Alsó légkör - Haladó

ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH

Alsó légkör: Haladó

1. A fõ oxidánsok és a megfigyelés
Oxidáció a légkörben

2. Sugárzás, üvegházgázok és az üvegházhatás
A földi sugárzási egyenleg és az üvegházhatás
Vízgõz és a felhõk

3. Többet az ózonról és a tûzrõl
Miért veszélyes az ózon?

4. Gázok a légkörben
Eloszlás & koncentráció(1)

Az éghajlati rendszert a napsugárzásból származó energia irányítja. Ennek az energiának csak egy része éri el a Föld felszínét és okoz melegedést. Másik részét a légkör visszaveri vagy elnyeli. Pontosan hogyan mûködik a sugárzási rendszer?

a) A sugárzás szempontjából a földi rendszert három részre oszthatjuk:
1) a légkör fölötti ûr
2) a légkör
3) a földfelszínHa egy olyan rendszert feltételezünk, amiben gyors a hõcsere, azt mondhatjuk: A beérkezõ teljes energia annyi, mint amennyi összesen eltávozik. Máskülönben egy rész folyamatosan energiát kapna, illetve veszítene, és így egyre melegebbé és melegebbé, vagy hidegebbé és hidegebbé válna. Hosszú idõt tekintve nem ez az eset áll fenn. Egyensúly van minden részben.
b) Ilyen rendszerben az üvegházgázok NEM termelnek energiát. Segítenek egy olyan egyensúly felállításában, amiben a légköri felszínközeli rétege szokatlanul meleg.

1. A globális sugárzási egyenleg, ahogy megjelent az IPCC TAR 1.2.1 fejezetében.
A következõ részekben próbáljuk megérteni a különféle energiaszállítást a légkör-földfelszín rendszerben.
A nagyításhoz kattints a képre! (40 K)

A valóság egy kicsit összetettebb, mivel az óceánok nagyon lassan reagálnak a hõmérsékletváltozásra. Tehetetlenek. Amíg a légkör gyorsan felmelegszik, az óceánok a hõt lassan veszik fel, és nem melegszenek fel azonnal. Ennek következtében, bizonyos ideig (az óceánok periódusideje körülbelül 1000 év) a Föld nem kerülhet egyensúlyi állapotba, azaz mielõtt az óceánok is egyensúlyba jutnak. Ezért, illetve más ismeretlen dolgok miatt a sugárzási egyenleg, ahogy a fenti ábra mutatja, nem pontos, van benne 10-20 % bizonytalanság. A következõ részekben azonban feltételezzük az egyensúlyt.

Az üvegházgázok szerepe

Az üvegházgázok szerepe hasonló, mint a pulóveré egy hideg téli napon. Ha nem viselnénk ruhát télen, testünk lehûlne, és megfagynánk. Azonban a pulóver sem a környezõ levegõt nem teszi melegebbé, illetve nem készteti testünket arra, hogy több energiát termeljen, valamint õ sem termel energiát. Egyszerûen visszaveri a testünk energiájának egy részét, és így egy meleg réteget hoz létre a pulóver és a bõrünk között. Pontosan ez az, amit az üvegházgázok is tesznek. A növekvõ üvegházhatás azt jelenti, hogy több hõ halmozódik fel a földfelszín fölött, mielõtt kisugárzódik az ûrbe. Ez nem azt jelenti, hogy több energia éri el a Föld felszínét.

2. Az üvegházgázok a határréteget melegen tartják, mint a meleg ruhák télen a testünket.
átvéve: fashion 3sat online

Az energiaháztartás megértése

Az energiaátvitelt vagy a kibocsátást a rendszerben W / m2-ben mérjük. Elõször megmutatjuk, hogy a rendszer egyes részeibe ugyanannyi energia érkezik, mint amennyi eltávozik (leegyszerûsítjük, és eltekintünk az óceánok lassító hatásától):

342 W / m2 érkezik a napsugárzásból a külsõ légkörbe. Ebbõl 107 közvetlenül visszaverõdik, vagy a felhõkrõl, vagy a földfelszínrõl. A napfénynek azt a részét, mely közvetlenül visszaverõdik az ûrbe, bármilyen kölcsönhatás nélkül, a Föld albedójának nevezzük. Ez nagyjából 30%.

Az albedó definíciója: Egy test által kapott fény azon része, amit a test visszaver. Az albedó értéke 0 (tökéletesen fekete) és 1 (tökéletes visszaverõ) között változik.

