Ugrás a tartalomhoz

Az éghajlatváltozás okai és következményei

Gelencsér András, Molnár Ágnes, Imre Kornélia (2012)

Pannon Egyetem

7. fejezet - A légköri aeroszol éghajlati hatásai

7. fejezet - A légköri aeroszol éghajlati hatásai

Az aeroszol részecskék jelenléte a légkörben szerepet játszik a Föld-légkör rendszer sugárzási mérlegének alakításában. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy a részecskék többsége szórja, jóval kisebb része elnyeli a napsugarakat (lásd később). Ez más szavakkal azt jelenti, hogy az aeroszol részt vesz az éghajlatváltozások alakításában. A megállapítás nem új keletű, hiszen az ember már régen megfigyelte, hogy különleges események, így vulkánkitörések és porviharok csökkentik a felszín közelébe érkező sugárzás intenzitását (7.1 ábra). Ennek közismert példája a Tambora vulkán (Indonézia) kitörése 1815-ben.

7.1. ábra - Vulkánkitörések megváltoztathatják az éghajlatot. A Mount St. Helens kitörése 1980. május 18-án. (http://hu.wikipedia.org/wiki/Tűzhányó).

Vulkánkitörések megváltoztathatják az éghajlatot. A Mount St. Helens kitörése 1980. május 18-án. (http://hu.wikipedia.org/wiki/Tűzhányó).


A vulkáni részecskék sugárzáselnyelése évekig éreztette hatását. 1816-ot a feljegyzések „nyár nélküli évnek” nevezik. Európában és Amerikában sokszor még a nyári hónapokban is fagypont alatti hőmérsékleteket észleltek. Ma már tudjuk, hogy a vulkánkitörések többéves hatása nem a közvetlenül kilövellt vulkáni hamunak köszönhető. Ezek a részecskék ugyanis, jelentős tömegük miatt, hasonlóan a felszínről származó porokhoz, viszonylag gyorsan kihullnak a légkör legalsó tartományából, a troposzférából. Ezzel szemben a kitöréskor felszabaduló kén-dioxid a sztratoszférába jut és ott szulfát részecskékké alakul, kialakítva a sztratoszferikus aeroszol réteget (7.2 ábra  vulkánkitörés).

7.2. ábra - Sztratoszferikus aeroszol (Junge) réteg (kék: felhők, vörös sáv: Junge-réteg). Napfelkelte Pecos, Texas (USA) felett, a fotó űrsiklóról készült. (Forrás: http://earthobservatory.nasa.gov/Features/HumanSpaceflight/human_spaceflight2.php)

Sztratoszferikus aeroszol (Junge) réteg (kék: felhők, vörös sáv: Junge-réteg). Napfelkelte Pecos, Texas (USA) felett, a fotó űrsiklóról készült. (Forrás: http://earthobservatory.nasa.gov/Features/HumanSpaceflight/human_spaceflight2.php)


Az aeroszol éghajlati hatásainak kérdése a 20. század közepétől a tudományos kutatások egyik fontos problémája. Nem elsősorban a vulkánkitörések miatt. Nyilvánvaló vált, hogy az emberi tevékenység jelentősen megnöveli a légköri aeroszol részecskék koncentrációját. Az emberi hatások természetesen nem a sztratoszférában jelentkeznek. Alapvetően módosítottuk viszont a troposzferikus aeroszol mennyiségét és minőségét, különösen szárazföldi környezetben. Ezért az energiatermelés (pl. kén-dioxid kibocsátás), a közlekedés (nitrogén-oxidok, szerves gázok, korom stb. emissziója) és a különböző ipari tevékenységek (pl. fémek, szerves anyagok kibocsátása) a felelősek. Nem elhanyagolható hatása van azonban a mezőgazdaságnak is. Ennek oka a földhasználat megváltoztatása, a műtrágyázás, és nem utolsósorban az állattartás (pl. ammónia felszabadulása). Az emberi hatást kiválthatják közvetlenül a légkörbe kerülő részecskék, de többségük a levegőben részecskéké alakuló, ún. előgázok kibocsátásából származik.

Ha az emberi hatásoktól mentes, ún. troposzferikus háttér aeroszolt tekintjük, akkor a napsugárzás részecskék miatti gyengítése becslések szerint 2-3oC átlagos hőmérsékletcsökkenést okoz. Mint látni fogjuk, az emberi tevékenység globálisan mintegy -1 Wm-2 hűlést hozott létre, ami első közelítésben mintegy -0,3oC hőmérsékletváltozásnak felel meg. Sűrűn lakott iparosodott területeken azonban az emberi hatás ennek két-háromszorosa is lehet.

7.1 Az aeroszol optikai tulajdonságai

A légköri aeroszol kölcsönhatása az elektromágneses sugárzással (esetünkben a napsugárzás) a részecskék fizikai (koncentráció, nagyság szerinti eloszlás, forma) és kémiai (összetétel) tulajdonságaitól függ. Mint említettük, a kölcsönhatásnak két formája van. A részecskék egyrészt elnyelik (abszorpció), másrészt szórják a sugárzást (7.3 ábra). Az elnyelés és a szórás hatását együttesen sugárzás-gyengítésnek (extinkció) nevezzük. Így, ha adott aeroszolon fényt bocsátunk át, akkor annak intenzitása (pontosabban áramsűrűsége, dimenzió: Wm-2) a megtett távolság (x) függvényében exponenciálisan csökken:

Ahol I0 és I rendre az áramsűrűség az aeroszolba való belépéskor, illetve x út megtétele után, míg σ a gyengítési együttható, amelynek dimenziója: m-1. Az extinkciós együttható fizikailag a távolságegységre jutó sugárzás-gyengülést adja meg. Az előzőeknek megfelelően σ két tag, az elnyelési σa és a szórási σs együtthatók összegével egyenlő.

