A Föld légkörében átlagosan csak minden tízezredik molekula víz, a víz mégis nagyon fontos szerepet játszik a légköri folyamatokban. A víz halmazállapot-változásai nyomán alakul ki a csapadék, és mivel légnemű halmazállapotban a vízmolekulák széles hullámhossztartományban nyelik el az infravörös sugárzást, jelentősen befolyásolják a Föld–légkör rendszer sugárzásegyenlegét. Az időjárást és az éghajlatot meghatározó folyamatok mellett a víz fontos szerepet játszik a légkörben lejátszódó kémiai folyamatok szabályozásában, a légköri szennyező anyagok kimosódásában. Az alábbiakban áttekintjük ezeket a folyamatokat: bemutatjuk, hogy a vízgőz és a felhők milyen hatással vannak a Nap, valamint a Föld és a légkör által kibocsátott sugárzás terjedésére; ismertetjük a gyakran szélsőséges időjárást eredményező csapadékképződést, és szó lesz a víznek a légköri szennyezőanyagok kimosódásában játszott szerepéről is.

Bevezetés

A vízgőz a gyorsan változó gázok közé tartozik, átlagos koncentrációja a légkörben kb. harmada–negyede a szén-dioxidénak. Azonban a csapadékképződési folyamatoknak köszönhetően közel négy nagyságrenddel gyorsabban cserélődik ki a légkör víztartalma, mint a széndioxid-tartalma. A gyors kicserélődés miatt a vízgőz nem tud egyenletesen elkeveredni a légkörben. Általában a felszín közelében a legnagyobb a vízgőz koncentrációja (átlagosan néhány gramm található 1 m³-nyi levegőben), és a magassággal gyorsan csökken az egységnyi térfogatban lévő vízgőz mennyisége (8 km magasan már csak néhány tized grammnyi vízgőzt tartalmaz 1 m³-nyi levegő). Megfigyelték, hogy esetenként 5–6 km-es magasság felett is viszonylag nagy mennyiségben található vízgőz (Chiou et al., 1997). Az átlagos értéket meghaladó vízgőz-koncentráció döntően a 10–12 km-es magasságig emelkedő zivatarfelhőknek köszönhető, amelyek jelentős mennyiségű vízgőzt emelnek fel a troposzféra felsőbb régióiba. Mivel a felemelkedő vízgőznek legfeljebb 10–15%-a hullik vissza a felszínre eső, hó vagy jégeső formájában, lokálisan megnőhet a vízgőz koncentrációja a troposzféra felső felében–harmadában. A csapadékképződés viszonylag alacsony hatásfoka ellenére egy-egy zivatarfelhőből nagy mennyiségű, 108–109 liternyi víz jut a felszínre. A kihulló csapadék gyakran jár együtt szélsőséges időjárással, például jégesővel, viharos erejű széllel. A csapadékképződéshez vezető fizikai folyamatok mellett a felhőkben kémiai folyamatok is lejátszódnak. A vízcseppek a légkörben található gázokat kémiai tulajdonságuktól függően abszorbeálják, összegyűjtik a szilárd halmazállapotú szennyező anyagokat, illetve bizonyos aeroszolrészecskék kondenzációs magvakként szolgálnak a felhőképződés során. A felhők tehát nemcsak a vízgőz, hanem a légkörben található szennyezőanyagok transzportjában is fontos szerepet játszanak.

A víz hatása a Föld–légkör rendszer
sugárzásegyenlegére

A légkörben található víz halmazállapotától függően befolyásolja a Nap által kibocsátott rövidhullámú (0,2–4,0 mm), és a Föld és a légkör által kibocsátott hosszúhullámú (4,0–80 mm) elektromágneses sugárzást. Míg a vízgőz jelentősebb mértékben a hosszúhullámú sugárzás, addig a jégrészecskék és a vízcseppek inkább a rövidhullámú sugárzás terjedését befolyásolják. Mivel a vízgőz a szén-dioxidhoz hasonlóan széles hullámhossztartományban nyeli el a hosszúhullámú sugárzást, az üvegházhatás szempontjából első közelítésben egyformán kezelhetőek. Van azonban egy fontos különbség a két gáz légköri eloszlását illetően, amely alapvetően befolyásolja az üvegházhatást. Míg a szén-dioxid közel egyenletesen keveredik el a troposzférában, addig a vízgőz esetében jelentős koncentrációcsökkenés figyelhető meg a felszíntől mért magasság növekedésével. Ez a különbség azért fontos, mert a Föld–légkör rendszerből elektromágneses sugárzás formájában távozó energia nagyságát az adott gáz hőmérséklete határozza meg. Mivel a vízgőz általában a felszín közelében fordul elő nagyobb koncentrációban, a hőmérséklete nem tér el lényegesen a felszín hőmérsékletétől (1a. ábra). Így amennyiben csak a felszín közelében magas a vízgőz koncentrációja – az esetek többségében ez a helyzet – a légkörből távozó energia nagyságát nem befolyásolja lényegesen a levegőben található vízgőz mennyisége. Az intenzív zivataroknak köszönhetően időnként jelentős mennyiségű vízgőz kerül a felső troposzférába és a sztratoszférába (Wang, 2003). Mivel a troposzféra teteje és a felszín közötti hőmérséklet-különbség akár 70–80 °C is lehet, a kisugárzott energia jelentősen csökken (1b. ábra).

