Környezeti klimatológia II.
Makra László
Előadások • Február 6: Bevezetés; • Február 13: Az alsó légkör; • Február 20: A felső légkör és a sztratoszférikus folyamatok;
• Február 27: Az időjárás; • Március 5: Felhők és részecskék;
• Március 12: Városok éghajlata; • Március 19: Fejezetek a biometeorológiából; • Április 2: Az óceánok; • Április 9: Élelmiszer és éghajlat; • Április 16: Az ember hatása az éghajlatra; • Április 23. Globális klímaváltozás
• Április 30. ZH
Ajánlott irodalom: • Makra László honlapja (http://www.sci.uszeged.hu/eghajlattan/magyar.html) → oktatási segédanyagok → Levegő és egészség; • Makra László honlapja (http://www.sci.uszeged.hu/eghajlattan/magyar.html) → oktatási segédanyagok → Bevezetés a klímaváltozásba; • Trenberth, K.E. (ed.), 1992: Climate System Modeling. Cambridge University Press, 788 p. ISBN 0 521 43231 6 • Guidelines for air quality, 2000: World Health Organization, Geneva, 190 p. http://www.who.int/peh/air/Airqualitygd.htm • Környezeti klimatológia II. ppt előadások; Makra László honlapja (http://www.sci.uszeged.hu/eghajlattan/magyar.html) → oktatási segédanyagok;
Bevezetés
1. Időjárás 2. Éghajlat 3. A légkör 4. Az alsó légkör 5. A felső légkör 6. Felhők és részecskék 7. Városok éghajlata 8. Az óceánok 9. Élelmiszer és éghajlat 10. Az ember által módosított éghajlat
1. Időjárás
Az időjárást úgy határozhatjuk meg, mint a légkör egy rövid idejű, helyi állapota, és nem szabad összekeverni az éghajlattal. A meteorológusok az éghajlatot úgy definiálják, mint az időjárási helyzetek hosszú idejű összessége. Ahhoz, hogy egy bizonyos területen meghatározzuk az éghajlatot, információkat gyűjtünk az időjárásról meghatározott időn keresztül, általában néhány évtizedig. Hogyan tudjuk meghatározni az időjárást?
Helyi megfigyelések Az időjárás megfigyelése különböző paraméterek mérését foglalja magába: 9 légnyomást barométerrel 9 hőmérsékletet hőmérővel 9 nedvességet higrográffal, vagy pszichrométerrel 9 szélirányt és -sebességet anemométerrel 9 csapadékot (eső, hó) csapadékmérő edénnyel 9 sugárzást pl. napfénytartammérővel, vagy pirheliométerrel
Az időjárás műholdas megfigyelése az űrből. Nyugat-Európa műholdképe
A időjárás megfigyelés eszközei: (1) légnedvességíró, (2) hajszálas légnedvességmérő, (3) szélsebességmérő, (4) csapadékmérő, (5) napfénytartammérő
Időjárási térkép jelei. (Felülről lefelé, balról jobbra: hideg front, stacionárius front, meleg front, magas légnyomás, okklúziós front, alacsony légnyomás)
Ezeket az adatokat számos meteorológiai állomáson mérik, vagy automatikusan, vagy megfigyelők segítségével. Az információkat összegyűjtik, és különböző területek időjárási térképeinek előállítására használják fel őket. Alkalmazzák őket számítógépes modellekben, hogy időjárás előrejelzés készítése végett.
Frontális rendszerek akkor alakulnak ki, amikor két különböző hőmérsékletű légtömeg találkozik. Mivel a meleg levegő könnyebb, mint a hideg, a hideg réteg fölé emelkedik. A frontokat a gyorsabban mozgó légtömeg alapján nevezzük el. Ha a meleg levegő gyorsan mozog a hideg levegő felé, a határfelületet a két légtömeg között melegfrontnak nevezzük. Az időjárás gyorsan változik, ha hidegfront halad át, lassabban, ha melegfront.
Hidegfront
Melegfront
Hidegfront akkor keletkezik, amikor a gyors mozgású hideg levegő utoléri a meleg levegőt. Mivel a hideg levegő sűrűbb, mint a meleg, a meleg levegőt feltolja a nagyobb magasságokba, míg alul hideg réteg alakul ki. A meleg levegő felemelkedés közben lehűl, és ha elég vízgőzt tartalmaz, ez a nedvesség kicsapódik felhő formájában, ami esőt okozhat. Néha nagy függőleges kiterjedésű felhők alakulnak ki (pl. cumulonimbus (zivatarfelhő), ami gyakran zivatart eredményez, intenzív csapadékkal.
Alacsony nyomású rendszer hideg és melegfronttal.
Melegfront akkor alakul ki, amikor a meleg levegő a légkör alsó részében lévő hideg levegőre siklik fel. Mivel ehhez a folyamathoz idő kell, az időjárásban ekkor bekövetkező változások nem olyan gyorsak, mint a hidegfrontnál, hanem akár több nap is szükséges hozzá. Okklúziós front akkor fordul elő, amikor a hidegfront utoléri a melegfrontot.
Általános cirkuláció A légnyomás a földfelszín egyes helyein különböző, ami részben arra vezethető vissza, hogy eltérő mennyiségű hőenergiát kapnak a Napból. Amikor a Nap felmelegíti a földfelszínt, a fölötte lévő levegő felmelegszik, kitágul, könnyebbé válik és felemelkedik. A felette levő levegő feljebb nyomódik, és azután vízszintesen szétáramlik. A vízszintes szétáramlás miatt kevesebb a levegő a talaj fölött, ahol a felmelegedés lejátszódott, így ott alacsony légnyomású terület alakul ki. Ahogyan a levegő emelkedik, úgy hűl. Miközben hűl, a levegő sűrűbbé válik, és lesüllyed. Ez a süllyedés azt jelenti, hogy több a levegő a talaj fölött ezen a területen, és magas nyomású terület alakul ki. A levegő a magas nyomású terület felől az alacsonyabb nyomású felé mozog, hogy kiegyenlítse a nyomáskülönbségeket, ily módon vízszintes légáramlás keletkezik, melynek eredményeképp légköri cirkuláció jön létre. Ugyanez történik kisebb skálán is, a tengeri szél kialakulásakor nappal, és a szárazföldi szél kialakulásakor éjszaka. Ezt mutatja a következő animáció. A nap folyamán a szárazföld gyorsabban melegszik fel, mint a tenger, és felmelegíti a fölötte lévő levegőt. Éjszaka a tenger lassabban hűl le, mit a szárazföld, így a levegő melegebb a tenger, mint a szárazföld fölött. Mindkét esetben a meleg levegő felemelkedik, és alacsony nyomású terület (L) alakul ki alatta. A magas nyomású terület (H) felől a levegő az alacsony nyomású terület felé mozog, hogy kiegyenlítse a nyomáskülönbségeket. Nagy magasságokban, a levegő ellentétes irányba szállítódik.
Tengeri szél – parti szél. A képen helyi idő szerint a szárazföld felszínhőmérséklete 29,4°C-os, a tengeré 18,3°C (L = alacsony nyomást; H = magas nyomás).
Az Egyenlítő fölött a Napból érkező energia felmelegíti a talajt, emiatt a levegő ott felemelkedik, és egy alacsony nyomású területet hoz létre. Ahogyan a levegő emelkedik, lehűl, és a benne levő vízgőz kihull. Ezért olyan csapadékosak a trópusi területek. A levegő a ~30 °É és ~30 °D szélességek térségében süllyed le, magas nyomású zónákat alakítva ki. Mivel a levegőből már majdnem minden víz kihullott, a lesüllyedő levegő igen száraz és ezért találhatók
A fő globális cirkulációs cellák, és a domináns szélirányok a Földön. Az Egyenlítő és a 30 °É, illetve a 30 °D szélességek fölött találhatók a Hadley cellák.
nagy sivatagok ezeken a szélességeken. A 60 °É és 60 °D szélességi körök térségében a hideg, sűrű, sarkok felől mozgó levegő találkozik az Egyenlítő felől érkező meleg levegővel. A meleg levegő kevésbé sűrű, ezért az felemelkedik, alacsony nyomású területet alakít ki. Ez a levegő aztán lehűl, a sarkok környékén lesüllyed és magas nyomású területet hoz létre.
Ahogyan a sarkok felé haladunk, a Föld forgása (a Coriolis erő) főként nyugatias szeleket hoz létre. Termális és földrajzi tényezők (szárazföldi, felszíndomborzati és óceáni hatások) is befolyásolják az időjárást ezen szélességeken. Emiatt itt az időjárás sokkal nehezebben jelezhető előre, mint pl. a trópusokon.
El Nińo Az időjárást tehát különböző rendszerek alakítják, melyek a dinamikus légkör különböző helyein működnek. Egyes jelenségek (pl. a Hadley cella) mindig megtalálhatók, de vannak rövid idejű fluktuációk is a légköri cirkulációban, amelyek olyan jelenségekhez vezetnek mint pl. az El Niňo és az Észak-atlanti Oszcilláció. Habár ezek rövid életűek, mégis nagy hatásuk van időjárásunkra.
Az El Niňo-nak köszönhető változások: A narancssárgára színezett területek szárazzá válnak, a kékek nedvesebbé, a pirosak pedig melegebbé. A felső ábrán az északi félteke tele, az alsón a nyara látható.
