Dr. Bartholy Judit (2012)
EDUTUS Főiskola
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:
Az ún. közvetlen hatás, mely a beérkező rövidhullámú napsugárzás világűrbe való visszaverését jelenti. Így a felszínre kevesebb energia jut le.
Az ún. félig közvetlen hatás: A korom és por részecskék elnyelik a napsugárzást, mely így felmelegíti a légkör felszínhez közelebbi rétegeit. E folyamat gátolja a felhőképződést, illetve előidézi a felhőrészecskék elpárolgását.
A közvetett hatások, melyek abból adódnak, hogy az aeroszol részecskék a vízcseppekből és jégkristályokból álló felhőkben kondenzációs magként viselkednek. Ez a hatás felelős azért, hogy a vízfelhők nagyobb mértékben verik vissza a napsugárzást. A közvetett hatásokat gyakran kettéválasztják: a felhő albedójával kapcsolatos hatásra, illetve a felhő élettartamára gyakorolt hatásra. A felhő albedó hatása azokat a folyamatokat foglalja magába, melyek hatására a szennyezettebb felhők (ezekben több, de kisebb részecske található) fehérebbnek tűnnek, s jobban visszaverik a napsugárzást. A felhő élettartamának hatása azt veszi figyelembe, hogy a több, de kisebb részecskéből álló szennyezettebb felhők csökkentik annak valószínűségét, hogy a felhőrészecskék elérik az esőcseppek mérettartományát, s így megnövelik a felhők élettartamát. A modelleredmények azt jelzik, hogy ezek az indirekt, közvetett hatások sokkal fontosabbak, mint a közvetlen vagy félig közvetlen hatások. Habár sok kutató foglalkozik világszerte az aeroszolok közvetett hatásainak vizsgálatával, de továbbra is nagy a bizonytalanság ebben a témakörben. Áttörés a közeljövőben az éghajlati modellek finomításában, a felhőfizikai parametrizációk műholdas mérésekből származó eredményei alapján történő javításával várható.
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.