Magyar Tudomány, 2008/06 698. o.

A klíma- és környezetváltozások földtudományi összefüggései



KLÍMAVÁLTOZÁS ÉS A VÍZ KÖRFORGÁSA


Szilágyi József

az MTA doktora, egyetemi docens

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék

szilagyi vit . bme . hu


Józsa János

az MTA doktora, tanszékvezető egyetemi tanár

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék

jozsa vit . bme . hu


A jelenleg végbemenő klímaváltozás, amely legegyszerűbben a felszínközeli léghőmérséklet 0,6 ˚C-os globális emelkedésével jellemezhető, az emberiséget érintő egyik legkomolyabb hatása a víz körforgására lesz (1. ábra). A vulkánkitöréseken, amelyek térben erősen lokalizáltak, és a földrengéseken kívül (de még azok is a kísérő tengeri szökőárak esetén) szinte minden más potenciálisan nagy kiterjedésű elemi csapás összefügg a vízzel: annak bőségével, gondoljunk csak a rendkívül heves csapadékokra, trópusi viharokra, árvizekre, a tengerszint globális emelkedésére, vagy hiányával, mint az időben és térben kiterjedt aszályok.

A Földet nem véletlenül hívják a kék bolygónak, hiszen felszínének kb. kétharmada tengerekkel, illetve óceánokkal borított. A víz sok tekintetben is különleges anyag, így szokatlanul magas fajhője (a vizet több energiával tudjuk felmelegíteni, mint például a higanyt), illetve párolgási hője miatt annak mozgása, illetve fázisátalakulása egyben komoly térbeli energiaátvitellel is párosul. Ezért van az, hogy a vízpára légköri kondenzálódásának hője a globális légkörzés energiaszükségletének mintegy 30 %-át fedezi. Különleges olyan tekintetben is, hogy az egyetlen természetes anyag, amely mindhárom fázisállapotában gyakran egy időben és egy helyen (például felhők) van jelen.

Amikor klímaváltozásról beszélünk, érdekes módon gyakran elfelejtjük, vagy nem hangsúlyozzuk eléggé, hogy a vízgőz messze a leghatékonyabb üvegházhatású gáz. Vessünk csak egy pillantást a jelenlegi, igen kellemes üvegházhatást (ami mintegy 35 °C mértékű, azaz ennyivel hidegebb lenne a Föld átlaghőmérséklete a légkör nélkül) előidéző légköri gázok fontossági sorrendjére. A vízgőz puszta jelenléte a jelenlegi üvegházhatás 60 %-áért (ami a 35 °C-os hőmérséklet-növekedésből 20 °C-nak felel meg) felelős, míg a szén-dioxid csak 25%-ért (9 °C), az ózon 8 %-ért (3 °C), a metán, dinitrogén-oxid és egyéb gázok a maradék 7 %-ért (3 °C) felelősek.

Joggal kérdezheti most valaki, hogyha ez így van, akkor miért nem beszélünk többet a vízgőzről a klímaváltozás kapcsán. Ennek a legvalószínűbb magyarázata talán az, hogy azért, mert nincs felette kontrollunk, szemben például a szén-dioxiddal és a nitrogén-oxidokkal, amelyek nagy részét fosszilis energiahordozók elégetésével aktívan állítjuk elő, azaz többek között hőerőművek, illetve autók pöfögik ki. Ez tehát nyilvánvalóan azt is jelenti, hogy nem tudjuk szabályozni annak jövőbeni alakulását, hiszen például a Föld kétharmadának, amit az óceánok és tengerek tesznek ki, a felszínét nem fogjuk – még ha annak technikai akadálya igazából nem is lenne – céltudatosan párolgáscsökkentő anyaggal (például parafin) bevonni az egyéb, többek között az élővilágra gyakorolt, belátható és beláthatatlan következmények miatt.

