Na pojezierzach będziemy mieć subtropiki? Z wody mogą uwalniać się groźne dla klimatu gazy

Pogłębiające się zmiany klimatu mogą sprawić, że polskie jeziora zmienią się tak, że będą przypominać pod pewnymi względami jeziora klimatów subtropikalnych. Wraz z ocieplającym się powietrzem i wodą na powierzchni zbiorników do atmosfery może przedostawać się metan i inne gazy cieplarniane - opisuje dla Gazeta.pl dr hab. Michał Woszczyk z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.

Gazeta.pl kontynuuje współpracę z naukowcami z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Korzystając z wiedzy ekspertów, chcemy pokazywać, jak zmiany klimatu wyglądają z bliska, z perspektywy tych, którzy ich badaniom poświęcili swoją karierę zawodową. Na początku września wraz z ekspertami ruszyliśmy na dwutygodniową wyprawę na Spitsbergen, gdzie przyglądaliśmy się ich pracy i w trakcie pobytu na bieżąco to relacjonowaliśmy. Teksty o Spitsbergenie, artykuły napisane przez samych naukowców w ramach cyklu "Klimat z bliska", zdjęcia i materiały wideo można przeczytać i obejrzeć na stronie głównej Gazeta.pl oraz w specjalnym obszarze strony Zielona.gazeta.pl.

Jeziora są charakterystycznym elementem krajobrazu północnej Polski oraz dużej części obszarów Europy i Ameryki Północnej, które znalazły się w zasięgu ostatniego zlodowacenia. Wypełniają też rozsiane po całej kuli ziemskiej zagłębienia tektoniczne, kaldery wygasłych wulkanów oraz liczne obniżenia terenu o różnej genezie. W zmieniającym się świecie jeziora bynajmniej nie były i nie są niezmienne. Z geologicznego punktu widzenia są to formy krótkotrwałe, a pomiędzy ich powstaniem i zanikiem dokonują się w nich różnorodne przemiany fizyczne i chemiczne, napędzane zarówno przez procesy wewnętrzne, jak i zachodzące w ich bliższym i dalszym otoczeniu.

Współcześnie, w dobie globalnego ocieplenia, o zmianach jezior mówi się zdecydowanie mniej niż np. o torfowiskach, lodowcach, poziomie morza czy ekstremalnych zjawiskach atmosferycznych. Ma to oczywiście swoje uzasadnienie w fakcie, iż zarówno rola jezior jako regulatora globalnego klimatu, jak i spektakularność zachodzących w nich zmian są nieporównywalnie mniejsze niż w atmosferze, oceanie światowym, Arktyce czy rozległych mokradłach obszarów borealnych.

Zobacz wideo Jesteśmy na lodowcu Sven. "Pod naszymi stopami sto metrów lodu, każdego roku coraz mniej"

Warto jednak pamiętać, że jeziora, z uwagi na swoje stosunkowo niewielkie rozmiary, są bardzo podatne na efekty bezpośredniej i pośredniej presji człowieka oraz zmian klimatu, a ich przekształcenia będą prowadziły do transformacji całego krajobrazu nizinnego. Co wiemy o kierunku, natężeniu i przyczynach tych zmian? Jak są one odczuwalne dla ludzi? Czy możemy im przeciwdziałać?

Zmienia się klimat, zmieniają się jeziora

Systematyczne obserwacje parametrów fizycznych i chemicznych jezior prowadzone na całym świecie, w tym także w Polsce, jednoznacznie wskazują, że przynajmniej od początku lat 70. XX w. następuje systematyczny wzrost temperatury wód powierzchniowych jezior w tempie 0,3 - 0,7°C/10 lat przy jednoczesnym braku istotnej zmiany bądź obniżce temperatury wód głębinowych. Równocześnie skracaniu ulega czas utrzymywania się pokrywy lodowej. W dalszej perspektywie czasowej można spodziewać się zmian cyrkulacyjnych, spadku natlenienia wód przydennych i wreszcie wzrostu produkcji gazów cieplarnianych (w tym głównie CH4 i CO2). O ile symptomy dwóch pierwszych procesów są już zauważalne, o tyle kwestia wzrostu emisji gazów cieplarnianych, jakkolwiek wysoce prawdopodobna, nie jest jednak jak dotąd niezbicie potwierdzona w danych empirycznych.

