Környezeti klimatológia II.
Makra László
Felhők és részecskék
Alapismeretek
1. Fejezet: Felhők • A felhők nagyon fontos szerepet töltenek be az éghajlati rendszerben. Ebben a fejezetben megismerjük a víz különböző formáit a Földön és a légkörben, miből képződnek a felhők, és miért fordul elő néha csapadék. Szintén kiderül a keletkezési módja, és hogy hogyan képződnek a különböző alakú felhők. • Víz a légkörben • A felhők kialakulása • Felhőtípusok
Víz a légkörben • A víz az egyetlen olyan anyag, ami a természetben három halmazállapotban létezhet: folyadék (óceánok, folyók, tavak…), szilárd (jég, hó…), és gáz (pára). • A légkörben nem csak levegő található, hanem vízgőz is, ami láthatatlan és szagtalan. A légköri víz a Földön található vízkészlet kevesebb, mint 0,001 %-a, de az éghajlat fontos résztvevője. • Nézzük meg a víz légkörben betöltött szerepét, s hogy milyen felhők képződnek belőle.
•
Mikor vizet iszunk, a víz folyékony halmazállapotban van, melyet folyadékállapotnak hívunk. Amikor jégkockát rágcsálunk, a fogaink tudják, hogy a víz szilárd. De a víz gáz halmazállapotban is előfordulhat, pl. a szabad molekulák esetében, amit gyűjtőnéven úgy ismerünk, mint pára vagy gőz.
•
Amikor a víz a folyadékállapotból gőz állapotba kerül, a folyamatot párolgásnak nevezzük. Ez történik akkor is, mikor az ágynemű szárad. Vagy mikor hajszárítót használunk: a hajunk vizes volt, s most száraz. A víz eltűnt?! Valójában még mindig a fürdőszobában van, de a levegőbe került. A hajszárító magas hőmérsékletének köszönhetően a víz gőz fázisba került, amit párolgásnak nevezünk.
A kondenzáció ezzel „ellentétes folyamat": amikor a vízgőz folyadékká válik. Fürdés után, a fürdőszoba tele van gőzzel, vagy párával. A meleg gőz kicsapódik a hideg fürdőszobai tükrön, visszatér folyadék állapotba. Ilyenkor vízcseppeket láthatunk a tükrön.
Párolgás és kondenzáció. A bal oldali folyadék, a víz, a felső nyíl szerint elpárolog, vízgőz lesz belőle, majd az alsó nyílon jelzett folyamatban, a kicsapódással vagy kondenzációval ismét folyékony halmazállapotba kerül.
Soha nem sétálhatunk a felhőn, mivel az a vízgőz kondenzációja révén keletkezik, s tömege elég csekély ahhoz, hogy lebegjen a levegőben. Amikor a vízgőzt tartalmazó levegő lehűl a harmatpontig, a vízgőz kicsapódik látható cseppek formájában, amelyek együttesét már felhőnek nevezzük. Ha a levegő hőmérséklete a harmatpont alá csökken, akkor megindul a kondenzáció.
Cumulus humilis, azaz „szép idő” gomolyfelhő
Később látni fogjuk a felhők kialakulásának folyamatát. Ahhoz, hogy felhők képződjenek, a víz mellett apró részecskékre is szükség van, amelyekre a vízgőz kicsapódhat. Ezeket a részecskéket cseppképző magvaknak, vagy kondenzációs magoknak nevezzük. A 2. fejezetben meg fogjuk beszélni, hogy ezek a részecskék hogyan segítik elő a felhőképződést.
•
Csapadéknak nevezzük a felhőkből kihulló vizet, amely lehet eső, hó, jégeső, stb. Némely felhőben a kicsi cseppek ütközések révén egyesülnek, és nagyobb cseppet hoznak létre. Mivel a cseppek egyre nagyobbak lesznek, (térfogatuk kb. milliószorosára nőhet), túl nehezek lesznek ahhoz, hogy a levegőben maradjanak, így kihullnak, s ily keletkezik az eső. Azon felhők esetében, ahol a környező levegő hőmérséklete 0°C alatti, jégkristályok keletkeznek. Ezek a kristályok a túlhűlt vízcseppekből keletkeznek (a víz 0°C alatt is folyadék állapotban marad), a méretük növekszik, amikor a vízcseppekből származó vízgőz kikristályosodik a jégkristályokon. A jégkristályok a levegőben ütközhetnek, ennélfogva a tömegük megnövekszik, s így nehezebbé válnak. Amikor a jégkristályok már túl nehezek a lebegéshez, lehullanak a földre, s 0°C alatti hőmérsékleten havazás történik. Ha a kristályok 0°C fölötti hőmérsékletű levegőn haladnak keresztül, akkor esőcseppek keletkeznek.
Jégkristályok
A víz körforgása Képzeljük el, hogy ugyan azt a vizet isszuk, mint amit a dinoszauruszok ittak! Valóban, a bolygónkon a víz folyamatos körforgásban van. Most már tudjuk, hogy amikor a víz elpárolog, a keletkezett vízgőz felemelkedik, lehűl és felhővé kondenzálódik. A felhők a felszín fölött mozognak, és csapadékot adnak. A víz körforgása
A víz kitölti a tavakat, patakokat és folyókat, s végül is visszafolyik az óceánokba, ahol a párolgás révén újra elkezdődik a folyamat. A víz bejut a talajba is (a víz 11 %-a). A növények levelein történő párolgás is fontos a víz körforgásában: a növények a talajból vizet vesznek fel, a víz a gyökerektől a törzsön keresztül a levelekig halad, melyek felszínéről elpárologhat. Ezt a folyamatot párologtatásnak nevezzük.
A felhők kialakulása • Egy felhő milliónyi kicsi lebegő vízcseppből (vagy jégkristályból, amikor a hőmérséklet 0 °C alatti) áll. Felhő akkor keletkezik, amikor a vízgőz cseppfolyósodik, pl. amikor a nedves levegő 0 °C alá hűl, s kicsapódik az apró részecskéken.
Konvekció A Földön, mivel a levegő sűrűsége függ a hőmérséklettől, a meleg levegő felemelkedik, és a hideg levegő lesüllyed, mivel a meleg levegő kevésbé sűrű, mint a hideg. Ezt a folyamatot nevezzük konvekciónak.
Felhőképződés
A konvekció egyike azon folyamatoknak, melyek felhőképződéshez vezetnek. Amikor a Nap süt, a talajszintjén lévő levegőt, mely vízgőzt tartalmaz, felmelegíti, és az elkezd emelkedni, miközben hűl. Felhők akkor képződnek, amikor a nedves levegő egy kritikus hőmérséklet alá hűl: ekkor a víz kicsapódik a kis lebegő részecskékre, s cseppeket hoz létre a levegőben.
Domborzat (hegyek) Felhők kialakulhatnak a felszíndomborzat (pl. hegységek) hatására is. Ezeket „orografikus felhőknek” nevezik. A levegő a kényszer hatására átkel a hegyen, s amint felemelkedik, a levegő lehűl. Ha a harmatpont alá hűl, megtörténik a kondenzáció, s a levegő vízgőztartalma felhő formájában láthatóvá válik.
