Az éghajlati rendszer alrendszerei állandóan hatnak egymásra közvetlen és közvetett módon. Ezen kölcsönhatások legnagyobb hányada természetes eredetű, de egyre nagyobb szerep jut az antropogén eredetű folyamatoknak. A folyamatok jellege alapján megkülönböztethetünk fizikai, kémiai és biológiai kölcsönhatásokat, amelyek külön-külön és együttesen is fellépnek, s ezáltal hozzák létre az éghajlati rendszer összetettségét, komplexitását. Fontos, hogy átlássuk ezen hatások tér- és időskáláit, szezonalitását, dominanciaviszonyait, óceáni és szárazföldi környezetben. A felszín-légkör kölcsönhatások döntő szerepet játszanak a légköri határréteg energiaátviteli és vízháztartási folyamataiban. Ezek közül a folyamatok közül a legfontosabbak az alábbiak: a nettó besugárzás, az energia és a momentum turbulens áramai, a párolgás, valamint a talajban lévő hő és víz tárolása, valamint szállítása. Az 1.2.1.1. ábrán az éghajlati rendszer kölcsönhatásai közül ábrázoltunk néhányat, hogy érzékeltessük a probléma összetettségét.

1.2.1.1. ábra

Jól látható, hogy azok a folyamatok, amelyek a Föld légkörének nyomgázaira hatással lehetnek, részben a meteorológia, klimatológia, részben pedig a fotokémia, biológia, ökológia és geológia tárgykörébe sorolhatók. A szárazföldi felszín növényzete és a talaj határozza meg a Napból érkező energia megoszlását, a visszavert és az elnyelt energia arányát. A felszín által kisugárzott energia melegíti a felszínközeli légrétegeket, a felszínen rendelkezésre álló energia egy része biztosítja a párolgás energiaigényét is, ami lehetővé teszi a felszín és a légkör közötti vízgőzáramot. Mivel a talajnedvesség párolgása szintén energiát igényel, ezért a talajnedvesség mértéke jelentősen befolyásolja a felszíni hőmérsékletet. A felszín érdességi tulajdonságai a légkör dinamikai folyamataira, áramlásaira vannak hatással. Az érdességet meghatározzák a domborzati viszonyok és a növényborítottság. A légköri áramlások szilárd részecskéket, port juttatnak a légkörbe, melyek kölcsönhatásba lépnek a légköri sugárzás-átvitellel, illetve részt vesznek a felhőképződési folyamatokban.

A közel 2 milliárd km³ teljes földi vízmennyiség kb. 97%-a az óceánokban és tengerekben tárolódik, s csupán egy elenyésző hányad található a légkörben. Míg a földi vízkörforgás során a légkörbe kerülés folyamata a párolgás, addig a légkörből való kikerülés a csapadékhullás által történik.

1.2.2.1. ábra Forrás: Shiklomanov 1999.

A légköri víz 90%-a az alsó 8–10 km-es rétegben (a troposzférában) található. Ha ez egyenletes térbeli eloszlással mind egyszerre kihullana, akkor mindössze 25 mm-es csapadékot jelentene. Mivel a teljes Földet tekintve átlagosan az évi csapadékmennyiség ennél jóval több (1000 mm), ez azt jelenti, hogy egyetlen év alatt a légköri vízkészlet kb. 40-szer újul meg. A légköri víztartalom 95%-a gáz-halmazállapotú, s 5%-a szilárd vagy cseppfolyós.

A legnagyobb mértékű vízforgalom az óceánokhoz kapcsolódik, a párolgás útján távozó vízmennyiség évente 502 800 km³, a csapadékhullással érkező vízbevétel pedig átlagosan 458 000 km³.

