtupptag (U) påverkar om dessa luftföroreningar är försurande. (IU = inget upptag) Det framgår av tabellen att om växterna kan ta upp kväveföreningarna så försvinner den försurande effekten. På vintern när växternas upptag är litet, eller om kvävehalten är hög i marken så att läckaget blir stort, blir däremot den försurande effekten stor. Därmed är den försurande effekten delvis länkad till övergödningen, som behandlas avslutningsvis. Utsläppen av försurande ämnen ger knappast globala, utan främst regionala effekter, då uppehållstiden för dessa ämnen bara är några dagar, F7.17. Haven är basiska och så stora att det inte påverkas av försurande utsläpp. Försurande utsläpp ger korrosion av metaller och byggnadsmaterial, speciellt känsliga material som sandsten, kalksten och brons. Försurande gaser kan också påverka hälsan, vilket behandlas i nästa föreläsning. Nedan kommer effekter på vatten, mark och vegetation att diskuteras, 7.19, liksom den utveckling som sker när det gäller utsläpp och deposition. Sjöar och vattendrag. Sjöar har ofta en viss buffertkapacitet i form av karbonater. När buffertkapaciteten har förbrukats faller ph snabbt, F7.21. I vissa fall kan vattendrag med normalt högt ph utsättas för försurningschocker i samband med snösmältning, 7.22. Det är väl dokumenterat att många sjöar försurats, exempelvis mätningar i sediment visar att ph sjunkit snabbt sedan 50/60-talet. Sjöar påverkas dels av direkt nedfall, men ofta är tillförseln från omgivande land dominerande. ph på detta vatten är beroende av transportväg, ytligt markvatten har lågt ph medan vatten som transporterats längre ner i marken normalt har högre ph. Redan under ett ph av 6,5 börjar man få förändringar i artsammansättning och om ph går under 5 är normalt liv utslaget, F7.25-26. Mindre sjöar är ofta mer drabbade. I stora delar av 7:3
sydvästra Sverige är mer än hälften av sjöarna skadade av försurning, 7.28. För att motverka försurningen har över 7000 sjöar och 600 mil rinnande vatten kalkats. Marken Det finns flera buffertsystem i marken som verkar vid olika ph, och när ett buffertsystem förbrukats och ph faller tar nästa över, F7.30. Vid försurning frigörs näringsämnen bundna till partiklar och kan lakas ur, F7.31, och vid låga ph kan även aluminium (Al 3+ ) frigöras och lakas ut, F7.32. Al 3+ är giftigt för rötter och för fiskar. Barrträd är betydligt mera försurande än lövträd, F7.33. Det beror i första hand på en mycket större atmosfärisk deposition på barrskog (torrdeposition), men också på att barrträd är mera naturligt försurande. Med naturligt försurande menas att rötterna avger syror för att ta upp näringsämnen. (Egentligen beror denna "naturliga" försurning på att skogen avverkas och förs bort. Om träden förmultnar på plats så återgår de positiva jonerna till marken och då sker ingen nettoförsurning.) F7.34 visar hur stor andel av skogsmarken som är försurad i olika delar av Sverige, dvs. som har ph under 4,5 i rostjorden. Mätningar har också gjorts som visar att ph i marken har minskat med tiden. Ett mått på markens tillstånd är den molära kvoten mellan näringsämnen och aluminium: (Ca + Mg + K)/Al Ibland används också (Ca + Mg )/Al. När denna kvot är under ungefär ett skadas rötter och tillväxten försämras, F7.36. Denna kvot är låg i sydvästra Sverige. Flera undersökningar har visat att lagren av näringsämnen har minskat i marken, F7.38. Vegetation, skogsdöd Begreppet skogsdöd blev allmänt känt i början av 80-talet. Skogsdöden observerades först i Centraleuropa/Tyskland och väckte uppseende då effekten var oväntad, man ansåg sig ha god marginal till den typen av effekter. Man har inte heller hittat någon entydig förklaring till skogsdöden. Självfallet har en mängd mer eller mindre tänkbara förklaringar framförts i efterhand. (Det lär nu finnas 167 olika förklaringar.) Allmänt brukar man anse att det är en effekt av flera saker i kombination med naturlig stress: SO 2, markförsurning, ozon och andra oxidanter (t. ex. PAN, peroxyacetylnitrater), F7.39. Naturlig stress kan orsakas av skadedjur, kalla snöfattiga vintrar då tjälen går djupt, torra somrar osv. Tillståndet i skogen kan mätas i form av kronutglesning, F7.41, och ofta använder man flygfotografering (IR). I södra Sverige finns tecken på att kronutglesningen ökat. Någon egentlig skogsdöd förekommer dock inte och det bör påpekas att skogen växer fortare än någonsin i Sverige, men det beror på att kvävenedfallet har en gödslande effekt. Det finns en hel del indikationer på att allt inte står rätt till, både om man tittar på vad som händer i marken och vad som händer med en del träd. Om man ser till skadad barrskog och lövskog så ligger nog Sverige ganska bra till i jämförelse med Centraleuropa och England, F7.43. Europa har stora områden med försurningsskadade skogar, sjöar och vattendrag. Deposition/utsläpp Flera olika mätningar visar entydigt att depositionen av svavel har minskat i Sverige, medan däremot salpetersyran minskar mycket långsamt, F7.45. F7.45 visar att kväveoxider står för en allt 7:4
större andel av försurningen. Figuren visar milliekvivalenter, dvs. den tar hänsyn till att svavelsyran är en tvåprotonig syra. När kurvorna möts kommer kväveoxider alltså att stå för hälften av det försurande nedfallet. (Som ovan nämnts är dock nettoeffekten av salpetersyran mindre.) För skogsmarken bedöms en fjärdedel av skogsarealen få en försurande belastning som överskrider kritisk belastning för långsiktiga effekter. För sjöar gäller samma sak i västra Sverige. Det svavel som faller ner i Sverige kommer huvudsakligen utifrån, F7.48. För kväve är den svenska andelen större. De europeiska svaveldioxidutsläppen har minskat men inte alls på samma sätt som i Sverige, F7.50-51. (Dessa figurer visar utsläpp i vikt: 1 kg SO 2 är lika försurande som 1,44 kg NO 2.) NO x -utsläppen har däremot inte minskat så mycket och här är utvecklingen inom transportsektorn av stor betydelse. Det finns nu internationella överenskommelser om kraftiga minskningar, framför allt av SO 2 -utsläpp, men också för NO-utsläpp i Europa. F7.52 visar hur mycket det försurande nedfallet måste minska för att markförsurningen inte skall förvärras. Det krävs en 70%-ig minskning, jämfört med år 1990, för att få stabila förhållanden för skogsmarken. Sammanfattning Markförsurningen är i hög grad kumulativ process, vilket innebär att det är den totala mängden av försurande ämnen som tillförts marken som har betydelse. Precis som i en sjö så finns en punkt där den totala tillförseln av syra är så stor att bufferten förbrukas, se F7.21. Minskande utsläpp gör självfallet att processen går långsammare, men det är fortfarande så att den kritiska belastningen överskrids på många håll i landet. Därför är det angeläget att ytterligare minska belastningen. I takt med att svavelutsläppen har minskat har kväveoxidutsläppen från trafiken, framför allt från dieselfordon, fått en allt större betydelse. Övergödning Övergödning innebär att tillförsel av närsalter till vatten ger ökad biologisk tillväxt. Organiskt material ramlar ner på botten och syre hinner inte transporteras ned. Det uppstår syrebrist, giftiga ämnen bildas och bottnen "dör", 7.54. Övergödning kan också ge algblomning och fleråriga brunalger som t.ex. blåstång kan bli övervuxen och utkonkurrerad av fintrådiga alger. (Det kan också vara otrevligt när man vill bada.) Vilka närsalter är det då som ger övergödning? I sjöar är fosfor, P, begränsande för tillväxten. Fosforrening av avloppsvatten byggdes ut redan omkring 1970 och rening av avloppsvatten från organiskt