Geochemie životního prostředí Tématický přehled 22. 2. Úvod, globální systémy a cykly, pohyb v atmosféře a hydrosfére 1. 3. Hydrologický cyklus; cykly prvků 8. 3. Geochemie vody; organická geochemie; mikrobiální biogeochemie 15. 3. Transport kontaminantu v životním prostředí, BOD, OM a přísun živin 22. 3. Interakce dispergovaných částic s vodným prostředím 29. 3. Zvetrávaní, vznik půd a zemědělské půdy 5.4. Podzemní voda a její kontaminace, organické polutanty 12.4. Úvod do toxikologie, znečištění sladkých vod - těžké kovy; úprava pitné vody 19.4. Komunální a odpadní vody 26.4. Geochemie atmosféry a polutanty; halogenované uhlovodíky a stratosférický ozon, fotochemický smog, kyselý déšť 3.5. Skleníkové plyny a globální klima: Minulost, současnost a budoucnost 10.5. Energie, technologie a zdroje 17.5. Radioaktivita a environmentálni problémy Učebnice Appelo C.A.J., D. Postma: Geochemistry, groundwater and pollution. Leiden : A. A. Balkema publishers, c2005. 649 s. Langmuir Donald: Aqueous environmental geochemistry. Upper Saddle River, N.J. : Prentice Hall, c1997. 600 s. Zhu Chen, Greg Anderson: Environmental applications of geochemical modeling. Cambridge : Cambridge University Press, 2002. 284 s. Úvodní poznámky Využijeme globálního a lokálního chování chemických prvků na povrchu země pro 1. Pochopení přirozených změn na Zemi Podíváme se na přirozenou distribuci prvků v různých systémech. 2. Pochopení odchylek způsobených lidskou činností Podíváme se na distribuci v antropogenně vychýlených systémech s využitím základů chemie pro vysvětlení podmínek. Úvodní poznámky Kádinka Jednoduchý systém Prostredí Složitý systém «=>,- -.O' Vliv člověka: Globální - C02, stratosférický ozon Lokální - splach zemědělských hnojiv, úniky z nádrží Úvodní poznámky Geochemie Studuje zdroje a osud chemických látek v přírodním prostředí. Soubor nástrojů, který pomáhá pochopit zemské procesy; tyto nástroje jsou založeny na chemických principech. Environmentálni geochemie Studuje chemické látky v přírodním prostředí a vliv technologie. Porovnání přirozených systémů se systémy ovlivněnými lidskou činností. Úvodní poznámky Lidská technologie nevratně změnila funkci zemských systémů Technologie změnila způsob, kterým je energie a hmota přenášena mezi jednotlivými rezervoáry Země. Technologie nám poskytla nástroje pro zlepšení našich životních podmínek. 4 Technologie poskytla nástroje pro dramatickou změnu prostředí, někdy zničující Některé definice Kontaminant je látka, která je v prostředí přítomna ve vyšší koncentraci než je přirozená jako důsledek lidské činnosti. Stává se polutantem, pokud má škodlivý vliv na prostředí nebo jeho část. Stává se toxický, pod poškozuje nebo škodí biotě v prostředí. Úvodní poznámky Přírodní x antropogenní sloučeniny Lidská aktivita vnesla do prostředí značné množství úplně nových látek (CFC, PCB...). Přírodní látky mohou být klasifikovány jako kontaminanty nebo polutanty. Pak mluvíme o antropogenním obohacení nad přirozenou úroveň. Technologie pro monitorování a kontrolu škodlivého vlivu lidské aktivity na prostředí. Groundwater treatment wall purifies chemical plume Permeable subsurface treatment wall composed of ^-—^ metallic iron and sand Chemical *r \ *.