A METEOROLÓGA SUGÁRZÁSTAN ALAPJA z éghajlati rendszer energia forrása a Napban lejátszódó termonukleáris reakció. A Nap sugárzási teljesítménye 3,8 10 6 W. A Nap felszínét elektromágneses korpuszkuláris sugárzás hagyja el. Meteorológiai szempontból napsugárzáson csak a Napból érkező elektromágneses sugárzást értjük. Jellemzői: Az elektromágneses sugárzás elektromágneses mező rezge energiaszállítást elektromágneses hullámok végzik. Közvetítő közeg nélkül terjednek. Az elektromágneses hullám elnyelődekor a sugárzási energia hőenergiává alakul. Az elektromágneses hullám jellemezhető: hullámhosszával ( ), periódus idővel (t p ) frekvenciával ( = 1/t p ) terjedi sebességgel (c) (vákuumban c=300 000 km/s.) Nagyon széles a spektruma, hullámhossza gyakorlatilag 10-9 m-től 10 9 m-ig terjed (elméletileg 0-tól -ig, 1 m=10-6 m ). Meteorológiai szempontból ennek a 10-1 m m a 10 m m közé eső rze érdekes: ultraibolya sugárzás, látható fény infravörös sugárzás. röntgen Az elektromágneses spektrum meteorológiai felosztásának sematikus rajza 0. 0.8 0.3 0.38 0.76 4.0 100 UV-C UV-B UV-A ULTRABOLYA LÁT- HATÓ rövidhullám (szoláris) NFRAVÖRÖS hullámhossz, m hosszúhullám (terresztriális) mikrohullám Az elektromágneses sugárzás legfontosabb fizikai törvényei Minden test, amelynek hőmérséklete nagyobb mint abszolút nulla hőmérséklet (0 K) elektromágneses hullámokat bocsát ki nyel el. A sugárzás-kibocsátó (emisszió) a sugárzás-elnyelő (abszorpció) képesség közötti összefügg Kirchhoff-törvény: Ha valamely test T hőmérsékleten hullámhosszon e(,t) mennyiségű energiát bocsát ki magából ugyanilyen feltételek mellett a(,t) energiát nyel el, akkor e(λ,t) = E(λ,T) a(λ, T) Olyan test, amely minden hullámhosszon minden sugárzást elnyel: abszolút fekete test. Ennél a testnél tehát a(,t)=1. a képlet jobboldalán E(,T) abszolút fekete test emisszió képességét jelenti. Ennek explicit alakját a Planck-törvény adja meg ahol h, ill. k ún. Planck-, ill. Boltzmann-állandó. : hc 1 E(λ,T) = 5 λ hc exp( ) -1 λkt 1
Különböző hőmérsékletű testek sugárzási energiaspektruma T 1 >T >T 3 a görbék maximumához tartozó hullámhossz annál nagyobb, minél kisebb a sugárzást kibocsátó test hőmérséklete, a görbék alatti terület, a test által a teljes spektrumban kibocsátott energia annál nagyobb, minél magasabb a test hőmérséklete. Az első megállapítást a Wien-törvény határozza meg pontosan. Eszerint a maximális energiát szállító max ( m) hullámhosszat a 884 λ max = T összefügg alapján lehet meghatározni, ahol T a kisugárzó test hőmérséklete. (Nap, ) A Planck-törvényből következő második megállapításunkat pedig a Stefan-Boltzmann-törvénytörvény adja meg explicite: a test által T hőmérsékleten kisugárzott összes energia ( = 5.76x10-8 Jm-s-1K-4 ún. Stefan-Boltzmann-állandó) E(T) = T 4 A szoláris éghajlat A felszín által elnyelt energiamennyiség a napsugárzás erősségén kívül földi tényezőktől is függ: a légkörön áthaladva a besugárzás erőssége csökken a re beeső sugárzás egy rze onnan visszaverődik. Csökken nélkül csak akkor érné el a napsugárzás a Földet, ha nem lenne légköre. zonos mértékű visszaverőd akkor jönne létre, ha a egységes lenne (kizárólag tenger/szf.) Így a i energiabevétel kizárólag a sugárzás erősségétől függne matematikai összefüggekkel pontosan meghatározható lenne: matematikai vagy szoláris éghajlat. Szoláris éghajlatot feltételezve meghatározható a adott helyén a vízszintes felületegységre időegység alatt beeső energiát a napsugárzás intenzitását. Légkörrel rendelkező Föld esetében ez energia ugyanilyen feltételek mellett a légkör külső határán értendő. légkör külső határán a napsugarakra merőleges sík 1 m -re 1 s alatt érkező energia: napállandó. Föld olyan ellipszis alakú pályán kering, amelynek egyik fókuszában a Nap van a Nap-Föld távolság állandóan változik. A sugárzás intenzitása a sugárforrástól mért távolság négyzetével fordítottan arányos a napállandó értéke is változik (R a pillanatnyi Nap-Föld távolság a közepes távolság egységében kifejezve): 0 = R A napsugárzás intenzitása a en szoláris éghajlat esetén: 0 v = sin m = sin m R sinm = sin sin + cos cos cos cos 0 = -tg tg 4 0 össz =.75 10 (ω0 sin φsin δ+ cosφcosδsin ω 0) R v m a napsugarakra merõleges sík Nap
