3.1.1 A Nap sugárzásának és a Föld orbitális paramétereinek megváltozása
Minthogy a földi energiakészlet forrása a Nap, így annak sugárzásváltozásai lényeges hatással bírnak a földi éghajlatra.
3.1. ábra: A besugárzást módosító csillagászati tényezők
45
A napsugárzás intenzitása és földrajzi eloszlása a Föld Nap körüli keringésével függ össze. A Föld ellipszispályáján egy év alatt járja körbe a Napot, de az évszakok a két féltekén nem egyenlő ideig tartanak: az északi félgömb nyári féléve öt nappal hosszabb, mint a délié. Ez az eltérés szintén nem állandó. A Föld pályaparamétereinek kicsi és lassú változása is vezethet klimatológiailag fontos évszakeltolódásokhoz az évezredek során. Éghajlati visszacsatolások erősíthetik ezeket a kis változásokat, s akár jégkorszakokat is eredményezhetnek. Ilyen paraméterek például a Nap körüli ellipszispálya lapultsága, a Föld forgástengelyének dőlésszöge, a forgási szögsebesség módosulása.
3.1.2 Önerősítő és öngyengítő visszacsatolások
A beérkező sugárzást különböző mértékben nyeli el a felszín. Ennek mértékét az albedó mutatja, amely a visszavert és a beérkező energia hányadosa, és értéke 0 és 1 közé esik. Az óceánfelszínek albedója kicsi (0,08-0,10), az óceánok hőkapacitása a szárazföldiekéhez képest nagy. Ezért az óceánok a Föld hőtározóinak szerepét töltik be.
A hóval borított felszín (0,42-0,85) és a tengeri jégfelszín (0,30-0,40) albedója viszonylag nagy. Ezek a felszínek visszaverik a napsugárzás nagy részét, így megakadályozzák, hogy a talaj felmelegedjen. Olvadáskor pedig tovább hűtik a környezetet.
A globális melegedés folyamatához számos visszacsatolási mechanizmus kapcsolható, melyek közül a három legfontosabb a hó-jég-albedó, a vízgőz és a felhő típusú visszacsatolási mechanizmusok. Közülük talán a legismertebb az önerősítő (pozitív) hó-jég-albedó visszacsatolási mechanizmus. Itt a globális melegedés következtében változik a Föld planetáris albedója. A hó és a jég mennyisége csökken a Földön, így bolygónk a világűr felé kevésbé reflektív, azaz kevesebb energiát ver vissza, viszont ennek következtében a légkör több sugárzási energiát képes elnyelni, s így melegebb lesz a légkör, amely a hó és jég mennyiségének további csökkenését eredményezi. Ez a körfolyamat a kiinduló melegedő hatást felerősíti, ezért nevezzük önerősítő visszacsatolási mechanizmusnak. Kis részecskék (ún. aeroszolok) légkörbe juttatása melegítő és hűtő hatással egyaránt járhat: a világos színű szulfát-aeroszolok a sugárzás nagyobb mértékű szórása miatt hűtő hatásúak, míg a sötét koromszemcsék a napsugárzás nagyobb mértékű elnyelése miatt melegítő hatásúak.
46
Földünk egységnyi felületére 342 W/m2 energiasűrűség érkezik a Napból napfény formájában. A napfény energiájának egy része (kb. 31%-a) visszaverődik az űrbe elsősorban a felhőkről és a levegőből, másik része (kb. 20%-a) elnyelődik a levegőben, a maradék (kb. 49%) energia eléri a Föld felszínét és elnyelődik benne. Az elnyelt energia a Föld felszínét bizonyos hőmérsékleten tartja, aminek következtében a Föld, mint adott hőmérsékletű szilárd test maga is elektromágneses sugárzást bocsát ki hősugárzás formájában.
A Föld felszínéről távozó hősugárzást a levegő bizonyos, általában nyomnyi mennyiségben lévő összetevői – a vízgőz, szén-dioxid, metán, dinitrogén-oxid, halogénezett szénhidrogének és az ózon – nagy (mintegy 90%-os) valószínűséggel elnyelik. Ezen összetevőket nagyon szemléletesen üvegházhatású gázoknak nevezzük.
A kisugárzott energia mintegy 62%-a térbeli okok miatt visszajut a Föld felszínére, és ott elnyelődik, míg a maradék kb. 38% (235 W/m2) az űrbe távozik. Az üvegházhatású gázok által elnyelt és visszajuttatott energia következtében a Föld felszínén a globális átlagos hőmérséklet +15 °C, szemben a -18 °C-kal, ami az említett gázok nélkül alakulna ki.
3.2. ábra: A sugárzási egyenleg
47 3.1.3 Vulkáni tevékenység
Vulkánkitörések alkalmával több ezer km3 mennyiségű anyag lökődik fel a légkörbe, melynek nagy része néhány napon belül leülepszik, vagy esőzések révén kimosódik a légkörből. A kis átmérőjű részecskék (szulfát-aeroszolok) nagyobb, robbanás erejű vulkánkitörések alkalmával feljutnak az alsó sztratoszférába, akár 30 km-es magasságba is. Ezen a szinten már szinte egyáltalán nincs felhő- és csapadékképződés, így akár 1-2 évig is eltarthat, mire ezek a részecskék kikerülnek a légkörből. A vulkánkitörésekből származó részecskéken szóródnak a Napból érkező sugarak, s így megnövelvén a planetáris albedót hűtő hatást fejtenek ki. Például az El Chicon és a Pinatubo vulkánok a kitörések évében (1982, ill. 1991) 0,5-0,7°C-kal csökkentették a globálisan átlagolt felszínhőmérsékletet.
3.1.4 Az óceán cirkulációja
Az óceánok közvetlen hatása az éghajlatra abból származik, hogy a légköri cirkuláció és az óceán áramlásai hőt szállítanak a trópusi zónából a sarkok felé. Ezeket az áramlási rendszereket nagyon sok folyamat befolyásolja és módosítja regionális és globális skálán. Az óceán–légkör kölcsönhatás olyan jelenségeket is létrehozhat, mint például az El Niño, mely 2-6 évente újra és újra megjelenik a Csendes-óceán trópusi területein.
Az óceánok az üvegházgázokra is hatást gyakorolnak, fontos szerepük van a légköri szén-dioxid-koncentráció kialakításában. A légköri szén-dioxid és az óceán felszíni vizeiben oldott szén-dioxid között hosszabb időszakot tekintve egyensúly van.
Az óceánban lejátszódó cirkulációs, kémiai és biológiai folyamatok az egyensúly kismértékű eltolódása révén a szén-dioxid légköri mennyiségének módosításával az éghajlat lassú változását eredményezhetik.
3.1.5 A földhasználat megváltozása
A földi eredetű éghajlat-alakító tényezők közé tartoznak a légkörrel érintkező szférák: a litoszféra (szárazföldek), a hidroszféra (óceánok), a krioszféra (hóval-jéggel borított felszínek) és a bioszféra (élőlények) hatásai. Az élőlények közül az emberiség tevékenysége van a legnagyobb hatással bolygónk klímájára.
Az emberek a Föld felszínét is átalakítják: erdőből például megművelt szántóföld lesz (mely éves ciklussal jelentős felszíni változásokat mutat); vagy
48
természetes felszínből betonnal, aszfalttal, tetőkkel lefedett városi környezet. Ezek a változások módosítják a lokális/regionális éghajlatot például a városi hősziget-jelenség kialakulása révén.
3.1.6 Az emberi tevékenység és az üvegházhatású gázok
Változott-e kimutatható mértékben az üvegházhatású gázok légköri koncentrációja az elmúlt két évszázad során? A válasz egyértelmű igen, a lenti ábrán a szén-dioxid, a metán, a dinitrogén-oxid és a freonok koncentrációváltozásait kísérhetjük figyelemmel az elmúlt kétszáz évben.
3.3 ábra: Fontosabb üvegházgázok koncentrációjának változása a légkörben (1800-2000) [forrás: http://www.mindentudas.hu]
Jelentős mértékű, a 20. század második felében pedig gyorsuló növekedést láthatunk. Szembetűnő, hogy freonok természetes állapotban nem voltak jelen a légkörben, kimutatható mennyiségben csak az 1950-es években jelentek meg az ipari tevékenység következtében. Mik az antropogén eredetű metán- és szén-dioxid kibocsátás forrásai?
Az antropogén eredetű szén-dioxid kibocsátás közel fele (46%) az erőművek és finomítók révén jut a légkörbe. Az erdők irtása (23%), a cementgyártás (12%), a gázgyártás (9%) szintén jelentős mértékben hozzájárul a légköri szén-dioxid
49
megnövekedett mennyiségéhez. A metánemisszió komponensei között az ipari forrásokon (bányászat, 25%) kívül jelentős szerephez jut a mezőgazdaság. Míg az állattenyésztés 28%-kal, addig a rizstermesztés és a szántóföldek feltörése 15%-kal, illetve 7%-kal növelik a légköri metánkoncentrációt.
3.1.7 A szén-dioxid és egyéb üvegházhatású gázok koncentrációjának változása Az egyre növekvő népesség és a fokozódó ipari tevékenység ugyancsak hat a klímára. Közülük a legnagyobb hatású a légköri üvegházgázok koncentrációjának növekedése.
3.4. ábra: Az üvegházhatású gázok hozzájárulása a 33 oC-os földi átlaghőmérséklet többlethez [forrás: http://www.mindentudas.hu]
Számos természetes és antropogén eredetű gáz hozzájárul az üvegházhatáshoz, mely melegíti a Föld felszín közeli légrétegeit. Ezek közül a gázok közül a legjelentősebbek a vízgőz, a szén-dioxid, a metán, a dinitrogén-oxid, az ózon és a halogénezett szénhidrogének (freonok). Ha a földi légkörnek nem lenne természetes üvegházhatása, akkor a felszín közeli léghőmérséklet 33 °C-kal lenne alacsonyabb. A legnagyobb hozzájárulása a természetes üvegházhatáshoz a vízgőznek (20,6 °C) és a szén-dioxidnak (7,2 °C) van (lásd 3.4. ábra).
Az antropogén eredetű globális melegedésben a legjelentősebb szerep a szén-dioxidnak jut, amely a teljes emberi eredetű hatás mintegy 55%-áért felelős.
50
Az üvegházgázok hatása a következőképpen foglalható össze. A Napból érkező sugárzás felmelegíti a földfelszínt, amely azonban az elnyelt többletenergiát az infravörös tartományban visszasugározza a világűr felé. E sugárzásnak egy részét a légköri üvegházgázok elnyelik, s visszasugározzák a felszín irányába, ily módon tovább melegítve a Föld felszínét.
Összefoglalóan elmondhatjuk, hogy az alsó légkörben az elmúlt 250 évben bekövetkezett sugárzási viszonyok megváltozásáért számos folyamat felelős. A legnagyobb hatású, s egyértelműen a globális melegedés irányába mutat ezen összetevők közül az üvegházhatás, pontosabban az üvegházgázok antropogén eredetű koncentrációváltozása. További légkört "melegítő" komponensek: a troposzférikus ózonkoncentráció emelkedése, a fosszilis tüzelőanyagok égetéséből származó aeroszolok mennyiségének növekedése, a repülőgépekből a légkörbe kerülő égéstermékek hatása, valamint a Nap sugárzásának változásai. A sugárzási kényszer megváltozásához sokkal kisebb mértékben járulnak hozzá a légkört "hűtő" folyamatok:
a sztratoszférikus ózonkoncentráció csökkenése, a szulfát-aeroszolok és a szerves anyagok égetéséből származó aeroszolok mennyiségének növekedése, valamint a földhasználatban bekövetkezett változások. [3.1-3.3]