Mindent az éghajlatváltozásról

Az éghajlat- vagy más néven klímaváltozást több, egymással kölcsönhatásban működő tényező befolyásolja. A Föld rendszerei ugyanis szorosan összekapcsolódnak, így az éghajlat alakulását is együttesen befolyásolják.  

Mik ezek a folyamatok? 

• Az éghajlati rendszer belső ingadozásai, 

• Természetes külső tényezők, 

• Antropogén hatások. 

Az éghajlati rendszer belső ingadozásai 

Mi az az éghajlati rendszer? 

Az éghajlati rendszerbe azok a közegek tartoznak, amelyek felelősek az éghajlat kialakításáért. Ez 5 ún. geoszférát jelent:  

• Atmoszféra = légkör, 

• Hidroszféra = minden olyan víztömeg, amely a felszínen vagy az alatt van, 

• Bioszféra = élővilág, 

• Krioszféra = jég- és hótakaró, 

• Litoszféra = szárazföld. 

Ezek egymással kölcsönhatásban működnek, tehát ha az egyikben változás lép föl, az kihat a többire is.

Az éghajlati rendszer belső változékonyságának legszembetűnőbb példája az El Niño, amely jellemzően 3-7 évente ismétlődő jelenség, és elsősorban az alacsony földrajzi szélességeken van nagy hatása. Hagyományosan az El Niño (jelentése: Kisfiú, utalva Jézusra) a perui partok halászainak azon tapasztalatát jelenti, hogy karácsony táján a halban gazdag, hideg áramlást minden évben hosszabb-rövidebb, halban szegény, meleg áramlat váltja fel. 

Napjainkra kiderült, hogy a hideg víz felszínre törésének elmaradása a Csendes-óceán hatalmas területein több (1997/98-ban pl. akár 5-6 °C) fokos pozitív hőmérsékleti anomáliát okoz. E jelenség több hónapig, egy-két évig fennmarad, és alapjaiban átalakítja az egyenlítői térségek légkörzését. Egyes helyeken (pl. Indonéziában, Ausztráliában) szokatlan szárazság, máshol (pl. Dél-Amerikában) a normálisnál sokkal több csapadék lép fel. A mérsékelt övben az El-Niño hatása kevésbé egyértelmű. A szélsőséges időjárási jelenségekért leginkább az erősebb El-Niño események a felelősek, mint például 1972-1973, 1982-1983, 1997-1998, 2015-2016, amelyek helyenként nagy áradásokat, máshol aszályokat és erdőtüzeket okoztak. 

Az El-Niño ellentéte, a La-Niña hasonló elrendezésű, de az átlagnál alacsonyabb vízhőmérséklettel. Az El-Niño és a La-Niña kialakulását számítógépes modellek segítségével ma már több hónapra előre lehet jelezni.  

A naponkénti légnyomási térképek átlagolásával a mérsékelt övben is felfedezhetünk lassú ingadozásokat az általános légkörzés alakulásában. Ilyen például az Európa éghajlatát is befolyásoló Észak-Atlanti Oszcilláció (angol mozaikszóval: NAO), amely az azori anticiklon és az izlandi ciklon, mint állandósuló akciócentrumok légnyomásainak a különbsége. Amikor ez a légnyomáskülönbség nagy, akkor ez erős nyugati áramlásról tanúskodik, ami hűvös nyarat és enyhe telet okoz Közép-Európában, mindkét évszakban átlagon felüli csapadékkal. A két akciócentrum közötti gyengébb különbség ezzel szemben mindkét szélső évszak markáns és száraz voltára utal. A NAO évszázadnál is hosszabb idősoraiban néhány évtizedes ciklusok is előfordultak, azonban sem ezek ismétlődésének a szabályossága, sem pedig esetleges kapcsolata a globális éghajlat alakulásával nem egyértelmű az eddigi adatsorokból. 

