Globális környezeti problémák: éghajlatváltozás (A környezetvédelem alapjai, Osváth Szabolcs) Bevezetı Az egyes gázok tartózkodási ideje a légkörben (definíció): M F = τ F a gáz légkörbe való be-, és légkörbıl való kikerülésének a fluxusa [kg/s], (stacionárius állapotot feltételezünk, F := F be = F ki ) M a gáz mennyisége a légkörben [kg], τ a gáz ún. tartózkodási ideje a légkörben [s]. Megj.: nem csak gázra lehet értelmezni, hanem pl. aeroszolra is τ szerinti csoportok: - állandó összetevık: τ > 10 3 év >> 1 év, pl.: N 2, O 2, nemesgázok; - változó összetevık: τ 1 év, pl.: CO 2 (nem igaz a stacionaritás), O 3 (0,1 év, határeset), CH 4, H 2, N 2 O => globális problémák; - erısen változó összetevık: τ ~ napok << 1 év, pl.: NO 2, SO 2, H 2 O => regionális (kontinensnyi) problémák, pl. savas esı - nagyon erısen változó összetevık: τ ~ órák => lokális (városi, megyei) problémák, pl. szmog Ébrenlét-ellenırzı kérdés: mit is jelent tehát a cím? Az idıjárás és az éghajlat értelmezése, éghajlatváltozás Éghajlat (WMO definíció): Az éghajlati rendszer által véges idıszak alatt felvett állapotok statisztikai sokasága. éghajlati rendszer: napsugárzás, atmoszféra (légkör), hidroszféra (leginkább az óceánok), bioszféra (élılények, ideértve az embert is), krioszféra (felszíni hó és jég), szárazföldi felszín (ami lehet beépített is). felvett állapotok jellemzése statisztikai sokaság: (pamutgombolyagos ábra - idı és idıjárás) átlag, szórás, korrelációk, idısorok, spekrtumok, stb. idıszak: 30 év (kompromisszum) Éghajlatváltozás: az 1970-es évek óta probléma, Száhel (csapadékmennyiség drámai csökkenése, elsivatagosodás, jön át Európába) egészen precízen nem megy: az ingadozás és a változás fogalma idıskálafüggı Hogyan változott (változik) az éghajlat? Miért változott (változik) az éghajlat?
Egy kis paleoklimatológia A pleisztocén, avagy eljegesedés ( - Kr. e. 10-15 ezer) (jégkorszak = valahol a Földön állandóan van fagyott víz tehát most is az van! (volt, amikor nem ez volt)) A klímaoptimum (Kr. e. 10-15 ezer Kr. e ezer) a mainál pár fokkal melegebb: tél ugyanolyan, nyár melegebb Lehőlés (Kr. e. ezer Kr. u. VII. sz.) A viking kor (VII. XIII. sz.) melegedés, Grönland lakható A kis jégkorszak (XIV. XIX. sz.) innentıl vannak meteorológiai mérések, 1659-: közép-angliai hımérsékleti idısor Mátyást a Duna jegén Felmelegedés (a XIX. sz. óta) pl. Grönland: T 1930 = T 1890 + 5 C (az évszámok nagyon nagyjából vannak, nem kell pontosan tudni) Honnan lehet mindezt tudni? izotóparányok (radioaktív és stabil is), felszínformák, folyóteraszok, fúrások, kızetek, sarki jég, korallok, állatok, növények, pollen, történeti feljegyzések A jelenlegi helyzet a Föld jelenlegi éghajlati képe: ábrák sokan mondanak sokmindent számomra hiteles vélemény: IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) jelentések: 1990, 1995, 2001, 2007 (egyre vészjóslóbbak, egyre többet tudunk) Mit látunk a világban? - a felszíni (2 m-en mért) éves átlaghımérséklet növekszik: +0,74 C 1906-2005, - a troposzféra