A szárazföldre hulló csapadék a földfelszíni lejtőkön a gravitáció hatására megindul, s a domborzatok legmélyebb pontjain összegyűlik (egyrészt a természetes mélyvonulatok mentén, másrészt a bevájt medrekben). A völgyfenék lejtésének irányában a medreket megtöltve egyre nagyobb vízfolyások alakulnak ki, melyek a lefolyási folyamat során végül a tengerekbe, óceánokba torkollanak. A felszínről a mélyebb rétegekbe beszivárgó vízmennyiség szintén a tengerekbe és az óceánokba jut a felszín alatti lefolyás révén.

Az éghajlati rendszer működésének sok részlete még nem ismert kellő pontossággal. Az esetek jelentős hányadában ezen folyamatok nagyfokú bizonytalansága a légkörben, a krioszférában, az óceánokban lezajló, s egymással is kölcsönhatásban lévő visszacsatolási mechanizmusokkal magyarázható. A globális melegedést okozó sugárzási kényszer megváltozásával kapcsolatosan a visszacsatolási mechanizmusok három alapvető csoportját szokták megkülönböztetni: a vízgőz, a hó-jég albedó, s a felhő típusú visszacsatolási mechanizmusokat.

1. Vízgőz visszacsatolási mechanizmusok

Ez a legjobban követhető, megérthető légköri visszacsatolási mechanizmus. A képzeletbeli folyamatsor beindításához induljunk ki a leggyakrabban használt éghajlat-változási feltevésből: a jelenlegi szén-dioxid-koncentráció megduplázódásából. Ekkor a megduplázódott szén-dioxid-koncentráció hatására a légkörben megindul a globális felmelegedés, hiszen a szén-dioxid üvegházgáz. A melegebb légkörben több a vízgőz, ami szintén üvegházgáz, így még jobban nő az üvegházhatás, azaz melegszik a légkör. Tehát az egyik üvegházgáz koncentrációnövekedése egy másik üvegházgáz koncentrációnövekedéséhez vezet, s ezzel bezárul a kör, beindul egy öngerjesztő (ún. pozitív) visszacsatolási mechanizmus folyamatlánca.

2. Hó-jég albedó visszacsatolási mechanizmusok

Egy másik közismert pozitív (önerősítő) folyamatláncolat a hó-jég albedó visszacsatolási mechanizmus. Az előzővel azonos feltevésből kiindulva, egy melegebb Földön kevesebb hó és jég található, s ezáltal a Föld bolygó a világűr felé kevésbé reflektív, azaz kevesebb energiát ver vissza. Viszont ennek következtében a légkör több sugárzást képes elnyelni. Ebből következően melegebb lesz a légkör, s így csökken a hó és jég mennyisége a felszínen.

1.2.3.1. ábra

3. Felhő visszacsatolási mechanizmusok

Minden a felhőképződési folyamatokhoz kapcsolódó visszacsatolási mechanizmus különösen bonyolult, s általában még a változások eredő előjele sem állapítható meg egyértelműen. Szükségessé vált e folyamatok modellekkel való közelítése is, melyhez három alcsoportot különíthetünk el. A megfelelő almodellekkel való leírás lehetővé tette a feladat kismértékű egyszerűsítését.

A felhő visszacsatolási mechanizmusok (1.2.3.1. ábra jobb oldal) három alcsoportja:

1. A felhők mennyiségének visszacsatolási mechanizmusa

Ha a globális felmelegedés miatt a felhők összmennyisége csökken, akkor ennek hatására csökken az üvegházhatás az infravörös tartományban. Mivel a melegedő Föld több energiát képes emittálni az infravörös tartományban, ezzel mérsékeli a melegedést, s így egy öncsillapító (negatív) visszacsatolási mechanizmusként működik.

2. A felhők magasságának visszacsatolási mechanizmusa

A felhőrétegek vertikális átrendeződése is pozitív visszacsatolási folyamatokat indukálhat. Például, ha a globális melegedés esetén egy felhőréteg áthelyeződik egy magasabb és hidegebb régióba, akkor egy pozitív visszacsatolási mechanizmus indul be, mivel a hidegebb felhő kevesebbet képes emittálni, és így ez üvegházhatást növelő tendencia.

