2. 8 Antropogenní změny v koloběhu prvků, výměna látek mezi geosférami,
geochemické cykly (zásahy člověka do geochemického režimu Země)

Cykličnost je základní vlastnost reálných systémů s protékající energií. Je nepochybné, že Země tomu odpovídá (přední světový filozof indického původu Osho: „Země je rytmická harmonie“). Cykličnost se projevuje ve vývoji Země v chování jejích částí všech měřítek, od Země jako celku, kontinentů, přes horniny, biologický vývoj až po jednotlivé prvky. Základem všech druhů cyklů jsou planetární vlivy, zejména vliv sluneční energie, vlastností oběžných drah planet a gravitační vlivy těles sluneční soustavy. Výhradně tyto vlivy se uplatňovaly v azoiku a jsou základem primárně abiotických cyklů, k nimž patří tektonické (orogenní) cykly, horninový cyklus a cyklus vody. S nástupem organizmů v proterozoiku se začaly uplatňovat biotické cykly prvků, zejména uhlíku, kyslíku a síry, vápníku a cykly prvků, které jsou zčásti abiotické a zčásti biotické, jako je fosfor, křemík a některé kovy (např. kadmium hraje důležitou roli v cyklech ovlivňovaných mořskými mikroorganizmy). S nástupem člověka (antropozoikum) vstupuje do těchto cyklů další činitel, který se stále více uplatňuje ve všech a vytváří i cykly další, vysloveně antropogenní, např. cykly těžkých kovů, pesticidů a dalších umělých chemických látek.

Horninový (Huttonův) cyklus (obr. 53) je primárně abiotický cyklus, v němž základní vývoj probíhal a probíhá ve svrchním plášti a zemské kůře. Je ovšem zřejmě stále více ovlivňován působením organizmů, včetně člověka. Jeho počátkem jsou procesy, které probíhají v hraniční vrstvě mezi jádrem a pláštěm v hloubce 2900–3000 m.

Za přispění látek a energie migrujících ze spodního pláště a od doby začátku subdukčních procesů i těkavých a radioaktivních látek, přinášených do této zóny subdukující kůrou, vznikají roztavené hmoty, které pak v různých hloubkách svrchního pláště produkují primární magmata. Ta po proniknutí do zemské kůry utuhnou jako hlubinné a žilné vyvřeliny (intruzíva) a pokud se dostanou až na povrch, vznikají výlevné vyvřeliny (efuzíva). Vyvřeliny v zóně průniků geosfér, tj. exogenních procesů, zvětrávají za vzniku reziduálních hornin, které jsou někdy označovány jako regolity. Látky uvolněné při zvětrávání jsou transportovány (vodou, ledem, větrem, člověkem) a usazují se za vzniku usazených hornin (sedimentů). Na těchto procesech se tedy podílí atmosféra, hydrosféra i biosféra. Usazené horniny se v důsledku nadložních tlaků a dalších vlivů zpevňují za vzniku diagenetických čili zpevněných hornin a mohou být přeměněny zejména kontaktními účinky magmatu, tlaky při tektonických procesech nebo vlivem biosféry. Tlakem nadloží nebo tektonicky se ponořují do hloubky do zóny endogeneze. Vznikají endogenní metamorfity. Ty se buď vrací při tektonických pochodech do zóny exogeneze a znovu se začleňují do exogenních procesů nebo jsou při subdukci ponořovány a vytváří roztavené hmoty. To, že prošly horninovým cyklem, indikuje jejich chemické složení a změny izotopového složení prvků (obohacení o lehké vzácné kovy /LIL/).

Horninový cyklus je tak zároveň geochemickým cyklem křemíku, hliníku, lehkých vzácných prvků a také vody.

Voda je součástí dvou velmi významných cyklů.

Jako velký cyklus se označuje cyklická migrace vody mezi pláštěm, kůrou, hydrosférou a atmosférou, které jsou součástí horninového cyklu. Voda se dostala na povrch z kůry a pláště, resp v důsledku meteoritických impaktů, v azoiku a její přínos se díky tektonickým a petrogenetickém procesům (vulkanizmu) neustále obnovuje. Odhaduje se, že v současnosti je v plášti a kůře vázáno asi 10²² litrů vody, která se tam zčásti vrací z povrchu v oceánské kůře v důsledku subdukce a aktivizuje v plášti tavící pochody a opět se vrací k povrchu, takže dnes jsou zastoupeny patrně stejné molekuly vody jako na počátku subdukčních procesů před více nežli 3 miliardami let.

Tzv. malý cyklus vody má existenční význam pro lidstvo. Trvá pouhých 10 dnů (výměna 14 000 km³ vody v atmosféře) a zjednodušeně může být vyjádřen schématem:

déšť → odtok vodními toky → moře → vypařování → mraky → déšť

Každé použití vody je zásah do tohoto cyklu a má významný vliv na vodu samu, na klima i na život.

Povrchové vody jsou člověkem ovlivněny znečištěním, změnou teploty (vypouštění teplých odpadních vod) a změnami v rychlosti odtoku (kácení lesů, meliorace, zavlažování, regulace říčních toků, stavba přehrad).