A besugárzott energia mennyiség évi összege szoláris éghajlat esetén (vagy a légkör külső határán): A fenti sugárzási csillagászati meggondolások alapján a következő, ún. szoláris éghajlati övek különíthetők el: Trópusi öv: +3 30-3 30, a Ráktérítő Baktérítő között, ahol a Nap évente legalább egyszer zenitben delel. Poláris övek: +66 30 90, Északi sarkkör Északi sarok között, valamint -66 30-90, a Déli sarkkör a Déli sarok között, ahol a Nap évente legalább egyszer felső alsó cirkumpoláris. Mérsékelt övek: +3 30 +66 30, a Ráktérítő Északi sarkkör között, valamint -3 30-66 30, a Baktérítő a Déli sarkkör között, ahol hiányzik a zenit-delel a cirkumpolaritás. A légkör alján, a en hiányoznak a 0.3 m-nél rövidebb hullámhosszak, a röntgensugarak egze ultraibolya sugarak jelentős rze. Ezeket sztratoszférában kialakuló ózonréteg nyeli el. A légkör alján a legtöbb energiát szállító hullámhossz ( max ) nagyobb, miután a légkörön való áthaladáskor a rövidebb hullámhosszak több energiát veszítenek. A felszínen megfigyelt max a napmagasság függvénye: ha ez csökken, akkor a napsugaraknak a légkörben megtett úthosszával együtt nő a veszteség is (40 -os napmagasság mellett pl. max = 0.55 m). A napsugárzás veszteségei a légkörben Elnyelőd: Szóródás: Visszaverőd: extinkció Feltételezzük z ideálisan tiszta légkört Átlagos (egységnyi) Nap-Föld távolságot A napsugárzás áthaladása ideálisan tiszta szár légkörön merőleges beesnél. Nap 0 (napállandó) ideálisan tiszta szár 1 légkör =q<1 q: ideálisan tiszta szár légkör 0 komplex átbocsátási együtthatója (extinkciós együttható) Nap a napsugarakra merőleges sík z v m 0 (napállandó) = z 0 q v = sin m 1 ideálisan tiszta szár légkör z: a napsugaraknak a légkörben megtett úthossza m: napmagasság (fok) 1 valódi légkör 0 (napállandó) A: Linke-féle homályossági tényező = Az 0 q A ideálisan tiszta szár légkörök 3
A a légkör kisugárzása Direkt vagy közvetlen napsugárzás + Szórt vagy diffúz napsugárzás = Globálsugárzás lbedó: a felszín sugárzás visszaverő képessége (tizedestörtben, v. %-ban kifejezve. A Föld teljes felszín-légkörlégkör rendszerének Szilárd/víz felszín+felhőzet: planetáris albedó Hosszúhullámú vagy terresztriális sugárzás. en a légkörben előforduló hőmérsékletek kb. a 00-300 K (-73, 7 C) intervallumba esnek. a terresztriális sugárzás energiájának 99 %-át a 4-80 m hullámhosszak tartalmzák (Wien-törvény) törvény). A Föld-légkör légkör rendszer sugárzási energiaspektruma. Wien-törvény: 10 m 13 m Stefan-Boltzmann-törvény: (17/88) 4 0.75344 0.3. A légkör Teljesen elnyeli 5-7 m közötti a 14 m-nél nagyobb hullámhossz tartományokba eső i sugárzás energiáját. Félig áteresztő a 7-8 m a 11-14 m közötti hullámhossz tartományokban, ezekben szállított energiának kb. 50 %-át elnyeli, 50 %-át átengedi a világűr felé. ~tropopauza Teljes egzében átereszti a 8-11 m közötti hullámhosszak által szállított energiát (légköri ablak). Effektív kisugárzás: : K e =K =K ff -V l Föld-légkör légkör rendszer sugárzási mérlege: M=B s -K e A Föld-légkör légkör rendszer sugárzási egyenlege Besugárzás, B s Effektív kisugárzás, K e A légköri alkotók éghajlat-módosító hatása Az üvegház gázok éghajlat-módosító hatásuk Üvegházhatás: a légkörben kis koncentrá-cióban cióban előforduló gázok hővisszatartó képessége. Ha ez a hatás nem létezne, akkor a légkör felszínközeli átlaghőmérséklete a jelenlegi 15 C-nál 33 C-kal hidegebb, -18 C lenne. 4
