A klímaváltozással kapcsolatos lavinát elsősorban a Nobel-díjas tudós (az elektrolitok vezetőképességének felismeréséért kapta 1903-ban), Svante Arrhenius 1896-os aktív kutatásának eredményei indították el. Természetesen elemzések már jóval korábban is készültek (például William Wood New England’s Prospect [1634]), de előtte igazán jelentősek Joseph Fourier munkái voltak. Fourier szemlélete szerint: „…a földi hőmérséklet Fourier-elméletének elemei, tehát a Föld, mint egy hűlő test, a Nap, mint periodikus hőforrás, és a légkör, mint átlátszó közvetítő.” (Fleming, 1998)

Fourier munkásságára hatással volt Isaac Newton hűléselmélete. Newton hűléselméletének értelmezése a következő: egy közepes vákuumban, egy szigetelt forró anyag a vákuumkamra hideg falával való hőcserében hőt veszít. A hőszállítás elektromágneses sugárzással történik.

Két, egyébként azonos, egyenlő hőmérsékletű objektum, ha egyik fekete, a másik fényes, különböző módon abszorbeálja és emittálja a sugárzást. A fekete a reá eső sugárzás többségét abszorbeálja, a fényes a sugárzás többségét visszaveri. A feketének több sugárzást kell emittálnia, mint a fényesnek. Ha nem így tesz, akkor felmelegszik, míg a fényes lehűl. A földön a fehér hó a nap folyamán a napsugárzást visszaveri, és védi a földet a felmelegedéstől. Éjszaka a hó sokkal kevésbé sugároz, mint a sötét föld, és lassítja a hűlést. Fourier-t megérintette a hőnek newtoni elmélete: „A hő áthatolás alapelve, mint a gravitáció, minden tárgyra és a tér mindenségre érvényes, és egyszerű és állandó törvény” (Fleming, 1998).

Arrheniusnak a klímakutatás területén való színrelépésével azonban új korszak kezdődött. Természetesen, a téma jellegénél fogva a különböző paraméterek hatásáról komoly viták folytak, de folynak ma is. „A klímaváltozással kapcsolatos véleményekben korábban sem volt konszenzus, és sokan gondolták az éghajlat esetleg hűvösebbé válik” (Fleming, 1998).

Arrhenius munkásságában a korábbi elméleteket és rendelkezésre álló klímaadatokat is figyelembe véve, azt látjuk, hogy elsősorban Fourier-hoz fordult vissza. Arrhenius az 1924-ben publikált memoárjaiban másolatban idézte Fourier 1827-es cikkét, ahogy másokat is, akiknél az üvegházhatás említése megtalálható. A naplójában így kiáltott fel: „Minden nap kísérletezek; a téma teljes mértékben a kezemben van” (Fleming, 1998).

Svante Arrheniust számosan az üvegházhatás és a globális fölmelegedés elméletének atyjaként dicsérik. Ugyanakkor Arrhenius munkáiról 1896 óta éles vita folyik. Munkásságának vitatott elemei: az általa használt abszorpciós tényező és a földfelület minőségének értéke.

Ha az Arrhenius közleményében található adatokat kritika és változtatás nélkül egy diagramba visszük fel, a várt hőmérséklet-változást az 1. ábrán láthatjuk. Az ábrában a jelenlegi levegő-összetétel használata esetén megtalálható az összetartozó (nem korreláció) szén-dioxid-koncentráció és Arrhenius kiindulási feltételeihez képest a tényleges hőmérséklet-emelkedés. Arrhenius az általa nyert adatokból azt a következtetést vonta le, hogy „Thus if the quantity of carbonic acid increases in geometric progression, the augmentation of the temperature will increase nearly in arithmetic progression.” (Arrhenius, 1896, 237.)¹

A tényleges érték kevesebb mint harmada a jósoltaknak.

