Ugrás a tartalomhoz

Az éghajlatváltozás okai és következményei

Gelencsér András, Molnár Ágnes, Imre Kornélia (2012)

Pannon Egyetem

2.4 Légköri elnyelés és az üvegházhatás

2.4 Légköri elnyelés és az üvegházhatás

2.4.1 A levegőmolekulák elektromágneses sugárzáselnyelése

A légkört alkotó molekulák fontos szerepet töltenek be a sugárzásháztartásban. Az anyag és az elektromágneses sugárzás kölcsönhatáskor a sugárzási energia elnyelése, vagy annak leadása, továbbá rugalmas, vagy rugalmatlan szóródása következhet be. Ha a molekula elektromágneses sugárzást nyel el (abszorbeál), energiája nő, magasabb energiájú állapotba megy át, gerjesztett állapotba jut. Az energia leadáskor (amelyet emissziónak neveznek) az energiatartalom csökken, s a molekula alacsonyabb energiaszintre kerül. A legalacsonyabb energiaállapotot nevezzük alapállapotnak.

Az elnyelt sugárzás függ az anyagi minőségtől, a légkört alkotó gázok szelektív elnyelők. Az egyes molekulák energiaállapotai jól definiáltak, azaz a molekulák ún. diszkrét energiaszintekkel rendelkeznek. Ez az oka annak, hogy csak olyan energiájú elektromágneses sugárzást nyelnek el, amely két jól definiált energiaállapot közötti átmenetet tesz lehetővé. A molekulák lehetséges energiaszintjei (amelynek száma egyszerű szerkezetű molekulák esetén is nagy lehet) valamint, hogy az energiaszintek között milyen átmenetek valósulhatnak meg, szabják meg hogy az elektromágneses spektrum mely hullámhosszain, hullámhossztartományaiban nyel el egy adott gázmolekula.

Az energiaelnyelés különböző molekuláris folyamatokhoz köthetők, mint pl. a molekulaforgások és a molekularezgések, valamint az elektronátmenetek. A röntgensugarak a belső elektronokat gerjesztik, az ultraibolya és a látható tartomány ibolya közeli részeivel a külső elektronhéjak, valamint a rezgési és forgási átmenetek gerjeszthetők. Infravörös sugárzással is a rezgési és forgási átmenetek gerjeszthetők.

A molekulák és az elektromágneses sugárzás közötti kölcsönhatást a molekulák szerkezete, apoláris, vagy poláris volta nagyban befolyásolja (2.7 ábra). Apoláris molekulában a kötés általában két azonos atom között van, amely azt jelenti, hogy mindegyik egyformán „húzza maga felé” a kötésben résztvevő elektronpárt. Az apoláris molekulák meglehetősen korlátozottan, csak elektrongerjesztés kapcsán lépnek kölcsönhatásba az elektromágneses sugárzással. A földi légkörben leggyakoribb kétatomos, apoláris molekulák (N2 és O2) a röntgen és ultraibolya tartományban nyelnek el, s a Föld felszínéről kilépő sugárzás elnyelése szempontjából elhanyagolhatóak.

2.7. ábra - Apoláris (N2) és poláris (H2O) molekulák

Apoláris (N2) és poláris (H2O) molekulák
Apoláris (N2) és poláris (H2O) molekulák

Különböző atomokból álló molekulák atomjai között viszont általában poláris kötés van. Ez annál polárisabb, minél nagyobb a két atom közti elektronvonzó-képesség különbsége. Poláris a molekula akkor, amikor az egyik atom jobban vonzza a kötésben résztvevő elektronpárt, így a molekulának ez a része kicsit elektronban dúsabb, részleges negatív töltésű lesz. A másik atom felőli rész ugyanakkor, elektronban szegényebb, részleges pozitív töltésű lesz. A poláris molekulák sokkal bonyolultabb kölcsönhatásba lépnek az elektromágneses sugárzással. A légkör nyomgázai között számos ilyen összetevő van, közülük a legnagyobb mennyiségben a vízmolekula található. Közismert, hogy a vízgőznek speciális szerepe van a légkörben, és az üvegházhatásban is. Ezt a vízmolekulák aszimmetrikus szerkezete magyarázza, amelynek következében a vízgőz az elektromágneses sugárzási spektrum nagy részében (a látható, az infravörös és a mikrohullámú tartományaiban is) elnyel.