El Niňo a tengervíz jelentős felszíni hőmérsékleti anomáliája Dél-Amerikától nyugatra, a Csendes-óceán Egyenlítőhöz közeli területein. A jelenséget először perui halászok figyelték meg, mivel ez hatással van a kifogható halak fajtájára és mennyiségére. Kutatók nemrégiben bebizonyították, hogy az El Niňo számos kontinensen befolyásolja az időjárást. Az El Niňo heves esőzéseket okoz Dél-Amerika délkeleti részén, az átlagnál kevesebb csapadékot Észak-Brazíliában. Szintén ez a jelenség a felelős Ausztráliában és Indonéziában az aszályokért, valamint Észak-Amerika enyhe teleiért.
2. Éghajlat
Egy új kor a Föld történetében? Visszatekintve a geológiai múltba, láthatjuk, hogy drasztikus változások voltak a Föld éghajlatában, és sokkal több szélsőséges változás volt, mint amivel most szembenézünk. Bolygónk, és rajta az élet, túlélt már ilyenfajta változásokat a múltban. A jelenlegi változás az éghajlati rendszerben valóban olyan szokatlan? A geológiai kor néhány millió évet jelent, néha még több száz millió évet is. Ilyen időskálát nem lehet összehasonlítani az emberi történelemmel. Az utolsó jégkorszak óta, ami kb. 10.000 éve fejeződött be, bolygónkon inkább stabil meleg periódus volt. Az emberi civilizáció története az első jól szervezett civilizációkkal kezdődött (egyiptomi, sumér, stb.), amelyek eddig kizárólag csak a stabil meleg időszakban fordultak elő. Most a tevékenységünknek köszönhetően a természetes világot változtatjuk meg, és még nem tudjuk, hogy az emberiség miként tud alkalmazkodni a várható drasztikus éghajlatváltozáshoz.
Szén-dioxid koncentráció és a becsült hőmérséklet az elmúlt 20.000 évben. Kb. 18.000 évvel ezelőtt az utolsó jégkorszaknak volt a maximuma (a kis térkép a jégtakaró kiterjedésé mutatja). Kb. 3.300 évvel ezelőtt Eknaton és Nofrétete (mellszobor, Egyiptomi Múzeum, Berlin) uralkodott Egyiptomban.
A következő ábra azt mutatja, hogy a szén-dioxid (CO2) keverési arány és a földi hőmérséklet jól korrelál egymással. A sarki jégtakaróban lévő légbuborékokból származó információk megengedik, hogy 400.000 évre visszatekintsünk a múltba. A CO2 keverési aránya a jégkorszak ideje alatti 180 ppm (milliomod rész) és a meleg korszakbeli 280 ppm között változott. A mai szintje eléri a 370 ppm értéket az antropogén emisszióknak köszönhetően, ami a szerves fosszilis üzemanyagok elégetéséből származik. Egyik ősünk sem tapasztalt ilyen viszonyokat. A 20. század második felében egyre inkább tudatosodott bennünk, hogy éghajlatunk változik.
A jégben lévő légbuborékok és az üledékekben lévő nyomok korábbi évezredek tanúi. Az elmúlt 400.000 évre visszamenően a szén-dioxid szintje a jégkorszak idejére kimutatott 180 ppm-ről 280 ppm-re változott, ami a meleg időszak alatt jellemző. 400.000 évvel ezelőtt az emberi nem olyan korai képviselői éltek a Földön, mint a homo heidelbergensis (rekonstruált profilja a kép bal oldalán a látható). 100.000 évvel ezelőtt a homo neanderthalist találhatjuk a Földön (rekonstruált profilja a kép jobb szélén a látható).
A Nap… azon energia forrása, ami irányítja az éghajlati rendszerünket. Ez az energia sugárzás útján szállítódik az űrben. Ha csekély változás történik a Nap aktivitásában, vagy a Föld Nap körüli pályájában, ezeknek közvetlen hatásuk lesz az éghajlatunkra.
A Nap röntgenképe
A légkör... A Nap aktivitásában történő változás általában szabályos, és nem tűnik olyan nagynak, hogy jelentősen megváltoztatta volna éghajlatunkat az elmúlt 1000 évben. Tanulmányozni tudjuk, hogy mennyi energia érkezik a Napból a légkör külső határára, és ebből mennyi éri el a földfelszínt. A földi légkör ezen részét troposzférának nevezzük, és ez a Föld felszínétől 8 és 15 km magasságig terjedhet. Elemezzük az üvegházhatást, s azt, hogy az üvegházgázok milyen játszanak abban, hogy a Nap energiáját visszatartsák a légkörben. Bemutatjuk a kémiai reakciók sokaságát, ami ebben a régióban zajlik le, valamint a növényekből és a tüzekből származó emissziók hatásait. Tárgyaljuk az ózon szerepét is, ami a nyári fotokémiai szmogért felelős a troposzférában (ALSÓ LÉGKÖR). A következő légköri réteg a sztratoszféra, ami nagyjából eléri az 50 kmes magasságot. Itt található az ózonréteg – áttekintjük az itt zajló folyamatokat – ami megvéd minket a Napból érkező káros UV sugárzástól. Bemutatjuk, hogy az ózon miként kerül ki a sztratoszférából, miért alakul ki az ózonlyuk, továbbá azt, hogy ez a folyamat milyen a hatást gyakorol a klímára (FELSŐ LÉGKÖR).
A légkör vertikális hőmérsékleti profilja a troposzférával (T), a sztratoszférával (S) és a mezoszférával (M).
A troposzféra és sztratoszféra együtt a légkör tömegének több, mint 99 %-át adja. A Földön megfigyelhető időjárási események az alsó 15 km-es légrétegben zajlanak le. A Föld forgása és a felszínre jutó napsugárzás regionális különbségei (meleg Egyenlítőt, hideg sarki területek), az óceánokkal és kontinensekkel, valamint a változó felszíndomborzattal az időjárást rendkívül bonyolult rendszerré teszik (AZ IDŐJÁRÁS).
A felhők átlagosan az égbolt 60 %-át borítják, és kölcsönhatásba lépnek a Napból érkező fénnyel és energiával. A felhők a fénysugárzást visszaverik az űrbe, ugyanakkor a Földről érkező hő egy részét elnyelik. Ez az a hő, ami a Föld felszínét melegen tartja. A csapadék eltávolítja a levegőből a részecskéket és a gázokat, ezáltal tisztítja a levegőt. A víz párolgása energiát igényel. A felhőképződés megindulásához parányi részecskék szükségesek, s ebben a fejezetben áttekintjük, hogy ez miként történik, és ezek a részecskék honnan származnak. A felhőket és részecskéket nehéz az éghajlati számítógépes modellekbe beépíteni, ezért ezek a legfontosabb ismeretlenek a szimulációkban és a klíma előrejelzésében (FELHŐK ÉS RÉSZECSKÉK).
A talajon… Mi történik a Föld felszínén? A legtöbb ember városokban él. A városok éghajlatának saját szabályai vannak. Módosulnak a szélviszonyok a természetes felszín fölöttihez képest. A felszín legnagyobb részt mesterséges, a víztározás erősen lecsökkent, a városi felszín fölött nagyobb a sugárzáselnyelés, s az antropogén fűtés (ipar, közlekedés, lakások) tovább melegíti a várost. A városok erős helyi légszennyező források is, ami elsősorban a közlekedésből és az iparból származik. Áttekintjük, milyen anyagok kerülnek a légkörbe, és milyen a hatásuk az éghajlatra (VÁROSOK ÉGHAJLATA).
Az óceánok befolyásolják az éghajlatot, ugyanakkor rájuk is hat az éghajlatváltozás. A Napból származó hőt az óceánok vize tárolja, s az egyenlítői területekről a sarkvidékek felé szállítja azt, lehetővé téve az életet a Földön. Az óceánok az ember által kibocsátott szén-dioxid kb. egyharmadát veszik fel, és tárolják a mély tengerekben. Ezen a módon csökkentik a globális felmelegedést. A felszíni vizekben lévő parányi növények (fitoplanktonok) segítenek ennek a szén-dioxidnak a felvételében. A fitoplanktonok kénvegyületeket is kibocsátanak, melyek szintén befolyásolják az éghajlatot: segítenek a felhőképződésben, ami szintén fontos éghajlat-módosító tényező. A globális felmelegedés hatással van az óceánokra. A leginkább nyilvánvaló következmény a növekvő tengerszint. Mivel a Föld népességének kb. 60 %-a a tengerpart menti 100 km-es sávban él, a tengerszint emelkedése komoly problémát okozhat a népességnek (AZ ÓCEÁNOK).
Az óceáni cirkuláció vázlatos képe (NASA). A világos színű sáv mutatja a felszíni vizek általános mozgását, a sötéttel jelzett útvonal pedig a vizek mozgását a mélyben. A számok a következű áramlatok elhelyezkedését mutatják: 1. A Golf-áramlás, mely a trópusokról Észak-Európa felé szállít hőt. 2. az Észak-atlanti mélytengeri leáramlás helye, ami az erős hűlés eredménye. 3. az Antarktiszi mélytengeri áramlás, melynek oka az Antarktisz körüli tengerjég.