Az utóbbi időben a klimatológusok véleménye már egyre inkább abba az irányba változik, hogy a CO₂-növekedés miatti felmelegedés csak néhány tized fok lesz, annyi, amennyivel a légkör energiamegkötő képessége növekszik (ezt már magam is leírtam korábban). Sokak szerint ez az energianövekedés elegendő lehet arra, hogy a kis légköri katasztrófák számának csökkenése mellett a nagyok száma növekedjék (Rádió 1, Mika János, 2012. 01. 03). A légkörről olyan részletes, régiónkénti energetikai számítások még nem ismeretesek, amelyek alátámasztanák ezt az elméletet. A légkörben végbemenő változások következményeit korábban már magam is kikövetkeztettem. Ha ez így van, akkor véleményem szerint ezt hatást a néhány tized fokos hosszabb távú átlagos hőmérséklet-emelkedés helyett a rövid idejű, (például éves) rövid ciklusú, a globálisnál lényegesen nagyobb mértékű (több fok is lehet) hőmérséklet-emelkedések (2. ábra) okozhatják.

Jelenleg az csak feltevés, hogy a légköri katasztrófák, például a gyakoribb óriásciklonok okát és gyakoriságuk növekedését ezen hőmérséklet-változások okozta energiaváltozásokban kell keresni. A hőmérséklet-változások és az energetikai viszonyok kapcsolatának kutatása elsőrendű feladat lehet. A különböző paraméterekben a késleltetések, fáziseltolódások megismerése közelebb visz a jelenségek megmagyarázásához.

A Nap–Föld-rendszerben a Nap az energiaforrás, a Föld az energianyelő, amely időnként túlcsordul, majd utána kevesebb szabad hellyel rendelkezik. Az idők során a rendszer dinamikus egyensúlyba került, amelyet azonban lassú változások jellemeznek. A két fő elem külön-külön is változik. A Nap változása igen lassú folyamat, amelyet azonban időnként jelentős napkitörések tarkítanak. A vizsgált intervallumban a kitörések szerepe jelentős.

A Föld egyensúlyi állapotának változásai lényegesen összetettebbek, és kölcsönhatásban vannak például a víz és szárazföld arányváltozásai, a légkör összetételének változása, a szárazföldi vegetáció mennyiségi és minőségi változása, az ember okozta változások stb.

A Föld termikus egyensúlyának vizsgálatakor energetikai, hőtani és biológiai folyamatokat kell figyelembe venni. Vigyázni kell a különböző mérlegegyenletek és egyensúlyi egyenletek helyes alkalmazásával és különösen az értékelésével. Például energetikailag, ha az energetikai mérlegtagokat a sugárzásokból számítjuk, akkor az összes sugárzásnál mindegy, hogy a sugárzás visszatükröződés vagy testsugárzás, míg például hőmérsékleti viszonyokat vizsgálva korántsincs így. Az energetikai egyensúly vizsgálatakor extenzív mennyiségek szerepelnek, míg intenzív mennyiségekkel (hőmérséklet) is lehet egyensúlyt vizsgálni, mert a Földnek a világűrrel való hőcserefolyamata csak sugárzásos hőcsere lehet.

A fajlagos extenzív mennyiségek is viselkedhetnek intenzívként (például energiaáram-sűrűség, napenergia-sugárzás stb.).

A légköri rendszerhez kapcsolhatóan extenzív mennyiségek a levegő tömege, összetétele, térfogata, a víztömeg, az ásványtömeg, a biológiai tömegek stb. Extenzív jellemzők az anyagokban lévő fizikai-kémiai energiamennyiségek, a felületi jellemzők.

Intenzívek között a legfontosabb a hőmérséklet, továbbá a nyomásviszonyok, a fajlagos extenzív mennyiségek, vagyis az állapotjelzők, például az anyagok sűrűsége, az anyag- és a hőáramok fajlagos értékei.

Az energetikai mérlegegyenleteknél általában extenzív mennyiségek szerepelnek, míg az egyensúlyi folyamatoknál és állapotoknál intenzívek is.

A rendszerben lejátszódó folyamatok:

• periodikus folyamatok vagy a földtörténet nagy idősávú folyamatai (például Milankovich-ciklus);

• a legtöbb folyamat sztochasztikus, például felhőborítottság, szél, napkitörések, vulkánok stb.;

• bizonyos időtávon monoton folyamatok, például szén-dioxid-növekedés stb.

A felhőzet alakja, mérete, minősége térben és időben sztohasztikusan változik, ezért az üvegházhatásban való részvételének számítási módja lényegesen különbözik a CO₂-étól.

A Nap–Föld-rendszernél a termodinamika mind a négy főtétele szerepet játszik.

A 0-ik főtételnek az egyensúlyra való értelmezését a légkör határára számított egyensúlyi hőmérséklet használatakor kell alkalmazni.

Az első főtételt a Napról a Földre érkező és onnan távozó energia megmaradásánál kell figyelembe venni. Ez a különböző anyagi tömegek energiaveszteségének pótlására, biológiai és vegyi folyamatok energiaigényének fedezésére szolgál. A 0-ik főtétel egyensúlyi követelménye az utóbbi folyamatok miatt nem használható a statikus egyensúly megállapítására, de az egyensúlynak a rejtett hőigények miatti megbomlása után megindul annak helyreállítása.

A 2. főtétellel az egyensúly folyamatának leírását lehet megtenni. A rendszer a kisebb valószínűségi állapotból a nagyobb felé mozdul el. Ennek során az entrópia, az extenzív jellemző növekszik (ds > 0).

A 3. főtétel a világűr közel abszolút 0 K hőmérsékletének szerepét veszi figyelembe.

A Föld energetikai mérlegegyenletei rendkívül összetettek. Az egyes tagok nagyon különböző jellege miatt nagyon vitatottak, és pontosságuk egyes feladatok megoldásához nem mindig kielégítő. A folyamatos változtatás miatt megbízhatóságuk megkérdőjelezhető (egyes szakértők szerint finomodnak). A valóságban sok a tapasztalati érték és a becslés. A sztohasztikus folyamatoknál mindig valamilyen hibával kell számolni, amit a használatukkor figyelembe kell venni.

Az energetikai mérlegegyenletet a Föld termikus egyensúlyának tárgyalására csak számos megjegyzéssel lehet használni. A Nap és a Föld között (a világűr) hőcserefolyamat játszódik le. Magát a folyamatot egy extenzív (S) és egy intenzív (T) mennyiség jellemzi. A részfolyamatokra a két-két jellemző szorzatai adják az energiaegyenlet elemeit. A Földön azonban vegyi, biológiai és fizikai (például olvadás) folyamatokhoz szükséges energia is felhalmozódik, ezért időnként a kisugárzás kisebb, mint a Napból érkező energia, amit a „napállandó”

jellemez. Ez önmagában hosszabb távon nem feltétlen okozza a légtömeg hőmérséklet-változását.

A Nap és a Föld hőcserefolyamatában nem mindegy, mire használja a nyelő a kapott hőt. A rejtett hő nélkül a visszatükrözött és a kisugárzott hő összege megegyezik a beesővel. Ekkor statikus egyensúlyról beszélhetünk, a napállandóból származó és az összes sugárzással számolt egyensúlyi hőmérsékletek megegyeznek.

Az egyensúly definiálásával akkor van probléma, amikor a teljes hőcserefolyamatban vegyi, biológiai és például olvadási hő is szerepel.

A világűrben a hőcserefolyamatok csak sugárzással történhetnek. A Föld légkörét elérő napsugárzás változik (a változás mértéke jelenleg élénk vita tárgya), de az egyensúly-számításoknál egy adott értéket (mért) fel kell venni.

A jégre történő sugárzásnál a beeső sugárzás egy része a jég olvadására fordítódik, a másik része a hőmérsékletnek megfelelően visszasugárzódik (visszaverődik és sugárzódik) a világűrbe. A visszasugárzást a jég hőmérséklete – határesetben megegyezik az olvadási hőmérséklettel (273 K) – és a tükröződés határozza meg. Olvadás akkor jöhet létre, ha a beeső sugárzás legalábbis meghaladja az olvadáshőt, és így a helyi egyensúlyi hőmérséklet legalább 273 K. Az energiamérlegben nincsen egyensúly, mert a visszasugárzás a beeső sugárzásnál az olvadási hővel kisebb. A példából jól érzékelhető az extenzív és intenzív mennyiség szerepe.

A globális felmelegedésnél (hőmérséklet-változás) egy intenzív mennyiség (hőmérséklet) megváltozásáról beszélünk, ez a folyamatok legfontosabb jellemzője. Bár a globális hőmérséklet egyértelmű, mérésekkel alátámasztott meghatározása is hiányzik, a kutatásokban a végeredményt a CO₂ (vagy üvegházgázok) és a globális hőmérséklet közötti kapcsolattal szemléltetik. A CO₂ a légkörnek egyik komponense, súlyos hiba ennek és a globális hőmérséklet-változás értékének ilyen függvényes ábrázolása. A rendkívül bonyolult számítógépes modellek nem átláthatóak (Ban Ki Mun ENSZ-főtitkár is ezt kifogásolta), a görbék rendkívüli mértékben szórnak. A nagy szórás a rendszer bonyolultsága miatt érthető lenne, csak nem szabad ezek alapján olyan intézkedésekre javaslatot tenni, amelyek eredményei óriási erőfeszítések mellett is több mint megkérdőjelezhetőek.

A CO2 szerepének elméleti számításaihoz globális mértékű, mérésekkel is alátámaszthatóan használható adatok a következők:

• napsugárzás a légkör határán (napállandó),

• a légkör tömege és összetétele,

• a CO2 abszorpciós tényezője,

• a gázon áthaladó sugárzás gyengülésének egyenlete.

Az adatokból a légkör felső határára, a termikus egyensúly meghatározásához egy egyensúlyi hőmérsékletérték megfelelő közelítéssel számítható.

A gázösszetétel változása okozta sugárzásgyengülés fokozódása miatt szükséges földközeli hőmérséklet-növekedés globális hőmérséklet-változási adatként kezelhető.

A Föld termikus egyensúlyát a világűrből szemlélve a Föld mint test globális hőmérséklete az űrből nézve nem változhat (természetesen van a folyamatnak bizonyos dinamizmusa). A légköri rétegek hőmérséklet-eloszlásában létrejöhetnek változások. Ugyancsak változhat a vizes és szilárd felületek mértéke és minősége stb. Az összes elem eredőjeként (az extenzív és intenzív mennyiségekre vonatkozó szabályok szerint) alakul ki a Föld egyensúlyi állapota.

A CO₂ szerepét ebben a bonyolult rendszerben megfelelően, a helyén kell kezelni. A földi légkör összetételéből adódó 33–35 ºC üvegházhatáshoz annak 20%-ával járul hozzá (igen széles, 10–20%-os tartományról is írnak az irodalomban). A 20%-nak kb. 10%-kal való változása (kb. 2%) nem hozható szoros kapcsolatba a CO₂ 30–35%-os növekedésével.

A ~34 foknak néhány tizeddel való változása (az elmúlt 150 évben 0,74 ºC) nem igazolhatja azt, hogy az emberiség lényegesen bele tudna avatkozni a földi folyamatok globális alakulásába.

A közelmúltban két, a Nature-ben megjelent cikk foglalkozik a CO₂-nek a klímaváltozásban játszott szerepével. A cikkem anonim lektora által figyelmembe ajánlott, 2012 áprilisában megjelent Nature-cikk (La Riviere et al., 2012, 97.) szerint az Antarktiszról származó jégfuratok arra utalnak, hogy a pleisztocénben szoros volt a kapcsolat a CO₂ és az akkori klíma között, de a CO₂ szerepe és fontossága a klímaváltozásban mégsem világos, mert a deutérium adatokkal helyi és nem globális hőmérsékleteket lehet számítani. A 80 proxy adatait feldolgozva az látszik, hogy az Északi-féltekén, a jégtakaró legutolsó erőteljes csökkenési időszakán jelentkező CO₂-növekedés megelőzte a globális felmelegedést. A hőmérsékletváltozás és a CO₂-koncentrációváltozás menetében tapasztalható fáziseltolódást az óceáni cirkulációban történő változással magyarázzák. (Ez csak igazolatlan feltételezés)

A másik, a 2012 júniusában megjelent Nature-cikk (Shakun et al., 2012, 49.) „ellenpéldát” mutat be a klíma és a szén-dioxid szoros kapcsolatát valló, jelenlegi nézetekkel szemben, a késői miocén (12–5 millió évvel ezelőtt) időszakra. A szerzők (University of California, Santa Cruz) állításaikat mélytengeri üledékeken végzett mérésekkel igazolják. Méréseik szerint a késői miocénben több millió évig a hőmérséklet 5–8 oC fokkal magasabb volt a jelenleginél, míg a CO₂-koncentráció az ipari forradalom előtti szinten mozgott. Feltételezésük szerint ötmillió évvel ezelőtt a tengeráramlásokban lehetett valami változás, és a klíma kapcsolata a CO₂-vel érzékenyebbé vált. Természetesen ez is feltételezés, ahogy a korábban említett cikk is az volt, és nem fogadható el tudományos magyarázatnak.

Arrhenius óta a számtalan klímabefolyásoló tényező közül állandóan frontvonalba kerül a CO₂ szerepe. A cikk lektora is kifejti véleményét: „A földi változások sokfélék, ahogyan a szövegben szerepel. A kölcsönhatások összetettek is, ahogy azt az éghajlati modellek bonyolultsága is mutatja. Az egyes tényezők szerepét nem lehet a valóságnak megfelelően megmutatni: a számításokban minden más tényezőt változatlanul hagyva, csak a vizsgálni kívánt tényezőt változtatva kaphatunk ugyan számszerű eredményeket, de a valóságban olyan nincs, hogy csak egyetlen hatótényező változzon.”

Amióta az energetikát fő CO₂-kibocsátóként súlyosan felelősnek nyilvánítják a klímaváltozásban, és súlyos terheket rónak rá, azóta próbálom bizonyítani hatásának eltúlzott voltát (jelentősebb paraméterektől nagyvonalúan eltekintve) és a terhek indokolatlanságát. Mielőtt a többi paraméterre vonatkozó részletes sugárzási kényszer alkalmazását szememre vetnék, igaza van a lektornak: „Az egyes tényezők szerepét nem lehet a valóságnak megfelelően megmutatni: a számításokban minden más tényezőt változatlanul hagyva…”. Én is éppen ezt próbálom hangsúlyozni, mert napjaink realitása az, hogy elismerik a számos paraméter befolyását, végül a hőmérséklet-változásokat mégis a szén-dioxid függvényében tárgyalják (számos esetben, korrelációként). Ettől függetlenül, nem ritka a tudományos elemzéseknél, hogy a sokparaméterű függőségnél egyes paraméterek szerepét, a teljes jelenségből kiragadva a saját törvényei szerint elemzik, mint én is teszem. Én azonban nem a klímához szólok hozzá, nem vitatom a CO₂ fontos szerepét, csupán a fizika, kémia és biológia alapegyenleteiből az energetikát, hőtant, termodinamikát leírókat használva kísérelem meg a CO₂-t a szennyező anyagok közül kimenteni, az igaztalan vádak alól felmenteni. A szén-dioxid nem szennyezőanyag. Ezt tudományos érvek alapján és alapegyenleteket használva próbálom elérni, és nem a számos, átgondolatlan, kudarcot vallott, teljesíthetetlen elképzelés „eredményeivel” példálózva.
 

Kulcsszavak: Arrhenius, globális felmelegedés, szén-dioxid
 

IRODALOM

Arrhenius, Svante (1896): On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground. (The paper presented to the Royal Swedish Academy of Sciences, 11th December 1895) Philosophical Magazine. 41, 237.

Climate4you GlobalTemperatures • WEBCÍM > #UAH MSU, 2011

Fleming, James Rodger (1998): Historical Perspectives on Climate Change. Oxford University Press, New York • WEBCÍM >

Global Temperature From Satellites. Global Warming Science. • WEBCÍM >

La Riviere, Jonathan P. – Ravelo, A. Chr. – Crimmins, A. – Dekens, P. S. – Ford, H. L. – Lyle, M. – Wara, M. W. (2012): Late Mioccene Decoupling of Oceanic Warmth and Atmospheric Carbon Dioxide Forcing. Nature. 486, 97–100. doi:10.1038/nature11200

Shakun, Jeremy D. et al. (2012): Global Warming Preceded by Increasing Carbon Dioxide Concentrations during the Last Deglaciation. Nature 484, 49–54. doi:10.1038/nature10915 • WEBCÍM >

Wood, William (1634): New England’s Prospect. • WEBCÍM >

LÁBJEGYZET

1 „Így, ha a szén-dioxid mennyisége mértani jelleg szerint növekedik, a hőmérséklet-változás közel számtani jellegű növekedés lesz.” <