Role of the ice cover in climate changes A jégtakaró szerepe a klímaváltozásokban Ujfaludi László Professor Emeritus Eszterházy Károly Egyetem

Átírás

1 MultiScience - XXXII. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc, 5-6 September, ISBN Role of the ice cover in climate changes A jégtakaró szerepe a klímaváltozásokban Ujfaludi László Professor Emeritus Eszterházy Károly Egyetem Abstract: Present global warming had been preceeded by a four century long cool period, the Little Ice Age. It was triggered by a long term volcanic activity, the present climate change is believed to be a result of human activity: emission of carbon-dioxide and other greenhouse gases. Ice cover played an important role both in cooling and warming processes. The role of ice, that is not properly taken into account in the current climate models, will be analysed in this paper. Mark Twain szerint: Klíma az, ami mindig van, időjárás az, ami csak pár napig. Pontosabban: Időjárás az, ami a légkörben történik bármely adott pillanatban. Klíma az, amit elvárunk bármely hónapban, évszakban, vagy évben; ennek alapja a sok évi megfigyelések során létrejött, statisztikailag kiátlagolt állapot. [1] Az utóbbi 150 év jelentős klímaváltozás időszaka; a globális átlaghőmérséklet ebben az időszakban közel 1 o C-kal nőtt (1. ábra). 1.ábra A különböző helyszíneken (Grönland, Antarktisz) végzett jégtakaró-fúrások elemzése azonban azt mutatja, hogy a múltban ennél jóval nagyobb hőmérsékletváltozások is előfordultak. A 2. ábra egy millió évre visszamenőleg mutatja a globális hőmérséklet alakulását. [2] A legnagyobb mélypontok a jégkorszakok. o C x10 6 év 2. ábra DOI: /musci

2 Milutin Milankovič ( ) szerb geológus a Föld pályaelemeinek változásával magyarázta a jégkorszakok kialakulását.[1] A Nap és a többi bolygó gravitációs hatása következtében háromféle változás játszódik le (3. ábra). A földpálya nagy-tengelye körbejár 110 ezer éves periódusidővel (ez az ún. perihélium-precesszió); a tengely dőlésszöge változik 40 ezer éves periódusidővel, ezekhez járul a földtengely precessziója 26 ezer éves periódusidővel. A három hatás egymással interferál. Az interferencia következtében előállnak olyan időszakok, amikor az északi féltekére eső besugárzás radikális mértékben (az ún. Köppen-féle küszöbérték alá) csökken, ekkor jönnek létre a jégkorszakok. Milankovič interferencia-számításait az utóbbi 600 ezer évre végezte el és jó közelítéssel megkapta a 2. ábrán látható (a jégfúrások által később igazolt) minimum-értékeket. o 3.ábra A jégkorszakok (és a kisebb mértékű lehűlések és felmelegedések) keletkezését azonban nem vezethetjük vissza pusztán csillagászati hatásokra. Szerepet játszik a kontinensek elhelyezkedése, az óceáni áramlási rendszerek, a felszíni jégtakaró változásai, a vulkanizmus és újabban az emberi tevékenység. Az alábbiakban két időszak: a Kis Jégkorszak és az utóbbi 150 év klímaváltozásának jellegzetességeit hasonlítjuk össze [2]. Mindkét időszakban jelentős a jégtakaró szerepe a hőmérséklet változásában. Az utóbbi 1000 év hőmérsékleti anomáliáit a 4. ábra mutatja. A viszonylag meleg középkort a Kis Jégkorszak lehűlése [(1) jelű időszak], majd a 20. századi felmelegedés [(2) jelű időszak] követte (év) 4. ábra

