Twoja wyszukiwarka

SŁAWOMIR SWERPEL
ZARODNIKI ŻYCIA
Wiedza i Życie nr 10/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 10/1998

AEROZOLE KOJARZĄ SIĘ NAM GŁÓWNIE Z KOSMETYKAMI. TYMCZASEM JESTEŚMY WPROST ZANURZENI W NATURALNYCH AEROZOLACH.

Coraz rzadziej traktuje się powierzchnię morza jako granicę rozdzielającą dwa różne środowiska. Jest ona raczej rodzajem gęstego sita, przez które atmosfera i ocean przenikają się wzajemnie. W tej przejściowej warstwie drobne mikropęcherzyki gazu wypełniają powierzchniowe wody oceanu, a niezliczone drobiny wodne przestrzeń nad wodą, tworząc mikroskopijny pył zwany aerozolem morskim.

Największym producentem pęcherzyków w wodzie morskiej są fale (ryc. 1). W ciągu jednej sekundy na powierzchni 1 cm2 morza powstaje około 30 mikroskopijnych bąbelków. Pęcherzyki powstają także podczas opadu deszczu. Kiedy duża kropla uderza w powierzchnię morza, pojawia się ich nawet kilkaset - impet uderzenia wtłacza je na głębokość kilku centymetrów (ryc. 2). Również tak mikroskopijne cząsteczki, jak kurz czy aerozol unoszony w powietrzu, są w stanie wytworzyć mikropęcherzyk, kiedy spadną do wody. W ten sposób przechodzi z atmosfery do oceanu i ulega w nim rozpuszczeniu znaczna ilość tlenu, dwutlenku węgla i innych gazówa atmosferycznych. Pęcherzyki powstają również wskutek przesycenia wody gazami (przy nagłym podgrzaniu) oraz w wyniku fotosyntezy roślin (np. zakwit glonów).

Fot. Marek Chromicki

Duże pęcherzyki szybko wędrują do góry pod wpływem sił wyporu. Zupełnie inaczej jest z mikroskopowymi - o rozmiarach od kilku do 200 ľm. Pozostają one długo w środowisku wodnym, przenoszone nieraz do głębokości 100 m (ich małe rozmiary sprawiły, że aż do lat sześćdziesiątych powątpiewano w istnienie takiego zjawiska). W końcu jednak siła wyporu i prądy wodne sprawiają, że wędrują powoli ku górze. Z kolei spadek ciśnienia powoduje, że stopniowo rosną. Na powierzchni ich żywot się kończy. Pękają, wyrzucając do atmosfery kropelki wody, które wzbogacają ją w dodatni ładunek elektryczny oraz cząsteczki soli (ryc. 3). Wtedy zaczyna się drugi akt aerozolowego spektaklu.

NARODZINY MORSKIEGO AEROZOLU

Na powierzchni morza trwa ciągła kanonada mikrowystrzałów. To pękają pęcherzyki. W ciągu sekundy z jednego metra kwadratowego wylatuje do tysiąca kropel. Czasami proces ten tak się nasila, że granica między morzem i powietrzem zaciera się zupełnie. Jedną z przyczyn może być silny sztorm, zwłaszcza przy jednoczesnym przesyceniu toni wodnej gazami. Takie zjawisko wystąpiło w czasie zatonięcia promu Heweliusz w 1993 roku. Emisja aerozolu była tak gwałtowna, że rozbitkowie dusili się w nawałnicy wodnego pyłu.

Ryc. 1. Załamujące się fale tworzą pióropusze piany, które wiatr zrywa z ich grzbietów i w postaci pyłu niesie nad morzem

Fot. Sławomir Swerpel

Podobnie, jak duże pęcherzyki w wodzie, duże krople nie pozostają długo w powietrzu i opadają. Małe zaś wyparowują - powstają wówczas kryształki soli, które wiatr przenosi na duże odległości. Około 90% spada po kilku dniach z powrotem do oceanu, pozostałe zaś na ląd.

Duncan C. Blanchard z Centrum Badań Atmosfery w Albany (USA) obliczył ilość przenoszonej w ten sposób ilości soli. Jedna kropla unosi zaledwie 30 ng (miliardowych części grama) soli morskiej, a przy okazji również około 200 elementarnych ładunków elektrycznych. Gdy jednak zsumuje się wszystkie drobiny, to skala zjawiska staje się ogromna. Okazuje się, że wynoszą rocznie w powietrze około 1010 ton soli.

