GA921 Geochemie životního prostředí Josef Zeman Učebnice  Manahan S. E.: Environmental Chemistry. CRC Press, c2022. 730 s.  Appelo C.A.J., D. Postma: Geochemistry, groundwater and pollution. Leiden: A. A. Balkema publishers, c2005. 649 s.  Langmuir D: Aqueous environmental geochemistry. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, c1997. 600 s.  Zhu Ch,, Anderson G.: Environmental applications of geochemical modeling. Cambridge: Cambridge University Press, 2002. 284 s. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 2 Sylabus 1. Úvod, globální systémy a cykly, pohyb v atmosféře a hydrosféře, hydrologický cyklus, cykly prvků 2. Geochemie vody: Základní vlastnosti, rozpuštěné látky, koloidy, pH, oxidačně-redukční potenciál 3. Geochemie vody: Organická geochemie 4. Mikrobiální biogeochemie 5. Transport kontaminantů v životním prostředí 6. Kontrola složení přírodních vod 7. Přetížení sladkých vod živinami 8. Zvětrávání, vznik půd a zemědělské půdy 9. Podzemní voda a její kontaminace 10. Úvod do toxikologie, znečištění sladkých vod 11. Komunální a odpadní vody 12. Geochemie atmosféry a polutanty Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 3 Úvodní poznámky Globální a lokální chování chemických prvků na povrchu Země  pochopení přirozených změn na Zemi ◼ přirozená distribuci prvků v různých systémech  pochopení odchylek způsobených lidskou činností ◼ distribuci v antropogenně vychýlených systémech s využitím základů chemie pro vysvětlení podmínek Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 4 Poznání – různé pohledy Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 5 Vědecké poznání  „postmoderní“ doba – názor, mnoho pravd, politika, extrémní finance  zemské systémy jsou extrémně složité, možná tušíme jak fungují – globální cyklus uhlíku Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 6 Vědecké poznání  T → CH4 → CO2 Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 7 Data NOAA Systém vliv člověka:  globální – CO2, stratosférický ozon  lokální – splach zemědělských hnojiv, úniky z nádrží Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 8 kádinka jednoduchý systém prostředí složitý systém Vymezení  Geochemie ◼ Studuje zdroje a osud chemických látek v přírodním prostředí. ◼ Soubor nástrojů, který pomáhá pochopit zemské procesy; tyto nástroje jsou založeny na chemických principech.  Environmentální geochemie ◼ Studuje chemické látky v přírodním prostředí a vliv technologie. ◼ Porovnání přirozených systémů se systémy ovlivněnými lidskou činností. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 9 Technologie a kontaminanty  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. ◼ Technologie poskytla nástroje pro dramatickou změnu prostředí, někdy zničující.  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, pokud poškozuje nebo škodí biotě v prostředí. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 10 Chemické látky  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. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 11 Úvodní poznámky Technologie pro monitorování a kontrolu škodlivého vlivu lidské aktivity na prostředí. Přírodní × 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. 5 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. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 13 Cykly hmoty a energie Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 14 Cykly hmoty a energie Ve vědách o Zemi je často vhodné nebo výhodné uvažovat o naší planetě jako o kombinaci zásobníků, mezi nimiž hmota přechází. Tyto zásobníky se označují jako rezervoáry. Pohyb hmoty mezi nimi se označuje jako tok.  Rezervoár je jakákoliv fyzikální část přirozeného světa, která se chová nezávisle 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. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 15 Cykly hmoty a energie Příklad rezervoáru – jezero. Uvnitř jezera probíhají procesy, s dalšími rezervoáry (atmosférou, sedimentem a podzemní vodou) si jezero vyměňuje látky. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 16 Cykly hmoty a energie  Relativně formální definice cyklu ◼ Jsou vymezeny hlavní rezervoáry a všechny rezervoáry jsou propojeny toky bez ohledu na jejich skutečný význam. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 17 Cykly hmoty a energie  Reálná definice cyklu s vymezením rezervoárů a rozlišením exogenního a endogenního cyklu ◼ Jsou identifikovány reálné rezervoáry a vymezeny skutečné toky mezi nimi. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 18 Cykly hmoty a energie  Nejobecnější diagram cyklu s pěti hlavními zemskými rezervoáry s identifikací hlavních toků významnějších látek. ◼ Multikomponentní toky. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 19 Antroposféra  Antroposféra – část prostředí, která je vytvořena nebo modifikována pro využití člověkem. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 20 Antroposféra  antropogenní ovlivnění Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 21 Antroposféra  pozitivní nebo požadovaný vývoj Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 22 Toky  výměna hmoty mezi hlavními rezervoáry zemského cyklu Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 23 Z Atmosféra Hydrosféra Biosféra Geosféra Antroposféra Do Atmosféra – H2O O2 H2S, částice SO2, CO2 Hydrosféra H2O – (CH2O) minerální látky polutanty Biosféra O2, CO2 H2O – minerální výživa hnojiva Geosféra H2O H2O organická hmota – nebezpečné odpady Antroposféra O2, N2 H2O potraviny minerály – Cirkulace  atmosféra Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 24 Cirkulace 11.–15. července 2007, snímky pro animaci – EUMETSAT Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 25 Cirkulace  atmosféra Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 26 Cirkulace  atmosféra Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 27 Rychlost vertikálního proudění vzduchu (modrá nahoru, červená dolů). Cirkulace  oceány Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 28 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 Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 29 Interakce  voda: odpařování-kondenzace  minerály: rozpouštění srážení  transport: pravé roztoky-suspenze  oxidačně-redukční reakce ◼ fotosyntéza: produkce kyslíku, spotřeba CO2 ◼ dýchání, tlení: spotřeba kyslíku, produkce CO2  antropogenní ovlivnění Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 30 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 Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 31 Stratifikace  jezera Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 32 Stratifikace  doba zdržení (residence time) τ = [A]rezervoár / tok(A)do nebo z Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 33 Vnitřní pohyb  hustota Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 34 Vnitřní pohyb  jezera Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 35 Vnitřní pohyb  jezera Příklad podzimního „zrušení“ stratifikace na jezeře Minnetonka. Jedná se o rychlou, přitom komplikovanou událost. Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 36 Vnitřní pohyb  závislost hustoty vody na ◼ teplotě ◼ salinitě Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 37 Vnitřní pohyb  závislost hustoty vody na ◼ teplotě ◼ salinitě Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 38 Vnitřní pohyb  oceány Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 39 Vnitřní pohyb  oceány Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 40 Vnitřní pohyb  oceány Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 41 Vnitřní pohyb  oceány Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 42 Cykly Hydrologický cyklus  Oceány → atmosféra → déšť/sníh → povrchová voda (ledovce, řeky, jezera) → [podzemní voda] → řeky → delty → oceán Kromě toho modifikované cesty  Tři typy rezervoárů ◼ Geograficky lokalizované „zásobníky“ (oceány, jezera) ◼ Migrující rezervoáry pohybující se podle topografie povrchu nebo vnitřních struktur (řeky, podzemní voda) ◼ Atmosférická voda  Pohyb ◼ díky rozdílným tepelným vstupům (99,85 % energie dostává Země ze Slunce) ◼ atmosféra je prohřívána ze odspodu, oceány jsou prohřívány svrchu – teplý vzduch a voda mají nižší hustotu než chladný vzduch a chladná voda ◼ Hustota vody je ještě ovlivněna mineralizací Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 44 Obsahy rezervoárů Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 45 Faure: Principles and applications of inorganic geochemistry. Berner, Berner (1996): Global environment. Obsahy rezervoárů Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 46 Hydrologický cyklus Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 47 Hydrologický cyklus Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 48 Čísla v závorkách jsou obsahy rezervoárů – 106 km3 (1018 kg) Toky jsou uvedeny v 106 km3/rok (1018 kg/rok). Hydrologický cyklus Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 49 Fázový diagram Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 50 Unikátní vlastnosti Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 51 vlastnost působení a význam vynikající rozpouštědlo transport živin a odpadů, umožňuje průběh biogeochemických procesů vysoká dielektrická konstanta vysoká rozpustnost iontových i málo polárních látek vysoké povrchové napětí kontrolní faktor pro fyziologii (kapilarita); kapky a povrchy transparentní pro viditelné a UV záření bezbarvá, dovoluje fotosyntézu ve vodném prostředí největší hustota kapalném stavu při 4 °C led plave, izolace od promrznutí, udržení stratifikace vysoké výparné teplo určuje režim přenosu vody mezi atmosférou a vodou vysoké teplo tání stabilizace teplotního režimu při promrzání vysoká tepelná kapacita stabilizace teplotních podmínek Unikátní vlastnosti vlastnost působení a význam vynikající rozpouštědlo transport živin a odpadů, umožňuje průběh biogeochemických procesů vysoká dielektrická konstanta vysoká rozpustnost iontových i málo polárních látek vysoké povrchové napětí kontrolní faktor pro fyziologii (kapilarita); kapky a povrchy transparentní pro viditelné a UV záření bezbarvá, dovoluje fotosyntézu ve vodném prostředí největší hustota kapalném stavu při 4 °C led plave, izolace od promrznutí, udržení stratifikace vysoké výparné teplo určuje režim přenosu vody mezi atmosférou a vodou vysoké teplo tání stabilizace teplotního režimu při promrzání vysoká tepelná kapacita stabilizace teplotních podmínek Cykly prvků Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 53 Uhlíkový cyklus Cykly prvků Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 54 Dusíkový cyklus Cykly prvků Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 55 Cyklus fosforu Cykly prvků Josef Zeman GA921 Geochemie životního prostředí 56 Cyklus síry