Efectele poluarii atmosferice asupra climei

Exista o stransa corelatie intre poluarea atmosferei si factorii climatici. Pe de o parte relieful, directia vantului, insolatia si regimul precipitatiilor determina intensitatea poluarii, iar pe de alta poluarea influenteaza factorii meteorologici, determinand modificarea intensitatii fluxului luminos, variatia numarului de zile cu ceata din zonele urbane, etc.

Poluarea atmosferica actioneaza asupra climei atat la nivel global, producand modificari ale macroclimatului planetar, cat si la nivel local, producand schimbari ale mezoclimatului.

Efecte la nivelul macroclimatului

Cantitatea de energie primita de Pamant pe unitatea de suprafata depinde de intensitatea fluxului solar, parametru ce este influentat si de natura poluantilor si de concentratia lor in atmosfera. In acest fel, poluarea atmosferei influenteaza temperatura medie la nivelul solului.

Cea mai mare parte a gazelor atmosferice sunt “transparente” la radiatii adica au un coeficient de absorbtie nul. Spre deosebire de acestea CO₂, vaporii de apa si intr-o mica masura CH₄, O₃ si oxizii de azot absorb o parte importanta a spectrului solar, in special radiatiile infrarosii. In acelasi timp, aceste gaze absorb si radiatiile infrarosii remise de uscat, mari si oceane, care se incalzesc in timpul zilei si astfel are loc o ridicare a temperaturii in paturile joase ale troposferei, producand efectul de sera.

Intensitatea fluxului solar la nivelul solului este conditionata in mare masura de nebulozitatea atmosferica. Norii opresc o parte a energiei solare incidente si o reflecta spre exterior, dar in acelasi timp reflecta catre sol radiatiile emise de suprafata uscatului si a Oceanului Planetar, ducand la incalzirea paturilor joase ale atmosferei.

Intensitatea fluxului solar la nivelul solului este influentata si de turbiditatea atmosferei determinata de cantitatea si calitatea particulelor in suspensie aflate in aer. Particulele solide si aerosolii absorb energia solara incidenta, ducand la scaderea temperaturii la nivelul solului. In acest mod se explica faptul ca dupa eruptia marilor vulcani, care au aruncat in atmosfera milioane de tone de cenusa, are loc o ridicare a temperaturii in stratosfera, concomitent cu scaderea temperaturii la nivelul solului.

Omul modifica intensitatea radiatiei solare si prin alte activitati de la nivelul solului, precum urbanizarea excesiva, despaduririle masive, punerea in cultura a unor soluri fragile favorizand eroziunea eoliana, crearea de imense lacuri de baraj sau prin introducerea in atmosfera a unor compusi rezultati din tehnologiile industriale precum CO₂, oxizii de azot si sulf, freonii, pulberile. Toate acestea determina modificari ale climatului planetei.

In concluzie, se poate spune ca modificarile fizice si chimice ale atmosferei datorate poluarii duc la modificarea coeficientilor de reflexie si absorbtie a atmosferei, prin aceasta la micsorarea intensitatii fluxului solar si deci la schimbari climatice la nivel global.

In istoria climatica a Terrei se constata o succesiune de perioade reci, numite glaciare si calde, interglaciare, ce apar la anumite intervale de timp. In ultimii 620.000 de ani au existat 10 astfel de cicluri termice.

Dupa teoria lui Plass (1960), succesiunea ciclica a perioadelor glaciare si interglaciare s-ar datora alternantei cresterii si descresterii concentratiei de CO₂ din atmosfera. Scaderea concentratiei CO₂ rezulta din dizolvarea gazului carbonic in apa Oceanului Planetar, care isi mareste volumul in perioadele interglaciare prin topirea calotei glaciare. In paleozoic, aceasta reducere a concentratiei s-a datorat si consumului de cantitati mari de CO₂ de catre vegetatia luxurianta care acoperea planeta in acea perioada. Cresterea concentratiei de CO₂ are loc odata cu diminuarea volumului Oceanului Planetar, care a intrat intr-o noua glaciatie. Asadar, scaderea concentratiei CO₂ duce la racirea climei, iar cresterea concentratiei la incalzirea ei.