Általános szabály, hogy a melegebb levegő potenciálisan több vízgőzt tud magába fogadni, és mivel a Föld valójában a víz bolygója az óceánok szárazföldekhez képesti túlsúlya miatt, így az globálisan meg is valósulhat. Vagyis a légkör melegedésével annak átlagos nedvességtartalma is növekszik, legalábbis ott biztosan, ahol az szabadon érintkezik nyílt vízfelülettel (de máshol is, lásd alább), mint például tengerek, óceánok, tavak, folyók felett, de ide sorolhatjuk a gleccserek, illetve Grönland és az Antarktisz jégtakaróját is, ahol párolgás helyett szublimációról beszélünk. Talán kevésbé ismert fizikai törvény az, hogy ilyen „nagy kiterjedésű nedves környezetben” a párolgás (mint adott felületről adott idő alatt végbemenő tömegáram a vízre vonatkozóan) csupán a rendelkezésre álló energiától függ (Priestley – Taylor, 1972) és független például a szélsebességtől. (Ezért is beszélnek a hidrológusok ilyen esetben energialimitált párolgásról, szemben a vízlimitált párolgással. Ez utóbbi esetben a terület aktuális párolgása kisebb az elégtelen talajnedvesség korlátozó hatása miatt, mint az potenciálisan lehetne, amennyiben a kérdéses terület, az adott meteorológiai körülményeket megtartva, vízzel szabadon lenne borítva, vagy pedig a talaj vízzel telítve volna. A vízlimitált környezetre, mint extrém eset, a Szahara jó példa, ahol energia bőven van, csak a víz hiányzik a párolgáshoz, de ide vehetjük Magyarországot is, amely még éppen a vízlimitált kategóriába esik. Ezért van az, hogy a Balaton többet párologtat, mint a környezete, de mondjuk a Bajkál-tó már nem. Mindezekből az is következik, hogy nemcsak szabad vízfelszín felett nő a párolgás a légkör melegedésével, hanem általánosan igaz ez az energialimitált szárazföldi területekre is, mint például a tajga és tundra öve is.)

Valóban, a globálisan jelenleg regisztrált 0,6 °C-os léghőmérséklet-emelkedés úgy nagyjából 0,5 %-os nettó sugárzásbevétel-növekedésnek felel meg a Föld felszínére vetítve, aminek egy része az intenzívebb párolgáshoz szükséges többletenergiát szolgáltatja.

A levegő fenti tulajdonága miatt, illetve a víz földi bősége folytán (noha jelentős térbeli egyenetlenséggel) a vízpára a globális melegedéssel pozitív visszacsatolásban van. Azaz bármi is indította el kezdetben a felmelegedést, a felszínközeli levegő melegedésével egyre több vízpára kerül a levegőbe, ami komoly üvegházhatása miatt tovább erősíti a melegedést. Globális klímamodellek számításai szerint ez a hatás oda vezet, hogy a szén-dioxid légköri koncentrációjának megduplázódása esetén a várható 2 °C-os hőmérséklet-emelkedés helyett 3 °C valószínűsíthető. Ha szerencsénk van, akkor azonban van egy fék is a léghőmérséklet-vízpára rendszerben, nevezetesen a felhők még nem teljesen tisztázott szerepe folytán. Ugyanis a felhők belső szerkezetétől, illetve azok talaj feletti magasságától függően erősíthetik vagy éppen gyengíthetik is a felmelegedést.

Jelenleg a víz körforgását érintő klímamodell-eredményeket a következőképp lehet nagyon röviden, nagy általánosságban, konkrét térségre való korlátozás nélkül összefoglalni. Nyilván, minél kisebb térséget vizsgálunk, az alábbi általános következtetések annál kevésbé lehetnek igazak (vonatkoztassuk például „a Föld a víz bolygója” [a kijelentés nyilvánvalóan igaz] kitételt a Szahara közepére).

A vízpára légköri koncentrációjának növekedése miatt intenzívebb csapadékokat várhatunk, amelyek így komolyabb árvizet okozhatnak. Az időjárási szélsőségek, azaz hőhullámok és szárazságok, az extrém csapadékokkal egyetemben, szintén nagyobb gyakorisággal várhatók. A szárazföldi jégtakaró (leginkább Grönland és Antarktisz) olvadása következtében, illetve a tengerek és óceánok hőtágulása miatt a tengerek, illetve óceánok szintje jelentősen megemelkedik. A víz körforgása intenzívebbé válik, azaz egy időben több víz tartózkodik a légkörben és/vagy a vízgőz légköri tartózkodási ideje (amely jelenleg kb. tíz-tizenegy nap) lerövidül. Mindkét folyamat kihatással lesz mind az óceán–szárazföldi, mind pedig a meridionális (azaz észak–déli) energiaátvitelre, amely várhatóan módosítani fogja a meglévő klímaövek földrajzi elhelyezkedését és térbeli kiterjedését.