2 1
3
Ha az éves csapadék túl alacsony, ha nagy területeket önt el az árvíz, ha megfagy, vagy ha hőhullámok alakulnak ki, a növény kritikus fejlődési időszakában, ez befolyásolja élelmiszerellátásunkat. A valószínűleg lehetséges klímaváltozás becslése segít abban, hogy alkalmazkodjunk ehhez a gazdálkodási technikákban, s így megelőzzük az élelmiszerhiányt. Néhány területen az éghajlatváltozás megkönnyíti majd a növénytermelést. Más területeken, főleg a szegény és fejlődő országokban, a gazdálkodás feltételei rosszabbak lesznek (ÉLELMISZER ÉS ÉGHAJLAT). Az emberek változtatják az éghajlatot? Áttekintjük, hogy miként változtatjuk meg az éghajlatunkat, és mi a következménye a tevékenységünknek. Mutatunk néhány helyi példát, és elemezzük azokat a problémákat, amelyekkel a jövőben valószínűleg találkozhatunk. Láthatjuk, hogy a jövő éghajlatára vonatkozó forgatókönyvek hogyan változnak, a személyes életünktől és a politikusok tevékenységétől függően. (AZ EMBER HATÁSA AZ ÉGHAJLATRA).
Dolgozni a jégen – kemény munkafeltételek, de fontos, hogy megértsük az ember hatását, és az éghajlat történetét.
Mivel az Antarktisz olyan meszsze van az emberi tevékenységtől, ez a legtisztább hely a Földön. Az Antarktiszon a nyomgázok mérése megmutatja számunkra, hogy miként terjednek az emissziók globálisan. A jégtakaró az elmúlt évmilliók során összetömörödött hóból és jégből áll. A jég a képződése idejéből származó légbuborékokat tartalmaz. Az ezen buborékokban található levegő vizsgálata sokat elárul a múlt éghajlatáról.
Ezen adatokat, továbbá az éghajlati változók értékeit számítógépes modellek bemenő paramétereiként használják. A modellek segítenek megbecsülni, hogy miként változik éghajlatunk a jövőben.
Éghajlatunk megértése Éghajlati rendszerünk rendkívül bonyolult, és még nem ismerjük minden befolyásoló tényezőjét. Ez megnehezíti a modellfuttatásokat, amelyek az éghajlat jövőbeli alakulását szimulálják, habár a világ legnagyobb szuperszámítógépein futtatnak ilyen modelleket. Még ha tudnánk is olyan számítógépes modelleket kifejleszteni, melyek valósághűen mutatják be, hogy mi is történik most, nem tudjuk, hogy az emberek hogyan fognak a jövőben viselkedni. Nem tudjuk, hogy a Föld népessége hogyan fog növekedni, milyen energiaforrásokat fogunk használni 50 év múlva, a különböző gazdaságok hogyan fognak fejlődni, hol és mikor fognak háborúk lezajlani és mely országok politikusai és lakosai fogják elősegíteni a fenntartható fejlődést. Nem az éghajlatkutatók azok, akik felelősek azért, hogy a jövőben mi fog történni, hanem mindannyian. Célunk ezért, hogy megosszuk tudásunkat annak érdekében, hogy betekintést nyerhessünk egy összetett rendszer működésébe, s megtudjuk, hogy mi lesz a legvalószínűbb eredménye az éghajlatváltozásnak.
3. A légkör
A levegő körbevesz bennünket A levegő, ami körülvesz bennünket, megszámlálhatatlan molekulából és atomból áll, melyek a térben mozognak. Ezek a molekulák és atomok kölcsönhatásba lépnek a Napból érkező sugárzással és egymással, kémiai reakciókat indítva el.
Ejtőernyősök – a levegő több, mint semmi
A nagyobb molekulák egymáshoz is kapcsolódhatnak, és kisebb részecskéket hozhatnak létre. Ezen részecskékre vízmolekulák csapódhatnak ki, felhőelemeket kialakítva. Ha több és több felhőcsepp képződik, s ezek növekszenek, majd felhőt képeznek, ami láthatóvá válik az égen.
Összetétel Ha a vizet nem számítjuk, a levegő a következőkből összetevőkből áll: 78,08 % nitrogén (N2) 20,95% oxigén (O2) 0,93% argon (Ar).
A levegőmolekulák, mint kis gömbök, gyorsan mozognak a levegőben.
Ez a három gáz alkotja a száraz levegő 99,96 %-át. A nyomgázok közül szén-dioxid keverési aránya a legnagyobb, a levegő mintegy 0,037 %-át teszi ki.
Minden más gáz kisebb mennyiségben található. Minden egymillió molekula közül többnyire kevesebb, mint egy molekula a többi gáz. Mindamellett, nagyon fontosak az éghajlatunkban.
A légkör kiterjedése Az ég felé nézve, könnyen túlbecsülhetjük a légkör vastagságát. Ez valójában egy igen vékony réteg a Föld fölött. Ha repülőgéppel utazunk 11-12 km magasságban (ez a troposzféra és a sztratoszféra határán található), levegőben lévő molekulák kb. 75 %-a található alattunk. Összehasonlítva, ez megfelel kevesebb, mint egy cm hóréteg vastagságnak egy négyemeletes épület tetején. Ebben a rétegben felhők képződnek, és minden időjárási esemény itt zajlik.
A légkör, mely a horizonton világoskék színnel tűnik fel, egy nagyon vékony réteg.
A hőmérsékleti profil és a légköri rétegek
A hőmérséklet, nyomás és sűrűség vertikális profilja
Nem láthatjuk a légköri rétegeket, de a hőmérséklet trendjében számos változást tudunk mérni, ahogy egyre magasabbra emelkedünk a Föld felszínétől. A hőmérsékleti trend magassági változásai határozzák meg a légkör rétegződését: A troposzféra:a legalacsonyabb légköri réteg, ahol a hőmérséklet a magassággal csökken.
A sztratoszférában, a felső légkörben, a hőmérséklet növekszik a magassággal. A sztratoszféra fölött található a mezoszféra, itt a hőmérséklet újra csökken a magassággal. Az e fölötti termoszférában a hőmérséklet a magassággal emelkedik.
A rétegek között vannak bizonyos pontok, ahol a hőmérsékleti trend megváltozik. Ezek a töréspontok a „pauzák”. Így a troposzféra és a sztratoszféra között található a tropopauza. A sztratoszféra fölött található a sztratopauza. A mezopauza a mezoszféra és a termoszféra között található, és a légkörnek ez a leghidegebb pontja. A hőmérséklet itt -100 °C alá is süllyedhet! A hőmérséklettel ellentétben, a légnyomás és a sűrűség folyamatosan csökken a magassággal, ahogy a légréteg egyre vékonyabb lesz. Ha egy bizonyos légtérfogatban 1000 oxigén molekula található a földfelszínen, akkor 50 km magasságban ugyanakkora térfogat már csak egy molekulát fog tartalmazni.
A fény és a levegő kölcsönhatása A napenergiát elnyeli a földfelszín, azaz a szárazföld s az óceánok, s ezen utóbbiak többet. Az elnyelt energiát hővé alakítják, s ez az a folyamat, ami szabályozza a hőmérséklet magassági eloszlását a troposzférában. Mi okozza, hogy e magassági hőmérsékleti profilnak változik az iránya a sztratoszférában? A levegő melegebbé válik, ha a levegőmolekulák közvetlenül a Napból képesek energiát elnyelni. A sztratoszférában található ózonmolekulák elnyelik a napsugárzás energiáját. Ezen molekulák tulajdonságai igen fontosak a földi élet fenntartásában. A levegőmolekulák által elnyelt energia mennyisége függ magától a molekulától és a sugárzás hullámhosszától (energiájától).
A napfény kölcsönhatásba lép a levegőben lévő molekulákkal. A sugárzás energiájától függően felbonthatja a kémiai kötéseket (UV sugárzás), rezgésre késztetheti a molekulákat (infra sugárzás), vagy ha az energiája alacsonyabb, csupán forgást indít el. 9 A mikrohullámoknak kicsi az energiája. A molekulákat forgásra késztetik, de nem tudják felbontani a kémiai kötéseket. 9 Az infravörös sugárzás (IR) egy kicsit erősebb. A molekulákat megrezegteti. Az atomok kilendülnek és a kötések hossza megváltozik. Ez akkor történik, amikor az üvegházgázok felfogják a földfelszín által kibocsátott hősugárzást. 9 Az ultraibolya sugárzásnak (UV) még több energiája van, és képes felbontani a kémiai kötéseket. Ez történik akkor, amikor az ózonrétegben lévő ózon elnyeli a Napból érkező energiát.
A sztratoszférikus ózon által a Napból érkező energia abszorpciója a napenergiát ebben a rétegben tartja, s ez az oka annak, hogy a hőmérséklet a sztratoszférában növekszik a magassággal. Ez hasonló ahhoz a folyamathoz, ami a termoszférában fordul elő, de ott az oxigén és a nitrogén az, ami elnyeli a Napból származó még nagyobb energiájú sugárzást. Az sugárzásnak akkora energiája van, hogy nemcsak felbontja a kémiai kötéseket, hanem töltött atomokat és molekulákat hoz létre, amiket ionoknak hívnak. Ezért ezt a réteget ionoszférának is nevezik.
4. Az alsó légkör
Az alsó légkör A légkör legalsó része, amit troposzféraként ismerünk, a földfelszíntől átlagosan 10-12 km magasságig terjed. A légkör ezen részében a levegő a magassággal fölfelé haladva egyre hidegebb lesz. A troposzféra és a sztratoszféra között található a tropopauza. A tropopauza egy hőmérsékleti minimum a két réteg között, melynek átlagos magassága a sarki területek fölött 8 km, míg a trópusokon 15-18 km.
