Ugrás a tartalomhoz

Az éghajlatváltozás okai és következményei

Gelencsér András, Molnár Ágnes, Imre Kornélia (2012)

Pannon Egyetem

2.3 Föld-légkör rendszer sugárzási mérlege

2.3 Föld-légkör rendszer sugárzási mérlege

2.3.1 Rövidhullámú sugárzási mérleg

A Napból a Föld keresztmetszetére jutó energia értéke 1368 Wm-2, amelyet napállandónak neveznek. A Föld gömbalakját is figyelembe véve, a légkör külső határára globálisan, átlagosan 342 Wm-2 energia jut. A rövidhullámú sugárzási mérleg részletesem a 2.5 ábrán látható.

2.5. ábra - A Föld-légkör-rendszer sugárzásháztartása (IPCC 2007).

A Föld-légkör-rendszer sugárzásháztartása (IPCC 2007).


A légkörbe lépve, a gázok elnyelik a napsugárzás egy részét. Ennek az elnyelésnek köszönhető, hogy a nagyenergiájú fotonok nem jutnak le a földfelszínre, ezáltal lehetővé teszik a bioszféra számára az életet. A nagyenergiájú sugárzás elnyelése miatt alakult ki sztratoszféra (lásd ózonkeletkezés), s jön létre pl. az ionoszféra is, amely a rádióhullámok terjedésében játszik jelentős szerepet. A gázok a légkör tetejére érkező összes napsugárzásnak majdnem 20%-át nyelik el.

A légkörbe érkező napsugárzás intenzitását az elnyelésen kívül, a gázok és aeroszol részecskék szórása is gyengíti. A gázmolekulák szórása a felszínről is megfigyelhető, ez jelenség okozza az égbolt kék színét. A légköri gázok és részecskék mellett a rövidhullámú sugárzásháztartást a felhők nagymértékben meghatározzák, mivel részben elnyelik, részben szórják a sugárzást. A felszínt elérő sugárzás jelentős része a látható, kisebb hányada az infravörös tartományban található. A légkörben végbemenő elnyelés és szórás eredményeképp, a felszínen a napsugárzásnak mintegy fele (49%-a) nyelődik el, egy kisebb része a felszínről közvetlenül visszaverődik a világűrbe. Ez azt is jelenti, hogy a légkört a rövidhullámú sugárzási spektrumban „átlátszónak” tekintjük.

A rövidhullámú sugárzásháztartásban nagyon fontos szerepet tölt be a légkörből és a felszínről a világűrbe visszaszórt sugárzás. A légkör tetejére beérkező rövidhullámú energiának 31%-a hagyja el ily módon a Földet, ezt az értéket planetáris albedónak nevezzük.

Összességében az egész Földre vonatkozó átlagos rövidhullámú sugárzási mérleg alakulása a következő lesz (lásd 2.5 ábra). A légkör tetejére érkező 342 Wm-2 energiából 107 Wm-2 visszaverődik, a többi a légkörben és a felszínen nyelődik el, azaz a légkör és a felszín rövidhullámú energianyeresége rendre 67 Wm-2 és 168 Wm-2.

2.3.2 Hosszúhullámú sugárzási mérleg

A földfelszín hőmérsékletéből adódóan, a Föld energia kisugárzása döntően a hosszúhullámú, infravörös tartományban megy végbe, amelynek globális, átlagos értéke 390 Wm-2 (lásd 2.5 ábra jobb oldali részét). Ehhez még hozzájárul a felszínről a termikekkel szállított ún. szenzibilis és a párolgásra fordított, látens hőmennyiség is. A felszínről távozó infravörös hősugárzás túlnyomó részét azonban a légkörben előforduló üvegházhatású gázok, valamint a felhők elnyelik. A felszíni kisugárzásnak csupán kis hányada (40 Wm-2) távozik közvetlenül a világűrbe a légköri ablakon keresztül (lásd a 2.5 ábrán).

A levegőmolekulák és a felhők az elnyelt sugárzást saját hőmérsékletüknek megfelelő hullámhosszon a tér minden irányába kisugározzák. Emiatt a felszínre jelentős energiamennyiség érkezik. A világűr felé a légköri ablakon távozó energia mellett, a levegőmolekulák és a felhők is hosszúhullámú energiát sugároznak ki.

Összességében, a légkör hosszúhullámú bevétele 452 Wm-2, míg kiadása 519 Wm-2, azaz a légkör energiaveszteséget (-67 Wm-2) könyvel el. A felszínről 492 Wm-2 hosszúhullámú energia lép ki, míg 324 Wm-2-nyi érkezik, azaz a felszín hosszúhullámú energiamérlege is negatív, -168 Wm-2.

2.3.3 A Föld-légkör rendszer globális és lokális energiamérlege

A felszínről kibocsátott összes energia lényegesen több mint a felszínen elnyelődött rövidhullámú sugárzás mennyisége. Ezek a számok arra utalhatnának, hogy a felszín több energiát sugároz ki, mint amennyit kap, azaz hűlni fog. A mérések azonban nem ezt mutatják, a felszíni hőmérséklet gyakorlatilag nem változik, a Föld energiaegyensúlyban van.

Az előzőekben részletezett adatok alapján elmondható, hogy globálisan mind a felszín, mind a légkör energiaegyensúlyban van, energiabevételük és kiadásuk mértéke egyenlő, ugyanakkor az érkező és távozó energia hullámhossza különböző. A sugárzási mérleg definíció szerint a légkör tetejére érkező és az onnan távozó sugárzási energia különbsége. Globálisan, a sugárzási mérleg is nulla, azaz a légkör tetejéről a világűr felé távozó hosszúhullámú energia (-235 Wm-2) megegyezik a beérkező napenergiának a planetáris albedóval csökkentett értékével (+235 Wm-2). A felszínről kibocsátott és a bolygót elhagyó hosszúhullámú sugárzás közötti lényeges különbség oka az üvegházhatás.

Az egyensúly azonban csak a bolygó egészére, és egész évre vonatkozik. A Föld egyes helyein, lokálisan a sugárzási mérleg különböző. Köztudott, hogy a beérkező napenergia a földrajzi szélesség szerint változik. A sarkok felé haladva a sugárzás egyre kisebb („laposabb”) szögben éri a felszínt, azaz egységnyi sugárzás a sarkokon lényegesen nagyobb felületen oszlik el, mint az Egyenlítőnél. Ezen kívül, a beérkező energia mennyisége függ a nappalok hosszától és az albedótól is. Az albedó változékonyságát az okozza, hogy a különböző felszínek eltérően verik vissza a napsugárzást. Pl. a hófelszín albedója 75-90%, a felhőké 30-90%, a tengeri jégé 30-40%, míg a vízé csak 5-10%. A homok albedója 15-45% közötti, a különböző talajoké 5-35%, s az erdőké 3-10%. A különböző albedójú területek eloszlása pedig függ pl. a szárazföldek és óceánok elhelyezkedésétől, az éghajlattól.

2.6. ábra - A Föld éves lokális energiamérlege.

A Föld éves lokális energiamérlege.


Az említett okok eredményezik, hogy éves átlagban a felszínen elnyelt energia a földrajzi szélesség függvényében 100 és 400 között változik. Az ábrán a kisugárzott energia mennyisége is látható. Ez is változik a földrajzi szélesség szerint, de sokkal kisebb mértékben, mint a beérkező energia, amelynek fő oka a levegő és az óceánok hőtranszportja. A bejövő és a kisugárzott energia lokális mérlege azt mutatja, hogy a Rák- és a Baktérítő közötti területeken a sugárzási mérleg pozitív, azaz nettó energianyereséggel rendelkeznek (2.6 ábra). Ugyanakkor, a térítőktől a Sarkokig az energiaháztartás negatív, amely nettó energiaveszteséget jelent. A lokális sugárzási mérlegben megjelenő különbségek hozzák létre, és tartják fenn a légkör általános légkörzését, valamint az óceáni cirkulációt. Természetesen a lokális sugárzásháztartás nem csak térben, de az év során (szezonálisan) is változik.