Ugrás a tartalomhoz

Az éghajlatváltozás okai és következményei

Gelencsér András, Molnár Ágnes, Imre Kornélia (2012)

Pannon Egyetem

2. fejezet - A légköri sugárzásátvitel, az üvegházhatás

2. fejezet - A légköri sugárzásátvitel, az üvegházhatás

2.1 Fizikai alapismeretek

Az éghajlati rendszer állapotát, az éghajlatot legfőképpen a légkör energiaháztartása, energiamérlege szabja meg. Az éghajlati rendszer energiáját részben a Napból, részben a felszínről kapja. E két forrásból származó energia jellemzőit különböző fizikai törvények írják le.

Elsőként az energiamegmaradást kimondó fizikai törvényt, a termodinamika első főtételét kell említeni, amely a Föld-légkör rendszer egyik alaptörvénye. Az energia fizikai és kémiai folyamatokban alakul át. Egy test energiavesztesége egy másik számára energianyereség.

Energia az anyag bármely formáján végzett munka, mértékegysége a joule (J). Egy test összes belső energiája a helyzeti (potenciális) és mozgási (kinetikus) energiájának összege. Kinetikus energiával minden mozgó test (beleértve a molekulákat és az atomokat is) rendelkezik, nagysága a mozgás sebességétől függ. Az atomok, molekulák kinetikus energiáját hőenergiának is nevezik, a gázok hőmérséklete a gáz molekuláinak (atomjainak) mozgási energiájával egyenlő.

Adott anyag hőmérsékletének növeléséhez energiabefektetés szükséges. Az elnyelt energia és az ennek hatására bekövetkező hőmérsékletemelkedés arányát hőkapacitásnak, köznapi megfogalmazással energia- vagy hőtároló képességnek hívjuk. A hőkapacitás függ az anyagi minőségtől, pl. a levegőé kicsi, míg a vízé, a jégé (óceánok, krioszféra) nagy. Az éghajlati rendszer állapotának meghatározásában, a hőkapacitásnak fontos szerepe van. Az óceánok nagy hőtároló képességgel rendelkeznek, s emiatt a szélsőséges hőmérséklet-különbségeket jelentősen mérséklik. A szárazföldek, az óceánok és a krioszféra eltérő hőkapacitásának is lényeges éghajlati következményei vannak (pl. a monszun-jelenségek kialakulása).

Egy anyag halmazállapot-változásakor vagy energiát kell közölnünk a rendszerrel, illetve a rendszerből energia szabadul fel (2.1.ábra). Energia befektetés szükséges a párolgáshoz (folyadék – gáz átmenet), az olvadáshoz (szilárd – folyadék átmenet) és a szublimációhoz (szilárd – gáz átmenet). E folyamatok bekövetkeztekor növekszik a gázban tárolt hőmennyiség, a meteorológiában ezért ezt látens (rejtett) nek is nevezik. Az energia elraktározódása egyben hőmérsékletcsökkenést is jelent („A párolgás hőelvonással jár.”). Fagyáskor (folyadék – szilárd átmenet), kondenzáció (gáz – folyadék átmenet) és depozíció (gáz – szilárd átmenet) során viszont az elraktározott energia felszabadul, ami hőmérsékletemelkedést okoz. (A negyedik állapot a plazmaállapot, amelynek – a légkör esetében – az ún. ionoszférában van jelentősége).

2.1. ábra - Halmazállapot-változások (http://hu.wikipedia.org/wiki/Halmazállapot)

Halmazállapot-változások (http://hu.wikipedia.org/wiki/Halmazállapot)


A különböző hőmérsékletű testek, közegek között energiacsere megy végbe, amely hővezetéssel, a sugárzással, és áramlások (lásd légkörzés, óceáni áramlások) segítségével mehet végbe. A levegő rossz hővezető, így a légkörben a hővezetés elhanyagolható. Ugyanakkor, jelentős az áramlásokkal szállított látens és szenzibilis hőmennyiség. Szenzibilis hőnek a meteorológiában azt a hőmennyiséget nevezzük, amelynek közlése hőmérsékletemelkedést eredményez. Az energia szállítása természetesen függőleges és vízszintes irányban egyaránt végbemegy. Végül, a légkör szempontjából legfontosabb módja az energiacserének, a sugárzás.

A sugárzási energia elektromágneses hullámokkal terjed. A terjedéshez nincs szükség közegre, vákuumban a sebessége (fénysebesség) 300 ezer km másodpercenként. Az elektromágneses sugárzás hullám- és részecsketermészetű, amelyek közötti kapcsolatot a Planck-törvény fogalmazza meg: a fotonok energiája (E) és a sugárzás hullámhossza (λ) fordítottan arányosak egymással. Az összefüggésben arányossági tényezőként szerepel még a fény sebessége (c) és az ún. Planck-állandó (h).

Ez azt jelenti, hogy minél kisebb a sugárzás hullámhossza, annál nagyobb a fotonok energiája. A mindennapi életünkben is – bár közvetett formában – találkozhatunk ezzel a fizikai törvénnyel. Amikor arról hallunk, hogy védeni kell magunkat a káros ultraibolya sugárzástól, arról van szó, hogy az ultraibolya sugárzás olyan kis hullámhosszú sugárzást jelent, amelynek energiája nagy és roncsolja a sejtjeinket.

A sugárzási energiával kapcsolatban azt is tudnunk kell, hogy minden test (az atomokat és molekulákat is beleértve) elektromágneses sugárzást bocsát ki. A kisugárzott energia mennyiségét a test hőmérséklete szabja meg. Minél melegebb egy test, annál nagyobb mennyiségű energiát bocsát ki. A kisugárzott energia és a test hőmérséklete között nem egyszerű lineáris kapcsolat van, az energia a hőmérséklet negyedik hatványával arányos. Ezt az összefüggést Stefan-Boltzmann- törvénynek nevezik. A kibocsátott energia mennyisége mellett, a hőmérséklet a sugárzás hullámhossz-tartományát (azaz spektrumát) is meghatározza. Minél melegebb egy test, annál kisebb hullámhosszú fotonokkal terjed a kisugárzott energia túlnyomó része. A Wien-törvény szerint a maximális energiakibocsátás hullámhossza, fordítottan arányos a hőmérséklettel.

Végül a sugárzási mérlegben a Kirchoff-törvénynek is fontos következményei vannak. E szerint bármely közeg, vagy felszín által kibocsátott (emittált) és elnyelt (abszorbeált) energia (sugárzás) egyenlő. A lehetséges legtöbb energiát az abszolút fekete test nyeli el, és az abszolút fekete testek emissziója is a legnagyobb. A valós testek abszorpciója és emissziója az abszolút fekete testekéhez képest kisebb, és függ az anyagi minőségtől, a hullámhossztól, a hőmérséklettől. Ez az oka annak, hogy az egyes légköri alkotók szelektív elnyelők, azaz csak bizonyos hullámhosszú sugárzást képesek elnyelni. Ugyanakkor, a molekulák, aeroszol részecskék energiakibocsátását (hullámhosszát és mennyiségét) a hőmérsékletük határozza meg.