1. ábra • A vízgőztartalom vertikális eloszlásának hatása a Föld–légkör rendszerből távozó hosszúhullámú sugárzásra. A – a troposzféra vízgőztartalma nagyrészt a felszínhez közeli egy-két kilométeres tartományban található; B – a vízgőz koncentrációja a troposzféra magasabb régióiban is jelentős. A fekete nyilak vastagsága a kisugárzott energiával arányos.

A Föld felszínének közel felére vetnek árnyékot a felhők. Az eltérő vastagságú és horizontális kiterjedésű felhők a Napból érkező sugárzásnak megközelítőleg 20%-át verik vissza a világűrbe. Mivel a felhőkben a vízgőztartalom is magas, ezért a hosszúhullámú sugárzás világűrbe való kijutását is gátolják. A 2. ábrán foglaltuk össze, hogy a különböző felhőtípusok hogyan befolyásolják a rövid- és a hosszúhullámú sugárzás terjedését. Az akár 10 km magasra is felemelkedő zivatarfelhőkben lévő vízcseppek és jégkristályok (2a. ábra) a Napból érkező sugárzás közel 100%-át visszaverik. A Föld felszíne által kibocsátott sugárzást a zivatarfelhőkben található vízgőz szinte teljes egészében elnyeli. Mivel a felhőalap hőmérséklete 50–60 °C-kal meghaladja a felhőtető hőmérsékletét, a felhő által kisugárzott energia döntően a felhőalapról irányul a felszín felé. A felszín közelében, valamint a 4–6 km magasan elhelyezkedő, ún. alacsony és középmagas szintű felhők vastagsága csak néhány száz méter (2b. ábra). Ezekről a felhőkről a kis vertikális kiterjedés miatt a Napból érkező sugárzásnak csak közel fele verődik vissza. A visszaverődés függ a felhőt alkotó vízcseppek koncentrációjától és méretétől. Az 500 m-nél kisebb felhővastagság miatt a felhőalap és a felhőtető hőmérséklete között csak néhány fokos különbség van, ezért a felfelé és a lefelé irányuló hosszúhullámú sugárzás közel megegyezik egymással. A 2c. ábra a magas szintű cirruszfelhők hatását mutatja. Ezek a felhők kizárólag jégkristályokból állnak. A Napból érkező sugárzást csak kismértékben képesek befolyásolni, ugyanis a felhőt alkotó jégkristályok közötti átlagos távolság kb. 10 cm. Mivel a vízcseppek jóval nagyobb koncentrációban vannak jelen a felhőkben, a vízcseppek közötti átlagos távolság kb. 1 mm (Geresdi, 2004). A magas szintű felhők alacsony hőmérsékletük miatt hosszúhullámon csak jóval kevesebb energiát bocsátanak ki, mint közép- és alacsony szintű felhők vagy a vertikálisan nagy kiterjedésű zivatarfelhők. A rövid- és a hosszúhullámú sugárzás terjedésére gyakorolt hatások eredője alapján megállapíthatjuk, hogy a felhőzet általában csökkenti a Föld-légkör rendszer hőmérsékletét. Ez alól kivételt a cirruszfelhők jelentenek, amelyek jelenléte inkább hőmérséklet-emelkedést eredményez. Műholdas és felszíni mérések alapján a felhők nettó hatását a sugárzásegyenlegre 10–20 W m^-2-re becsülik (Chen – Rossow, 2002). A bizonytalanság csökkentése azért nagyon fontos, mert annak nagysága megegyezik azzal a hatással, amely a CO₂-koncentráció megduplázódásával egyenértékű.

A víz szerepe a globális cirkulációban

A Föld légkörét átfogó globális cirkuláció mozgatója a trópusok és a pólusok közötti sugárzásmérleg-különbség. A trópusokon a napsugárzás rövidhullámú energia bevételének és a felmelegedett felszín hosszúhullámú kisugárzásával járó energiaveszteségének a mérlege pozitív. Ezzel szemben a pólusok körüli területeken a rövidhullámú besugárzás és a hosszúhullámú kisugárzás különbsége negatív. A két terület között kialakuló belsőenergia-különbség egy része kinetikus energiává alakul, és a kialakuló légmozgásokra rárakódik a föld forgásából származó eltérítő erő is. Végeredményben létrejön a mérsékelt öv időjárását meghatározó nyugati szelek öve, amelyen kisebb-nagyobb hullámok keletkeznek ciklonokkal és anticiklonokkal.

A globális cirkuláció folyamatában fontos szerepet kap a víz. A víz a fázisátalakulásokon keresztül egyfajta másodlagos energiahordozónak tekinthető, a melegebb területekről elpárolgó vízgőz ugyanis a hidegebb területekre sodródva és ott kicsapódva jelentős mennyiségű hőenergiát szabadít fel. A nyugati szelek övében kialakuló ciklonok erősségét alapvetően befolyásolja az, hogy bennük mennyi vízgőz képes kicsapódni, és ezzel együtt mennyi látens hő szabadul fel. A ciklonokban történő nedvességkicsapódás felhő- és csapadékképződéssel jár, vagyis a nagyobb

csapadékot adó ciklonok általában gyorsabban fejlődnek és mélyebbek lesznek (Ahmadi et al., 2004). A ciklonokba beáramló vízgőz sokszor nagy távolságból érkezik, nemegyszer a trópusi meleg tengerekből jut a légkörbe, és ún. nedves szállítószalagokba rendeződve áramlik fel a nyugati szelek övébe. Másrészt viszont a ciklonok áramlási rendszerében lezajló összeáramlások és feláramlások teremtik meg a vízgőz kicsapódásának feltételeit, vagyis a csapadékképződést.

A nedvesség hiánya a felhőzet csökkenésével jár, amely közvetlenül kihat a hőmérsékleti szélsőségek alakulására. A legnagyobb napmagasság idején, júniusban és júliusban Közép- és Dél-Európában úgy is ki tud alakulni rendkívül meleg időjárás, hogy nem áramlik be déli, meleg levegő, mindössze a felhőzet hiányában heteken keresztül zavartalanul sütő nap melegíti fel az alsó légkört. A másik oldalról, a nedvesség hiányában akár egy kora őszi hidegfrontot követő éjszakán a zavartalan hosszúhullámú kisugárzás miatt is fagypont alá süllyedhet a hőmérséklet. Nedvesség hiányában a nyári félévben a nyugati szelek öve is jobban visszahúzódik északra, és Európa délebbi területei fölé terjeszkedik ki a sivatagot jellemző leszálló légmozgások öve.

A vízgőznek még nagyobb szerepe van a helyi időjárás alakításában, amelynek látványos megnyilvánulásai a helyi zivatarok. A gomolyfelhőben a vízgőz intenzív kicsapódása látens hő felszabadulásával jár, ami belülről melegíti a felhőt. A környezeténél melegebb gomolyfelhőre ilyen módon felhajtóerő hat, amely így percek alatt a magasba törhet, feltéve, hogy rendelkezésére áll elegendő fűtőanyag, azaz vízgőz. A gomolyfelhőket fűtő vízgőz egy része a nedves talajból származik, és a napsugárzás hatására felmelegedett talajból párolog a légkörbe. Nedves időszakban, vízzel telített talajállapot mellett könnyebben alakulnak ki a nyár eleji helyi zivatarok, mint kiszáradt talajfelszín fölött, amikor csak a távolról idesodródott vízgőzre számíthatnak. Az energiaátalakulásban elhasználódott „segédanyag”, a kicsapódott víz és az abból hulló eső vagy éppen annak hiánya meghatározza a mezőgazdaságot, a környezetet, végső soron az egész életünket.