A legfontosabb üvegház gázok: a vízgőz, a szén-dioxid, a metán, a dinitrogén-oxid, oxid, a troposzférikus ózon, a halogénezett szénhidrogének. vízgőz járul hozzá legnagyobb mérték- ben üvegházhatáshoz. Koncentrációja onban igen szeszélyesen változik térben időben, aminek oka, hogy döntő hányada termzetes forrásokból, a i párolgás útján kerül a légkörbe. Mennyisége tehát nem szabályozható, ezért különbözik a többi üvegház gáztól. többi üvegház gáz koncentrációja főként emberi tevékenység következtében nö- vekszik, vagyis nő általuk visszatartott hőenergia is. 1980 A szén-dioxid, CO A globális felszínközeli átlaghőmérséklet éves anomáliái 1861 000 között 1961-90 időszakhoz viszonyítva fosszilis tüzelőanyagok elégetéből szármó szén-dioxid klímamódosító ha- tására már 1896-ban felhívták a figyelmet. Koncentrációjának növekedéről 1958 óta vannak közvetlen bizonyítékaink. Ezt igolja a következő ábra, ami a nagy szárföldi forrásoktól távol mért CO koncentráció havi értékeinek időbeli menetét mutatja be. Biológiai eredetű kibocsátás (erdőirtás, fa- éget, intenzív mezőgdasági tevékenység, mocsarak lecsapolása, stb.) : 1-3 Gt/év Mauna Loa, Hawaii, U.S.A. Barren lava field of an active volcano 19 3' N, 155 35' W, 3397 m above MSL 5
A CO koncentráció havi értékeinek változása, távol a nagy szárföldi forrásoktól (Mauna Loa, Hawaii, 1958-003, http://cdiac.esd.ornl.gov/trends/co/sio-mlo.htm) A metán, CH 4 7.7 m-es elnyeli sávja igen közel van a földi kisugárzás 10 m körüli maximumához, ezért erős üvegházhatású gáz. Légköri mennyisége elmúlt két-háromszáz év során megkétszereződött. Jelenlegi koncentrációja 1.7 ppmv, évi növeked üteme 1% körül van (ábra). növekede a földi népesség gyarapodásával közel párhuzamosan alakul fő forrása: szerves anyagok anaerob (oxigéntől elzárt) bomlása, szorosan kapcsolódik a népesség élelmezéhez energiaigényéhez: állatok bélfermentációja (1-x1010 11 kg/év), a mocsaras területeken, valamint a rizsföldeken végbemenő bomlás (5-6x10 11 kg/év). z ipari források kibocsátása (pl. földgáz szénbányászat) egy nagyságrenddel elmarad a biológiai források mögött. A metán koncentrációjának a szárföldek arányának függe a földrajzi szélességtől: Dinitrogén-oxid, oxid, N O Termzetes forrásai a felszínek mikrobiológiai folyamatai (nitrifikáció, denitrifikáció). Koncentrációja a talajközeli levegőben fokozatosan emelkedik, átlagosan 0.5%-kal évente, elsősorban a műtrágyázás hatására. ntropogén forrásai közé tartozik még a fosszilis tüzelőanyagok a biomassza elégete is. troposzférában nincs számottevő nyelője (tartózkodási ideje 100-180180 év), a sztratoszférában diffundál. tt mennyisége a magassággal gyorsan csökken, ugyanis nyelői (kémiai reakció, fotolízis) egyre effektívebbé válnak. Oxidációjával, amelynek során nitrogénmonoxid is keletkezik, hozzájárul a sztratoszférikus ózon lebontásához. Halogénezett szénhidrogének (CFC-k) Fő szerep a sztratoszférában található ózonréteg ritkulásában, ún. ózonpajzs elvékonyodásában. + a i hosszúhullámú (infravörös) sugárzás elnyele CFC-k tízszer hatékonyabb üvegházgázok ebben a folyamatban, mint a szén-dioxid. CFC-k (freonok halonok) a közelmúltban jelentek meg a légkörben, kizárólag emberi tevékenység hatására (spray-k hajtógáza, hűtőfolyadékok, habosító anyagok, oldószerek stb.). Teljes koncentrációjuk 0.7 ppb körül (más adatok szerint már 1ppb-felett) évente 1-10%-kal növekszik. E gázok kémiailag semlegesek tartózkodási idejük 70-0000 év a troposzférában felkerülnek a sztratoszférába, belépnek ott zajló fotokémiai folyamatokba. Az ultraibolya sugárzás hatására a halogénelemek szabaddá válnak gyors reakcióba lépnek ózonnal. 6
