vit . bme . hu
KLÍMAVÁLTOZÁS ÉS A VÍZ KÖRFORGÁSA
Szilágyi József
az MTA doktora, egyetemi docens
Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék
szilagyi vit . bme . hu
Józsa János
az MTA doktora, tanszékvezetõ egyetemi tanár
Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék
jozsa vit . bme . hu
A jelenleg végbemenõ klímaváltozás, amely legegyszerûbben a felszínközeli léghõmérséklet 0,6 ˚C-os globális emelkedésével jellemezhetõ, az emberiséget érintõ egyik legkomolyabb hatása a víz körforgására lesz (1. ábra). A vulkánkitöréseken, amelyek térben erõsen lokalizáltak, és a földrengéseken kívül (de még azok is a kísérõ tengeri szökõárak esetén) szinte minden más potenciálisan nagy kiterjedésû elemi csapás összefügg a vízzel: annak bõségével, gondoljunk csak a rendkívül heves csapadékokra, trópusi viharokra, árvizekre, a tengerszint globális emelkedésére, vagy hiányával, mint az idõben 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 fajhõje (a vizet több energiával tudjuk felmelegíteni, mint például a higanyt), illetve párolgási hõje miatt annak mozgása, illetve fázisátalakulása egyben komoly térbeli energiaátvitellel is párosul. Ezért van az, hogy a vízpára légköri kondenzálódásának hõje a globális légkörzés energiaszükségletének mintegy 30 %-át fedezi. Különleges olyan tekintetben is, hogy az egyetlen természetes anyag, amely mindhárom fázisállapotában gyakran egy idõben és egy helyen (például felhõk) van jelen.
Amikor klímaváltozásról beszélünk, érdekes módon gyakran elfelejtjük, vagy nem hangsúlyozzuk eléggé, hogy a vízgõz messze a leghatékonyabb üvegházhatású gáz. Vessünk csak egy pillantást a jelenlegi, igen kellemes üvegházhatást (ami mintegy 35 °C mértékû, azaz ennyivel hidegebb lenne a Föld átlaghõmérséklete a légkör nélkül) elõidézõ légköri gázok fontossági sorrendjére. A vízgõz puszta jelenléte a jelenlegi üvegházhatás 60 %-áért (ami a 35 °C-os hõmérséklet-növekedésbõl 20 °C-nak felel meg) felelõs, 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) felelõsek.
Joggal kérdezheti most valaki, hogyha ez így van, akkor miért nem beszélünk többet a vízgõzrõl a klímaváltozás kapcsán. Ennek a legvalószínûbb 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 elõ, azaz többek között hõerõmûvek, illetve autók pöfögik ki. Ez tehát nyilvánvalóan azt is jelenti, hogy nem tudjuk szabályozni annak jövõbeni 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 párolgáscsökkentõ anyaggal (például parafin) bevonni az egyéb, többek között az élõvilágra gyakorolt, belátható és beláthatatlan következmények miatt.
Általános szabály, hogy a melegebb levegõ potenciálisan több vízgõzt 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 kiterjedésû nedves környezetben” a párolgás (mint adott felületrõl adott idõ alatt végbemenõ tömegáram a vízre vonatkozóan) csupán a rendelkezésre álló energiától függ (Priestley – Taylor, 1972) és független például a szélsebességtõl. (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 bõven 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. Mindezekbõl az is következik, hogy nemcsak szabad vízfelszín felett nõ 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 léghõmérséklet-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 levegõ fenti tulajdonága miatt, illetve a víz földi bõsége folytán (noha jelentõs térbeli egyenetlenséggel) a vízpára a globális melegedéssel pozitív visszacsatolásban van. Azaz bármi is indította el kezdetben a felmelegedést, a felszínközeli levegõ melegedésével egyre több vízpára kerül a levegõbe, ami komoly üvegházhatása miatt tovább erõsíti a melegedést. Globális klímamodellek számításai szerint ez a hatás oda vezet, hogy a szén-dioxid légköri koncentrációjának megduplázódása esetén a várható 2 °C-os hõmérséklet-emelkedés helyett 3 °C valószínûsíthetõ. Ha szerencsénk van, akkor azonban van egy fék is a léghõmérséklet-vízpára rendszerben, nevezetesen a felhõk még nem teljesen tisztázott szerepe folytán. Ugyanis a felhõk belsõ szerkezetétõl, illetve azok talaj feletti magasságától függõen erõsíthetik vagy éppen gyengíthetik is a felmelegedést.