A földi cirkulációt tovább bonyolítja a légkört alulról határoló földfelszín, az óceánok, szárazföldek vagy a hegységek változatos eloszlásával. A tenger és szárazföld eltérő felszíne közvetlenül hat a cirkulációt meghatározó két fő elemre, az energia-háztartásra és a nedvességforgalomra. Egész Eurázsia éghajlata és időjárása gyökeresen más lenne, ha például a Földközi-tenger jóval délebbre terjedne ki, és a száraz Szahara helyett a trópusokig lenyúló meleg tenger lenne, hiszen a mérsékelt övi ciklonok jelentős nedvességforráshoz jutnának, és a napsugárzás energiája nem a levegő melegítésére, hanem párolgásra fordítódna.

Hasonlóan meghatározó szerep jut a hegyláncoknak. A Sziklás-hegység Alaszkától Mexikóig húzódó hegyláncai a nedvesség áramlása szempontjából szinte elvágják a nyugati áramlást. A hegyláncok által feláramlásra kényszerített légtömegek elveszítik a nedvességük jelentős részét. Az Egyesült Államok középső és keleti részén lehullott csapadéknak csak kis része származik a Csendes-óceánból, a vízgőz túlnyomó többsége a Mexikói-öböl, illetve az Atlanti-óceán trópusi vizéből kerül a légkörbe. Az Atlanti-óceán hatalmas területével meghatározó nedvességforrást jelent Eurázsia számára, azonban ez a nedvesség a hatalmas vízfelületnek csak viszonylag kis területeiről képes a légkörbe jutni. A víz párolgását ugyanis alapvetően befolyásolja annak hőmérséklete, illetve a párolgó vizet befogadó levegő állapota. A legjobban akkor párolog a tenger, ha felszíne melegebb a fölötte lévő levegőnél, és a légáramlások a magasba juttatják a kilépő vízgőzt. Ilyen a helyzet ősszel, az Atlanti-óceán Ráktérítő környéki vízfelületei fölött. A térségben kialakuló hurrikánok éppen ezt a lehetőséget használják fel, és a meleg tengervízből veszik energiájuk túlnyomó többségét. Egyéb helyzetekben viszont a meleg levegőhöz képest hideg tengervíz fölött kialakul egy vékony, hideg légréteg, amely ugyan gyorsan telítődik vízgőzzel, de az így létrejövő hőmérsékleti inverzió miatt ez nem jut ki a szabad légkörbe. Amikor tehát nyáron a szaharai leszálló légáramlás kinyúlik az óceán fölé, akkor a légkör onnan nem sok nedvességbevételre számíthat. A nyugati szelek övében a ciklonok keltette csapadékképződési folyamatok erősen elhasználják az övben lévő vízgőzt. Az itteni hűvösebb tengerfelszínről kevesebb nedvesség jut a légkörbe, az is elsősorban kisebb térségekből, például a Golf-áramlás által érintett területekről. Az említettek alapján az észak-atlanti térségben a vízmérleg negatív (Czelnai, 1999). A szükséges vízgőzpótlás a távolabbi trópusokról a nyugati szelek övébe jutó nedvességáramok közreműködésével érkezik.

A globális cirkuláció tehát alapvetően befolyásolja a vízgőz és a víz körforgalmát. A kontinenseket sújtó szárazságok, illetve az árvizeket okozó esőzések feltételei legtöbbször nem a helyi hatásokon, hanem a földi cirkuláció körülményein múlnak.

Légköri nyomanyagok nedves ülepedése

A légkörben különböző halmazállapotokban található víz a fizikai folyamatok mellett a légkör kémiai összetételét is szabályozza, és hatással van a felszíni ökoszisztémák állapotára. A nedves ülepedés a csapadékvízben a felszín vízszintes felületegységére időegység alatt érkező anyag mennyiségét jelenti. A légköri aeroszolrészecskék egy része kondenzációs magvakként már a felhő keletkezésének pillanatában a felhővízbe jut. A felhőképződés során a felhős levegőben maradt kisebb részecskék Brown-féle mozgásuk miatt ütközhetnek a már kialakult felhőcseppekbe. A felhővíz elnyeli a különböző nyomgázokat, amelyek a folyadékfázisban lépnek kémiai reakcióba. Levegőkémiai szempontból lényeges folyamat a vízben ionokat képző nyomgázok oldódása. Ide tartozik többek között a szén-dioxid is: a levegőben kémiai reakciókban ugyan nem vesz részt, vízben viszont jól oldódik. Ennek eredményeként a légköri felhő, köd és csapadék egyensúlyi pH-értéke nem 7, hanem hőmérsékletfüggően 5,6–5,7 körül van, tehát savas irányba eltolódik.