Hays (1976) lanseaza o noua teorie dupa care modificarile climatice ale Terrei se datoreaza variatiei ciclurilor astronomice. In ultimii 500.000 de ani modificarile climatice au aparut la intervale de 23.000, 41.000 si respectiv 100.000 de ani. Aceste intervale corespund cu perioadele de precesiune a polilor, cu modificarea oblicitatii si excentricitatii orbitei terestre.

Ciclurile astronomice duc la modificarea intensitatii radiatiilor solare primite de Pamant. Atunci cand intensitatea fluxului solar la latitudini mari (poli) este mai mica decat 10% din valoarea sa medie, Pamantul intra intr-o noua perioada glaciara. Aceasta teorie confirma teoria astronomica a glaciatiei a lui Milankovitch care arata ca aparitia perioadelor glaciare este legata de variatia pozitiei Pamantului pe orbita, ceea ce duce la diminuarea fluxului solar la latitudini inalte.

Analiza bulelor de aer prinse in interiorul ghetarilor din Groenlanda si Antarctica a permis intelegerea legaturii dintre concentratia CO₂ din aer, fluctuatia insolatiei la latitudini inalte si climatul planetei. Echipe de cercetatori francezi, pe baza studiului “aerului fosilizat” in ghetari, au aratat ca in perioada glaciara Wűrm concentratia de CO₂ din atmosfera era aproape la jumatate (180-200 ppm) fata de cea actuala (345 ppm).

Studii efectuate de rusi la Statia Vostock din Antarctica (1987) au reconfirmat legatura dintre concentratia CO₂ si climat. Cele mai mari concentratii de CO₂ (295 ppm) s-au inregistrat la apogeul perioadei interglaciare Riss-Wűrm, acum 136.000 de ani, iar cea mai scazuta (178 ppm) acum 42.000 de ani, in timpul ultimei glaciatii.

Alte studii pe carote de gheata din Antarctica vin sa reconfirme teoria lui Milankovitch: minima concentratiei de CO₂ si minima termica fluctueaza la intervale de 100.000, 40.000 si 20.000 de ani, adica in functie de variatia insolatiei la latitudini inalte.

Un alt factor susceptibil de a provoca modificari climatice globale tine de variatia activitatii solare. Intensitatea fluxului solar depinde de abundenta petelor solare. Pe baza determinarilor cu C¹⁴ din inelele de crestere ale arborilor seculari s-a demonstrat legatura stransa dintre temperatura medie terestra si activitatea solara. Perioadele de intensa activitate solara coincid cu ridicarea temperaturii iar lipsa petelor solare cu racirea climatului.

Nici una dintre teorii nu poate explica singura modificarile climatice ale planetei. Pare ca exista un mecanism de feed-back intre concentratia CO₂ din atmosfera, factorii astronomici si modificarile climatice.

Studii de termometrie izotopica au aratat ca temperatura medie a scazut considerabil incepand de la sfarsitul mezozoicului si pana in holocen. In cretacic (100 milioane de ani) temperatura medie a planetei era de 23⁰C, fata de numai 15⁰C acum. Paralel cu aceasta concentratia CO₂ a scazut de la 3900 ppm, la inceputul erei secundare, la 270 ppm, la inceputul secolului trecut.

O consecinta a cresterii concentratiei de CO₂ din atmosfera ca urmare a unor cauze naturale si antropice este intensificarea efectului de sera.

Efectul de sera este un proces de crestere a temperaturii medii a planetei ca urmare a stoparii procesului de iradiere a energiei termice spre Univers si acumularii caldurii in straturile inferioare ale atmosferei, in urma cresterii concentratiei CO₂ atmosferic (figura 3.1).

Figura 3.1. Schema efectului de sera (dupa Negulescu, 1995).

Dublarea concentratiei de CO₂ din atmosfera ar determina o crestere a temperaturii medii a planetei cu cca. 3⁰C si maximum 8⁰C la poli. Aceasta ridicare a temperaturii este contrabalansata de cresterea cantitatii de pulberi si aerosoli din aer, datorate unor cauze antropice (poluare) sau naturale (vulcanism), fenomene ce duc la diminuarea intensitatii fluxului luminos care ajunge pe Pamant.

In ultimii 150 de ani a avut loc o incalzire a climei globului dovedita de topirea ghetarilor din Alpi si Anzi, de retragerea calotelor glaciare si de extinderea arealului spre nord a unor specii de insecte si pasari de origine mediteraneeana. Daca nu apar schimbari majore in vulcanism si activitatea solara, in anul 2010 temperatura medie globala va creste in medie cu  circa 3⁰C, neuniform, cresterile fiind mai mici la ecuator si mai mari la poli (figura 3.2).