A klímaváltozási projekciók jelenlegi gyenge pontjai a következők. A számítógépes kapacitás mai korlátai miatt a globális klímamodellek egy kb. 100 km-es felbontású rácshálóval dolgoznak, ami azt jelenti, hogy az annál lényegesen kisebb térbeli léptékű folyamatok, amelyek ráadásul térben nagyon változékonyak is lehetnek, nehezen megfoghatók a modellek számára. Ebbe a kategóriába esnek olyan fizikai folyamatok, mint például a felhőképződés, a légköri aeroszolok diszperziója – főleg szulfát- és koromrészecskék, amelyek a csapadékkal hamar kimosódnak a levegőből, de rövid légköri tartózkodásuk alatt, illetve bőséges elterjedésük miatt jelentős sugárzásmódosító hatással bírnak –, és maga a csapadékképződés is, az azt követő talajnedvesség-változás és szárazföldi lefolyás térben rendkívül heterogén folyamataival.

Ne higgyük azonban, hogy a klímaváltozás valami olyan, ami csak a jövőt, azaz gyermekeinket vagy éppen unokáinkat érinti majd. Ez sokkal inkább egy olyan folyamat, amelyben mi is benne élünk, és több hidrológiai aspektusa már jelenleg is mérhető, dokumentálható. Ilyen biztos, jól kimutatható, a víz globális körforgását érintő változás a hegyi gleccserek masszív visszahúzódása, a tavak éves jégborítottságának lerövidülése, a tenyészidőszak meghosszabbodása, az északi félteke szárazföldjei fölötti 10 %-os csapadéknövekedés az elmúlt ötven év viszonylatában, valamint ugyanitt a lefolyás néhány százalékos növekedése. Érthető módon a változások detektálása sokkal körülményesebb a tengerek és óceánok, mint a szárazföldek felett, beleértve például a csapadék és párolgás trendjének alakulását. Ez utóbbi még a szárazföldeken is problémát jelent, egyszerűen azért, mert közvetlen, rutinszerű mérése jelenleg még nem teljesen megoldott. Mindenesetre közvetetten sótartalom-mérésekből, illetve az óceánok felszíni hőmérsékletének nemrég kimutatott növekedéséből a tengerek, óceánok párolgási szintjének globális növekedése szintén igazolva látszik, ami egybevág a már említett, a légköri üvegházhatású gázok emelkedett koncentrációja által okozott, globális nettó sugárzásbevétel-növekménnyel.

A víz globális körforgásáról beszélve nem hagyható ki a párolgás (jelen szerzők szerint nemrég már megoldott) paradoxonjának megemlítése. Ez abból áll, hogy míg a csapadék az északi félteke szárazföldjei felett kb. 10 %-kal, ugyanakkor a lefolyás ugyanott csupán néhány százalékkal nőtt, tehát logikusan a különbségnek, ami a párolgást adja, szintén növekednie kellett ezen időszak alatt, hacsaknem ezen különbségnek egy jelentős része tavakban, illetve a talajban mint talajnedvesség, továbbá a talajvízben vagy a rétegvizekben nem tározódott, ami azonban igen valószínűtlen. Ugyanakkor a rutinszerűen alkalmazott párolgási kádak mért párolgásértékei ezen időszak alatt csökkenő tendenciát mutatnak (Peterson et al., 1995), amiből idézett szerzők azt a következtetést vonták le, hogy a globális hidrológiai ciklus a szárazföldek felett gyengülni látszik. A párolgás ezen vélt csökkenő tendenciájával remek párhuzamban van az a tapasztalati megfigyelés, hogy a levegő szén-dioxid-tartalmának növekedésével, a növények gázcserenyílásai (sztómái) kevésbé nyílnak ki, így a növény és vele együtt a szárazföldek, hisz azok nagy része növényzettel borított, várhatóan kevesebbet párologtatnak, azaz a szárazföldi párolgás mértéke a szén-dioxid növekedésével csökkenő tendenciát kell, hogy mutasson, és ráadásul ez részben magyarázhatja is a lefolyás dokumentált növekedését (Matthews, 2006). Itt jegyeznénk meg, hogy a hazai, de a nemzetközi szakirodalomban is gyakran különbséget szoktak tenni párolgás (angolul: evaporation) és párologtatás között (angolul: transpiration). Ráadásul növényzettel borított felszínek esetén, mivel a növényzet párologtatása mellett a természetes felszín (a talaj növényzettel nem borított felszíne, épületek, utak, de maga a növényzet felszíne is a sztómák közötti részen, a száron stb.) párolgása is végbemehet például csapadékesemények alatt, illetve azt követően a csapadék intercepciója révén (vagy gondoljunk nyáron az éjszakai harmat kora délelőtti eltűnésére), a kettő kombinációjáról, ún. evapotranszspirációról szoktak beszélni (angolul: evapotranspiration). Mivel mind a párolgás, mind pedig a párologtatás esetén az alapvető fizikai folyamat ugyanaz, azaz a víz fázisátalakulása cseppfolyósból gázneművé, a párolgás szó használata az idegen evapotranszspiráció helyett jelen tanulmányban (de talán máshol, még az angol nyelvű szakirodalomban is evapotranspiration helyett csupán evaporation) indokoltnak látszik, és az evapotranszspiráció szóval felcserélendően használandó, amennyiben azt növényzettel részben vagy teljesen borított természetes felszínek teljes evapotranszspirációjára vonatkoztatjuk, és nem akarjuk elkülöníteni a párolgásnak azt a részét, amely kiindulási helye szerint a növényzet gázcserenyílása.

