Magyar Tudomány, 2008/06 698. o.

A klíma- és környezetváltozások földtudományi összefüggései



KLÍMAVÁLTOZÁS ÉS A VÍZ KÖRFORGÁSA


Szilágyi József

az MTA doktora, egyetemi docens

Budapesti Mszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék

szilagyi vit . bme . hu


Józsa János

az MTA doktora, tanszékvezet egyetemi tanár

Budapesti Mszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék

jozsa vit . bme . hu


A jelenleg végbemen klímaváltozás, amely legegyszerbben a felszínközeli léghmérséklet 0,6 ˚C-os globális emelkedésével jellemezhet, az emberiséget érint egyik legkomolyabb hatása a víz körforgására lesz (1. ábra). A vulkánkitöréseken, amelyek térben ersen lokalizáltak, és a földrengéseken kívül (de még azok is a kísér tengeri szökárak esetén) szinte minden más potenciálisan nagy kiterjedés elemi csapás összefügg a vízzel: annak bségével, gondoljunk csak a rendkívül heves csapadékokra, trópusi viharokra, árvizekre, a tengerszint globális emelkedésére, vagy hiányával, mint az idben és térben kiterjedt aszályok.

A Földet nem véletlenül hívják a kék bolygónak, hiszen felszínének kb. kétharmada tengerekkel, illetve óceánokkal borított. A víz sok tekintetben is különleges anyag, így szokatlanul magas fajhje (a vizet több energiával tudjuk felmelegíteni, mint például a higanyt), illetve párolgási hje miatt annak mozgása, illetve fázisátalakulása egyben komoly térbeli energiaátvitellel is párosul. Ezért van az, hogy a vízpára légköri kondenzálódásának hje a globális légkörzés energiaszükségletének mintegy 30 %-át fedezi. Különleges olyan tekintetben is, hogy az egyetlen természetes anyag, amely mindhárom fázisállapotában gyakran egy idben és egy helyen (például felhk) van jelen.

Amikor klímaváltozásról beszélünk, érdekes módon gyakran elfelejtjük, vagy nem hangsúlyozzuk eléggé, hogy a vízgz messze a leghatékonyabb üvegházhatású gáz. Vessünk csak egy pillantást a jelenlegi, igen kellemes üvegházhatást (ami mintegy 35 °C mérték, azaz ennyivel hidegebb lenne a Föld átlaghmérséklete a légkör nélkül) elidéz légköri gázok fontossági sorrendjére. A vízgz puszta jelenléte a jelenlegi üvegházhatás 60 %-áért (ami a 35 °C-os hmérséklet-növekedésbl 20 °C-nak felel meg) felels, míg a szén-dioxid csak 25%-ért (9 °C), az ózon 8 %-ért (3 °C), a metán, dinitrogén-oxid és egyéb gázok a maradék 7 %-ért (3 °C) felelsek.

Joggal kérdezheti most valaki, hogyha ez így van, akkor miért nem beszélünk többet a vízgzrl a klímaváltozás kapcsán. Ennek a legvalószínbb magyarázata talán az, hogy azért, mert nincs felette kontrollunk, szemben például a szén-dioxiddal és a nitrogén-oxidokkal, amelyek nagy részét fosszilis energiahordozók elégetésével aktívan állítjuk el, azaz többek között hermvek, illetve autók pöfögik ki. Ez tehát nyilvánvalóan azt is jelenti, hogy nem tudjuk szabályozni annak jövbeni alakulását, hiszen például a Föld kétharmadának, amit az óceánok és tengerek tesznek ki, a felszínét nem fogjuk – még ha annak technikai akadálya igazából nem is lenne – céltudatosan párolgáscsökkent anyaggal (például parafin) bevonni az egyéb, többek között az élvilágra gyakorolt, belátható és beláthatatlan következmények miatt.

