Ugrás a tartalomhoz

Az éghajlatváltozás okai és következményei

Gelencsér András, Molnár Ágnes, Imre Kornélia (2012)

Pannon Egyetem

10.3 Éghajlati modellek

10.3 Éghajlati modellek

Az éghajlati modell a légköri folyamatok törvényeit matematikai formában leíró egyenletek rendszere. Ezeket az egyenleteket lényegében már a 19. században megfogalmazták. Megfelelően gyors megoldásuk azonban csak a számítógépek megjelenése után vált lehetővé. A számításokat ugyanis több ezer pontra, illetve több légköri magassági (nyomási) szintre kell elvégezni. A modelleket először az időjárás számszerű előrejelzésére használták. Tekintve, hogy a légkör bonyolult, kaotikus rendszer, az időjárás modellezése rendkívül érzékeny a kezdeti feltételekre (a bemenő adatokra). Ezért a számításokat legfeljebb tíz napra érdemes elvégezni. Az éghajlat (hosszútávú átlagos időjárás) esetében nincsen ilyen határ, mivel az éghajlati rendszer egyes komponensei (pl. hőmérséklet, nyomás) az időjáráshoz képest összehasonlíthatatlanul lassabban változnak. Az éghajlati modellekkel így százéves előrejelzések is elkészíthetők.

A modellekben olyan egyenletek (pontosabban differenciálegyenletek) szerepelnek, amelyekben az időbeli változások pillanatnyi térbeli változásokhoz kapcsolódnak. Más szavakkal: a légkör jelenlegi állapotából a jövő várható állapotai kiszámíthatók. Ezeket az egyenleteket kormányzó egyenleteknek nevezzük. A kormányzó egyenletrendszer első egyenlete a mozgásegyenlet, amely a szélsebesség változásait adja meg a ható erők függvényében. A horizontális síkban az két egyenletet jelent. A második egyenlet a vertikális gyorsulást leíró egyenlet. Ha a függőleges változást nullának vesszük, akkor ez az összefüggés a hidrosztatika alapegyenletévé egyszerűsödik, amely a nyomás magasság szerinti változását jellemzi. Ilyenkor azonban lehetetlen a felhőképződést figyelembe venni.  Általában a felhő- és csapadékképződés megfelelő szimulálása a modellezés egyik legnagyobb problémája. A harmadik kormányzó egyenlet a kontinuitási egyenlet, amely az anyagmegmaradás törvényét mondja ki. Ez az egyenlet nem csak magára a levegőre, hanem a benne lévő kémiai anyagokra is alkalmazható. A negyedik egyenlet a termodinamikai egyenlet, amely az energia-megmaradást írja le.  

Az éghajlati modellek lehetnek nulladimenziósak, amikor a modellben csak az idő változik, és a számításokat egyetlen pontra végezzük el. Lehetnek egy-, két- és háromdimenziósak. Ilyenkor a számításoknál rendre egy (pl. a magasság), kettő (pl. a földrajzi szélesség és a magasság), illetve három (pl. földrajzi szélesség és hosszúság, magasság) térdimenziót veszünk figyelembe. A jövő változások meghatározásakor természetesen ismernünk kell az üveghatású gázok (aeroszol részecskék, lásd 7. fejezet) forrásainak időbeli változásait. Tekintve, hogy ez az energiatermelés, ipar és mezőgazdaság alakulásától függ, a források változásait illetően különböző feltételezésekkel kell élnünk. Ezeket forgatókönyveknek, idegen szóval szcenárióknak nevezzük.

10.5. ábra - A háromdimenziós modelleket horizontálisan rácspontokra, vertikálisan különböző magasságokra (nyomásszintekre) bontják fel.

A háromdimenziós modelleket horizontálisan rácspontokra, vertikálisan különböző magasságokra (nyomásszintekre) bontják fel.
A háromdimenziós modelleket horizontálisan rácspontokra, vertikálisan különböző magasságokra (nyomásszintekre) bontják fel.


A modellek közül elvileg természetesen a globális háromdimenziós változatok a legjobbak. Ilyenkor azonban azok a pontok (rácspontok), amelyekre a számításokat elvégezhetjük, több száz kilométerre vannak egymástól (10.5 ábra). Így adott területre (országra) úgy nyerhetünk információkat, ha a globális számításokat kisebb léptékű, un. regionális modellekkel egészítjük ki (10.6 ábra). A nagy térlépték különösen a kisebb léptékű folyamatok (pl. felhőképződés) figyelembe vételét nehezíti meg. Végül a globális modellekben az óceán-légkör kölcsönhatásokat is tekintetbe kell vennünk, ami további nehézségeket okoz.

10.6. ábra - Modellek hierarchiája.

Modellek hierarchiája.


Mielőtt a modelleket a jövő éghajlatának a megbecslésére használnánk, természetesen ellenőriznünk kell őket. Ez úgy végezhető el, hogy a múltra végzünk számításokat, amikor a bemenő adatokat (pl. üvegházhatású gázok kibocsátása), illetve a végeredményt is ismerjük (lásd 10.7 ábra).  Az elvégzett számítások szerint a modellek lényegében kielégítően írják le a hőmérséklet megfigyelt menetét. Különösen megfelelőek az eredmények, ha az üvegházhatású gázok antropogén kibocsátásának növekedése mellett, az aeroszol jellemzőinek a változásait  is figyelembe vesszük. A számítások, egyéb tényezők mellett, lehetővé teszik az un. éghajlati kényszer kiszámítását. Az éghajlati kényszer megadja, hogy a levegő (pontosabban a troposzféra) egységnyi területű légoszlopában adott anyag koncentráció-változása miatt az energiatartalom milyen értékkel változik meg. A 10.2 táblázat, modell-számítások alapján, az egyes üvegházhatású gázok éghajlati kényszerét adja meg.

10.7. ábra - Az északi-félteke hőmérséklete az elmúlt 1100 év alatt különböző modellek számítása alapján. Az ábrán az 1500 és 1899 közötti átlagtól való eltérés figyelhető meg. (IPCC, 2007b).

Az északi-félteke hőmérséklete az elmúlt 1100 év alatt különböző modellek számítása alapján. Az ábrán az 1500 és 1899 közötti átlagtól való eltérés figyelhető meg. (IPCC, 2007b).


10.2. táblázat - Az egyes üvegházhatású gázok ipari forradalom óta okozott éghajlati kényszere éghajlati modellszámítások szerint (IPCC adatok). Az éghajlati kényszer dimenziója: Wm-2. Megj.: az ózon (O3) a talajközeli levegő ózontartalmára vonatkozik.


Az eredményekből látható, hogy a szén-dioxid a legfontosabb üvegházhatású gáz. Meglepően magas a freonok okozta kényszer. Szerencsére, a nemzetközi erőfeszítéseknek köszönhetően lassan csökken a légköri koncentrációjuk. A táblázatból az is kitűnik, hogy a talajközeli ózon, a közlekedési légszennyeződés mértékének jellemzője, az üvegházhatás alakításában is szerepet játszik.

Az éghajlati kényszer az éghajlati érzékenység felhasználásával számítható át hőmérsékletté. Az éghajlati érzékenység a hőmérsékletváltozás és az éghajlati kényszer hányadosa. Az éghajlati érzékenység számos tényező függvénye. Első közelítésben azonban 0,3oC/Wm-2 értékkel egyenlő. Ebből következik, hogy a táblázatban lévő összegzett éghajlati kényszer 0,88oC hőmérsékletnövekedésnek felel meg, ami összevethető a 10.7 ábrán látható trenddel.