9789144096391 by Smakprov Media AB

Geobiosfären en introduktion

Redaktör

Per-Gunnar Andréasson

Omslagsbild: Klippan vid Étretat, Normandie. I förgrunden och i dag skapar vågor en ny strand av grus och sand. Inåt i bilden och bakåt i tiden förvandlas grön tång till brun, längre inåt reser sig en hög vägg av kritkalk från döda organismer och med lager av svart flinta. Någonting färgar väggen brun. Väggen rymmer massor av tid jämfört med den tid som människan, turisten högst upp på klippan, har funnits på Jorden. Ändå är dessa 86–89 miljoner år gamla lager mycket unga i Jordens historia. Räknar vi om planetens ålder till ett kalenderår, så avsattes de först på juldagens kväll. Foto: Per-Gunnar Andréasson.

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access. Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Studentlitteratur har både digital och traditionell bokutgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 31854 ISBN 978-91-44-09639-1 Upplaga 2:1 © Författarna och Studentlitteratur 2015 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagslayout: Francisco Ortega Omslagsbild: Per-Gunnar Andréasson Språkgranskare: Sophia Lundquist Printed by Dimograf, Poland 2015

INNEHÅLL

Förord till första upplagan 9 Förord till andra upplagan 13 Författarna 15 Del I Den levande planeten 1 Jordklotets uppkomst och uppbyggnad 21

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Rätt storlek och på rätt avstånd från solen 22 Planetesimal, protoplanet och planet 22 Hur kan vi veta något om Jordens inre? 23 De första kontinenterna och haven 28 Den första atmosfären 29 Hotet från rymden 30

”So where is everybody?!” 32 2 Litosfären 35

2.1 2.2

Beviset som Alfred Wegener saknade 36 Plattektonik 37

En vetenskaplig revolution 49 3 Hydrosfären 51

3.1 3.2 3.3 3.4

Vattnets kretslopp 52 Vattnet på kontinenterna 55 Vattnet i oceanerna 57 Havsnivåförändringar 61

4 Atmosfären 67

4.1 4.2 4.3

Atmosfärens skiktning 67 Atmosfärens sammansättning och växthuseffekten 68 Energibalans 70

I n ne h å l l

4.4 4.5 4.6

Meteorologiska parametrar 71 Atmosfärens cirkulation 74 Klimatregioner, växtregioner och biom 76

5 Biosfären 79

5.1 5.2 5.3

Kolets kretslopp 80 Fosforns kretslopp 82 Kvävets kretslopp 83

6 Klimatsystemet 87

6.1 6.2

Ett komplicerat samspel 87 Globala klimatförändringar 98

Mänskligt orsakade globala klimatförändringar 110 7 Geologisk tid 113

7.1 7.2 7.3

Stratigrafi 114 Den geologiska tidsskalan 119 Geologiska klockor 120

Klockan 9.00 på morgonen den 26 oktober år 4004 f.Kr. 134 8 Livets uppkomst och utveckling 135

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8.12 8.13 8.14 8.15 8.16

Livets tidigaste utveckling 136 Fossil 137 Prekambriskt liv 143 Systematik 145 Liv under kambrium 146 Liv under ordovicium 149 Liv under silur 153 Liv under devon 156 Liv under karbon 158 Liv under perm och trias 160 Liv under jura 162 Liv under krita 165 Liv under paleogen och neogen 168 Människan 171 Massutdöenden 174 Extrema livsmiljöer 181

Idéutveckling 184

I nnehåll 5

Del II Geobiosfärens processer och produkter 9 De minsta byggstenarna 187

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

System, fas och kristall 188 Kemisk bindning 189 Mineral 191 Mineralens egenskaper 196 Från goniometer till mikrosond 199

10 Magmatiska processer och produkter 205

10.1 Uppsmältning, magma och kristallisation 206 10.2 Magman stelnar 211 10.3 Magmatiska bergarter 217 I skuggan av sovande berg 222 11 Vittringsprocesser och jordmåner 225

11.1 Mekanisk vittring 226 11.2 Kemisk vittring 227 11.3 Vittringens jordmånsprofiler. Jordmåner i Sverige 231 Vittrande kulturarv 237 12 Sediment och sedimentbergarter 239

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Det sedimentära materialet 240 Sedimentstrukturer 246 Diagenes – från löst sediment till fast bergart 251 Sedimentbergarter – den yngre lagrade berggrunden 253 Huvudgrupper av sedimentbergarter 258

13 Metamorfa processer och produkter 267

13.1 Varför och hur sker förändringen? 268 13.2 Moderbergarterna och produkterna 274 Så bildades världens vanligaste tak 277 14 Deformation 279

14.1 14.2 14.3 14.4

Grundbegrepp 280 Företeelser orsakade av elastisk deformation 281 Företeelser orsakade av plastisk deformation 289 Sprickor och förkastningar 290

I n ne h å l l

14.5 Hur kan sten skrynklas? 292 14.6 Geologiska kroppars läge i rummet 293 Hamnvågor 296 15 Mineraliseringar 299

15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

Magmatiska mineraliseringar 300 Hydrotermala mineraliseringar 301 Sedimentära mineraliseringar 304 Metamorfa och tektoniska processers medverkan 306 Ädelstenar 307

Guldmyntens baksidor 311 Del III Landskapets processer och former 16 Bergen 315

16.1 16.2 16.3 16.4

De äldsta bergskedjorna 317 Moderna bergskedjors uppkomst 317 En bergskedjas historia 321 Riftskuldror och djuphavsberg 325