Orografikus felhők
•
•
A főn hatás Mikor a levegő a hegyen felemelkedik, lehűl, és vízgőzzel telítetté válik. Megtörténik a kondenzáció, és a vízgőz cseppfolyósodik. A kondenzálódott víz vagy a felhőben marad, vagy kihullik belőle, miközben a levegő folyamatosan emelkedik. Amikor a légtömeg a hegy másik oldalán süllyedni kezd, szárazabb és melegebb lesz. Ezt a hőmérséklet-különbséget fõn hatásnak nevezzük. Légtömegek találkozása Nemcsak a hegyek kényszeríthetik a levegőt emelkedésre. Ha a meleg levegő találkozik egy nehezebb hideg légtömeggel, az szintén emelkedésre készteti a meleg levegőt. A meleg és hideg levegő közötti határfelületet frontnak nevezzük, melynek a felszínnel alkotott metszésvonala a frontvonal. Mivel a meleg levegő felemelkedik, lehűl, s a harmatpont alatt megindul a felhőképződés.
Hidegfront
Melegfront
A levegő vízszintes áramlása A szelek gyakran visznek meleg és nedves levegőt adott terület fölé. Ha meleg, nedves levegő halad át egy sokkal hidegebb felszín fölött, akkor felszín lehűti a levegőt, s a harmatpont hőmérséklet alatt a levegő nedvességtartalmának egy része kondenzálódni fog, s köd keletkezhet. Ez a jelenség a szárazföldek partvidékei mentén gyakori.
Ködképződés tó fölött.
Felhőtípusok és képződésük
Különböző troposzférikus felhők. St: stratus, Sc: stratocumulus, Nb: nimbostratus; Ac: altocumulus, As: altostratus; Ci: cirrus, Cs: cirrostratus, Cc: cirrocumulus; Cu: cumulus, Cb: cumulonimbus.
A sztratoszférikus jégfelhőkön kívül, amelyeket csak ritkán, s általában csak a sarki területeken láthatunk, minden felhő a troposzférában képződik a földfelszín és 15 km magasság között. Néhány felhőtípus gyakran esőt okoz, míg mások – pl. a magas felhők – szinte soha. A felhők vízcseppeket, vagy kicsi jég-részecskéket tartalmaznak. Ha a környező levegő hidegebb, mint 0 °C, a levegő vízgőztartalma a kondenzációs magvakra kicsapódik (kondenzálódik). Ez akkor történik, ha a levegő vízgőzzel telített és nem tud több nedvességet befogadni, illetve megtartani.
2. Fejezet: Részecskék A levegő, amit belélegzünk, nemcsak gázokból áll. Aeroszolokat is tartalmaz, melyek parányi folyadék-, vagy szilárd lebegő részecskék a közegükkel együtt. Számos helyről származhatnak, pl. lehetnek tengeri, antropogén, biogén, vulkáni, illetve ásványi eredetűek. Fontos szerepet játszanak a légkörben, és hatást gyakorolnak az emberi egészségre. • Honnan származnak a részecskék? • Mivé alakulnak? • Egészségre gyakorolt hatásuk
Részecskék: Honnan származnak? • Az aeroszolok a légkörben lebegő kis folyadék-, vagy szilárd részecskék a közegükkel együtt. Méretük nagyon változatos: néhány nanométertől (10-9 m) 100 mikrométerig (10-4 m = egy hajszál vastagsága) terjed. Ez az oka, amiért általában nem látjuk őket. • Az aeroszolok származhatnak természetes és antropogén (ember általi) forrásokból. A légkörbe kerülhetnek direkt módon, mint részecskék (elsődleges aeroszolok), vagy vegyi folyamatok eredményei is lehetnek (másodlagos aeroszolok).
Az elsődleges aeroszolok forrásai Az aeroszolok természetes, illetve mesterséges eredetűek lehetnek.
Tengeri származásúak A tengeri só aeroszolok az erős szelek révén a hullámok vízpermetéből származnak (a legnagyobb részecskék jellegzetesen nátrium-kloridban gazdagok), valamint az elnyelt légbuborékok szétpukkanásából erednek, a hullámok fehér tarajának képződésekor. Az óceánokból a légkörbe történő aeroszol kibocsátás kb. 1,3 milliárd tonna évente!
Tengeri eredetű aeroszol-képződés
Ásványi eredetűek
Áramló szaharai porfelhő a Földközi-tenger és Olaszország fölött; 2003. 07. 16.
A szél képes a felszínről felemelni részecskéket, különösen akkor, mikor a talaj száraz és nincs növényborítás. Ezeket a kis szemcséket nagy távolságokra képes elszállítani. E a részecskék olyan anyagokat tartalmaznak, melyek a földkéregből származnak, s ennek következtében gazdagok vas-, kalcium- és alumíniumoxidokban. A Föld ásványi eredetű részecskéinek fele a Szaharából származik.
Vulkáni eredetűek A vulkáni kitörés hatalmas mennyiségű, különböző gázokat és aeroszolokat juttat a légkörbe. Ellentétben más aeroszol forrással, a hamufelhő olyan magas, hogy a részecskék és a gázok bejuthatnak a sztratoszférába: a Pinatubo vulkáni fáklyájának magassága elérte a 40 km-t! A részecskék, amelyek belépnek a felső légkörbe, nem könnyen mosódnak onnan ki, s a vulkáni anyagok sokáig (sokszor évekig) a kezdeti kibocsátott szinten maradnak. A vulkánok által kibocsátott gázok szintén képezhetnek aeroszolokat. Az összes, ilyen a sztratoszférában lévő részecskének számottevő hatásuk van az éghajlatra (lásd: a Kiegészítő ismeretek c. fejezet).
St. Helen kitörése 1980. 05.
Biogén eredetűek •
Azokat a részecskéket, melyeket az élő szervezetek hoznak létre, biogén részecskéknek nevezzük. Az elsődleges aeroszolok lehetnek pollenek, gombák, baktériumok, vírusok, stb. Másik forrás az erdőtüzek, melyek apró szemcséjű anyagokat bocsátanak a légkörbe. Pl. 1997-ben Malajzia több térségében a tüzekből származó füst néhány hét alatt 15-ször magasabb részecske szennyezéshez vezetett, mint átlagos esetben.
Kozmikus eredetűek •
A naprendszerünkből is érkezik anyag a légkörbe. A legtöbbje a légkör felső részében elég (lásd: csillaghullás), de kis részük eléri a földfelszínt. Ezek a részecskék – ha méretük kisebb, mint 0,5 mm – a mikrometeoritok. A kutatók becslése alapján legalább néhány ezer tonna kozmikus anyag éri el a felszínt évente.
Antropogén eredetűek Az emberi tevékenység révén kibocsátott részecskéket nevezzük antropogén aeroszoloknak. Az antropogén forrásokból mind durvább, mind finomabb részecskék képződhetnek. Az építkezések (mint pl. a cement) és az utak pora elsődleges érdes antropogén részecskéket termel. Kisebb részecskéket (mint pl. a széntartalmú aeroszolok) a fosszilis üzemanyagoknak az erőművekben, járművekben, fűtés céljaira, stb. történő elégetése szolgáltatja
Közlekedési eredetű aeroszol
Végül, még ha nincs is hatásuk az éghajlati rendszerre, ne feledkezzünk el azokról a részecskékről, amelyeket zárt helyeken lélegzünk be, mint pl. a poratkák, rostok, rovarölő permetszerek és az azbeszt, melyek nagyon veszélyesek lehetnek az emberi egészségre.