Természetes külső tényezők 

A természetes éghajlati kényszerek a Föld története során különböző időskálákon befolyásolták a globális éghajlatot.  

A földi élet minden folyamatának indítórugója a Nap sugárzása, így az éghajlat alakulását és a területi eloszlását is befolyásolja. A Nap tevékenysége időben nem állandó, hanem folyamatosan változó, azonban ezek a változások hosszú idő alatt következnek be. A Föld Naphoz viszonyított geometriai helyzetének változását írja le a Milanković-ciklus. Az elmélet magában foglalja: 

• Az excentricitást, vagyis a Föld keringési pályájának alakját, 

• A tengelyferdeséget, vagyis a Föld tengelyének annak keringési síkjához viszonyított dőlésszögét, és 

• A precessziót, vagyis azt az irányt, amerre a Föld tengelye mutat.

Excentricitás

A Föld keringési pályája kb. 100 000 éves ciklusban változik, és alakja az elliptikustól a majdnem tökéletes körig alakul. Ez a változás pedig befolyásolja a Föld-Nap távolságot, és ezáltal elsősorban az évszakos beérkező napsugárzás mennyiségét (a globális éves besugárzás mennyiségét csak kismértékben). Érdekesség, hogy az excentricitást a Jupiter és a Szaturnusz gravitációs vonzása módosítja. Jelenleg a Föld excentricitása egy nagyon lassú csökkenő tendenciát mutat, tehát a keringési pálya a kör alakú állapotához tart. 

Tengelyferdeség

A Föld forgási tengelye döntött állapotban mozog a Nap körüli pályán, ami az évszakok változását okozza. A dőlésszög 22,1° és 24,5° között változik egy 41 000 éves ciklusban, s minél dőltebb a forgástengely, az évszakok annál szélsőségesebbek, mivel nyáron mindkét félteke jóval több napsugárzást kap, míg télen mindkettő jóval kevesebbet. Fordítva pedig az évszakok közötti különbségek kisebbek, vagyis a nyarak hűvösebbek, a telek pedig enyhébbek. A a jégsapkák kialakulását magas szélességeken leginkább a kis dőlésszög segíti. Jelenleg a Föld forgástengelye 23,4°-os, és a ciklusa csökkenő fázisban van. 

Precesszió

Tudjuk, hogy a Föld a forgási tengelye körül 24 óra alatt megfordul, azonban az talán kevésbé ismert, hogy maga a forgási tengely is egy körpályát ír le. A forgástengely ,,imbolygását” nevezzük precessziónak, és ennek kb. 23 000 éves ciklusa van. A precesszió is ugyancsak meghatározza, hogy a Föld az egyes évszakokban milyen közel esik a Naphoz. Jelenleg a napközeli állapot (perhelion) télen történik meg az északi féltekén, ami miatt a déli félteke nyara jóval melegebb, mint az északi féltekén. Ez az állapot nagyjából 13 000 év múlva módosulhat. Érdekesség, hogy a tengelyferdeség és a precesszió befolyásolja, mit nevezünk északnak, ugyanis amennyiben változik a forgástengely iránya, úgy többé már nem az általunk ismert Sarkcsillag mutatja az északi irányt. 

Láthattuk, hogy a Milanković-ciklus változásai több tízezer éves időskálára tehetők, így az éghajlat változását is hasonlóan több tízezer éves skálán okozza. Emiatt a jelenleg is zajló, gyors ütemű klímaváltozást nem indokolhatjuk a Milanković-ciklussal.

A naptevékenységnek azonban van olyan változása is, amely jóval kisebb időskálán zajlik: ez a napfoltok változása. A napfoltok olyan területek a Nap felszínén, amelyek a környezetüknél hűvösebbek. A számuk folyamatosan változik, és nagyjából 11 éves ciklust követnek. Vitatott, hogy a napfolttevékenység változása mennyiben befolyásolja a Föld éghajlatát, ugyanis nehéz elkülöníteni csak a napsugárzás változásának hatását egy olyan komplex rendszerben, mint az éghajlati rendszer.

Vulkánkitörések 

A nagy erejű vulkánkitörések során előfordulhat, hogy a kilövellt gáz, hamu és aeroszol részecskék a sztratoszférába kerülhetnek. Ezek a levegőbe került részecskék különböző tartózkodási idővel rendelkeznek. Például a hamu akár néhány hét alatt kiülepedhet a légkörből, ám a kén-dioxid kisméretű kénsav-cseppekké alakulva akár több évig is a sztratoszférában maradhat. Érthető, hogy emiatt leginkább ez utóbbinak van éghajlatmódosító hatása.  

A vulkánkitörések elsődleges hatása a felszínre érkező rövidhullámú sugárzás gyengülésében jelentkezik. Ennek eredményeként a felszín közelében csökken, a sztratoszférában (kb. 20 km magasságban) viszont emelkedik a hőmérséklet. 

A vulkánkitörések hatásainak vizsgálata egy alaposan körüljárt szakterület. Habár egy erupció során hatalmas emisszióval számolhatunk, fontos megjegyezni, hogy a vulkánkitörések klímára fejtett hatása legfeljebb néhány éves hosszúságú időszakra terjed ki. Éghajlatmódosító példaként kiemelhetjük a Mt. Pinatubo 1991. júniusi kitörését, amely (a vártnál kisebb) 0,2 °C-os csökkenést okozott a globális átlaghőmérsékletben. Ugyancsak kiemelhetjük a Tambora 1815-ös kitörését, amely miatt az 1816-os évet ,,nyár nélküli év”-nek nevezték el Észak-Amerikában, hisz egyes területeken még júliusban is fagypont alá süllyedt a hőmérséklet. 

Antropogén hatások 

Az üvegházhatás erősödése

A természetes üvegházhatás a földi élet alapköve, hisz enélkül a globális átlaghőmérséklet kb. 30 °C-kal alacsonyabb lenne. Az üvegházhatású gázok képesek elnyelni a felszínről kisugárzódó hőt, és részben visszasugározni azt a felszín irányába, ezáltal növelve annak hőmérsékletét. Érezhető, hogy amennyiben megnő egy adott üvegházhatású gáz koncentrációja, az hozzájárul a melegedés mértékének növeléséhez. Ugyanakkor nem csupán az számottevő, hogy egy adott üvegházgáznak mekkora a koncentrációja, hanem az is, hogy mekkora a GWP-je, vagyis a Globális Felmelegítési Potenciálja. A GWP megmutatja, hogy egy adott gáz milyen mértékben járul hozzá a globális felmelegedéshez a szén-dioxidhoz viszonyítva. Tehát a szén-dioxid GWP-je 1, így, ha egy adott gáz GWP-je például 10, akkor az 10-szer hatékonyabb üvegházgáz, mint a CO₂, vagyis 10-szer jobban hozzájárul a felmelegedéshez, mint a CO₂ azonos (100 éves) időtartam és azonos mennyiség mellett. A GWP segít megérteni, miért is okoznak gondot a légkörben lévő azon üvegházgázok, amelyek viszonylag kis mennyiségben vannak jelen a légkörben. A táblázatban láthatjuk, hogy a két felsorolt HFC gáz (korábban leginkább hűtőközegekben, légkondícionálókban voltak elterjedtek) nagyságrendileg jóval kisebb mennyiségben vannak jelen a légkörben, mint a szén-dioxid, azonban a GWP-jük több nagyságrenddel nagyobb.

A légköri üvegházhatás antropogén eredetű erősödése miatt a jövő század közepére a Föld hőmérséklete magasabbra emelkedhet, mint a történelem során valaha. Ezért elsősorban olyan üvegházgázok bizonyítottan emelkedő tendenciája a felelős, mint a szén-dioxid (CO₂), a metán (CH₄), a dinitrogén-oxid (N₂O) és a halogénezett szénhidrogének. 

