A Föld a beeső napsugárzástól függően dinamikus, de termikus egyensúlyban van.

A klímakutató állomások különösen az utóbbi időben számos korszerű eszközzel gyarapodtak. Vonatkozik ez a földhőmérséklet mérésére alkalmas műszerekre is. Vannak mérőközeggel, sugárzási elven, hővezetési elven stb. működő hőmérsékletmérők. A mért értékek azonban a megismerni kívánt változások mértékét tekintve lényegesen eltérnek egymástól. Több tized fok a különbség például a ballonos vagy az űrszondás mérések között, nem is beszélve az ugyanazon elven mérő kutatóállomások adatairól; és ha figyelembe vesszük, hogy a vitatott iparosítási időszak kb. 150 éve alatt a változás (Intergovernmental Panel of Climate Change szerint IPCC WG-I, 2007, 237.) 0,74°C ± 0,18°C volt, néhány tized fok is jelentős. Szakterületemen, több mint öt évtizedes munkám során a hőmérséklet mint paraméter és mint mérés elsőrendűen fontos volt. Ezért tartom lényegesnek, hogy amikor a Föld egyik globális jellemzőjéről beszélünk, azért, hogy az ténylegesen az is legyen, a jellemzendő „tárgy” minden szükséges paraméterét és a mérés módját világosan és helyesen kell megadni.

Példaként, összehasonlításul bemutatjuk néhány kutatóállomás a földfelszín és az alsó troposzféra hőmérséklet-változására vonatkozó mérési eredményét (1. táblázat). Bár az eltérések egy-egy oszlop adatain belül néhány századot jelentenek, de ez egy évszázadra nézve (tízszeres) – egyenletes melegedést feltételezve – eléri a teljes várható hőmérséklet-változás értékét. Ez azonban azt is igazolja, hogy a modellek közötti nagy eltérések kétségbe vonják azok megbízhatóságát, mert a legszínvonalasabb kutatóintézetek (IPPC) prognózisai az azonos energetikai szcenáriók mellett az évszázad végére 2,1 és 4,9 ºC felmelegedést jósolnak. Lehetséges az is, hogy a modelleket saját érvényességi területükön kívül egyesek indokolatlanul használják.

A középső szám az illesztett egyenes meredekségét, a tól/ig határok pedig az ezt az értéket 90%-os valószínűséggel tartalmazó (tehát abból mindkét irányban csak 5–5% eséllyel kilógó) ún. megbízhatósági (konfidencia-) intervallumot jelzik. „Megjegyezzük, hogy egyes esetekben nem ugyanazon a tengerszint feletti magasságon megfigyelt hőmérsékletek trendjeiről van szó. Ez azért lényeges, mert a légkör alsó kb. tíz kilométerén belül minél magasabbra megyünk, annál kisebb mértékű a változás a mérések és a modellek tanúsága szerint. A különbségek egy része tehát nem a megfigyelések bizonytalanságában, hanem a mérések tárgyának különbségeiben rejlik. (Erről lásd bővebben az IPCC WG-I, 2007, 241–253. és 265–277. oldalain foglaltakat.)

Sajnos a bonyolult éghajlati modellek elég nagyvonalúan határozzák meg az eredményeket, és saját függvényeik szerint számolják ki a többfokos változásokat, valamint konszenzussal állapodnak meg valamilyen középértékben. Bár a 2007-es IPCC-jelentés próbál javítani a korábban kifogásolható átlagoláson, de az alkalmazások még e módszert követik. Az állítások a modelleredmények teljes szórásának határait vagy pedig valamilyen megbízhatósági intervallumát adják meg eredményként (Például IPCC WG-I, 2007, 749., 2. hasáb teteje). A konszenzus nem nevezhető tudományosnak. A hő- és hőmérsékleti folyamatok tisztázásával, egyszerű, vitathatatlan, fizikai törvényekkel végzett számításokkal megbízható globális értékekhez jutunk.

Légkör nélküli Földet elképzelve, a felszínről visszaáramló összes sugárzás megegyezne a beeső napsugárzásnak a légkör külső határán jelenleg is a világűrbe távozó értékével. A napsugárzás 30%-a földfelületről visszaverődne, 70%-a abszorbeálódna (elnyelődne), melegítené a felületet, és emittálódna (kisugározódna). A saját sugárzás és a visszavert sugárzás minősége fizikailag különböző, színképeik eltérnek egymástól. A hőtani számítások szempontjából ennek a különbségnek nincs jelentősége, mert itt csupán a folyamat energetikai oldalát vesszük figyelembe. A minden hullámhosszt integráló sugárzásmérő az összes sugárzást (azaz a felszín saját sugárzását és napsugárzás-visszaverődését) érzékelné, és kb. 278,6 K-t mutatna. (Ezen azt értjük, hogy ilyen hőmérsékletű abszolút fekete test sugározna ki ugyanennyi energiát.) Ekkor a Föld belsejének hőárama sem lenne elhanyagolható a napsütötte és árnyékos oldal felmelegedése miatt.

A részsugárzást mérők használhatók az emberi szem által látott sugárzástartományban, vagy mérhetnek a hosszúhullámú hősugárzás alapján hőmérsékletet. A mért értékek különböző kérdésekre adnak választ. Az összes sugárzás az energiaáramlási viszonyokra, a részsugárzás (hullámhossztól függően) a Föld láthatóságára, illetve magának a földfelületnek a hőmérsékletére ad adatokat.

Ha a légkör jelen lenne, de nem nyelné el a sugárzás egy részét, a teljes napsugárzás elérné a földfelületet, amely 30%-ot visszasugározna, 70%-ot pedig abszorbeálna, és szintén emittálná az űrbe, légköri abszorpció nélkül. A sugárzási elven mérő műszerek gyakorlatilag a légkör nélküli Földnél mértekhez hasonló értékeket mutatnának. A légkört a földfelülettel való hővezetéses és konvektív hőcsere melegítené fel. Fontos a földi hőáram szerepe és a légkör hőterjedési tulajdonsága (hővezetés, áramlások stb.).

A feketetest-sugárzás olyan képzeletbeli testnek – az abszolút fekete testnek – a sugárzása, amely az elektromágneses sugárzás minden hullámhosszán képes elnyelni vagy kibocsátani. A szürke test felületi sugárzási intenzitásának megoszlása olyan jellegű, mint a fekete testé, az azonos hullámhosszon és hőmérsékleten kisugárzott energiamennyiség azonban arányosan kisebb.

Sugárzási energiaáramlási eszmefuttatás
a hőmérsékletmérés átgondolásához

Célunk érzékeltetni, hogy az irodalomban található számtalan, de különböző módszerrel mért eredménynél mennyire fontos lenne a körülmények pontos megadása a következtetések levonásához és az összehasonlításokhoz.

Az egy fekete, egy szürke és egy tökéletesen tükröző test között létrejövő sugárzási viszonyok több változatban történő átgondolására szolgál a szélső értékeket is bemutató, egyszerű 1. ábra.

A két test esetén a különböző vizsgált változatoknál változnak a hőmérsékletek, az abszorpciós és emissziós tényezők. Az egyéb geometriai és fizikai jellemzők megegyeznek.

1. számú folyamat: A TF és TT hőmérsékletek egyenlők. A TF hőmérséklet hőbevezetéssel megemelkedik. Az 1. felületről megindul a hősugárzás a 2. felület felé az 1. felület emissziós tényezőjének megfelelően, ha nincs hőutánpótlás, az 1. felület hőmérséklete csökkenni kezd. A 2. felület abszorbeálja (és visszaveri) az oda érkező sugárzást. Szürke testnél elkezd a hőmérséklete növekedni, és a pillanatnyi hőmérsékletének, továbbá az emissziós tényezőjének megfelelően visszasugároz az 1. felület felé. A folyamat végén a két hőmérséklet megegyezik egymással (definiálni kell, milyen hőmérséklet), az egyensúlyi érték az emissziós tényezőktől és a hőmérséklet-különbségtől függ.

A redukált abszorpciós és emissziós tényező két különböző feketeségi fokú felületre:

A sugárzásos hőcserében az 1. felület által a 2. felületnek átadott mennyiség (amelyből az 1. lehűlése és a 2. felmelegedése számítható):

Egyik szélső eset, amikor az egyik felület, a TF tökéletesen fekete; a másik, a TT tökéletesen tükröző. Ekkor a TT felület hőmérséklete nem növekedhet, mert nincs sugárzáselnyelés. A felület közelében elhelyezett összessugárzás-mérő pirométer (energetikus megnevezés) azonban a visszatükröződésnek megfelelő hőmérséklet-emelkedést mér. Következtetni pedig azt lehet, hogy ebben az esetben εF =1 és εT=0, azaz εn=0, amit szövegben már kimondtunk. Másrészt, azt is kimondhatjuk, hogy abszolút fekete test és abszolút tükrözés nem létezik.

Átlaghőmérsékletek

Jelentős szerepe van a napállandó értékének, amely a „széles” irodalomban szintén neuralgikus kérdés. Korszerű műholdas értékek szerint jelenleg elfogadott 1366 W/m² (pl. WEBCÍM >). Más napállandóval, ami szintén gyakori irodalmi adat (Sn=1385 W/m²), a különbség 1,4%, ami 1 ºC csökkenést okoz Te-ben. 1366 W/m² értékkel és feketetest-feltételezéssel a légkör határára egyensúlyi hőmérsékletet számíthatunk. Egyértelmű számítás a teljes földfelületre vonatkoztatás miatt a 4-gyel osztott energiaáramból számított érték.

A légkörön keresztüljutó, a Föld felületét elérő sugárzásból, a Földről visszaverődő (albedó) és a Föld sugárzását együtt (összessugárzást) mérő pirométer a földfelület fölött közvetlen energiaáram alapján az energiamérleg szempontjából értelmezhető hőmérsékletet mér. Ez megegyezik egy feketetest hőmérsékletével. A sugárzási elven mérő eljárásoknál a műszer érzékelőjét pontosan ismerni kell. A más elveken történő mérések összehasonlításakor különös figyelemmel kellene eljárni, és publikálni (ami igen gyakran elmarad).

A teljes Föld átlaghőmérsékletét (dinamikus termikus egyensúly) tekintve, a légkör határán, az űrbe való összes visszasugárzás összegének meg kell egyeznie a napállandóval, és így az összessugárzást mérő pirométernek az egyensúlyi hőmérséklettel azonos értéket kell mérnie.

Ebben az esetben nem kell számolni a bolygó albedójával, amely érték a fenti számításokkal megegyezően 30%.

Magának a légkörnek a hőmérsékleténél (átlagnak vagy globálisnak nevezik gyakran) a világűrből és a Földről jövő, főképpen hosz-szúhullámú sugárzásokból abszorbeált energia meghatározó (természetesen konvektív hőcsere, keveredés stb. is szerepet játszanak). A valós légkörben a tényleges hőmérséklet kialakulásához hozzájárul az alulról felfelé melegítő turbulens hőcsere és a felszínről párolgással távozó, hőjét csak a felhőkben hőmérséklet-emelkedésre váltó ún. latens hő. A légkör energiabevételét meghatározó sugárzási értékek földi és éves átlagban (Wm^-2): rövidhullámú napsugárzás 67, hosszúhullámú kisugárzás 26, a kettő együtt 93. Ezzel szemben az érzékelhető hő 24, a latens hő 78, utóbbi kettő együtt 102 Wm^-2: (Forrás: IPCC WG-I, 2007, 96., FAQ 1.1 Fig. 1.). Az abszorbeált energia a légkör emissziós (abszorpciós) tényezőjétől, azaz a légköri gázok koncentrációjától függ. Magának a levegőnek a hőmérséklete érintkező hőmérővel jól mérhető; valós érték, a klíma fontos jellemzője. Más elven, például valamely gázösszetevő (pl. oxigén) mikrohullámú sugárzásával is mérhető a levegő hőmérséklete, de az összehasonlításkor a közös nevezőre hozásnál különös gonddal kell eljárni.

Ha a légkör nélkülinek képzelt Föld felületét eléri a napállandónak megfelelő teljes sugárzás, azt tükrözéssel és szürke testként teljes egészében visszasugározza. Az összessugárzást mérő pirométer a légkör határán mért egyensúlyi hőmérsékletnek megfelelő értéket méri (nem pedig a -18 ºC = 255 K értéket, amellyel sokszor találkozunk). Ez a 255 K a helyhez kötött földfelület hőmérsékletére helyes átlagérték. A Föld közvetlen környezetének energetikai áramával kapcsolatban keveset mond. Az albedóval visszavert energia ugyanis nem tudja melegíteni a Földet, de energetikailag hasznosítható például naperőművekben. Ezeken a helyeken, tehát az öszszessugárzás-mérő hőmérsékletnek van jelentősége. Például itt is közvetlenül kapcsolódik az energetika és a meteorológia.

Légkör nélküli Földről sem meteorológusok, sem éghajlatkutatók nem szoktak beszélni. A 255 K az az ún. csillagászati hőmérséklet, ami ténylegesen valahol a légköri légnyomás közepe táján, azaz a légkör tömegét felező 500 hPa szinten (5–6 km magasságban) mérhető rádiószondákkal vagy műholdakról. Ezzel a hőmérséklettel sugározna ki az az abszolút fekete test, amely a nap sugarainak 70%-ával (1 mínusz albedószorosával) gazdálkodik. Az energiaáramlási viszonyok miatt bizonyos esetekben mégis célszerű az absztrakció. A légkör nélküli Földnek közvetlen a felszín alatti hőmérsékleténél nem lehet figyelmen kívül hagyni a Föld belsejéből a felszín felé tartó hőáramot. Ez viszonylag csekély, de létezik, és bár a felszín közeli hőmérséklet közel van a nullához, de pozitív érték (Európában kb. 80–100 cm mélyen 6–8 ºC). Itt emlékeztetni kell arra az elterjedt vélekedésre, hogy a légkör nélküli Föld hőmérséklete az albedót figyelembe véve, de a légkörös Föld felületére érkező sugárzással számolva, -18 ºC (255 K) lenne. Ez nélkülöz minden a valós állapotot, de elméleti feltevésekben sokszor használják.

A Föld és a világűr közötti energiaáramlásnál a Föld feketetestként szerepel (tükrözés + szürkesugárzás = 1; R+E=1). Az energiabeáramlás azon 30%-a, amely nem képes melegíteni a bolygót, mert változatlan hullámhosszon visszaverődik, nem járulhat hozzá a bolygó melegítéséhez, de a bolygó energiamérlegének felírásakor számolni kell vele, és az emberi energiatermelésben is hasznosítható.

A hőmérsékleteknél meg kell mondani, miről beszélünk. A legbiztosabban az energiaáramlásból összessugárzással, a biztonságosan ismert fizikai, geológiai és biológiai paraméterekkel meghatározott globális hőmérséklet állapítható meg. Nagyon fontos a fizika, a geológia és a biológia paraméterei ismeretében a valós légköri viszonyok megismerése és a legkorszerűbb eszközökkel való mérése, továbbá az értékek és a változások elemzése. Ugyanilyen fontos azonban, hogy a következtetéseink és intézkedéseink során a korlátainkat figyelembe vegyük. Ugyanilyen fontos, hogy az eredmények összehasonlításánál körültekintően járjunk el, és az általánosításoknál azonos nevezők legyenek. A közlések az érdekelt szakterületek szintjén átláthatók kell legyenek, és ne hit alapján kelljen elfogadni azokat. A nagy különbségek esetén ne konszenzus döntsön, hanem a számítások összehasonlítása. Ha a nagy különbségek maradnak, akkor ki kell jelenteni: ilyen mértékű a bizonytalanság.

Az üvegház és a légkör

Az üvegház esetei (merőlegesen beeső sugárzást feltételezve) • A föld és a légkör termikusenergia-kapcsolatára gyakran használt üvegházhatás kifejezés az érthetőséget megkönnyíti, ám ténylegesen nem teljesen felel meg a valós helyzetnek. Néhány eszmefuttatással kíséreljük meg a viszonyok bemutatását.

1. eset • Az üveg nem abszorbeál, a gáz nem abszorbeál (CO₂ nélküli levegő), a fal abszorbeál. A napsugárzás teljes mennyisége áthalad az üvegen, a gázon, ezek nem melegszenek, a fal visszaver, abszorbeál, melegszik az abszorbeált hőtől. Vezetéssel és konvektív módon melegíti a gázt és az üveget. A fal a napsugárzástól és az albedótól függően magas hőmérsékletet ér el.

2. eset • Az üveg, a gáz és a fal is abszorbeál. A falhoz az üveg és a gáz abszorpciójával csökkentett sugárzás érkezik. A gázt a saját abszorpció, valamint az üveg és a fal sugárzásából abszorbeált energia melegíti, továbbá a fal és az üveg vezetéses és konvektív hőátadása. A fal hőmérséklete a beeső sugárzás csökkenésével tovább csökken. A gáz hőmérséklete összességében emelkedik (függ az abszorpcióktól, az albedóktól, az áramlási viszonyoktól, az anyagminőségektől stb.). Az üveg hőmérséklete is magasabb lesz az abszorpció miatt.

Azaz a valós légkör is elnyeli és szórja a napenergiát. Az üveg jelenléte felel meg annak, hogy sokkal kisebb a fal hűlése konvektív úton. Tehát a hosszúhullám gyengítése a földi klímában, felel meg a konvektív hűlésnek az üvegházban.

A Föld és a légkör

A földfelszín a falnak felel meg, a légkör az üvegnek, zárt gáztérfogat nincs, ami lényeges különbség.

Ha a légkör és a földfelület is abszorbeál, a földfelszínre a légkör nélküli esethez képest gyenge napernyőhatással kevesebb sugárzási energia érkezik. A hőmérséklet a két anyag abszorpciójától és a visszasugárzás és visszaverődés mértékétől függ.

Nézzük az albedóval való számolás buktatóit!

A napállandó: (1366 W/m²), ennek negyede, kerekítve 342W/m². A felületi hőmérsékletet a beeső sugárzással és az albedóval számoljuk ki:
Légkör nélkül:

Légkörrel: a légkör által visszatükrözött és abszorbeált sugárzás 107 W/m², a földfelületre ér 342-107=235 W/m² (fiktív hőmérséklet számítható).
A légkör üvegházhatású összetevői a Föld szilárd (helyhez kötött) felületét árnyékolják is. Kevesebb napsugárzás éri el, relatíve „hűti”, mint a napernyő. Ezek hiányában a légkörön kívüli sugárzás érné el. Az albedóval – (az abszorpciónál lényegesen bizonytalanabb érték) – való számolás számos értékproblémát, továbbá értelmezési nehézséget rejt magában. Energetikai számításoknál a sugárzással (összes energiaárammal) való hőmérsékletmérésnél az érzékelő bár külön tudja választani, hogy a sugárzás melyik része származik hősugárzásból, illetve visszavert sugárzásból, a naperőműveknél tükrökkel vagy lencsékkel összegyűjtve sugározzák a napsugárzást a gőztermelőkre, az összes energia hasznosul.

