Ugrás a tartalomhoz

Éghajlattan

Dr. Bartholy Judit (2012)

EDUTUS Főiskola

Légköri folyamatok

Légköri folyamatok

Jellemző tér- és időskálák

A földtudományok, a meteorológia területén dolgozó kutatók nap mint nap szembesülnek a térskálák egész sorával.

1.3.1.1. ábra

Az ábrán logaritmikus térskálát alkalmaztunk, s látható, hogy a két végpont közötti különbség 17 nagyságrend (azaz 1017). A legkisebbek az atomok, molekulák térskálái, melyeken a légkör kémiai reakciói és a laboratóriumi kísérletek zajlanak. Az atomok, molekulák átmérőjénél nagyobbak, de még mindig a mm törtrészei a légkör szilárd és cseppfolyós alkotóelemeinek, a felhőrészecskéknek, esőcseppeknek a méretei. Átlagosan 1–2 cm-nek szokták venni a kontinensek évi elmozdulását. Több nagyságrenddel nagyobbak ennél a Föld magas hegységeinek, mély tavainak méretei.

Az 1.3.1.2. ábrán a Föld-légkör rendszerben lejátszódó folyamatok karakterisztikus tér- és időskáláit együttesen mutatjuk be. A folyamatok időskálái 1 perctől 1 milliárd évig terjednek. Jól kirajzolódik, hogyan épül fel a rendszer hierarchikus piramisa a kis idő- és térskálákon zajló eseményektől a teljes földi méretekig, melyek karakterisztikus időskálája is több nagyságrenddel nagyobb.

1.3.1.2. ábra

Az éghajlati rendszer elemei közül a légkör reagál a leggyorsabban a kényszerekre; ezen folyamatok időskálája órákban, napokban adható meg. Jelentős különbségeket figyelhetünk meg az óceán felszíne és a legmélyebb tengerfenék, a tengerárkok reakcióideje között.

Vertikális rétegződés

A földi légkör a felszíntől több mint 560 km-ig terjed, s négy különböző rétegre (1.3.2.1. ábra) oszthatjuk fel, elsősorban a hőmérsékleti tulajdonságok alapján.

1.3.2.1. ábra

Az átlagos tengerszinti légnyomás 1013,2 hPa, mely a magassággal felfelé haladva exponenciálisan csökken. Az 5,5 km-es magasság alatt helyezkedik el a légkör tömegének a fele, ebben a magasságban az átlagos légnyomás 500 hPa. A földfelszín legmagasabb pontja a Himalájában található Mount Everest (8850 m) felnyúlik a légköri össztömeg kétharmadának magasságáig, itt már nagyon ritka a levegő, s ezért van szüksége a legtöbb hegymászónak oxigénpalackra a hegycsúcs megmászásához. A légköri tömeg 99%-a az alsó 30 km-es légrétegben található.

A földfelszínhez legközelebbi, legalsó réteg a troposzféra, ahol a légkör össztömegének mintegy 80%-a található, valamint ez az időjárási események fő színtere is. A beérkező napsugárzás felmelegíti a felszínt, mely alulról melegíti a légrétegeket. Ezáltal a troposzférában a hőmérséklet a magassággal felfelé haladva csökken: átlagosan 0,65 °C-kal 100 méterenként. Ez a réteg a tropopauzánál ér véget, mely a földrajzi szélesség függvényében mintegy 8–16 km-es magasságban található: a Föld tengely körüli forgásából adódó lapultság miatt az Egyenlítő közelében magasabban, a pólusok környékén alacsonyabban helyezkedik el. A tropopauzánál a léghőmérséklet átlagosan -50 °C és -60 °C közötti.

A troposzféra felett található a sztratoszféra, mely a mintegy 50 km-es magasságú sztratopauzáig terjed. Ez a légköri réteg tartalmazza a teljes légkör össztömegének 19,9%-át. A légkör ózontartalmának nagy része a sztratoszférában található, mely elnyeli a beérkező napsugárzás egy részét. Ez az oka annak, hogy e réteg nagy részében a hőmérséklet a magassággal felfelé haladva növekszik. Kivétel ez alól az alsó 9 km vastagságú izoterm réteg, ahol a hőmérséklet nem változik a magassággal. Néhány időjárási esemény a sztratoszférában is megjelenhet. Például a zivatart okozó cumulonimbus felhők legfelső része a troposzférán túlnyúlva nagyobb magasságig is növekedhet, vagy a poláris, illetve szubpoláris jet szintén megjelenhet a sztratoszféra alacsonyabb részein. A réteget lezáró sztratopauza magasságában a léghőmérséklet ismét elég magas, -5 °C és 0 °C közötti.