17 Från bergen till kusten 329

17.1 D rivande krafter och samband i det kontinentala landskapet 330 17.2 Massrörelser 332 17.3 Det rinnande vattnet 334 17.4 Vinden 338 18 Från kusten till djuphavet 343

18.1 18.2 18.3 18.4

Kusten 344 Shelfen 347 Kontinentalbranten 353 Djuphavet 354

19 Inlandsisens landskap 361

19.1 Glaciärernas bildning och dynamik 362 19.2 Glacialgeologiska processer 371 19.3 De glaciala landformerna 381

I nnehåll 7

20 Sjöar och torvmarker 399

20.1 Kemiska och organogena sediment 400 20.2 Sjöar 407 20.3 Torvmarker 413 Del IV Sveriges geologi 21 Berggrundens utveckling och uppbyggnad i Sverige; dess malmer och ytformer 423

21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8

Urberget 424 Fjällkedjan 428 Fanerozoisk berggrund utanför fjällkedjan 430 Stora deformationszoner utanför fjällkedjan 446 Kontinentkanten 449 Kontinentalsockelns berggrund 450 Malmförekomster 451 Berggrundens ytformer 460

22 Den senaste istidscykeln 469

22.1 Istider och mellanistider 470 22.2 Weichselistiden 471 22.3 Östersjöns utveckling 487 23 Djur- och växtvärldens historia efter inlandsisens avsmältning 507

23.1 Slutet av istiden (17 000–11 700 år sedan) 508 23.2 Holocen (11 700 år sedan och fram till i dag) 512 23.3 Paleoekologi 519 Del V Jordens resurser och deras utnyttjande 24 Geologiska råvaror 527

24.1 Råvaror till allt från broar till tandkräm 528 24.2 Energiråvaror 534 24.3 Grundvatten 550 Vad händer när råvaran sinar? 558

I n ne h å l l

25 Hur länge räcker metallerna och gruset? 561

25.1 Nyttiga metaller 562 25.2 Storstadsregionens guldgruvor: stenbrotten 571 26 Exempel på geologiska grundorsaker till problem vid byggande i mark 577

26.1 Anläggningar i berg och jord 578 26.2 Mark med risker 583 Mineral och mikroorganismer 598 27 Odlingslandskapet 601

27.1 27.2 27.3 27.4 27.5

Från naturlandskap till kulturlandskap 602 Utdikning och torrläggning av våtmarker 604 Täckdikning i Sverige 608 Markförsurning och övergödning 608 Landskapets geologiska mångfald 610

Appendix I 613 Appendix II 615 Appendix III 617 Bildkällor 619 Ordlista 621 Sakregister 659 Färgbilaga 669

Hydrosfären

3.1 Vattnets kretslopp 3.1.1 Avdunstning 3.1.2 Nederbörd 3.1.3 Ytavrinning 3.1.4 Infiltration 3.1.5 Vattenbalans 3.2 Vattnet på kontinenterna 3.2.1 Ytvatten 3.2.2 Grundvatten 3.3 Vattnet i oceanerna 3.3.1 Salinitet 3.3.2 Temperatur 3.3.3 Densitet 3.3.4 Termohalin cirkulation 3.3.5 Havsströmmar 3.4 Havsnivåförändringar 3.4.1 Orsaker till havsnivåförändringar 3.4.2 Effekter av havsnivåförändringar 3.4.3 Havsnivåförändringar i fanerozoisk tid Jorden kallas ibland för den blå planeten eftersom den från rymden ger ett blåaktigt intryck, vilket beror på att oceanerna tillsammans täcker större delen av jordytan (ca 71 %). Jordens totala vattenförråd uppgår till ca 1,5 miljarder km3, och ungefär 97 % av detta vatten utgörs av saltvatten i oceanerna. Drygt 2 % förekommer som is i form av glaciärer och mindre än 1 % av allt vatten på Jorden befinner sig på kontinenterna i form av sötvatten i flytande form, som ytvatten eller grundvatten (figur 3.1). Således är det en ytterst liten andel av Jordens totala vattenförråd som är användbar och tillgänglig för människans vattenförsörjning. Det vatten som finns i atmosfären i form av vattenånga utgör tillsammans med vatten bundet i levande organismer inte mer än någon tusendels procent © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

Figur 3.1 När den totala volymen vatten på Jorden (största klotet) och volymerna av kontinenternas vatten i fryst (mellersta klotet) respektive flytande form (minsta klotet) jämförs med jordklotets storlek blir det tydligt hur lite vatten som är tillgängligt för människans vattenförsörjning.

De l I D e n l e va n d e p l ane t en

av Jordens vatten. I detta kapitel ska vi inledningsvis bekanta oss med hur vattnet på Jorden cirkulerar i ett ständigt kretslopp och de processer som medverkar därtill. Därefter tittar vi närmare på hur det vatten som finns på kontinenterna är fördelat såväl över som under jordytan. Avslutningsvis riktar vi vårt intresse mot oceanerna och de processer som reglerar havsvattnets rörelser i tid och rum.

3.1 Vattnets kretslopp

Figur 3.2 Generaliserad bild av vattnets kretslopp med reservoarer, flöden och processer.

