Žemė – darni sistema

Sustokite akimirkai ir pagalvokite apie keturis, atrodytų, visiškai skirtingus dalykus: granito uolą kalno viršūnėje, vandenyno bangą, danguje plaukiantį debesį ir mažą beržo lapą. Kas juos sieja? Ar jie tiesiog atsitiktinai egzistuoja vienas šalia kito toje pačioje planetoje?

Geografijos mokslas siūlo kitokį požiūrį. Jis teigia, kad visi šie elementai – ir dar milijardai kitų – yra ne atskiros dalys, o vienos milžiniškos, nepaprastai sudėtingos ir darniai veikiančios mašinos, vadinamos Žemės sistema, sraigteliai. Kiekvienas jų atlieka savo vaidmenį ir nuolat sąveikauja su kitais. Uolą ardo lietus, išgaravęs iš vandenyno ir suformavęs debesį. Iš suardytos uolienos susidaręs dirvožemis maitina beržą, kuris savo ruožtu išskiria deguonį į atmosferą.

Šioje pamokoje pradėsime mąstyti kaip sistemų analitikai. Išmoksime matyti ne pavienius objektus, o ryšius tarp jų. Susipažinsime su pagrindinėmis Žemės sistemos sudedamosiomis dalimis – geosferomis – ir pradėsime narplioti sudėtingą jų tarpusavio sąveikų tinklą. Šis supratimas yra raktas į beveik visas geografijos temas, kurias nagrinėsime vėliau: nuo klimato kaitos ir stichinių nelaimių iki gamtos išteklių valdymo ir net miestų plėtros. Pasiruoškite pamatyti mūsų planetą kaip vieningą, gyvą ir nuolat kintantį organizmą.

Kad suprastume Žemės sistemą, pirmiausia turime susipažinti su jos pagrindiniais „veikėjais“. Įsivaizduokite juos kaip keturis milžiniškus, visą planetą apimančius komponentus, kurie nuolat sąveikauja. Kiekvienas iš jų turi unikalias savybes ir funkcijas.

Litosfera: kietas planetos pamatas

Litosfera (iš gr. lithos – „akmuo“) yra kietas, uolinis Žemės paviršius. Tai ne tik žemynai, kuriuos matome žemėlapiuose, bet ir vandenynų dugnas. Ji sudaryta iš judančių tektoninių plokščių, kurių judėjimas sukelia žemės drebėjimus, ugnikalnių išsiveržimus ir formuoja kalnynus. Litosfera yra gamtos išteklių, tokių kaip naudingosios iškasenos ir derlingas dirvožemis, šaltinis.

Hidrosfera: gyvybės vanduo

Hidrosfera (iš gr. hydro – „vanduo“) apima visą planetos vandenį. Didžiausią jos dalį (~97 %) sudaro sūrus vandenynų ir jūrų vanduo. Likusi dalis – tai gėlas vanduo, esantis upėse, ežeruose, požeminiuose telkiniuose ir, kas labai svarbu, sušalęs ledynuose bei sniegynuose. Vanduo yra unikalus tuo, kad nuolat keliauja tarp visų kitų sferų – garuoja, kondensuojasi, lyja, teka ir sunkiasi. Be hidrosferos gyvybė, kokią pažįstame, būtų neįmanoma.

Atmosfera: kvėpuojantis apvalkalas

Atmosfera (iš gr. atmos – „garai“) – tai dujų sluoksnis, gaubiantis Žemę. Nors atrodo nereikšminga, ji atlieka gyvybiškai svarbias funkcijas: aprūpina mus deguonimi, saugo nuo pavojingos Saulės spinduliuotės, reguliuuoja planetos temperatūrą (šiltnamio efektas) ir yra neatsiejama orų bei klimato dalis. Vėjai, audros, lietus – visa tai yra atmosferos procesai.

Biosfera: gyvybės tinklas

Biosfera (iš gr. bios – „gyvybė“) yra pati sudėtingiausia ir dinamiškiausia sfera. Ji apima visus gyvus organizmus – augalus, gyvūnus, grybus, mikroorganizmus – ir jų gyvenamąją aplinką. Biosfera nėra atskiras sluoksnis, ji persikloja su kitomis sferomis: gyvybė knibžda vandenynų gelmėse (hidrosfera), giliai dirvožemyje (litosfera) ir skraido aukštai danguje (atmosfera). Gyvi organizmai aktyviai keičia savo aplinką, pavyzdžiui, augalai formuoja dirvožemį ir gamina deguonį.

Žaidimo keitėjas: antroposfera

Pastaraisiais šimtmečiais atsirado dar vienas galingas veikėjas, kurio negalima ignoruoti – žmogus. Mūsų veikla (miestų statyba, pramonė, žemės ūkis, transportas) tapo tokia intensyvi ir globali, kad daugelis mokslininkų ją išskiria į atskirą antroposferą (iš gr. anthropos – „žmogus“). Antroposfera nėra atskira nuo kitų sferų, bet ji veikia kaip galinga jėga, keičianti ir dažnai pažeidžianti natūralią Žemės sistemos pusiausvyrą. Pavyzdžiui, degindami iškastinį kurą (išgautą iš litosferos), mes keičiame atmosferos sudėtį, o tai sukelia klimato kaitą, kuri veikia hidrosferą (ledynų tirpsmas) ir biosferą (rūšių nykimas).

Pati svarbiausia Žemės sistemos idėja yra sąveika. Nė viena geosfera neegzistuoja izoliuotai. Jos visos yra glaudžiai susipynusios, ir pokytis vienoje sferoje neišvengiamai sukelia pokyčius kitose, kartais sukeldamas grandininę reakciją, apimančią visą planetą. Panagrinėkime keletą konkrečių pavyzdžių, kaip šios sferos „kalbasi“.

Norint pamatyti, kaip visos geosferos darniai veikia kartu, geriausia panagrinėti vandens ciklą. Tai nenutrūkstamas procesas, kurio metu vanduo keliauja per visą Žemės sistemą, keisdamas savo būseną ir vietą. Kiekviename žingsnyje matome bent dviejų sferų sąveiką.

1. Garavimas. Saulė kaitina vandenynų, jūrų, ežerų paviršių. Vanduo iš skystos būsenos virsta dujine – vandens garais – ir pakyla į orą. Sąveika: Hidrosfera → Atmosfera.

2. Transpiracija. Augalai per šaknis siurbia vandenį iš dirvožemio, tačiau didelę jo dalį per lapus išgarina į aplinką. Tai tarsi augalų „prakaitavimas“. Sąveika: Biosfera + Hidrosfera → Atmosfera.

3. Kondensacija. Pakilę į viršų vandens garai vėsta. Atvėsę jie vėl virsta mažyčiais skysto vandens lašeliais arba ledo kristalais, kurie telkiasi į debesis. Procesas vyksta Atmosferoje.

4. Krituliai. Kai debesyse susikaupia pakankamai vandens lašelių ar ledo kristalų, jie tampa per sunkūs ir krinta žemyn lietaus, sniego ar krušos pavidalu. Sąveika: Atmosfera → Litosfera / Hidrosfera / Biosfera.

5. Paviršinis nuotėkis. Dalis kritulių, nukritusių ant žemės paviršiaus, teka paviršiumi upeliais ir upėmis, kol galiausiai grįžta į ežerus ar vandenynus. Sąveika: Litosfera → Hidrosfera.

6. Infiltracija (sunkimasis). Kita dalis kritulių susigeria į žemę. Vanduo užpildo tarpus tarp grunto dalelių ir uolienų plyšius, tapdamas požeminiu vandeniu. Sąveika: Hidrosfera → Litosfera.

7. Augalų pasisavinimas. Augalai per šaknis pasisavina vandenį iš dirvožemio, kad galėtų augti ir vykdyti fotosintezę. Taip vanduo vėl įtraukiamas į gyvybės ciklą. Sąveika: Litosfera + Hidrosfera → Biosfera.

Vandens ciklas neturi pradžios ar pabaigos. Tai nuolatinis judėjimas, kuris palaiko gyvybę, formuoja reljefą, lemia orus ir klimatą. Tai puikus pavyzdys, kaip Žemė veikia kaip vientisa, integruota sistema.

Kitas fundamentalus pavyzdys, iliustruojantis Žemės sistemos vientisumą, yra anglies ciklas. Anglis – gyvybės pagrindas; ji sudaro visų organinių molekulių karkasą. Tačiau anglis taip pat yra ir pagrindinis klimato reguliatorius. Jos judėjimas tarp geosferų lemia tiek gyvybės klestėjimą, tiek globalią temperatūrą.

Anglies saugyklos (rezervuarai)

Anglis kaupiasi keturiose pagrindinėse saugyklose, atitinkančiose geosferas:

• Litosfera: Pati didžiausia anglies saugykla. Anglis čia yra įkalinta nuosėdinėse uolienose (pvz., klintyje), taip pat iškastiniame kure (anglyje, naftoje, gamtinėse dujose), kuris susidarė iš senovinių organizmų liekanų.
• Hidrosfera: Vandenynai yra antra pagal dydį saugykla. Anglis ištirpusi vandenyje kaip anglies dioksidas (CO₂) arba virtusi karbonatų jonais. Ji taip pat yra vandenyno organizmų ir nuosėdų dalis.
• Atmosfera: Nors atmosferoje anglies kiekis, palyginti su vandenynais ar uolienomis, yra mažas, jos forma – anglies dioksido dujos (CO₂) – daro milžinišką poveikį planetos klimatui dėl šiltnamio efekto.
• Biosfera: Visi gyvi ir negyvi organizmai (augalai, gyvūnai, dirvožemio organinė medžiaga) yra sudaryti iš anglies ir laikinai ją saugo.

Anglies srautai (judėjimas)

Anglis nuolat juda tarp šių saugyklų. Štai svarbiausi procesai:

1. Fotosintezė. Augalai ir dumbliai paima CO₂ iš atmosferos ar vandens ir paverčia jį organine medžiaga (cukrumi). Tai pagrindinis kelias, kuriuo anglis iš negyvosios aplinkos patenka į gyvąją. Sąveika: Atmosfera / Hidrosfera → Biosfera.

2. Kvėpavimas (Respiracija). Visi gyvi organizmai, įskaitant augalus, kvėpuodami skaido organines medžiagas, kad gautų energijos. Šio proceso metu anglis grąžinama į atmosferą arba vandenį CO₂ pavidalu. Sąveika: Biosfera → Atmosfera / Hidrosfera.

3. Dekompozicija (Puvimas). Mirus organizmams, juos skaido bakterijos ir grybai. Dalis anglies grįžta į atmosferą kaip CO₂, o dalis lieka dirvožemyje kaip organinė medžiaga. Sąveika: Biosfera → Litosfera / Atmosfera.

4. Vandenyno ir atmosferos mainai. CO₂ natūraliai tirpsta šaltame vandenyno vandenyje ir išsiskiria iš šilto. Vandenynas veikia kaip milžiniškas „buferis“, sugeriantis arba išskiriantis didelius CO₂ kiekius. Sąveika: Hidrosfera ↔ Atmosfera.

5. Sedimentacija ir uolienų formavimasis. Per milijonus metų vandenyno organizmų kriauklės (sudarytos iš kalcio karbonato) ir organinės liekanos nusėda ant dugno. Dėl slėgio jos virsta nuosėdinėmis uolienomis arba iškastiniu kuru, taip „užrakindamos“ anglį litosferoje ilgam laikui. Sąveika: Biosfera / Hidrosfera → Litosfera.

6. Antropogeninis poveikis: Iškastinio kuro deginimas. Žmonės (antroposfera), degindami anglį, naftą ir dujas, per labai trumpą laiką į atmosferą grąžina anglį, kuri litosferoje buvo „užrakinta“ milijonus metų. Tai smarkiai sutrikdo natūralią ciklo pusiausvyrą ir yra pagrindinė dabartinės klimato kaitos priežastis. Sąveika: Antroposfera + Litosfera → Atmosfera.

Anglies ciklas parodo, kaip glaudžiai susiję gyvybės procesai, geologija ir klimatas. Suprasdami šį ciklą, galime geriau įvertinti savo veiklos pasekmes visai planetos sistemai.

Žemės sistema nėra statiška. Joje nuolat vyksta pokyčiai, kuriuos valdo energijos srautai, medžiagų ciklai ir sudėtingi grįžtamojo ryšio mechanizmai. Suprasti šiuos principus – tai suprasti sistemos „variklį“.

Energijos srautai ir medžiagų ciklai

Reikia atskirti du esminius dalykus:

• Žemė yra atvira sistema energijai. Beveik visa Žemės sistemos varomoji jėga yra energija, gaunama iš Saulės. Ši energija į sistemą patenka kaip trumpabangė spinduliuotė, o palieka ją kaip ilgabangė (šiluminė) spinduliuotė. Energija per sistemą prateka.
• Žemė yra (beveik) uždara sistema materijai. Medžiagos (vanduo, anglis, azotas ir kt.) planetoje yra ribotas kiekis. Jos nedingsta ir neatsiranda iš niekur, o nuolat cirkuliuoja uždarame cikle, keliaudamos iš vienos geosferos į kitą.

Šis principas yra fundamentalus. Jis reiškia, kad mūsų ištekliai yra baigtiniai, o mūsų atliekos niekur nedingsta – jos lieka sistemos viduje ir veikia kitas jos dalis. Pavyzdžiui, plastiko atliekos, išmestos sausumoje (litosfera), lietaus nuplaunamos į upes ir vandenynus (hidrosfera), kur kenkia gyvūnams (biosfera).

Dinaminė pusiausvyra ir grįžtamasis ryšys

Natūraliomis sąlygomis Žemės sistema siekia išlaikyti dinaminę pusiausvyrą (angl. dynamic equilibrium). Tai nereiškia, kad viskas stovi vietoje, bet kad per ilgą laiką sistemos įvestys ir išvestys yra subalansuotos, o bendra būklė (pvz., globali temperatūra) svyruoja apie tam tikrą vidurkį. Šią pusiausvyrą palaiko grįžtamojo ryšio mechanizmai (angl. feedback loops).

Natūralioje Žemės sistemoje dominuoja negatyvaus grįžtamojo ryšio mechanizmai, kurie palaiko santykinį stabilumą. Tačiau žmogaus veikla, ypač sparti CO₂ emisija, gali „perkrauti“ šiuos natūralius buferius ir suaktyvinti pavojingus pozityvaus grįžtamojo ryšio mechanizmus, kurie gali lemti staigius ir negrįžtamus sistemos pokyčius.

Žmogaus veikla (antroposfera) tapo viena svarbiausių jėgų, keičiančių Žemės sistemą. Mūsų poveikis yra toks visapusiškas, kad jis jaučiamas kiekvienoje geosferoje. Dažnai šis poveikis sutrikdo natūralius ciklus ir pusiausvyrą, sukeldamas neigiamas pasekmes.

Supratimas, kad Žemė yra vientisa, darni sistema, yra ne tik abstrakti teorija. Tai pats svarbiausias geografinio mąstymo įrankis, kurį naudosime visus mokslo metus ir, tikėkimės, visą likusį gyvenimą. Pagrindinė išvada, kurią turime išsinešti iš šios pamokos, yra paprasta, bet gili: viskas yra susiję.

Kai mąstome sistemiškai, mes:

• Matome didesnį vaizdą. Užuot sutelkę dėmesį į vieną problemą (pvz., upės taršą), matome jos priežastis (žemės ūkis aukštupyje) ir pasekmes (poveikis jūros ekosistemai, į kurią upė įteka).
• Numatome netikėtas pasekmes. Suprantame, kad veiksmas vienoje vietoje gali sukelti grandininę reakciją ir turėti poveikį visai planetai. Pavyzdžiui, Amazonijos miškų kirtimas gali paveikti kritulių kiekį Europoje.
• Ieškome tvarių sprendimų. Užuot „gydę simptomus“, ieškome būdų, kaip išspręsti problemos šaknį, atsižvelgdami į visos sistemos gerovę. Suprantame, kad negalima spręsti ekonominių problemų ignoruojant ekologines, ir atvirkščiai.

Ši pamoka – tai pamatas. Vėlesniuose cikluose mes gilinsimės į kiekvieną iš šių sferų atskirai. Antrajame cikle tyrinėsime „Žemės skulptorius“ – galingas litosferos jėgas, formuojančias kalnus ir vandenynus. Trečiajame – pasinersime į „orų virtuvę“ ir aiškinsimės atmosferos bei hidrosferos sąveiką. Visą laiką prisiminsime šiandien išmoktą pamoką: visos šios dalys yra neatsiejamai susijusios ir veikia kaip vienas didelis, sudėtingas ir nuostabus mechanizmas – mūsų namai, Žemės sistema.