Elektronmikroszkóppal készített képek. Balról jobbra: sivatagi részecske (forrás: A. Gaudichet, LISA); hibiszkusz pollen (forrás: http://uq.edu.au/nanoworld); hamu részecske a Szent Helen vulkánkitörésből
Másodlagos aeroszolok Ahogy megismertük, az aeroszolok számos forrásból származhatnak (tengeri, ásványi, vulkáni, biogén, antropogén eredetűek lehetnek). Az egyes folyamatokban szilárd anyagból indulunk ki. De a részecskék lehetnek a gáz-részecske átalakulás eredményei is. Ez azt jelenti, hogy új részecske jöhet létre a molekulák összetapadása révén, azonban ezek a molekulák túl kicsik még ahhoz, hogy részecskeként tekintsük őket (ez a folyamat a nukleáció). A gázok is kondenzálódhatnak ilyen, már létező részecskékre, ezzel nagyobb aeroszolokat hozva létre. Megjegyezzük, hogy a gáz-részecske átalakulás során keletkezett részecskék kicsik (méretük kisebb, mint 1 µm). Ezzel szemben pl. az ásványi por, a pollenek, vagy a tengeri permet átmérője 10 µm, vagy még nagyobb). A növényzet szintén bocsát ki gázokat, nevezetesen illékony szerves anyagokat (VOC) (amikor megszagolunk egy virágot, az orrunk ezeket érzi) (a növényi kibocsátás további részletei: lásd: az Alsó légkör c. fejezet). Ezek a biogén gázok új részecskéket alakíthatnak ki (másodlagos aeroszolok). Rózsa
•
A másodlagos természetes aeroszolok többsége kéngáz reakciókból származik. A tengeri környezetben a legtöbb ként (DMS dimetil-szulfid formájában) a fitoplanktonok bocsátják ki. A DMS és a légköri összetevők reakciójából kén-dioxid (SO2) képződik; a földön, a pusztuló növényzet és az állatok is létrehoznak természetes eredetű H2S-t (aminek a szaga például a záptojáséra hasonlít); a vulkánok közvetlenül bocsátanak ki SO2-t. Ez a gáz további reakcióba lép, s ezáltal szulfát aeroszol részecskék keletkezhetnek.
•
A természetes források olyan széntartalmú gázokat is termelnek, melyek aeroszolokat szolgálatnak.
•
Az ember 1860-ban évente 10 millió tonna SO2–t bocsátott ki, az 1980-as évekre ez 150 millió tonna / év-re növekedett. Ennek következtében most az antropogén kibocsátás meghaladja a kéntartalmú gázok természetes kibocsátását, még akkor is, ha a nemzetközi egyezmények miatt a légköri SO2 mennyisége csökken.
•
Az ember nitrogénvegyületekből is egyre több fajtát termel, ami nitrát aeroszolokat hoz létre.
•
Néhány antropogén vegyület reakciója, melyek a kőolaj égési folyamatából és a biomassza égetésből származnak, karbonát dús aeroszolokat eredményez, melyek az egészségre veszélyesek.
Részecskék: Mivé alakulnak? • Ha a részecskék már a levegőben vannak, akkor átalakulhatnak, elszállítódhatnak, vagy kiülepedhetnek. Ezek a folyamatok számos tényezőtől függnek, úgy mint az aeroszolok mérete, koncentrációja, kémiai összetétele, helye, meteorológiai tényezők, stb.
Aeroszol koncentráció és eloszlás •
A légkörben a részecskék koncentrációja megmutatja a részecskék térfogategységben lévő számát, vagy mennyiségét. Ezt kifejezhetjük térfogategységre jutó darabszámmal, vagy tömeggel. Ez azt jelenti, hogy ez az a tömeg, amit akkor mérnénk, ha az 1 m3-ben (1000 literben) lévő összes részecskét mérlegre tennénk, vagy a részecskék darabszáma, ha egyesével megszámolnánk őket. Mindenesetre a koncentráció nagy változatosságot mutat a különböző helyeken. Távoli tengeri területeken, az aeroszolok tömegkoncentrációja körülbelül 4,8 µg⋅m-3, ami háromszor alacsonyabb, mint egy nem városi kontinentális területen (15 µg⋅m-3). Városokban a részecskék koncentrációja meghaladhatja a 100 µg⋅m-3-t vagy az 1 millió részecskét cm3-enként!
A bal oldali ábra a tengeri, városi és a vidéki területek aeroszol koncentrációjának eloszlását mutatja. Az aeroszolok méret szerinti eloszlása a részecskék számát jelenti a sugár függvényében. Megfigyelhetjük, hogy a legmagasabb részecskeszám a városokban fordul elő (kék vonal), s ezen részecskék legtöbbje nagyon kicsi, sugaruk kisebb, mint 0,05 µm.
Aeroszol koncentráció városi, vidéki és tengeri környezetben (adatok: Jaenicke (1993)).
Általában a városi aeroszolok méret szerinti eloszlása változó. Nagy számú kis részecskét a forrásokhoz közel találunk, koncentrációjuk azonban a forrástól távolodva gyorsan csökken.
Átalakulási folyamatok •
Az aeroszolok nem maradnak korlátlan ideig a légkörben: általában a troposzférában csak néhány napig maradnak. Ezért átalakulási folyamatok játszódhatnak le mielőtt kikerülnek a légkörből. Ezek a folyamatok a koaguláció (összeolvadás), kondenzáció (kicsapódás) és a felhőképződés. Ezekre a Kiegészítő ismeretek c. rész 2. fejezetében térünk vissza.
Aeroszolok kiülepedése •
Lebegés közben az aeroszolok fizikailag és kémiailag is megváltozhatnak, azonban nem maradnak évekig a troposzférában. Mivel a természetes és az antropogén források folyamatosan bocsátják ki az újabb részecskéket a levegőbe, ezek a részecskék valahova eltűnnek, különben pl. már nem tudnánk lélegezni. Az aeroszolok kikerülési folyamatát depozíciónak, kiülepedésnek nevezzük. A kiülepedés szót használjuk, hogy utaljunk rá, a részecskének az egyetlen módja, hogy kikerüljön a légkörből az, hogy visszakerül a Föld felszínére. A kiülepedésről részleteket a Kiegészítő ismeretek c. rész Részecskék c. fejezetében olvashatunk.
Ez a kép az aeroszol szállítását ábrázolja: a szennyezés az Atlantióceán fölött kavarog, Franciaország nyugati partvidékétől távol (lenn jobbra). Fent középen az Egyesült Királyság déli része, nyugatra Írország látható.
Természetesen minél nagyobb a részecske, annál kevesebb ideig marad a légkörben. A nagy részecskék a gravitáció miatt kihullnak (mintha egy kis követ dobnánk le egy magasabb helyről). Néhány cm⋅s-1 sebességgel esnek lefelé. Ezzel magyarázható, hogy miért csak a forrás közelében találunk nagyobb részecskéket. Azonban a szélnek kulcsszerepe van: figyeljük meg egy madártollat, amit leejtünk, hosszabb ideig képes a levegőben maradni, ha ráfújunk! Ugyanez a helyzet a részecskékkel, még ha nem is látjuk őket a kis méretük miatt. A részecskék több ezer kilométerre is elszállítódhatnak: néha Szaharából származó port a dél-amerikai kontinens keleti partvidékén is kimutatnak.
