-
Az égha)|atÍ rendszer Eghajlati rendszerkénr a légkör ésa vele közvetlentil érintkezőnégy felszíni geoszfera- a hidroszféra, a kioszféra,a kontinentáIisfelszínésa bioszfera_ á|tal alkotottinteraktívegyüttestdeÍiniáliuk A légkör az éghaj|ati rendszerközponti komponense,annakleginkább instabil ésa legnagyobbváltozékonyságot mutatórésze.Éoke-iui összetevői (az á||andó koncentrációjúnitrogén,oxigén é.sar.go1)a napsugárzásnak a.közegen történő átha|adásáta|ig,a Föld infravo'clskisugaizilát p;dűefiyáIta|ában nem u".rorya,o5.lt. Ezze| szembenszámos vá|tozőtérfogaárányutegko"ri íyomgaz(mint példáula széndioxid, a metán,a dinitrogén-oxid ésa troposzfétabanta|á|batő őzon)elnyeli a felszín á\a| kibocsátott infravörös . sugárzást, majd felfelJ és lefelé kisugátozza azt, rnegemelveezze| a fe|színhez közeli hőmérsékletet. Ézeket,,.'"',tit. tii"gh ázhatásű, gázoknak,ésezért_hír teljestérfogatuk a szátazlevegőnekkevesebb,mint a O,|Yo-a _ alapvető szerepet játszanak a rendszer energiaháZartásában. A légköri levegő leginkább vá|toző összetevője a vízgőz, ameti -tivegházgriz; természetes térfogataránya|oÁ ktirül mozog. A iízgőz, vaiamint ''i"ie"a szén-dioxid és az őzon a rövidhullámú napsugrírzás elnyeiésé9e:l siereptreziut.Az említett gázokmellett a i; légkör fontos alkotóelemei a szi|árd,.és..'9rinr"irJ' részecskék(aeroszolokés felhőelemek),amelyek mind a beérliező,mind á'nm",,o, sugárzásárziütt"ilonyotutt éstérbenerősenvá|tozőkölcsöúatásban állnak. A légkör hőerőgépként működik' amely a meridionálisirány mentén eltérő intenzitássa|étkezószolarishőt a levegő krilcinbozo skálájúmozgásainakkinetikus energiájáváalakídaát. Ezeknekuo'o,fá,o\?k az á|ta|ánoslégkörzés bonyolítjale az impulzusnak,a hőnel, u regtömeg?ek -.gyii..".", és a víznek azt a térbeli átvitelét,amely y. éghaj|atiállapotnak korláios biztosít: :"fi"g.t a Föld egyetlen pontjánsem alaku].ki progresszív itartősanegyiranyrij,-aito,a,. A hidrosdéraaz összes felszíniésfelszín a!átti vizekből _ az őceánokbólés tengerekből,továbbáa folyókból, tavakból és víztározókból_ tevődik össze. Az óceánok a Föld felszínénekközel ?lo/:-?t űtja A világóceán globális vizkorzésének rendszerét kétalapvetőmozgásformaalkotja.Az egyikösszetevtj az a közelítőleg lineáris reagálás uiu u nyíróerőre, amelyet a légáramlása felszíni víztétegre kifejt, ezért nevezik az általános iegto.zeJ ilta1_ mozgatott tengeráramlásnak(vagy Ekman-sodrá;nak); ugyit] Jiiu".u-utoÉni.u-u,, illetve annak északkeletfeléirrínyu|őleagázas; "n".t ;; n';i-atlanti-áramlás. A globális vízkörzés másik fő komponensea termohalin cirkuláció, amelyet a tengervíz hőmérsékletének éssótartaimánakmeridionálisg'.di;;';, valamint az At|anti-óceán és a Csendes-óceán felszíni sótartalmának asámm etriája tart fenn. Á. ,i. nugy hőkapacitása révénaz őceánok hatalmas.""d;;;;;il*, e, így a légkörzésnél lassabb vízkirzés(a világméretű ,,óceiíniszá|linszala{;l szinten részesea globális energiaegyensúly kialakításának.a jelenleg elfogadoti.s,amrtasokszerint azonbana pólusirányúóceáni hőátvitelcsak a ó. e. u tz.e.r.o*niiartomanybanjátszik igazán meghatároző szerepet; 35, földrajzi szélességnél - ahol a teljes póIusirányu 'a transzportmindkétféltekén a legnagyobb_ azo"Jani hőátvitela teljestranszportnak az északiféltekén a22Yo-át,a