átlaghımérséklete (ballonokkal, mőholdakkal mérhetı), a levegı vízgıztartalma, az óceánok átlaghımérséklete növekszik, - a sarki és magashegyi jégsapkák, gleccserek húzódnak vissza, - az átlagos tengerszint emelkedik: +1,8 mm/év, - az ún. téli napok (van precíz definíciója) száma csökken, egyre melegebbek, - az ún. nyári napok (van precíz definíciója) száma növekszik, egyre melegebbek, - ritkább, de intenzívebb csapadékhullás, - stb. (van még rengeteg) Miért változik az éghajlat? - nem tudjuk pontosan - csillagászati okok (néhány jelenséget talán megmagyaráznak): - Milankovics Bacsák-elmélet: a Föld pályaadatai változnak - napfoltciklus 11 év (spektrálanalízisbıl: 113 év, 169,5 év elég mágikusak) - felszín változása: geológiai folyamatok (kontinensek vándorlása), jég olvadása, erdıirtás, városi hısziget, stb. - visszacsatolások nagyon fontosak: jég olvadása, felhızet változása, óceánok, stb. (Az
éghajlati rendszer tagjai kölcsönhatásban állnak az éghajlattal, kivéve a napsugárzást.) - légköri sugárzásátvitel: - üvegházgázok melegítenek - aeroszolok hőtenek: természetes: vulkán, mesterséges: ipar, hab a tortán: atomháború és nukleáris tél (Doomsday Clock, reklám: A nukleáris leszerelés kérdései) A Föld átlaghımérséklete négyszázezer éve elég jól korrelál a levegı széndioxid-tartalmával. (ábra) A levegı széndioxid-tartalma folyamatosan növekszik (ábra) globális háttér mérése: ahol lokális források nem zavarnak, pl.: Mauna Loa (Hawaii) IPCC: Az 1950 óta megfigyelt melegedés nagy valószínőséggel (>90 %) az antropogén üvegházgázok koncentrációja növekedésének következménye. (elhjinni nem kell, tudni igen) Ezért most a Nap és a Föld (elektromágneses) sugárzásának spektrumáról, a légköri sugárzási folyamatokról és a Föld energiaháztartásáról lesz szó vagyis a sugárzási törvényeket alkalmazzuk a Föld nevő bolygóra. Emlékeztetı az elektromágneses sugárzásokról Tessék visszaemlékezni a bevezetı elıadás utolsó képeire! c = 300.000 km/s (fénysebesség, kell tudni) c = λ * ν λ a sugárzás hullámhossza [m] ν a sugárzás frekvenciája [Hz = 1/s] (Sükösd Csabánál f) E = h * ν :az elektromágneses kvantum energiája (ez az E nem az az E(ν,T), ami késıbb jön!) h = 6,626*10-34 Js (Planck-állandó) Nulladik tv.: Minden (T 0 K) test sugároz. Ha egy testet sugárzás ér, a test részben visszaveri, részben elnyeli, részben átereszti a sugárzást. a(ν,t) a test spektrális abszorpcióképessége [nincs mértékegysége, mert dimenziótlan]. más szóval: abszorptivitás, elnyelt hányad r(ν,t) reflektivitás, visszavert hányad (nem keverendı a test sugárzásával!) [dimenziótlan] az ellenség megtévesztésére a meteorológiában albedó (A), a Föld planetáris albedója 28-30%, ennek ¾-ét, 23%-ot a felhızet okoz t(ν,t) transzmittivitás, áteresztett hányad [dimenziótlan] a + r + t = 1 Modell: abszolút fekete test (def.:) a = 1, azaz minden ráesı sugárzást elnyel. Megvalósítása: üreg (dobozba fúrt pici lyuk). Megjegyzés: sem a Nap, sem a Föld nem abszolút fekete test, de azért úgy tekintjük ıket, mintha azok lennének.