W jaki sposób wszystkie te procesy są powiązane ze sobą i z klimatem? I czy tylko klimat ma tu znaczenie? Jak wiadomo, pomiędzy jeziorami a atmosferą dokonuje się wymiana ciepła. W ciepłym okresie roku energia cieplna jest absorbowana z atmosfery i kumuluje się w wodach powierzchniowych jezior, co powoduje, że stają się one lżejsze od wód naddennych. Prowadzi to do pionowego rozwarstwienia gęstościowego (stratyfikacji) wód. Stratyfikacja gęstościowa jest niemal zawsze stowarzyszona ze zróżnicowaniem chemicznym wód, gdyż wobec braku mieszania pionowego w górnej warstwie toni wodnej zachodzą inne procesy biogeochemiczne niż w wodach głębinowych.

Jednym z czynników drastycznie różnicujących te warstwy jest zawartość tlenu. O ile blisko powierzchni wody zawartość tlenu jest wysoka (dzięki fotosyntezie, falowaniu, prądom i w mniejszym stopniu dyfuzji O2 z atmosfery), o tyle wody głębinowe są go praktycznie pozbawione. Przyczyną ubytku tlenu jest rozkład materii organicznej, który gdy zużywa tlen, jednocześnie uwalnia takie substancje jak np. siarkowodór (H2S), metan (CH4) czy dwutlenek węgla (CO2). Pierwszy z wymienionych jest toksyczny dla większości organizmów wodnych, a pozostałe znane są jako gazy cieplarniane (szklarniowe). W środku upalnego lata strefa siarkowodorowo-metanowa może rozpoczynać się już na głębokości 4-5 m poniżej lustra wody. W takich warunkach mogą przetrwać jedynie wyspecjalizowane mikroorganizmy. W tym też okresie emisja gazów cieplarnianych z jezior do atmosfery wydatnie wzrasta.

Rola temperatury wody ma tu znaczenie kluczowe, gdyż ogrzewanie wody jeziornej nie tylko wywołuje stratyfikację gęstościową, lecz także stymuluje produkcję CH4 i zmniejsza rozpuszczalność gazów w wodzie. Tak więc im cieplej, tym więcej gazów może uwalniać się z wody do atmosfery. Samo tylko ocieplanie wód i wynikający z tego spadek rozpuszczalności gazów w wodzie powoduje wzrost natężenia dyfuzji gazów (samoczynnego przepływu cząsteczek z ośrodka o większym stężeniu do ośrodka o mniejszym stężeniu) do atmosfery o ok. 4% na każdy 1°C wzrostu temperatury. Warto przy tym zauważyć, że jest to jedynie przybliżony obraz możliwego wzrostu emisji gazów cieplarnianych, gdyż, jak się przypuszcza, w efekcie ocieplenia klimatu wzrośnie głównie rola ebulicyjnego transportu gazów (czyli poprzez unoszące się w wodzie bąble), który jest znacznie bardziej efektywny niż dyfuzja. Jednocześnie natężenie ebulicji wykazuje bardzo dużą zmienność w czasie i przestrzeni, w związku z czym jest ono trudne do precyzyjniejszego oszacowania i tym bardziej prognozy. Z drugiej strony, podobnie jak w dobie globalnego ocieplenia, nie każdy rok jest cieplejszy niż poprzedni, wzrost emisji gazów cieplarnianych nie musi wystąpić w każdym zbiorniku jeziornym. Przykładem może być Jezioro Licheńskie. Wskutek wieloletnich zrzutów podgrzanych wód z elektrowni Konin i Pątnów jest ono o 3-4°C cieplejsze niż inne jeziora w okolicy i z tego powodu jest swoistym laboratorium biogeochemicznym. Mimo to wykazuje niższą emisję CH4 i N2O niż jeziora niepodgrzane. Świadczy to o tym, że niekiedy wpływ procesów działających w skali globalnej czy regionalnej jest buforowany przez czynniki lokalne.