doii fátekénpedig a *oÁ-átképviseli. Az őceán teljes ''ináo','. ugya'n gyakorlatilag korlátlan kapacitásúszén.víaömege dioxid tároló, de a víznek a felső?s u?ery"uu i.i'.ltti k",,e.edése igen lassú (évezredesidőskálán működő) folyamat, 'et.g"t ésezért u"t"ts,iÁ_,u;;;;;k ffi átozott mennyiségűszén-dioxidotképesidőegység alatt .r"y.i'i A becslésekszerint a világtengerjelenleg'évente ,.,6 :'0'' 9 -szárnel.gy..,t.t.tt1 szén-dio*iáot u.." r.r, ami a fosszilis tize|őanyagokelégeté'eiot .,á..;á;.",."pogén légköri szén-dioxid
jelenleg közel 30Yo-a, A tengeri üledék oxigén-izotópos szenr|yeződésmértékének vizsgá|ata lehetőséget nyújt többszázezer éwel eze|őtti idők hőmérsékleti viszonyainak a feltárására' 80%-át tarta|maző grönlandi és A lcrioszferát a Föld édesviz-kész|etének antarktiszi jégmezők, a kontinentális gleccserek, a felszíni hótakaró és a tengerjég alkotják. Jelentőségéta rendszerben nagy reflektivitása és termikus tehetetlensége, alacsony hővezető képessége,továbbá a mélyengeri cirkuláció kormányzásában játszott szerepe biztosítja. A jégmezők mélyebb rétegeibezáródott levegőbuborékok kémiai analízise régmúltkorok légkörénekösszetételéttár1a elénk, a jégben levő 80 1óo; aránya pedig az osszetéte|heztartozó hőmérsékletetadja és oxigénizotópok (' meg. A kontinentális felszín vegetációja éstalajállapotahatározzameg, hogy miként jut vissza a napsugárzás energiEa a légkorbe. Ennek az energiának egy része infravörös sugárzás formájában melegíti a levegőt, másik részea víz páro|gására' és így a légköri vizgőztartalom növelésérefordítódik. A felszínnek a topográfiától és a vegetációtól fiiggő érdességedinamikailag hat alégmozgásra.A kontinentális felszín egyik fontos fonása. a légkörbekerülő aeroszol részecskék A bioszféra az á|ta|ános értelmezésszerint az é|etszíntere a Földön; az a szeweződési szint, amely magába follalja az összes élőlényközösséget, az éwényre jutó kölcsönhatásokkal és anyagmozgásokkal együtt. Klímadinamikai vizsgálatokhoz célszerűaz é|etközosségből csak a növényi populációk halmazá'rakorlátozódnunk: a tengeri flőrara és a szfuazföldi flórara (különosen az erdőkre)' A növényzet ugyanis jelentősen befolyásolj a az iveghazgéaok biokémiai körforgalmát, mindenekelőtt a légkör és az óceán szén-dioxid háztartását (a szén-dioxidnak a légkörből a kontinentális felszín növényvilága felé iranyuló fluxusa évente1,4 " 1015g szénnel A légkör hatása a továbbá hatással van az aeroszolok képződésére. egyenértékű), és pollenmaradványokként&ződik meg, és flőrára fosszíliákként, fák évgyúrúiként igen sok ismeret, amivel az elmúlt korok éghajlataról rendelkezünk, ilyen biotikus indikátorok nyomáir került napvilágra. A felszíni geoszferáknak léteznek elemei, amelyek meteorológiai kontextusban nem lépnek interaktív kapcsolatba a környezetükkel. Ilyen elem (és ezért nem tésze az éghajlati rendszernek) például a domborzat, amely mindig egyiranyúhatást fejt ki (felszíni termikus ésmechanikai kényszertgyakorol) a légkör viselkedésére. Es ugyanebből a megfontolásból nem tekintjtik a bioszférarészének sem a faunát, Sem az emberiséget - ugyanakkor elismerve, hogy az emberi tevékenységnapjainkra a figyelem középpontjába került éghajlatalakitő.tényező rangiára emelkedett. E ghajlatalakító-tényezők rendszer elsődlegesena