Przenoszone przez prądy powietrzne drobiny stają się jądrami kondensacji pary wodnej w atmosferze. Stanowią więc istotny element procesów klimatycznych zachodzących na naszym globie.

BAKTERIA BAKTERII NIERÓWNA

Byłoby dziwne, gdyby w trakcie emisji aerozolu tylko kryształki soli przenosiły się z morza do powietrza. Lecznicze działanie "zapachu morza", czyli wdychanie bogatego w jod morskiego powietrza, było rozpowszechnione już w epoce naszych dziadków. W latach siedemdziesiątych wspomniany już
D.C. Blanchard odkrył mechanizm przenikania drobnoustrojów z morza do powietrza. Podczas badań laboratoryjnych stwierdził, ze zagęszczenie bakterii w aerozolowych drobinach wielokrotnie przekracza ich koncentrację w samej wodzie [patrz: Powodziowa "bomba E", "WiŻ" nr 10/1997].

Ryc. 2. Mikropęcherzyki, jakie powstają po upadku kropli deszczu na powierzchnię wodną, wibrują wydając przy tym charakterystyczny dźwięk. Jego parametry zależą od wielkości kropli i kąta jej upadku. Akustycy morza sądzą, że analiza sygnału dźwiękowego od opadającego deszczu pozwoli na pomiar wielkości opadu oraz prędkości wiatru w rejonie opadu

Ryc. Stanisław Węsławski

Doskonałym poligonem do przeprowadzenia badań nad szkodliwą emisją aerozolową jest Bałtyk, uznawany często za najbardziej zanieczyszczony akwen morski na świecie. Tu także od kilku lat obserwujemy zwiększony problem z toksycznymi glonami. W 1991 roku sinice Nodularia spumigena zaatakowały przybrzeżne wody Szwecji i Danii. Padały psy, wyławiano śnięte ryby, ludzie masowo chorowali na choroby przewodu pokarmowego i oczu. W następnych latach sinice i bruzdnice zaczęły pojawiać się coraz częściej w rozmaitych rejonach morza, także u wybrzeży Polski.

Ryc. 3. Mikropęchęrzyk unosi się ku powierzchni morza, gdzie jego błona pęka. W pierwszej fazie pęknięcia powstaje nawet kilkaset małych kropel wodnych o średnicach poniżej 20 mm. W fazie drugiej z dna pękniętego pęcherzyka ulatuje kilka kropel o średnicy równej około 0.1 średnicy pęcherzyka. Te krople unoszą do atmosfery dodatnie jony

Ryc. Stanisław Węsławski

Ciekawe jest przy tym to, że różnego rodzaju bakterie zachowują się w odmienny sposób. Dotyczy to zarówno ich skłonności do przenikania z wody do powietrza, jak i tego, co uaktywnia ich emisję. Kilka lat temu zespół naukowców z Instytutu Oceanologii PAN w Sopocie i Instytutu Medycyny Morskiej i Tropikalnej w Gdyni zaczął odkrywać te zależności (patrz: ramka Latające bakterie)

Atmosfera nad morzami i oceanami to coś w rodzaju olbrzymiego kotła, w którym mieszają się aerozolowe drobiny, pochodzące z różnych źródeł
zanieczyszczeń. Gęstość tej niewidzialnej zupy zwiększa nadmierna urbanizacja i uprzemysłowienie rejonów nadmorskich. Przykładem tego jest Morze Bałtyckie, z nadmiernie uprzemysłowionymi wybrzeżami i niekorzystnym układem wiatrów. Określenie przepływu zanieczyszczeń drogą aerozolową stało się tematem międzynarodowych eksperymentów, takich jak BAEX - Baltic Sea Aerosol Experiment (ryc. 4) czy prowadzony obecnie przez Unię Europejską BASYS (patrz: ramka obok).

DROBINY A KLIMAT

Wspomniałem już na początku o przenoszeniu gigantycznych ilości soli i ich roli jako jąder kondensacji pary wodnej, zawartej w atmosferze. Ostatnio odkryto jeszcze inny składnik aerozolu morskiego spełniający podobne zadanie.

