Generellt uppstår markförsurning så snart depositionen av försurande ämnen inte längre kan balanseras av enbart vittring. Markförsurning innebär att mar- kens förråd av utbytbara baskatjoner börjar tömmas och ersätts av vätejoner och, vid sjunkande pH, även aluminiumjoner. Resultatet blir att markens basmättnadsgrad sjunker. I beräkningarna av kritisk belastning förutsätts att detta inte sker, dvs att det finns en långsiktig balans mellan källor och sänkor för buffrande processer, där källorna är outtömliga, t ex vittring och deposi- tion av baskatjoner.
En viktig avgränsning är således att kortsiktiga buffrande processer, som t ex jonbytesreaktioner och svaveladsorption, ej ingår i modellerna för beräk- ning av den kritiska belastningen. Detta betyder i sin tur att modellerna beräk- nar ett tänkt sluttillstånd då mark- och sjökemi inte längre ändrar sig med tiden. Ett sätt att uttrycka detta är att systemet (markprofilen, sjön) befinner sig i ett stationärt tillstånd, steady-state. I modeller baserade på steady-state, t ex SSMB och PROFILE (Sverdrup m fl, 1990), kan effekter av årtidsväx- lingar, t ex surstötar i samband med snösmältning, inte behandlas.
Eftersom tidsfaktorn inte är definierad går det inte att göra prognoser eller besvara frågor av typen; ”När försurades sjön?” eller ”När kommer mark- och
sjökemin att återställas till ett acceptabelt tillstånd”. Frågorna som kan besvaras
med en steady-state-modell blir i stället; ”Vad blir mark- och sjökemin om ned-
fallet av svavel och kväve förblir på en viss nivå under en lång tid?” eller ”Hur mycket större är det verkliga nedfallet än det nedfall som ekosystemet långsiktigt tål?”
För att även kunna ta hänsyn till tidsfaktorn måste dynamiska modeller som t ex MAGIC (Cosby m fl, 1985) och SAFE (Warfvinge m fl, 1992) använ- das. Dynamiska modeller används för att studera och analysera försurnings- förlopp, och de fyller en viktig funktion när effekten av nedfallsminskningar
steady-state steady-state steady-
state SO4* ANC BC* Tid I II III IV V Koncentration FIGUR 4.2
Ett schematisk händelseförlopp för en sjöförsurning. De stabila tidsperioderna där koncen- trationerna ej ändras med tiden, dvs när steady-state råder, är indikerade.
ska utredas. Återhämtning och återhämtningsprocesser beskrivs närmare i Warfvinge & Bertills (2000). Dynamiska modeller har ännu inte använts som underlag för optimeringar inom konventionsarbetet.
Ett sätt att illustrera skillnaden mellan dynamiska och steady-state- modeller är att studera hur försurning av en sjö inklusive dess återhämtning går till. Rent hypotetiskt kan fem faser urskiljas från det att sjön försuras till att den har återställts till sin ursprungliga status, figur 4.2. Observera att det som följer är mycket översiktligt; i verkligheten råder sällan steady-state. Det senare är givetvis en fråga om vilken tidsrymd som betraktas och hur strikt man definierar steady-state.
Till en början är sjön i sitt naturliga eller förindustriella tillstånd, då antropo- gena aktiviteter ännu inte förmått ändra sjökemin nämnvärt. Detta är det till- stånd som många modeller för försurning avser att återskapa, dvs hur det såg ut i sjöarna i förindustriell tid.
I I mitten av 1800-talet börjar industrialiseringen ge upphov till ett ökat utsläpp och nedfall av försurande svavel. Marken försuras eftersom jonby- tesreaktioner och sulfatadsorption neutraliserar den ökande tillförseln av vätejoner. Notera att sjövattnets buffertkapacitet (uttryckt som ANC) är oförändrad eftersom koncentrationen av baskatjoner ökar i samma takt som sulfat. För detaljer om buffertkapacitet se faktaruta.
II Förr eller senare börjar förrådet av baskatjoner i marken att tömmas var- vid ANC i avrinningsvattnet sjunker drastiskt med en sjöförsurning som följd. Här kan också direktdeposition till sjön ha en stor betydelse om sjöarean utgör en betydande del av avrinningsområdet.
III Svaveldepositionen ligger på en hög och stabil nivå. Med tiden ställer sjön också in sig på ett nytt stationärt kemiskt tillstånd där både marken och sjön är försurade.
IV Här har åtgärder vidtagits som lett till en minskning av svavelnedfallet. Jonbytesförrådet i marken börjar åter fyllas på med baskatjoner och det svavel som fastlades i försurningsfasen kan lösas ut igen. Denna fas är motsatsen till fas I; här återhämtas marken vilket fördröjer återhämt- ningen i sjön.
V Slutligen har mark- och sjökemin återställts och ett nytt stationärt till- stånd infinner sig.
F A K T A R U T A
*
Buffertkapacitet
Buffertkapaciteten för vatten kan bestämmas med en alkalinitetstitrering. Alkaliniteten anger hur mycket syra som åtgår för att sänka pH till ett bestämt värde. Vanligtvis väljs slut-pH för titreringen till 5,6 där allt HCO3-har förbrukats. Om vattenprovet har ett pH lägre än 5,6 blir den mängd lut som behövs för att nå pH 5,6 ett mått på vattnets aci- ditet.
I begreppet kritisk belastning används ANC (Acid Neutralizing Capacity) som ett mått på buffertkapacitet. Utifrån en laddningsbalans för ingående joner kan ANC uttryckas på två sätt:
1. Ej direkt pH-beroende joner:
2. pH-beroende joner:
Notera att ekvation 1 och 2 är helt likvärdiga uttryck och det är alltid protonövergångar (då en förening avger eller tar upp en vätejon) som ligger till grund för alla ANC-ändring- ar. Ekv 1 är mycket användbar eftersom den direkt kan användas i de massbalanser som ingår i modellerna för beräkning av kritisk belastning. Om pH måste bestämmas är det dock nödvändigt att använda Ekv 2. Det senare är fallet för PROFILE (se kapitel 5) där vittringshastigheten beror av pH.
ANC är ett mått på den totala buffertkapaciteten. Med ”total” avses här att även anjo- ner till starka organiska syror ingår. En titrering av ett humöst vattenprov (t ex 10 mg/l DOC) från pH 7,5 till 5,6 ger att ca 15 % av alla organiska anjoner har protonerats. Detta är anledningen till att ANC alltid är högre än alkaliniteten i humösa vatten. ANC antar både positiva som negativa värden.
Ett negativt värde på ANC brukar också benämnas aciditet. Aciditeten som tillförs via deposition på en yta (Dep) kan därför uttryckas som (ekv/ha och år):
Aciditet = DepSO4+ DepNO3+ DepCl- DepNa + Ca + Mg +K- DepNH4 ANC = HCO[ 3-] + CO[ 32 -] + R[ -] - [H+] -[Aln+]
ANC = Na[ +] + Ca[ 2+] + Mg[ 2+] + K[ +] + NH[ 4+] - SO[ 42-] - NO3 -