3 A Kis Jégkorszak Kis Jégkorszaknak 1400-től 1850-ig terjedő 450 éves időszakot nevezi a szakirodalom. Ekkor az északi féltekén szélsőségesen hideg, zord éghajlat uralkodott. Írásos feljegyzések is tanúskodnak az említett időszak zord éghajlatáról, de egzakt bizonyítékokat és számszerű (pl. hőmérsékleti) adatokat csak a korszerű tudományos módszerek szolgáltattak. (Ne felejtsük el, hogy még a 18. sz.-ban sem tudtak hőmérsékletet mérni!) A legújabb kutatások azt is kiderítették, hogy Európában a 17. sz., Amerikában a 19. sz. volt a leghidegebb. A legmegbízhatóbb adatokat az antarktiszi és a grönlandi jégfúrások és a fák évgyűrűinek elemzései (dendrológia) adták. A jégmintákból évezredekre visszamenőleg megállapítható a hőmérséklet, sőt a légkör összetétele is, az évgyűrűk vastagság eloszlásának elemzéséből pedig a hőmérséklet és a csapadék mennyisége. A Colorado University kutatócsoportja a közelmúltban részletes elemzést végzett a Kis Jégkorszak lehűlését létrehozó okok kiderítésére. A már említetteken kívül vizsgálták a vulkáni tevékenység nyomait és a korallok növekedésének sebességváltozását. A folyamat végbemenetelére a következő, legvalószínűbb forgatkönyvet állították össze [3]: 1. Intenzív vulkáni tevékenység a trópusokon 1275 és 1300 között, valamint 1450 körül. A légkörbe került aeroszol csökkentette a besugárzást és globális mértékű lehűlést okozott. 2. Az Észak-atlanti térségben jelentős jégképződés indult. 3. Az átmeneti olvadási időszakokban a Golf-áramlat intenzitása csökkent. 4. Halmozódó (kumulatív) hatások léptek fel. A jégtakaró növekedése a felszín melegedésében jelentős változást okoz (5. ábra). 5. ábra Kulcsszerepe van a folyamatban az albedó megváltozásának. Az albedó, vagy reflexióképesség definíciója a következő: a = I ref /I be (1) ahol I ref a felületről visszavert (reflektált), I be a felületre beeső sugárzás intenzitása [intenzitás = időegység alatt egység felületre jutó energia (J/sm 2 )]. A beeső energia részben reflektálódik, részben elnyelődik (abszorbeálódik), vagyis:

4 az (1) és a (2) egyenlet kombinációjából az albedó: innen azelnyelt energia intenziása: I be = I ref + I abs (2) a = (I be I abs )/I be I abs = I be (1 a) (3) A (3) egyenlet alapján nyilvánvaló, hogy az albedó növekedésével csökken az elnyelt energia mennyisége. Néhány felület-típus jellemző albedója: jég: 0,7 tundra: 0,17 tenger: 0,06 A (3) egyenlettel becsülhetjük, hogy az eljegesedéskor milyen mértékben csökken a felületen abszorbeált energia különböző helyszíneken. A tengeren az eredeti érték 0,32-szeresére, a tundrán 0,36-szorosára, vagyis mindkét esetben nagyjából 1/3-ára csökken az elnyelt energia a jegesedés következtében. Ez a felszín jelentős lehűlését és a jégfelület növekedését eredményezi, ami az albedó növekedése miatt további lehűlést okoz. Az ilyen, önmagát erősítő (kör)folyamatot pozitív visszacsatolási folyamatnak nevezzük (ld. az 5. ábra alsó folyamatdiagramját; a + jel növekedést, a jel csökkenést jelent). Az írásos feljegyzésekből megtudhatjuk, hogy a Kis Jégkorszak idején Nyugatés Észak-Európában a vízfolyások az év jelentős részén befagytak, az élet szó szerint a jég hátán zajlott; gyakran tartottak vásárokat a befagyott Temze jegén, és a krónikák arról is beszámolnak, hogy Mátyást a Duna jegén választotta királlyá egy 40 ezer főt számláló tömeg. A zord teleket gyakran hideg nyarak követték, a gabonatermés gyakran igen gyenge, volt, sőt néha teljesen elmaradt, emiatt éhinségek is sújtották Nyugat-Európát. Másrészt a külső zord időjárás miatt az emberek többet tartózkodtak zárt közösségi terekben, ez a társasélet addig soha nem látott fellendülését eredményezte. 6.ábra