Különböző atomokból álló molekula is lehet összességében apoláris akkor, ha a poláris kötések szimmetrikusan helyezkednek el a molekulán belül, s kiegyenlítik egymás hatását. Ilyen molekula pl. a szén-dioxid, amely a másik legnagyobb mennyiségben jelen lévő nyomgáz a légkörben. Alapállapotban a CO2-molekula apoláris, amely nagymértékben korlátozza az elektromágneses sugárzással való viszonyát. A molekulák – így a szén-dioxid is – állandó mozgásban vannak. Ennek során egyes rezgések alkalmával a CO2-molekula is polárissá válik, amelynek következtében kölcsönhatásba képes lépni elektromágneses sugárzás infravörös tartományával.

2.8. ábra - CO2 molekula

CO2 molekula

A légköri gázok napsugárzás-elnyelését szemlélteti a 2.8 ábra. A termoszférában és a mezoszférában, a gázmolekulák és atomok sugárzáselnyelése a γ- és a röntgensugárzást teljes mértékben kivonja az elektromágneses spektrumból, míg a sztratoszférában lévő ózon a spektrum ultraibolya tartományát „szűri ki”. Összefoglalva, a nitrogénatom (N) és -molekula (N2), az oxigénatom (O) és -molekula (O2), valamint az ózon (O3) elnyelése gyakorlatilag teljesen kivonja a napsugárzás 270 nm-nél kisebb hullámhosszú részét.

2.9. ábra - A Napsugárzás útja a légkörön át.

A Napsugárzás útja a légkörön át.


A 270nm-nél nagyobb hullámhosszakon elnyelő legfontosabb gázok, a vízgőz, a szén-dioxid, a dinitrogén-oxid, a metán és az ózon elnyelési sávjait mutatja be a 2.9 ábra. Végeredményként a légkör a nap- és a felszíni sugárzásnak csak bizonyos hullámhossztartományaiban engedi át a sugárzási energiát, amelyet a 2.10 ábra szemléltet. Az ábrán a légkör áteresztő képessége (transzmittanciája) látható a hullámhossz függvényében. Az ábrán az elektromágneses spektrum légkörön áteresztett hányadát a kékszínű, míg az üresen maradt részek a légköri elnyelés jelentőségét jelzik. Az ábrán megfigyelhető, hogy az infravörös tartomány 8 µm és 14 µm közötti részében a hosszúhullámú sugárzást gyakorlatilag háborítatlanul átengedi a légkör. Ezt a tartományt nevezik légköri ablaknak.

2.10. ábra - A légkörben szelektíven elnyelő legfontosabb alkotók (Ahrens, C.D., 1994 nyomán)

A légkörben szelektíven elnyelő legfontosabb alkotók (Ahrens, C.D., 1994 nyomán)


2.11. ábra - A légköri elnyelés hatása a nap- és a felszíni sugárzásra (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric.transmittance alapján).

A légköri elnyelés hatása a nap- és a felszíni sugárzásra (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric.transmittance alapján).


2.4.2 A légköri üvegházhatás

Az előző alfejezetben láttuk, hogy a légkörbe belépő és az onnan távozó energia megegyezik, azaz a bolygó energiaegyensúlyban van. Ugyanakkor azt is láttuk, hogy a felszínről kibocsátott és a bolygót elhagyó hosszúhullámú sugárzás közötti lényeges különbség van, amelynek oka az üvegházhatás. A légkör üvegházhatása a földi energiamérleg fontos tényezője, ez a jelenség okozza a felszínen a számunkra kellemes éghajlatot.

Az üvegházhatás jelentőségének megértéséhez, mértékének kiszámításához egy gondolatkísérletet végzünk el, amelyet az alábbiakban foglalhatjuk össze.