3. A felhők vízgőztartalmának visszacsatolási mechanizmusa

Csak a legutolsó években derült fény arra, hogy a globális melegedés hatására növekedhet a felhők vízgőztartalma. E folyamat nagyobb kiterjedésű felhőket eredményez, s ezzel egy negatív visszacsatolási mechanizmus indulhat be. (Néhány neves kutató ebben az esetben is pozitív mechanizmus beindulására lát nagyobb esélyt.)

A fenti példák jól illusztrálják, hogy e folyamatok bonyolultak, s gyakran több folyamat egymással párhuzamosan fut, ami esetenként még a változás előjelének becslését is kétségessé teszi, nemhogy annak megbízható mennyiségi előrejelzését.

A légköri vízgőz és a növekvő aeroszol-koncentráció szerepe.

Az utóbbi néhány évtized mérései bizonyítják, hogy a légkör alsó részében, az ún. troposzférában található vízgőz mennyisége egyértelműen növekedett, mely szoros összefüggésben van a szárazföldi és az óceáni térségek növekvő léghőmérsékletével. Az óceánok felett a teljes légoszlop vízgőztartalma évtizedenként mintegy 0,9–1,5%-kal növekedett 1988 és 2004 között. Hasonlóan növekvő tendenciát mutat a troposzféra felső részének nedvességtartalma, mely nagymértékben növelte az üvegházhatást. E változások eloszlása és mennyisége jól értelmezhető, ha figyelembe vesszük a tengerfelszín hőmérsékletének emelkedését, valamint hogy ezzel párhuzamosan a relatív nedvesség csak nagyon kismértékben változott. A tengerfelszín hőmérsékletével való szoros összefüggést jelzi az is, hogy a légoszlop teljes vízgőztartalma 1970 óta összesen kb. 4%-kal növekedett.

Habár a klímaváltozás leginkább és legkönnyebben a hőmérséklet emelkedésében figyelhető meg, de emellett mind a légkör cirkulációja, mind a légköri nedvességtartalom, mind a csapadék változik, hiszen az egész éghajlati rendszer érintett a globális változásban. A sugárzási kényszer megváltozása módosítja a légkör felmelegítését, és a felszínen ez közvetlenül hatással van a párolgás mértékére, mely a légköri vízgőzbevétel forrása. A hőmérséklet növekedése a légkör nedvességbefogadó képességét fokonként mintegy 7%-kal növeli. A legújabb kutatási eredmények alapján az időjárási rendszerekben ez a megnövekedett vízgőzmennyiség intenzívebb csapadéktevékenységhez vezet ugyan, de összességében a teljes lehullott csapadékmennyiség nem változik lényegesen, mivel a növekvő csapadékintenzitás csökkenő gyakorisággal társul.

A légköri vízgőz mennyiségét, valamint a felhőfizikai folyamatokat nem csupán a melegedésből származó többletenergia befolyásolja. Közel ugyanekkora szerep jut az emberi tevékenységből származó, légkörbe juttatott aeroszol részecskéknek. Az ipari forradalom óta például a szulfát és karbon aeroszol részecskék száma jelentősen megnövekedett a légkörben, mely már kimutatható hatással van az éghajlatra. Az aeroszol részecskék éghajlati rendszert befolyásoló legfontosabb hatásai a következők:

Összefoglalva elmondhatjuk, hogy a fékező hatások mellett az önerősítő, pozitív visszacsatolási folyamatok is jelentős szerepet játszanak az éghajlatváltozásban. Így a klímamodellek gyors fejlődése ellenére még mindig sok a bizonytalanság a légkör vízgőztartalmával, felhőképződési folyamataival kapcsolatban.

A lecke célja az éghajlati rendszeren belüli kölcsönhatások megismerése, úgymint a felszín-légkör kölcsönhatások, a hidrológiai ciklus és a különböző visszacsatolási mechanizmusok legfontosabb tulajdonságainak összegzése. A becsült tanulási idő témánként 0,4 óra, a teljes leckére 1,6 óra.