Globális felmelegedés – üvegházhatás

A Föld légköre

Az égbolt jellemzése elég könnyűnek tűnik: napközben kék, éjszaka fekete; felhők, Nap, Hold, csillagok. Ám mindezeken túl a légkör a bioszféra összetett része. A természetes üvegházhatáson keresztül szabályozza a Föld hőmérsékletét, sok bejövő ultraibolya sugarat elnyel, itt zajlanak az időjárási jelenségek. Szén-dioxidot biztosít a növények fotoszintéziséhez és oxigént az aerob anyagcsere-folyamatokhoz, részt vesz a víz, a szén, a nitrogén a foszfor és még sok más elem életfenntartó keringésében.

A Föld átlagos felszíni hőmérséklete mérsékelt, 15 °C. A Föld szomszédos élettelen testvérbolygóin oxigén csak nyomokban van, továbbá egy kis mennyiségű nitrogén, valamennyi metán és ózon. Légkörük legalább 95%-ban szén-dioxidot tartalmaz, míg a Föld atmoszférájában a szén-dioxid töménysége most 1%-nál alacsonyabb.
A Föld atmoszférája kb. 100 km vastag. Ebből a troposzféra, a legalsó réteg kb. 10 km, és a légkör összes anyagának kb. 90%-át tartalmazza. Itt zajlanak a mindennapi időjárási jelenségek - szelek, felhő-, eső- és hóképződések. A troposzféra főleg nitrogént (78%) és oxigént (21%) tartalmaz, a maradék 1%-át argon, vízgőz, szén-dioxid, metán, ammónia, hidrogén és más, jelentéktelen gázok teszik ki. A földi élet pótló, kiegészítő jelenléte nélkül ez a jellegzetes és kémiailag valószínűtlen összetétel nem lenne állandó, lévén az oxigén, a metán és egyéb gázok napfény jelenlétében kölcsönhatásba lépnek egymással. A következő, kevésbé sűrű réteg a sztratoszféra, mely a 10-50 km-es sávban húzódik, és az ózonréteget tartalmazza.

A légkör szerepe a szabályozott földi hőmérsékletben és időjárásban összetett. A hideg és a meleg légáramlatok - követve a szárazföld és a tenger hőmérsékletváltozásait, - okozzák a hőmérséklet naponkénti változását, a széljárást és az esőt. Az évszakok váltakozása a Föld Nap körüli éves keringésének eredménye.

Fokozatosan növekvő időskálán négy másik földrajzi és csillagászati jelenség hat a Föld hőmérsékletére:
1. A megközelítően 11 éves flaire-("napfolt"-)ciklus, többlet sugárzást okozva.
2. A csillagászati korszakok (Milanković-korszakok) rangsora a Föld Nap körüli pályájának és a körforgás tengelye körüli pörgettyűs ingás (precesszió) változásainak tulajdonítható.
3. Nagyságrendekkel hosszabb változásokhoz vezet a földrészek mozgása (ami hosszabb jégkorszakokhoz vezet minden egyes 100 millió évben)
4. A Nap hőmérsékletének lassú növekedése.

A légkör szabadon átengedi a rövidhullámú sugarakat (amelyekbe a látható fény is beletartozik) a Föld felszínére, ugyanakkor csapdába ejt valamennyit a Földről visszasugárzott energiából, mint pl. a hosszabb hullámú infravörös sugárzásból (hő). Ez a hővisszatartás, szakkifejezéssel "sugárzásos fűtés" (radiative forcing) okozza a természetes üvegházhatást. A természetben előforduló üvegházhatást kiváltó gázok - főként a vízgőz, a szén-dioxid és a metán - mindegyike különböző hullámhosszúságú infravörös sugarakat nyel el. (A kisebb kétatomos gázmolekulák, mint pl. a CO illetve szén-monoxid és az NO azaz salétromoxid, nem nyelnek el infravörös sugarakat.) Következésképpen a sugárzási energiából sok visszamarad a légkör alacsonyabb részében, így növelve annak hőmérsékletét. Az eredendő átlagos globális felszíni hőmérséklet 15 °C, kb. 34 °C-kal magasabb, mint ha az összes visszasugározott hő eltávozna az űrbe. Enélkül a légköri hőtakaró nélkül a Föld vizei befagynának, és az élet nem létezhetne. A következmény természetesen az, hogy minél nagyobb e gázok koncentrációja, annál vastagabb a "takaró", azaz nagyobb a melegítő hatás az atmoszféra alacsonyabb részében.