material och fosfor är ekonomiskt sett en av Sveriges viktigaste miljövårdssatsningar. I havet däremot är kväve, N, begränsande. Östersjön kan i det här avseendet räknas som hav upp till Åland ungefär. I Bottenviken och möjligen också Bottenhavet är det fosfor som är begränsande för tillväxten. Reningsverken, särskilt i Västsverige, inför successivt biologisk kväverening för att minska sina kväveutsläpp. För att förstå kvävets kretslopp är det viktigt att beakta skillnaden mellan gaser som innehåller kväve och är vattenlösliga (ammoniak, NH 3, och kvävedioxid, NO 2, som oxideras till salpetersyra) och kvävgas, N 2, som det finns gott om i luft men som ju är mycket svårt binda för växterna. Nytt 7:5
kväve förs till marken naturligt genom fixering, där luftkväve omvandlas av mikroorganismer till vattenlösliga former och förs bort genom denitrifikation, där vattenlösligt kväve omvandlas till vattenolösliga former, dvs. kvävgas eller lustgas, N 2 O. F7.55 (jfr F4.30). Människan tillför kväve till kretsloppet dels genom utsläpp av kväveoxider från trafik/förbränning, dels genom konstgödsel (dvs. industriell kvävefixering). Höga halter av kväve i jordbruksmark, på grund av gödsling, ger ökad avdunstning av ammoniak som deponeras på mark och vatten genom nederbörd. Med kvävemättnad, eller kväveövermättnad, menas att kvävetillskottet till marken är så stort att växterna inte kan tillgodogöra sig det. Då börjar nitrat läcka ut med markvattnet. (NH 4 + är bundet till partiklar, men omvandlas till nitrat och läcker därmed också ut.) Som tidigare nämnts finns här en koppling till försurningen, då läckaget av nitrat innebär att nedfallet blir mer försurande. I jordbruket används stora mängder handelsgödsel (i vissa fall även stallgödsel). I takt med att kvävegödslingen har ökat är det också en allt mindre del av tillfört kväve som återfinns i skörden, F7.56. Vilka problem har vi då som följd av övergödning? I exempelvis Laholmsbukten, F7.57, har halten kväve ökat, till skillnad från halten av fosfor, med kraftiga algblomningar som följd. I botten av Östersjön finns områden med syrebrist, F7.58, och i Östersjön har man sett tydligt ökade halter av både fosfor och kväve. Sveriges bidrag är inte särskilt stort jämfört med f.d. Sovjetunionens och Polens (mycket jordbruk), F7.60. Däremot är Sveriges bidrag väldigt stort till Kattegatt, F7.61, och Sverige har också en hel del problem med övergödning i kustområdena. Områden som är inringade eller markerade med kryss i F7.62, är speciellt viktiga att åtgärda. Detta kan vara områden där belastningen är stor och uppehållstiden lång, t.ex. utloppen från Mälaren och Vättern. (Övriga mörkfärgade områden i figuren visar var belastningen är stor, men problemen normalt är mindre på grund av snabbare omsättning av vattnet.) Vilka är då källorna till kväve i havet? Dels är det kväve från reningsverk för avloppsvatten, F7.63, dels är det gödsling av jordbruksmark som ger läckage av kväve både till vatten och luft. Det kommer också kväve från deposition av luftföroreningar och från skogsmark. F7.64 visar en uppskattning av hur dessa källor fördelar sig för Sveriges kvävetillförsel till havet. De viktigaste är jordbruk (gödsling), avloppsreningsverk och luftföroreningar som deponerats. En stor del av kvävet förs ut i havet med floder och F7.66 visar belastning från olika avrinningsområden. (Cirklarnas storlek visar mängden kväve och den vita ytan i cirklarna visar den del som kommer från jordbruk. Det kväve som försvinner på vägen ut mot havet, t.ex. i Vänern och Mälaren, har räknats bort.) Det framgår av figuren att kväveutsläppen från det skånska jordbruket är stora. Det är alltså angeläget att minska kväveutsläppen till havet, både totalt och i de kustområden där belastningen är stor. 7:6