O prima consecinta a cresterii temperaturii medii globale ar fi modificarea regimului pluviometric al planetei. S-ar inregistra o aridizare a climatului in America de Nord si Europa, unde verile vor deveni foarte calde si secetoase. Datorita acestui fapt, s-ar inregistra o scadere cu peste 20% a productiei de cereale. Productivitatea primara in regiunile tropicale ar scadea drastic datorita caldurii excesive ce devine un factor limitant.

In zonele temperate, vor fi consemnate fenomene meteorologice anormale, precum temperaturi excesive si cantitati mari de precipitatii, care vor produce inundatii catastrofale si secete prelungite vara, dupa care ninsorile si ingheturile se vor rari pana la disparitie si vor aparea fenomene meteorologice specifice zonelor subtropicale (uragane, taifunuri, tornade). In Europa sudica (Spania, sudul Frantei, Corsica, Sardinia) se vor inregistra fenomene de desertificare iar in Europa vestica si centrala se vor produce ploi diluviale, furtuni catastrofale si inundatii. 

Lucrare: Calculul azimutului cu ajutorul relatiei sin z Proiect: Proba de evaluare - planetele sistemului solar

Figura 3.2.  Variatia temperaturii medii anuale globale a aerului in raport cu

temperatura medie a planetei in ultimii 110 ani (dupa Booth, 1991)

Un alt efect al cresterii temperaturii planetei este modificarea nivelului Oceanului Planetar datorita topirii calotelor glaciare. In Antarctica, calotele de gheata s-au retras in ultima jumatate de secol cu peste 7.000 km². Scade stratul de gheata in Arctica, Alaska, Groenlanda, in Alpi, Anzi si in Tibet. (L. Brown, 2000). Cresterea de nivel a oceanului ar fi cuprinsa intre 0,2-1,4 m, ceea ce ar duce la micsorarea suprafetelor litorale si la disparitia deltelor. Deltele marilor fluvii asiatice (Gange, Brahmaputra, Mekong), precum si delta Nilului ar disparea sub ape, producand infometarea populatiilor din acele zone. Concomitent, s-ar inregistra o marire a concentratiei de vapori din atmosfera, ce ar determina scaderea intensitatii fluxului luminos la nivelul solului si scaderea generala a productivitatii ecosistemelor.

In Romania, in conditiile incalzirii globale si a cresterii nivelului Oceanului Planetar, Delta Dunarii ar deveni golf, care s-ar putea intinde pana in Campia Siretului Inferior, iar apele Dunarii ar inunda in intregime zonele de lunca. In acelasi timp, Campia Romana, Podisul Moldovei si Dobrogea vor fi zone semidesertice, iar celelalte zone colinare, inclusiv Podisul Transilvaniei, vor avea un climat submediteranean. 

Incalzirea globala a planetei este produsa in principal de cresterea concentratiei de CO₂ din atmosfera, contributia acestui gaz la declansarea efectului de sera fiind estimata la aproape 50%. Pe langa gazul carbonic, efectul de sera este accelerat si de cresterea concentratiei altor gaze in atmosfera: metan, clorofluorocarbonati, oxizi de azot, etc. (tabelul 3.5).

Tabelul 3.5. Gazele de sera care contribuie la incalzirea globala a Terrei

Contributia diferitelor state la instalarea si accentuarea efectului de sera la nivel planetar, materializata prin cresterea temperaturii la nivel global, este diferita in functie de gradul de industrializare (tabelul 3.6).

Tabelul 3.6. Contributia unor tari la incalzirea globala a Terrei

Cantitatile cele mai mari de “gaze de sera” sunt produse de SUA, CSI si tarile europene, care impreuna au o contributie de aproape 50% la fenomenul general de incalzire a climei globului.

Efecte la nivelul mezoclimatului

Poluarea atmosferica modifica mezoclimatul zonelor urbane puternic industrializate determinand aparitia frecventa a cetii, a smogului si a inversiunilor termice.