Az elmúlt 160 ezer éven át a szén-dioxid és metán töménység-ingadozások a légkörben szoros összefüggésben álltak az átlaghőmérséklet változásaival. Ez a periódus felölelve több mint egy teljes jeges-féljeges korszakot, 5-7 °C-os hőmérséklet-változásokat vont maga után. A szén-dioxid-töménység és az oxigénizotópok hőmérsékletfüggő arányának vizsgálatait orosz tudósok végezték el a Vosztok-5 Antarktiszon végrehajtott, 1 km mélységű jég-fúrómagjából származó jégrétegeken. Az összefüggés azt mutatja, hogy a szén-dioxid-töménység változása a légkörben hozzájárul a hőmérséklet földi méretű változásaihoz. Mindazonáltal a kapcsolat lehetne az ellenkező irányú is: a Föld felszíni hőmérsékletváltozásai hatással lehetnének a szén-dioxid és a metán-kibocsátásra. De mint az éghajlatváltozás tudományában sokfelé, itt is vannak bizonytalanságok.

A bioszféra szénkörforgása

A Föld "anyagcseréjét" a bejövő napsugárzás hajtja a földalatti termodinamikai erőkkel együtt. A bioszférában két nagy körforgás zajlik, a hidrológiai (víz) és a biogeokémiai. A hidrológiai körforgás - a Nap által előidézett hőmérsékletkülönbség és az erdők párolgása által vezetve - a víz eloszlását, párolgását, ill. a csapadékképződést befolyásolja. A biogeokémiai körforgás nélkülözhetetlen elemeket keringtet - főleg szenet, nitrogént, foszfort és ként - és elsődlegesen napenergia hajtja az élő szervezeteken keresztül, melyek felveszik majd kibocsátják ezeket az elemeket.

A szén és a víz a napenergiával együtt a növények alapvető építőkövei. Minden élet a Földön a szénre, erre a sokoldalú elemre épül. Szénatomok láncaiból vagy gyűrűiből áll a növények, az állatok és a belőlük származó ásványi tüzelőanyagok szerves molekuláinak központi váza. A szén szén-dioxid gázként távozik a légkörbe, oldva az óceánokban, szilárdan mészkő üledékben és az ásványi fűtőanyagokban van jelen. A bomló szerves anyagok, a tüzek, a növények és az állatok kilégzése mind természetesen járul hozzá a levegőben levő szén-dioxidhoz. Ezalatt fokozatosan vissza is kerül szén-dioxid a légkörből a Föld két közvetlen "lefolyóján": a növényi fotoszintézissel és az óceánok szén-dioxid-elnyelésén keresztül. Ezek a természetes folyamatok évről évre egyensúlyt tartanak egymással. A Föld élete során volt egy erős csökkenés a légköri szén-dioxid-mennyiségben, és ennek megfelelően növekedett a Föld felszíne alá temetett mennyiség.
Kb. 40.000 gigatonna (Gt = egy milliárd tonna) szén kering a bioszférában. Ez a körforgó szénnek három forrásából származik, - mindegyike 600-1000 Gt, - melyek a légkört, a növényeket és az óceánok felszíni rétegeit "táplálják". Az állati élet mindössze 1-2 Gt-t forgat. A következő, a lassú mozgású 1500 Gt mennyiségű szén a talajban van mint detritusz (szerves eredetű törmelék), és a még lassúbb 38000 Gt-nyi a mély óceánokban. Ráadásul a "természetesen körforgó" szénen kívül hatalmas szénkészlet van, melyet az üledékes mészkőrétegek vagy az e fejezetben nagyon fontos szerepet kapó ásványi tüzelőanyagok kötöttek meg a fiatal Föld légköréből. (Kb. 10000 Gt szén.) Így az ásványi tüzelőanyagok égetésével olyan szenet és napenergiát szabadítunk fel, melyet az egyszerű növények kötöttek meg nagyon régen. Az égés átalakítja a szerves, energiatartalmú szénhidrogén molekulákat szén, hidrogén és (kisebb mennyiségben) nitrogén oxidokká - azaz szén-dioxiddá, vízgőzzé és nitrogén-oxiddá.