*-«'*" ■'-■o' source Remediated groundwater Chemical "^^^^^ plume Groundwater llow direction 22 Cykly hmoty Kombinované síly přírody a člověka způsobují pohyb hmoty na Zemi. Ten je často provázen chemickými přeměnami způsobenými geologickými, hydrologickými, atmosférickými a biologickými činiteli. Cykly hmoty Ve vědách o Zemi je často vhodné nebo výhodné uvažovat o naši planetě jako o kombinaci zásobníků, mezi nimiž hmota přechází. Tyto zásobníky se označují jako rezervoáry. Pohyb hmoty mezi nimi se označuje jako tok.c Rezervoár je jakákoliv fyzikální část přirozeného světa, která se chová polonezávisle a v níž se odehrává jeden nebo více procesů. Interakce mezi hlavními rezervoáry na Zemi probíhají v předvídatelných cyklech. Cyklus je cesta a rychlost přenosu hmoty nebo energie mezi rezervoáry. V ideálním případě je cyklus uzavřený a celkově musí být toky energie nebo hmoty vyrovnané. Biogeochemický cyklus jsou chemické interakce mezi různými abiotickými rezervoáry a biotou. Cykly hmoty Příklad rezervoáru -jezero. Uvnitř jezera probíhají procesy, s dalšími rezervoáry (atmosférou, sedimentem a podzemní vodou) si jezero vyměňuje látky. :hange with the atmosphere / H2° ^ Leaching 2HCO3 + Av Photosynthesis ^ {CH20} + Q2(g) + COf COf + H2Q Acid'base > HCO3 + OH" Ca2+ + CO^PreciPitati0n>CaCO3(y) 2(CH20} ^SOr+2H+^fU H2S(£) + 2H20 + 2C02te) Uptake ____ - H20 (I) this part added by Ken Groundwater Upraveno podle: S. E. Manahan: Environmental Chemistry, 2004. Cykly hmoty Relativně formální definice cyklu Jsou vymezeny hlavní rezervoáry a všechny rezervoáry jsou propojeny toky bez ohledu na jejich skutečný význam. Atmosphere Biosphere Geosnhere Ge-»Hy Geť-Hy Hydrosphere Upraveno podle: S. E. Manahan: Environmental Chemistry, 2004. Reálná definice cyklu s vymezením rezervoárů a rozlišením exogenního a endogenního cyklu Jsou identifikovány reálné rezervoáry a vymezeny skutečné toky mezi nimi. Cykly hmoty I------------------------------------------Outline of exogenic cycle- Atmosphere » Human activties I constitute 'new' fluxes between the exogneic and endogene cycles that pass \ through the Anthrosphere Hydrosphere ^ rf Sediments T j so I've added this to this figure from your text book A Sedimentary rock Igneous rock v_ *— Metamorphic rock Magma Upraveno podle: S. E. Manahan: Environmental Chemistry, 2004. Outline of endogenic cycle Cykly hmoty Nejobecnější diagram cyklu s pěti hlavními zemskými rezervoáry s identifikací hlavních toků významnějších látek. Multikomponentní toky. 10 Atmosphere < Precipitation, water vapor, hydrologie cycle, energy, C02, O^ Dl Hydrosphere Upraveno podle: S. E. Manahan: Environmental Chemistry, 2004 Antroposféra Antroposféra - část prostředí, která je vytvořena nebo modifikována pro využití člověkem. 11 Upraveno podle: K. Rubbin:: Environmental Geochemistry, 2006. (http://www.soest.hawaii.edu/krubin/gg425.html) Antroposféra Pozitivní nebo požadovaný vývoj kontrola emisí a odpadů 1. Nekontrolované vypouštění odpadů 2. Kontrola odpadů a polutantů poté, co jsou vyprodukovány 3. Uzavřený okruh výroby bez vypouštění odpadů 12 Toky Výměna hmoty mezi hlavními rezervoáry zemského cyklu Z Atmosféra Hydrosféra Biosféra Geosféra Antroposféra Do Atmosféra — H20 o2 H2S, částice S02, C02 Hydrosféra H20 — (CH20) minerální látky polutanty Biosféra 02, C02 H20 — minerální výživa hnojiva Geosféra H20 H20 organická hmota — nebezpečné odpady Antroposféra 02, N2 H20 potraviny minerály — Cirkulace atmosféra Rising warm, moist air Descending "^šJA s— cool, dry air J I \ v l Hadley cell 13 Hadley cell Descending ' 1 Cool, dry air /,' ising warm, moist air Descending cold, dry air atmosféra Cirkulace 14 15 atmosféra HADLEY CELL CIRCULATION 16 Cirkulace POLAR 17 atmosféra Cirkulace Rychlost vertikálního proudění vzduchu (modrá dolů, čevená nahoru). Cirkulace oceány 180 0" ". Warm currents *- Cool currents 19 Rezervoáry Rezervoáry - lokalizované zásobníky Vnitřní pohyb (a v určité míře stratifikace) s hustotou jako hnací silou U sladkých vod hustota určena především teplotou (složení má obvykle až druhořadý význam) U slaných vod hraje teplota a salinita srovnatelnou roli Malá tělesa (jezera) - po celém povrchu stejné podmínky -jednoduchý vnitřní pohyb Velká tělesa - vysoce variabilní podmínky - komplikovaný vnitřní pohyb Stratifikace Vrstvy Hranice mezi vrstvami - termoklina - ostrá