Jezioro Kownackie, katastrofalnie niski poziom wody przez odkrywki węgla brunatnegoJezioro Kownackie, katastrofalnie niski poziom wody przez odkrywki węgla brunatnego Fot. Piotr Skornicki / Agencja G

Dla produkcji gazów cieplarnianych istotna jest jednak nie tylko temperatura otoczenia, lecz także dostępność substancji organicznych zawartych w obumarłych tkankach fitoplanktonu. To właśnie ten materiał jest substratem, z którego drobnoustroje produkują H2S, CO2, CH4 i N2O. Zasadniczo im więcej substancji organicznej, tym większe prawdopodobieństwo rozwinięcia się rozbudowanych stref siarkowodorowo-metanowych w przydennych częściach jezior. Obfitość substancji organicznej jest z kolei konsekwencją eutrofizacji, czyli zjawiska polegającego na zasilaniu jezior substancjami biogennymi (głównie związkami fosforu i azotu) stymulującymi produkcję pierwotną. Jest to w dużej mierze zjawisko naturalne, gdyż biogeny uwalnianie są z gleb do wód powierzchniowych i podziemnych, które z kolei dostarczają je do jezior.

Jednak działalność człowieka walnie przyczynia się do wzrostu tempa eutrofizacji poprzez trzebież lasów powodującą erozję gleb, stosowanie sztucznego nawożenia, nieszczelność sieci kanalizacyjnych i bezpośrednie zrzuty ścieków komunalnych do wód powierzchniowych. Ta forma eutrofizacji nazywana jest kulturową i często prowadzi do przeżyźnienia jezior objawiającego się np. masowymi zakwitami sinic (Fot.).

Z ocieplających się jezior mogą uwalniać się gazy cieplarnianeZ ocieplających się jezior mogą uwalniać się gazy cieplarniane Źródło: Michał Woszczyk

Z danych geologicznych wynika jasno, że na przestrzeni wieków niemal każda faza zwiększonej aktywności gospodarczej człowieka powodowała wzrost żyzności jezior. Ponieważ jednak w ciągu ostatnich dziesięcioleci zjawisko to stało się szczególnie silne, w projekcjach reakcji jezior na zachodzące zmiany środowiskowe bardzo mocno akcentowany jest pogląd, że to właśnie eutrofizacja kulturowa będzie głównym motorem przemian jezior, a ocieplenie klimatu jedynie wzmocni jej efekty.

Zakwit sinic w jeziorze.Zakwit sinic w jeziorze. Fot. Łukasz Cynalewski / Agencja Gazeta

Na Niżu Polskim większość jezior dwukrotnie w ciągu roku podlega pionowemu mieszaniu wód,  sięgającemu od powierzchni aż po dno zbiornika. Odbywa się to wczesną wiosną, po zaniku pokrywy lodowej, oraz późnym latem lub wczesną jesienią. Mieszanie usuwa nagromadzone w strefie przydennej jeziora gazy do atmosfery, jednocześnie powoduje natlenienie wody, co na pewien czas zapobiega ich powstawaniu. W okresie chłodnym zawartości CH4 i H2S w wodzie jeziornej są na poziomie śladowym. Niestety, jedną z konsekwencji wzrostu temperatury w dolnej atmosferze jest tendencja do ograniczania samoczynnego mieszania wód jeziornych w okresie wczesnej wiosny. Prognozuje się, iż kontynuacja trendu ocieplającego może doprowadzić do transformacji jezior dimiktycznych (czyli z mieszaniem dwukrotnym) w monomiktyczne (podlegające jednokrotnemu mieszaniu), które obecnie charakterystyczne są dla klimatów subtropikalnych. Skutkiem tego będzie wydłużenie okresu rozwarstwienia gęstościowego, pogłębienie deficytów tlenowych i intensyfikacja procesów prowadzących do uwalniania gazów cieplarnianych do atmosfery. Niektóre badania pozwalają sądzić, że wydłużenie czasu stratyfikacji (czyli przypomnijmy: wytwarzania się warstw wody o różnych gęstościach) może sprawić, że procesy rozkładu substancji organicznych nasilą się także w chłodnej porze roku. To, przy zwiększonym poziomie tlenu, może z kolei doprowadzić do wzrostu emisji CO2 z wód jeziornych.