Wien-féle eltolódási tv. λ max * T = állandó (= 2,898*10-3 Km (Kelvin-szer méter)) λ max az abszolút fekete test által kibocsátott sugárzás maximális teljesítménysőrőségéhez tartozó hullámhossz [m], (a Planck-függvény maximumhelye) 1. példa: G2 típusú csillag (gy. k. a Nap, lásd Herzsprung Russel-diagram) T = 6000 K, λ max = 483 nm (sárgászöld, látható fény: 390-760 nm); 2. példa: 14 C-os gömb (gy. k. a Föld) T = 287 K, λ max = 10 µm; Stefan Boltzmann-tv.: E(T) = σ * T 4 σ = 5,670*10-8 W/m 2 K 4 (Stefan Boltzmann-állandó, de nem kell tudni) E(T) az abszolút fekete test teljes kisugárzott teljesítménysőrősége [W/m 2 ] (a spektrális teljesítménysőrőség integrálja, a Planck-függvény görbéje alatti terület) Ez van a Nap felszínén, na de mire ideér? Napállandó vagy szoláris állandó (definíció, 5 dolog kell bele): Közepes Nap-Föld távolságnál a légkör külsı határán lévı, a sugárzás irányára merıleges, egységnyi felületre egységnyi idı alatt érkezı napsugárzás energiája. S = 1366 W/m 2 - meg lehet mérni mőholdról, meg a felszínrıl is (levezetés) - az értéke minden könyvben kicsit más - állandó, tehát idıben természetesen változik (ábra) Megj.: S ± 1 % => T ± 0,65-3,9 K, ami az Egyenlítınél kevesebb, a Sarkokon több) Megj.: Jön némi energia a talajból is (5*10-2 W/m 2 ), de a napállandó mellett elhanyagolható. A napállandó meghatározása a felszínrıl a Beer Lambert-törvény segítségével: ln(i t ) = ln(s) ε*h/cos(φ) I t a direkt napsugárzás földfelszínen mért intenzitása (teljesítménysőrősége) ε a légkör sugárzás-elnyelı hatását jellemzı mennyiség H a légkör vastagsága φ a Nap zenitszöge Planck-tv.: (1900, kvantumelmélet) Ebbıl levezethetı az elızı kettı: - Wien-tv.: a Planck-görbe maximuma - Stefan Boltzmann-tv: a Planck-görbe alatti terület
3 2hν E( ν, T) = 2 hν c (exp( ) 1) kt E(ν,T) az abszolút fekete testnek az adott hımérsékleten kisugárzott spektrális teljesítménysőrősége, mértékegysége: W/(m 2 Hz), nem keverendı össze a J/m 2 -rel! - spektrális = egységnyi frekvenciatartományban - teljesítménysőrőség = egységnyi felületre vonatkoztatott teljesítmény - teljesítmény = idıegységre vonatkoztatott energia k = 1,38*10-23 J/K (Boltzmann-állandó (Stefan nélkül!), nem kell tudni) 1. példa: a Nap 0,15 µm < λ < 4 µm (99%), szleng: rövidhullámú 2. példa: a Föld 4 µm < λ < 100 µm (99%), szleng: hosszúhullámú, ún. terresztriális sugárzás Ha visszaverıdik (borult idı): enyhe az éjszaka; ha ki tud jutni (derült idı): hideg az éjszaka. Lényegében nem fednek át, a kettı között a határ 4 µm-nél van (grafikonok). Kirchhoff-tv.: e(ν,t) = a(ν,t) * E(ν,T) T az ún. abszolút fekete test hımérséklete [K]. e(ν,t) a test spektrális emisszióképessége (emisszivitása, spektrális teljsítménysőrősége) [W/m 2 Hz], A törvény lényege: a jó elnyelı test jó kisugárzó és viszont. A Föld sugárzási egyenlege R 2 π S (1-A) = 4 R 2 π σ T 4 R = 6371 km a Föld sugara, de úgyis kiesik Az egyenletet megoldva: T = (-20) C Ennél melegebbek vagyunk (a Föld felszíni átlaghımérséklete kb. 14 C), az eltérés magyarázata: üvegházhatás (a terresztriális sugárzás egy részét az üvegházgázok elnyelik, vagyis nem engedik kijutni a világőrbe, rajz kell!) Üvegházgázok: H 2 O (felhı), CO 2, CH 4, CO, N 2 O, NH 3, NO x, O 3, CFC, stb. Az üvegházhatás természetes jelenség, az éghajlatváltozást az üvegházhatás fokozódása okozza. Konkrét példa: magas hegy kevesebb felette a hosszúhullámú sugárzást elnyelı levegıréteg