Életünk a troposzférában játszódik
Hőmérsékleti profilok a troposzférában és az alsó sztratoszférában, különböző helyeken és időben. A troposzféra ott végződik, ahol a a magassági hőmérsékletcsökkenés megáll.
Vízgőz Ha meghatározzuk a levegő összetételét, arra a levegőre gondolunk, ami nem tartalmaz vizet. A víz kivételével a levegő összetétele hasonló az egész Földön. A levegőben lévő víz mennyisége nagymértékben változik, és erősen függ a hőmérséklettől. Az igen hideg levegőben 0,1 % körüli a víz térfogatszázalékos aránya, míg a nagyon meleg 4 %-ot vizet is tartalmazhat. A Déli és Északi Sarkon, valamint a felső troposzférában, ahol nagyon hideg van, a levegő kilogrammonként kevesebb, mint egy gramm vizet tartalmaz. A trópusokon, ahol a levegő meleg, akár 30 gramm vizet is tartalmazhat kilogrammonként. Ez a nagy változatosság nagyon megnehezíti a víz bekapcsolását az éghajlati modellekbe.
Néhány szabályt az alsó légkörben lezajló alapvető folyamatok megértéséhez: 1) A meleg levegő felemelkedik. Ezért keveredik reggel a levegő, amikor a Nap melegíti a talajt. 2) A víz párolog, és magasabb (= hidegebb) környezetbe jut az emelkedő levegővel. A víz körforgása 3) A hideg levegő már nem tud annyi vizet felvenni. Így az kicsapódik, és felhőket, majd csapadékot képez, s megindul a csapadékhullás. 4). A víz és a levegő emelkedése a troposzféra felső határán megáll. A troposzférában kibocsátott víz és más kémiai anyagok csak igen kis része tud átjutni a tropopauzán a sztratoszférába.
Az üvegházhatás és a globális felmelegedés Az élet a Földön nem lenne lehetséges természetes üvegházhatás nélkül. Üvegházgázok nélkül a Föld kb. 33 °C fokkal lenne hidegebb. Az átlaghőmérséklet -18 °C lenne a jelenlegi 15 °C helyett. A vízgőz és a szén-dioxid a legfontosabb üvegházgázok. A vízgőz a természetes üvegházhatás kb. 60 %-áért felelős, a szén-dioxid pedig kb. 20 %-áért. Az üvegházgázok elnyelik a Föld által kibocsátott hő egy részét, és a földfelszín közelében tartják azt.
A Föld sugárzási és energiarendszere
(1) A Nap lényegében minden energia forrása, ami eléri a Földet. (2) A napfény a Föld teljes felszínét éri. (3) A földfelszín nem nyel el minden, hozzá érkező napsugárzást, hanem egy részét azonnal visszaveri (reflexió). Az igen fényes felszínek (pl. a jég és a hó) kiváló visszaverők. (4) A reflexió nemcsak a földfelszínen fordul elő. A napsugárzás egy részét már a felhők is visszaverik. (5) A napfényt nemcsak a földfelszín nyeli el (abszorpció), hanem a levegőben lévő molekulák és részecskék is. A sugárzás felszín által elnyelt része melegíti azt. A Föld ezt a hőt infravörös sugárzás révén kisugározza. Nézzük meg, mi történik ezzel a hősugárzással. (6) A Nap által felmelegített felszín a hősugárzás forrása (hosszúhullámú infravörös sugárzás). (7) Az energia egy része a víz elpárologtatásához szükséges. (8) Az infravörös sugárzás egy része azonnal kisugárzódik az űrbe. De ez annak csak egy kis hányada. (9) A felhők nemcsak visszaverik a sugárzást, hanem elnyelik a Föld kisugárzását, majd azt újból kisugározzák hosszúhullámon, a Föld felé is. A felhős ég melegen tartja a Földet, mint egy takaró. (10) Végül vannak részecskék, gázok a levegőben, melyek elnyelik a földfelszín infravörös sugárzását. Ezeket a gázokat nevezzük üvegházgázoknak. Ezek a hősugárzásból származó energiát a felszín közelében tartják.
Melyek az üvegházgázok, és mit okoz a megnövekedett üvegházhatás?
A különböző üvegházgázok hozzájárulása az ember által okozott üvegházhatáshoz.
A legfontosabb üvegházgázok koncentrációit az ember befolyásolja: - szén-dioxid (CO2): főleg szerves üzemanyagok égéséből származik; - metán (CH4): forrásai tehenek, birkák és más kérődzők, valamint rizsföldek, szemétlerakók, továbbá olaj- és földgázmezők. - halogénezett szénhidrogének (CFC-k): hűtőrendszerekben, mint hűtőközeg, valamint habokban és tisztítóanyagként alkalmazzák. - troposzférikus ózon (O3): főleg az iparból és a közlekedésből származik. - dinitrogén-oxid (N2O): a talajokban folyó mikrobiológiai tevékenység során képződik. A kibocsátás növekszik, ha a talajt trágyázzák.
Kémia Számos vegyi reakció zajlik le a troposzférában. A vegyületek több forrásból származnak, beleértve a növényeket, ipart, járműveket és az óceánokat. Csaknem az összes szerves (szén alapú) összetevő a légkörben kölcsönhatásba lép a következő ún. fő légköri oxidánsok valamelyikével, melyek megtisztítják a légkört a káros vegyületektől: 9 hidroxil gyök - OH 9 nitrát gyök - NO3 9 ózon - O3. A hidroxil gyökök a napsugárzás hatásaként alakulnak ki. Igen reaktívak, így nem léteznek túl sokáig a légkörben. Mivel csaknem minden más vegyi anyaggal reagálnak, úgy is hívják őket, hogy a légkör mosószerei. A nitrát gyökök sötétben alakulnak ki, és a napfény hatására felbomlanak. Ezek emiatt éjszaka tisztítják a légkört. Ahhoz, hogy ezek az anyagok és az ózon létrejöhessenek, a következő összetevőkre van szükség: oxigén, napfény és nitrogénoxidok, nitrogén-monoxid (NO) és nitrogén-dioxid (NO2). E két utóbbi összetevő együttesen NOx-ként ismert.
OH – a légkör mosószere
Ózon szmog Ózon szmog események alkalmával a troposzférában magas koncentrációban alakulhat ki ózon. Mivel az ózon káros az emberi egészségre és a növényekre, számos tanulmány vizsgálja, hogy miként is képződik.
Az ózon szmog kialakulása
5. A felső légkör
A sztratoszféra jellemzői A sztratoszféra 15 - 50 km-es magasságok között található. A hőmérséklet a sztratoszférában növekszik a magassággal. Ennek az az oka, hogy a sztratoszféra magas koncentrációban tartalmaz ózont, ami elnyeli a Napból érkező ultraibolya sugárzást, és azt hővé alakítja. Ez megvéd attól, hogy az UV sugárzás elérje a földfelszínt. Ezért a sztratoszférikus ózonréteg igen fontos szerepet játszik a földi élet védelmében. Nagyon kis mennyiségű levegő mozog a troposzféra és a sztratoszféra között, így a sztratoszféra alig tartalmaz vizet. Ez azt jelenti, hogy sztratoszférikus felhők csak akkor alakulnak ki, ha elég hideg van ahhoz, hogy a kis mennyiségben jelenlévő víz kikondenzálódjon és jégkristályokat alkosson. Sztratoszférikus felhők Kiruna fölött, Svédország
Csak a hosszú élettartamú vegyi anyagok érik el a sztratoszférát. Azonban, ha egyszer a sztratoszférában vannak, sokáig ott is maradnak. A nagy vulkánkitörések (pl. EL Chicon, 1982; Pinatubo, 1991) által kibocsátott anyagok akár két évig is a sztratoszférában maradhatnak.
Repülés
Pinatubo vulkán kitörése, 1991 június, Fülöp-szigetek
A repülőgépek általában 10-12 km magasságban repülnek. A növekvő légi forgalom ennek következtében magasabb szén-dioxid (CO2), vízgőz (H2O), nitrogén-oxid (NOx), kén-oxid (SOx) és korom kibocsátásához vezet a légkörben a felső troposzféra és az alsó sztratoszféra között.
Jelenleg a repülőgépek a teljes üvegházgáz kibocsátás 2-3 %-áért felelősek, s ez a jövőben az előrejelzések alapján 3-4 %-ra változik. Ami igazán fontos, hogy ezek a magasban bocsátják a gázokat. A vízgőzkibocsátás növeli a magas szintű felhők kialakulásának a valószínűségét. Ez elnyeli a Földről származó hőt, és növeli a globális melegedést. A repülőgépek által kibocsátott nitrogén-oxidok szintén fontosak az éghajlatunknak, ezek maguk után vonják a sztratoszférikus ózon csökkenését.
Repülés – növekvő teher a légkörnek, Airbus A320
Az ózonréteg fontossága Az ultraibolya (220-320 nm közötti hullámhosszúságú) sugárzás eléri a Földet, és bőrrákot okozhat, ha elég magas dózisban érkezik. Szerencsére kellően magas koncentrációjú ózonréteg található a sztratoszférában, a 20-45 km magasságok között. A Napból érkező UV sugárzás legnagyobb részét ez az ózonréteg elnyeli, és hővé alakítja. Ez megvéd bennünket a Nap káros sugaraitól.