Általános szabály, hogy a melegebb leveg potenciálisan több vízgzt tud magába fogadni, és mivel a Föld valójában a víz bolygója az óceánok szárazföldekhez képesti túlsúlya miatt, így az globálisan meg is valósulhat. Vagyis a légkör melegedésével annak átlagos nedvességtartalma is növekszik, legalábbis ott biztosan, ahol az szabadon érintkezik nyílt vízfelülettel (de máshol is, lásd alább), mint például tengerek, óceánok, tavak, folyók felett, de ide sorolhatjuk a gleccserek, illetve Grönland és az Antarktisz jégtakaróját is, ahol párolgás helyett szublimációról beszélünk. Talán kevésbé ismert fizikai törvény az, hogy ilyen „nagy kiterjedés nedves környezetben” a párolgás (mint adott felületrl adott id alatt végbemen tömegáram a vízre vonatkozóan) csupán a rendelkezésre álló energiától függ (Priestley – Taylor, 1972) és független például a szélsebességtl. (Ezért is beszélnek a hidrológusok ilyen esetben energialimitált párolgásról, szemben a vízlimitált párolgással. Ez utóbbi esetben a terület aktuális párolgása kisebb az elégtelen talajnedvesség korlátozó hatása miatt, mint az potenciálisan lehetne, amennyiben a kérdéses terület, az adott meteorológiai körülményeket megtartva, vízzel szabadon lenne borítva, vagy pedig a talaj vízzel telítve volna. A vízlimitált környezetre, mint extrém eset, a Szahara jó példa, ahol energia bven van, csak a víz hiányzik a párolgáshoz, de ide vehetjük Magyarországot is, amely még éppen a vízlimitált kategóriába esik. Ezért van az, hogy a Balaton többet párologtat, mint a környezete, de mondjuk a Bajkál-tó már nem. Mindezekbl az is következik, hogy nemcsak szabad vízfelszín felett n a párolgás a légkör melegedésével, hanem általánosan igaz ez az energialimitált szárazföldi területekre is, mint például a tajga és tundra öve is.)

Valóban, a globálisan jelenleg regisztrált 0,6 °C-os léghmérséklet-emelkedés úgy nagyjából 0,5 %-os nettó sugárzásbevétel-növekedésnek felel meg a Föld felszínére vetítve, aminek egy része az intenzívebb párolgáshoz szükséges többletenergiát szolgáltatja.

A leveg fenti tulajdonága miatt, illetve a víz földi bsége folytán (noha jelents térbeli egyenetlenséggel) a vízpára a globális melegedéssel pozitív visszacsatolásban van. Azaz bármi is indította el kezdetben a felmelegedést, a felszínközeli leveg melegedésével egyre több vízpára kerül a levegbe, ami komoly üvegházhatása miatt tovább ersíti a melegedést. Globális klímamodellek számításai szerint ez a hatás oda vezet, hogy a szén-dioxid légköri koncentrációjának megduplázódása esetén a várható 2 °C-os hmérséklet-emelkedés helyett 3 °C valószínsíthet. Ha szerencsénk van, akkor azonban van egy fék is a léghmérséklet-vízpára rendszerben, nevezetesen a felhk még nem teljesen tisztázott szerepe folytán. Ugyanis a felhk bels szerkezetétl, illetve azok talaj feletti magasságától függen ersíthetik vagy éppen gyengíthetik is a felmelegedést.

Jelenleg a víz körforgását érint klímamodell-eredményeket a következképp lehet nagyon röviden, nagy általánosságban, konkrét térségre való korlátozás nélkül összefoglalni. Nyilván, minél kisebb térséget vizsgálunk, az alábbi általános következtetések annál kevésbé lehetnek igazak (vonatkoztassuk például „a Föld a víz bolygója” [a kijelentés nyilvánvalóan igaz] kitételt a Szahara közepére).

A vízpára légköri koncentrációjának növekedése miatt intenzívebb csapadékokat várhatunk, amelyek így komolyabb árvizet okozhatnak. Az idjárási szélsségek, azaz hhullámok és szárazságok, az extrém csapadékokkal egyetemben, szintén nagyobb gyakorisággal várhatók. A szárazföldi jégtakaró (leginkább Grönland és Antarktisz) olvadása következtében, illetve a tengerek és óceánok htágulása miatt a tengerek, illetve óceánok szintje jelentsen megemelkedik. A víz körforgása intenzívebbé válik, azaz egy idben több víz tartózkodik a légkörben és/vagy a vízgz légköri tartózkodási ideje (amely jelenleg kb. tíz-tizenegy nap) lerövidül. Mindkét folyamat kihatással lesz mind az óceán–szárazföldi, mind pedig a meridionális (azaz észak–déli) energiaátvitelre, amely várhatóan módosítani fogja a meglév klímaövek földrajzi elhelyezkedését és térbeli kiterjedését.