A paradoxon azért létezhet még mindig, mert a párolgás, ahogy azt már említettük, globálisan és rutinszerűen közvetlenül nem mérhető, ráadásul egészen a közelmúltig még közvetetten is, csak egy vízmérleg felállításával került megbecslésre, ami leggyakrabban abból áll, hogy egy vízgyűjtőre pontszerű mérések alapján térbeni interpoláció alkalmazásával kiszámolják, hogy mennyi csapadék hullott (nem triviális feladat), és kellően hosszú időszakra vonatkozóan (leginkább egy vagy több év) abból a mért lefolyást levonják. A kellően hosszú időszak azért kell, hogy ezalatt a vízgyűjtőn belül történő víztározás (tipikusan mint talajnedvesség vagy talajvíz) megváltozása elhanyagolható lehessen a be-, illetve kimenő víztömeghez képest.

A paradoxon könnyen feloldható a párolgás ún. komplementáris hipotézisének (KH) alkalmazásával (Bouchet, 1963). Leegyszerűsítve ez azt mondja, hogy az aktuális párolgás és a kádpárolgás értékei vízlimitált környezetben egymás komplemensei, azaz amikor a kádpárolgás értéke növekszik, akkor az aktuális párolgásnak csökkennie kell és fordítva, amennyiben a nettó sugárzásbevétel (állandó szélviszonyok mellett) nem változik. Ez azért lehetséges, mert a párolgási kád csak úgy tud többet párologtatni állandó nettó sugárzásbevétel (és szélviszonyok) mellett, ha a környezete kevesebbet párologtat, és így a levegő szárazabbá és egyúttal melegebbé is válik. Itt jegyezzük meg, hogy amennyire egyszerűnek tűnik ez a hipotézis, annál nehezebb azt szigorúan elméleti úton bizonyítani. Ráadásul egészen mostanáig a komplementaritást szimmetrikusnak vélték (azaz a két komplemens változás terjedelmét megegyezőnek vették), de a legújabb kutatások alapján (Szilágyi, 2007) az nagy valószínűséggel inkább antiszimmetrikus (vagyis a kádpárolgásban vagy az azt helyettesítő becslésben bekövetkező változás terjedelmében tipikusan [de nem mindig] nagyobb, mint a komplemens aktuális párolgásban bekövetkezett változás).

Érdekes talán azt is megemlíteni, hogy miután Marc B. Parlange és Wilfried Brutsaert (1998) a KH segítségével magyarázatot adtak a párolgási paradoxonra a Thomas C. Peterson és munkatársai (1995) által közölt cikkre válaszolva, utóbbiak egy újabb cikkükben revideálták korábbi következtetéseiket. Ennek ellenére, mint azt az Atsumu Ohmura és Martin Wild (2002), illetve a Damon Matthews (2006) cikk is bizonyítja, a kétely, hogy a hidrológiai ciklus szárazföldi párolgást érintő része gyengül, tovább él.

Újabban a KH-n alapuló párolgásszámítási módszerek (Brutsaert – Stricker, 1979; Morton, 1983; Kahler – Brutsaert, 2006; Szilágyi, 2007), talán a KH előbb említett sikere kapcsán is, elterjedőben vannak. Azonban a legnagyobb előnyük ezen módszereknek (David M. Kahler – Wilfried Brutsaert [2006] kivételével), hogy kádpárolgási mérések hiányában is alkalmazhatók, és ráadásul csak rutinszerűen mért meteorológiai változókat igényelnek, úgymint szélsebesség, léghőmérséklet, légnedvességi mutató, illetve bejövő globálsugárzás. A rutinszerűen mért meteorológiai adatok viszonylag jó térbeni eloszlásának, illetve több évtizedet felölelő múltjának köszönhetően így a globális párolgás szárazföldi komponensének, illetve időbeni trendjének meghatározása napjainkban tehát lehetővé vált, ahogy azt Szilágyi József (2001) munkája is példázza.

