Zakwity sinic w Bałtyku - skąd się biorą i jak z nimi walczyć

Zakwity toksycznych sinic w Bałtyku to niestety norma. Ich częstotliwość rośnie z roku na rok. Ostatnio jednak pojawiła się nadzieja na zmianę tej sytuacji. Szwedzi mają pewien pomysł, który może uratować Bałtyk i uwolnić go nie tylko od sinic, ale także od ogólnej dewastacji ekologicznej. Pomysł, dość prosty w swej istocie, jest jednak kontrowersyjny i nie do końca wiadomo, jaki będzie efekt. Wydaje się jednak, że nie ma co zwlekać z ratowaniem Morza Bałtyckiego. To przecież jedno z najbardziej zanieczyszczonych mórz świata, a jego dno przypomina stale powiększającą się pustynię ekologiczną. Brak wymiany wód dennych z powierzchniowymi sprzyja stopniowej eutrofizacji naszego morza i okresowym zakwitom sinic. Z czego to się bierze?

Niezależnie od naszego umiłowania Bałtyku i jego plaż, trzeba podkreślić, że Bałtyk posiada największą na świecie strefę pozbawioną życia - spowodowaną działalnością człowieka. Jest to przydenna strefa zubożona w tlen, za to przepełniona składnikami odżywczymi, które opadły na dno i nie mogą się stamtąd wydostać. Mówiąc dosadnie - takie podmorskie szambo. Uwięzione na beztlenowym dnie składniki odżywcze to głównie azot i fosfor pochodzące ze ścieków oraz nawozów sztucznych dostających się do morza rzekami. Polska niestety jest jednym z głównych trucicieli Bałtyku. W liczbach wygląda to tak - w ciągu ostatnich 50 lat do Bałtyku wpuszczono łącznie 20 milionów ton azotu oraz 2 miliony ton fosforu. 

Każdy kto uprawiał jakąś roślinkę, wie, że drobinka "azofoski" wystarczy, żeby roślinka wybujała. Tak też dzieje się z sinicami w Bałtyku, które ochoczo korzystają z nadmiaru azotu i fosforu. Sinice nazywane też cyjanobakteriami, należą, podobnie jak rośliny, do organizmów samożywnych. Są to jedne z najstarszych organizmów na Ziemi zaliczanych obecnie do królestwa bakterii. Oprócz światła słonecznego, do życia potrzebują też składników odżywczych, przede wszystkim fosforu. Ponieważ nie są osamotnione w wyścigu do światła i pożywienia, zakwitają głównie wtedy gdy następują warunki im sprzyjące - ciepła, stagnująca woda przypowierzchniowa. Tak zdarza się najczęściej latem. Na domiar złego - bałtyckie sinice potrafią być toksyczne, także dla ludzi.

Zdjęcie satelitarne Bałtyku z zakwitem sinic
(fot. trojmiasto.pl)

Co roku, zielony dywan sinic pokrywa bałtyckie plaże. Kiedy zakwit sinic się kończy, obumarłe organizmy opadają na dno i rozkładając się zużywają resztki pozostałego tam tlenu. W pozbawionych tlenu wodach dennych nie może przeżyć żaden tlenowy organizm, np. ryby czy mięczaki. Rybacy określają to wdzięcznym terminem - przyducha. Dno staje się pozbawione życia, a strefa beztlenowa rozprzestrzenia się. Wiele gatunków fauny Bałtyku, np. dorsz, ma coraz mniej miejsca do życia. W ciągu ostatniego dziesięciolecia, co roku w Bałtyku występuje ok. 60 tys. km² dna pozbawionego tlenu. To powierzchnia kilku polskich województw całkowicie pozbawionych życia.

Problem przydennych wód beztlenowych (anoksycznych) pojawia się ostatnio coraz częściej w naukowych opracowaniach i mediach, głównie za sprawą rosnących temperatur mórz i oceanów. Ciepłe wody przyspieszają rozkład gnijących sinic ograniczając jednocześnie natlenianie wód przypowierzchniowych. W wodach anoksycznych dochodzi do szybszego uwalniania fosforu, a niski poziom tlenu zatrzymuje denitryfikujące bakterie w osadzie powodując wzrost zawartości azotu. Koniec końców, prowadzi to do kolejnego zakwitu, który powiększa zawartość fosforu i azotu na anoksycznym dnie i powstania samonapędzającej się spirali następnych zakwitów sinicowych.