A bioszféra szénkörforgásának jól kiegyensúlyozott természetes cserefolyamataiban megközelítőleg 100 Gt szén vándorol évente a szárazföldi források (főként a növények) és a légkör között oda-vissza. Hasonlóan kb. 90 Gt mozog mindkét irányban az óceánok és a légkör között a phytoplanktonok fotoszintézisével, mely az óceánok felvételének nagy részét teszik ki. (Érdemes megjegyezni, talán meglepő, hogy kb. ugyanannyi fotoszintézis zajlik a tengerekben, mint a szárazföldön.) Az emberi tevékenység azonban évi nettó 3 Gt széntöbblet kibocsátást okoz. Ez abból a szénből ered, amit az ásványi anyagok (6 Gt) és más biomasszák, főként az erdők (1-2 Gt) égetésével szabadítunk fel. Ennek (jelenleg) több mint a felét nyelik el a bolygó óceáni- és erdő "nyelői". A szén-dioxid, stabilitása miatt, nagyon fontos az éghajlatváltozásban. Ellentétben más, hosszú élettartamú hőnyelő gázokkal, a szén-dioxid nem épül le. Ezért a légköri szén-dioxid-rétegek sokáig fennmaradnak, még azután is, hogy az emberi kibocsátás csökkent. Ha minden ilyen kibocsátást megszüntetnének 2000-re, a globális felmelegedés tovább folytatódna kb. 2025-ig, (amikorra a befogott energia valódi hővé változik,) amely után a légkörből lassan eltűnő szén-dioxid-többlet miatt az így keletkezett hőtöbblet nagy része érezhető lesz még 2100-ban is. Összehasonlításképpen, ha a metán többletkibocsátását szüntetnék meg 2000-re, az a metán két évtized alatt szóródna szét, és hatása kb. 2050-re szűnne meg teljesen.

A fő emberi üvegház-gázok jellemzői:

Jellemzők	CO2	NH3	Nitrogénoxid	CFC-11 a	CFC-12 a
Légköri töménység (térfogati): b	(ppm)	(ppm)	(ppb)	(ppt)	(ppt)
Ipar előtti (1750-1800)	280	0.8	288	0	0
Napjainkban (kora 1990-es évek)	356	1.74	311	290	500
A változás mértéke évente	0.5%	0.9%	0.25%	4%	4%
Légköri élettartam (év)	50-200	10	150	65	130
Globális melegítő hatásfok (GWP):
Közvetlen	1	11	270	3400	7100
Közvetett	nincs	pozitív	?	negatív	negat

^a CFC = klorofluorokarbon

^b parts per million/billion/trillion (ezred/milliomod/milliárdod ezrelék)

Forrás: IPCC (1990, 1992)

Az ember okozta üvegházhatás

A Föld légkörének összetétele sokat változott az elmúlt négymilliárd év során, főleg az élővilág evolúciójának eredményeként. Míg e változások hosszú idő alatt következtek be, az emberi tevékenységnek újabban jelentkező, másmilyen és gyors következményei vannak. A sarki jégminták mutatják, hogy a különböző üvegház-gázok kibocsátása a légkörbe lényegesen megnövekedett az ipari forradalom óta, de 1950 óta feltűnően. A metán töménysége megkétszereződött 1800 óta. A szén-dioxid-töménység majdnem 1/3-dal növekedett, az 1950-es évek óta pedig jóval 50% fölötti a növekedés. A fő ember-termelte üvegházgázok a szén-dioxid, a metán (mocsárgáz), a nitrogénoxid és a teljesen szintetikus klorofluorokarbonok (CFC-k). Ezek a gázok nagyon különböznek élettartamukban és hőelnyelő képességükben. Száz évre kivetítve, a metán kb. tizenegyszer jobb hőelnyelő, mint a szén-dioxid (egységnyi súlyra), míg a nitrogén-oxid kétszázhetvenszer, a CFC-k pár ezerszer jobb hőelnyelők. A becsült hozzájárulásuk a növekvő "sugárzásos fűtéshez" az 1980-as évek során: 55%, CFC-k 24%, metán 15% és nitrogén-oxid 6% (3. ábra). Ötven éven belül azonban a metán lehet a fő üvegház-gáz, mert ahogy az éghajlat melegszik, a kiterjedt, sark-közeli tőzegszerű tundrák örök fagya még több metánt engedhet fel.

Messzebbre kell visszanéznünk a széndioxid történetében, melyet pl. a sarki jégtömbökbe zárt levegő mondhat el. Az emberiség történetének új, felgyorsult, energiaigényes szakasza a teljes energiafelhasználás százszoros növekedését vonta maga után 1800 óta. A növekedési arány 1950 óta emelkedik, kb. százszoros növekedést okozva az éves globális széndioxid-termelés mértékében. A szén-dioxid légköri töménysége először csak lassan nőtt, kb. 200 ppm-ről az utolsó jégkorszak végétől, 280 ppm-re kb. 1800-ig. Azután a szén-dioxid-töménység majdnem 360 ppm-re emelkedett. A legfejlettebb országok kb. felét termelik a szén-dioxidnak, míg Kelet-Európa és a népes harmadik világ (elsősorban Brazília, Kína és India) a negyedét. A szén-dioxid-kibocsátás az elmúlt négy évtizedben Ázsiában több mint tízszeresére nőtt. A mesterséges szén-dioxid-kibocsátás 3/4-e az ásványi tüzelőanyagok, főleg a szén égetéséből származik, de nagy mennyiségű a személyautók és a kereskedelmi teherautók kibocsátása. A maradék nagy része az esőerdők felégetéséből és kisebb mértékben a cementgyártásból származik. Földi méretekben az egyéb ipari és mezőgazdasági üvegház-gázok kibocsátása szintén felgyorsult. Az emberi eredetű metán az öntözéses földművelésből, a megnövekedett szarvasmarha-állományból, a bányákból, a gázvezetékekből és a szeméthegyekből származik; légköri töménysége 50%-kal nőtt 1950 óta. A nitrogén-oxid az ásványi tüzelőanyagok égéséből és a műtrágyából jön. Az 1980-as évek végén az öt vezető üvegház-gáz kibocsátó ország az Egyesült Államok (18%), a Szovjetunió (12%), Brazília (11%), Kína (7%) és India (4%) volt. Világos, hogy az üvegház-gázok gyülemlenek - de tudható-e, hogy a földi hőmérséklet ezek kibocsátása miatt növekedni fog? A jóslatok a globális felmelegedésre nem újkeletűek. A múlt század végén egy svéd tudós, Svante Arrhenius jelezte, hogy az ásványi tüzelőanyagok égetéséből származó légköri széndioxid fokozhatja a Föld hőjének visszatartását, bolygóméretű felmelegedést okozva. Később tudományos vita alakult ki az 1920-as években, de ez a '80-as évekig szünetelt. Az egyik nehézség az, hogy a hő és a hőmérséklet közötti kapcsolat összetett. A Föld mély óceánjai természetes "elnyelők", melyek hőt vonnak el az atmoszférától, így késleltetve a felszíni hőmérséklet növekedését.

