Ugrás a tartalomhoz

Az éghajlatváltozás okai és következményei

Gelencsér András, Molnár Ágnes, Imre Kornélia (2012)

Pannon Egyetem

1.2 Az éghajlati rendszer

1.2 Az éghajlati rendszer

Az éghajlati rendszer egy ún. komplex rendszer (1.2 ábra). Legfontosabb részei a légkör, a hidroszféra, a krioszféra, a szárazföldi felszín, a bioszféra, valamint a közöttük lévő bonyolult kölcsönhatások, amelyeket a külső kényszerek vezérelnek. Külső kényszerek között található pl. a Nap sugárzásintenzitásának változása, a vulkánkitörések, de az emberi tevékenység is, amely pl. a légkör összetételének, a felszín különböző tulajdonságainak (pl. albedó, vegetáció típusa) változtatásán keresztül hat az éghajlati rendszerre. Az éghajlati rendszer ún. nemlineáris rendszer. Ez azt jelenti, hogy a különböző éghajlati kényszerek „eredménye” nem az egyedi hatások egyszerű összege, vagy különbsége lesz, hanem az éghajlati rendszer állapotának – az ún. visszacsatolási mechanizmusok következtében – bonyolult, előre nem biztosan látható (előrejelezhető) változása lesz.

1.4. ábra - Az éghajlati rendszer (IPCC 2007).

Az éghajlati rendszer (IPCC 2007).


1.2.1 Az éghajlati rendszer elemei

Az éghajlati rendszer legváltozékonyabb, legdinamikusabb része a légkör. Összetétele a földtörténet során sokszor változott. Fő összetevői a napsugárzással csak kismértékű kölcsönhatásba lépnek, a Föld által kibocsátott infravörös (hő-) sugárzást viszont egyáltalán nem befolyásolják. Így a légkör nyomanyagai között sok olyan gáz található, amelyek elnyelik, és újra kibocsátják az infravörös sugárzást (lásd üvegházhatás), ezzel emelik a felszínközeli levegő hőmérsékletét. Ezeket a gázokat, üvegházhatású gázoknak (ÜHG) nevezzük. Érdekes kiemelni, hogy bár koncentrációjuk 0,1tf%-nál kisebb, a Föld energiaháztartásában kulcsszerepet játszanak. Az üvegházhatású gázokhoz tartozik a vízgőz is, amely a legfontosabb természetes eredetű ilyen tulajdonságú gáz. Az üvegházhatású gázok mellett, az ugyancsak a nyomanyagok közé tartozó aeroszol részecskék is kihatnak az Föld energiamérlegére. Az éghajlatra gyakorolt hatásuk a gázokénál sokkal bonyolultabb. Leginkább a felszínre érkező napsugárzás mennyiségét csökkentik, s ezzel hűtik a légkört. Egyrészt, közvetlenül a világűr felé visszaszórják a sugárzás egy részét, másrészt, közvetetten, a részecskéken keletkező felhőcseppek a felhők sugárzási-visszaverő képességét befolyásolják. A kondenzáció miatt a részecskék befolyásolják a levegő vízgőz tartalmát is, amelynek az energiamérleg szempontjából igen lényeges következménye van. A vízgőz –mint korábban is említettük- nagyon erős üvegházhatású gáz. Ha tehát a víz, gőzformában van jelen a levegőben, akkor melegítő hatást fejt ki, ugyanakkor, ha a vízből a részecskék jelenléte miatt felhők keletkeznek, akkor a napsugárzás visszaverésével inkább hűtőhatást fejtenek ki. A részecskék a gázoknál kisebb mértékben ugyan, de a felszíni infravörös sugárzás elnyelésében is részt vesznek. A helyzetet tovább bonyolítja az a tény, hogy az üvegházhatású gázoktól eltérően, az aeroszol részecskék koncentrációja térben és időben változik. A részecskék közvetlen és közvetett éghajlati hatását a 7. alfejezetben tárgyaljuk részletesen.

A hidroszféra magába foglalja a felszíni és felszín alatti vizeket, az édes és sós vizeket, azaz a kisebb nagyobb vízfolyásoktól, a folyók, a tavak, a víztározók, a tengerek és az óceánok vizét. A Föld felszínének kb. 70%-át a hidroszféra foglalja el, amelynek legnagyobb részét az óceánok teszik ki. E víztömegnek az éghajlat alakításában játszott szerepe kettős. Egyrészt hatalmas mennyiségű energiát tárol és szállít, másrészt nagy mennyiségű szén-dioxidot képes elnyelni és tárolni. Az óceáni cirkulációt a szél (ily módon az általános légkörzés) és a víz sűrűségének (amelyet alapvetően a sótartalom változása idéz elő) változása vezérli. A nagy víztömeg termikus tehetetlensége miatt, az óceánok tompítják, mérséklik az erőteljes hőmérsékletváltozások hatásait, a szabályozzák a Föld éghajlatát.

A krioszférába tartoznak Grönland és az Antarktisz mellett, az összes hóval, vagy jéggel borított szárazföldi és tengeri felszínek, a gleccserek és az állandóan fagyott talajú (permafroszt) területek. Ez utóbbinak a kiterjedése jelentős, mivel a Föld szárazföldjeinek kb. 20%-án kisebb-nagyobb mélységig tartósan fagyott állapotban van a talaj. A krioszféra éghajlati szempontból azért jelentős, mivel a hó és jégfelszínek nagyon intenzíven verik vissza a napsugárzást, azaz e területek albedója nagy. Fontos tulajdonsága továbbá, hogy– az óceánokhoz hasonlóan – jelentős a jég termikus tehetetlensége, valamint az óceáni cirkuláció vezérlésében, fenntartásában is kulcsszerepet játszik. Mindemellett, a jégtakarók nagy mennyiségű vizet tárolnak, s kiterjedésük megváltozásával a tengerszint is változik.

A szárazföldi növényzet és talaj szabályozza a Napból érkező energia felhasználását. A felszínen elnyelődött sugárzás miatt a felszín felmelegszik, és a kapott hő egy részét infravörös sugárzás formájában kisugározza. A kisugárzott energia a felszínközeli levegőt melegíti. Másik része a víz párologtatására fordítódik, amely származhat a talajból és a növényekből. Mivel a talajnedvesség párologtatásához energia befektetése szükséges, a talajnedvesség nagymértékben kihat a talaj hőmérsékletére. A felszíni formákat, a felszín egyenetlenségét a domborzat és a vegetáció együttesen határozza meg, amely befolyásolja a levegő áramlását is.

A szárazföldi és a tengeri élővilág fontos szerepet játszik a légkör összetételének szabályozásában, mivel az élő szervezetek felveszik (pl. fotoszintézis) és kibocsátják (pl. légzés, szerves anyag bomlása) az üvegházhatású gázokat. A fotoszintézis során (főként a szárazföldi erdők) nagy mennyiségű szén-dioxidot kötnek meg és tárolnak, ezáltal központi szerepet játszanak szén biogeokémiai körforgalmában. E mellett, más üvegházhatású gázok (pl. metán, dinitrogén-oxid) körforgalmában is fontosak. A bioszféra közvetett módon is hatással van az éghajlatra. Az óceáni bioszféra által kibocsátott illékony szerves dimetil-szulfidból, levegőben végbemenő fizikai-kémiai folyamatok során aeroszol részecskék keletkeznek, amelyek éghajlatra gyakorolt hatásaira a 7. fejezetben térünk ki. A bioszféra és az éghajlat között „kétirányú” kölcsönhatások, visszacsatolások működnek. Pl. a bioszféra „széntárolását” és a különböző nyomgázok kibocsátását-felvételét az éghajlat jelentősen befolyásolja, és fordítva, az éghajlat változása és a nyomgázok ciklusának változásával jár együtt. Az éghajlat bioszférára gyakorolt hatását különböző fosszíliák, a fák évgyűrűi, pollenek, stb. őrzik.

1.2.2 Éghajlati kényszerek

Az éghajlati rendszert vezérlő folyamatokat együttes néven, éghajlati kényszereknek nevezzük. Mivel az éghajlati rendszert külső hatások szabályozzák, ezért e folyamatokat külső kényszernek is nevezik. A külső kényszerekre az éghajlati rendszer nem, vagy csak nagyon lassan hat vissza. Fontos kihangsúlyozni, hogy a Föld-légkör-rendszer kialakulása óta energiaegyensúlyban van, amely azt jelenti, hogy a rendszerbe érkező és az azt elhagyó energia mennyisége megegyezik. A külső éghajlati kényszerek hatására a légkör energiamérlege változik, olyan módon, hogy a „bevételi”, vagy a „kiadási” oldal módosul. Ennek következtében az éghajlati rendszer állapota (az éghajlat) megváltozik. Miközben a Föld-légkör-rendszer energiaegyensúlya továbbra is fennmarad, az éghajlati rendszerben egy újabb egyensúlyi állapot jön létre, amely melegebb, vagy hidegebb éghajlatot eredményez.

Éghajlati kényszeren a tropopauza magasságában, egységnyi területű légoszlopban elnyelt energia megváltozását (mértékegysége: W/m2) értjük. Az éghajlati kényszerek között egyaránt megtalálhatók a Föld bolygón kívüli (extraterresztrikus) és belüli (terresztrikus) tényezők. Az éghajlatot befolyásoló legfontosabb kényszereket az 1.1 táblázatban foglaltuk össze.

1.1. táblázat - Az éghajlati rendszerre ható éghajlati kényszerek.


1.2.3 Az éghajlati rendszer elemei közötti kölcsönhatások: visszacsatolási mechanizmusok

A külső kényszerek az éghajlati rendszerre kifejtett hatásnak vizsgálata általában nem könnyű. E folyamatok során az ok – okozat vizsgálat azért nehéz, mert két, vagy több folyamattal kell számolni, amelyek különböző sorrendben, ellenkező értelemben, egymással kölcsönhatásban érvényesülnek. Az éghajlati visszacsatolás a különböző folyamatok közötti kölcsönhatást jelenti, amikor egy kezdeti hatás egy másik folyamat beindulását váltja ki. Ha a két (vagy több) folyamat egymás hatását erősíti, pozitív visszacsatolásról beszélünk. Pozitív visszacsatolás a 1.5.a ábrán látható mechanizmus. Az emelkedő hőmérséklet növeli a párolgást, emiatt több vízgőz lesz a légkörben, amely –erős üvegházhatású gáz lévén– növeli az üvegházhatást, és a hőmérséklet tovább emelkedik. De ide tartozik a jég-albedó mechanizmus is. A jég albedója nagy. A hőmérséklet emelkedésével elolvad a jég, az alatta lévő felszín (pl. talaj, vagy vízfelszín) albedója pedig lényegesen kisebb. A sötétebb felszínek több energiát nyelnek el, jobban felmelegednek, ami a hőmérséklet további növekedéséhez vezet. Negatív visszacsatolás esetén, az elsődleges hatást valamely más folyamat fékezi, vagy kioltja. Erre lehet példa a felhő-albedó visszacsatolás (1.5.b ábra). A növekvő hőmérséklet miatt nő az óceánok párolgása, emiatt több alacsony szintű felhő keletkezik. Ezeknek a felhőknek nagy az albedója, ezért kevesebb sugárzás jut le és nyelődik el a felszínen, következésképpen csökken a felszíni hőmérséklet. Emiatt csökken a párolgás, kevesebb felhő keletkezik és csökken az albedó is.

1.5. ábra - Pozitív (a) és negatív (b) visszacsatolás.

Pozitív (a) és negatív (b) visszacsatolás.
Pozitív (a) és negatív (b) visszacsatolás.


A legszorosabb kölcsönhatás a légkör és az óceánok között áll fönn, ilyen pl. a víz és a víz párolgására fordított energia kicserélődése. Az óceánok vize az elnyelt energia hatására párolog. A párolgást a kondenzáció, felhőképződés, s csapadékhullás követi, amelyek közben (hő) energia szabadul fel. Végül a víz a folyókon keresztül visszajut a tengerekbe, óceánokba. Az energia kicserélődése az időjárási rendszerek kialakulását segíti elő. Másfelől, a csapadékhullás (édesvíz!) befolyásolja a tengervíz sókoncentrációját, ezáltal az óceáni áramlási rendszereket. A légkör és az óceánok közötti kölcsönhatásokban a szén-dioxid kicserélődésének is fontos szerep jut. A hideg (sarki) vízben a szén-dioxid jobban oldódik. A hideg víz lesüllyed a mélyóceánba, s az egyenlítői terülteken a felszínre kerülve ugyanakkor a szén-dioxid felszabadul, és a levegőbe jut.

A krioszféra a légkör és az óceánok közötti kölcsönhatást gátolja, továbbá befolyásolja az óceáni cirkulációt. A bioszféra hatással van a légköri szén-dioxid koncentrációra, a légkör vízgőztartalmára és a légkör sugárzási mérlegére is. Az alábbiakban néhány fontos visszacsatolási mechanizmust mutatunk be.

Óceán – krioszféra: A jég édesvíz, ezért ha nagysága növekszik, az óceánok vizében nő a sókoncentráció, és a víz sűrűsége. Ha pedig elolvad, az édesvíz „felhígítja” az óceán vizét, és kevésbé lesz sós, csökken a víz sűrűsége.

Vízgőz – hőmérséklet: A növekvő hőmérséklet miatt a vízfelszínek párolgása erősödik, s a levegőben nő a vízgőz mennyisége. A vízgőz koncentrációnövekedése a hőmérsékletemelkedést továbberősíti.

Felhő – albedó: A melegedő Földön az óceánok párolgása fokozódik, amely többlet vízgőzt juttat a légkörbe. A vízgőz koncentrációjának növekedése miatt több felhő keletkezik. A felhők napsugárzás visszaverő képessége jelentős, s ha nő a felhőborítottság, a visszavert napsugárzás mennyisége is nő. Emiatt a felszínre kevesebb energia jut le, ezért csökken a felszíni hőmérséklet.

Jég – albedó: Az üvegházhatású gázok (pl. vízgőz, szén-dioxid, stb.) koncentrációja növekszik, és nő a hőmérséklet. Ennek következtében a hó- és jégtakaró kiterjedése csökken. Az olvadás után a sötét szárazföldi, vagy vízfelszín kerül a hó és jég helyére, amely lényegesen több napsugárzást nyel el. A többlet energiaelnyelés további hőmérséklet-emelkedést eredményez.

Szén-dioxid – óceán – légkör: A szén-dioxid vízben viszonylag jól oldódik, ezért a légköri CO2 egyik legfontosabb nyelői az óceánok. A légköri és az óceánvízben oldott szén-dioxid között hosszabb időszakot tekintve egyensúly van. Az óceáni cirkuláció és a kémiai, biológiai folyamatok az egyensúly kismértékű eltolódását okozzák. Így a szén-dioxid légköri mennyiségének módosítása az éghajlat lassú változását eredményezheti. Pl. a szén-dioxid oldódása függ a hőmérséklettől, a hidegebb vízben több CO2 oldódik, mint a melegebben. A növekvő légköri szén-dioxid miatti melegedés, az óceánok vizében oldódó szén-dioxid mennyiségét csökkenti (azaz a nyelőjének gyengülését okozza), ami a szén-dioxid koncentrációjának, illetve a hőmérséklet további növekedését idézi elő.