Jelenleg a víz körforgását érintõ klímamodell-eredményeket a következõképp 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 idõjárási szélsõségek, azaz hõhullámok és szárazságok, az extrém csapadékokkal egyetemben, szintén nagyobb gyakorisággal várhatók. A szárazföldi jégtakaró (leginkább Grönland és Antarktisz) olvadása következtében, illetve a tengerek és óceánok hõtágulása miatt a tengerek, illetve óceánok szintje jelentõsen megemelkedik. A víz körforgása intenzívebbé válik, azaz egy idõben több víz tartózkodik a légkörben és/vagy a vízgõz 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 meglévõ klímaövek földrajzi elhelyezkedését és térbeli kiterjedését.
A klímaváltozási projekciók jelenlegi gyenge pontjai a következõk. 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 léptékû folyamatok, amelyek ráadásul térben nagyon változékonyak is lehetnek, nehezen megfoghatók a modellek számára. Ebbe a kategóriába esnek olyan fizikai folyamatok, mint például a felhõképzõdés, a légköri aeroszolok diszperziója – fõleg szulfát- és koromrészecskék, amelyek a csapadékkal hamar kimosódnak a levegõbõl, de rövid légköri tartózkodásuk alatt, illetve bõséges elterjedésük miatt jelentõs sugárzásmódosító hatással bírnak –, és maga a csapadékképzõdés is, az azt követõ talajnedvesség-változás és szárazföldi lefolyás térben rendkívül heterogén folyamataival.
Ne higgyük azonban, hogy a klímaváltozás valami olyan, ami csak a jövõt, 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 mérhetõ, dokumentálható. Ilyen biztos, jól kimutatható, a víz globális körforgását érintõ változás a hegyi gleccserek masszív visszahúzódása, a tavak éves jégborítottságának lerövidülése, a tenyészidõszak meghosszabbodása, az északi félteke szárazföldjei fölötti 10 %-os csapadéknövekedés az elmúlt ötven év viszonylatában, valamint ugyanitt a lefolyás néhány százalékos növekedése. Érthetõ 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, egyszerûen azért, mert közvetlen, rutinszerû mérése jelenleg még nem teljesen megoldott. Mindenesetre közvetetten sótartalom-mérésekbõl, illetve az óceánok felszíni hõmérsékletének nemrég kimutatott növekedésébõl 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 szerzõk 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 nõtt, tehát logikusan a különbségnek, ami a párolgást adja, szintén növekednie kellett ezen idõszak alatt, hacsaknem ezen különbségnek egy jelentõs része tavakban, illetve a talajban mint talajnedvesség, továbbá a talajvízben vagy a rétegvizekben nem tározódott, ami azonban igen valószínûtlen. Ugyanakkor a rutinszerûen alkalmazott párolgási kádak mért párolgásértékei ezen idõszak alatt csökkenõ tendenciát mutatnak (Peterson et al., 1995), amibõl idézett szerzõk azt a következtetést vonták le, hogy a globális hidrológiai ciklus a szárazföldek felett gyengülni látszik. A párolgás ezen vélt csökkenõ tendenciájával remek párhuzamban van az a tapasztalati megfigyelés, hogy a levegõ 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 csökkenõ 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 követõen a csapadék intercepciója révén (vagy gondoljunk nyáron az éjszakai harmat kora délelõtti eltûnésére), a kettõ kombinációjáról, ún. evapotranszspirációról szoktak beszélni (angolul: evapotranspiration). Mivel mind a párolgás, mind pedig a párologtatás esetén az alapvetõ fizikai folyamat ugyanaz, azaz a víz fázisátalakulása cseppfolyósból gáznemûvé, a párolgás szó használata az idegen evapotranszspiráció helyett jelen tanulmányban (de talán máshol, még az angol nyelvû szakirodalomban is evapotranspiration helyett csupán evaporation) indokoltnak látszik, és az evapotranszspiráció szóval felcserélendõen 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 rutinszerûen közvetlenül nem mérhetõ, ráadásul egészen a közelmúltig még közvetetten is, csak egy vízmérleg felállításával került megbecslésre, ami leggyakrabban abból áll, hogy egy vízgyûjtõre pontszerû mérések alapján térbeni interpoláció alkalmazásával kiszámolják, hogy mennyi csapadék hullott (nem triviális feladat), és kellõen hosszú idõszakra vonatkozóan (leginkább egy vagy több év) abból a mért lefolyást levonják. A kellõen hosszú idõszak azért kell, hogy ezalatt a vízgyûjtõn belül történõ víztározás (tipikusan mint talajnedvesség vagy talajvíz) megváltozása elhanyagolható lehessen a be-, illetve kimenõ víztömeghez képest.
A paradoxon könnyen feloldható a párolgás ún. komplementáris hipotézisének (KH) alkalmazásával (Bouchet, 1963). Leegyszerûsítve 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 levegõ szárazabbá és egyúttal melegebbé is válik. Itt jegyezzük meg, hogy amennyire egyszerûnek tûnik ez a hipotézis, annál nehezebb azt szigorúan elméleti úton bizonyítani. Ráadásul egészen mostanáig a komplementaritást szimmetrikusnak vélték (azaz a két komplemens változás terjedelmét megegyezõnek vették), de a legújabb kutatások alapján (Szilágyi, 2007) az nagy valószínûséggel inkább antiszimmetrikus (vagyis a kádpárolgásban vagy az azt helyettesítõ becslésben bekövetkezõ 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 érintõ része gyengül, tovább él.
Újabban a KH-n alapuló párolgásszámítási módszerek (Brutsaert – Stricker, 1979; Morton, 1983; Kahler – Brutsaert, 2006; Szilágyi, 2007), talán a KH elõbb említett sikere kapcsán is, elterjedõben vannak. Azonban a legnagyobb elõnyük ezen módszereknek (David M. Kahler – Wilfried Brutsaert [2006] kivételével), hogy kádpárolgási mérések hiányában is alkalmazhatók, és ráadásul csak rutinszerûen mért meteorológiai változókat igényelnek, úgymint szélsebesség, léghõmérséklet, légnedvességi mutató, illetve bejövõ globálsugárzás. A rutinszerûen mért meteorológiai adatok viszonylag jó térbeni eloszlásának, illetve több évtizedet felölelõ múltjának köszönhetõen így a globális párolgás szárazföldi komponensének, illetve idõbeni trendjének meghatározása napjainkban tehát lehetõvé 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 adófizetõk pénzén támogatott kutatásnak végsõ soron valamilyen társadalmi haszna legyen. A probléma abból adódik, hogy elõre nem lehet pontosan megmondani, mely tudományág és azon belül melyik kutatási terület fogja a közel- vagy távoljövõben 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 kecsegtetõ tudományágnak tekintették. Ezt manapság viszont már senki nem mondaná komolyan. Valahogy így van ez a hidrológiával is, hiszen ki gondolta volna mondjuk ötven évvel ezelõtt, 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 Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszékén ugyanezen „lavórelmélet” segítségével vizsgáljuk, hogy a következõ fél évszázadban elõreláthatóan miképp fog alakulni a Balaton párolgása, és hogy vajon a 2003-ban megfigyelt rendkívüli alacsony vízszint milyen gyakorisággal várható a jövõben. Reméljük, hogy e kutatási munkának konkrét gyakorlati eredményei tovább erõsítik 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.