3. A légkör feletti tér, a légkör és a felszín energiaegyensúlya külön-külön. Mindegyik egyensúlyban van.
A napsugárzást sárgával jelöltük, a hosszúhullámú infravörös sugárzást pirossal. Az energia egy bizonyos része szükséges a víz párolgásához és a hõátvitelhez. Jegyezd meg, hogy természetesen a Föld felszínét nem érheti el több energia, mint amennyit a Nap a légkörbe besugároz. A 492 W /m2 esetében ugyanazt az energiát kétszer számítjuk, elõször mikor a Napból leérkezik, majd miután a Föld kibocsátja, az üvegházgázok újból kisugározzák. Ezért lehetséges a két folyamat elkülönítése.
kép: Elmar Uherek, adatok: IPCC TAR
A nagyításhoz kattints a képre! (90 K)

A Föld albedója körülbelül 0,3. A legjobb visszaverõk a felhõk és a sarki jégpajzsok. A megmaradó 235 W/m2 vagy a légkörrel vagy a földfelszínnel lép kölcsönhatásba, és visszajut az ûrbe mint hosszúhullámú sugárzás.

Ha a légkör sugárzási egyenlegét tárgyaljuk, figyelembe kell vennünk, hogy a légkör az energiát az ûrbe, vagy a földfelszín felé is bocsáthatja. Az üvegházgázok visszasugárzó hatása az, ami ahhoz vezet, hogy a földfelszín több energiát nyel el (492 W / m2), mint ami a Napból beérkezik.

4. Egy egyszerûsített kép a Föld sugárzási mérlegérõl (a visszaverõdést kizártuk) és a légköri ablak illusztrálása.
kép: Elmar Uherek

A légköri ablak

Csak 40 W / m2 energia sugárzódik ki közvetlenül hosszúhullámú sugárzás formájában a földfelszínrõl az ûrbe.

Ez azért van így, mert az üvegházgázok nem nyelnek el minden hullámhosszon. Van valamennyi rés a víz (ami körülbelül 60%-t nyel el), széndioxid, metán, dinitrogén oxid, ózon és más üvegházgázok az egymást átfedõ abszorpciós spektrumban. A legfontosabb ablakokat a víz és a széndioxid abszorpciós spektrumában légköri ablaknak nevezzük. Itt az infravörös sugárzás eltávozhat, mint az üvegház tetején lévõ ablakon.

5. Üvegházat bemutató modell
illusztráció: Elmar Uherek

Természetesen az üvegházgázok és az üvegház üvegje közötti analógia nem tökéletes. A gázok kölcsönhatnak a fénnyel, amíg az üveg egy szilárd anyagból készült akadály és meggátolja a konvekciót is, így a hõt visszatartja.

6. Mi melyik hullámsávban nyeli el a sugárzást?
A Föld elméletileg számított kisugárzásának csak egy kis része jut ki a világűrbe. A többit az üvegházhatású gázok (röviden üvegházgázok) elnyelik. Ezen gázok mindegyike különböző hullámhosszakon, az elektromágneses spektrum különböző energiájú részein nyel el, látható és nem látható (ultraibolya, infravörös) fényeket.
Animáció: Anja Kaiser © ESPERE

7. Az elektromágneses hullámok és a légkör közötti kölcsönhatás (mennyi és milyen hullámhosszúságú sugárzás jut át a légkörön?) ahhoz a tényhez vezet, hogy a légkör bizonyos részei átlátszatlanok. A fenti képen ezek barnával vannak jelölve. Különösen érdekese a közeli UV-sugárzás (1), a látható fény (2) és a közeli infravörös (3).
Az ózon elnyel az (1) tartományban, és a légkört átláthatatlanná teszi a veszélyes UV-B sugarak számára. Emellett a (2) a látható fény eljuthat a földfelszínre, megvilágítja a nappalainkat és melegíti a Föld felszínét. A (3) tartományban a Föld visszasugárzásából származó infravörös sugárzás (nézd meg a jobb képet) visszajuthat az ûrbe, de csak bizonyos részeken, amelyek nincsenek blokkolva. Elsõsorban a víz és a széndioxid miatt az infravörös tartomány a földfelszínrõl származó infravörös sugárzás számára átláthatatlan (üvegházhatás). Ha más gázok (O3, CH4, N2O) abszorbeálnak a fennmaradó ’légköri ablakban’ (lásd jobbra a spektrumot), együtt nagyon hatékony üvegházgázok.
Kép: NASA / IPAC.
A nagyításhoz kattints a képre! (80 K)

Az oldalról:

szerzõ: Dr. Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz
tudományos lektor: Dr. Benedikt Steil - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz 2004-05-16
pedagógiai lektor: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-07-02
utolsó módosítás: 2004-06-17