Azt azonban tudjuk, hogy a Föld hőmérséklete kb. 1900 óta megnövekedett. A világon állomások ezrein feljegyzett mérésekből, a megváltozott körülményekhez és technikához igazítva úgy látszik, hogy a bolygó hőmérséklete 0,5 °C-ot nőtt az elmúlt 100 év alatt. A Klímaváltozás Nemzetközi Bizottsága (IPCC), - melyet az ENSZ Környezeti Programja és a Világ Meteorológiai Szervezete alapított 1988-ban, mint szakértői csoportot, több mint 300 tudóssal - becslése szerint a földi középhőmérséklet 0,3-0,6 °C-kal nőtt az elmúlt 100 év alatt. Ez a növekedés azonban az éghajlat-változás számítógépes modelljei szerint, ha történelmi adatokat is felhasználva, jócskán a természetes éghajlat-változékonyság tartományán belül van. Ez más hatásoknak tulajdonítható, melyek ellensúlyozzák a földi hőmérséklet-emelkedést; sőt volt egy olyan elmélet, hogy a városi és ipari szennyezés II. világháború óta tartó gyors növekedése és a vulkáni kitörések szokatlan gyakorisága együtt hűtő hatást eredményezett. A napsugárzás szóródása a finomszemcséjű ipari szennyezés ködén néhány tized fok hűlést idézett elő az utóbbi évtizedekben. Továbbá a napfoltciklus átmeneti hosszabbodása a század közepén csökkenthette a bejövő hőt. Egy dolog azonban világos: a jel/zaj arány alacsony, azaz a mérés még most sem elég pontos!

Egy sokkal hosszabb időtávlatban gondolkodva a Föld valószínűleg a mostani féljeges korszak második felébe lép be, és hőmérséklete elkezd süllyedni (5-10 °C-kal) valamikor az elkövetkezendő tízezer évben, mielőtt bekerül egy másik jégkorszakba. Egyes stabil féljeges korszakok átlagosan húszezer évig tartottak. Még hosszabb időszakaszban a Föld három hosszú, meleg "üvegház-korszakot" élt át az elmúlt milliárd évben. Ezek mindegyike kb. 250 millió évig tartott egy hosszú első és egy rövidebb második szakasszal, melyeket egy "rövid" lehűlés választott el egymástól. Ha a jelenlegi, harmadik "üvegház-kor" hasonló, akkor a közbülső lehűlés végéhez közelítünk, (amely az elmúlt néhány millió évben lezajlott jégkorszakok során tetőzött) és a Föld ismét felmelegedhet az elkövetkezendő 50 millió évben.

A mi feladatunk felbecsülni egy közeli, nyilvánvalóan ember okozta hőmérsékletváltozás hatásait. A világ egy rövid, melegedő szakaszban van, mely nagyon valószínű, hogy a mi saját művünk. 1980-91 közé esett a tizenkét legmelegebb év közül nyolc, mióta ezt a múlt században elkezdték feljegyezni, sőt 1990 és 1991 volt azóta a két legmelegebb év. Ha a világ tovább melegszik néhány fokkal a következő évszázadban, a hőmérsékletváltozás mértéke sokkal gyorsabb lesz - és sokkal hamarabb következik be -, mint ahogy bármiféle lehűlés jelentkezhetne a jövőben.

Az éghajlatváltozás becslése

A klimatológusok között általános a megegyezés, hogy a közeljövőben a világ éghajlatát főként az ember-előidézte üvegházgázok melegítő hatása fogja befolyásolni. Az IPCC jóslata szerint ezek a gázok fokozni fogják az üvegház-hatást és többlet hőmérséklet-növekedést fognak okozni, 2025-re kb. 1 °C-os, a következő század végére 2,5-3 °C-os átlagos földi hőmérséklet-emelkedéssel. A hőmérséklet-növekedés nagyobb lesz a hosszabb szélességi fokokon, és mivel a szárazföld felszíne gyorsabban melegszik, mint az óceánok, az északi féltekén sokkal nagyobb lehet a hőmérséklet növekedés. Habár néhány tudós azzal érvel, hogy az ilyen jóslatokat adó számítógépmodellek hiányosak, a kiegészített és összetettebb számítógépmodellek alátámasztották a hőmérsékletnövekedés jóslatait. Sőt, lévén különösen nehéz megkülönböztetni a tartós irányzatokat a hőmérséklet háttér-ingadozásaitól, az IPCC figyelmeztet, hogy a fokozott üvegházhatás egyértelmű kimutatása még egy évtizedig vagy hosszabb ideig sem nem valószínű. Ez a késedelem a világos helyzet felmérésében hasonlít ahhoz a nehézséghez, amit a közgazdászoknak okoz egy hanyatlás kezdetének kimutatása. Csak utólag tudhatunk bizonyosat mondani.