  1. Tudjuk, hogy a Föld energiaegyensúlyban van, azaz a beérkező (Ein) és a bolygót elhagyó (Eout) sugárzás megegyezik.

  2. Ismerjük a Föld légkörébe belépő napenergia mennyiségét. Emlékeztető: a légkör tetején a Föld keresztmetszetére (πR2, ahol R=6370 km a Föld sugara) érkező energia a napállandó (S0=1368 Wm-2). A beérkező energia egy része a légkörből és a felszínről visszaverődik, tehát nem nyelődik el sem a légkörben, sem a felszínen. A visszaverődés mértékét nevezzük planetáris albedónak (A=0,31, vagy 31%).

  3. Tudjuk, hogy minden test saját hőmérsékletének megfelelő energiát sugároz ki. Ennek mértékét a Stefan-Boltzmann-törvény felhasználásával számíthatjuk ki. Az energiaegyensúly fenntartásához szükséges kilépő energiát a bolygó ún. egyensúlyi hőmérséklete (Te) biztosítja. A gömb alakú bolygó felületéről (4πR2) kilépő összes energia az egyensúlyi hőmérséklet negyedik hatványával arányos. A teljesség kedvéért, az összefüggésben szerepel még a Stefan-Boltzmann állandó (σ=5,67·10-8 Wm-2T-4) is.

A számítások elvégzése után kapjuk meg a Föld egyensúlyi hőmérsékletét, amely 255 K (-18°C). Ez annyit jelent, hogy az üvegházhatás nélkül a felszín hőmérséklete 33°C-kal lenne kisebb a megszokott +15°C-nál.

2.12. ábra - Föld egyensúlyi hőmérséklete üvegházhatás nélkül

Föld egyensúlyi hőmérséklete üvegházhatás nélkül

2.4.3 Az üvegházhatás mechanizmusa

A levegő összetevői révén elnyeli és kibocsátja az infravörös sugárzás. Az üvegházhatást létrehozó légköri komponensek az ún. üvegházhatású gázok. Az üvegházhatású gázok közös jellemzője, hogy a hosszúhullámú sugárzási tartományban nagyon jó szelektív elnyelők, és egyben kibocsátók is. E gázok elnyelik a felszínről kibocsátott hősugárzást, és minden irányban – a felszín felé is – kisugározzák (2.11 ábra). Ezt az energiát a felszín elnyeli és kisugározza, s ez így megy tovább. Az elnyelt energia következtében a molekulák saját hőmérséklete is nő, ezáltal a felszínközeli levegő egyre melegszik.

2.13. ábra - A légköri üvegházhatás.

A légköri üvegházhatás.
A légköri üvegházhatás.


2.2.4 Az üvegházhatású gázok

A legjelentősebb üvegházhatású gáz sorrendben a vízgőz és a szén-dioxid, a metán, a dinitrogén-oxid, az ózon és egyéb kis koncentrációban jelen lévő gázok. A nedves egyenlítői területeken a vízgőz koncentrációja nagyon nagy, emiatt itt az üvegházhatás is nagyon jelentős. A szén-dioxid csak kevéssé járul hozzá ehhez az üvegházhatáshoz. Ugyanakkor, a hideg, száraz sarki vidékeken a szén-dioxid vagy a vízgőz koncentrációjának kismértékű növekedése sokkal erősebb hatást vált ki. Ugyanez érvényes a hideg, száraz felső légkörre is, ahol a vízgőz koncentrációjának kismértékű emelkedése jóval nagyobb üvegházhatást vált ki, mint a felszín közelében.

Az éghajlati rendszer egyes tartományai (pl. óceánok, élő szervezetek) és az emberi tevékenység befolyásolják az üvegházhatású gázok koncentrációját. Az emberi beavatkozásnak köszönhetően az üvegházhatásban fontos szerepet játszó gázok kibocsátása nőtt meg, pl. a szén-dioxidé, a metáné, a dinitrogén-oxidé és a halogénezett szénhidrogéneké. (Ez utóbbiak közé tartoznak a fluor-, a klór- és a brómtartalmú szénhidrogének.) E gázok felhalmozódnak a levegőben, ezért nő a koncentrációjuk. Az Ipari Forradalom óta légköri mennyiségük jelentősen megnőtt.

A szén-dioxid számos természetes forrásán (pl. szerves anyagok bomlása, légzés, vulkánosság) kívül, az energia előállítása miatt elégetett fosszilis tüzelőanyagok, a cement és egyéb anyagok gyártása az antropogén szén-dioxid fontos kibocsátói. Emellett, az erdőirtás is lényeges tényező a szén-dioxid mennyiségének növelésében. Az erdőirtás a közvetlen CO2 kibocsátáson kívül csökkenti a növények szén-dioxid felvételét is.

A metán antropogén kibocsátása elsősorban a mezőgazdasági tevékenységekkel (pl. rizstermelés, kérődző állatok tartása), a földgázfelhasználással és a hulladékkezeléssel kapcsolatos. Természeti folyamatok során is keletkezik metán (pl. oxigénmentes környezetben a szerves anyag bomlása).

Természetes forrásokból a dinitrogén-oxid a talajból és az óceánvízből kerül a levegőbe. A talaj dinitrogén-oxid kibocsátását trágyázással az ember lényegesen megnöveli. Ezen kívül, a fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor is kerül N2O a levegőbe.

A halogénezett szénhidrogének levegőbe juttatásáért főként az emberi tevékenység okolható, természetes forrásaik kicsik, vagy nincsenek. Az ózon is üvegházhatású gáz, amely a légkörben keletkezik és bomlik el. Az emberi tevékenységnek köszönhetően a troposzférában nő a koncentrációja, míg a sztratoszférában csökken.

A vízgőz a legnagyobb mennyiségben lévő, s ezért a legjelentősebb üvegházhatású gáz. Ennek ellenére az emberi befolyás nem túlságosan jelentős, főként indirekt módon hat a koncentrációjára (ugyanis a melegebb levegő több vízgőzt tartalmazhat). A vízgőz mennyiségének antropogén befolyásolása a metán kibocsátásán keresztül is bekövetkezhet. Ez a sztratoszférát érinti, ahol a metán kémiai bomlásakor kismennyiségű víz keletkezik. (Emlékeztető: a hideg, száraz felső légkörben, mint amilyen a sztratoszféra, a vízgőz koncentrációjának kismértékű emelkedése jóval nagyobb üvegházhatást vált ki, mint a felszín közelében.)

A felsoroltakon kívül még nagyon sok üvegházhatású gáz (pl. SF6: kén-hexafuorid) található a levegőben, amelyek koncentrációja kicsi. Rajtuk kívül, meg kell említeni az ún. közvetett (indirekt) üvegházhatású gázokat is. Ezek a gázok közvetlenül nem befolyásolják az üvegházhatást. Ugyanakkor, légkörben végbemenő kémiai reakcióik valamilyen módon módosítják az üvegházhatású gázok koncentrációját, illetve e gázok (kémiai reakciókban keletkező) bomlástermékei rendelkezhetnek üvegházhatással. Az említett reakciók főleg az ózon keletkezésével/bomlásával, a sztratoszféra vízgőz-koncentrációjának növekedésével és a hidroxilgyök koncentrációjának változásával függnek össze.

Közvetett üvegházhatású gázok közé tartozik a szén-monoxid, az illékony szerves vegyületek, a nitrogén-oxidok és a hidrogén; ugyanakkor, a metán, és a halogénezett szénhidrogének közvetlen és közvetett üvegházhatással egyaránt rendelkeznek. A metán tartózkodási ideje szorosan összefügg a hidroxilgyök koncentrációjával. A metán közrejátszik a troposzferikus ózon mennyiségének változásában, növeli a sztratoszféra vízgőz, valamint végső soron a szén-dioxid koncentrációját. A szén-monoxid szabályozza a hidroxilgyök légköri szintjét, s ezen keresztül növeli a metán mennyiségét. A halogénezett szénhidrogének a sztratoszferikus ózon koncentrációjának csökkentésében vesznek részt, ezáltal közvetett módon befolyásolják az üvegházhatást. Az illékony szerves vegyületek kihatnak a troposzféra ózonkoncentrációjára és a metán oxidációjára, és végül szén-dioxid keletkezik belőlük. A nitrogén-oxidok (NO és NO2) levegőkémiai reakcióikban növelik az ózonkoncentrációt, viszont csökkentik a metánét. Végül, a hidrogén (H2) hozzávetőlegesen negyede a hidroxilgyökök keletkezésében vesz részt, amely a sztratoszférában a vízgőz koncentráció növekedésében nyilvánul meg, illetve a sztratoszferikus ózon kémiájában játszik fontos szerepet. A troposzférában a szén-monoxidhoz hasonlóan, az ózon keletkezését és a metán-szint növekedését idézi elő.