Apró szemcséjű eset: sztratoszférikus aeroszolok Általában az aeroszolok tartózkodási ideje (az az átlagos idő, amit a részecske a légkörben tölt, mielőtt kiülepedne) kevesebb, mint egy hét. Azonban ez nem mindig igaz a vulkáni részecskékre, mivel nagy vulkáni kitörések a hamut közvetlenül a sztratoszférába bocsátják, melyek lehetnek elsődleges aeroszolok, vagy SO2 gáz; majd a SO2 tovább alakul másodlagos aeroszolokká. A sztratoszférában a részecskék nem könnyen ülepednek ki, és szétterjednek a Föld körül. Az aeroszolok évekig a sztratoszférában maradhatnak! A Pinatubo kitörése 600 év nyugalom után 1991. június 15-én a Fülöp-szigeteken lévő Pinatubo vulkán kitört. 20 millió tonna kén-dioxidot bocsátott a sztratoszférába. A kibocsátott kén-dioxid három hét alatt a megkerülte a Földet (a bal oldali képen láthatjuk). Láthatod, ahogy a Pinatubo kitörés fáklyájának részecskéi 10 nap alatt elérik Afrika nyugati partjait.
Az ábra a "Pinatubo hatást„ mutatja: A piros szín jelzi a legmagasabb értéket, míg a sötétkék a legalacsonyabbat, amit általában a sztratoszférában megfigyelnek. 1. kép: a sztratoszférikus aeroszolok a kitörés előtt; 2. és 3. kép: 1 és 3 hónappal a kitörés után; 4. kép: 2 évvel a kitörés után a légkör még mindig nem nyerte vissza eredeti állapotát!
A részecskék egészségre gyakorolt hatása • Minden egyes belélegzéskor kb. 0,5 liter levegő kerül a tüdőnkbe, oxigént szállítva a testünknek. De mivel a légkör milliónyi részecskét is tartalmaz, az apró részecskéket szintén belélegezzük. Ez káros lehet az egészségünk szempontjából, a részecskék méretétől és összetételétõl függően. Évszázadokkal korábban, még mielőtt felvetődött volna, hogy a légszennyezés az egészségügyi kockázat, a férfiaknak és nőknek a munkavégzésükből adódóan már voltak légzési problémáik.
Történeti jelek 1555-ben Olaus Magnus dán püspök azt mondta, hogy a gazdáknak a szénát széllel hátban kell csépelni „a porok miatt, mert a por olyan apró, hogy belégzéskor nem lehet észrevenni és felhalmozódik a torkunkban”. Ezzel a részecskék emberi egészségre gyakorolt hatását említette. A következő évszázadok alatt az ipari forradalom során a munkásokat veszélyes anyagoknak tették ki: 1800-ban a tüdőbaj a szénbányászoknál aggasztó problémává vált, különösen Angliában, ahol a világtermelés jelentős részét bányászták.
Szénbányászok a 20. század elején Közép-Franciaországban.
Manapság is sok országban dolgoznak az emberek rossz körülmények között. A részecskék hatása még mindig probléma, különösen azok számára, akik ki vannak téve a pornak, mint pl. az építőmunkások, pékek, a mezőgazdaságban dolgozók, stb. Kapcsolat a részecskék és az egészség között Tudományos vizsgálatok kimutatták, hogy a növekvő részecske-szennyezés a levegőben növekvő légzési problémákhoz, pl. asztmához és hörghuruthoz vezethet. Munkások egy szövőgyárban Manchester közelében, 1851-ben
A részecske koncentráció emelkedésekor növekszik a légzési rendellenességekben szenvedők rendkívüli kórházi felvétele. Továbbá azoknál az embereknél, akik éveken keresztül magas részecske tartalmú levegőt lélegeztek be (amit hosszú idejű kitettségnek nevezünk), valószínűbb a tüdőrák kialakulása.
Értékek a városban Mivel a részecskék veszélyesek az egészségre, az Európai Közösség elhatározta, hogy előírja a levegőminőség szabványait. A részecskék azon szintje, amit egy év átlagában nem szabad túllépni 44,8 µg⋅m-3. Ami a tényeket illeti, nincsen alsó küszöb arra, hogy milyen részecske koncentrációnak nincsen hatása az egészségre. Az európai városokban a koncentrációk a nap folyamán gyakran meghaladják a 100 µg⋅m-3 értéket. A részecske mérgező hatása főleg méretétől és kémiai összetételétől függ. Minél kisebb a részecske, annál beljebb tud hatolni a légzőszervekbe.További részletek a légzőszervekről: lásd: a Kiegészítő ismeretek c. fejezetet.
A képen a részecske koncentrációt láthatjuk a nap különböző időszakában. A piros vonal Párizs forgalmas utcáján, a kék vonal Párizson belüli mérés értékeit mutatja. A zöld vonal a vidéki mérés eredménye. Mindegyik mérést 2003. szeptember 16-án végezték. Figyeljük meg hogyan nő a részecske koncentráció a csúcsforgalom időszakaiban: a reggeli és az esti órákban!
3. Fejezet: A Nap és a felhők A Nap melege nélkül nem lenne élet a Földön. A légkör kölcsönhatásba lép a napsugárzással a felhők révén. Ebben a fejezetben be fogjuk mutatni, hogy miként módosítják a felhők a földfelszín által elnyelt sugárzást, s miért vannak hatással az éghajlatra. Habár a szivárványok nem játszanak szerepet az éghajlatban, olyan fenségesek, hogy meg kell magyaráznunk, hogyan is keletkeznek… • Albedó • Felhők és éghajlat • Szivárványok
Albedó •
Az albedó latin eredetű szó (jelentése: fehérség), s valamilyen tárgy fényességének a leírására használják. A globális éghajlat megértéséhez fontos, hogy számszerűen meghatározzuk a Föld albedóját.
Színek •
A fehér fény (vagy a napfény) különböző színekből áll össze, amit mi nem látunk, mert ezek összekeverednek (elkülönülten láthatjuk őket, mikor megnézünk egy gyönyörű szivárványt, vagy amikor prizmát használunk). Amikor a fény egy tárgynak ütközik három dolog történhet: a fény visszaverődhet, továbbsugárzódhat vagy elnyelődhet.
•
A tükör visszaver minden fényt, ami rá érkezik. Átlátszó tárgyak (mint pl. a víz, vagy az üveg) átengedik a fényt.
Mivel a fény számos színből áll, egy része visszaverődhet, míg másik része elnyelődhet. Ha teljes egészében visszaverődik, akkor a tárgy színe fehér. Ha semmi sem reflektálódik (minden színt elnyel), akkor a tárgy sötét. Ha egy tárgy minden színt elnyel, kivéve pl. a pirosat, akkor a szemünk a piros színt látja, és azt mondjuk, hogy a tárgy piros. Az elnyelt fény hővé alakul. Ez az oka annak, amiért nyáron a sötét tárgyak melegebbek, mint a világosabbak, mivel ezek minden színt elnyelnek.
Valamit színesnek látunk, mert a fényt visszaveri (szemünkbe), az összes többi színt elnyeli a tárgy.
Az albedó definíciója • •
Az albedó a tárgy által visszavert és a tárgyra érkező sugárzás hányadosa. A szám, ami leírja az albedót 0 (fényt nem veri vissza) és 1 (minden fényt visszaver) között változik, vagy százalékban is kifejezhetjük.
Az albedó a Földön Friss hó
80-85
Régi hó
50-60
Fű
20-25
Erdő
5-10
Földünk átlagos albedója kb. 0.3. Ez azt jelenti, hogy a Földre érkező napsugárzás 30 %-a újból kisugárzódik az űrbe. Nézzük meg a bal oldali táblázatot a különböző felszínek albedójáról (%-ban). Az esőerdőknek van a legkisebb albedója a Földön.
Napjainkban a Föld átlaghőmérséklete 15°C. Ha bolygónk erdővel lenne borítva, az átlaghőmérséklet 24°C lenne. Egy sivatagos Föld esetében (homokdűnés Föld), a hőmérséklet 13°C lenne. Ha óceánok borítanák a Földet (mint a moziban a Vízivilágban), a hőmérséklet 32°C lenne, mert az óceánok sötétek, és ezért kicsi az albedójuk. A jégborított Föld hideg lenne (-52°C)! (Nézzük meg a jobb oldali ábrát).
Elképzelt hőmérsékletek, ha a Földön különböző földfelszínek lennének, ami más globális albedót okozna.
A felhők albedója •
Földünk albedója nagyon különböző felhőkkel, vagy nélkülük. A felhők több fényt vernek vissza az űrbe. Az ég kék színe onnan származik, hogy a földfelszín és a felhők a Nap színspektrumából a kék színt szórják a legjobban. A felhők albedója számos tényezőtől függ, ideértve a felhők magasságát, méretét, a felhőn belüli cseppek méretét és számát. A felhők színe a fényes fehértől a sötétszürkéig terjed, mert a vízcseppek szórják a fényt: a nagyobb cseppeknek nagyobb a felszínük és több fényt vernek vissza. Ha egy nagy zivatarfelhő alatt vagyunk, a tájkép sötét, mert a fény nem jut át könnyen rajta. De az űrből ugyanez a felhő sokkal fényesebb lenne, mert valójában magas albedója van. Ezzel szemben a cirrus felhők közel áttetszőek, viszont az űrből szürkébbeknek látszanak, mivel az albedójuk kicsi. Képzeljük el, hogy egy űrhajóról csodáljuk a Földet, a felhők többkevesebb fényt visszavernek az űrbe (ami azt jelenti, hogy a felhőknek eltérő az albedójuk), ami a tulajdonságaiktól függ.
Különböző felhők albedója
A METEOSAT európai műhold a a felhők és a földfelszín által visszavert fényt méri. A víz a napfény jelentős részét elnyeli, ezért tűnik sötétnek. A vastag felhőknek magas az albedójuk és fényesek a műholdképen. A vékony cirrusoknak alacsonyabb az albedója és általában félig áttetszők a napfényre.
Műholdkép a látható fény tartományában; Európa és Észak-Afrika, 2003. november
Mivel általában a felhők albedója magasabb, mint az alattuk levő felszíné, a felhők több sugárzást vernek vissza az űrbe, következésképp felhős időben kevesebb napból származó energia áll rendelkezésre, a felszín és a légkör melegítésére.
A felhők és az éghajlat • A felhők a napsugárzás egy részét visszaverik az űrbe. Ennek következtében kevesebb energia éri el a földfelszínt. Azonban a felhők nemcsak ily módon befolyásolhatják az éghajlatot. Megfigyeltük-e már, hogy az éjszaka kevésbé hideg, amikor az ég felhős? A következőkben megmagyarázzuk, hogy miért…
Infravörös sugárzás Ne felejtsük el, hogy valójában a napfény több részből tevődik össze. Tartalmazza a látható részt (amit természetesen látunk), valamint az ultraibolya és az infravörös sugárzást, melyeket az emberi szem nem lát. Néhány állat látja az UV sugárzást (pl. a méhek), mások az infravöröset érzékelik (pl. a macska, a kígyó). Mi nem látjuk az infravörös sugárzást, de hőként érzékeljük.
A Föld az űrből
Az UV sugárzást az ózonréteg kiszűri, ezáltal megvéd minket a sugárzás káros hatásaitól. Ez az, amiért az ózonréteg olyan fontos. A légkör, az óceánok és mindenekelőtt a felhők a napfény egy részét visszasugározzák az űrbe (a visszavert sugárzás ezen részét nevezzük albedónak). Ezért látják az űrhajósok az űrbõl a Földet.
A napból érkező energia kb. 70 %-a végül is eléri a földfelszínt, amelynek többsége elnyelődik. Mint ahogy a bőrünket felmelegíti a Nap, amikor süt, ugyanígy melegíti fel a Földet is, ami utána újra infravörös sugárzást bocsát ki.
Ez a kép a Föld felől az űr felé visszasugározott átlagos hőeloszlást mutatja (W⋅m-2) egy júliusi napon 2000-ben. A sárgával jelöltük azokat a régiókat, ahonnan a legtöbb hő (kimenő sugárzás) hagyja el a légkört. A rózsaszín és a kék színek köztes értékeket mutatnak, míg a fehér szín mutatja a legalacsonyabb értékeket. A sivatagi területek sok hőt bocsátanak ki, míg a hóval és jéggel fedett Antarktisz nagyon kevés hőt sugároz ki.
Ha minden infravörös sugárzás visszaverődés nélkül kisugárzódna az űrbe, akkor a bolygónk hőmérséklete -18°C lenne: csak a jegesmedvék lennének boldogok! Kölyök jegesmedve és a mamája
A felhők üvegházhatása •
•
• •
•
Bolygónk nem olyan hideg az üvegházhatás miatt (lásd: az Alsó légkör c. fejezet), ami a vízgőznek, a felhőknek és néhány gáznak köszönhető. Mi csak a felhők szerepét fogjuk most itt megmagyarázni. A földfelszín kb. 50 %-át felhők borítják. Amikor a felhő elnyeli a földfelszín által kibocsátott sugárzást, annak egy részét a világűr felé sugározza, míg a másik részét visszasugározza a felszín felé. Ily módon melegszik a Földünk. A felhők emiatt tudják az éjszaka és a nappal közötti hőmérséklet-különbséget mérsékelni. A nappal folyamán a napsugarak felmelegítik a talajt. Minél kevesebb a felhő az égen, annál jobban melegszik fel földfelszín. Éjszaka, ha nincsen felhő, a Föld által kisugárzott infravörös sugárzás legnagyobb része kisugárzódik az űrbe. Az éjszaka ilyenkor hideg lesz. Ha az ég felhős, a sugárzás egy részét a felhők visszatartják, amit aztán a földfelszín felé visszasugároznak. Így a talaj feletti levegő hőmérséklete melegebb, mint a felhő nélküli esetben lenne.
A sivatagban a hőmérséklet nagy különbséget mutat nappal és éjszaka, mert a levegő olyan száraz, hogy a hő éjszaka gyorsan kisugárzódik. Az éjszakai hőmérséklet 35°C-kal is alacsonyabb lehet, mint a nappali.
A felhők éghajlati hatása Összefoglalva a felhők a visszasugárzott hő révén felmelegítik a Földet: ezt a „felhők üvegházhatásának” nevezzük. Ez a folyamat okozza a melegedést vagy a pozitív sugárzási kényszert a Föld éghajlatában. De a felhők hűtik is a bolygónkat, a beérkező napsugárzás visszaverése révén. Az ellentétes hatású két folyamat, a felhő albedó és a felhő kényszer közötti sugárzási egyenleg határozza meg, vajon egy bizonyos felhőtípus melegíteni, vagy hűteni fogja Földünket.
