ÜH, sivatag

Röviden: a „gyenge üvegházhatás” ebben az ábrában legfeljebb a Vénuszhoz viszonyítva érthető. A Föld éghajlata szempontjából az üvegházhatás egyáltalán nem gyenge vagy jelentéktelen. A mondat önmagában félrevezető, a „jórésze ezen át távozik” megfogalmazás pedig túlzó.

Az anyag egyébként nem friss ELTE-s éghajlati állásfoglalás, hanem a 2002-es Bolygólégkörök atlasza egyik leegyszerűsített oktatási mintaoldala. Az eredeti ELTE PDF

Mit jelent a 8–13 μm-es légköri ablak?

A körülbelül 15 °C-os földfelszín legerősebben nagyjából 10 μm környékén sugároz. A légkör azonban nem minden infravörös hullámhosszt nyel el egyformán:

• bizonyos tartományokban a vízgőz, a CO₂, a metán és az ózon erősen elnyel;

• körülbelül 8–13/14 μm között a légkör viszonylag átlátszó;

• ezért tiszta, száraz időben a felszín hősugárzásának egy része közvetlenül kijuthat a világűrbe.

Ez az „ablak” tehát valóban csökkenti a földi üvegházhatás lehetséges erősségét. De nem jelenti azt, hogy a hősugárzás többsége akadálytalanul távozna.

Az ablak ráadásul nem teljesen nyitott:

• az ózon körülbelül 9,6 μm-nél elnyel;

• a vízgőz részben az ablakon belül is elnyel;

• a CO₂ a hosszabb hullámhosszú szélét részben lezárja;

• a felhők az infravörös sugárzással szemben többnyire erősen elnyelőek.

Mi a baj a „kisugárzás jórésze ezen át távozik” mondattal?

Kétféleképpen lehet érteni.

Helyes értelmezés:

A felszínről közvetlenül a világűrbe jutó sugárzás nagy része ezen az ablakon keresztül távozik.

Ez rendben van.

Félrevezető értelmezés:

A földfelszín teljes hősugárzásának nagy része közvetlenül kijut a világűrbe.

Ez már nem igaz. Még az ábrán szereplő ideális, 300 K-es fekete-test sugárzásának is csak körülbelül 32%-a esik a 8–13 μm-es tartományba. A valódi légkör, különösen a vízgőz és a felhők miatt ennek is csak egy része jut ki közvetlenül.

A NASA energiaköltségvetési becslésében a felszín felfelé irányuló teljes infravörös sugárzása körülbelül 398 W/m² nagyságrendű, miközben csak körülbelül 40 W/m² jut közvetlenül a felszínről az űrbe – vagyis nagyságrendileg a tizede. A többit a légkör és a felhők elnyelik, majd magasabbról újra kisugározzák. NASA: Climate and Earth’s Energy Budget

Akkor mennyire erős a földi üvegházhatás?

A szokásos egyszerű összehasonlítás:

• a Föld effektív sugárzási hőmérséklete: körülbelül –18 °C;

• a tényleges globális felszíni átlag: körülbelül +15 °C;

• különbség: hozzávetőleg 33 °C.

Vagyis a természetes üvegházhatás körülbelül 33 fokkal tartja melegebben a felszínt. Ez nélkülözhetetlen a mai földi életfeltételekhez, tehát hétköznapi értelemben nehezen nevezhető „gyengének”. NASA: What is the greenhouse effect?

A „gyenge” valószínűleg a Vénuszhoz képest értendő. A Vénuszon a rendkívül sűrű, túlnyomórészt CO₂-ból álló légkör csaknem teljesen megakadályozza, hogy a felszín hősugárzása közvetlenül távozzon; az átlagos felszíni hőmérséklet körülbelül 467 °C. Ehhez képest a földi üvegházhatás valóban mérsékelt. NASA: Venus facts

Pontosabban tehát így kellett volna fogalmazniuk:

„A 8–13 μm-es részleges légköri ablakon keresztül a felszíni hősugárzás számottevő része közvetlenül távozhat. Ezért a Föld üvegházhatása a Vénuszéhoz képest jóval mérsékeltebb, de a felszíni hőmérsékletet így is körülbelül 33 °C-kal emeli.”

Ez fejezné ki helyesen azt, amit az ábra valószínűleg mondani akart.

Sugárzási hozzájárulásként közelítőleg szét lehet választani, de valódi hőmérsékleti hatásként nem lehet egyértelműen kijelenteni, hogy „ebből pontosan ennyi °C a CO₂ és ennyi a vízgőz”.

Ennek oka, hogy az elnyelési sávok átfedik egymást, továbbá a vízgőz és a felhők mennyisége maga is függ a hőmérséklettől.

A 33 °C durva „könyvelési” felosztása

A NASA GISS globális sugárzásátviteli számítása a jelenlegi természetes üvegházhatás hosszúhullámú részét körülbelül így osztotta fel:

Forrás: Schmidt et al. 2010 – Attribution of the present-day total greenhouse effect

Ez azonban csak egy szemléltető átszámítás. Nem jelenti azt, hogy ha eltávolítanánk a CO₂-t, akkor a Föld pontosan 6,5 °C-kal hűlne le.

Miért nem lehet egyszerűen összeadni?

A vízgőz és a CO₂ részben ugyanazokon a hullámhosszokon nyel el. Olyan ez, mintha két, egymást részben átfedő takaró lenne rajtunk.

A NASA-modellben:

Például a CO₂:

• önmagában a teljes elnyelés körülbelül 25%-át biztosítaná;

• a jelenlegi légkörből kivéve csak körülbelül 14% tűnik el azonnal;

• mert az általa elnyelt hullámhosszak egy részén a vízgőz vagy a felhők továbbra is elnyelnek;

• az átfedések arányos felosztásával kapják a körülbelül 19–20%-os értéket.

Ezért nincs egyetlen, természettől kapott „helyes százalék”: az eredmény függ attól, hogyan osztjuk fel az átfedéseket.

A közvetlen hatás és a teljes éghajlati hatás nem ugyanaz

Ez a legfontosabb különbség.

Vízgőz: nagy üvegházhatás, de főként visszacsatolás

A vízgőz jelenleg a legerősebb infravörös elnyelő. De mennyisége gyorsan alkalmazkodik a hőmérséklethez:

• melegebb levegő → több vízgőz maradhat a légkörben;

• több vízgőz → erősebb üvegházhatás;

• hidegebb levegő → a vízgőz kicsapódik és kihullik;

• kevesebb vízgőz → további lehűlés.

A vízgőz tehát többnyire felerősíti a más okból megindult változást. Nem tud tartósan tetszőleges mennyiségben felhalmozódni, mert néhány nap alatt kicsapódhat.

CO₂: kisebb közvetlen részesedés, de tartós szabályozó

A CO₂ nem csapódik ki esőként a jelenlegi földi hőmérsékleteken. Emiatt tartós külső kényszerként képes megváltoztatni a hőmérsékletet, amelyre aztán a vízgőz, a jég és a felhők reagálnak.

A folyamat például:

flowchart TD
    A["Több CO₂"] --> B["Kevesebb hő távozik"]
    B --> C["Melegedés"]
    C --> D["Több vízgőz"]
    D --> E["További melegedés"]

Ezért a „vízgőz 50%, CO₂ csak 20%” állításból nem következik, hogy a CO₂ jelentéktelen. A NASA GISS megfogalmazása szerint a CO₂ és a többi nem kicsapódó üvegházgáz biztosítja azt a hőmérsékleti alapállapotot, amelyben a nagy mennyiségű vízgőz egyáltalán a légkörben maradhat. Lacis et al. 2010 – Atmospheric CO₂: Principal Control Knob

Mi történne a CO₂ eltávolításakor?

Két különböző választ kaphatunk.

Azonnali, minden mást rögzítő számításban:
A jelenlegi CO₂ teljes eltávolítása körülbelül −28 W/m² sugárzási kényszert adna. Régebbi, visszacsatolás nélküli modellkísérletek ezt körülbelül 7 °C közvetlen lehűlésre becsülték.

Hosszabb távon:
A lehűlés miatt csökkenne a vízgőz, nőne a hó- és jégtakaró, megváltoznának a felhők. Emiatt a teljes lehűlés sokkal nagyobb lenne.

Amikor a modellből az összes nem kicsapódó üvegházgázt – CO₂, CH₄, N₂O, ózon stb. – eltávolították, körülbelül 35 °C-os lehűlés és nagyrészt jéggel borított Föld alakult ki. Ez több, mint a rájuk kiosztott körülbelül 8 °C, mert velük együtt a vízgőz üvegházhatásának jelentős része is összeomlott.

A legpontosabb rövid válasz

• Spektrális jelenlegi részesedés: vízgőz kb. 50%, felhők 25%, CO₂ 20%, egyebek 5–7%.

• Szemléltető 33 °C-os felosztás: vízgőz kb. 16,5 °C, felhők 8 °C, CO₂ 6–7 °C, egyebek 2 °C.

• Tényleges eltávolítási hőmérséklet: nem ezeket az értékeket adná, mert az összetevők átfedik és befolyásolják egymást.

• A vízgőz a legnagyobb közvetlen üvegházi komponens, a CO₂ pedig a fontos tartós szabályozó és kezdeti kényszer.

A „CO₂ körülbelül 6,5 °C-ért felelős” tehát használható szemléltetés, de csak azzal a vastag megjegyzéssel, hogy ez nem egy tényleges eltávolítási kísérlet eredménye, hanem a jelenlegi sugárzási hatás arányos könyvelése.