Vattnet på Jorden är fördelat på ett antal reservoarer av olika storlek: oceanerna, glaciärerna, sjöarna och vattendragen, grundvattnet, de levande organismerna och atmosfären. Vatten transporteras oupphörligen mellan dessa reservoarer i ett globalt system kallat vattnets kretslopp (eller den hydrologiska cykeln, som visas i figur 3.2). Drivkraften i detta kretslopp är den solenergi som ständigt flödar mot Jorden. Eftersom vattnet uppehåller sig

nederbörd avdunstning ytavrinning källa

markvattenzon brunn markvatteninfiltration utströmning

grundvattenzon

zon

ogenomsläpplig berggrund med vattenfyllda sprickor

3 H ydr osfären 53

i både biologiska och icke-biologiska reservoarer utgör vattnets kretslopp ett s.k. biogeokemiskt kretslopp, ett av de viktigaste på Jorden. Vattnets kretslopp är en förutsättning för många viktiga vittrings- och erosionsprocesser och därför av avgörande betydelse för jordskorpans utformning. De processer som orsakar vatten utbytet mellan de olika reservoarerna i kretsloppet är avdunstning, nederbörd, ytavrinning och infiltration. 3.1.1 AVDUNSTNING

Solens strålar värmer vatten vid jordytan, och pga. de därmed ökade molekylrörelserna kan vatten frigöras och bilda vattenånga. Ju högre temperatur som råder vid jordytan, desto effektivare är avdunstningen. Den största avdunstningen sker från öppna vatten ytor såsom hav, sjöar och vattendrag, men processen är även viktig i landområden med hög vattenhalt i markytan, t.ex. i våtmarker. Denna typ av avdunstning, som sker från vatten- eller markytor, kallas även evaporation. Betydande mängder vatten avdunstar också från den landvegetation som täcker stora delar av jordytan (och i viss mån även från de djur som lever där). Detta är vatten som växterna har tagit upp ur marken med sina rötter och sedan transporterat upp till bladen där det avges till atmosfären genom klyvöppningarna. Denna typ av avdunstning kallas transpiration. Den totala avdunstningen, dvs. summan av evaporation och transpiration, benämns evapotranspiration. Hur mycket vatten som avdunstar från ett område bestäms både av temperaturen och tillgången på vatten. För en öppen vattenyta är dock vattentillgången obegränsad, och därför bestäms avdunstningen (evaporationen) i detta fall endast av ytvattentemperaturen. Den aktuella avdunstningen från en vattenyta är följaktligen identisk med den största möjliga avdunstningen vid en viss temperatur, även kallad den potentiella evaporationen. På grund av skillnader i mängden inkommande solstrålning är den potentiella evaporationen högre vid ekvatorn än vid polerna. Avdunstningen från en markyta är vanligen betydligt mindre än den potentiella evaporationen pga. begränsad vattentillgång. Den ringa vattentillgången kan orsakas av otillräcklig nederbörd (i ökenområden) eller av att en betydande del av nederbördsvattnet sipprar ned i marken. Det är främst i områdena kring ekvatorn, där temperaturen är hög och nederbörden riklig, som den aktuella avdunstningen närmar sig den potentiella evaporationen. © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

De l I D e n l e va n d e p l ane t en

3.1.2 NEDERBÖRD

Den vattenånga som bildas genom avdunstning vid jordytan blandar sig med ovanliggande luft och stiger därefter genom atmosfären. Därigenom kyls luften successivt av, och då temperaturen når daggpunkten, dvs. den temperatur då luftfuktigheten uppnår 100 %, kondenserar vattenångan till vattendroppar och bildar moln. Beroende på molntemperaturen förblir vattnet i flytande form eller bildar iskristaller. Efter hand växer vattendropparna eller iskristallerna till sig och faller slutligen som nederbörd i form av regn eller snö. Omkring tre fjärdedelar av den nederbörd som når jordytan faller direkt över haven, varifrån vattnet återigen kan avdunsta till atmosfären. Resterande nederbörd faller över kontinenterna, och detta vatten kan därför fullgöra ett helt varv i den hydrologiska cykeln. 3.1.3 Y TAVRINNING

Om den nederbörd som faller över ett markområde är större än summan av den mängd vatten som avdunstar respektive sipprar ned i marken uppstår vad vi kallar ytavrinning. Denna utgörs således av det vatten som rinner på markytan i form av vattendrag av olika storlek, allt från små rännilar till stora floder. Många vatten drag är förbundna med sjöar, vilka kan betraktas som magasin för ytvattnet där vattnet tillfälligt bromsas upp i sin färd mot havet. Beroende på var nederbörden faller på Jorden kan transporten till havet ta väldigt olika lång tid. Till varje vattendrag (och sjö) hör ett avrinningsområde, vilket är det område varifrån ytvatten tillförs vattendraget. Ett avrinningsområde begränsas av en vattendelare, dvs. den tänkta linje på marken som förbinder alla punkter med maximalt höjdläge mellan två angränsande vattendrag. Man kan definiera avrinningsområden för såväl hela flodsystem som enskilda sjöar eller bäckar som ingår i ett större system. Amazonfloden har t.ex. ett avrinningsområde som omfattar stora delar av den syda merikanska kontinenten, medan Häckebergasjön har ett avrinningsområde som omfattar några kvadratkilometer i sydvästra Skåne. 3.1.4 INFILTRATION

Det nederbördsvatten som inte avdunstar eller rinner av på mark ytan sipprar ned genom marken och bildar grundvatten. Man säger att vattnet infiltrerar. Infiltration kräver att det finns luftfyllda © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