Az ózonlyuk A sztratoszférában az ózon képződés és bomlása egyidejűleg történik. Ózon akkor képződik, amikor a napsugárzás felbontja a oxigénmolekulát (O2) két oxigén atomra (O+O). Ezután az egyik szabad oxigén-atom kölcsönhatásba lép egy másik oxigénmolekulával, és létrehozza az ózont (O3). Az ózon napfény hatására felbomlik oxigénatomokra (O) és oxigénmolekulákra (O2). Az oxigénatom ezután kölcsönhatásba lép egy ózonmolekulával és kettő oxigénmolekulát hoz létre. Ez az ózon keletkezésnek és lebomlásnak természetes körfolyamata, ami nagyjából egyensúlyban volt, és a sztratoszférikus ózon koncentrációja relatíve konstans volt az antropogén beavatkozás előtt.
Az ózonlyuk fejlődése 2001-ben. Az animáció bal oldala azt mutatja, hogy az ózon az Antarktisz fölött milyen magasságban csökken, és termelődik vissza az év folyamán. A jobb oldal ezzel párhuzamosan mutatja a hőmérsékleti profilt.
Azonban van más mód is, ami csökkenti az ózont a sztratoszférában. A halogénezett szénhidrogének (CFC-k) nagyon stabilak a troposzférában, s így képesek elérni a sztratoszférát. A sztratoszférában az UV sugárzás hatására ezek felbomlanak erősen reagens klorid gyökökre. Utóbbiak bontják az ózont. Hasonlóan működnek a bromid gyökök, amik még hatékonyabbak. Sajnos az emberi tevékenységnek köszönhetően nagy mennyiségű klorid és bromid tartalmú vegyület (pl. CFC-k) kerülnek a sztratoszférába.
Ózonbontás a sztratoszférában
Az ózonlyuk 1979-ben, illetve 2000ben. Az ózonszintek Dobson egységekben (DU) vannak megadva, ami a pirostól az ibolya felé csökken.
Ez az extra (az egyensúlyt jelentő normálistól eltérő) ózoncsökkenés azt jelenti, hogy az ózonszint csökken a sztratoszférában. Mivel a reakcióhoz fény szükséges, és a sarki felhők nagyon alacsony hőmérsékleten képződnek, az ózonszint a legalacsonyabb az antarktiszi tavasszal, és az ózonlyuk főleg az Antarktisz fölött alakul ki. Azonban az alacsony ózonszint az Arktisz fölött is megtalálható.
Ez az ózonlyuk azt jelenti, hogy több, a Napból érkező UV sugárzás éri el a földfelszínt. Ez pedig az emberi egészség romlásához, a bőrrák előfordulásának növekvő gyakoriságához vezet, és a növényeket is károsítja.
6. Felhők és részecskék
Felhők és Részecskék A Föld átlagos felhőborítottsága 60 % körüli. Akkor figyelünk fel rájuk leginkább, amikor esik az eső. Azonban a felhők 90 %-ából nem hull csapadék. A felhők nagyon fontos szerepet játszanak a Föld energiaháztartásában. A Napból érkező sugárzás egy részét képesek visszaverni, így ez a visszavert hő már nem melegíti a Földet. De képesek elnyelni a Földről érkező hősugárzást, s íly módon melegítik a levegőt. Ebben az esetben úgy viselkednek, mint egy üvegházgáz.
Felhőtípusok és képződésük
Különböző troposzférikus felhők: stratus (St); stratocumulus (Sc);, nimbostratus (Nb); altocumulus (Ac); altostratus (As); cirrus (Ci); cirrostratus (Cs); cirrocumulus (Cc); cumulus (Cu); cumulonimbus (Cb);
A sztratoszférikus jégfelhőkön kívül, amelyeket csak ritkán és általában csak a sarki területek fölött figyelhetünk meg, minden felhő a troposzférában a földfelszín és 15 km magasság között képződik. Latin neveket adunk a felhőknek, az alakjuktól és a magasságuktól függően. Néhány felhőtípus gyakran csapadékot okoz, míg mások, pl. a magas szintű felhők, szinte soha. A felhők vízcseppeket vagy parányi jégrészecskéket tartalmaznak. Ha a környező levegő hidegebb, mint 0 °C. A cseppek a kondenzáció során képződnek. Ez akkor történik, ha a levegő túltelítetté válik, azaz nem tud több nedvességet megtartani.
Részecskék / Aeroszolok A levegőben minden folyékony és szilárd részecskét, ami nem tartalmaz vizet aeroszolnak (levegőben oldott anyagnak) nevezünk. Ilyen aeroszol lehet a talajról származó por. A városainkban is képződik por, pl. a korom az iparból és az autókból származik. Az óceánok fölötti tiszta levegőben lévő részecskék tengeri sót tartalmazhatnak (tengeri só aeroszolok). A permet, amit a hullámverés okoz, elpárolog a levegőben, és a sótartalma részecskék formájában a levegőben aeroszolként lebeg tovább. A tengerparton az ajkainkon érezhetjük a tenger ízét.
A tenger feletti troposzférából származó ásványi por
Gombák spórája, baktériumok, pollenek, biológiai bomlástermékek … mindezeket aeroszoloknak nevezhetjük, és egyes részecskék mérete lehet 100 μm, vagy akár nagyobb is. A méretskála másik végén az aeroszolok lehetnek néhány molekulából álló, ún. molekula clusterek. A modern részecskemérés lehetővé teszi még a 3 nm-es részecskék megfigyelését is (1 nm = 10-3 μm).
Az erdőtüzek is aeroszol források (Elefántcsontpart)
Tipikusan ilyenek a kénsav aeroszolok, vagy más kis méretű szerves aeroszolok, amelyek kémiai reakciók révén a levegőben képződnek. A légkörben lévő többi összetevőhöz Hasonlóan, az aeroszolok nemcsak képződnek, hanem el is távoznak a légkörből.
Aeroszolok transzportja: szennyezés örvénylik az Atlanti-óceán fölött, Franciaország nyugati partja közelében (alul balra).
A légkörből való kikerülés egyik lehetséges módja a száraz ülepedés, ami a gravitációnak és a felületekhez való tapadásnak köszönhetően egy egyszerű folyamata. Egy másik mód, amikor esik és a részecskék kimosódnak, s az esőcseppek révén visszakerülnek a talajra (nedves ülepedés). A felszínhez közeli (< 1,5 km) aeroszolok fél és kettő nap között maradnak a levegőben. A magasság növekedésével a tartózkodási idő is megnő.
Azok az aeroszolok, amelyek a sztratoszférába vulkánkitörések alatt kerülnek akár 1-2 évig maradhatnak a légkörben. Akárcsak a felhőknek, a részecskéknek is hatásuk van mind a napfényre, ami a légkörön áthaladva eléri a Földet, mind a Földről származó hősugárzásra. A részecskék csökkenthetik a légkör áteresztőképességét
A vízciklus Az óceánokban tárolt 1,4 milliárd km3 vizet összehasonlítva a légkörben lévő, mindössze 12.900 km3 vízzel (a Föld vízforrásainak kb. 0,001 %-a ), ez utóbbi elhanyagolhatónak tűnik. Azonban az éghajlati rendszernek fontos. Először is, a víz a levegőben egy folytonos mozgásban lévő anyag. Kb. 500.000 km3 halad át minden évben a légkörön evaporáció, kondenzáció, eső és hó révén.
A globális vízkörforgás
A légköri vízmennyiség évente 40-szer cserélődik ki. Másrészt, csak a légkörben lévő víz a teljes vízmennyiség azon része, amely jelentősen befolyásolja a Földre érkező, vagy az űr felé haladó sugárzást. Ha a víz mennyisége a légkörben a globális melegedésnek köszönhetően magasabb lesz, és átlagosan nagyobb lesz a felhőborítottság, akkor ennek számottevő befolyása lesz Földünk energiaegyensúlyára.
Felhők hatása az éghajlati rendszerben Ha a felhők teteje fehér, visszasugározzák a sugárzást, mint a hó és a jég. De a légkört melegen is tartják, mert az üvegházgázokhoz hasonlóan, a hősugárzást abszorbeálják. Mindkét hatás befolyásolja az átlaghőmérsékletet a Földön, pozitív vagy negatív irányban. Képzeletbeli hőmérsékletek, ha a Földünk átlaghőmérséklete 15°C. A Föld eltérő albedójú, különböző baloldalon láthatjuk, hogy milyen felszínekkel lenne befedve. Minél lenne a hőmérséklet, ha az egész magasabb az albedó (= a Föld hóval, sivataggal, mezőgazdavisszavert napsugárzás aránya), sági területtel és erdővel, vagy annál hidegebb a Föld. óceánnal lenne beborítva. Elképzelhetjük, hogy 10 %-kal több hófehér felhőnek milyen erős hatása lenne. Azonban a felhők nem mindig fehérek, és néhány felhő üvegházhatása képes még a megnövekedett napsugárzás reflexiónál is nagyobb hatást kifejteni (= megnövekedett albedó).
Különböző felhőknek más és más az albedójuk. A legkisebb az albedója a víznek, mintegy 8 %.
Amint a fenti ábra is jelzi, a felhőknek nagyon különböző tulajdonságaik vannak, melyek a légkörben lévő részecskék tulajdonságaitól is függnek. Ez teszi igen nehézzé, hogy előre lássuk, mi történik akkor, ha a globális felmelegedés magasabb vízgőztartalomhoz vezet a légkörben, s ennek következtében több felhő képződik.