A harmadik rétegben, a mezoszférában újból csökken a hőmérséklet a magassággal felfelé haladva. Ennek tetején, a mintegy 80 km-es magasságú mezopauza szintjén észlelhetjük a légkörben a legalacsonyabb hőmérsékleti értéket, mely akár -90 °C-nál is alacsonyabb lehet. A mezopauza fölött található a legfelső réteg, a termoszféra, ahol már nagyon ritka a légkör, s a hőmérséklet növekszik a magassággal felfelé haladva. A magas hőmérsékletet (mely akár 1500 °C mértékű is lehet) az okozza, hogy az itt található oxigénmolekulák elnyelik az intenzív napsugárzást. Az 1000 °C fölötti hőmérsékleti értékek nagyon magasnak tűnnek, azonban ehhez a magas hőmérséklethez összességében nagyon kicsi energia tartozik. Ugyanis a gázok által tárolt energiát részben a tömegük határozza meg, s mivel ebben a magasságban már nagyon kevés gázmolekula található, ezért ezek összességében kis tömeget képviselnek. A kisszámú gázmolekula egymástól nagy távolságra található, ez az oka annak, hogy a hőmérővel történő hőmérsékletmérés ebben a magasságban nem lehetséges.

A légkör összetétele

A földi légkör a bolygót körülvevő gázburok, melyet a gravitáció tart meg. A földi légkör számos kedvező tulajdonsággal rendelkezik, melyek közül hármat emelünk ki:

  1. védi az életet azáltal, hogy kiszűri a Nap ultraibolya-tartományú sugárzását, mely minden élőlény számára ártalmas,

  2. az üvegházhatás révén melegíti a földfelszín közeli légréteget,

  3. csökkenti a nappalok és az éjszakák közötti hőmérsékleti szélsőségeket.

Száraz levegőt feltételezve a földi légkör fő összetevői (1.3.3.1. ábra): nitrogén (78%), oxigén (21%), argon (1%). A többi gázt összefoglalóan nyomgáznak nevezzük, ezek közé soroljuk az üvegházgázokat (pl.: vízgőz, szén-dioxid, metán, dinitrogén-oxid, ózon).

1.3.3.1. ábra

A nitrogén és az oxigén fontos építőkövei a földi életnek. A nitrogén főként a nitrogénmegkötő baktériumok által kerül ki a légkörből, valamint a zivatarokhoz kapcsolódó villámlás és csapadéktevékenység során mosódik ki. A légkörbe történő visszakerülés elsődleges formái a biomassza-égetés és a denitrifikáció. Az oxigén fontosabb cserefolyamatai a fotoszintézis és az élőlények légzése. A fotoszintézis során, amikor a légköri szén-dioxid és vízgőz felhasználásával a napfény hatására glükóz képződik, oxigén jut a légkörbe. A légzés ennek fordítottja, azaz az oxigén és a glükóz kémiai reakciója energiát biztosít az élő szervezet számára, s ennek során víz és szén-dioxid keletkezik.

A vízgőz mind térben, mind időben nagyon változó mennyiségben van jelen a földi légkörben. A legnagyobb koncentrációértékek az Egyenlítő környezetében, az óceánok felett, illetve a trópusi esőerdőkben mérhetők. A hideg, poláris területeken, valamint a sivatagi térségekben rendkívül alacsony a vízgőztartalom, akár a 0-t is megközelítheti. A vízgőz szerepe kiemelten fontos a földi légkörben, például az alábbi folyamatokban:

  • a Föld-légkör energiamérlegének kialakításában a látens hőcsere révén;

  • a vízgőz kondenzációja során csapadék keletkezik, mely az élőlények számára nélkülözhetetlen édesvízkészlet gyakori megújítását eredményezi;

  • üvegházhatása miatt segíti a földi légkör felszínközeli rétegeinek felmelegedését.

