Oceany uratują mieszkańców Ziemi przed suszą?

Zmęczeni podróżnicy od wieków z ulgą i radością wykrzykiwali „woda!”, gdy napotykali słodką wodę i mogli wreszcie ugasić pragnienie. Dostęp do wody pitnej stawał się szczególnie ważny na morzu, gdzie żeglarze otoczeni byli nieskończonymi zasobami niezdatnej do spożycia wody słonej. Nie znano wtedy zaawansowanych metod jej odsalania. Nikomu się również nie śniło, że głęboko pod dnem oceanów skrywają się ogromne zasoby wody słodkiej.

Pierwsze sygnały

Już w XIX w. rybacy u wybrzeży Florydy donosili o „wzbijaniu” się wody słodkiej, która nagle pojawiała się na powierzchni oceanu. Według nich masy te pochodziły z głębin oceanicznych i wypływały na powierzchnię wskutek różnic we właściwościach fizycznych między wodą słodką a słoną (słodka jest mniej gęsta i naturalnie unosi się na zasolonej). Potem, w latach 60. ub.w., U.S. Geological Survey przeprowadziło serię pionowych wierceń u wybrzeży New Jersey, poszukując złóż piasku i innych zasobów. Ku swojemu zaskoczeniu pracownicy agencji natrafili na wodę słodką. Lata później badacze pobrali próbki z tego samego miejsca i przeanalizowali ich skład chemiczny, wykazując, że ciecz była mieszanką wody słodkiej i morskiej. W latach 90. naukowcy zaczęli mapować ten region za pomocą technologii wykorzystującej pole elektromagnetyczne, używanej wcześniej do wykrywania złóż ropy naftowej. Technologia ta umożliwia pomiar przewodnictwa elektrycznego dna morskiego. Ponieważ woda słodka słabiej przewodzi prąd niż słona, metoda ta świetnie nadaje się do poszukiwań złóż tej pierwszej. Oszacowano wówczas, że rezerwuar wody słodkiej u wybrzeży New Jersey rozciąga się na powierzchni ok. 50 km².

Zebranie funduszy na kolejne badania trwało ponad dekadę. W 2015 r. Rob L. Evans i Kerry Key na pokładzie R/V „Marcus G. Langseth” wyruszyli z Woods Hole Oceanographic Institution w Massachusetts w kierunku New Jersey. Na statku znajdował się nadajnik emitujący pole elektromagnetyczne, które penetrowało dno morskie. Odbiorniki, holowane za statkiem na długim kablu, rejestrowały wtórne sygnały zwrotne z płytkich warstw dna morskiego. Na dnie badanego obszaru umieszczono dodatkowe czujniki mające odbierać sygnały z głębszych poziomów. Zgromadzone dane i miesiące ich analiz pozwoliły na stworzenie szczegółowych obrazów dna morskiego, identyfikację położenia, pochodzenia i rozmiarów złóż wody słodkiej. W kolejnych latach podobne badania przeprowadzono u wybrzeży San Diego, Hawajów, Nowej Zelandii oraz Malty. Pozwoliły one oszacować całkowity rezerwuar słodkiej wody skrytej głęboko pod dnem morskim. Według naukowców wynosi on ok. 1 mln km³. Czy to dużo? Nowy Jork zużywa w przybliżeniu 1,4 km³ wody rocznie. Zatem zasoby te wystarczyłyby dla 8,5 mln nowojorczyków na nieco ponad 714 lat!

Szlaki wody słodkiej

Na lądzie wody podziemne są magazynowane pomiędzy warstwami skalnymi. Złoża te nazwano akwiferami. Niektóre akwifery są płytkie i mogą być uzupełniane przez opady deszczu. Inne są znacznie głębsze i zawierają wodę, która znajduje się tam od tysięcy lat i prawdopodobnie pochodzi z lodowców istniejących w tym miejscu podczas ostatniej epoki lodowcowej. U wybrzeży szelf kontynentalny może rozciągać się do ponad 300 km w głąb morza. Nie jest więc zaskoczeniem, że geologiczne warstwy tworzące akwifery na lądzie nie kończą się na linii brzegowej; często wchodzą w głąb jako część szelfu.

Woda słodka przedostaje się pod dno morskie na wiele sposobów, zależnie od geologicznej charakterystyki danego regionu, klimatu oraz procesów hydrologicznych. Jednym z głównych mechanizmów jest naturalny przepływ podziemny z lądu, gdzie woda deszczowa i topniejący śnieg infiltrują lokalne warstwy wodonośne, czyli właśnie akwifery. W przypadku warstw położonych blisko wybrzeży woda podziemna może naturalnie przemieszczać się w kierunku morza przez porowate i przepuszczalne warstwy skalne, a napędzają to różnice w poziomie wód gruntowych i gradient hydrauliczny. Co istotne, procesy erozyjne i inne zjawiska geologiczne mogą uczynić podłoże morskie równie porowatym i przepuszczalnym, co ułatwiałoby przesączanie się wody słodkiej w kierunku oceanu. Tak się nie dzieje w przypadku akwiferów, bo dodatkowe nieprzepuszczalne warstwy, takie jak glina czy ściśnięte osady, działają jak bariery zapobiegające mieszaniu się wody morskiej ze słodką i utrzymują je w określonych strukturach geologicznych.

Zmiany poziomu morza i okresy zlodowacenia również odegrały ważną rolę. W czasach, gdy poziom morza był znacznie niższy, obecne podmorskie tereny wchodziły w skład lądu. Woda deszczowa wsiąkała w ziemię, wypełniając porowate struktury skalne, dzisiaj znajdujące się pod dnem morskim. Po stopnieniu lodów i podniesieniu się poziomu morza te słodkowodne złoża zostały zatopione, ale zachowały się dzięki właśnie nieprzepuszczalnym warstwom.

Aktywność tektoniczna taka jak ruchy płyt tektonicznych również wpływa na przemieszczanie się wód podziemnych, tworząc nowe ścieżki dla wody słodkiej lub zmieniając istniejące, co może prowadzić do powstania nowych akwiferów podmorskich. W niektórych regionach geotermalna aktywność pod dnem morskim transportuje wodę słodką przez kominy hydrotermalne. Ciekawie również wygląda sytuacja w przypadku wysp wulkanicznych. Autorzy badania przeprowadzonego w 2018 r. u wybrzeży Hawajów z użyciem sprzętu bardzo podobnego do opisanego powyżej znaleźli wyraźne dowody na obecność warstw zawierających słodką wodę kilkaset metrów pod dnem morskim. W przeciwieństwie do New Jersey Hawaje zbudowane są ze skał wulkanicznych, które mają stosunkowo dużą przepuszczalność. Hipoteza zakłada, że podmorskie akwifery powstają tutaj dzięki znaczącemu napływowi wód podziemnych z lądu. Zaopatrzenie w wodę na Hawajach zależy od opadów, więc zrozumienie, jak woda ta może być tracona poprzez podziemne szlaki, jest ważne. Odkrycia te są szansą dla innych wysp wulkanicznych, które mogłyby skorzystać z podobnych metod w celu odkrycia i wykorzystania swoich podmorskich zasobów. Generalnie zrozumienie tych skomplikowanych i zróżnicowanych procesów jest niezwykle ważne na całym świecie nie tylko dla nauki, ale także właśnie dla zarządzania zasobami wodnymi i planowania ich zrównoważonego wykorzystania w przyszłości.

Wydobycie słodkiej wody

Zainteresowanie podmorskimi złożami słodkiej wody znacznie wzrosło w ostatnich latach, szczególnie w regionach, gdzie jej zasoby są ograniczone. Przed podjęciem decyzji o wykorzystaniu tych zasobów należy jednak oszacować, jakie problemy się z tym wiążą. Jeśli podmorska warstwa wodonośna otoczona jest przez osady i nie ma połączenia z żadnymi lądowymi strukturami przewodzącymi wodę, to gdy zaczniemy pobierać wodę słodką, do powstałej przestrzeni może napłynąć słona, mieszając się z pozostałą słodką. Co więcej, po wydobyciu wody słodkiej zasoby się nie odnowią.

Pompowanie wody z podmorskiej warstwy połączonej poprzez formację geologiczną z lądowym akwiferem również może być ryzykowne. Takie podmorskie złoże zostałoby przynajmniej lekko zasolone w trakcie tego procesu, co z kolei mogłoby zwiększyć zasolenie wody w lądowym akwiferze. Oprócz tego nadmierne pompowanie z zasobów przybrzeżnych mogłoby doprowadzić do wyczerpania dostarczających ich wód lądowych i doprowadzić do zapadania się terenu.

Jeszcze nikt nie opracował szczegółowo systemu do czerpania wody z podmorskich akwiferów. Ale Tor Bakken z norweskiego SINTEF Energy Research wraz z zespołem przedstawił koncepcję wzorowaną na technologiach wykorzystywanych w trakcie wierceń poprzedzających wydobycie ropy naftowej. Propozycja zakłada, że nad akwiferem słodkowodnym zakotwiczono by platformę wiertniczą lub barkę. Następnie inżynierowie przewierciliby zbiornik, a woda byłaby transportowana rurociągiem z dna morskiego do zakładu na brzegu, który zajmowałby się jej odsalaniem, prawdopodobnie z użyciem techniki odwróconej osmozy. Bakken ocenił, że koszty takiego przedsięwzięcia byłyby nieco niższe od kosztów odsalania wody morskiej, w zależności od stopnia zasolenia tej „słodkiej” wody. Odsalanie jako proces energochłonny byłoby jednak głównym etapem technologicznym generującym koszty znacznie przewyższające wydatki na wiercenie czy transport wody.

Ochrona zasobów wodnych

Niektóre regiony dotknięte niedoborem wody, w tym całe kraje, już teraz stosują odsalanie wody morskiej. Proces ten jest kosztowny i jeśli maszyny są zasilane paliwami kopalnymi, wiąże się z emisją gazów cieplarnianych. Zanim lokalne władze rozważą wiercenia w poszukiwaniu podmorskiej wody słodkiej, mogą przeanalizować zasadność wykorzystania wód gruntowych, które wcześniej zostały odrzucone ze względu na ich słonawość, bo mogą one się okazać mniej słone niż woda z podmorskiego złoża. San Diego i El Paso w Teksasie już teraz odsalają taką wodę gruntową.

Ochrona podmorskich zasobów wodnych jest równie ważna jak ich wykorzystanie. Wszystkie elementy ekosystemów lądowych i morskich na Ziemi są powiązane. Wody podziemne, przemieszczając się pod powierzchnią ziemi i morza, niosą składniki odżywcze i substancje chemiczne niezbędne dla delikatnych wspólnot morskich wzdłuż stoków kontynentalnych. Jeszcze nie potrafimy przewidzieć środowiskowych konsekwencji wykorzystania podmorskich wód gruntowych jako zasobu.