A földi éghajlatra való befolyás becsléséhez általánosítható jelenségek ismeretére van szükség. Sajnos ismereteink vagy nagyon általánosak, vagy a részletesebbek pontossága nem megfelelő. Két dolog egyértelműen kimondható: egyrészt, hogy a Föld a világűrben dinamikus, de termikus egyensúlyban van, másrészt, hogy a légkör széndioxid-koncentrációja a Föld felülete fölötti légkörben „viszonylag egyenletes” eloszlásban a közelmúlt időszakban növekedett. E két megállapítást felhasználva a fizikai törvények további fontos megállapításokat tesznek lehetővé. A kiszámolt eredmények hasznosításával azonban nagyon óvatosnak kell lenni.

Érdekes, elgondolkodtató számításokat lehet elvégezni az alapadatokkal csak részben valós feltételezésekkel.

Napsütötte félteke

Légkör nélkülinek képzelt Föld és az egyenlítőnél a zenitben tartózkodó Nap esetére (a földfelszín hőmérsékletére feltételezés, a belső hőáramlás miatt, napsugárzás nélkül egy közelítéssel 0ºC).

A félteke egyik szélétől a másik széléig haladva a beeső sugárzás közel 0 – 683 – 0 W/m² közötti változásával a hőmérséklet közel 0 – 58,3 – 0ºC között változik. Az átlag:

Légkörrel: a légköri visszatükrözés 410 W/m². Az abszorpció értéke 385ppm CO₂-koncentrációnál 0,22. A zenitnél felületet éri: (1366 – 410).0,78= 956..0,78=745,7W/m²

Az eddigi maximum 1922, Líbia: 58,0ºC.

A Földre sokféle reális feltételre alapozott számítás végezhető el. Hasznosak lehetnek az absztrakcióval létrehozott feltételekkel végzett eszmefuttatások is, de végtelen vitákba is bonyolódhatnak. A meteorológia tudománya nagyon sok más tudománnyal van kapcsolatban, tehát célszerű lenne a jelenleginél lényegesen gyümölcsözőbb együttműködés a jelenlegi, nem túl épületes viták helyett. A múlt évszázad közepén az üvegházgázok hatásának mértéke lett komoly vita tárgya, de igen nagy mértékben eltérnek a vélemények egymástól. A viszonylag rövid, pár évtizedes kutatási múlt eredményeinek állandó korrigálása szükséges – visszamenőleg is. Egyesek szerint ez a tudomány fejlődése, mások szerint ez ilyen mértékben azért nem fogadható el. A meteorológiában különösen a mérési kísérletek problémásak, mert a más tudományoknál alapvető feltételként számító mérési ismétlések rendkívül korlátozottak. Energetikusként és termodinamikusként a földi energiaviszonyok tárgyalásakor az eredmények és a következtetések megállapításait számos esetben nem érzem megalapozottnak. Meggyőződésem, hogy a globális (egészében tekintett) értékeket, hogy elsősorban a vitathatatlan, energia- és anyagmegmaradási tétel kiindulással kell számolni. A részleteket az adott körülmények között kell hasznosítani. Magától értetődően nagyon szükséges a nagymértékű modellezési munka további erőfeszítéseinek folytatása.
 

Kulcsszavak: klímaváltozás, globális hőmérséklet, hőmérsékletmérések, légkör
 

IRODALOM

IPCC (Intergovermental Panel of Climate Change, Powered by the Scientific Computing Division, NCAR) WG-I. (2007) 05. September 2007

Report by the U. S. Climate Change Science Program. Press Release 10 July 2007 from the Dept. of Energy.

Gray, William M. (n. d.): Temperature Trends. WEBCÍM >