A szén-dioxid is egy fontos üvegházhatású gáz, melynek légköri koncentrációja mintegy 38%-kal emelkedett az elmúlt két évszázadban. Ezt a növekedést elsődlegesen az emberi tevékenység váltotta ki a fosszilis tüzelőanyagok égetése révén, valamint a földhasználat megváltoztatásával, melynek oka az erdőterületek mezőgazdasági művelésre alkalmassá tétele. E folyamatok nagymértékben hozzájárultak az antropogén eredetű üvegházhatás növekedéséhez. A szén-dioxid természetes körforgásában a legnagyobb szerep az óceánok és a légkör közötti cserefolyamatoknak jut. Az élőlények a légzésük során juttatnak viszonylag nagy mennyiségű szén-dioxidot a légkörbe, s a zöld növények a fotoszintézissel vonnak ki szén-dioxidot a légkörből.

A metán egy gázmolekulára vonatkoztatva 100 éves időtartamot tekintve 21-szer erősebb üvegházhatású gáz, mint a szén-dioxid. Légköri koncentrációja 1750 óta több mint 150%-kal nőtt. A metán legjelentősebb forrásai: a rizstermesztés, a kérődző állatok tenyésztése, a termeszek, a lápvidékek feltöltése, a szénbányászat, illetve a földgáz- és a kőolaj-kitermelés. Az árasztásos technikával végzett rizstermesztés anaerob folyamatai metán felszabaduláshoz vezetnek. Szinte lehetetlen pontos becslést adni az ily módon felszabaduló metán mennyiségére, hiszen a világ rizstermesztésének mintegy 60%-a Indiában és Kínában történik, ahol nincs lehetőség pontos méréseken alapuló kutatásokat végezni. Tény, hogy 1950 óta a világ rizstermesztése megduplázódott, s a kutatók becslései alapján a XX. század eleje óta pedig már megnégyszereződött. Ezen adatok alapján jogosnak tűnik az a feltételezés, hogy a légköri metán növekedésének egyik legjelentősebb tényezője a rizstermesztés.

A dinitrogén-oxid egy gázmolekulájára vonatkoztatott üvegházhatás mintegy 310-szerese a szén-dioxidénak 100 éves időtartamot tekintve. Koncentrációja jelenleg 0,2–0,3%-kal nő évente. Elsődleges antropogén forrásai a műtrágyázásból származnak, mely szélsőséges esetben erdőpusztuláshoz, s a vízi ökoszisztémák eutrofizációjához vezethet. Az emberi tevékenységek közül a földhasználat változása (főként az erdők és szavannák mezőgazdasági területté való alakítása), valamint a fosszilis tüzelőanyagok és a biomassza égetése is jelentős mértékben hozzájárul a légköri mennyiség növekedéséhez.

Az ózon szintén üvegházhatású gáz. A légkörben két különböző rétegben található meg: a nagyobb része (kb. 97%-a) a sztratoszférában (15–55 km magasságban), kisebb koncentrációban a felszínközeli légrétegben (a troposzférában). A troposzferikus ózon koncentrációja a nagyvárosok környezetében növekszik, s a városi szmog egyik fő alkotóeleme. E gáz jelenléte káros az élőlények szervezetére, mivel agresszív oxidáló hatása révén roncsolja a légzőszerveket. A sztratoszférikus ózon szerepe nagyon jelentős, pozitív hatású az élőlények számára, mivel elnyeli a Napból érkező káros ultraibolya-sugárzást, s ezáltal nem engedi lejutni a felszín közelébe. Az utóbbi évtizedekben jelentősen csökkent az ózon mennyisége ebben a rétegben, elsősorban az Antarktisz fölött a déli félgömb tavaszi időszakában. A kevesebb sztratoszférikus ózon hatására több ultraibolya-sugárzás jut le a földfelszínre, ahol az élőlények DNS-molekuláit roncsolja, s bőrrákot okozhat. Az ózon mennyiségcsökkenésének következtében alakult ki az ún. ózonlyuk, melynek azt a területet nevezzük, ahol az ózon légköri mennyisége nem éri el a 220 Dobson-egységet. E terület növekedését illusztrálja az 1.3.3.2. ábra az 1980–2008 közötti időszakban. Jól látható e térség kiterjedésének drámai növekedése, mely az 1990-es évek közepére már elérte Észak-Amerika összterületét.

1.3.3.2. ábra Forrás: NASA adatok alapján

Az ózonréteg elvékonyodásáért az emberi tevékenységekkel a légkörbe juttatott CFC-gázok tehetők felelőssé, melyek a felszínközeli légrétegekben ugyan stabil vegyületek, de feljutván a sztratoszférába halogén elem katalizátorként segíti az ózon bomlását. A probléma megoldására született a Montreáli Jegyzőkönyv 1989-ben, melyben az aláíró országok a CFC-kibocsátás korlátozásában, majd a későbbi módosítások során a teljes beszüntetésében állapodtak meg.