A klímaváltozási projekciók jelenlegi gyenge pontjai a következk. A számítógépes kapacitás mai korlátai miatt a globális klímamodellek egy kb. 100 km-es felbontású rácshálóval dolgoznak, ami azt jelenti, hogy az annál lényegesen kisebb térbeli lépték folyamatok, amelyek ráadásul térben nagyon változékonyak is lehetnek, nehezen megfoghatók a modellek számára. Ebbe a kategóriába esnek olyan fizikai folyamatok, mint például a felhképzdés, a légköri aeroszolok diszperziója – fleg szulfát- és koromrészecskék, amelyek a csapadékkal hamar kimosódnak a levegbl, de rövid légköri tartózkodásuk alatt, illetve bséges elterjedésük miatt jelents sugárzásmódosító hatással bírnak –, és maga a csapadékképzdés is, az azt követ talajnedvesség-változás és szárazföldi lefolyás térben rendkívül heterogén folyamataival.

Ne higgyük azonban, hogy a klímaváltozás valami olyan, ami csak a jövt, azaz gyermekeinket vagy éppen unokáinkat érinti majd. Ez sokkal inkább egy olyan folyamat, amelyben mi is benne élünk, és több hidrológiai aspektusa már jelenleg is mérhet, dokumentálható. Ilyen biztos, jól kimutatható, a víz globális körforgását érint változás a hegyi gleccserek masszív visszahúzódása, a tavak éves jégborítottságának lerövidülése, a tenyészidszak meghosszabbodása, az északi félteke szárazföldjei fölötti 10 %-os csapadéknövekedés az elmúlt ötven év viszonylatában, valamint ugyanitt a lefolyás néhány százalékos növekedése. Érthet módon a változások detektálása sokkal körülményesebb a tengerek és óceánok, mint a szárazföldek felett, beleértve például a csapadék és párolgás trendjének alakulását. Ez utóbbi még a szárazföldeken is problémát jelent, egyszeren azért, mert közvetlen, rutinszer mérése jelenleg még nem teljesen megoldott. Mindenesetre közvetetten sótartalom-mérésekbl, illetve az óceánok felszíni hmérsékletének nemrég kimutatott növekedésébl a tengerek, óceánok párolgási szintjének globális növekedése szintén igazolva látszik, ami egybevág a már említett, a légköri üvegházhatású gázok emelkedett koncentrációja által okozott, globális nettó sugárzásbevétel-növekménnyel.

A víz globális körforgásáról beszélve nem hagyható ki a párolgás (jelen szerzk szerint nemrég már megoldott) paradoxonjának megemlítése. Ez abból áll, hogy míg a csapadék az északi félteke szárazföldjei felett kb. 10 %-kal, ugyanakkor a lefolyás ugyanott csupán néhány százalékkal ntt, tehát logikusan a különbségnek, ami a párolgást adja, szintén növekednie kellett ezen idszak alatt, hacsaknem ezen különbségnek egy jelents része tavakban, illetve a talajban mint talajnedvesség, továbbá a talajvízben vagy a rétegvizekben nem tározódott, ami azonban igen valószíntlen. Ugyanakkor a rutinszeren alkalmazott párolgási kádak mért párolgásértékei ezen idszak alatt csökken tendenciát mutatnak (Peterson et al., 1995), amibl idézett szerzk azt a következtetést vonták le, hogy a globális hidrológiai ciklus a szárazföldek felett gyengülni látszik. A párolgás ezen vélt csökken tendenciájával remek párhuzamban van az a tapasztalati megfigyelés, hogy a leveg szén-dioxid-tartalmának növekedésével, a növények gázcserenyílásai (sztómái) kevésbé nyílnak ki, így a növény és vele együtt a szárazföldek, hisz azok nagy része növényzettel borított, várhatóan kevesebbet párologtatnak, azaz a szárazföldi párolgás mértéke a szén-dioxid növekedésével csökken tendenciát kell, hogy mutasson, és ráadásul ez részben magyarázhatja is a lefolyás dokumentált növekedését (Matthews, 2006). Itt jegyeznénk meg, hogy a hazai, de a nemzetközi szakirodalomban is gyakran különbséget szoktak tenni párolgás (angolul: evaporation) és párologtatás között (angolul: transpiration). Ráadásul növényzettel borított felszínek esetén, mivel a növényzet párologtatása mellett a természetes felszín (a talaj növényzettel nem borított felszíne, épületek, utak, de maga a növényzet felszíne is a sztómák közötti részen, a száron stb.) párolgása is végbemehet például csapadékesemények alatt, illetve azt követen a csapadék intercepciója révén (vagy gondoljunk nyáron az éjszakai harmat kora déleltti eltnésére), a kett kombinációjáról, ún. evapotranszspirációról szoktak beszélni (angolul: evapotranspiration). Mivel mind a párolgás, mind pedig a párologtatás esetén az alapvet fizikai folyamat ugyanaz, azaz a víz fázisátalakulása cseppfolyósból gáznemvé, a párolgás szó használata az idegen evapotranszspiráció helyett jelen tanulmányban (de talán máshol, még az angol nyelv szakirodalomban is evapotranspiration helyett csupán evaporation) indokoltnak látszik, és az evapotranszspiráció szóval felcserélenden használandó, amennyiben azt növényzettel részben vagy teljesen borított természetes felszínek teljes evapotranszspirációjára vonatkoztatjuk, és nem akarjuk elkülöníteni a párolgásnak azt a részét, amely kiindulási helye szerint a növényzet gázcserenyílása.

A paradoxon azért létezhet még mindig, mert a párolgás, ahogy azt már említettük, globálisan és rutinszeren közvetlenül nem mérhet, ráadásul egészen a közelmúltig még közvetetten is, csak egy vízmérleg felállításával került megbecslésre, ami leggyakrabban abból áll, hogy egy vízgyjtre pontszer mérések alapján térbeni interpoláció alkalmazásával kiszámolják, hogy mennyi csapadék hullott (nem triviális feladat), és kellen hosszú idszakra vonatkozóan (leginkább egy vagy több év) abból a mért lefolyást levonják. A kellen hosszú idszak azért kell, hogy ezalatt a vízgyjtn belül történ víztározás (tipikusan mint talajnedvesség vagy talajvíz) megváltozása elhanyagolható lehessen a be-, illetve kimen víztömeghez képest.

A paradoxon könnyen feloldható a párolgás ún. komplementáris hipotézisének (KH) alkalmazásával (Bouchet, 1963). Leegyszersítve ez azt mondja, hogy az aktuális párolgás és a kádpárolgás értékei vízlimitált környezetben egymás komplemensei, azaz amikor a kádpárolgás értéke növekszik, akkor az aktuális párolgásnak csökkennie kell és fordítva, amennyiben a nettó sugárzásbevétel (állandó szélviszonyok mellett) nem változik. Ez azért lehetséges, mert a párolgási kád csak úgy tud többet párologtatni állandó nettó sugárzásbevétel (és szélviszonyok) mellett, ha a környezete kevesebbet párologtat, és így a leveg szárazabbá és egyúttal melegebbé is válik. Itt jegyezzük meg, hogy amennyire egyszernek tnik ez a hipotézis, annál nehezebb azt szigorúan elméleti úton bizonyítani. Ráadásul egészen mostanáig a komplementaritást szimmetrikusnak vélték (azaz a két komplemens változás terjedelmét megegyeznek vették), de a legújabb kutatások alapján (Szilágyi, 2007) az nagy valószínséggel inkább antiszimmetrikus (vagyis a kádpárolgásban vagy az azt helyettesít becslésben bekövetkez változás terjedelmében tipikusan [de nem mindig] nagyobb, mint a komplemens aktuális párolgásban bekövetkezett változás).

Érdekes talán azt is megemlíteni, hogy miután Marc B. Parlange és Wilfried Brutsaert (1998) a KH segítségével magyarázatot adtak a párolgási paradoxonra a Thomas C. Peterson és munkatársai (1995) által közölt cikkre válaszolva, utóbbiak egy újabb cikkükben revideálták korábbi következtetéseiket. Ennek ellenére, mint azt az Atsumu Ohmura és Martin Wild (2002), illetve a Damon Matthews (2006) cikk is bizonyítja, a kétely, hogy a hidrológiai ciklus szárazföldi párolgást érint része gyengül, tovább él.

Újabban a KH-n alapuló párolgásszámítási módszerek (Brutsaert – Stricker, 1979; Morton, 1983; Kahler – Brutsaert, 2006; Szilágyi, 2007), talán a KH elbb említett sikere kapcsán is, elterjedben vannak. Azonban a legnagyobb elnyük ezen módszereknek (David M. Kahler – Wilfried Brutsaert [2006] kivételével), hogy kádpárolgási mérések hiányában is alkalmazhatók, és ráadásul csak rutinszeren mért meteorológiai változókat igényelnek, úgymint szélsebesség, léghmérséklet, légnedvességi mutató, illetve bejöv globálsugárzás. A rutinszeren mért meteorológiai adatok viszonylag jó térbeni eloszlásának, illetve több évtizedet felölel múltjának köszönheten így a globális párolgás szárazföldi komponensének, illetve idbeni trendjének meghatározása napjainkban tehát lehetvé vált, ahogy azt Szilágyi József (2001) munkája is példázza.