A freonok emissziójának változása 1980-as évekig. Ózon, O 3 troposzférikus + sztratoszférikus összózon tartalom Az összózon tartalom mértékegysége DU: 100 Dobson-egység megfelel 1 mm vastag ózonrétegnek, ha a légkör teljes ózonkzletét a tengerszintre, kb. 1000 mbar nyomásra hoznánk. Csak a troposzférikus (felszíni) ózon üvegház gáz. A gépjárművek kipufogó gázainak fotokémiai reakciójával keletkezik. Koncentrációja kicsi, de utóbbi100 évben megduplázódott. Évi növekede jelenleg átlagosan 1.5 %/év, 000-szer hatékonyabb üvegházgáz, mint a CO. sztratoszférikus ózon termzetes körülmények között is mindig képződik. A Napból jövő ultraibolya sugárzás hatására ugyan- is a légkör 0-30 km-es tartományában oxigén molekulák egy rze atomos oxigénre bomlik, ezek O -vel kémiai reakcióba lépnek létrejön O 3 molekula. sztratoszféra: összes légköri ózon 90%-a, koncentrációját itt főleg a dinitrogén-oxidoxid halogénezett szénhidrogének, antropogén tevékenységek eredményei csökkentik. nnál meglepőbb, hogy a sztratoszférikus ózon csökkenére Antarktisz feletti ún. ózonlyuk felfedeze hívta fel a figyelmet. valószínű magyarázat erre, hogy a déli sarkvidék feletti igen hideg levegőben a jégkristályok felületén olyan ún. heterogén reakciók játszódnak le, amelyek ózon koncentráció akár 50%-os csökkenét is okozhatják. Ehhez még a déli félteke telén ki alakuló szimmetrikus, póluskörüli cirkuláció is hozzájárul. Az utóbbi időkben zaki sark felett is megfigyeltek hasonló jelenséget. Az ózontartalom átlagos évi menete különböző földrajzi szélességeken (Khrgian,1973) DU 550 500 450 400 350 300 50 00 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 5 5 45 65 85 hónap 7
z Országos Meteorológiai Szolgálat 1969 óta végez összózon (troposzférikus+sztratoszférikus) megfigye- leket a pestlőrinci obszervatóriumában. L-1800 spektrofotométer (látható) A problémát nem a jelentéktelennek mondható csökkenő trend jelenti, hanem, hogy utóbbi időben jelentősen fel- gyorsult a csökken. Brewer spektrofotométer (UV) A légoszlop teljes ózontartalmának napi értékei Budapesten 199-ben (a) 1993-ban (b). Évi méri adatokat a sokéves (klíma-) átlagot mutatják be. Az ábrán jól érzékel- hető átlagértékek- hez képest fellépő hiány. Nem ritka eset, hogy tartósan 15-0 %-kal átlag alatti mért értékek fordulnak elő. 8
: : 33 C Az aeroszolok éghajlat-módosító hatása Közvetett bizonyítékok: elmúlt kb. két évtizedben aeroszol-rzecskékrzecskék száma is emelkedett a légkörben közvetett/közvetlen hatása éghajlat megváltozására. Közvetlen hatás: a napsugárzás elnyele szórása révén. Közvetett hatás: kondenzációs magként megnövelik a felhőelemek koncentrációját, így a felhők optikai vastagságát, nagyobb planetáris albedó éghajlatra hűtő hatás + vastagabb, több felhőelemet tartalmó felhőből nagyobb valószínűséggel hullik csapadék. Ezek a jelenségek ellentétesek üvegházhatás fokozódásának következményeként beálló (globális regionális) hőmérsékletnövekedsel csapadékcsökkensel. A vertikális légoszlopban lévő aeroszol mennyisége zal a rövidhullámú sugárzás-gyengülsel, gyengülsel, más néven homályossággal is jellemezhető, amelyet e rzecskék okoznak. Az ún. Linke-féle homályossági tényező derült napokon a megfigyelt napfénytartam értékéből is megbecsülhető. Az ábra így rekonstruált értékek időbeli változását mutatja be a baseli adatok alapján. Úgy tűnik, hogy a légkör homályossága 1960-80-as évek között egyenletesen emelkedett, ábrából becsülve kb. 1.5-et húsz év alatt. 9