3 H ydr osfären 55

hålrum mellan de partiklar som bygger upp jordlagren. Storleken på dessa porer är vanligen mikroskopisk, men i grövre jordarter som grus är de fullt synliga för blotta ögat. Just på grund av sina stora porer har grovkorniga jordarter lätt för att släppa igenom vatten, vilket också innebär att de kan magasinera stora mängder grundvatten. Även berggrunden är normalt genomsläpplig för vatten, men där sker vattentransporten oftast i sprickor. Hur mycket vatten som kan infiltrera inom ett markområde bestäms bl.a. av vegetationen, markytans lutning, jordartens partikelstorlek och packningsgrad, och berggrundens sprickighet. Det vatten som infiltrerar och bildar grundvatten kan uppehålla sig kortare eller längre tid i marken, men förr eller senare tränger det ut direkt i sjöar och vattendrag eller i havet. Ibland når det även markytan som källor. 3.1.5 VAT TENBALANS

För vattnets kretslopp råder globalt sett en balans som kan uttryckas på följande sätt: nederbörd = avdunstning + lagring + avrinning Observera att avrinning här avser såväl ytavrinning som grundvattentransport. Lagring kan ske i kretsloppets alla reservoarer, och denna term kan vara både positiv och negativ på kort sikt, dvs. vattenreservoarerna kan både fyllas på och tappas av. På längre sikt, om man ser till de årliga genomsnittsförhållandena över en följd av år, kan lagringstermen försummas eftersom det globala systemet är slutet (nederbörd = avdunstning + avrinning). Om man i stället studerar vattenbalansen inom ett begränsat markområde, lämpligen ett avrinningsområde, kan den långsiktiga vattenlagringen, främst i grundvattenmagasinet, förändras (och vara positiv eller negativ). Genom att i fält mäta de parametrar som ingår i den hydrologiska ekvationen kan man upprätta en vattenbudget för ett specifikt avrinningsområde. En vattenbudget kan vara ett viktigt beslutsunderlag, t.ex. vid lokalisering av vatten täkter och avfallsdeponier. 3.2 Vattnet på kontinenterna Det nederbördsvatten som faller över kontinenterna kan uppehålla sig där i form av is i glaciärer, som ytvatten i sjöar och vattendrag, som grundvatten i marken, och i de levande organismernas celler, © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

De l I D e n l e va n d e p l ane t en

innan det slutligen når oceanerna eller avdunstar till atmosfären. Glaciärerna utgör tillsammans den största kontinentala vattenreservoaren, med omkring tre fjärdedelar av allt sötvatten. 97 % av den resterande fjärdedelen utgörs av grundvatten. Hur mycket vatten som lagras i glaciärer bestäms av klimatet, något som beskrivs närmare i avsnitt 6.1.2. Dessutom har den globala isvolymen inverkan på världshavets nivå, vilket diskuteras i avsnitt 3.4.1. 3.2.1 Y T VAT TEN

Även om alla Jordens sjöar och vattendrag innehåller en relativt liten andel av den totala mängden sötvatten (ca 1,5 %), transporterar dessa vattendrag ansenliga mängder vatten. Vattenföringen, dvs. den volym vatten som flyter genom ett vattendrag per tidsenhet, bestäms framförallt av avrinningsområdets storlek, men avdunstning och infiltration kan också ha stor betydelse. Som exempel kan nämnas att Amazonfloden, världens största flod, har en medel vattenföring vid mynningen i Atlanten på ca 220 000 m3/s. Det motsvarar drygt 11 % av avrinningen i alla Jordens floder. 3.2.2 GRUNDVAT TEN

Som redan nämnts, utgörs den helt dominerande volymen av vatten i flytande form på kontinenterna av grundvatten, och det är främst detta vatten vi människor är beroende av för vår överlevnad. Grundvattenbildning sker genom infiltration. Den vattenhållande delen av marken brukar delas in i en övre, omättad markvattenzon och en nedre, mättad grundvattenzon (figur 3.2). I markvattenzonen är inte alla porer vattenfyllda, och det infiltrerande vattnet rör sig i huvudsak nedåt. I grundvattenzonen rör sig vattnet mer horisontellt och efter topografin för att så småningom tränga ut i bottnen av något vattendrag eller vid markytan i ett kärr eller som en källa. Gränsen mellan markvattenzonen och grundvattenzonen benämns grundvattenyta och är identisk med den nivå vid vilken vattenytan i en brunn ställer in sig. I torra klimat avviker mark- och grundvattnets rörelse från det ovan beskrivna och kan, åtminstone under delar av året och i vissa områden, vara uppåtriktad. Grundvattenflöden är i jämförelse med ytvattenflöden mycket långsamma och varierar från någon meter per dygn till några meter per år beroende på jordart. Detta innebär att grundvatten kan uppehålla sig mycket långa perioder i marken, och i vissa områden © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

3 H ydr osfären 57

kan man påträffa grundvatten som är många tusen år gammalt, t.ex. i Saharaöknen. Grundvattenbildningen är mest effektiv i områden med god genomsläpplighet, t.ex. där markytan utgörs av grus och sand. Finkorniga jordarter som lera är relativt täta och därför är grundvattenbildningen i leriga områden liten. I stället avrinner huvuddelen av nederbördsvattnet vid markytan. För att ett markområde ska vara lämpligt som grundvattentäkt krävs förutom goda infiltrationsförhållanden att det på djupet finns en stor och sammanhängande geologisk enhet med stora porer som kan magasinera vattnet. En sådan enhet kallas akvifer och kan utgöras av en grusavlagring eller en porös bergart, t.ex. en sandsten (porakvifer) eller sprickrik berggrund (sprickakvifer). I Sverige är det vanligt att större grundvattentäkter lokaliseras till stora isälvsavlagringar, t.ex. rullstensåsar, som ofta har god infiltrations- och magasineringskapacitet. Sveriges grundvattentillgångar beskrivs närmare i avsnitt 24.3.1. 3.3 Vattnet i oceanerna Världshavet utgör den ojämförligt största reservoaren i vattnets kretslopp. Haven är betydelsefulla av flera andra skäl. Bl.a. är det havsströmmar som, tillsammans med cirkulationen i atmosfären, gör att Jordens temperatur utjämnas mellan ekvatorn och polerna. Vattnets goda värmelagringsförmåga medför också att klimatet i kustområden (maritimt klimat) kännetecknas av mindre säsongsvariationer i temperatur än områden längre in på kontinenterna. Dessutom är produktiviteten i marina ekosystem av samma storleksordning som den på land, och haven har även en viktig roll i det globala kolets kretslopp (avsnitt 5.1). 3.3.1 SALINITET

Havsvatten är salt därför att vittringen på kontinenterna producerar vattenlösliga salter som förs ut till haven med floderna. Dessa salter lämnas sedan kvar när vatten avdunstar från havsytan. Saltet i oceanerna utgörs huvudsakligen av fem olika salter varav natriumk lorid är det vanligaste, och i genomsnitt är salthalten, eller saliniteten, 35 ‰. Detta värde är relativt konstant, vilket betyder att salttillförseln till haven balanseras av en lika stor förlust till följd av sedimentation och tektoniska processer. Det finns dock © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

De l I D e n l e va n d e p l ane t en

påtagliga regionala skillnader i salthalt. Högst salinitet påträffas i mer eller mindre avsnörda havsområden med hög avdunstning och svag cirkulation, t.ex. i Röda havet (ca 40 ‰). Låg salinitet förekommer nära polerna där smältande glaciärer tillför mycket sötvatten och längs kuster i nederbördsrika områden, t.ex. i Östersjön. Dessa regionala skillnader gäller främst havens ytnära skikt. Under 1 km djup är saliniteten globalt sett relativt enhetlig och omkring 35 ‰. Där ovanför finns ett språngskikt där saliniteten förändras relativt markant med ökat djup, den s.k. haloklinen. Denna är vanligen belägen på några hundra meters djup. 3.3.2 TEMPERATUR

Havsvattnets årsmedeltemperatur vid ytan varierar regionalt beroende på breddgrad och förekomsten av utjämnande havsströmmar. Till detta kommer säsongsvariationer, men pga. vattnets goda värmelagringsförmåga är dessa relativt små. Havsvattnets temperatur minskar med ökat djup, vilket primärt beror på att solstrålarna har begränsad förmåga att tränga ned, men denna effekt förstärks av att varmt vatten har lägre densitet än kallt vatten och därför tenderar att stanna kvar vid ytan. Detta resulterar i ett språngskikt där temperaturen snabbt minskar med ökat djup, den s.k. termoklinen. Dess djup varierar i olika delar av världshavet. 3.3.3 DENSITET

Såväl salinitet som temperatur påverkar havsvattnets densitet. Ökad salthalt medför entydigt högre densitet. Temperaturens inverkan på densiteten är däremot mer komplicerad. I princip ökar densiteten med minskad temperatur, men maximal densitet för sötvatten förekommer vid ca +4 °C eftersom begynnande isbildning vid lägre temperatur medför ökat avstånd mellan vattenmolekylerna. Med ökad salthalt förskjuts dock detta densitetsmaximum mot lägre temperaturer, och när saliniteten överstiger ca 25 ‰ är den temperatur där vattnet uppnår maximal densitet lägre än vattnets fryspunkt. Således gäller för de flesta havsområden att densiteten ökar vid avkylning ner till fryspunkten, som för normalt havs vatten (35 ‰) ligger vid ca −2 °C. Densitetsskillnaderna i havet är relativt små, men de har stor betydelse för den vertikala vatten omsättningen. I stora delar av världshavet är vattnet stabilt skiktat med vatten av låg densitet ovanpå vatten med högre densitet. © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

3 H ydr osfären 59

I gränsen mellan dessa vattenmassor uppstår då en s.k. pyknoklin, dvs. ett språngskikt med en markerad densitetsgradient. 3.3.4 TERMOHALIN CIRKULATION

Regionalt kan olika processer motverka uppkomsten av stabil, vertikal skiktning av havsvattnet. Både avdunstning och frysning av ytvatten leder till ökad salinitet, och därmed ökad densitet, i ytvattnet. Detta vatten kan då få en högre densitet än under liggande vatten och börja sjunka. En liknande effekt uppstår då havsströmmar transporterar varmt ytvatten från tropikerna mot polerna. Det från början relativt salta vattnet kyls då successivt av och får därigenom högre densitet och börjar sjunka. Detta är precis vad som sker i Nordatlanten, men avdunstning och havsisbildning i samma område bidrar också till ökad salinitet och därmed högre densitet hos ytvattnet. Det sjunkande vattnet bildar s.k. bottenvatten, och detta transporteras vid havsbottnen till Jordens alla hav där det pga. att det späds ut långsamt kan tränga upp till ytan igen. Med ythavsströmmarnas hjälp återvänder vattnet slutligen till sjunkområdet i Nordatlanten och cirkeln är sluten. Ett annat viktigt område med djupvattenbildning är beläget vid Antarktis, och dessa båda områden kan betraktas som ”pumpar” i det globala cirkulationssystem som kallas den termohalina cirkulationen och drivs av havsvattnets vertikala densitetsskillnader. Djupvattenbildningen utanför Antarktis skiljer sig dock från den i Nordatlanten genom att den enbart är beroende av ökad salinitet till följd av havsisbildning. Den termohalina cirkulationen är av avgörande betydelse för klimatet i vissa regioner. Detta gäller bl.a. nordvästra Europa, vars jämförelsevis milda klimat orsakas av den tillförsel av varmt ytvatten från tropikerna som sker med Golfströmmen och Nordatlantiska strömmen (figur 3.3). Eftersom den vertikala densitetsgradienten i områdena med djupvattenbildning är känslig för förändringar i temperatur och salthalt kan ”pumparnas” effektivitet och läge förändras. Studier av sediment från bottnen av Nordatlanten visar att djupvattenbildningen i detta område har genomgått relativt omfattande och snabba förändringar under de senaste årmiljonerna med stora konsekvenser för klimatet. 3.3.5 HAVSSTRÖMMAR