Za sprawą szwedzkich geoinżynierów pojawił się ostatnio pomysł na ograniczenie strefy beztlenowej w Bałtyku. Szwedzi stwierdzili, że wystarczy po prostu pompować tlen na dno Bałtyku. Spowoduje to także mieszanie się wód i zahamuje proces denitryfikacji w osadzie. Czyli mechanizm podobny do tego stosowanego w agrotechnice, z tym, że teraz dotleniać będziemy dno bałtyckie, tzn. Szwedzi będą dotleniać. Chcą wykorzystać do tego ok. 100 pomp, które będą wtłaczać natlenioną wodę z ok. 50 m, wgłąb na głębokość ok. 125 m przez kilkanaście lat. Całość ma kosztować co najmniej 200 mln euro (patrz Stigebrandt & Gustafsson, 2007).

Obliczono, że potrzeba od 2 mln do 6 mln ton tlenu, żeby podnieść natlenienie dna Bałtyku powyżej poziomu dla wód uznawanych za zubożone w tlen, czyli powyżej 2 mg na litr. W 2009 roku Szwedzi wydali już prawie 4 mln dolarów na pilotażowy program. Okazało się, że rzeczywiście można w ten sposób natlenić dno Morza Bałtyckiego. Pojawiły się jednak pewne zagwozdki, sprawiające, że cały projekt coraz częściej określa się mianem kontrowersyjnego.

Przede wszystkim, takie pompowanie narusza naturalną cyrkulację termohalinową czyli opadanie cięższych, słonych wód na dno. Pompowane wody powierzchniowe są mniej zasolone. Są też cieplejsze, co może spowodować podniesienie temperatury wód dennych nawet do ok. 8^oC. To z kolei też stymuluje rozwój sinic, a więc stać się może odwrotnie do zamierzonego efektu. Nie wspominając już o wtłoczonych przypadkowo, wbrew ich woli, organizmach wód przypowierzchniowych, które nagle znajdą się na dnie. Jak na razie, najlepsze rezultaty osiągnięto dotleniając dna niewielkich jezior, jednocześnie wiążąc chemicznie fosfor na ich dnie. W Polsce także prowadzono podobne eksperymenty na Jeziorze Kortowskim czy sztucznym zbiorniku w Turawie. Powodzenie areacji dna jezior zachęciło Szwedów do działania na szerszą skalę w Bałtyku.

To jednak nie koniec zastrzeżeń wobec projektu. Natlenienie dna Bałtyku w ciągu najbliższych kilkunastu lat w dość gwałtowny sposób pociągnąć może za sobą łańcuch niekontrolowanych zdarzeń, których nie jesteśmy w stanie w tej chwili przewidzieć. Trochę przypomina to sytuację z pogranicza proterozoiku i kambru związaną z zagospodarowaniem dna morskiego przez organizmy penetrujące w osadzie. Wtedy ten proces przebiegał przez miliony lat i ostatecznie doprowadził, jak się wydaje, do eksplozji życia kambryjskiego. W Bałtyku mamy jednak nieco inną sytuację. Organizmy penetrować będą w dnie, które zawiera mnóstwo zanieczyszczeń typu DDT czy polichlorowane bifenyle (PCB). Dla przypomnienia - DDT to popularny środek owadobójczy, zaś PCB stosuje się głównie do produkcji smarów. Największe obawy może budzić PCB, który jest rakotwórczy i najwięcej znajduje się go właśnie w rybach z Bałtyku. Natlenienie dna spowodować może uwolnienie tych substancji i chyba nie muszę rozwijać co to będzie oznaczać dla bałtyckiego rybołówstwa.

Plan redukcji strefy minimum tlenowego w Bałtyku (wg Conley, 2012)

Cóż zatem robić? Jeśli pozostawimy Bałtyk samemu sobie, to pod koniec wieku 1/4 jego powierzchni będzie pustynią ekologiczną. Wtedy pewnie w ogóle nie zanurzymy palca w wodzie, bo kożuch sinicowy może występować całe lato. Szwedzi zakładają, że przy pomocy pomp uda im się ograniczyć "strefę śmierci" do ok. 40 tys km² w 2100 roku.

Przeciwnicy stosowania pomp uważają, że lepiej zacząć od redukcji zanieczyszczeń odprowadzanych do Bałtyku. Ostatnio udało się ograniczyć udział fosforu o ok. 30 tys ton rocznie i azotu o ok. 400 tys ton. Zakłada się obniżenie do 2016 roku poziomu fosforu do 42% obecnego poziomu oraz azotu do 18%, tak, by już w 2021 móc ogłosić zadowalający status ekologiczny Bałtyku.