Nap sugárzásaáltal termikusangerjesáett Az éghaj|ati rendszer.A mobilis komponensek kinetikus energiájaa súrlódásnyomán végül hővé alakul, amelyet a rendszer infravörös sugárzás formájábanjuttat vissza a világűrbe. Ezértebben akényszetített-disszipatívrendszerbenpotenciális éghajlatalakítótényezó minden olyan hatás, amely a légkör felső határához érkezőnapsugárzás intenzitását, a légkörön belüli sugárzásátvitel feltételeit,továbbá az energiabevételfelszínhez közeli térbeli elrendeződésétperiodikusan vagy véletlenszerűen módosítja, az éghajlrati rendszer állapota pedig az eze|
Stacionárius klímaállapot kialakulá sáúlozegyensúlynakkell beállnia az égbaj|ati rendszer által nyert napsugárzásésa rendszer á|ta|a világűrbe kibocsátoti infravörös sugárzás között. Egyensúlyi klímaállapotban tehát a légkör felső határáná| a beérkező és a világűr felé iranyuló hőáramsűniségátlagos ktiltlnbségenulla. Ha a napsugárzás vagy a ftlldsugárzás intenzitásában yá|tozás következik be, akkor az egyensúlymegbomlik, ésa rendszer számára energiatöbbletet eredményezőpozitiv, Vagy energiaveszteséget jelentő negatív nettó hőáram alakul ki. Ezt a kiegyensiiyozat|anságot a felszíntroposzfera rendszerre ható, Wm-2 egységben kifejezett sugárzási kényszerként definiáljuk. A sugárzási egyensúlyt a klímaállapotnak az új feltételekhez történő igazo dása áI|ítja vi ssza. Az éghaj l at kényszer ített vál tozékonysága Sugárzási kényszert természetes és az emberi tevékenységből származő éghajlatalakitő-tényezők (küIső kényszerek)egyaránt kiválthatnak. A természetes külső kényszereklehetnek extraterresztrikusésterresztrikus eredettiek.A legfontosabb extraterresztrikus kényszerekközé tartozik a napsugátzás vá|tozékonyságaés a Föld orbitális paramétereinekingadozása. A műholdas mérésekszerint a napállandónak a 11 éves napfoltciklust kísérő vá|tozása t0,2 Wm_' kortili sugárzási kényszerrel egyenértékű.Ismeretes továbbá, hogy a Nap fejlődésével a teljes kisugárzás intenzitása lassan növekszik. Ennek a folyamatnak a felszín_troposzférarendszerre napjainkban gyakorolt hatását a szakemberek,a Nap aktivitásának |645 és |7|5 közötti csökkenése (az un. Maunder-minimum) időszakáho z viszonyítva, +0,7 Wm-2es szoláris sugárzási kényszenel azonosítják. A Föld orbitális paramétereiközül a Nap könili pá|ya lapultsága olyan összetevő, amely a napállandót befolyáso|ja' Az excentricitás azonban a földtörténet során mindig igen kicsiny (0,07-nélkisebb) volt; periodikus vá|tozásai a napállandót soha nem módosították +0,2oÁ-otelérő értéknél jobban, ami legfeljebb +0,4 fokos globális felszíni középhőrnérséklet-változást okozhatott. A terrbsztrikus éghajlatalakító+ényezőksorábő| a vulkiíntevékenységet kell kiemelnünk. A vulkánkittiréseknagy mennyiségűaeroszol részecskét juttathatnak a sztratoszférába, megntivelve a napsugárzás szóródását, amivel csökken az alacsonyabb rétegekbeés a felszínrejutó szoláris energia. igy u vulkántevékenység j elentős tranziens sugárzási kényszerteredményezhet. A sllgátzási kényszethez vezető antropogén hatások az ipai forradalmat ktjvetően váltak mindinkább szrímottevőenregionális' illetve globális méretekben jelentkező külső éghajlatalakítőtényezőkké.Az emberi tevékenységa természetes üvegházhatást fokozó gázok kibocsátásáva|, továbbá aeroszol részecskéklevegőbe juttatásával és a természetesfelszín átalakításáValképes szándékos''módon ''nem módosítania légkörön belüli sugárzásátvitelt. Direkt sugárzási kényszerkénta légkörben lebegő kicsiny cseppfolyós és szilárd aeroszol részecskékbizonyos típusai a napsugárzás egy részétvisszaverik a világúrbe, ami részben (sőt, helyileg és átmenetileg akfu teljes mértékben) ellensúlyozhatja a fokozott iveghánbatást. Rövid légköri tartőzkodási idejük révén azonban ez a sugátzási kényszertérbenésidőben igen változő; a szu|fátrészecskék,a biomassza égetéséből szátmaző aeroszolok és a szerves szénrészecskékáltal előidézettegytittes átlagos sugárzási kényszera modellszámítások szerint _0,7 Wm-2re becsülhető. Vannak azténaeroszolok (például a korom), amelyek elnyelik a napsugárzást, lokálisan melegítve a légkört, vagy elnyelnek és az infravörös tartományban kisugároznak, +O,2 Wm-2-rel járulva hozzá az üvegházhatás
fokozásához. Indirekt hatáskéntaz aeroszol részecskékmint kondenzációs magvak a felhőcseppek szárnát, siinÍségétés méretétbefolyásolják, megváltoztatva ezze| a fe|hőzet optikai tulajdonságait, ami mai ismereteink szerint összességében igen bizonytalanértékű, -0,3 és-1,8 Wm-2 közötti sugárzásikényszerteredményez. Afaldhasználat (p;é|dáula trópusi esőerdők irtása, vagy az elsivatagosodással járó túllegeltetés)mint antropogén éghajlatalakítő-tényezőelsősorban a felszíni albedó növekedésétokozva jelenik meg. Az ehhez kapcsolódó sugárzási kényszert0,2 Wm_2-rebecsülik, ésennek az értéknek mintegy a fele az emberiségtörténetének utolsó, iparosodott korszakában alakult ki. Az éghaj l at szab ad vált ozékonysága A fentiekben áttekintett, természetes és antropogén eredetű kutső éghajlatalakitő.tényezókáltal keltett kényszerítelÍ klímamódosulás mellett az éghaj|ati állapot viselkedésénekmeghatároző vonása a természetesszabad változékonyság. Mtíködik ugyanis egy természetesbelső éghajlat-alakírómechanizmus is, amely a rendszer komponensei között kialakuló nemlineáris kölcsönhatásokkal (visszacsatolásokkal), illetve az aperiodikus (kaotikus) jellegű szabad változékonysággal Íiigg tjssze. Mindaz a bizonytalanság, ami a múltbeli klímaváltozások és a napjainkban megfigyelt éghajlati tendenciák oksági magyaúr;atát,továbbáegy jövőbeli klímaállapot projektálását (feltételeselőrejelzését) óvezi, a természetes éghajlatalakító-tényezőkneklegnagyobbrészt erre a belső mechanizmusára vezethető vissza. A belső éghajlatalakító mechanizmus különbciző tényezőit sorra véve, a klímadinamika egyik dilemmája, hogy az antropogéneredetíi ivegházgazok á|tal |750 őta keltett sugárzási kényszer miként realizálódott: az energiabevétel többletének hányad része fordítódott a felszín hőmérsékletének emelésére,illetve mennyi az a hő, amely napjainkban az őceánban tárolódik, és amelyet ,)nem. realizáIódott melegedés,' néven szokás emlegetni. A legújabb becslések szerint a vilígóceán felső 3000 m vastag rétegének a hőtartalma l955 és2003 között I4,5 x 1022 J értékkel növekedett, ámi a víztömeg 0,037 fokos átlagos hőmérsékletemelkedésének felelmeg, ésamelyértnagy valószínűséggel az antropogénkényszera felelős. Ha feltéte|ezzuk,hogy egy, a világóceán középhőmérséklete0,1 fokos melegedésévelegyenértékűhő hirtelen a légkörbe táplálódik, akkor