A felhő párolgása során a korábban elnyelt anyagok visszakerülnek a levegőbe. Ha viszont csapadék képződik, akkor a vízben lévő anyagok a nagy esési sebességű csapadékelemekkel elhagyják a felhőt. A csapadékelemek függőleges mozgásuk során a felhő alatt további gázokat abszorbeálnak, illetve az esési sebesség különbsége miatt ütközhetnek is a nagyobb méretű aeroszolrészecskékkel.

A fentiekben leírtak miatt a csapadékhullásnak jelentős légköri tisztító hatása van. A felszínre hulló csapadékvíz különböző anyagokat juttat az egyes környezeti szférákba. A légszennyeződés tehát a nedves ülepedésen keresztül kihat a talajra, a vízre, a jégtakaróra és természetesen a bioszférára is. A csapadékvíz a különböző ökoszisztémáknak könnyen felvehető oldott tápanyagokat szolgáltat. Ha azonban a légkör szennyezettsége meghalad egy bizonyos szintet, a csapadékvízzel kiülepedő anyagok a bioszférában akár visszafordíthatatlan károkat is okozhatnak (például savas esők, toxikus nehézfémek vagy nehezen lebomló szerves vegyületek ülepedése). A csapadékvíz kémiai összetételének meghatározása, időbeli változásainak folyamatos nyomon követése ezért a levegőkörnyezeti megfigyelő hálózatok programjának fontos részét jelenti. Ha ismerjük egy adott anyag koncentrációját (Ci) a csapadékvízben, akkor ezt a mintavételi idő alatt területegységre lehullott csapadékmennyiséggel összeszorozva a nedves ülepedéshez (Dw) jutunk. Az 1. táblázat az egyik hazai regionális háttérszennyezettség-mérő állomáson gyűjtött csapadékminták kémiai összetételét, illetve a nedves ülepedés mértékét mutatja.

Légszennyezés határok nélkül

Az emberiség a múlt század 60-as éveinek vége felé szembesült azzal a ténnyel, hogy bizonyos légszennyező anyagok nemcsak forrásaik közelében, hanem jelentős távolságban, a kibocsátó ország határain túl is káros környezeti hatást fejthetnek ki. Olyan területek ökoszisztémái is károsodhatnak a légköri szennyezőanyag ülepedése eredményeként, amelyek távol esnek a közvetlen ipari, energetikai, közlekedési, mezőgazdasági vagy egyéb kibocsátó forrásoktól. A szennyezés hatástávolságát az adott nyomanyag légköri tartózkodási ideje határozza meg. A kén- és nitrogénvegyületek esetében ez átlagosan néhány nap hosszúságú, ami azt jelenti, hogy ezek az anyagok a felszíni kibocsátó forrásaiktól több száz kilométeres távolságra is eljuthatnak, mielőtt kihullanak a légkörből. Ebben a felhő- és csapadékképződési folyamatok mellett természetesen a légköri konvekciónak és advekciónak is meghatározó szerepe van.
 

Kulcsszavak: felhőképződés, sugárzásegyenleg, globális cirkuláció, ciklonok, nedves ülepedés
 

IRODALOM

Ahmadi-Givi, Farhang  – Craig, C. – Plant R.  S. (2004): The Dynamics of a Mid-latitude Cyclone with Very Strong Latent Heat Release. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 130, 295–323. DOI: 10.1256/qj.02.226

Chen, Ting – Rossow, William B. (2002): Determination of Top-of-atmosphere Longwave Radiative Fluxes. A Comparison between Two Approaches Using ScaRaB Data. Journal of Geophysical Research. 107, D8, DOI:10.1029/2001JD000914 • WEBCÍM

Czelnai Rudolf (1999): Világóceán. Vince, Budapest

Chiou, Er-Woon – McCormick, M. P. – Chu, W. P. (1997): Global Water Vapor Distributions in the Stratosphere and Upper Troposphere Derived from 5.5 Years of SAGE II Observations (1986–1991). Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 102, D15, 19105–19118. DOI: 10.1029/97JD01371

Geresdi István (2004): Felhőfizika. Dialóg Campus, Budapest

Wang, Pao K. (2003): Moisture Plumes above Thunderstorm Anvils and Their Contributions to Cross-tropopause Transport of Water Vapor in Midlatitudes. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 108, D6, DOI: 10.1029/2002JD002581