Sugárzási törvények

A Napból érkező sugárzási energia vagy sugárzás elektromágneses hullámok formájában terjed, és csak akkor alakul hőenergiává, amikor elnyeli egy tárgy. E hullámoknak tovaterjedésükhöz nincs szükségük közegre, az Einstein-féle speciális relativitáselméletből következően egyszerre vannak hullám és részecske tulajdonságaik. Vákuumban (légüres térben) állandó (300 000 km/s) sebességgel haladnak. A sugárzási energia és a hullámhossz egymással fordítottan arányos, azaz minél kisebb a sugárzás hullámhossza, annál nagyobb az általa hordozott energia mennyisége (E = h×c/l = h×n, ahol E az energia, c a fénysebesség, l a hullámhossz, n a frekvencia, h pedig a Planck-állandó). Az 1.3.4.1. ábrán bemutatjuk néhány ismert elektromágneses sugárzás jellemző hullámhosszát. Az ábráról leolvasható, hogy a hullámhosszak jelentős mértékben eltérnek egymástól, a legnagyobb és a legkisebb jellemző hullámhossz között 11 nagyságrend eltérés van.

1.3.4.1. ábra Forrás: NASA illusztráció alapján lefordított ábra: http://mynasadata.larc.nasa.gov/ElectroMag.html">http://mynasadata.larc.nasa.gov/ElectroMag.html

Minden test, amelynek hőmérséklete az abszolút nulla fok (–273 °C) felett van, energiát sugároz ki elektromágneses sugárzás formájában, melynek hullámhossza a test hőmérsékletétől függ. Ezt a nagyon fontos állítást akár a nulladik sugárzási törvénynek is nevezhetjük. Azon nem csodálkozunk, hogy egy forró radiátor vagy a Nap energiát sugároz, de a fenti törvény értelmében azt is el kell fogadnunk, hogy a relatíve hűvös Föld bolygó vagy a sarki jégsapkák dermesztően hideg jégmezői is hőenergiát sugároznak. A sugárzástanban leggyakrabban az ún. abszolút hőmérsékleti skálát használjuk, melynek mértékegysége a kelvin (0 K = –273 °C, továbbá 1 K hőmérséklet-változás megfelel 1 °C hőmérséklet-változásnak).

További négy fontos törvényszerűség szabályozza a vákuumban zajló sugárzási viszonyokat, melyekkel közelítjük a Nap–légkör–Föld rendszer folyamatait is.

I. Egy adott hőmérsékletű test által kisugárzott energia elektromágneses spektrumát (hullámhossz szerinti eloszlásfüggvényét) írja le a Planck-törvény, azaz, hogy mely hullámhosszon mennyi energiát sugároz ki a test. Minden testre kiszámítható és megrajzolható egy ún. Planck-függvény, ahogy azt az 1.3.4.2. ábrán is láthatjuk.

1.3.4.2. ábra

A Planck-függvények tulajdonságait az alábbiakban foglalhatjuk össze:

1. A teljes spektrumon (hullámhossztartományon) kisugárzott energia mennyisége (melyet az 1.3.4.2. ábrán a görbe alatti terület reprezentál) annál nagyobb, minél nagyobb a sugárzó test hőmérséklete.

2. A maximális energiakisugárzáshoz tartozó hullámhossz (lmax) annál nagyobb, minél kisebb a test hőmérséklete, azaz lmax fordítottan arányos a test hőmérsékletével.

II. A Kirchoff-törvény megállapítja, hogy a test által kibocsátott (emittált) és elnyelt (abszorbeált) energiák hányadosa nem függ az anyagi minőségtől, azaz a jól elnyelő test egyben jó kisugárzó is, illetve a gyengén elnyelő test egyben gyengén kisugárzó.

III. Az egyik legnagyobb jelentőségű sugárzási összefüggés a Stefan–Boltzmann-törvény, melyet a Planck-törvényből vezethetünk le. Ennek alapján a teljes hullámhosszspektrumon kisugárzott összes energia mennyisége (E) az alábbiak szerint írható fel:

E = sSB·T4 [W/m2],

ahol sSB·a Stefan–Boltzmann-állandó és értéke sSB·= 5,67·10–8 [W/m2K4] és T, a sugárzó test hőmérséklete kelvin egységben. E törvény kimondja, hogy a test által kisugárzott teljes energia mennyisége csak a sugárzó test hőmérsékletétől függ, s annak negyedik (!) hatványával arányos.