změna teploty směrem do hloubky Termoklina leží pod vrstvou s téměř konstantní teplotou - směsná, míchaná vrstva (mixed layer) a nad hlubokou vrstvou s konstantní nebo mírně se měnící teplotou • Temperature (C°) 0 5 10 15 20 25 0 J i i i i |j i i i j i i i i | i i i i j i i i i | I 40 80 120 160 200 3 0 H- 33 Surface Mixed Layer Note that both temperature & salinity are very nearly constant. This is the result of physical mixing of the near surface by winds. Region of rapid temperature change is called the thermocline. Region of rapid salinity change is called the pycnocline. 33.5 34.5 20 > Salinity (part per thousand or per mil) Stratifikace jezera Epilimnion C02+H20 +hv -> {CH20} + 02 Photosynthesis Relatively high dissolved 02, chemical species in oxidized forms í**íiíía * fc* »* nft * *:*t*I -»I tlil?: 5*1-1-1 21 Stratifikace oceány Oj §&< ■far--* :-• -r- ■ r-;'-': ]:#£&: im -m "m ■-.■■:-i';--: ■:■:-'■ ml '■•':■:•.• ■: ■;■■:-"•-- ■■■ -J-ľ=í"3 •::.* ;. ::-':::■: ľ: í: í ■ ;■: ;:';• *: - ■■■■' ■ •: :*•••. " III m Mm Surface COj+H^+hv -> (CHjO) Photosynthesis Relatively high dissolved 02, chemical species in oxidized forms + 0, Intermediate Relatively low dissolved O-, rare to find chemical species in reduced forms Deep water is closer to chemical equlibrium (on a local scale). Water mass ages from 200 (surface) to 2000 (deep North Pacific) seamount or mid-ocean ridge volcano Doba zdržení (residence time) r=[A] rezervoár / tok(A)do nebo 22 Vnitřní pohyb jezera 23 TEMPERATURE (CELSIUS) -5 0 5 10 15 20 25 30 1.0000 0.9990H 0,9930 0.9970 _ 0.9960-0.9950-0,920 -t 0.910 -X DENSITY/TEMPERATURE REUTIOHSHIP FOR DISTILLED WATER. SHADED AREAS SHOW RELATIVE DIFFERENCE IN DENSITY FOR 5DCTEMPERATURE CHANGES. Vnitřní pohyb jezera SUMMER STRATIFICATION olio: hic 0 4 9 riigüj/L SPRING TURNOVER 4 8 0 ID 20 30 °C WINTER 0 £ I I I | ■ I I | I I IM \ FALLTURNQVER * I P ' I ■• ■ ! f • MU 00 "......M "f 24 D O 30 °C 2D TO °C £UTft[ 07122426 Vnitřní pohyb Jezera Příklad podzimního „zrušení" stratifikace na jezeře Minnetonka. Jedná se o rychlou, přitom komplikovanou událost. o.o 0.0 1.0 9.0 25 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 Dissolved Oxygen (mg,l_) Temperature (C) ftl +- 8/2Sť99 @ 6:00 PM ■ - -8/30^99© 6:00 AM 8/30/99 @ 12:00 AM 8/3^99 @ 12:00 PM 30.0 Závislost hustoty vody Na teplotě a salinitě KW y '-■■. ÍIMJ v- !(: ÍJ Solinlty Potential density 0 d bar 3ÍO 26 Závislost hustoty vody Na teplotě a salinitě 102fl 5dlnfty»3íků, pr«sur*«0 IÜ24 Sůlirítf=3510. Tamp k 0. ■ Í5Ď / „ ■ :4b G "s. * Iŕtó Ě - ' .-lb 103Ů a 12 Temperatur« 2000 I co: Pressure lüCOti F\jre *atsrv pfflsgurw=0 Frflianq point t«rrp«ncitur« 27 8 IS Temperature _: 20 Salinity teplota Oceány Temperature 60' 70'N 20G0 ^ ANT. BOTT, 34.65 28 Figure 1.13 South-noríh vertical section of water properties of the Atlantic Ocean along the western trough as delineated by lines of constant temperature and salinity. N. AtJ. Deep = North Atlantic Deep Water; Ant. Bott. = Antarctic Bottom Water; Ant. Int. = Antarctic Intermediate Water; Mcdit. = Mediterranean Water. [Adapted from Pickard and Emery (1982), based on data from Bainbridge (1976).] teplota Oceány TempwaiufflpC) 5 10 IS a? íÄCO- 2CC0- i i £ 3,0CÜ S 4£O0- £0C0- Sufkí* {ma*d) 2Crt# -2,OX I___________--».O» 6.ÍOJ T S n a. ,1 nr 40 1~ «Q 10JGCO £ S -iŕjtso -n.wo -1&DCQ -ISßCO 1,000- I £. 2,000- 3,000- l*ffyě(*tot*i9Q} TemperawecF) -2,000 4.0ÖG g 6.QQ0 ž I - 10.000 teplota Oceány BO'N- m*w 3ÍWĽRTEWP. i-----1-----r KP* 20*E LuNGľnJDE GQ'E 10ÍFE 31 Temperature ůX 10 m unii, ave. (LeVitus, 1903) salinita Oceány so™ - BtŕZ - Gfttw i------1------r LC^crruDE K"E kkfe 32 Salinity at 10m, ann, ave, (Levitus, 1982) Oceány hustota SO'S - t----------1----------r 2Q*E LONGITUDE 33 Potential density at 10 m( annual average