7. Városok éghajlata
Városok éghajlata A Föld növekvő népessége egyre inkább a városi területekre koncentrálódik. A városi és iparosodott területeket a felszíntulajdonságok erős változása jellemzi. A természetes felszínek (rétek, erdők, mezők) átalakulnak kő- vagy betonfelszínekké. Ez befolyásolja a hő- és vízmérleget, a lefolyást, és különbségeket okoz a hőmérsékletben, csapadékban és a felhőborítottságban. A magas, éles sarkokkal rendelkező épületek megváltoztatják a szél irányát a vidéki területekhez képest.
Városi hőszigetek A városok az emissziók és az immissziók mértékében, valamint az antropogén hőtermelésben különböznek a lakatlan területektől. Gondoljunk csak a háztartásokra, a fűtésre, a világításra, az ipar és a járművekre. Ezért a városi klímát, mint egy speciális klímatípust kell tárgyalnunk, s ezt meg is tesszük ebben a különálló fejezetben.
Houston központja
A nagyvárosok helyi skálán sokkal több energiát bocsátanak ki, mint a környező területek. Ily módon városi hőszigetek alakulnak ki. Azonban, korábbi feltételezésekkel ellentétben, a kutatók többsége nem gondolja, hogy a nagyvárosok erős perturbációkat okoznak a földi éghajlatban.
A városok bizonyos területekre koncentrálódnak. A kép Európa éjszakai fényeit mutatja.
A városi hősziget hozzájárulása az elmúlt évszázad 0,4-0,8 °C közötti hőmérséklet-emelkedéséhez becslések alapján nem több, mint 0,05 °C. Különösen a minimum hőmérsékletek magasabbak, mint a vidéki területeken, ami a napi maximum és minimum különbségének csökkenéséhez vezet. Ámbár a városok éghajlata nem számottevő tényező a Föld hőegyensúlyában, de igen fontos számunkra, mivel a legtöbb ember városokban él, vagy dolgozik, és a nap folyamán számos órát tölt a városi klímában. Gondoljunk a szobánkban uralkodó feltételekre és a légszennyezésre!
A városi hősziget profiljának vázlata
Városi környezet albedója
A fenti képeken elmagyarázzuk a város éghajlatának speciális jellemzőit. A fűtésnek, termelési folyamatoknak, légkondicionálóknak és más forrásoknak köszönhetően hő termelődik a városban. Továbbá a városi felszínek jelentős része több napsugárzást nyel el, mint a természetes környezet. Az albedó (visszavert napsugárzás) alacsony (lásd: a jobb oldali ábra). A városok jobban tárolják a hőt, mert a természetes hűtési folyamatok nem működnek. Víz evaporációja (ami energiát igényel) hűti a növényzetet. A városokban azonban a felszín fedett. A víz gyorsan eltűnik a csatornákban, és a hűtőhatás alacsony.
Levegőszennyezés A városok sokféle szerves (benzol, oldószerek, aromás szénhidrogének, stb.) és szervetlen vegyületet bocsátanak ki. Míg számos szerves összetevő rákkeltő és veszélyes az emberi egészségre, másrészről globálisan nem terhelik a természetet. A szerves kibocsátás főként a növénytakaróból érkezik. A városi légszennyezés legnagyobb problémája (jelentősebb éghajlati hatással) a szervetlen kibocsátás:
NOx források Európában az egyes szektorokban 2001-ben. A katalizátorok használata ellenére a legtöbb nitrogén-oxid kibocsátás (NO + NO2 = NOx) még mindig a közlekedésből származik.
a) magas kén-dioxid kibocsátás b) magas nitrogén-oxid kibocsátás c) bizonyos aeroszol csoportok helyi koncentrációja (a globális aeroszol összetételben a sivatagi por aránya a legnagyobb) d) bizonyos vegyületek kibocsátása, amelyek megzavarják a természetes körfolyamatokat (pl. a CFC-k).
Savasodás és a savas esők
Kibocsátás szcenáriók a kén-dioxidra, nitrogén-oxidokra és a szén-dioxidra. A múltbeli és a jövőbeli értékek összehasonlítása az 1990-es értékekkel.
A kén-dioxid kibocsátás az iparból, elsősorban az erőművekből származik (energiatermelés – szénégetés). Manapság ez a kibocsátás már nem számottevő Európában. A kén-dioxid emisszió a gazdasági válságok, a volt kommunista országok alacsonyabb szintű termelése, valamint a modern szűrők alkalmazása hatására drasztikusan csökkent.
Ugyanakkor a probléma növekszik Délkelet-Ázsiában. Európában pedig még nem hozták helyre azokat a nehezen javítható károkat az erdőkben, amiket a talajok savasodása okoz.
A levegő savasodása és a savas esők a következményei a légköri kén oxidációs folyamatának, ami kénsav keletkezéséhez vezet. Továbbá a nitrogén-oxidból salétromsav keletkezik. A savas esők által okozott károk jól láthatóak az erdőkben, de az épületeken és más városi anyagokon is (lent, balra).
Savas esők által okozott károk Homokkő szobor 1702-ből, lefényképezve 1908-ban (bal), és 1969-ben (jobb).
Az erdő kihalása - Ore Gebirge, Németország
Várostervezés Régebben a városok úgy növekedtek, hogy nem foglalkoztak a környezettel. Ma már sokkal többet tudunk a különböző hőegyensúlyokról, a vízlefolyásról, és a beépített területek hátrányairól, valamint a városi áramlatokról. Ha egy modern városban egy új negyedet terveznek, ezeket a tényezőket is figyelembe veszik.
Potsdamer Platz, Berlin szélcsatorna modellje
A magas épületeket gyakran tesztelik szélcsatornában, és a modern házakat energiatakarékos burkolattal lehet megépíteni. Az ilyen technikák még mindig drágák, de meghatározhatják a jövő városait.
8. Az óceánok
Az óceánok A Föld felszínének kb. 71 %-át víz borítja. Az összes kontinens együttesen kevesebb, mint egyharmadát alkotja a felszínnek. Következésképpen az óceánoknak rendkívüli fontosságuk van az éghajlatunkban.
Az óceánok kulcsszerepe: a) elnyelik és visszasugározzák a napfényt b) tárolják a hőt c) szállítják a tárolt hőt d) jelentős változásokat okoznak az éghajlati rendszerben e) a légköri vízgőz fő forrásai f) gázcserét (pl. CO2) folytatnak a légkörrel
Mivel a Föld minden energiát a Napból kap, nagyon fontos az éghajlat szempontjából, hogy mi történik a sugárzással. Saját tapasztalatunkból tudjuk, hogy megvakulhatunk a hótól. A jég és a hó a napfény nagy részét visszaveri, és ezek világos (fehér) színűek. Fekete anyaggal letakarva az autónkat, tudjuk, hogy nyáron meglehetősen forróvá válhat. Elnyeli a sugárzást, és sötétnek érzékeljük, esetleg feketének. Ha az űrből tekintünk a Földre, ugyanezzel a jelenséggel találkozhatunk.
Az óceánok kormányzó tényezői az éghajlati rendszernek
A Föld az űrből
A sarkok jégsapkái fehér színűek [3] és a nagy sivatagok is [2] világosak. Az óceánok és az esőerdők [1] sötétek. Az óceánok a napfénynek csak kb. 6 %-át verik vissza. Ha figyelembe vesszük, hogy globális átlagban a visszaverődés 30 %-os (a Föld globális albedója), akkor világossá válik, hogy a Napból érkező sugárzás legtöbbjét az óceánok nyelik el. Ha májusban, vagy szeptemberben elmegyünk a Földközi-tengerhez,
akkor nagyon kellemes meleg napokat tapasztalhatunk, 24-28 °C hőmérséklettel. Azonban májusban a tenger vize még mindig hideg a hosszú tél után, míg szeptemberben meleg és kellemes a fürdés. Következtetés: annak ellenére, hogy a levegő hőmérséklete ugyanannyi, a tenger a hőmérsékletét sokkal lassabban változtatja, mint a szárazföld. Az óceánok nagy hőtárolók.
Az óceáni áramlatok befolyásolják a helyi klímát A besugárzás hasonló módon éri az ugyanazon földrajzi szélességű helyeket. Ez azonban nem azt jelenti, hogy az éghajlat is hasonló, mert a szárazföld több-kevesebb hőt kaphat az óceán hőszállításától függően. Moszkva – akárcsak Hamburg – az 53. és az 56. földrajzi szélességek között található. Azonban Moszkvában a telek sokkal hidegebbek, mint Hamburgban. Az amerikai A globális óceáni cirkuláció kontinens keleti részén alig találunk A meleg és hideg óceáni áramlatok nagy nagy településeket, mert ezek a víztömegeket szállítanak a Föld körül, úgy területek túl hidegek. Chicagóban, a felszínen, mint az óceán mélyebb Torontóban és Montrealban a 42. rétegeiben. A kép a legfontosabb és 46. szélesség között hóviharos, áramlatokat mutatja. hideg telek fordulnak elő, sok hóval. Európában ezeken a szélességeken olyan városok találhatók, mint Barcelona, Nizza és Róma, ahol igen ritkán fordul elő a hó.
Szén-dioxid felvétele
A fitoplanktonok révén történő CO2 felvétel és a CO2 baktériumok révén történő felszabadítása a remineralizáció során, egy olyan körfolyamatot alkot, ami CO2 tározáshoz vezet, ha a baktérium a mély tengerekbe süllyed.