	CO2	CH4	N2O	HFC-32	HFC-125
Koncentráció* 1750-ben	280 ppm	715 ppb	270 ppb	0	0
Koncentráció 2024-ben	425 ppm	1930 ppb	335 ppb	42,2 ppt	49 ppt
Tartózkodási idő	50-200 év	8-12 év	120 év	5-6 év	25-30 év
Globális Melegítő Potenciál	1	28	265	675	3500

*ppm: parts per million (10^-6), ppb: parts per billion (10^-9), ppt: parts per trillion (10^-12)

Míg a dinitrogén-oxid (N₂O) a troposzférában erős üvegházgázként viselkedik, addig a sztratoszférában ózonbontó prekurzor, így kettős skálán is hozzájárul az éghajlatváltozáshoz. Az N₂O forrásai a mezőgazdaság, a földhasználat, a közlekedés és az ipar, illetve a nitrogén-ciklus folyamataiban is részt vesz. Jelenleg az emissziója 40%-a emberi eredetű. 

Az üvegházgázok többségének igen hosszú a légköri tartózkodási ideje. A metán már 8-12 év után kikerül a légkörből, de a legártalmasabb freonfajták csak 10-200, a dinitrogén-oxid mintegy 120 év elteltével reagál el a légkör felsőbb rétegeiben. A légkört antropogén eredetű többletként terhelő szén-dioxid molekulák akár 200 évet is e közegben tartózkodhatnak, mielőtt azokat az óceán, vagy a bioszféra elnyelné. A hosszú élettartam következménye, hogy e gázok koncentrációja a Föld területén közel egyenletes, hiszen van idő arra, hogy a légáramlás azokat az ipari és lakossági forrásoktól távoli területekre is eljuttassa. Egy másik súlyos következmény, hogy a koncentrációk csak évtizedes, évszázados késéssel követik a kibocsátás időbeli dinamikáját. Vagyis, ha valamikorra az emberiség képes is lesz megállítani a légköri üvegházhatást fokozó gázok kibocsátásának növekedését, a korábbi kibocsátások következményeit az utókor akkor is még hosszú időn át tapasztalni fogja. Sőt, minthogy a legtöbb ilyen gáz kibocsátása ma meghaladja a nyelők kapacitását, még a kibocsátás szinten maradása is tovább emeli a koncentrációkat. 

Aeroszolok

Aeroszoloknak nevezzük azokat a levegőben lévő apró részecskéket, amelyek szilárd vagy folyékony halmazállapotúak. Összetételük lehet például por, korom, szulfátok, homok vagy tengeri sók. Az aeroszolok a meteorológiában egyrészt a levegőminőség szempontjából is fontosak (pl. PM₁₀, PM_2.5), illetve az éghajlatváltozás vizsgálata során is.  

Maguk az aeroszolok viszonylag rövid tartózkodási idővel rendelkeznek, hiszen (méretüktől függően) kiülepedhetnek, vagy a csapadék kimoshatja őket a levegőből. Azonban a hatásuk mégsem elhanyagolható, mivel a Földön mindenhol és mindig jelen vannak. 

Az aeroszolok éghajlatmódosító hatása azon tulajdonságukban tükröződik, hogy a napsugárzás egy részét visszaverik, szórják, illetve a magasabb légrétegekben elnyelik. Ezáltal a felszínre érkező sugárzás csökkenését okozzák, s ily módon az üvegházhatással ellentétes, hűtő hatást váltanak ki. Az antropogén, elsősorban szulfát-aeroszolok kondenzációs magként növelhetik a felhők előfordulását, és megváltoztathatják azok tulajdonságait (például a felhőt alkotó cseppek méretét és koncentrációját – nagyobb számú kisebb csepp növeli a felhő sugárzásvisszaverő képességét). Heterogén kémiai folyamatokban való részvételük befolyásolhatja a légkör egyes összetevőinek (üvegházgázok, és sztratoszférikus ózont lebontó vegyületek) koncentrációját. 
Az aeroszoloknak azonban melegítő hatása is lehet, mivel egy részük elnyeli az infravörös sugarakat. Az aeroszolok légkörbe kerülésével közvetlenül összefüggő, direkt hatás (sugárzásszórás és elnyelés) nagy valószínűséggel összességében hűtő hatású. 

A földi növényzet szerkezetének megváltozása

Főként a szubtrópusi térségben ér el nyugtalanító mértéket. E körzetekben az éghajlat instabil, bizonyos időszakokban sivatagi jellegű, máskor viszont lehetővé teszi fejlett szavanna növényzet kialakulását. Azonban ezekben az években az ember a helytelen mezőgazdasággal, a felszaporodó állatállomány pedig a növényzet lelegelésével kizárja, hogy a szavanna növényzet tartósan fennmaradjon. A másik veszélyforrás a trópusi övben végbemenő nagyarányú, évente Belgium területének megfelelő méretű őserdőpusztítás. Ennek elsődleges éghajlati következménye ugyancsak a hasznosított felszín nagyobb fényvisszaverő képessége az erdőéhez képest. 

Annak leírására, hogy egy adott felszín mennyi sugárzást nyel el, vagy ver vissza, az albedó szolgál. Ha egy felszín albedója kicsi, akkor a sugárzás nagy részét elnyeli, és csak kis hányadát veri vissza.  

Általánosságban a sűrű, sötét növényzettel borított felszín albedója kisebb, míg a ritkább, szárazabb felszíneké nagyobb. Például a trópusi erdők csak 15-20%-ot, míg a csupasz homok, a szavanna hozzávetőleg 35%-ot ver vissza. Globális átlagban az eddigi változások mértéke körülbelül -0,2 Wm^-2, vagyis a növények szerkezetének megváltozása nem elhanyagolható mértékű hűtő hatást fejt ki. 

Az antropogén hőtermelés lokális következményei

Az antropogén hőtermelés lokális következményeinek egyik legismertebb fogalma a városi hőszigethatás. A városok belterületén bizonyos időjárási helyzetekben több fokkal melegebb van, mint a peremterületeken, és erre a hőmérséklet-különbségre hivatkozunk úgy, mint városi hőszigethatás, vagy angol mozaikszóval UHI (urban heat island). Ez az eltérés hosszabb idő átlagában is megmutatkozik, példaképp tekintsük meg a lenti ábrán egy átlagos város hőmérsékleti görbéjének alakulását a különböző városrészek fölött! Észrevehetjük, hogy minél beépítettebb egy adott régió, annál inkább fölmelegszik a nap folyamán. Ennek oka a városok szerkezetében keresendő (pl. anyaghasználat, beépítettség). 

Más meteorológiai elemekben is megfigyelhetők hasonló eltérések a városi skálán, például kedvező körülmények között önálló, zárt cirkuláció is kialakulhat. Ezt nevezzük városi cirkulációnak vagy városi szélnek.  

Jelenleg földi átlagban az antropogén hőtermelés mintegy tízezred része annak az energiának, amit a földfelszín elnyel a napsugárzásból. Ebből látható, hogy a hatása globális léptékben ma még elhanyagolható. Azonban egyes városokban ez az arány akár hasonló nagyságrendű is lehet, tehát az eloszlás területileg nem egyenletes. Ha azonban ez a többlet hő egyenletesen oszlana el a Földön, akkor valószínűleg sem regionális, sem globális léptékben nem kellene jelentős hatásával számolni. Ellenben a hőforrások az iparilag fejlett országokban koncentrálódnak, és az erős koncentráltság az általános légkörzés módosulását okozhatja, ezért pedig a kérdéses régiókban az éghajlat lényeges módosulásához vezethet. 