Wśród związków siarki, obecnych w aerozolu nad oceanem, prawie zawsze znajdowano DMS, czyli dwumetylosiarczek. Jego pochodzenie odkryto, analizując procesy zachodzące w cyklu życiowym fitoplanktonu, głównie po zakwicie. Okazało się, że DMS jest produktem rozpadu innego związku - DMSP, czyli dwumetylosulfofosforku, produkowanego przez wiele gatunków planktonu.

Ryc. 4. W międzynarodowym eksperymencie naukowym BAEX, przeprowadzonym na Bałty-ku, uczestniczyli naukowcy z Danii, Finlandii, Francji, Holandii, Litwy, Niemiec i Polski

Fot. Sławomir Swerpel

Czas pobytu DMS w wodach powierzchniowych jest niezwykle krótki i jego cząsteczki bardzo szybko zostają wyniesione do atmosfery. Szczególnie dużo jest ich nad wodami stref tropikalnej i równikowej, znacznie mniej zaś w pasie umiarkowanych szerokości geograficznych. Znalazłszy się w powietrzu, DMS utlenia się, przekształcając się m.in. w tlenki siarki i kwas siarkowy. Oba związki wchodzą w cykl obiegu siarki w środowisku i uczestniczą w powstawaniu chmur jako jądra kondensacji. Są więc kolejnym z elementów kształtujących ziemski klimat (ryc. 5). Na ile ważnym? Konieczność znalezienia odpowiedzi na to pytanie sprawiła, że w połowie lat dziewięćdziesiątych rozpoczęto szeroko zakrojone prace badawcze, dotyczące aerozolu tworzącego się nad oceanami, w ramach eksperymentu ACE (Aerosol Characterisation Experiment).

DROBINY A POCZĄTKI ZIEMSKIEGO ŻYCIA

W 1953 roku student chicagowskiego uniwersytetu, Stanley Miller, wykonał słynne doświadczenie. Zamknął amoniak, metan i wodę w szklanej kolbie, poddał ten zestaw serii wyładowań elektrycznych i wyszedł, pozostawiając zapoczątkowane reakcje własnemu losowi. Kiedy następnego dnia zbadał zawartość kolby, wykrył aminokwasy - podstawowy budulec ziem-skiego białka - wydawało się, że zagadka powstania życia na Ziemi została rozwiązana.

Ryc. 5. Rejony polarne należą do najbardziej aerozolotwórczych na Ziemi. Podczas sztormu drobiny wodne są przenoszone nawet przez wysokie łańcuchy górskie (Spitsbergen)

Fot. Sławomir Swerpel

Niedawno jednak geolodzy zaczęli przypuszczać, że praatmosfera nie miała składu podobnego do tego z doświadczenia Millera. Znowu zaczęły mnożyć się teorie próbujące wyjaśnić tajemnicę życia. Kalifornijski fizyk Louis Lerman przedstawił jedną z nich podczas konferencji na temat narodzin życia na Ziemi, która odbyła się w Barcelonie w 1993 roku.

Za głównego sprawcę naszego istnienia uznał Lerman mikroskopijne pęcherzyki pękające na powierzchni pramorza i ulatujące z niego drobiny. Stwierdził wtedy, że kluczem do chemicznej ewolucji życia nie musi być wcale "bulion pierwotny", pokrywający powierzchnię praplanety. Tę rolę mogły znacznie lepiej spełnić wówczas aerozolowe drobiny. Proste związki organiczne z mulistego podłoża, węgiel (grafit) z pyłu wulkanicznego i meteorytowego czepiały się mikropęcherzyków, tak jak dzisiejsze bakterie. I tak, jak obserwujemy to dzisiaj, były wyrzucane do atmosfery w procesie pękania pęcherzyków. Dopiero tam na te proste związki organiczne oddziaływało promieniowanie ultrafioletowe i wyładowania atmosferyczne. W niezliczonych drobinach unoszących się nad powierzchnią naszej planety zaczynały się tworzyć aminokwasy. I wraz z opadami wracały na Ziemię - jako zarodniki życia.

SŁAWOMIR SWERPEL jest oceanografem, autorem licznych artykułów popularnonaukowych, związanych z badaniami oceanu.