Tytułem końcowej refleksji - przykład z pompami pokazuje, że część inżynierów nie wyszła z piaskownicy. Nie widzą skomplikowanej sieci powiązań i złożoności biotopów morskich. To nie jest maszyna skonstruowana wg określonego wzoru, tylko wynik wielu przypadkowych procesów i bardzo trudno jest odtworzyć stan sprzed jakiegoś okresu. To taka droga jednokierunkowa, gdzie nie można zawrócić. Można tylko zwolnić. Ja wierzę w redukcję zanieczyszczeń i naturalny powrót do czystego Bałtyku, który sam będzie ewoluował zgodnie ze zmianami zachodzącymi w środowisku przyrodniczym. Może lepiej już nie majstrować więcej.

Źródła:
Daniel J. Conley (2012). Save the Baltic Sea Nature DOI: 10.1038/486463a
Stigebrandt A, & Gustafsson BG (2007). Improvement of Baltic proper water quality using large-scale ecological engineering. Ambio, 36 (2-3), 280-6 PMID: 17520945

fot w nagłówku: Autor: thewamphyri CC-BY-SA

Czytaj więcej

Dlaczego latem, woda nad Bałtykiem jest zimna?

Latem nad Bałtykiem bywa tak, że mimo pięknej słonecznej pogody trzeba być wyjątkowo zdeterminowanym, żeby wejść do wody. Nie dlatego, że woda brudna czy fala wysoka, ale dlatego, że woda jest lodowata, wykręca kostki i stawy tuż po wejściu i jakoś szybko odechciewa się kąpieli. Być może zdarzyło się Wam poczuć ten uścisk zimy w środku lata i zastanawialiście się skąd to się bierze? Przecież jeszcze wczoraj woda była cieplutka, a w TV mówili, że woda w Bałtyku ma już ponad 20 st. C? Od teraz już będzie wiedzieć - wszystkiemu winien jest upwelling. A co to takiego?

Upwelling przybrzeżny. Pyknoklina oznacza granicę zmiany gęstości wód, często związana jest ze zmianą temperatury (termoklina) lub zmianą zasolenia (haloklina) (fig. oceanmotion.org)

Termin upwelling jakoś nie doczekał się polskiego odpowiednika i stosuje się go w angielskiej pisowni w Polsce. Swego czasu proponowano nazwę prąd wznoszący, spotkałem się nawet z próbą pisowni fonetycznej "apłeling", ale zdaje się, że żadna z tych propozycji nie przyjęła się na stałe. Pozostał upwelling, który oznacza wynoszenie zimnych wód dennych na powierzchnię zbiornika. Jego przeciwieństwem jest downwelling, który powoduje spływ wód powierzchniowych w stronę dna, czyli prąd opadający.

Downwelling przybrzeżny (fig. oceanmotion.org)

Oba prądy mogą występować w dowolnych zbiornikach wodnych, ale dla ludzkości i nauki, największe znaczenia mają oceaniczne systemy upwellingu/downwellingu. Wyróżnia się w nich generalnie dwa typy tych pionowych ruchów wody - upwelling równikowy i przybrzeżny.

Zaczynając górnolotnie, można stwierdzić, że wszystko powodowane jest przez ruch obrotowy Ziemi wokół własnej osi. Ziemia, jak wiadomo, obraca się z zachodu na wschód, co m.in. powoduje powstanie komórek wirowych powietrza, które przy okazji napędzają ruch powierzchniowy wody. Ten efekt inercji w układzie obrotowym to tzw. efekt Coriolisa. Z nim związany jest upwelling.

Upwelling równikowy (fig. oceanmotion.org)

W przypadku upwellingu równikowego mamy do czynienia ze stykiem wielkich wirów oceanicznych na granicy półkuli północnej i południowej, obracających się w przeciwnych kierunkach, które wyciągają na powierzchnię głębokie wody oceaniczne w pobliżu równika. Jak się domyślacie, ten typ upwellingu nie występuje nad Bałtykiem.

UPWELLING NAD BAŁTYKIEM

Nad naszym morzem występuje upwelling przybrzeżny. Sprawa jest nieco bardziej złożona niż w przypadku upwellingu równikowego, bo przecież wybrzeża Bałtyku rozciągają się w różnych kierunkach. Żeby nastąpiło wyciąganie wody z dna przez prądy wznoszące, potrzebne są dodatkowe czynniki. Są nimi wiatry wiejące z różnych kierunków i tzw. transport Ekmana. Fajny termin, który można wykorzystać na plaży do wakacyjnego nawiązania znajomości z sąsiadkami z pobliskiego grajdołka. Sprawa jest tylko z pozoru skomplikowana i też jest związana z obrotem Ziemi.