2.2.5 Az üvegházhatású gázok globális felmelegedés potenciálja

Az üvegházhatású gázoknak a globális felmelegedésben játszott szerepét az ún. globális felmelegedési potenciál (GWP: Global Warming Potential) bevezetésével számszerűsíthetjük. A globális felmelegedés potenciál olyan relatív mérőszám, amely azt mutatja meg, hogy egységnyi tömegű üvegházhatású gáz a szén-dioxidhoz képest milyen mértékű üvegházhatást okoz. A szén-dioxid GWP értéke definíció szerint 1. Például, ha egy gáz globális felmelegedés potenciálja 100, az azt jelenti, hogy adott tömegű gáz üvegházhatása 100-szor nagyobb az ugyanakkora tömegű szén-dioxidénál. A GWP mindig valamekkora időintervallumra vonatkozik. Néhány üvegházhatású gáz globális felmelegedés potenciálja a 2.1 táblázatban látható.

2.1. táblázat - Néhány üvegházhatású gáz globális felmelegedés potenciálja különböző időintervallumokra vonatkozóan.


A globális felmelegedés potenciál függ az adott üvegházhatású gáz infravörös elnyelésének erősségétől, attól hogy milyen hullámhosszakon (hullámhossz-tartományokban) nyel el, illetve a gáz légköri tartózkodási idejétől. Ha a GWP értéke nagy, akkor a gáz infravörös elnyelése biztosan jelentős és tartózkodási ideje is hosszú. A globális felmelegedés potenciál hullámhossz-függése ennél kissé bonyolultabb. Például, egy gáz a légkör más összetevőivel együtt bizonyos hullámhosszon intenzíven elnyel. Ekkor az adott gáz GWP értékét ez az elnyelés nem biztos, hogy befolyásolja, mert a légkör többi alkotója már „elhasználta”, elnyelte a rendelkezésre álló sugárzást. Az mondható el, hogy azoknak a gázoknak GWP értékét határozza meg leginkább a hullámhossztól való függés, amelyek a légköri ablak sávjában nyelnek el.

Mint már volt róla szó, a globális felmelegedés potenciált mindig valamekkora időszakra, leggyakrabban 100 évre adják meg. Ennek oka a következő. Nyilvánvalóan, a rövidebb tartózkodási idejű gázok kezdetben nagyobb szerepet játszanak az üvegházhatásban, s időmultával – ahogy fokozatosan kikerülnek a légkörből – jelentőségük egyre csökken. Például a metán GWP-je 100 éves időtartamra vonatkozóan 25, de 20 éves időtartam alatt ennél lényegesen nagyobb, 72. Ezzel ellentétben, például a kén-hexafluorid globális felmelegedés potenciálja 100 éves időtartamra 22 800, míg a 20 éves tartamra vonatkozóan ennél kevesebb, 16 300.

Gázok keverékére nem lehet globális felmelegedés potenciált megadni, mivel az időfüggés miatt nem lehet egyszerűen összeadni az alkotók GWP értékeit. Bár a vízgőz a legjelentősebb üvegházhatású gáz, a vízgőz globális felmelegedés potenciálját mégsem számolják ki, mivel az emberi tevékenység közvetlen befolyása a vízgőz koncentrációjára nem mutatható ki. Ezen kívül a légkörben keletkező/elbomló ózon globális felmelegedés potenciálját sem adják meg.