A globális felmelegedés növekedésének előrejelzett mértéke sokkal gyorsabb lehet, mint a kb. 1 °C-os lehűlés a középkor végén, ahogy a nagyobb szélességi fokok a Kis Jégkorszak felé haladtak. Ez sokkal gyorsabban következne be, mint az utolsó jégkorszak utáni néhány ezer éves, kb. 5 °C-os növekedés (megegyezően a 700 évenkénti 1 °C-os emelkedéssel). Ma 1 °C-os növekedésre számítunk 35 évenként - hússzor gyorsabbra a mezőgazdaság előtti korban tapasztaltnál. A hőmérséklet növekedés gyorsasága és abszolút nagysága egyaránt fontos. Egy 2-3 °C-os növekedés lehet, hogy nem tűnik soknak, de kis változásoknak drámai ökológiai következményei lehetnek. Egy csupán 2 °C-os növekedés olyan hőmérsékletet eredményezne, amilyent 125 ezer éve nem látott a Föld. Egy 3 °C-os emelkedés az IPCC szerint a világot forróbbá tenné, mint amilyen a Homo faj megjelenése óta, 2 millió év óta, még nem volt. A bizonytalansága azonban ezeknek a jóslatoknak is nagy. Amíg egy 3 °C-os emelkedés 2100-ig az IPCC tudósainak legjobb becslése a mai átlagos gazdasági és népességnövekedési áramlatot figyelembe véve, a tartomány, melybe az emelkedés valószínűleg esni fog, 1,5-4,5 °C. 1992-ben megállapították, hogy a mai kutatási eredmények "vagy megerősítik, vagy nem igazolják az első (1990-es) IPCC Tudományos Becslések fő következtetéseinek módosulását".

Ha további felmelegedés következik be, akkor pozitív visszacsatolás jelenhet meg például a felmelegedett északi-sarki örök fagy metán felszabadulásának növekedése miatt. Pozitív visszacsatolást jelenthet a bolygó hővisszaverő hó- és jégtakarójának csökkenése is. Negatív visszacsatolás származik a megnövekedett felhőtakaró nagyobb visszaveréséből (albedo), főként a forró égövi területek feletti alacsony rétegfelhőkről, az óceán felszíni hőmérséklet-növekedésének következményeként. Világos tehát, hogy sok összetevője van, és az ismert és ismeretlen visszacsatolási mechanizmusok egyedi hatása bizonytalan marad. Néhány tudós azt jósolja, hogy a pozitív visszacsatolások túlsúlyban lesznek a negatívokkal szemben, s ez rohamos felmelegedéshez fog vezetni. Ahogy az IPCC kimutatta, meglepetések előtt állhatunk.

A bizonytalanságok a számítógépmodellek korlátozottságaiból is erednek. Ezek nem statisztikus modellek, mint pl. a gazdasági becslések, hanem numerikus megoldásai alapvető fizikai egyenleteknek. Éghajlatváltozást modellezni szinte reménytelen feladat.

Néhány visszafordíthatatlan mozzanat a globális felmelegedésben már megindult. A világra bizonyos további felmelegedés vár, mert a hosszú élettartamú üvegházgázok már kikerültek a légkörbe. Továbbá az óceánok hatalmas hőelnyelőként viselkednek, és az elnyelt többlet hőnek idő kell, míg eléri a bioszférát. Az IPCC becslése szerint ahogy az üvegházhatás előrehalad, a világ mérhető hőmérséklete csak kb. 2/3-a a várhatónak. Másodszor, előrejelzéseink ellenére a 2100. évre a kérdés nem fog csodálatos módon megoldódni. Olyan folyamatokkal foglalkozunk, melyek folytatódhatnak - és rosszabbodhatnak - hosszabb távon. Valószínű jobb feltételezni, hogy az emberiség által tízezer év óta tapasztalt bármely éghajlatváltozásnál is nagyobb hatású változás felé tartunk. Ennek számos káros hatása lehet az emberek egészségére.