Den termohalina cirkulationen bidrar till att forma det globala systemet av ythavsströmmar (figur 3.3), men detta bestäms även av © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

De l I D e n l e va n d e p l ane t en

Figur 3.3 De viktigaste ythavsströmmarna. Varma strömmar är markerade i vitt och kalla strömmar i svart. A Alaskaströmmen. B Brasilianska strömmen. BE Benguelaströmmen. C Californiaströmmen. G Golfströmmen. K Kanarieströmmen. LA Labradorströmmen. NA Nordatlantiska strömmen. NE Norra ekvatorialströmmen. NS Norra stillahavsdriften P Peruströmmen. SE Södra ekvatorialströmmen. VA Västaustraliska strömmen. VV Västvinddriften ÖA Östaustraliska strömmen. ÖG Östgrönländska strömmen.

regionala vindmönster, Jordens rotation (genom corioliseffekten), lufttrycksvariationer samt kustlinjernas och havsbassängernas utformning. Resultatet är en strömcirkulation som är mer eller mindre begränsad till respektive sida om ekvatorn. Pga. coriolis effekten är cirkulationen medurs på norra halvklotet och moturs på södra halvklotet. Detta innebär att varmt ytvatten från tropikerna koncentreras längs de kontinenter som begränsar oceanerna i väster, medan kalla havsströmmar från polarområdena påverkar kusterna i östra delarna av oceanerna. Pga. de östliga vindar inifrån kontinenterna som dominerar i många av dessa östligt belägna oceanområden tvingas det kustnära ytvattnet västerut och därmed ut från kusten, vilket resulterar i att kallt bottenvatten stiger upp närmast kusten. Denna s.k. uppvällning av, ofta näringsrikt, polarvatten ger upphov till hög marin produktivitet och är en förutsättning för det rika fisket i dessa havsområden. I Stilla havet inträffar mer eller mindre regelbundet (med 2–7 års mellanrum) en störning av oceancirkulationen som medför att de västriktade strömmarna kring ekvatorn ersätts av östriktade strömmar och att uppvällningen vid norra Sydamerikas kust försvagas eller upphör helt. Denna störning, som kallas El Niño efter det spanska namnet på jesusbarnet (störningen infaller oftast kring

ÖG

kall ström varm ström

C NS

G K

ÖA

SE VA

B BE

3 H ydr osfären 61

jultid), omfattar även atmosfärscirkulationen i regionen. Passad vindarna ersätts av västliga vindar, vilket medför att de normalt mycket torra kustområdena i Peru och Ecuador får kraftiga regn medan landområdena kring västra delen av Stilla havet (framför allt Indonesien och norra Australien) drabbas av torka. Orsakerna till denna omkastning av ocean- och atmosfärscirkulationen i Stillahavsområdet är inte fullständigt kända, men den förefaller att vara en naturlig klimatfluktuation som har existerat i tusentals år. El Niño har stora konsekvenser för människorna i regionen Under år med stark El Niño drabbas kustområdena i Peru och Ecuador av översvämningar och markerosion, och fisket i havet utanför kusten försämras pga. den minskade uppvällningen. Samtidigt medför den svåra torkan i Indonesien och Australien ökad risk för skogsbränder. På grund av plattektoniska processer har havsbassängerna inte alltid haft samma utformning som i dag, vilket innebär att oceanernas cirkulationsmönster har sett annorlunda ut i andra tider. Eftersom havsströmmarna är så betydelsefulla för temperaturutjämningen mellan ekvatorn och polerna, är förekomsten av havsbassänger med stor nord–sydlig utsträckning avgörande för Jordens klimat. Sådana bassänger har tidvis varit mindre utvecklade än i dag, vilket kan hjälpa till att förklara en del storskaliga klimatvariationer under Jordens historia. Det globala klimatet påverkas även av hur väl förbundna olika havsbassänger är med varandra. T.ex. anses uppkomsten av ett sammanhängande hav norr om Antarktis och stängningen av Panamasundet mellan Stilla havet och Atlanten ha skapat förutsättningar för det kalla klimatet med nedisningar som har präglat kvartärtiden. 3.4 Havsnivåförändringar Världens oceaner är dynamiska miljöer i ständig rörelse och förändring. Plattprocesserna ändrar förutsättningarna för oceanernas horisontella cirkulation genom att öppna eller stänga passager mellan kontinenter, och de påverkar också havsvattnets kemiska sammansättning genom ändrade vittringsförhållanden. Ytterligare en oceanografisk aspekt av mycket stor betydelse är havsytans nivåförändringar. Dessa kan delvis förklaras av att vatten fördelas om mellan de olika reservoarerna i vattnets kretslopp, men de har även andra orsaker. Havsytan utgör kontinenternas erosionsbas – den nivå till vilken vattendragens erosion kan verka. Havsytans läge © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

De l I D e n l e va n d e p l ane t en

bestämmer därigenom reliefen i Jordens kustområden och därmed även i stor utsträckning hur mycket sediment som transporteras till kontinenternas shelfområden. För att skapa sig en bild av pågående nivåförändringar mäter man i dag havsnivån regelbundet på hundratals platser runt Jorden, men de mätstationerna har bara existerat sedan mitten av 1900-talet. Baserat på dessa mätstationer kan man konstatera att den globala havsnivån för närvarande stiger med ca 3 mm per år. Att dokumentera havsnivåförändringar som skett tidigare i Jordens historia är däremot mycket svårt och kräver noggranna undersökningar där man normalt integrerar sedimentologiska och paleontologiska analysmetoder. Havsnivåförändringar kan även studeras genom analys av förhållandet mellan syrets stabila isotoper i sediment från djuphaven, vilket beskrivs i avsnitt 6.2.2. Studiet av havsnivåförändringar revolutionerades under 1980- och 90-talen då sekvensstratigrafi slog igenom som stratigrafisk princip, en metod som utvecklades inom petroleumindustrin under 1970-talet (avsnitt 7.1.2). 3.4.1 ORSAKER TILL HAVSNIVÅFÖRÄNDRINGAR

Den eustatiska (absoluta) havsnivån är den globala havsnivån. Den definieras som avståndet mellan havsytan och en fixerad punkt i Jordens inre. En eustatisk havsnivåförändring innebär att den globala havsnivån antingen stiger (transgression) eller sjunker (regression). Det finns två huvudsakliga orsaker till eustatiska havsnivåförändringar. Den första är att volymen havsvatten förändras. Det mest effektiva sättet är att glaciärer och inlandsisar byggs upp och smälter (glacio-eustasi). Beräkningar visar att en total avsmältning av dagens istäcken i Arktis och Antarktis skulle höja den globala havsnivån med ca 70 meter, vilket skulle leda till en minskning av Jordens landyta med omkring 20 %. Glacio-eustatiska havsnivåförändringar är utan jämförelse den typ av eustatiska förändringar som sker snabbast. Under avsmältningsfasen i holocen steg den globala havsnivån med så mycket som 20 meter per tusen år, och de glacio-eustatiska havsnivåförändringarna i samband med de kvartära växlingarna mellan istider och mellanistider motsvarar 120–140 meter. Havsvattnets volym kan även förändras pga. termal expansion eller kontraktion till följd av globala klimatförändringar. En höjning av den globala temperaturen i oceanerna leder till att vattenvolymen ökar och därför stiger över landområden. © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

3 H ydr osfären 63

Havsnivåförändringar orsakade av ökad eller minskad temperatur sker vanligen relativt långsamt och är därför oftast små jämfört med de glacio-eustatiska. Den snabba temperaturökning som sker för närvarande medför dock att termal expansion står för nästan hälften av den pågående höjningen av den globala havsnivån. Den andra orsaken till eustatiska havsnivåförändringar är att oceanbassängernas volym och form kan ändras med tiden. Det sker genom storskaliga tektoniska förlopp som oceanbottenspridning (tektono-eustasi). De oceaniska spridningsryggarna är stora strukturer där nybildning av oceanskorpa sker. Ryggarnas bredd varierar mellan 500 och 4 000 km, och de når lokalt mer än 3 000 m över omgivande djuphavsslätter. Ökad oceanbottenspridning leder till att varm magma stiger uppåt och pressar upp litosfären längs de oceaniska spridningsryggarna. På så vis minskar oceanbassängernas volym och havsnivån stiger. Omvänt sjunker de oceaniska spridningsryggarna nedåt då oceanbottenspridningen minskar eller upphör. Det leder till att oceanbassängernas volym ökar och havsnivån sjunker. Ytterligare en mekanism som kan orsaka eustatiska förändringar är att större bassängområden dunstar in. Den isostatiska (relativa) havsnivån är en lokal till regional havsnivå. Den definieras som avståndet mellan havsytan och en lokalt bestämd nivå. Relativa havsnivåförändringar beskriver därför förändringar i vattendjup beroende på att jordskorpan lokalt eller regionalt antingen sänks eller höjs. Det kan ske genom tektoniska processer, men regionala förändringar i jordskorpans vertikala läge kan även orsakas av att inlandsisar växer och smälter och därpå följande nedpressning och hävning (glacio-isostasi). Resultatet av den mycket snabba landhöjning som följt på avsmältningen av den senaste inlandsisen i Skandinavien syns tydligt i Bottenviken där många hamnar har förlorat sin tidigare betydelse för att de har blivit grundare. 3.4.2 EFFEK TER AV HAVSNIVÅFÖRÄNDRINGAR

Havsnivåförändringar bidrar till att kustlinjer förskjuts utåt havet vid regressioner och in över tidigare landområden under transgressioner. Havsnivåförändringar har därför en central roll i skapandet av den rent fysiska utformningen av kustområden och deltan. De styr även sedimentationen och olika sedimenttypers utbredning och fördelning på shelferna. En sänkning av havsytan kan resultera i erosion av tidigare avsatta sediment och orsaka luckor i © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

De l I D e n l e va n d e p l ane t en

lagerföljden. Förändringar i havsytans nivå kan även snöra av och isolera stora havsområden eller skapa förbindelser mellan oceaner. Ett resultat av havsnivåförändringar är sedimentcykler inom vilka marina sediment indikerar antingen en generell uppgrundning (regression) av avlagringsmiljön eller en fördjupning (transgression) av avlagringsmiljön. Då lerstenar bildade i shelfmiljö påträffas ovanpå sandstenar avsatta i vattendrag på kontinenterna kan man t.ex. utgå från att de senare avlagrades under en transgression. Studiet av nutida och, inte minst, tidigare havsnivåförändringar försvåras av att isostatiska och eustatiska havsnivåförändringar sker samtidigt. Havsnivåförändringar har även betydelse för ekosystemen och klimatet. I samband med transgressioner kommer t.ex. nya kontinentområden under inverkan av havsvattnets goda värmelagringsförmåga, vilket medför ett klimat med mindre säsongsvariationer i temperatur. Om större områden inne på kontinenterna läggs under vatten pga. en havsnivåhöjning, leder detta normalt till att klimatet blir betydligt mildare i dessa och angränsande områden. Detta bidrog troligen till det varma klimatet över stora delar av Jorden under krita. 3.4.3 HAVSNIVÅFÖRÄNDRINGAR I FANEROZOISK TID

Den nutida havsnivån är främst resultatet av den havsnivåhöjning och landhöjning som ägt rum sedan den senaste inlandsisens maximala utbredning för ca 21 000 år sedan. Ändå är dagens havsnivå låg jämfört med det normala under fanerozoisk tid. Om man bortser från kortvariga nivåvariationer relaterade till de kvartära nedisningarna, var det endast kring slutet av perm som den globala havsnivån var lika låg som i dag. Som motsatsförhållande kan nämnas att under perioderna ordovicium och krita stod den globala havsnivån ovanligt högt, och den totala landytan som blottades ovanför havet var därför liten. De höga havsnivåerna under krita orsakades av intensiv oceanbottenspridning då Atlanten bildades. På grund av att spridningshastigheten har avtagit sedan krita räknar man med att den globala havsnivån har sjunkit med 100 ± 50 meter.

3 H ydr osfären 65

Sammanfattning • Vattnet på Jorden cirkulerar i ett ständigt kretslopp mellan

olika reservoarer (oceanerna, glaciärerna, sjöarna och vattendragen, grundvattnet, de levande organismerna och atmosfären). De processer som tillsammans skapar vattnets kretslopp är avdunstning, nederbörd, ytavrinning och infiltration. • Merparten av vattnet på Jorden finns i haven, och havsvattnet och dess cirkulation har stor betydelse för det lokala och globala klimatet. • Havsnivåförändringar uppstår av flera olika orsaker och sker över såväl korta som långa tidsperioder (tiotals till miljontals år). De påverkar bl.a. den fysiska utformningen av kontinenternas randområden samt det lokala och globala klimatet.

SA M M A N FAT T N I N G K A PI T E L 3 ÖV N I N G A R K A PI T E L 3

Boken är skriven av ett team av lärare och forskare vid Geologiska institutionen, Lunds universitet. I sin forskning är de specialister inom olika geovetenskapliga ämnen, som lärare har de stor vana att samverka i institutionens olika grund kurser. Revisionen av första upplagan av Geobiosfären omfattar en uppdatering och utökning, dels av bokens baskunskaper om material och processer, dels ifråga om händelser som inträffat sedan 2006 och som påverkat livsmiljö och samhälls utveckling. Samtidigt kompletteras pappersboken med en komplett digital version.

Geobiosfären Bokens första del om Den levande planeten rekonstruerar hur Jorden och förut sättningar för liv uppkom. Geobiosfären kallas samspelet mellan Jordens yttre sfärer, litosfären, hydrosfären, atmosfären och biosfären, som kan avspeglas i global klimatförändring såväl som lokal algblomning. Plattornas rörelser reglerar lång siktigt livsmiljön på jordytan men orsakar även plötsliga vulkanutbrott, jordskalv, tsunami. Livets utveckling beskrivs, liksom dess motgångar: massutdöenden. Tiden är en viktig dimension; dateringmetoder lämpade för olika material från äldsta urberg till stockar i fäbodstugor beskrivs. I Geobiosfärens processer och produkter lär vi basfakta om mineral, bergarter, malmer och sediment; om bergets omvandling, deformation och vittring; kunskaper vi sedan tillämpar under en resa från bergs toppar till djuphavsbottnar i delen Landskapets processer och produkter. Kapitel om inlandsisens landskap, sjöar och torvmarker följs upp i delen om Sveriges geologi med rekonstruktioner av senaste istidsscykeln, Östersjöns utveckling samt florans och faunans invandring. Delen inleds med vår variationsrika berggrund, dess ytformer, angränsande havsbottnar samt, ur ett EUperspektiv, viktiga malmer. I Jordens resurser och deras utnyttjande diskuteras bl.a. global försörjning med energiråvaror och metaller respektive regional försörjning med grus. Vilka krav ställs på stenen i berget där vårt kärnavfall skall förvaras i 100 000 år eller på fasadstenen på Nordens kulturhus? Andra kapitel belyser geologiska grundorsaker till problem vid byggande i mark samt odlingslandskapets framväxt och förändring. Boken är skriven för grundkurser i geovetenskapliga ämnen men även för studenter eller yrkesverksamma inom miljöteknik, landskaps och byggplanering samt för lekmän, som vill skapa sig en egen uppfattning om orsaker till förändringar i markens, havens och atmosfärens tillstånd, naturliga eller orsakade av våra ingrepp. Den nya upplagan av Geobiosfären innebär en förstärkning av inlärningen i form av en interaktiv webbplats från vilken du kan läsa boken digitalt med möjlighet att markera och anteckna. Här finns även sammanfattningar, ordlista samt övningar och tester så att du kan kontrollera dina kunskaper. Instruktioner för hur du kommer åt det digitala materialet finns på pärmens insida. Art.nr 31854