Végezetül illene néhány szót mondani a fent vázolt kutatások gyakorlati alkalmazásáról, hiszen manapság különösen sok szó esik a hazai közéletben a tudomány és társadalom kapcsolatáról. A társadalom joggal várhatja el, hogy az adófizetk pénzén támogatott kutatásnak végs soron valamilyen társadalmi haszna legyen. A probléma abból adódik, hogy elre nem lehet pontosan megmondani, mely tudományág és azon belül melyik kutatási terület fogja a közel- vagy távoljövben a társadalomnak ezt a hasznot meghozni. Szinte közhelyszámba megy már a tranzisztor feltalálásának története, amelyet kezdetben mindenki csak egy érdekes játékszernek tartott. Vagy hogy közelebb kerüljünk jelen témánkhoz, a klimatológia tudományát többen még pár évtizede is egy nem túl sok gyakorlati haszonnal kecsegtet tudományágnak tekintették. Ezt manapság viszont már senki nem mondaná komolyan. Valahogy így van ez a hidrológiával is, hiszen ki gondolta volna mondjuk ötven évvel ezeltt, hogy egy nagy, vízzel rendszeresen feltöltött, a napra kitett „lavór” segítségével következtetéseket tehetünk majd a globális hidrológiai körforgás hosszú távú változására. Végül megjegyezzük: a németországi Max Planck Meteorológiai Kutatóintézet által vezetett, a klímaváltozás kelet- és közép-európai hatásának vizsgálatára irányuló, nemrég indult hároméves EU kutatási projekt keretében partnerintézményként a Budapesti Mszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszékén ugyanezen „lavórelmélet” segítségével vizsgáljuk, hogy a következ fél évszázadban elreláthatóan miképp fog alakulni a Balaton párolgása, és hogy vajon a 2003-ban megfigyelt rendkívüli alacsony vízszint milyen gyakorisággal várható a jövben. Reméljük, hogy e kutatási munkának konkrét gyakorlati eredményei tovább ersítik a tudomány társadalmi hasznáról alkotott képét.


Kulcsszavak: hidrológia, klímaváltozás, hidrológiai ciklus, párolgás

Irodalom

Bouchet, R. J. (1963): Evapotranspiration réelle, évapotranspiration potentielle, et production agricole. Annales Agronomiques, 14, 743–824.

Brutsaert, Wilfried – Stricker, H., 1979. An Advection-aridity Approach to Estimate Actual Regional Evapotranspiration. Water Resources Research. 15, 443–449.

Parlange, Marc B. – Brutsaert, Wilfried (1998): Hydrologic Cycle Explains the Evaporation Paradox. Nature. 396, 30.

Kahler, David M. – Brutsaert, Wilfried (2006): Complementary Relationship between Daily Evaporation in the Environment and Pan Evaporation. Water Resources Research. 42, W05413.

Matthews, Damon (2006): The Water Cycle Freshens Up. Nature. 439, 793–794.

Morton, F. I. (1983): Operational Estimates of Areal Evapotranspiration and Their Significance to the Science and Practice of Hydrology. Journal of Hydrology. 66, 1–76.

Ohmura, Atsumu – Wild, Martin (2002): Is the Hydrologic Cycle Accelerating? Science. 298, 1345–1346.

Peterson, Thomas C. – Golubev, V. S. – Groisman, P. Y. (1995): Evaporation Losing Its Strength. Nature. 377, 687–688.

Priestley, Charles Henry Brian – Taylor, R. J. (1972): On the Assessment of Surface Heat Flux and Evaporation Using Large-Scale Parameters. Monthly Weather Review. 100, 81–92.

Szilágyi József (2001): Modeled Areal Evaporation Trends Over the Conterminous United States. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 127, 4, 196–200.

Szilágyi József (2007): On the Inherent Asymmetric Nature of the Complementary Relationship of Evaporation. Geophysical Research Letters. 34, L02405.





1. ábra • A hidrológiai ciklus sematikus ábrája.


<-- Vissza a 2008/06 szám tartalomjegyzékére


<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra


[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]