IV. Az utolsó a sugárzási összefüggések sorában a Wien-féle eltolódási törvény, mely szintén levezethető a Planck-törvényből. Eszerint

lmax = 2884/T [mm].

Ez az állítás azt jelenti, hogy a sugárzó test azon hullámhossza, melyen maximális energiával sugároz, nagyon egyszerűen számítható, s e hullámhossz fordítottan arányos a test abszolút hőmérsékletével.

A fenti törvények szigorúan véve az abszolút fekete testekre érvényesek (abszolút fekete testnek azt a tárgyat nevezzük, amely a ráeső összes sugárzást elnyeli, valamint a hőmérsékletének megfelelő maximális energiával sugároz). Mérésekkel igazolható, hogy jó közelítéssel az előbbi összefüggések alkalmazhatók nem abszolút fekete testekre is (mint amilyen a Nap vagy a Föld).

Sugárzási egyenleg

Annak ellenére, hogy egy helyszínen a hőmérséklet jelentős mértékben változik évről évre, ha az egész földi légkört tekintjük, akkor sugárzási szempontból a beérkező és a Földet elhagyó sugárzás hosszú idő átlagában egyensúlyban van. Ennek az egyensúlynak a komponenseit mutatja az 1.3.5.1. ábra, melyen a bal oldalon a Napból származó rövidhullámú sugárzási egyenleg elemeit, a jobb oldalon pedig a hosszúhullámú sugárzási egyenleg részleteit láthatjuk.

1.3.5.1. ábra Forrás: IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change – Klímaváltozási Kormányközi Testület) 2007.

Becslések szerint a földi légkör felső határán belépő rövidhullámú 342 W/m2 energiamennyiségből 77 W/m2 visszaverődik a légköri részecskékről (gázrészecskékről, aeroszolokról, felhőkről), 30 W/m2 pedig a felszínről. Így összesen 107 W/m2 energia távozik rövidhullámú sugárzás formájában a Földről, mely a teljes beérkező rövidhullámú napsugárzás kb. 31%-a. Ez az érték adja meg a Föld bolygó planetáris albedóját, azaz a visszavert és a beérkező sugárzás hányadosát. A rövidhullámú sugárzásból a maradék 235 W/m2 energia elnyelődik a föld-légkör rendszerben: a légkörben 67 W/m2, a felszínen pedig 168 W/m2. A teljes elnyelt energia hosszú hullámhosszú sugárzás formájában hagyja el a földi légkört, melynek mennyisége az energiaegyensúly miatt szintén 235 W/m2. A felszín 102 W/m2 energiát ad át a légkörnek az ún. szenzibilis és látens hő formájában. Míg a szenzibilis hőáram a konvektív feláramlási folyamatokon keresztül halad felfelé a légkörben, addig az ennek mintegy háromszorosát kitevő látens hő szolgáltatja a víz párolgásához szükséges energiát. A felszín felfelé irányuló hosszúhullámú kisugárzása 390 W/m2, a légköré 165 W/m2, s a felhőké 30 W/m2. A légkör nemcsak felfelé, hanem lefelé, a felszín felé irányuló sugárzást is kibocsát, melynek mértéke 324 W/m2. Így mind a teljes Föld bolygó, a felszín, s a légkör sugárzási egyenlege több éves időskálán egyensúlyban van. Természetesen egy-egy földrajzi helyen ez az egyensúly nem teljesül, az alacsony földrajzi szélességeken állandó energiatöbblet, a magas földrajzi szélességeken energiahiány keletkezik. Ennek kiegyenlítésére indul meg a nagy energiákat szállító globális óceáni és légköri cirkuláció.

A leckéhez kapcsolódó további kiegészítő információk

A lecke célja az éghajlati rendszer elemei közül a légkörben zajló folyamatok megismerése, ezek tér- és időskáláinak összehasonlítása, a légkör vertikális rétegződésének és összetételének megtanulása, a sugárzási törvények elsajátítása, valamint a Föld-légkör rendszer sugárzási egyenlegének összegzése. A becsült tanulási idő témánként 0,4 óra, a teljes leckére 2 óra.