7.3. ábra - Aeroszol részecskék szórása és elnyelése.

Aeroszol részecskék szórása és elnyelése.


A Mie-féle elmélet szerint azok az aeroszol részecskék gyengítik legerősebben a sugárzást, amelyek nagysága összevethető a sugárzás hullámhosszával. Ebből következik, hogy a látható fényt alapvetően a 0,1-1,0 µm átmérőjű részecskék gyengítik. Ezek a részecskék határozzák meg, hogy vízszintes irányban milyen távolságra látunk el (látótávolság). A látótávolság értelemszerűen az extinkciós együtthatóval fordítottan arányos: minél nagyobb a sugárzás-gyengülés annál kisebb távolságban tudjuk a tárnyakat egymástól megkülönböztetni (7.4 ábra).

7.4. ábra - A látótávolság változása a levegő szennyezettségének függvényében (szerző fotói).

A látótávolság változása a levegő szennyezettségének függvényében (szerző fotói).
A látótávolság változása a levegő szennyezettségének függvényében (szerző fotói).


Az is könnyen belátható, hogy a fényszórás a részecskék számán (Nd) kívül a részecskék átmérőjétől (d), pontosabban keresztmetszetétől [(1/4)(d2π)] függ. Minél nagyobb a részecskék koncentrációja és minél nagyobb a keresztmetszetük annál jelentősebb a sugárzás szóródása. Ennek megfelelően, gömb alakú részecskéket feltételezve:

ahol a Σ (szumma jel) egyszerűen azt jelenti, hogy a különböző méretű részecskékre vonatkozó értékeket össze kell adnunk. A formulában szereplő K az un. gyengítési paraméter, amely, a részecskék méretén kívül, a sugárzás hullámhosszának és a részecskék törésmutatójának bonyolult függvénye. (A törésmutató a részecskék kémiai tulajdonságainak függvénye, tiszta víz estén pl. 1,33.) A gyengítési paraméter értéke 2 körül ingadozik, majd a részecskék méretének növekedésével 2-höz tart.

A légköri aeroszol részecskék vízben oldódó része nedvszívó, azaz általában már tiszta vízre vonatkoztatott telítettség alatt is oldatcseppeket alkot (lásd: Levegőkörnyezet és az emberi tevékenység 4.5. fejezet). Ezek a cseppek nagyságukat és az őket alkotó oldat koncentrációját a levegő relatív nedvességének függvényében változtatják. Minél magasabb a relatív nedvesség, annál nagyobb az oldatcsepp keresztmetszete. Ebből következik, hogy az extinkció és a relatív nedvesség között fordított összefüggés mutatható ki.

Ha az aeroszol éghajlati hatásait vizsgáljuk, akkor természetesen nem a vízszintes, hanem függőleges sugárzás-gyengülést kell meghatároznunk. Az extinkció azonban független az iránytól, ezért a vázolt megfontolások ebben az esetben is érvényesek. A lényeges különbség az, hogy a szórásnál külön kell meghatároznunk azt a sugárzás-hányadot, amely visszafelé szóródik. Ezt jelenti ugyanis az energiaveszteséget a Föld-légkör rendszer számára. A Mie-féle tartományban (lásd fent) a hátraszórás a szórt energiának 29%-ka.

A légköri aeroszol optikailag aktív tartományában (átmérő: 0,1 és 1,0 µm) a részecskék jelentős mértékben ammónium-szulfátból és kénsavból állnak (7.5 ábra). Ezek a részecskék gyakorlatilag nem nyelik el a fényt, ezért a légkörben a szórás fontos szerepet játszik. A szerves anyagokból álló részecskék szórják, kisebb mértékben abszorbeálják a napenergiát. Végül a viszonylag kis mennyiségben előforduló elemi szén igen jó sugárzáselnyelő. A talaj eredetű részecskék között is találhatók jó abszorbensek. Ilyen például a hematitot (Fe2O3) tartalmazó por. A részecskék okozta szórás hűti a légkört. Ezzel szemben az elnyelés melegíti azt a légréteget, ahol az elnyelő részecskék találhatók. Természetesen, ha az abszorbeáló részecskék nem a felszín közelében helyezkednek el, az abszorpció hűti az alatta lévő levegőt.

7.5. ábra - Optikailag aktív aeroszol részecskék kémiai összetétele.

Optikailag aktív aeroszol részecskék kémiai összetétele.


Az aeroszol részecskék éghajlati hatásainak becslése az utóbbi időben nyilvánvalóan azért került az érdeklődés középpontjában, mert az emberi tevékenység, az üvegházhatású gázok kibocsátása mellett, jelentősen megnövelte a légköri aeroszol részecskék mennyiségét és minőségét.