Felhő sugárzási kényszerének meghatározása 1985 és 1986 között. A felhők hűtő hatásának növekedését a sárgától a zöldön át a kék szín jelzi. Néhány területen a felhők melegedést okoznak. Ezt a narancstól a piroson át a rózsaszín mutatja.
Magas, vékony felhők, mint pl. a cirrusok (pehelyfelhők), hozzájárulnak a melegedéshez, míg a hűtő hatás az alacsony, vastag stratocumulus (alacsony gomolyos rétegfelhő) felhőknél érvényesül. Manapság a kutatók úgy gondolják, hogy a felhők globálisan csökkentik a Föld hőmérsékletét.
Annak a megértése, hogy vajon a felhők melegedést, vagy hűlést idéznek elő a bolygónkon, abban az esetben, ha az emberi tevékenység hatására a földi hőmérséklet növekszik, a jövő egyik fő tudományos kihívása: ha a globális hőmérséklet emelkedik, több nedvesség lesz a légkörben, ez több felhőhöz vezet: több napsugárzást vernek vissza a világűrbe, vagy többet tartanak bent a légkörben?
A szivárvány • A szivárványok mindig elbűvölik az embereket, és sok monda kapcsolatos velük. Az írek azt mondják, hogy egy aranyfazék fekszik a végén. Az indiaiak úgy hiszik, hogy ez híd az élet és halál között. A Teremtés Könyve szerint a szövetség jele az Isten és az élet között a Földön. A valóságban, még ha a szivárvány olyan gyönyörű is, hogy elbűvölőnek tűnik, nincsen semmi titokzatos, természetfölötti benne. Itt meglátjuk, hogy csak egy meteorológiai jelenség…
A fehér fény színei A híres angol tudós, Isaac Newton volt az első, aki megmagyarázta a szivárványt a XVII. században, Descartes (1596-1650) korábbi optikai munkásságának felhasználásával. Megmutatta, hogy a napfény különböző színekből áll, amit az ember szeme nem tud elkülöníteni. Valójában, amikor egy pillanatra a Napra nézünk délben, azt fehérnek látjuk. Sir Isaac Newton (1643 - 1727)
A fény színek sorozata: piros, narancs, sárga, zöld, kék, indigó és ibolya, melyet látható spektrumnak nevezünk. Ez két másik színt is tartalmaz, amit nem látunk: infravörös (amit szemünk nem észlel, de bőrünk hőként észleli) és az ultraibolya (amelytől lebarnulunk).
A prizma A fény továbbterjedése mindig egyenes vonalú, de az iránya megváltozhat, mikor útjába teszünk egy akadályt. Annak bemutatására, hogy a fehér fény valójában színek keveréke, Newton háromszög alakú üveget használt, amit prizmának hívunk. Amikor a fény átmegy a prizmán, megváltozik az iránya (amit fénytörésnek nevezünk). A törési szög az egyes színeknél más és más, így amikor a fény átmegy a prizmán hét különböző színt ad (nézzük meg a képet). A fényt tehát felbontottuk.
Prizmával a fény megtörik
A szivárvány Ahhoz, hogy szivárványt lássunk, két dologra van szükségünk: Napra (amelynek a hátunk mögött kell lennie) és esőcseppekre. Amikor az esőcseppek lebegnek a légkörben, mindegyikük kicsi prizmaként viselkedik. A napsugár áthalad az esőcseppeken, amelyek a fényt megtörik, s ily módon szivárványt hoznak létre.
Az egyes cseppek prizmaként viselkednek
Szemünkkel a cseppekből érkező piros színt magasabban látjuk az égen, noha a vízcseppek az égen alacsonyabban vannak, és ibolyaszínt küldenek felénk.
A szivárvány alakja A szivárvány teteje (piros szín) és a megfigyelő között 42 fokos szög van. Mivel ez a szög állandó marad, a szemünkkel egy félkört látunk valahol a távolban. Ha repülőn utazunk, láthatjuk a teljes kört!
A szivárvány teljes kör lenne, ha a Föld nem lenne az útjában.
A nagy esőcseppek (néhány mm átmérőjűek) fényes szivárványt adnak, míg a kicsi cseppek (pl., amelyek a ködben találhatók), halvány szivárványt hoznak létre. Ha süt a nap, mi is készíthetünk szivárványt a kertben! Az öntöző cseppjei hasonlóan viselkednek, mint az esőcseppek.
Néha láthatunk kettős szivárványt, amikor a cseppeken belül a fény kétszer verődik vissza. A második szivárvány erőssége sokkal kisebb, mint a főszivárványé, és a színek is fordítottak.
Kiegészítő ismeretek
Felhők és részecskék 1. Fejezet: Mi történik a felhőkben? • Cseppképződés • A felhők tulajdonságai • Felhőkémia 2. Fejezet: Részecskék • A részecskék tulajdonságai • Átalakulás és kiülepedés • A részecskék és a légzőszerv 3. Fejezet: Felhők, részecskék és az éghajlat • Az aeroszolok hatása a látástávolságra • A részecskék és az éghajlat • A sugárzási egyenleg
1. Fejezet: Mi történik a felhőkben? Az Alapismeretek c. fejezetben láthattuk, hogy a felhők milliónyi cseppből állnak, mivel a vízrészecskék kicsapódnak a kis szuszpendált részecskékre. A Kiegészítő ismeretek c. fejezetben megnézzük a felhők belsejét kisebb skálán: hogyan képződnek a cseppek, melyek a felhők tulajdonságai, a típusuknak megfelelően (lásd: az Alapismeretek c. fejezet) és milyenek a kémiai reakciók a felhőkön belül. • Cseppképződés • A felhők tulajdonságai • Felhőkémia
Cseppképződés Egy felhő akkor születik, amikor a légkörben lévő nedvesség folyékony halmazállapotúvá válik, azaz a nedves levegő lehűl. Pontosabban, mi a kapcsolat a hőmérséklet és a levegő nedvességtartalma között? A felhőn belül mi a cseppek mérete? A levegő telítettsége • A levegőben tárolható vízgőz mennyisége függ a levegő hőmérsékletétől. Egy adott hőmérsékleten, egy adott tömegű levegőben lévő aktuális és lehetséges víztartalom arányát relatív nedvességnek nevezzük. • A levegőről akkor telített, amikor pontosan annyi vizet tartalmaz, mint amennyi abban lehetséges. Ennek következtében a telített levegő relatív nedvessége 100 %. A túltelített levegő relatív nedvessége magasabb, mint 100%.
Nézzük meg a lenti táblázatban a maximális vízgőzmennyiséget, amit a levegő képes megtartani különböző hőmérsékleteken, mielőtt a kondenzáció elkezdődne: T (°C)
-20
-10
0
+10
+20
+30
vízgőz (g⋅m-3)
1,1
2,3
4,8
9,4
17,3
30,5
Pl. képzeljünk el egy 20 °C-os légrészt, ami 9,4 g⋅m-3 vízgőzt tartalmaz. A relatív nedvesség: 100 x (9,4 / 17,3) = 54,3 %. Feltételezzük, hogy a légrész lehűl 10 °C-ra (pl. emelkedik a légkörben). A relatív nedvesség ekkor 100 %. A levegő telített. Képzeljük el, hogy a hőmérséklet csökkenése folytatódik 0 °C-ig. Ezen a hőmérsékletet az a maximális vízgőz mennyiség, amelyet a levegő még képes megtartani 4,8 g⋅m-3. Így a légrészecske túltelített (9,4 - 4,8) = 4,6 g vízzel. Ez a többlet víz kikondenzálódik a hozzáférhető aeroszol részecskéken, amelyek felhőcseppeket képeznek, és így a légrész relatív nedvessége visszatér 100 %-ra, vagyis 4,8 g⋅m-3 vízgőz koncentrációra.
Minél melegebb a levegő, annál több vizet képes megtartani. Ezért használják a meleg levegőt tárgyak szárítására: elnyeli a nedvességet. Másrészt a telített levegő hűtése kicsapódásra kényszeríti a vizet. Ezért lesz egy szénsavas doboz párás: a mellette lévő levegőből kicsapódó nedvesség okozza ezt.
Cseppek a felhőn belül A felhőcseppek mérete a néhány µm-től több, mint 100 µm-ig (0,1 mm) változik. Átlagos átmérőjük általában kb.10 µm. A szárazföldi felhők kisebb cseppekből állnak, míg a tengeri felhőket a nagyobb cseppméretek és kisebb cseppkoncentráció jellemzi. Általában a cseppsűrűség a felhőn belül 25 000 és 1 millió csepp között van egy liter levegőben. Két csepp távolsága kb. 1,4 mm, ami 70-szerese Egy párás az átmérőjüknek (mintha 20-30 méterenként szénsavas doboz lenne egy focilabda). A csapadék képződéséhez a cseppeknek növekedniük kell egészen addig, míg el nem érik az 1 mm körüli méretet, ami azt jelenti, hogy százszor akkorára kell nőniük, mint amekkorák voltak!
A "meleg felhők" (ezek nem tartalmaznak jeget), cseppjei csapadék méretűvé összeolvadással képesek megnövekedni. Ahogy az idő múlik, a cseppek egyre nagyobbak és nagyobbak lesznek, amíg elég nehezekké nem válnak, ahhoz, hogy lebegve a levegőben maradjanak és a levegő feláramlása ellensúlyozza a cseppek esését. A zivatarfelhőkben pl. a függőleges áramlások nagyon erősek, megmagyarázva, hogy a zivatarokban az esőcseppek miért olyan nagyok. A hidegebb felhőket jégkristályok, folyékony víz és vízgőz alkotja. A vízgőz kicsapódik a jégkristályokon, és a folyékony cseppek kifagynak, amikor jégkristályokkal érintkeznek. Mivel egyre nagyobbakká válnak, a jégkristályok hókristályként hullnak le, vagy esőként, ha megolvadnak, mielőtt elérik a talajt.
2. Fejezet: Részecskék Az aeroszol részecskéknek számos forrásuk lehet (természetes vagy antropogén). Vannak elsődleges vagy másodlagos aeroszolok, és ennek következtében különböző a vegyi összetételük. A fő fizikai és kémiai tulajdonságaik révén kulcsszerepet játszanak a felhőképződésben és a felhők viselkedésében, továbbá az éghajlati rendszerben, valamint az emberi egészségre is hatással vannak. A fenti tulajdonságokat elemezzük e fejezetben. Az aeroszolok és a felhők éghajlatra gyakorolt hatását lásd: 3. fejezet. • A részecskék tulajdonságai • Átalakulás és kiülepedés • A részecskék és a légzőszervek
Részecskék tulajdonságai Az eredetüktől és a légköri fejlődésüktől függően a részecskéknek különböző méretük és koncentrációjuk van (fizikai jellemzők); de a részecskéknek van egy másik, szintén fontos megkülönböztetése: a kémiai összetételük. Mellesleg, a részecskék fizikai és kémiai összetevőinek nagy hatása van a légköri viselkedésükre. Az egyik ok, amiért az aeroszolok olyan fontosak, az az, hogy szerepük alapvető a felhőképződésben.
Az aeroszolok vegyi összetétele •
A részecskék vegyi összetétele erősen függ a keletkezési helyüktől. A fő komponensek a tengeri só, szulfát, nitrát, ammónium, szerves anyagok, a földkéregből származó anyagok, apró fémdarabok és víz.
•
A durva tartományban (a részecskék átmérője > 1µm) általában a földkéregből származó anyagokat (szilícium, magnézium, kalcium, alumínium, stb.), nátrium-kloridot (tengervíz cseppjeiből), elsődleges biológiai anyagokat (pollenek, spórák, elpusztult rovarok törmelékei, stb.), s lebegő kormot találunk.
•
A finom részecskék főleg másodlagos aeroszolokból állnak (gázokból kialakuló részecskék), mint pl. a szulfát, nitrát, szerves összetevők és fémek (mint pl. az ólom, vas, réz, nikkel, stb.) és az elemi szén.
Kémiai keveredés Mivel a légkör folyamatosan mozog és változik, egy részecske kémiai összetétele valószínű, hogy a légkörben való néhány napos tartózkodási idő alatt kialakul. Két keveredési állapotot különböztetünk meg: belső és külső keveredést. A külső keveredésnél a különböző forrásokból származó részecskék különállóak maradnak, pl. nem kapcsolódnak egymáshoz. A belső keveredésben a különböző kémiai anyagok egy részecskén belül összekeverednek. Minél öregebb a légtömeg, a belső keveredés mértéke annál jobban fog növekedni.
TEM kép egy tengeri troposzférából származó ásványi porról
Felhőképző magvak •
A troposzférában az aeroszolok legfontosabb szerepe az, hogy lehetővé teszik a felhőképződést: valójában vízgőz szükséges ezekhez a kis részecskékhez, hogy megindulhasson rajtuk a kondenzáció. Nem mindegyik részecske felel meg cseppképző magnak. Azokat a részecskéket, melyeknek meg van az a képességük, hogy cseppekké növekedjenek, kondenzációs magvaknak (KM, angolul CCN) hívjuk. Ez a képesség függ a részecske méretétől, vegyi összetételétől és a túltelítéstől (lásd: a képződési folyamat). • Az, hogy az aeroszol részecskék mekkora része CCN, általában sokkal fontosabb az óceánok fölött, mint a szennyezett környezetben. A CCN koncentrációja kb. 100 db⋅cm-3 a tengeri levegőben. Ugyanakkor a a szennyezett levegőben az aeroszol részecskék koncentrációja jóval magasabb (néhány száz CCN db⋅cm-3).
Gombák spórája, baktériumok, pollenek, biológiai bomlástermékek, stb. Mindezek szintén aeroszolok, és egyes részecskék mérete elérheti a 100 µm-t, vagy lehet akár annál nagyobb is. Ugyanakkor 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. A képen erdőtűz pusztít Elefántcsontparton.
Tipikusan ilyenek a kénsav aeroszolok, vagy más kicsi 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.
Ahhoz, hogy egy részecske CCN lehessen, elég higroszkóposnak kell lennie, pl. megfelelő mennyiségű vízben oldható anyagot kell tartalmaznia. Ezért befolyásolja a kémiai összetétel is a felhőcseppek képződését. Pl. kibocsátásukkor a talajról származó porrészecskék nem lehetnek CCN-ek, míg a tengeri só részecskék igen (egy nedves napon néha nehéz a sószóróból a sót kihinteni, mert a víz kikondenzálódik a sókristályokon, és összetapasztja őket). Hajók nyomai: a nagy hajók kipufogógázaiban lévő részecskék CCN-ként hatnak, és felhőket képeznek, ahogyan a képen is látjuk. Franciaország a jobb oldalon található, Spanyolország a kép alján. Ahogyan a hajók az Atlanti-óceán keleti részén úsznak, ezek a felhők kialakulnak, így teszik láthatóvá, hogy a hajó merre járt. A hajók nyomai több órán át megmaradhatnak, és a formájukkal lehetőséget adnak arra, hogy megbecsüljük azt, milyen régen keletkeztek és mekkora a hajó relatív sebessége. Minél gyorsabb egy hajó, annál keskenyebb és hosszabb lesz az általa okozott felhőnyom. A lassabb hajók rövidebb és szélesebb sávot hagynak.
Az aeroszolok hatásai a felhőkön Így az aeroszol részecskék lehetővé teszik a felhőképződést. A részecskék száma és mérete ezért megváltoztatja a felhők jellemzőit. Tény, hogy az aeroszolok a felhőrendszerben alapvető szereplők, mivel módosítják a felhők mikrofizikáját (a cseppek számát és méretét), a potenciális csapadékot és az optikai tulajdonságokat. Az egyik alapvető megfigyelés az, hogy a légkörben a CCN részecskék számának növekedésével a felhőkben több, de kisebb csepp alakul ki. A cseppek száma és mérete pedig fontos abban, hogy a felhőből mennyi csapadék hullhat ki és milyenek az optikai tulajdonságai (az aeroszolok felhőkre gyakorolt hatását „indirekt” hatásnak nevezzük). Ezért, mivel az antropogén tevékenység a részecskék fontos forrása, az ember módosítja a felhők mennyiségét és jellemzőit.
Nézzük meg a bal oldalon lévő fotót: kondenzációs csíkokat mutat (kondenzcsíkoknak is nevezik őket) Franciaországban a Rhône völgye felett. Gyakran láthatjuk ezeket a mesterséges felhőket, melyek a nagy sugárhajtású gépek után alakulnak ki. Jégkristályokból állnak, s ezek ott képződnek, ahol a hőmérséklet alacsonyabb, mint -40 °C. Becslések szerint ezek a mesterséges felhők a földfelszín kb. 0,1 %-át borítják.
3. fejezet: Felhők, részecskék és az éghajlat A felhők folyékony vízből (vagy jégkristályokból) és a cseppeken belül vagy kívül lévő kicsi részecskékből állnak. Ezek a részecskék mindenütt jelen vannak a légkörben, nemcsak a felhőkben. Ebben a fejezetben megnézzük, hogyan befolyásolhatják a látástávolságot. Az Alapismeretek" c. részben a felhők és az éghajlat kölcsönhatásáról volt szó. Itt megnézzük, hogy a részecskék miként lehetnek fontos szereplői az éghajlatnak. (Módosítják a felhők jellemzőit, de nem csak ezért fontosak). A Föld globális sugárzási egyenlegét is áttekintjük. • A részecskék és a láthatóság • A részecskék és az éghajlat • A sugárzási egyenleg
A részecskék és a láthatóság • A gyenge láthatóságot úgy észleljük, mint a légszennyezés jelét. A látástávolság az a legnagyobb távolság, aminél a megfigyelő még lát egy nagy fekete tárgyat a Nappal szemben, a horizonton. Számos tényező határozza meg, hogy valaki milyen távolra lát a légkörben, beleértve a légkör jellemzőit, az ég és a megfigyelt tárgy fényességét, az emberi szem tulajdonságait és a megfigyelő pszichológiai ítélőképességét. Itt a légköri alkotórészekre fókuszálunk, amik gátolják a láthatóságot.
Fény a légkörben A fény az energia egy fajtája, ami hullámként terjed. A hullámhossz két hullám csúcsa közötti távolság (a zöld nyíl az ábrán). A Napból érkező fény fehérnek látszik, de a valóságban különböző színek összessége (amiket láthatunk a prizmával vagy a szivárványban). A színeknek különböző a hullámhossza, frekvenciája és az energiája. Az ibolyának van a legrövidebb hullámhossza a látható spektrumban, míg a pirosnak a leghosszabb.
A fény egy elektromágneses hullám
A fény egyenes vonalban halad mindaddig, míg valami meg nem zavarja. Az űrben egy villanásból származó fényt csak az látna, aki éppen a fénysugár útjában van. Ez különbözik légkörünkben: ahogyan a fény halad, egyenesen folytatja útját, amíg össze nem ütközik egy részecskével vagy egy gázmolekulával. Azután, hogy mi történik a fénnyel, függ a hullámhosszától és a tárgy méretétől, aminek nekiütközött.
A fény szóródik egy részecskén vagy egy molekulán
A gázmolekulák és a légköri részecskék kisebbek, mint a látható fény hullámhossza. Amikor a fény nekiütközik egy gázmolekulának, a molekula elnyeli, és különböző irányokba szórja a fényt. Ezért látjuk éjszaka a villanófény, vagy a diszkó lézernyalábjait, még akkor is, ha nem is vagyunk a fény útjában. A fény különböző színei különbözőképpen viselkednek. Ez a szóródás, amit Rayleighszórásnak is neveznek, sokkal hatékonyabb rövid hullámhosszakon (a kék szín). Ezért látszik kéknek az ég.
A fény szóródása részecskéken A láthatóság csökken, mivel a légköri részecskék a megfigyelő és a tárgy között elnyelik, vagy szórják a Napból érkező fényt. A fény részecskéken történő szórása a legfontosabb jelenség, ami a láthatóság gyengüléséhez vezet; a fényt a légkör alkotóelemei is elnyelhetik, mint pl. az elemi szén, ami úgy is ismert, mint korom, vagy az NO2, ami különösen hatékony fényelnyelő.
A részecske koncentráció nagyon alacsony: a látástávolság kb. 250 km
Most a látástávolság kevesebb, mint 70 km, a szennyezés miatt
•
Képzeljünk el egy részecskéktől mentes légkört: a tenger szintjén az elméleti látástávolság kb. 300 km lenne és 500 km a Mont Blanc tetején! A részecskék mérete, koncentrációja és kémiai jellemzői hatnak a látótávolságra. A legkisebb részecskék (és főleg a 0,1 és 1 µm közötti méretűek) csökkentik legjobban a látástávolságot. Ezen kicsi részecskék legtöbbje emberi eredetű. Los Angelesben a szennyezett időszakok alatt a látástávolság kb. 8 km lehet, szemben egy tiszta napon észlelhető 90 km-es látástávolsággal.
•
A nedvesség jelentős mértékben növeli a szennyezés hatását a látástávolságra: a vízben oldódó finom aeroszolok a száraz átmérőjük hétszeresére is nőhetnek, drámaian megnövelve a szóródási hatékonyságot, és így a látástávolság romlásához vezetnek.
Az emberi érzékelés A légkörben lévő finom részecskék mennyiségének növekedése kapcsolatos a láthatóság csökkenésével, így a teljes levegőminőség indikátorának is használhatjuk. Az elfogadhatatlan látástávolság felfogása a környezettől függ: az emberek kevésbé könnyen fogadják el egy vadon lepusztítását, mint egy városi környezetét. Egy közvélemény-kutatás szerint, a városokban az elfogadható látástávolság mintegy 50 km volt.
Alacsony látástávolság egy ipari területen
Mára befejeztük, viszontlátásra!