Wiatr wiejący wzdłuż wybrzeża może powodować zjawisko upwellingu, zgodnie z przedstawionym schematem.  Tak właśnie dzieje się nad Bałtykiem.

Ekman wpadł ponad 100 lat temu na to, że wskutek efektu Coriolisa przypowierzchniowy ruch wody wywołany wiatrem, odchylany jest w prawo, patrząc zgodnie z kierunkiem wiatru. Takie odchylenie powoduje powstanie ruchu wirowego wody zwanego spiralą Ekmana.

Transport Ekmana - na środkowym obrazku widać wir cyklonalny ze skierowanym na zewnątrz kierunkiem transportu Ekmana. Powoduje to obniżania lustra wody w centrum komórki wirowej i powstanie upwellingu. Na prawym obrazku sytuacja odwrotna w wirze antycklonalnym i powstanie downwellingu (rys. Piere cb CC-SA)

Mówiąc inaczej, woda będzie spiętrzana po prawej stronie na zawietrznej (wiatr w plecy), a obniżana po lewej. Spiętrzanie wody powodować będzie jej tonięcie (downwelling), zaś obniżanie lustra wody, spowoduje wyciąganie wody z dna czyli upwelling. Jak to się ma do Bałtyku?

Rozkład temperatury wody na polskim wybrzeżu na przełomie września i października 2000 r.  (Piliczewski, 2002)

Nasze wybrzeże należy do dość wietrznych i wiatr bardzo często wieje wzdłuż wybrzeża. Jeśli wieją wiatry z zachodu, transport Ekmana będzie odchylał prądy powierzchniowe w prawo, czyli w przypadku polskiego wybrzeża, ku lądowi. Z kolei wiatry wschodnie odpychają wody powierzchniowe ku morzu i to generuje napływ zimnej wody dennej ku powierzchni.

Zatem, generalna zasada jest taka, że na polskim wybrzeżu Bałtyku zachodnie wiatry powodują napływ ciepłej, nagrzanej powierzchniowej wody do brzegu, zaś wiatry wschodnie generują powstawanie upwellingu i napływ zimnych wód dennych ku powierzchni.

Przykład upwellingu w rejonie Helu z przełomu kwietnia i maja 2000 r. Po lewej prędkość ruchu wody na głębokości 20 m, po prawej temperatura wody przypowierzchniowej (Kowalewski, 2005)

Zjawisko to jest dość częste i występuje w różnych rejonach nawet kilka razy do roku. Regionem, chyba najbardziej nawiedzanym przez upwelling w Polsce jest Półwysep Helski (tzn. jego wybrzeże od strony otwartego morza) , zaś stosunkowo rzadko upwelling występuje w rejonie Zatoki Pomorskiej i Łeby. Z szacunków wynika, że ponad 30% polskiej strefy brzegowej objęte jest zimnymi prądami wstępującymi. W niektórych przypadkach, różnica temperatury wody między brzegiem a otwartym morzem może dochodzić do ponad 14^oC (Piliczewski, 2002; Lehmann & Myrberg, 2008; Kozlov et al., 2012).

Przykład upwellingu z litewskiego wybrzeża. Po lewej zarejestrowana temperatura powierzchniowa wody, po prawej kierunek i siła wiatru. Jak widać, transport Ekmana przy północnym wietrze spowodował odpływ wody od brzegu i zassanie zimnej wody dennej. Różnica temperatur między wodą przybrzeżną a otwartego morza wyniosła grubo ponad 10 st. Celsjusza (Kozlov et al., 2012).

Źródła:
Fotografia w nagłówku: Mierzeja Helska - Szymon Nitka CC-BY

Kowalewski, M., 2005. The influence of the Hel upwelling (Baltic Sea) on the nutrient concentrations and primary production - the result of an ecohydrodynamic model. Oceanologia 47 (4):567-590.

Kozlov, I., Kudryavtsev, V., Johannessen, J., Chapron, B., Dailidienė, I., & Myasoedov, A. (2012). ASAR imaging for coastal upwelling in the Baltic Sea Advances in Space Research DOI: 10.1016/j.asr.2011.08.017

Lehmann, A., & Myrberg, K. (2008). Upwelling in the Baltic Sea — A review Journal of Marine Systems, 74 DOI: 10.1016/j.jmarsys.2008.02.010

Piliczewski, B., 2002. Temperatura wody. [W:] W. Krzymiński i in. (red). Warunki środowiskowe polskiej strefy południowego Bałtyku w 2000 roku. IMGW Oddział Gdynia. ISBN 83-88829-57-2

Czytaj więcej