Zmieniające się warunki termiczne i eutrofizacja otwierają szerokie pole dla przemian biocenoz jeziornych. Polegają one na pojawianiu się inwazyjnych gatunków bakterii, roślin i zwierząt, których rozwój zachodzi często kosztem rodzimych gatunków, masowych zakwitach planktonu (w tym sinic znanych z produkcji substancji o działaniu neurotoksycznym) czy wreszcie powtarzających się deficytów tlenowych sięgających wód powierzchniowych (tzw. przyducha), a skutkujących masowym śnięciem ryb.

Konsekwencje globalnego ocieplenia dla jezior będą więc nie tylko natury stricte biogeochemicznej i ekologicznej, ale przełożą się bezpośrednio na cechy jakościowe wód jeziornych i tym samym wpłyną na ich walory turystyczne i użytkowe.

Przemiany dokonujące się w ekosystemach jeziornych wydają się w niewielkim stopniu odwracalne czy wręcz możliwe do powstrzymania. Źródłem trudności jest to, że jeziora, nawet te najmniejsze, włączone są w globalny obieg energii i materii, i nawet podejmując działania ochronne w toni wodnej lub zlewni nie sposób odizolować je od procesów i zjawisk zachodzących w większej skali przestrzennej. Dotychczasowe doświadczenia związane np. z eksploatacją biogazu z jezior dla celów produkcji energii elektrycznej (np. projekt KivuWatt w Rwandzie) czy próbami ograniczania eutrofizacji (np. poprzez techniki biomanipulacyjne, chemiczną inaktywację biogenów, napowietrzanie wód czy usuwanie biomasy) wskazują, że działania te przynoszą raczej efekty lokalne lub doraźne, a często niosą ze sobą niepożądane skutki uboczne. Wciąż trwają badania zmierzające do udoskonalenia technik rekultywacji i wykorzystania gazów cieplarnianych z jezior dla celów produkcji zielonej energii. Oczywiście, możemy wiązać z nimi pewne nadzieje, ale najbardziej niezawodną metodą ochrony jezior pozostaje wciąż rozważne korzystanie z zasobów przyrodniczych.

Michał Woszczyk - geograf i geolog, dr habilitowany nauk o Ziemi, profesor Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, a od 2020 r. także kierownik nowo powołanej Pracowni Biogeochemii na Wydziale Nauk Geograficznych i Geologicznych UAM. Od początku swojej kariery naukowej zajmuje się badaniami jezior, zarówno w aspekcie ich przemian długookresowych jak i współczesnych procesów limnologicznych i biogeochemicznych. Obecnie zaangażowany jest w badania nad produkcją i emisją gazów szklarniowych w jeziorach Niżu Polskiego prowadzone we współpracy z ośrodkami krajowymi i zagranicznymi. Autor i współautor kilkudziesięciu publikacji naukowych z zakresu biogeochemii, geochemii organicznej i paleolimnologii (nauki o przeszłości jezior) o zasięgu międzynarodowym, kierownik kilku grantów badawczych.

Dr hab. Michał Woszczyk, UAMDr hab. Michał Woszczyk, UAM arch. prywatne

Więcej o: