English
„Deszcz lśnił na dachach i wieżyczkach, nie zdając sobie sprawy, na jak rojny, nienawistny świat opada. Deszcze mające więcej szczęścia spadały na owce w górach, szeleściły cicho wśród lasów czy też – odrobinę kazirodczo – rozchlapywały kroplami powierzchnię morza. Deszcz spadający na Ankh-Morpork sam sprowadzał na siebie kłopoty. W Ankh-Morpork wyczyniali z wodą straszne rzeczy. Picie było tylko początkiem jej problemów.”
Terry Pratchett Straż! Straż! (tłum. Piotr W. Cholewa)
Pamiętacie z lekcji geografii schemat obiegu wody w przyrodzie? Zasadniczo był to dość prosty diagram, przedstawiający parowanie wody z oceanu do atmosfery, jej kondensację, opad w postaci deszczu oraz odpływ podziemny i powierzchniowy z powrotem do oceanu. Woda w różnych stanach skupienia przemieszcza się w środowisku w wyniku procesów fizycznych, takich jak ewapotranspiracja (parowanie terenowe, obejmujące transpirację i ewaporację), kondensacja, opad atmosferyczny, infiltracja, spływ powierzchniowy czy odpływ wód gruntowych. Skrajnie upraszczając, istotą cyklu hydrologicznego jest odparowanie wilgoci w jednym miejscu i jej opad w innym.
Jednak cykl hydrologiczny w rzeczywistości jest systemem dużo bardziej złożonym, a właściwe rozpoznanie zależności, które go warunkują, jest niezbędne do zrozumienia wyzwań związanych ze zmianami środowiskowymi (w tym klimatu) i ingerencją człowieka w zasoby wodne Ziemi.
Ile wody gdzie?
Ilość wody na Ziemi jest stosunkowo stała i wynosi 1,386 mld km3 [1], ale jej udział w różnych stanach skupienia (ciecz, para, lód) i formach (rezerwuary lodu, zbiorniki wody słodkiej i słonej, woda atmosferyczna czy glebowa) jest zmienny w zależności od uwarunkowań środowiskowych.
Klasyczne schematy zasobów wodnych na Ziemi wskazują, że ok. 97% zasobów to wody słone, magazynowane w morzach i oceanach. Pozostałe ok. 3% (2,5 mln km3) to wody słodkie, które w 68% zmagazynowane są w lodowcach, lądolodach i wiecznej zmarzlinie, a w 30% znajdują się pod ziemią. Powierzchniowe zasoby słodkiej wody w rzekach, jeziorach, bagnach i mokradłach wynoszą około 93 tys. km3, co stanowi zaledwie nikły ułamek całkowitych zasobów wodnych Ziemi. Mimo to rzeki i jeziora są podstawowym źródłem wody w codziennym życiu człowieka [2].
Dostępne szacunki mówią, że w ciągu roku w cyklu hydrologicznym uczestniczy jedynie około 577 tys. km3 wody, tj. 0,04% całkowitej objętości hydrosfery. Oznacza to, że tylko część zasobów wodnych krąży w cyklu hydrologicznym, podczas gdy głębsze wody podziemne, część lądolodów czy głębinowe strefy Wszechoceanu mogą zupełnie nie wchodzić do obiegu. Kluczową rolę odgrywa ocean, z powierzchni którego zachodzi 86% globalnego parowania i który przyjmuje ok. 80% opadu (ma zatem ujemny bilans wodny). Z parowania wszystkich wód na Ziemi do atmosfery dostaje się 90% pary wodnej. Pozostałe 10% to wynik procesu ewaporacji (parowanie z gruntu) i transpiracji (odprowadzanie wody przez rośliny).
Człowiek modyfikuje obieg wody
Obieg wody napędzają dwie naturalne siły: energia słoneczna, która powoduje odparowanie wody do atmosfery oraz siła grawitacji, dzięki której woda spada z chmur w postaci opadu i spływa w dół zlewni po lądzie, pod jego powierzchnią i z nurtem wód. Również wykorzystywanie przez ludzi ma znaczący wpływ na to, gdzie i w jakich ilościach woda jest magazynowana oraz jak krąży. Człowiek reguluje i zmienia bieg rzek, buduje zapory, osusza tereny podmokłe.
Około 3/4 powierzchni Ziemi wolnej od lodu przekształcono poprzez działania takie jak rolnictwo, wylesianie i odwadnianie, co istotnie wpływa na ewapotranspirację, zasilanie wód podziemnych, zmiany tempa przepływu rzek i opady atmosferyczne w skali kontynentalnej. Człowiek czerpie wody z rzek, jezior, zbiorników wód powierzchniowych i podziemnych do zaopatrzenia gospodarstw domowych, nawadniania terenów rolnych, utrzymania zwierząt gospodarskich oraz do działalności przemysłowej, takiej jak górnictwo, energetyka czy akwakultura.
Bardzo istotny wpływ na cykl hydrologiczny ma zmiana klimatu. Zmieniające się wzorce opadów (zmiana częstotliwości i intensywności), które warunkują występowanie zjawisk ekstremalnych, takich jak susze i powodzie oraz wzrost poziomu mórz i oceanów, modyfikują ilość wody i czas jej obiegu. Podstawową przyczyną intensyfikacji obiegu wody jest zwiększona ilość gazów cieplarnianych, które prowadzą do ogrzania atmosfery. Zgodnie z prawem fizycznym, opisanym równaniem Clausiusa-Clapeyrona, ciśnienie pary nasyconej wzrasta o 7% przy wzroście temperatury o 1°C. Wzrost temperatury atmosfery wiąże się zatem z większym udziałem w niej pary wodnej, co ma wpływ na parowanie i opady.
Człowiek oddziałuje również na jakość wody. Na obszarach rolniczych i miejskich nawadnianie i opady powodują wypłukiwanie nawozów i pestycydów, które dostają się do rzek i wód gruntowych. Spływ powierzchniowy niesie ze sobą chemikalia, osady i inne zanieczyszczenia, które dostają się do rzek i jezior. Elektrownie i fabryki zwracają do rzek podgrzaną i zanieczyszczoną wodę. Do pogorszenia jakości wody przyczynia się również zmiana klimatu. Dla samego obiegu wody jej jakość może nie ma większego znaczenia, ale dla jej dostępności na konkretne ludzkie potrzeby – jak najbardziej.
Cykl hydrologiczny do rewizji
Ingerencje człowieka w obieg wody sprawiły, że stosowane dotychczas modele regionalnego i globalnego obiegu wody dezaktualizują się i przestają być miarodajne. Weryfikacją tej tezy zajęli się naukowcy z międzynarodowego zespołu pod kierunkiem Benjamina W. Abbotta z Brigham Young University, USA. Dokonali oni przeglądu niemal pół tysiąca publikacji dotyczących schematu globalnego obiegu wody i przeanalizowali ponad sto anglojęzycznych diagramów z podręczników, recenzowanych artykułów, materiałów rządowych i źródeł internetowych.
Dla każdego z nich określili ilościowo szczegółowe metryki, w tym biom, dziedzinę naukową oraz liczbę, wielkość i proporcje zasobów wodnych i ich przepływu. Porównali też ok. 350 diagramów obiegu wody z 12 krajów (dostępnych w językach narodowych). Swoje wyniki opublikowali w 2019 r. na łamach Nature Geoscience [3]. Wiele intersujących obserwacji i przemyśleń zawarli też w obszernym komentarzu, który ukazał się w tym samym roku w Hydrological Processes [4].
Autorzy stwierdzili, że aż 95% diagramów przedstawiało pojedynczą zlewnię, bez uwzględnienia wzajemnych powiązań różnych obszarów dorzeczy, tylko 15% uwzględniało wpływ człowieka na cykl hydrologiczny, a zaledwie 2% odnosiło się do powiązań ze zmianą klimatu, zanieczyszczeniem wód lub zmianami pokrycia terenu.
Według autorów, pojawiające się w przestrzeni publicznej informacje dotyczące dostępności słodkiej wody dla ludzi są dalece przeszacowane, co ma trzy główne przyczyny. Po pierwsze, w zakresie wód powierzchniowych diagramy nie rozróżniają podziału jezior na słone i słodkie (podczas gdy połowa ich globalnej objętości to zbiorniki słone) oraz podziału zasobów wód podziemnych na odnawialne i nieodnawialne (97% wód podziemnych należy uznać za niemożliwe do wykorzystania z powodu ich niewystarczającego tempa odnawiania lub wysokiego zasolenia). Diagramy ilościowe zwykle podawały sumaryczną objętość tych rezerwuarów (na przykład 0,19 mln km3 wód w jeziorach i 22,6 mln km3 wód gruntowych), co rażąco zawyża rzeczywiste zasoby wody słodkiej.
Po drugie, żadne diagramy nie wskazywały zasobów słodkiej wody faktycznie dostępnych do użytku przez ludzi, podczas gdy w rzeczywistości stanowią one mniej niż 10% rocznych opadów lądowych i 25% rocznego odpływu rzek. Tylko 5% słodkiej wody gruntowej można pozyskiwać w sposób nienaruszający równowagi hydrologicznej. Oznacza to, że globalnie dostępne i zrównoważone zasoby błękitnej wody wynoszą zaledwie od 5 tys. do 9 tys. km3 rocznie, co jest alarmująco bliskie aktualnym szacunkom globalnego zużycia, pozostającym na poziomie od 3,8 tys. do 5 tys. km3 rocznie.
Po trzecie, ignorując zużycie przez człowieka tzw. wody szarej (woda potrzebna do rozcieńczenia ładunku zanieczyszczeń do poziomu stężenia tła i wymaganego standardu jakości), diagramy nie tylko przedstawiały mniejszy niż faktyczny wpływ człowieka na cykl hydrologiczny, ale także zawyżały szacunki potencjalnie dostępnych zasobów o 30 do 50%.
Dlaczego diagramy obiegu wody są ważne?
Ktoś mógłby zapytać, o co tyle hałasu. Otóż diagramy obiegu wody nie tylko prezentują naszą wiedzę i sposób rozumienia cyklu hydrologicznego, ale też kształtują stosunek społeczeństwa do wody i problemu jej dostępności. Skoro są one dostępne i powszechnie stosowane co najmniej od lat trzydziestych XX w., dlaczego zawierają tak dużo podstawowych błędów i czy błędy te przyczyniają się do złego zarządzania wodą?
Wykonana przez Abbotta i współautorów synteza ujawniła potrzebę znaczącej rewizji wielu szacunków zasobów wód i ich przepływu. Aktualizacja taka jest możliwa dzięki rozwojowi technik badawczych i analitycznych, takich jak teledetekcja czy modelowanie, które umożliwiają dokonanie bardziej precyzyjnych obliczeń.
Najnowsze szacunki zużycia przez ludzi wody niebieskiej (ujmowanej ze zbiorników powierzchniowych i podziemnych), zielonej (zmagazynowanej w wierzchniej warstwie gleby i tkankach roślin, w tym uprawach) i szarej wskazują na około 24 tys. km3 rocznie, co oznacza redystrybucję równoważną połowie globalnego odpływu rzecznego lub podwójnego globalnego rocznego zasilania wód podziemnych.
Pominięcie na diagramach obiegu wody działań człowieka może sugerować, że nie mają one wpływu na jeden z najważniejszych i najbardziej zagrożonych zasobów Ziemi. Zafałszowuje to faktyczne przyczyny najistotniejszych współczesnych kryzysów społecznych i ekologicznych, takich jak zagrożenie bezpieczeństwa wodnego i dostępu do wody pitnej, utrata różnorodności biologicznej, zmiana klimatu oraz eutrofizacja wód powierzchniowych. Biorąc pod uwagę ogromną skalę ludzkich dramatów i zaburzeń ekologicznych związanych z globalnym kryzysem wodnym, musimy wykorzystać wszystkie nasze zasoby naukowe i kulturowe, aby lepiej zrozumieć cykl hydrologiczny i przyspieszyć wdrażanie zrównoważonej gospodarki wodnej.
Już 200 lat temu…
Genialny niemiecki przyrodnik i podróżnik, Alexander von Humboldt, podczas wyprawy do Wenezueli w 1800 r., obserwując antropogeniczne przekształcenia krajobrazu w dolinie Aragui i ich destrukcyjny wpływ na jezioro Valencia, jako jeden z pierwszych sformułował problem skutków zmian środowiska wywołanych działalnością człowieka. W swoich dziennikach pisał:
„Kiedy lasy są niszczone, jak wszędzie w Ameryce, przez europejskich plantatorów z nierozważną pochopnością, źródła całkowicie wysychają lub stają się mniej wydajne. Łożyska rzek, suche przez część roku, zmieniają się w potoki, tylko gdy w górach spadnie obfity deszcz. Murawa i mech znikają wraz z zaroślami ze stoków gór, wody deszczowe nie mają już przeszkód na swej drodze i zamiast powoli zasilać poziom rzek przez stopniowe przesiąkanie, pędzą podczas ulew po zboczach, spychają rozluźnioną glebę i wywołują niespodziewane wylewy, które niszczą kraj.”
(fragment pochodzi z książki A. Wulf Człowiek, który zrozumiał naturę w przekładzie P. Chojnackiego i K. Bażyńskiej-Chojnackiej; na podstawie AH Personal Narrative 1814-1829, t. 4, s. 143-144).
Wygląda na to, że współczesny człowiek, ponad dwa stulecia później, na nowo odkrywa te same prawdy.
W artykule korzystałam m.in. z prac:
[1] Shiklomanov I. 1993. World fresh water resources. [w:] Peter H. Gleick (red.), Water in Crisis: A Guide to the World’s Fresh Water Resources. Oxford University Press
[2] https://water.usgs.gov/edu/watercyclepolish.html
[3] Abbott B.W., Bishop K., Zarnetske J.P., Minaudo C., Chapin F.S., Krause S., Hannah D.M., Conner L., Ellison D., Godsey S.E., Plont S., Marçais J., Kolbe T., Huebner A., Frei R.J., Hampton T., Gu S., Buhman M., Sayedi S.S., Ursache O., Chapin M., Henderson K.D., Pinay G. 2019. Human domination of the global water cycle absent from depictions and perceptions. Nature Geoscience, 12,7: 533-540. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0374-y
[4] Abbott B.W., Bishop K., Zarnetske J.P., et al. 2019. A water cycle for the Anthropocene. Hydrological Processes.33: 3046–3052. https://doi.org/10.1002/hyp.13544