Sokkal több szén-dioxid lenne a légkörben, ha az óceánok nem nyelnék el az ember által termelt mennyiség egyharmadát. A széndioxid könnyedén feloldódik a vízben, mert a víz egy dipol molekula, és a karbonáttal is reakcióba lép, hidrogén-karbonátot hozva létre. Továbbá a fitoplanktonok, ezek a kis növények, amelyek hatalmas számban élnek az óceánokban, életciklusuk folyamán felveszik a szén-dioxidot. A CO2 egy része felszabadul, amikor a fitoplanktonok elpusztulnak, és a baktériumok elfogyasztják őket. Ezt a folyamatot remineralizációnak nevezzük. Amíg a fotoszintézis biomassza kialakulásához vezet, a remineralizáció ennek a lebomlásához vezet. Néha a baktériumok a tenger mélyebb rétegeibe süllyednek, és a remineralizáció ott játszódik le. Itt a szén karbonát üledékek formájában évszázadokon keresztül tud eltározódni.
A fitoplanktonok szerepe A fitoplanktonok (algák) óceánban betöltött fontos szerepét gyakran alábecsülik. Nemcsak a CO2-őt veszik fel. Ha túl sok tápanyagot juttatunk a tengerbe, különösen nitrátot és foszfátot, a part menti területeken, ahol sok ember él, eutrofizációt okozhatunk (túltrágyázás).
Fitoplankton: Phaeocystis globosa
Ilyenkor fitoplankton áradat alakul ki. Ha a baktériumok megeszik őket, akkor az oxigént is elfogyasztják, és minél több fitoplankton volt a tengerben, annál több oxigén hiányzik. Ekkor a halak is elpusztulhatnak.
A fitoplanktonok a légkörbe is bocsátanak ki gázokat. Ezek egyike a dimetil-szulfid (DMS). Ezek oxidációja szulfát-részecskékhez, majd a szulfát részecskék pedig az óceán feletti felhőképződéshez vezetnek. Az óceánok c. fejezetben látni fogjuk, hogy még több, az éghajlati rendszer számára fontos gázt termelnek a növények a tengerben.
Tengerszint emelkedés Amikor az éghajlatváltozást és az óceánokat említjük, gyakran gondolunk a tengerszint emelkedésre. Aggódunk, hogy a szárazföld nagy területei víz alá kerülhetnek. Jelenlegi becslések szerint a következő évszázadban a tenger szintje csaknem 1 métert fog emelkedni. Ez Európában csak néhány helyen jelent veszélyt, de pl. Banglades nagy része víz alá kerülne, ami több millió embert érintene. A korallzátonyok gazdag növény- és állatvilága is elpusztulna.
Banglades a tengerszint emelkedés révén az egyik leginkább veszélyeztetett ország. A metszet az elárasztott terület méretét mutatja, ha az óceán vízszintje a jelenleginél 1.5 m-rel magasabb lenne.
Gyakran úgy gondolják, hogy a globális felmelegedés okozta sarki jégsapkák elolvadása a tengerszint emelkedés fő oka. Ez nem igaz. A melegedő levegő vezet az óceán melegedéséhez, és a meleg víz térfogata nagyobb. Ez a térfogat növekedés a vízszintemelkedés a fő okozója. de ehhez még a szárazföldi gleccserek olvadása is hozzájárul, nemcsak a sarki jég elolvadása. Ugyanis az antarktiszi jég nem fog elolvadni ilyen hamar.
9. Élelmiszer és éghajlat
Élelmiszer & Éghajlat Földünkön egyrészt az általában növekvő népesség és a növekedés kiegyensúlyozatlansága az egyes országok között, másrészt ezek növekvő gazdasági különbségek a mezőgazdaság fő kihívásai. Ez a kihívás rosszabbodik, abban az esetben, ha változik az éghajlat.
Rizs - búza - bab - manióka – egyre több ember élelmiszere
Növekvő népesség és társadalmi kiegyensúlyozatlanság
A világ népességének növekedése 1000 és 2050 között (milliárd ember)
Több mint 8000 év óta az emberek falvakban és városokban telepednek le, és művelik földjeiket. Az elmúlt 500 év alatt azonban a Föld népessége robbanásszerű növekedésnek indult. Becslések alapján 1500-ban kb. 0,5 milliárd ember élt a földön. 1930-ban ez a szám 2 milliárd volt, 2000-ben kb. 6 milliárd, és 2050 után azt várjuk, hogy a népesség csúcsértéke kb. 9-10 milliárd fő lesz. Nemcsak az energiaigény fog jelentősen növekedni, hanem az élelmiszerigény is.
Általánosan kijelenthetjük, hogy a bolygónk még el tud látni ennyi embert, és senkinek sem kell éhségtől szenvednie, ha korrekt kereskedést és az ismert termelési módokat optimális módon alkalmazzák. Azonban a valóságban néhány helyen az emberek a sivatagban felépített golfpálya gyepét öntözik, míg más területeken az emberek több órát állnak sorban a falu kútjánál azért, hogy néhány liter vizet kapjanak a A víz gyakran korlátot jelent az vödörbe, és megfőzhessék élelmiszertermelésben, Etiópia szegényes ételüket. Természetesen, a világ néhány részén az éghajlati feltételek hátrányosak a mezőgazdaság számára. Azonban a kiegyensúlyozatlanság fő oka egyrészt az, hogy a gazdasági rendszerek kivételeznek a gazdagokkal, és növelik azok gazdagságát, másrészt számos szegény országban politikai instabilitás uralkodik, illetve háborús helyzet van, vagy rossz az irányítás.
A térkép azt mutatja, miként változhat meg a csapadék Európa fölött a következő évszázadban. Sok területen a tél (bal oldali kép) nedvesebbé válik, és a nyár (jobb oldali kép) szárazabbá. A kép egy modell eredmény és ennek következtében bizonytalanságokkal terhelt.
Soha ne változtass meg egy működő rendszert... A világ majdnem minden részén a gazdák alkalmazkodtak az adott éghajlati feltételekhez. A változás mindig új beruházást jelent. Az éghajlatváltozás egy olyan helyzethez vezet, amikor a mezőgazdálkodás átlagos feltételei globális skálán rosszabbak lesznek. Habár a magasabb hőmérséklet és a növekvő szén-dioxid szint nem szükségszerűen hátrányos a termesztésnél, az előrejelzett szélsőséges időjárási események (viharok, árvizek és aszályok) növekedése probléma. Míg egyes területeken előny származik a magas hőmérsékletből, különösen ott, ahol eddig nagyon rövid volt a vegetációs időszak, másokat viszont károsan érint. Európában pl. az északi területeknek, Skandináviának és Oroszországnak lehet előnyös, akkor, ha nem pusztítanak nagy árvizek, míg a Földközi-tenger melletti országok valószínűleg még több aszálytól fognak szenvedni.
A klímaváltozás előnyei és hátrányai Az előnyös hatások okai: 9 A CO2 előnyös fiziológiai hatása a növényi növekedésre a fotoszintézis emelkedésén keresztül. 9 A magasabb szélességeken hosszabb tenyészidőszak a magasabb középhőmérsékletnek köszönhetően. A káros hatásoknak okai: 9 Túl gyors növekedés a magas hőmérséklet miatt, túl rövid vegetációs időszak. 9 A rendelkezésre álló víz csökkenése a növekvő párolgás miatt. Rövid (hűvös) stimulációs idő a virágzáskor.
Adaptációs sikerek Minden változás azoknak kedvező, akik kevésbé specializálódtak és gyorsan tudnak alkalmazkodni. A vírusok és baktériumok rövid életciklusukkal könnyen tudnak alkalmazkodni. Egy erdőnek azonban évtizedekre van szüksége, hogy néhány kilométerrel északabbra A gazdák rovarölő szereket használnak, tolódjon. A fajok lakóhelyének hogy megvédjék a növényeket. Amikor az eltolódása azt jelenti a gazdák számára, hogy meg kell változtatniuk éghajlat változik, lehet, hogy ez még gazdálkodási módszereiket és inkább szükséges lesz. valószínűleg új betegségekkel, gyomokkal, rovarokkal kell megbirkózni. Nemcsak a fajok, hanem a gazdák is jobb helyzetben vannak, ha gyorsan tudnak alkalmazkodni. Azok, akiknek a legjobb a technikai eszközük, megfelelő a tudásuk és elegendő pénzügyi forrásuk van arra, hogy teszteljék az új módszereket, kevésbé fognak a változásoktól szenvedni, mint a többiek.
Azok, akiknek nincsen hozzáférése az öntözéshez, hagyományos módon dolgoznak generációkon át a kis földjükön, ami alig terem annyit, amennyi az élethez szükséges. Ahhoz, hogy következő évre megvegyék a vetőmagot, éhezni fognak, vagy abba kell hagyniuk a gazdálkodást, ha mások nem támogatják őket.
Nők szántóföldi munkán, Ghana
Sikeres mezőgazdaság még inkább az alkalmazkodásnak, a jó managementnek, a technikai felszereltségnek és a korai figyelmeztető rendszerek alkalmazásának kérdésévé válik. A szegények ismét jobban fognak szenvedni, mint a gazdagok. Ha nem tesznek intézkedéseket a növekvő társadalmi egyenlőtlenség csökkentésére, az könnyen fenyegetheti a békét a világban.