Üvegházgázok, sugárzási kényszerek, bizonytalanságok Az üvegházgázok melegítı hatásának (sugárzást visszatartó képességének) kvantitatív leírása: Sugárzási kényszer : egy tényezı mennyire [W/m 2 ] változtatja meg a (légkörös) Föld energiaháztartását. - Gyakran azt fejezi ki, hogy egy adott légköri gáz mennyiségének növekedése miatt mennyivel kevesebb terresztriális (eml.: hosszúhullámú) sugárzási energia tud kijutni a világőrbe. - mihez képest? az iparosítás (hasraütés: 1750) elıtti helyzethez képest - jól jellemzi a tényezı (pl.: gáz) éghajlatváltoztató hatását ( melegítı hatását ) (ábra) Tanulságok: - sok a bizonytalanság, de azért van, amit tudunk, - jobbára kétségtelen a mesterséges eredet, - üvegházgázok melegítenek: H 2 O (de az természetes) >> CO 2 >> CH 4 > O 3 > CFC > N 2 O, stb.: CO, NO x, - aeroszolok hőtenek: részben személyesen, részben a vízgız kondenzációjának [vagyis a felhıképzıdésnek] az elısegítésével, - összességében nagyjából 1-2 W/m 2 (kell tudni), ami a hatásos napállandónak [(1-A)*S/4 = 240 W/m 2 ] kb. 1%-a. Emlékeztetıül: ez nagyon sok! Mit lehet mondani a jövırıl? Elırejelzések és modellek Az idıjárás elırejelzése: - kezdetiérték-probléma (a kf. határozza meg; ennek kihasználásával a legegyszerőbb elırejelzése (perzisztenciaprognózis): azt becsülöm holnapra, ami ma volt) - elsıfajú prognózis: holnap Az éghajlat elırejelzése: - peremérték-probléma (a pf. határozza meg) - elsıfajú prognózis esélytelen, másodfajú prognózis: biz. jövıbeli paramétereket belövünk (pl.: 2CO 2 akkorra jelzünk elıre, amikor kétszer annyi CO 2 lesz, mint most van) Numerikus modellek, általános cirkulációs modellek: randa parciális differenciálegyenletrendszerek, HTDER - kontinuitási = tömegmegmaradási egy., - lendületmegmaradási egy., - energiamegmaradási egy., - állapotegyenlet (ideális gáz), - (nedvességszállítási egy.), stb. Milyen lesz az éghajlat? nyilván nem tudjuk pontosan több modell kell, együtt érnek csak valamit szcenáriók (világmodellek) kellenek (emlékeztetıül: másodfajú prognózis) (ábra)
Ami tudható: - 2CO 2 esetén (ki tudja, mikor valósul meg) +3 C - most +0,2 C/évtized - trópusokon: nem sok melegedés, közepes szélességeken: jelentıs melegedés Természetesen nem csak a hımérséklet, hanem a többi idıjárási karakterisztika is változik! csapadékviszonyok átrendezıdése, ciklontevékenység fokozódása, száz év alatt akár félméteres tengerszint-emelkedés, hó/jégtakaró visszahúzódása, egyre gyakoribb extrémumok, A változások nem állnának meg az üvegházgázok koncentrációjának stabilizálódásakor! Amirıl keveset tudunk: indirekt hatások, visszacsatolások (felhık) Alternatív vélemények: még sokkal rémisztıbb kilátások Mit lehet tenni? kibocsátást csökkenteni CO 2 : fosszilis tüzelıanyagok égetése, pl.: villamosenergia-termelés, közlekedés, CH 4 : kérıdzık bélrendszerébıl Egyezmények (Rió és Kiotó) 1992, Rió: éghajlatváltozási keretegyezmény, riói csúcs 1997, Kyotó (volt még bıven, de ez a legfontosabb), kiotói protokoll - az Egyesült Államok nem ratifikálta, - Oroszország (hosszú huzavona után) 2004-ben igen, - nemzetközi jogi értelemben hatályba lépett, - Magyarország: 49/2002 OGY határozat és 2007. évi IV. törvény Az ENSZ Éghajlatváltozási Keretegyezményben Részes Felek Konferenciájának 1997. évi harmadik ülésszakán elfogadott Kiotói Jegyzıkönyv kihirdetésérıl (T/1923, 339:0:0), - kibocsátási kvóták kereskedelme, Magyarországnak van eladható kvótája, - Reklám: Fenntartható fejlıdés és atomenergia, - azóta is napirenden van ( = kudarc kudarc hátán, pl. a Koppenhágai klímakonferencia kudarca).