Nem lehet azt mondani, hogy „a sivatagban CO₂-vel éjjel +5 °C, nélküle pedig −10 °C”, mert az éjszakai minimum függ a nappali felmelegedéstől, talajtól, széltől, párától, felhőktől, tengerszint feletti magasságtól és az éjszaka hosszától. De egy mesterséges összehasonlítással megbecsülhető a különbség.

Majdnem teljesen száraz, felhőtlen légkörben

Egy MODTRAN sugárzásátviteli számításban, amikor a vízgőzt teljesen eltávolították, a légkör még körülbelül 60 W/m² lefelé irányuló infravörös sugárzást bocsátott a felszínre. Ennek túlnyomó része a CO₂ 15 μm körüli sávjából származott; kisebb része az ózontól és a metántól. MODTRAN-számítás, Vanderbilt University

CO₂ nélkül valószínűleg csak körülbelül 5–15 W/m² maradna, tehát a felszín nagyjából további:

40–55  W/m²

energiát veszítene.

A legújabb sugárzásátviteli számítások is azt mutatják, hogy a CO₂ felszínre irányuló hatása éppen a száraz és felhőtlen területeken a legerősebben elkülöníthető, mert ott kevésbé takarja el a vízgőz és a felhő. Kawaguchi et al. 2024

Ez hány fokot jelentene?

Egy 0–30 °C közötti felszín hőkisugárzása körülbelül 5–6 W/m²-rel változik minden egyes foknyi hőmérséklet-változásra. Ezért a 40–55 W/m² különbség egyszerű radiatív egyensúlyban nagyjából:

[
\Delta T \approx \frac{40–55}{5–6}
\approx 7–11,^\circ\mathrm{C}
]

lehűlést jelentene.

Tehát egy szélsőségesen száraz, derült és szélcsendes sivatagi éjszakán a talaj felszíne nagyságrendileg 7–11 °C-kal lehetne hidegebb CO₂ nélkül, ha minden más változatlan maradna.

Például nagyon durva szemléltetésként:

• CO₂-vel hajnalra a talajfelszín: +5 °C;

• ugyanazon az éjszakán, CO₂ nélkül: körülbelül −2 és −6 °C között.

Ez nem pontos előrejelzés, csak a sugárzási különbségből kapott nagyságrendi becslés.

A levegő kevésbé hűlne ennyivel

A 7–11 °C elsősorban a közvetlenül sugárzó talajfelszínre vonatkozik. A két méter magasan mért levegő különbsége valószínűleg kisebb lenne, mert:

• a mélyebb, melegebb talaj hőt vezet felfelé;

• a levegő turbulenciával és hővezetéssel energiát ad át a felszínnek;

• a szél folyamatosan melegebb levegőt keverhet lefelé;

• még a sivatagban is van valamennyi vízgőz;

• por és aeroszolok is sugároznak infravörösben.

Ezért a tényleges hajnali, kétméteres léghőmérséklet esetében inkább néhány foktól körülbelül 10 °C-ig terjedő további lehűlés lehetne elképzelhető. Pontos értékhez konkrét hely, időjárási profil és talajmodell kellene.

A sivatagban sem nulla a vízgőz

A „10% relatív páratartalom” nem azt jelenti, hogy alig van vízgőz. A forró levegő nagyon sok vizet tudna befogadni, ezért ugyanaz az abszolút vízgőzmennyiség nappal kis, éjszaka a lehűlés után jóval nagyobb relatív páratartalmat adhat.

Ráadásul az egész fölöttünk levő légoszlop számít, nem csak a talaj közeli levegő. A sivatag fölött is lehet néhány milliméter vagy akár több centiméter kicsapódó vízmennyiségnek megfelelő vízgőz. Ezért a valós sivatagi éjszaka sohasem tisztán „CO₂-only” kísérlet.

Hosszú távon egészen más történne

Az előző becslés azt feltételezte, hogy egyetlen éjszakára eltüntetjük a CO₂-t, miközben minden más változatlan marad.

Ha a teljes földi légkörből tartósan eltűnne a CO₂:

1. globálisan lehűlne a Föld;

2. csökkenne a légköri vízgőz;

3. több hó és jég keletkezne;

4. nőne a visszavert napsugárzás;

5. tovább erősödne a lehűlés;

6. a mai sivatagi időjárási rendszer sem maradna változatlan.

Ebben az esetben már nem egy sivatagi éjszaka körülbelül 7–11 fokos különbségéről lenne szó, hanem az egész éghajlati rendszer átalakulásáról.

A lényeg: a száraz sivatagi éjszaka jól mutatja a CO₂ önálló infravörös jelenlétét, de nem ad tiszta hőmérsékleti mérést róla. Egyetlen változatlan éjszakára nézve a talajfelszín CO₂ nélkül nagyjából 7–11 °C-kal hűlhetne tovább; a hosszú távú következmény ennél sokkal nagyobb és összetettebb lenne.