5 A Kis Jégkorszak zord időjárása statisztikailag, az ilyen tárgyú képek nagyobb számában kimutatható a korszak festészetében is. A képzőművészeti albumokban és különböző képzőművészeti web-galériákban fellelhető téli tájak, téli életképek, vadászjelenetek szinte kizárólag a Kis Jégkorszak idejéből és érthető módon főleg holland és flamand festőktől származnak [4]. Szép példája a zord időszak festészeti emlékeinek Hendrik Averkamp A tél örömei c. képe (6.ábra). A folyó befagyott jegén élénk társas élet folyik; az is észrevehető, hogy a jég akkortájt nemcsak sportpálya volt (korcsolyázók, sőt jégkorongozók is láthatók a képen), hanem az egész akkori élet színtere is. További példák: Averkamp sok téli tájképe (életművének javarészét ezek teszik ki), Van de Velde, Van der Neer, Van de Capelle téli tájképei, és talán a legismertebb: id. Pieter Bruegel képeinek jelentős része. Globális felmelegedés A jelenkori klímaváltozást az üvegházhatású gázok antropogén kibocsátásának tulajdonítják. A felismerés a 19. századból származik, abból az időszakból, amikor még semmi jele nem mutatkozott a felmelegedésnek. John Tyndall már 1859-ben megfigyelte, hogy a vízgőz, a szén-dioxid és a metán elnyeli az infravörös sugárzást. Ezzel igazolta Fourier-nak azt a korábbi feltételezését, hogy a légkörnek az üvegházhoz hasonlóan hővisszatartó képessége van. A svéd Svante Arrhenius, aki később Nobel-díjat kapott kémiai munkásságáért, 1896-ban megjelent tanulmányában azt a becslést adta, hogy ha a CO 2 koncentrációja megduplázódik a légkörben, az 4 o C-kal megnöveli a földfelszín hőmérsékletét [1]. Arrhenius teljesítménye annál is inkább figyelemre méltó, mivel a 20. sz. végén a modern számítógépes modellekkel is közel ugyanerre az eredményre jutottak. Az ipari forradalom kezdete óta az emberi tevékenység folytán a szén-dioxid tartalom a légkörben közelítőleg 30%-kal nőtt (7. ábra). A szén-dioxid molekula forgó- és rezgőmozgást (rotáció és vibráció) végez, ezek frekvenciája az infravörös 7.ábra

6 sugárzás frekvenciatartományába esik. A szén-dioxid molekula ebben a tartományban energiát vesz fel (rezonancia-abszorpció), majd azt kisugározza, de a felvett energia nagy része a légkörben marad (ld. az ábra alsó részét). [5] A többi üvegházha-tású gáz (metán, vízgőz, nitrogén-oxidok, ózon) energiafelvételi mechanizmusa is ehhez hasonló. A légkörben maradt többlet-energia a felszín fokozatos felmelegedését eredményezi, ahogyan az 1. ábrán látható. A felmelegedés legszembetűnőbb eredménye a gleccserek és az Északi-tenger jegének rohamos fogyása. A jégtakaró fogyása a hőmérséklet növekedésében pozitív visszacsatolást eredményez (8. ábra). A hőmérséklet növekedése a jégtakaró fogyását, az albedó (és a visszavert sugárzás) csökkenését, végső soron pedig az elnyelt sugárzási energia növekedését eredményezi. 8. ábra Most is becslést végezhetünk a (3) egyenlet alapján az elnyelt energia mennyiségének növekedésére. A szárazföldi (tundra) jég olvadásakor a felszíni energia-abszorpció 2,76-szorosára, a tengeri jég olvadásakor pedig 3,13-szorosára nő; mindkét érték pontosan a reciproka a fordított folyamat (a lehűlés) energia-abszorpció csökkenésének (ld. a (3) egyenlet utáni gondolatmenetet). Nem túlzás tehát azt állítani, hogy itt két komplementer jellegű folyamatról van szó. (A komplementerjelleg szemléletesen is megnyilvánul abban, hogy az 5. ábra és a 8. ábra folyamatdiagramján a + és a jelek pozíciója ellentétes.) A jégolvadás meghatározó szerepének köszönhetően a legnagyobb mértékű felmelegedés éppen az arktikus területeken (pl. Grönlandon, Alaszkában) tapasztalható. A felmelegedésnek tulajdonítják az egyre gyakoribb időjárási szélsőségeket, az erdőtüzek, a tornádók és az árvizek egyre növekvő gyakoriságát. A klíma-határok eltolódása az élővilág működésében okoz jelentős zavarokat. A klímaváltozás következtében egyes régiókban vízhiány és az életfeltételek romlása következik be. Ennek következtében egy újabb népvándorlás (a klíma-menekültek vándorlása) következhet be, ami nagyságrenddel meghaladhatja a jelenlegi menekült-áradat nagyságát. További fenyegetést jelent az ún. permafrost-területek olvadása (9. ábra). Ezeken a több ezer éven át fagyott tundrákon az olvadás eredményeképp a felszín alól nagy mennyiségű metán kerül a légkörbe. A metán a szén-dioxidnál jóval hatékonyabb

7 üvegház-hatású gáz. A légkörbe jutva további pozitív visszacsatolást eredményez a hőmérséklet emelésében: az általa okozott felmelegedés hatására újabb permafrostterületek olvadnak fel, ahonnan még több metán kerül az atmoszférába. 9. ábra Számos előrejelzési modell készült a klímaváltozás várható távlati hatásának vizsgálatára. Az IPCC (Intergovernmental Panel for Climatic Change) nemzetközi tudóscsoport modellje 2100-ig ad becslést a globális hőmérséklet változására (10. ábra). [1] Az előrejelzést 4 elképzelt jövőbeli forgatókönyv alapján készítették. A legfelső vonal, közel 4 o C hőmérséklet-emelkedéssel, a business as usual forgatókönyv fi-gyelembevételével készült, vagyis a jelenlegi gyakorlat változatlan folytatását téte-lezi fel (a fosszilis tüzelőanyagok dominanciája, változatlan üvegház-gáz kibocsá-tás). A lejjebb lévő vonalak az egyre csökkenő üvegház-gáz kibocsátás és növekvő mértékű megújuló energia hasznosítást feltételező forgatókönyveknek felelnek meg. 10. ábra

8 A modell kalibrációját az közötti időszak ismert paramétereinek figyelembevételével végezték el, háromféle képpen: (1) csak a természeti folyamatokat (vulkanizmus, naptevékenység, természetes aeroszolok) vették figyelembe, (2) csak az antropogén hatásokat vették figyelembe (üvegház-gázok, légszennyezés), (3) a természeti és az antropogén folyamatokat egyaránt figyelembe vették. Figyelemre méltó eredmény, hogy a modell a tapasztalattal egyező értéket a hőmérséklet emelkedésére csak a (3) esetben szolgáltatott. Ennek nyomán rögtön felvetődik a fenti, hosszú távú előrejelzési modellek hitelességének kérdése. Az előrejelzési modellekben megbízhatóan csak a várható emberi tevékenységeket lehet becsülni, nem tudjuk előre a természeti folyamatok kimenetelét: a sivatagosodás mértékét, ami hőmérséklet-csökkenést eredményez, a vulkáni tevékenység mértékét, ami hőmérséklet-csökkenést eredményez, a naptevékenység várható mértékét, ami mindkét irányú hőmérsékletváltozást előidézhet, a hidrológiai ciklus várható változásait. Az utóbbi probléma talán a legnehezebben kezelhető. A vízgőz az egyik leghatékonyabb üvegházhatású gáz, jelenléte a légkör melegedését okozza; növekvő mértéke pozitív visszacsatolást jelent a melegedésben. Ám ha a vízgőzből felhő képződik, a folyamat megfordul: a felhők a bejövő napsugárzást csökkentik, lehűlést okoznak, növekvő mértékük növekvő lehűlést. (Ezt a jelenséget nevezik a légkör termosztátjának.) Másrész viszont a felhőzet jelenléte éjszaka mérsékli a földfelszín kisugárzását és ezáltal a melegedés irányában hat. A folyamat lefolyása rengeteg tényezőtől függ és nincs az a számítógépi kapacitás, amely kielégítően tudná modellezni a víz körforgásának ezeket a mozzanatait. A jégtakaró fent említett hatásai viszonylag megbízhatónak mondhatók a korábbi modellezési tapasztalatok alapján, de itt is lehetnek nem várt kivételek. Például az Antarktisz jégtakarója az általános felmelegedés ellenére is növekszik, mivel a melegebb területeken létrejött többlet felhőből ott leesett hó növeli a felszíni jég mennyiségét. [1] Semmiképp sem szabad lebecsülni a globális felmelegedéssel kapcsolatos előrejelzési modellek jelentőségét. A fent részletezett problémák azonban óvatosságra intenek bennünket: az eredményeket fenntartással kell fogadni. IRODALOM [1] BURROUGHS, W. [Ed.] (2003): Climate into the 21st century. World Meteorological Organization. Cambridge University Press. [2] LAMB, H.H. (1995): The little ice age. Climate history and the modern world. Routledge, London. [3] MILLER ET AL. [13 authors] (2012): Abrupt onset of the Little Ice Age triggered by volcanism and sustained by sea-ice/ocean feedback. Geophys. Res. Letters, 39. [4] ROBINSON, P.J. (2005): Ice and snow in paintings of Little Ice Age winters. Weather, Vol. 60. No. 2.

9 [5] SHINE, K.P. and DE FOSTER, P.M. (1999): The effect of human activity on ra-diative forcing of climate change: a review of recent development. In: Global and planetary change. Elsevier. INTERNETES FORRÁSOK