az a globális felszínihőmérsékletet100 fokkalemelné meg,Eza folyamatnyilvánvalóun,oha,,"m fog bekövetkezni, viszont jól illusztrá|ja az óceánnak a légkörhöz viszonyított hatalmashőkapacitását. Az égbaj|atirendszer komponensein belüli, valamint a komponensek kcizötti kölcsönhatások kérdésére térve,a klíma érzékenységét nagymértékbenmeghatfuoző pozitív és negatív visszacsatolások egész sora eredményezheti a klímaállapot természetes változékonyságát.Egy pozitív visszacsatolásrapéldaa hőmérséklet-jégalbedó visszacsatolás: a felszíni hőmérsékleicsökkenése a jogtakaró kiterjedésének növekedéséhez vezet, ami fokozza a beérkezo napsugárzás visszaverődésének mértékét,és ezze| további hőmérséklet-csökkenéstvon maga után' A negatív visszacsatolás alapvető és hatékony esete a sugárzásos csillapodás: az infravörös kisugárzás intenzitása a hőmérsékletnegyedik hatványával növekszik, így a folyamat jelentősen kor|átozz4az eredeti hőmérséklet-emelkedés mértékét. a kcivetkezőkbena visszacsatolások koztil azokat a fizikai folyamatokat emeljük ki, amelyek a leginkább meghatározó jelentőségűek lehetnek a 21. század klímaállapotának iovábbi módosulásában.
A légkörön belül az egyik legfontosabb éghajlatalakitő-tényező a vízgőztartalom változásdval 1sszefi;ggő visszacsatolás, arne|y ktizelítőleg meg is duplázhatja art a me|egedést,ami rögzített vizgőztartalom eseténkövetkezne be. A folyamat lényege, hogy magasabb hőmérsékletennagyobb a telítésigőznyomás (a levegő nagyobb mennyiséguvízgőzbefogadásáraképes),ésmivel avízgőzhatékony uvegházgáz, a melegedés pozitív visszacsatolási mechanizmust indíthat el' Ugyanakkor a vizgőz a napsugárzást is intenzíven abszorbeálja, ami tovább fokozza a rendszer melegedését. Mivel a légkör túlnyomó része telítetlenállapotban van, a hőmérsékletemelkedése nem jelenti automatikusan, hogy a vízgőztartalomnak is növekednie kell. A légkör alsó, 1-2 km vastag, jól keveredett turbulens határrétegébe avízgőz elsősorban közvetlen formában, a felszínről történő párolgás t|tjéntáp|álódik be, ésa vízgőúartalom ebben a rétegben a hőmérséklet emelkedésével valóban növekszik. Ezze| szemben a planetáris hatrírréteg ft'lötti szabad troposzférában- ahol (ellentétbena határréteggel) avízgőz üvegházhatásaigazán hatékonyanérvényesül_ avízgoztartalom alakulására kizárő|ag termodinamikai megfontolásokkal nem tudunk következtetést levonni: a szabad-troposzferikus vizgőz viselkedésének kormányzásában bonyolult, nehezen szimulálható hidrodinamikai ésmikrofi zikai folyamatok is közreműködnek. Egy jövőbeli klímamódosulás kiszámításáná|a legnagyobb bizonytalanságot kétségetkizarőan' afelhőzet_sugárzás visszacsatolás okozza. A felhőzet a légkörben lebonyolódó sugárzásátvitelt a bolygó felhőborítottsága, valamint a felhőelemek mennyisége, mérete és ha|mazá||apota fliggvényében befolyásolja. A felhők a sugárziísi mérleg negatív, _10 és _2O Wm_2 kozé becsülhető egyensúlyát eredményezik,ugyanis a felhőzet üvegházhatásából származó, +30, +35 Wm-2 körüli infravörös melegítő hatás kisebb, mint a felhők nagy albedójából eredő, _45 és _50 Wm-' közötti értékűrövidhullámú hűtő hatás. Mint látjuk, ennek a sugárzási mérlegnek a bizonytalansága egy nagyságrenddel nagyobb egy antropogéneredetű szén-dioxid duplázódás +4 Wm-2-es sugárzási kényszerénél. Kérdéstehát, hogy az úvegházgánoknakaz emberi tevékenységnyomán a jövőben várható koncentrációnövekedése során a fe|hőzet-sugárzás visszacsatolás továbbra is negatívmarad-e. Ha a légkör melegszik, akkor intenzívebbéválik a párolgás, ami feltételezhetően növeli a levegő víztarta|mát,de nem feltétlenülnöveli meg a globális felhőborítottságot. A légkör ésa hidroszféra kazött kialakuló kölcsönhatásoÉ sorábóI elsősorban az őceánok általános vizkörzésének lehetséges átrendeződésétkell kiemelntink. Tudjuk, hogy a termohalin cirkulációt az At|anti-óceán északi része szubpoláris eredetűhideg és sós (tehát sűnibb) vízéneka süllyedésehajtja, amelynek helyébea felszínen az Egyen|itő térségébőla szoláris hőközlés nyomán meleg, és az intenzív párolgás következtébennagy só.koncentrációval rendelkező víz áram|ik.A levegő és a tengerfelszínhőmérsékletének, valamint a tengervízsótartalmának a megvá|tozása ezértjelentősen módosíthatjaennek a cirkulációs formának a szetkezetét'Ha a polaris tartományok melegedéseés csapadékosabbáválása, továbbá a tengewiznek a sarki jégmezőkből leszakadó jéghegyek olvadása nyomán az At|aati-óceánt északról szegé|yező Labrador-, Irminger- és Grönlandi-tengerből melegebb és csclkkent sótartalmú viz |ép be az óceánba, akkor ez a fo|yamat a termohalin cirkuláció gyengülését, sőt annak teljes leállását válthatja ki. Ilyen eseményutoljiíra8200 éwel ezeIőtt, az utolsó glaciális szakaszból történt kilábalást kísérő egyik intenzív felmelegedési időszak során következett be' amikor a Norvég-tenger felszíni jelentősen csrjkkent, és ennek eredményekéntKözép-Európában az vízhőmérséklete évesktizéphőmérséklet hirtelen kétfokkal esettvissza.
Valószínűsíthető tebát, hogy az Arktisz klímájrínak antropogén eredetű melegedéséta vízkorzés további gyengülése kíséri majd, és bá; ; termohalin cirkuláció l00 évenbelül bekövetkező teljes leállását azIPÓC értékelő jelentéseáltal idézett egyetlen modellkísérlet sem progn osztizá|1a, ennek lehetősege abszolút bizonyossággal nem zárhatő ki. Azt azonban hangsúlyoznunk kell, hJgy a Golfáramlás lététsemmi nem fenyegeti. Ahhoz ugy*i,, hogy ez a vízkötzési forma megszűnjön, le kellene állnia vagy azáltalános légkörzésn"( .r,ugya Föld forgasanak, vagy mind a kettőnek. Az aperiodikus szabad változékonyság kérdésére áttérve, Földünk két hatalmas geofizikai folyadék entitásának, a légkórnek ésa világóceánnak a modelljei a nemlineáris dinamikai rendszereknek ahhoz a népes isa|ádjához tartoznak, amelynek inherens belső tulajdonságaa kaotikus viselke.dés. Ez a viselkedésiforma mar igen egyszerií, hár9m szabadsági fokú autonóm rendszerekben is feilé|het, és egyik ismérve a determinisztikus állapotváltozások irregularis, véletlenszerűnek tűnő jellege, amelyet az á||apotjelzők között kialakuló nemliieríris kölcsönhatások hoznak létre. A szabad változékonyság értéktartományaa fizikai|ag megengedett összes állapotra kiterjed, lehetővé téve azok eltéro gyakoriságú beftivétkezését. A modellsziímításokeredményeita valós légkörre értelmezve,ezért még az olykor szokatlanul halmozódó extrém időjárási események, vagy az éghajlati idősorokban jelentkező, tartósabban egyiranyú trenclek is lehltnek oií* folyamatok, amelyeket nem külső éghajlatalakítókényszerekváltanak ki.