Fenomenul de inversiune termica apare datorita modificarii gradientului termic al troposferei, legat de prezenta smogului. In conditii normale, temperatura scade odata cu altitudinea. In anumite conditii, un val de aer rece se interpune intre suprafata solului si patura de aer cald. Apare astfel in vecinatatea solului, la altitudini de pana la 200 – 300 de metri, o patura de inversiune in care temperatura creste progresiv pana la o anumita altitudine, numita plafon de inversie, apoi gradientul termic revine la normal, adica temperatura incepe sa scada.

In conditii de inversiune termica, fumul si gazele poluante nu se mai ridica in atmosfera, raman in vecinatatea solului deoarece densitatea acestor gaze este aproape egala cu cea a aerului din patura de inversiune termica. Miscarile ascensionale sunt blocat, vaporii de apa se condenseaza sub forma de ceata, fenomen favorizat de pulberi si aerosoli, care devin centri de condensare pentru vaporii de apa.

Smogul astfel format din amestec de pulberi, gaze si vapori de apa favorizeaza concentrarea maxima a poluantilor din aer in patura de la suprafata pamantului, deoarece patura de inversiune termica nu permite raspandirea lor in straturile superioare ale atmosferei. Datorita acestui fapt, in atmosfera marilor orase, in perioadele cu smog, concentratia gazelor poluante si a pulberilor depaseste de peste zece ori valorile din perioadele senine.

Smogul insusi intretine inversiunea termica. Pulberile din aer impiedica patrunderea razelor solare in timpul zilei si absorb radiatiile infrarosii. Partea de deasupra a acestei mase de aer se raceste si mai tare, cade la nivelul solului iar ceata devenind mai deasa.

Fenomenele de inversiune termica sunt favorizate si de o anumita configuratie a terenului. Zonele de vale favorizeaza stagnarea maselor de aer si aparitia inversiunilor termice. De exemplu, in orasul Los Angeles, situat intr-o vale inconjurata de coline, numarul de zile cu ceata dintr-un an depaseste 200, desi in conditiile de climat mediteraneean in care se gaseste zona, numarul de zile senine pe an ar trebui sa depaseasca 250.

In regiunile mediteraneene, cu umiditate mare si insolatie puternica, radiatiile luminoase provoaca aparitia unui smog oxidant sau fotochimic, care contine cantitati mari de ozon si peroxi-acil-nitrat, cu efect nociv asupra organismelor. Smogul fotochimic este o ceata toxica produsa prin reactiile chimice dintre emisiile poluante si radiatiile solare. In atmosfera zonele urbane puternic industrializate, in timpul orelor de varf, concentratia de oxizi de azot si de hidrocarburi creste puternic. Lumina solara descompune bioxidul de azot in monoxid de azot si atomi de oxigen. Atomii de oxigen se combina cu oxigenul molecular si formeaza ozonul. In acelasi timp, hidrocarburile din atmosfera sunt oxidate de oxigen, producandu-se bioxid de azot. Spre miezul zilei, concentratia de ozon devine maxima iar cea de monoxid de azot minima. Aceasta combinatie produce un nor toxic de culoare galbuie, cunoscut sub numele de smog fotochimic. Fenomenul apare adesea in zona oraselor de coasta puternic industrializate, precum Atena, Los Angeles, Tokyo.

In zonele temperate reci, cu umiditate crescuta, se formeaza un smog acid, din transformarea gazelor sulfuroase in picaturi de acid sulfuric care insotesc ceata

Din gazele si pulberile de origine industriala, deasupra marilor orase se formeaza o cupola de poluare, uneori de culoare galben-bruna datorita prezentei NO₂. Formarea cupolei de poluare este favorizata de cresterea temperaturii in zonele urbane, comparativ cu cele rurale invecinate, astfel incat in microclimatul urban se formeaza adevarate “insule de caldura urbana” (figura 3.3).

Figura 3.3. Schema efectului de sera deasupra unei localitati.

Curentii ascendenti ridica cupola de poluare la altitudini mai mari, pulberile din aceasta actioneaza ca adevarate nuclee de condensare a vaporilor de apa din atmosfera. In acest fel se explica faptul ca in mediul urban frecventa precipitatiilor este mai mare decat in cel rural.

Cupola de poluare determina marirea deficitului de insolatie din mediul urban, modifica vizibilitatea, scade proprietatile bactericide ale radiatiilor ultraviolete si prin aceasta favorizeaza indirect raspandirea germenilor patogeni.