Cyklus uhlíku je primárně biotický. Z atmosféry, kde je objem uhlíku asi 2,5. 10¹² tun (tj. cca 400 ppm) je ročně organizmy odebráno přibližně 10⁸ tun fotosyntézou. Obsah uhlíku v atmosféře neustále stoupá, k jeho hromadění (ve formě CO₂, metanu a zčásti i etanu) významně přispívají sopečné výbuchy, které by mohly v extrémních případech mít i globální katastrofické důsledky (v zemském plášti je až stotisícinásobek uhlíku obsaženého v atmosféře). Všechny ostatní zdroje jsou antropogenní nebo antropogenně ovlivněné. Patří k nim lesní požáry a průmyslové emise, přibývající velká množství metanu produkují chovná stáda dobytka a rýžová pole. Metan a CO₂ unikají z průzkumných hlubokých vrtů i těžebních vrtů, metan je uvolňován z hydrátů metanu uložených v sedimentech na dně oceánů (z tohoto zdroje je ho uvolňováno tím víc, čím je oceán teplejší!).

Molekuly uhlíku zůstávají v atmosféře asi 3 roky a pak se prostřednictvím organizmů dostává zpět do litosféry, kde je součástí fosilních paliv (rašelina, uhlí, ropa, zemní plyn) a karbonátových usazenin. Cyklus uhlíku je znázorněn na obr. 55, obr. 56.

S cyklem uhlíku jsou velmi úzce propojeny i cykly dalších prvků. S fotosyntézou je s uhlíkovým cyklem propojen cyklus vodíku a cyklus kyslíku, který je ovšem z atmosféry ve stále větším množství odčerpáván spalováním, především průmyslovým spalováním fosilních paliv i biopaliv.

Poněkud složitější je propojení s cyklem dusíku (obr. 57), který nemůže být v elementární formě (N₂) využíván organizmy a jen se rozpouští v oceánské vodě. Do organizmů a půd se dostává v oxidované formě (NO₃), přičemž oxidace je způsobována blesky, a hlavně ve formě redukované (NH₃). K redukci dochází působením baktérií a rostlin.

Podobně je s působením organizmů spjat cyklus síry a fosforu i v podstatě vápníku. Do koloběhu síry vstupuje člověk velmi výrazně. Sirovodík uniká uvolněním z přehřáté páry při ochlazování v geotermálních elektrárnách a oxidy síry se dostávají do hydrosféry i atmosféry uvolněním při spalování fosilních paliv (obr. 55).

Charakteristické pro cykly těchto biogenních prvků je jejich vzájemné sepjetí. Na obr. 55 je znázorněno propojení cyklů síry a uhlíku. Obsah izotopu ³⁴S v sulfátu v levé křivce – odchylka doleva odráží přechod síry z pyritového FeS₂ do sulfátového (CaSO₄) rezervoáru. Při tom je odčerpáván kyslík z atmosféry. V pravé křivce odchylka doprava znamená přesun z vápence do rezervoáru organického uhlíku. Tato reakce uvolňuje kyslík do atmosféry. Spotřeba kyslíku z jedné reakce je vyvážena jeho produkcí v druhé, takže obsah kyslíku v atmosféře zůstává v čase přibližně konstantní (Westbroek, česky 2003).

Obdobné sepjetí lze doložit i u globálního cyklu křemíku a vápníku a také u většiny dalších prvků.

Všechny cykly při tom probíhají přísně logicky tak, aby zůstaly zachovány pro život. Tak to nesporně probíhá již více než 3 miliardy let, po které existuje život na Zemi. Lidská aktivita vstupuje ovšem do těchto cyklů většinou protichůdnými vlivy a je otázka do jaké míry dokáže příroda tyto vlivy eliminovat, aniž by došlo ke kolapsu geochemického koloběhu prvků. Antropogenní ovlivnění se projevuje především neustále stoupajícím množstvím CO₂ v atmosféře, okyselením a vznikem antropogenních koloběhů.

Vysloveně antropogenní jsou cykly těžkých kovů a umělých chemických látek (pesticidy). Kovy jsou uvolňovány především při spalování fosilních paliv ve formě aerosolů. Zpravidla jde o arzén, vanad, železo, ale v případě Podkrušnohoří i galia a germania, které se tam v nezanedbatelné míře dostávají do atmosféry a hydrosféry.

Obrazový doprovod

Obr. 53 Horninový (Huttonův) cyklus, ovlivňující
zásadním způsobem látkovou bilanci jednotlivých geosfér.

Obr. 54 Podíl hlavních producentů CO2 v r. 2002.
Hodnota emisí CO2 byla v r. 2002 celkem 24 100 Mt.
Olah et al., 2006.

Obr. 55 Spojení koloběhu uhlíku a síry
v geologických procesech.
Bouška et al., 1980.

Obr. 56 Propojení cyklů uhlíku a křemíku.
Bouška et al., 1980.

Obr. 57 Roční změny koncentrace dusíku a CH4 v ovzduší
v posledních dvou tisíciletích a v posledních
deseti tisíci letech.
Goudie et al., 2006.

Obr. 58 Souvislost odchylek izotopů síry a uhlíku indikují
v geologickém vývoji Země vyrovnávání změn teploty.