A Föld energiaháztartása, az effektív sugárzási kényszer 

A Föld energiaháztartása az éghajlati rendszeren belüli energiaáramlást írja le. Legalább néhány évtizede egy folyamatos egyensúlytalanság van az energiaáramban, amely egy többlet hő elnyeléséhez vezetett az éghajlati rendszerben. Azáltal, hogy mérjük és megértjük ezeket az energiaáramokat, és azt a szerepet, amelyet az emberi tevékenység nyújt, jobban megérthetjük a klímaváltozás okait. 

A Föld minden nap hatalmas mennyiségű energiát kap a napsugárzás által, amelynek egy része visszaverődik (például a felhőkről), míg a többi része elnyelődik az óceánban a szárazföldön és a légkörben. Az elnyelt sugárzást pedig a Föld hő formájában újra kibocsátja az űr felé. Energiaegyensúlyban egy rendszer nem melegszik, és nem is hűl. A Föld jelenlegi egyensúlyhiányos állapotában folyamatosan melegszik, és ezért elsősorban az emberi tevékenység a felelős.

A Föld-légkör rendszerre gyakorolt emberi és természetes tényezők hatását sugárzási kényszerek formájában mérjük. A pozitív sugárzási kényszerek hatására a földi rendszer melegszik, míg a negatívra hűl. Amennyiben pedig a Föld hőmérséklete megváltozik, úgy az éghajlati rendszerben is változások lépnek föl, amelyek vagy gyengítik, vagy erősítik az eredeti, kiváltó hatást. Ezeket nevezzük visszacsatolási mechanizmusoknak. 

Az effektív sugárzási kényszer (angol mozaikszóval ERF, effective radiative forcing) azt mutatja meg, hogy a Föld energiaháztartása mennyiben változik meg egy perturbáció hatására, még a felszíni hőmérséklet megváltozása előtt. Perturbáció alatt érthetjük például a hosszú élettartamú üvegház hatású gázok mennyiségének az iparosodás előtti értékükhöz viszonyított változásait. A számítása során figyelembe veszik a légkör gyors válaszait, mint a troposzférikus és sztratoszférikus hőmérséklet, a felhők ;és a vízgőz változásait.

Az IPCC AR6 riportja alapján a teljes antropogén effektív sugárzási kényszer 2019-ben 1,96-3,48 Wm^-2 (átlagosan 2,72 Wm^-2) volt 1750-hez képest, és ez az érték növekvőben van. Üvegházgázokra bontva a legnagyobb ERF értékkel a szén-dioxid rendelkezik: 2,16 Wm^-2. Ezt követi a metán: 0,54 Wm^-2, majd a dinitrogén-oxid: 0,21 Wm^-2. A mesterségesen előállított, és így csak antropogén forrásból származó halogénezett szénhidrogének ERF értéke 0,41 Wm^-2. 

Emlékezhetünk, hogy az aeroszolok éghajlati rendszerre gyakorolt hatása inkább hűtő hatású, emiatt az ERF értékük is negatív: -1,7 és -0,4 Wm^-2 között, átlagosan -1,1 Wm^-2. 

Fontos megjegyezni, hogy a fenti eltolódások valójában nem azt jelentik, hogy a föld-légkör rendszer ennyivel több energiával rendelkezik. Hiszen az egyensúlynak a fő energiaforrással, a Nappal továbbra is fenn kell állnia. Olyan sebességű hőmérsékletváltozást pedig nem tapasztalunk, ami megfelel egy ilyen folyamatos energia bevételnek. Az egyensúly úgy tud kialakulni a sugárzási kényszer eltolódása ellenére, hogy a felszínen és minden magasabb rétegben a közeg hőmérséklete emelkedik, s így nagyobb energiát sugároz ki a világűr felé.