10. Az ember által módosított éghajlat
Az ember alakította éghajlat Az éghajlatváltozás lehet, hogy természetes folyamatnak, vagy emberi hatásnak köszönhető. Mindenesetre, ez egy egyedi jellemvonásokkal rendelkező probléma. Globális, hosszú idejű (akár több évszázadon át tartó) és éghajlati, környezeti, gazdasági, politikai, intézményi, társadalmi és technológiai folyamatok összetett kölcsönhatásait foglalja magába. A következményei nemzetköziek és több generációt is érintenek. Továbbá a változások előrejelzésében sok a bizonytalanság, míg a döntéshozatalban nagy kockázati tényezők vannak. A megfigyelt trendekből a további fejlődést alig lehet megjósolni, vagy extrapolálni, mivel az éghajlatváltozás nem lineáris és tartalmazhat irreverzibilis változásokat is.
Fenntartható fejlődés Ezek a kihívások bármely stratégiának, amely az éghajlatváltozás problémájával kíván megbirkózni. A megoldás csak két dolog együttes alkalmazása lehet: egyrészt a fenntartható fejlődés, ami olyan energiákat és anyagforrásokat használ, melyek néhány éven vagy évtizeden belül újrahasznosíthatóak, másrészt az energia intenzív személyes felhasználásának csökkentése.
A fenntartható fejlődés módjai: 1) A személyes felhasználás csökkentése; 2) a szállítási útvonalak lerövidítése; 3) beruházás, az új technikák fejlesztése, tesztelése és alkalmazása az energia területén (pl. hidrogén motorok); 4) már meglévő technikák felhasználása (pl. szélenergia és bio üzemanyagok; 5) a szén-dioxid tárolása és emisszió csökkentés; 6) kibocsátás kereskedelem ... A fenntartható fejlődés olyan fejlődés, ahol a jelen generációk szükségleteit úgy elégíti ki, hogy az a jövő generációk saját szükségletei kielégíthetőségét nem korlátozza.
Módosítjuk éghajlatunkat?
Középtávú szcenárió a Föld népességének növekedéséről
Az éghajlattudomány területén történt intenzív kutatások után a válasz egyre nyilvánvalóbb. A Harmadik Értékelő Beszámolóban (TAR) 2001ben az Éghajlatváltozással Foglalkozó Kormányközi Testület (IPCC), mely a Föld különböző részeiről származó szakértékből áll, az alábbi következtetésre jutott: Gyakorlatilag biztos, hogy az ember által kibocsátott üvegházgázok jelentősen hozzájárultak az elmúlt 30-50 évben megfigyelt éghajlatváltozáshoz.
Az emissziók növekednek, a világ népessége növekszik, az egyes emberek felhasználása is általában növekszik. Ez idáig az égési folyamatok optimalizálása és a megújuló energiák alkalmazása nem tudta ellensúlyozni ezt a trendet. Az éghajlatváltozás a következő évtizedekben fel fog erősödni.
Szcenáriók – Meg tudjuk jósolni a jövőt? A szcenáriók nem előrejelzések. Előrejelzés aligha lehetséges. Nekünk ugyanolyan nehéz megjósolni a technikai és gazdasági fejlődést 2100-ig, mint valakinek 1900-ban lehetett volna megjövendölni azt 2000-ig. Ezért a hatáscsökkentő stratégiáknak figyelembe kell venniük a lehetséges szcenáriók következtetéseinek széles skáláját.
Az átlagos évi középhőmérsékletet felső térkép:1961-1990 között; alsó térkép: 2071-2100 között;
Az ilyen forgatókönyveknek számos kulcstényezőt kell figyelembe vennie: Népesség növekedés: A legtöbb modell a népesség növekedését várja, melynek csúcsa a század közepén várható, utána csökkenést prognosztizálnak. Technológiák: Az új és hatékonyabb technológiák bevezetése lassabb és gyorsabb lehet. Energia: A szcenáriók általában azt várják, hogy több energiára lesz szükség. Ez lehet szerves eredetű, vagy származhat nem fosszilis energiaforrásból. Gazdasági fejlődés: A gazdaság fejlődhet vagy regionálisan, ahol a fenntarthatóságot elsősorban a helyi erőfeszítésekkel kívánják megtartani, vagy a kulturális és társadalmi kölcsönhatások globálissá válhatnak hatékonyabb erőforrás-felhasználáshoz vezetve.
Mit bocsátunk ki? Mit fogunk kibocsátani? A legnagyobb probléma az üvegházgáz kibocsátás. Méltányossági szempontból az éghajlatváltozás csökkentésének kihívása az, hogy sem a klímaváltozás hatásai, sem a csökkentést végrehajtó politika ne növelje a már létező egyenlőtlenségeket sem a nemzeteken belül, sem a nemzetek között. Ennek egy következménye, hogy a fejlett országoknak kell először csökkenteniük az üvegházgáz kibocsátásukat. Példa: 1996-ban az összegzett globális kibocsátás kb. 6 GtC (22 Gt CO2) volt, azaz 1 tonna szén / fő. 1,2 milliárd ember él a fejlett országokban; ők 3,8 GtC-t (64 %) bocsátanak ki évente, ez 3 tonna/fő-t jelent. 4,4 milliárd ember a fejlődő országokban / a harmadik világ országaiban 2,1 GtC-t bocsát ki évente, azaz 0,5 tonna/fő mennyiséget.
IPCC: Készletek és kibocsátás szcenáriók a) a szerves üzemanyagok készletei és felhasználásuk 1860 és 1998 között; b) a tisztán szerves üzemanyagok emissziójának várt értéke, ha nem történik hatáscsökkentés 2100-ig (SRES szcenáriók); c) a csökkentési forgatókönyvek az üvegházgázok kibocsátásának stabilitásával számolnak 2100-ig, különböző stabilitási szinteken. A különbség a fentiekben leírt tényezők eltérő feltételezéseiből adódik. [ GTC = tiszta szén egyenérték, gigatonna]:
A jelenlegi CO2 keverési arány a levegőben kb. 370 ppm (összehasonlítva az ipari forradalom előtti 280 ppm-mel). Ha a kibocsátás jelen növekedési üteme a jövőben is megmarad, a csökkentésnek a jövőben egyre drasztikusabbnak kell lennie, ellenkező esetben a 2100-ra elképzelt alacsony szintű forgatókönyv, a 450 ppm-en stabilizált szint teljesíthetetlen lesz 3-4 évtizeden belül. Ha a CO2 szint eléri a 560 ppm-et, ami sokkal valószínűbb (a CO2 szint megkétszereződésének forgatókönyve), 1,5-4,5 °C közötti globális felmelegedés várható. (Példaként említve: 4,5 °C a különbség London (vagy Köln) és Madrid évi átlaghőmérséklete között. Jelenleg egy átlagos amerikai kb. 20 tonna CO2-őt bocsát ki évente, az átlagos nyugat-európai kb. 10 tonnát, egy átlagos kínai 3 tonnát, illetve egy átlagos indiai kevéssel több, mint 1 tonnát. Személyenként 1-2 tonna emisszió lehetne a maximum, hogy megálljon a légköri szén-dioxid koncentráció növekedése. (Példaként említve: 2 tonna / fő nagyjából az az emisszió, ami ahhoz kell, hogy Európából Új-Zélandra utazzunk és vissza, vagy egy nagy benzinmotoros autóval 10.000 km-t megtegyünk.
Mit lehetne tenni? A készletek felhasználása növekedésének megállítása: 9 Környezetbarát termelési rendszereknek olyan felhasználását kell megengedni, ami kevesebb pazarláshoz, szállításhoz, tartósabb végtermékhez vezet. 9 A visszaforgató gazdaság visszajuttatja az anyagokat a termelési körbe, minimalizálja a források iránti igényeket és biológiailag lebomló anyagokat használ. Infrastruktúra optimalizálás: 9 A fejlődő országokban a fejlett országok hibái elkerülhetők, a tapasztalatok felhasználhatók: hatékony vasútrendszer, regionalizált élelmiszer- és energiatermelés a felhasználók közelében. Az energiarendszernek meg kell változnia: 9 A fosszilis energiát optimalizálni, és lépésről lépésre helyettesíteni kell megújuló energiaforrásokkal, a végfelhasználás hatékonyságának növekedni kell. Pl: az afrikai népesség 76 %-a fő tüzelőanyagként fát használja, ugyanakkor a napenergia, különösen a Száhel övezetben hasznosítható lehetne. Ehhez természetesen beruházásokra lenne szükség.
Termelésből származó jólét megszüntetése: 9 Az életminőséghez és a megelégedettséghez nem feltétlenül szükséges, hogy magasabb energia és erőforrás felhasználás társuljon. Az életminőség inkább koncentrálódhatna olyan, jelenleg mellőzött kérdésekre, mint a közösség életében való aktív részvétel, a fenntartható fejlődés elősegítése, a regionális természet előnyeinek élvezete, a társadalmi igazságosság fejlesztése. 9 Az olyan általánosan hangoztatott vélemények, mint pl. „a felhasználás növelése nagyobb megelégedettséghez vezet”, vagy „a gyorsabb szállítás a fejlődés”, kérdésesek, és sem a fenntarthatóbb fejlődéshez, sem a nagyobb személyes boldogsághoz nem vezetnek, különösen a fejlett országokban, ahol már egy bizonyos életszínvonalat már elértek. Nekünk, egyszerű állampolgároknak több figyelmet kell szentelnünk a társadalmi és ökológiai intelligenciának mint folyamatnak, szemben az erőforrások kitermelésével és a javak felhalmozásával.
Mára befejeztük, viszontlátásra!