Végezetül illene néhány szót mondani a fent vázolt kutatások gyakorlati alkalmazásáról, hiszen manapság különösen sok szó esik a hazai közéletben a tudomány és társadalom kapcsolatáról. A társadalom joggal várhatja el, hogy az adófizetők pénzén támogatott kutatásnak végső soron valamilyen társadalmi haszna legyen. A probléma abból adódik, hogy előre nem lehet pontosan megmondani, mely tudományág és azon belül melyik kutatási terület fogja a közel- vagy távoljövőben a társadalomnak ezt a hasznot meghozni. Szinte közhelyszámba megy már a tranzisztor feltalálásának története, amelyet kezdetben mindenki csak egy érdekes játékszernek tartott. Vagy hogy közelebb kerüljünk jelen témánkhoz, a klimatológia tudományát többen még pár évtizede is egy nem túl sok gyakorlati haszonnal kecsegtető tudományágnak tekintették. Ezt manapság viszont már senki nem mondaná komolyan. Valahogy így van ez a hidrológiával is, hiszen ki gondolta volna mondjuk ötven évvel ezelőtt, hogy egy nagy, vízzel rendszeresen feltöltött, a napra kitett „lavór” segítségével következtetéseket tehetünk majd a globális hidrológiai körforgás hosszú távú változására. Végül megjegyezzük: a németországi Max Planck Meteorológiai Kutatóintézet által vezetett, a klímaváltozás kelet- és közép-európai hatásának vizsgálatára irányuló, nemrég indult hároméves EU kutatási projekt keretében partnerintézményként a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszékén ugyanezen „lavórelmélet” segítségével vizsgáljuk, hogy a következő fél évszázadban előreláthatóan miképp fog alakulni a Balaton párolgása, és hogy vajon a 2003-ban megfigyelt rendkívüli alacsony vízszint milyen gyakorisággal várható a jövőben. Reméljük, hogy e kutatási munkának konkrét gyakorlati eredményei tovább erősítik a tudomány társadalmi hasznáról alkotott képét.


Kulcsszavak: hidrológia, klímaváltozás, hidrológiai ciklus, párolgás

Irodalom

Bouchet, R. J. (1963): Evapotranspiration réelle, évapotranspiration potentielle, et production agricole. Annales Agronomiques, 14, 743–824.

Brutsaert, Wilfried – Stricker, H., 1979. An Advection-aridity Approach to Estimate Actual Regional Evapotranspiration. Water Resources Research. 15, 443–449.

Parlange, Marc B. – Brutsaert, Wilfried (1998): Hydrologic Cycle Explains the Evaporation Paradox. Nature. 396, 30.

Kahler, David M. – Brutsaert, Wilfried (2006): Complementary Relationship between Daily Evaporation in the Environment and Pan Evaporation. Water Resources Research. 42, W05413.

Matthews, Damon (2006): The Water Cycle Freshens Up. Nature. 439, 793–794.

Morton, F. I. (1983): Operational Estimates of Areal Evapotranspiration and Their Significance to the Science and Practice of Hydrology. Journal of Hydrology. 66, 1–76.

Ohmura, Atsumu – Wild, Martin (2002): Is the Hydrologic Cycle Accelerating? Science. 298, 1345–1346.

Peterson, Thomas C. – Golubev, V. S. – Groisman, P. Y. (1995): Evaporation Losing Its Strength. Nature. 377, 687–688.

Priestley, Charles Henry Brian – Taylor, R. J. (1972): On the Assessment of Surface Heat Flux and Evaporation Using Large-Scale Parameters. Monthly Weather Review. 100, 81–92.

Szilágyi József (2001): Modeled Areal Evaporation Trends Over the Conterminous United States. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 127, 4, 196–200.

Szilágyi József (2007): On the Inherent Asymmetric Nature of the Complementary Relationship of Evaporation. Geophysical Research Letters. 34, L02405.





1. ábra • A hidrológiai ciklus sematikus ábrája.


<-- Vissza a 2008/06 szám tartalomjegyzékére


<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra