A koromrészecskék éghajlati hatásai
Mivel a koromrészecskék mérete azonos a Napból érkező sugárzás
maximális intenzitású hullámhosszával (500 nm=0,5 µm), ez a fénnyel
való kölcsönhatásukat, az elnyelést különösen nagy hatékonyságúvá
teszi. Az is gyakran előfordul, hogy a koromrészecskék felületét a
légkörben kondenzálódó anyag (például ammónium-szulfát vagy víz)
vonja be, megváltoztatva méretüket és tulajdonságaikat (1./c) ábra).
A koromrészecskék fényelnyelő képessége például bevonat hatására
akár 30–100%-kal is megnőhet.
Tömegegységre vetítve a korom energiaelnyelő
képessége közel egymilliószor nagyobb, mint a szén-dioxidé. Azaz a
légkört melegítő hatás szempontjából adott pillanatban – legalábbis
nappal – 1 gramm korom 1 tonna szén-dioxiddal egyenértékű. A
legfontosabb különbség, hogy míg a koromrészecskék közvetlenül a
Napból érkező (rövidhullámú) sugárzást nyelik el annak teljes
spektrumában, addig a szén-dioxid (és a többi üvegházhatású gáz) a
felszín által kibocsátott infravörös sugárzást kizárólag bizonyos
tartományokban (az ún. elnyelési sávokban), egymással versengve. A
felhőzet vagy hó- és jégfelszín fölé került korom különösen
hatékony, mert nemcsak a Napból érkező, hanem a felszínről vagy a
felhőkről visszavert sugárzást is elnyeli (ami egyébként a világűrbe
jutna vissza). Ez a többletenergia hővé alakul és a légkör
melegítésére fordítódik.
Az éghajlati kényszer fogalma azt fejezi ki, hogyan
módosítja egy adott légköri alkotó az ipari forradalom előtti
időszakhoz képest megnövekedett mennyisége a be- és kilépő sugárzás
energiamérlegét. Az éghajlati kényszert előjelesen, egységnyi
területű légoszlopra szokás megadni, teljesítményegységben (W m−2).
Más szavakkal ez azt fejezi ki, hogy mennyivel növekedett meg az
adott alkotó többlet koncentrációjának köszönhetően az alsó
légkörben tárolt hőenergia mennyisége (azaz lényegében a
hőmérséklettel arányos mennyiség).
Annak ellenére, hogy a korom döntően regionális
levegőszennyező, a közvetlen napsugárzás elnyelésére számított
globális éghajlati kényszerének becsült legvalószínűbb értéke +0,9 W
m−2 (bizonytalansági tartomány +0,4…+1,2 W m−2,
Ramanathan – Carmichael, 2008). Ez azzal egyenértékű, mintha az
emberiség jelenlegi teljes energiatermelő kapacitásának
harmincszorosával fűtené a légkört! Más mértékkel, minden egyes
gramm (!) koromrészecske rövid tartózkodási ideje alatt a légkörben
1,15 ± 0,53 GJ hőenergiát „termel” (ez kb. egy átlagos magyar
háztartás egyheti (!) energiaszükségletének felel meg). Kár, hogy ez
a jelenség a Földön az üvegházhatású gázok növekvő koncentrációja
mellett módfelett nem kívánatos! Tekintettel arra, hogy napjainkban
a légkörben jelen lévő korom szinte teljes mennyisége a globális
emberi tevékenység „mellékterméke”, és ez a korom a légkör többi
alkotójától eltérően a Napból érkező sugárzást közvetlenül elnyeli,
kevés terük marad azoknak az ellenérveknek, amelyek ezért a hatalmas
energiatöbbletért természeti folyamatokat próbálnának felelőssé
tenni.
Még aggasztóbb a helyzet, ha figyelembe vesszük,
hogy a korom éghajlati hatása az üvegházhatású gázokkal szemben nem
egyenletesen jelentkezik a Föld felszínén: legnagyobb mértékben
erősen szennyezett hatalmas régiókban (például Ázsiában), illetve a
legérzékenyebb, hóval és jéggel borított területeken (például az
Arktiszon) érvényesül. A globális átlag ezen regionális extrém
hatásokat elfedi. Nagymértékű és hosszantartó levegőszennyezés
esetén a koromrészecskék légköri sugárzáselnyelése számottevően
csökkenti a felszínre jutó napsugárzás intenzitását. Ez az egyébként
az 1960-as és 80-as évek között globálisan is kimutatható jelenség a
„globális elhomályosodás” (global dimming) néven vált ismertté.
Napjainkban ez jelenség Délkelet- és Dél-Ázsiában jelentkezik a
legsúlyosabb formában, és az ezt előidéző levegőszennyezés a
szakmában új elnevezést is kapott (Atmospheric Brown Clouds – ABC,
magyar fordítása talán a szuperszmog lehetne). Ez a fogalom
kontinentális léptékű és hosszantartó, súlyos szmoghelyzetet takar,
amelyben a koromrészecskék szerepe kiemelkedő (a nagyvárosi szmogban
mért arány három–négyszerese). A felszínt elérő napsugárzás
intenzitása ilyenkor kontinensnyi kiterjedésű területeken átlagosan
5–10%-kal is csökken (Ramanathan et al., 2007). A felszín hűlése és
az alsó légkör jelentős melegedése miatt a felszínközeli levegő
függőleges irányú átkeveredése gyengül, ami a szuperszmog-helyzetet
egyidejűleg súlyosbítja és tartósítja.
A koromrészecskék légköri sugárzáselnyelése nemcsak
légkörben maradó energia mennyiségét befolyásolja, hanem közvetve a
felhőképződésre is hatással van – szemben például az üvegházhatású
gázokkal. Szennyezett régiókban a korom által elnyelt többletenergia
növeli az alsó légkör stabilitását, csökkenti a feláramlás mértékét
és a relatív páratartalmat, ezáltal gátolja a felhők kialakulását
(Ackerman et al., 2000). A felhőkbe keveredő korommal szennyezett
levegő a felhők elpárolgását okozhatja (ún. „felhőpörkölés”, cloud
burn-off). Emellett a szilárd koromrészecskékről kimutatták, hogy
alakjuknál fogva kiváló jégképző magvak, azaz bizonyos
felhőtípusoknál elősegíthetik a csapadékképződést. Globális
léptékben a korom felhőkre gyakorolt hatásai révén a sugárzási
mérleg eredő változása nagy valószínűséggel pozitív (tartomány
−0,25…+0,50 W m−2).
A koromrészecskék egyedülállóak a levegő összetevői
között azon képességük miatt, hogy a légkörből kiülepedve is képesek
befolyásolni a légkör energiamérlegét! A hó- vagy jégfelszínre
ülepedő korom miatt ugyanis a felszín kevésbé veri vissza a
napsugárzást, ezáltal több energiát nyel el, és közvetlenül
melegszik (Hansen – Nazarenko, 2004). Hétköznapi megfigyelés, hogy
városokban a piszkos hó jóval gyorsabban olvad, mint a friss és
tiszta hó. Ez a hatás leginkább tavasszal érvényesül, amikor még van
hótakaró, és jelentős intenzitásúvá válik a napsugárzás. Sajnos
éppen ebben az időszakban alakul ki az Arktisz fölött rendszeresen
hosszantartó és a városi levegőszennyezés mértékét közelítő hatalmas
kiterjedésű szmog (az ún. Artic haze), ami akadályozza a felszín
hőleadását, ezáltal meggyorsítja az olvadást. Ez a hatás tehát
pozitív, bár globális átlagban első pillantásra nem tűnik
számottevőnek (+0,05…+0,16 W m−2). A globális átlag itt
különösen félrevezető, mert ez a Föld felszínéhez képest viszonylag
kis területen érvényesül. Az Arktiszon és a Tibeti-fennsíkon a
hófelszín napsugárzás-visszaverő képességének (ún. albedójának)
csökkenéséből eredő lokális éves átlag +1,5 W m−2, de
tavasszal néhány helyen akár +20 W m−2 (!) is lehet
(Flanner et al., 2007). Mivel ez az érték a felszín által
ténylegesen elnyelt sugárzási teljesítményre vonatkozik, ennek
közvetlen következménye a felszíni átlaghőmérséklet +0,6 °C-os
növekedése. Ezen adatok fényében már korántsem meglepő, hogy
koromrészecskékkel erősebben szennyezett területeken a hó gyorsabban
olvad (évente plusz 2–50 cm vastagságú hóréteg olvad el csak a korom
miatt), illetve a hóborítottság időszakának hossza akár 18–35 nappal
is lerövidülhet. Egyedül a koromszennyezés miatt az Arktisz átlagos
felszíni hőmérséklete 1890 óta +0,5…+1,4 °C-ot emelkedett (Shindell
– Faluvegi, 2009). Mivel pedig a jég olvadásával a múltban
kiülepedett koromrészecskék a fennmaradó jégfelszínen feldúsulnak, a
XX. század folyamán kibocsátott és felszínre került korom újból
hatást fejt ki a felszín által elnyelt sugárzási energia
mennyiségére.
Koromrészecskék kontra üvegházhatású gázok
Az üvegházhatású gázokkal való összehasonlításban a koromnak
egyetlen „hátránya” van, mégpedig az, hogy gyorsan kikerül a
légkörből. Jellemző légköri tartózkodási ideje egy-két hét, szemben
az üvegházhatású gázok több évtizedes, sőt évszázados tartózkodási
idejével. A koromrészecskék rendkívüli sugárzáselnyelő képességét
azonban még a rövid tartózkodási idő sem képes ellensúlyozni. A
korom a szén-dioxidra vonatkoztatott fajlagos melegítő potenciálja
(az ún. Global Warming Potential – GWP) még húszéves időskálán is
4470, sőt száz évre vetítve is legalább 330 (Jacobson, 2002). Ez
másképp azt jelenti, hogy 1 kg koromrészecske egy-két hét alatt is
4470-szer, illetve 330-szor több sugárzási energiát képes a
légkörben hővé alakítani, mint amennyit 1 kg légkörbe került
szén-dioxid összesen húsz, illetve száz esztendő alatt. Ennek
fényében nem meglepő, hogy a legújabb – a koromrészecskék a
sugárzásra, a felhőzetre és a jégfelszínre gyakorolt hatását is
figyelembe vevő, műholdas megfigyelési adatokkal alátámasztott –
modellszámítások eredményei alapján a korom a globális légköri
energiaelnyelés szempontjából a szén-dioxid után a második helyre
lépett elő, megelőzve a metánt, a dinitrogén-oxidot, az ózont és a
többi üvegházhatású gázt (EPA, 2012). Meg kell jegyezni, hogy ezek a
legújabb kutatási eredmények még nem kerültek be a tudományos
kánonba: az éghajlatváltozással foglalkozó kormányközi testület
(IPCC) 2013. évi jelentésében a korom éghajlati kényszer
legvalószínűbb értékeként még „csak” a politikailag korrekt +0,6 W m−2
szerepel. Nem szabad azt sem elfelejteni, hogy a korom által elnyelt
energiamennyiség közvetlenül a napsugárzásból, míg az üvegházhatású
gázok által elnyelt sugárzási energia a felszínről kibocsátott
hosszúhullámú sugárzásból származik.
Összefoglalás
A korom – eltérően az üvegházhatású gázoktól – súlyos
egészségkárosító hatással is rendelkező elsődleges levegőszennyező
anyag. Kizárólag égés során keletkezik, így szinte teljes légköri
mennyisége emberi eredetű. A levegő egyetlen olyan összetevője,
amely rendkívüli hatékonysággal képes elnyelni a napsugárzást. Az
északi félgömb hóval borított területei fölött elnyelése különösen
hatékony, nagymértékben hozzájárul a hó és jég olvadásához, az
Északi-sarkvidék átlaghőmérsékletének gyors emelkedéséhez.
Regionális elterjedése ellenére a Föld-légkör rendszer globális
energiamérlegének megváltoztatásában napjainkra a szén-dioxid mögött
a második legfontosabb tényezővé lépett elő. Kibocsátásának
csökkentése tehát egyszerre jelenthetné egészségkárosító és légkört
melegítő hatásainak azonnali mérséklését. A globális kibocsátás
trendjéből ítélve e cél megvalósításától még messze vagyunk,
késlekedésünk következményei viszont egyelőre beláthatatlanok.
A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti
Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi
támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése
konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A
projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap
társfinanszírozásával valósul meg.
Kulcsszavak: koromrészecskék, levegőszennyezés, biomassza-égetés,
egészségkárosító hatás, napsugárzás elnyelése, melegítő hatás,
éghajlat-módosítás
IRODALOM
Ackerman, Andrew S. – Toon, O. B. –
Stevens, D. E. et al. (2000): Reduction of Tropical Cloudiness by
Soot. Science. 288, 1042–1047. DOI:10.1126/science.288.5468.1042 •
WEBCÍM
Andreae, Meinrat O. – Gelencsér András
(2006): Black Carbon or Brown Carbon? The Nature of Light-Absorbing
Carbonaceous Aerosols. Atmospheric Chemistry and Physics. 6,
3131–3148. DOI:10.5194/acp-6-3131-2006 •
WEBCÍM
Anenberg, Susan Caspar – Talgo, K. –
Arunachalam, S. et al. (2011): Impacts of Global, Regional, and
Sectoral Black Carbon Emission Reductions on Surface Air Quality and
Human Mortality. Atmospheric Chemistry and Physics. 11, 7253–7267.
DOI:10.5194/acp-11-7253-2011 •
WEBCÍM
Bond, Tami C. – Bhardwaj, E. – Dong, R. et
al. (2007): Historical Emissions of Black and Organic Carbon Aerosol
from Energy-related Combustion. Global Biogeochemical Cycles. 21,
Gb2018, 1850–2000. DOI: 10.1029/2006GB002840, 2007 •
WEBCÍM
Bond, Tami C. – Doherty, S. J. – Fahey, D.
W. et al. (2013): Bounding the Role of Black Carbon in the Climate
System: A Scientific Assessment. Journal of Geophysical Research.
118, 11, 5380–5552. DOI: 10.1002/jgrd.50171, 2013 •
WEBCÍM
Epa (2012): Report to Congress on Black
Carbon. Epa 450/R-12-001 •
WEBCÍM
Flanner, Mark G. – Zender, C. S. –
Randerson, J. T. et al. (2007): Present-day Climate Forcing and
Response from Black Carbon in Snow. Journal of Geophysical Research,
112, D11, DOI: 10.1029/ 2006jd008003 •
WEBCÍM
Gelencsér András (2004): Carbonaceous
Aerosol. Springer, Dordrecht •
WEBCÍM
Hansen, James – Nazarenko, Larissa (2004):
Soot Climate Forcing via Snow and Ice Albedos. Proceedings of the
National Academy of Sciences of the USA. 101, 423–428. DOI:
10.1073/pnas.2237157100 •
WEBCÍM
Jacobson, Mark Z. (2002): Control of
Fossil-Fuel Particulate Black Carbon and Organic Matter, Possibly
the Most Effective Method of Slowing Global Warming. Journal of
Geophysical Research. 107, 4410, DOI: 10.1029/2001JD001376 •
WEBCÍM
Lamarque, Jean-François – Bond, T. C. –
Eyring, V. et al. (2010): Historical (1850–2000) Gridded
Anthropogenic and Biomass Burning Emissions of Reactive Gases and
Aerosols: Methodology and Application. Atmospheric Chemistry and
Physics. 10, 7017–7039. DOI:10.5194/acp-10-7017-2010 •
WEBCÍM
Ramanathan, Veerabhadran – Carmichael,
Gregory (2008): Global and Regional Climate Changes Due to Black
Carbon. Nature Geoscience. 1, 221–227. DOI:10.1038/ngeo156 •
WEBCÍM
Ramanathan, Veerabhadran – Li, F. –
Ramana, M. V. et al. (2007): Atmospheric Brown Clouds: Hemispherical
and Regional Variations in Long-range Transport, Absorption, and
Radiative Forcing. Journal of Geophysical Research. 112, D22821,
DOI: 10.1029/2006jd008124 •
WEBCÍM
Shindell, Drew – Faluvegi, Greg (2009):
Climate Response to Regional Radiative Forcing during the Twentieth
Century. Nature Geoscience. 2, 4, 294–300, DOI: 10. 1038/Ngeo473
Smith, Kirk R. – Mehta, S. –
Maeusezahl-Feuz, M. (2004): Indoor Air Pollution from Household Use
of Solid Fuels. In: Ezzati, Majid – Lopez, A. D. – Rodgers, A. –
Murray, C. J. L. (eds.): Comparative Quantification of Health Risks:
Global and Regional Burden of Disease Due to Selected Major Risk
Factors. Vol 2. World Health Organization, Geneva, Switzerland,
1435–1493. •
WEBCÍM
|