Ugrás a tartalomhoz

Globális környezeti problémák és néhány társadalmi hatásuk

Dr. Anda Angéla Dr. Burucs Zoltán Dr. Kocsis Tímea (2011)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

1. fejezet - METEOROLÓGIAI ALAPISMERETEK (ANDA ANGÉLA)

1. fejezet - METEOROLÓGIAI ALAPISMERETEK (ANDA ANGÉLA)

A légkör vagy atmoszféra (1.1 ábra) egyike a földi szféráinknak (hidroszféra, litoszféra, bioszféra és krioszféra), a Földet körülvevő gázburok, különböző gázok elegye. A gázösszetevők mellett vannak a légkörben szilárd és cseppfolyós halmazállapotú komponensek is, melyeket légköri aeroszolnak nevezünk. A levegővédelem területén a por elnevezés az aeroszolok szinomímájaként gyakran használatos. A légkör a levegőszennyezés helyszíne. Normál körülmények között ritka kivétellel, pl. freonok, a légszennyező anyagok adott koncentrációban a légkör környezetre ártalmatlan alapanyagai. Légszennyezés akkor következik be, ha e légköri gáz, szilárd és cseppfolyós halmazállapotú anyagok koncentrációja egy kritikus határérték fölé emelkedik, vagy az anyagok tartózkodási ideje megemelkedik. A koncentráció és a tartózkodási idő együttesen határozza meg a potenciális veszély mértékét, melyet expozíciónak nevezünk.

A légkör fontosabb fizikai tulajdonságai

A nem szennyezett légkör összetétele

Rövid, mindössze néhány évtizedes múltra tekint vissza az a felismerés, hogy az ember akaratán kívül megváltoztathatja a légkör összetételét, vagyis (levegő)környezetének nemcsak használója, hanem alakítója is egyben. A folyamat, mely a fenti felismeréshez vezetett a globális klímamódosulás, ill. annak előidézőihez, az üvegházhatású gázokhoz kötődik.

Gáz komponensek

A légkör gáz összetevőiről már a 18. sz. végén is tudták, hogy 2 fő alkotóelemből áll; a nitrogénből és az égést tápláló oxigénből. A nitrogén néhány vegyülete környezetünkben károsítóként is megjelenhet, melynek forrása nem feltétlenül a légkör, bár egy folyamatával hozzájárulhat a kimosódott nitrát koncentráció emelkedéséhez:

A villámlás bizonytalanná teszi a változás folyamatos bekövetkeztét. A légkörben átalakult nitrát-ion a csapadékkal mosódik ki a légkörből, lekerül a talajra, ahonnét a mélyebb rétegekbe is leszivároghat bőséges csapadék esetében. A környezeti probléma oka legtöbbször a mesterséges nitrogén utánpótlás bősége (mezőgazdaság!), mely a többi makrotápelemtől eltérően mozgékony, s akár a vízzáró rétegig is eljuthat. Az ivóvizet a rétegvizekből nyerjük, nitrát tartalmának növekedése komoly egészségügyi kockázattal jár. A nitrát koncentráció egészségügyi határértéke 25 mg/liter ivóvízben és 100 mg/kg a talajban. Az érzékeny területeken az egészségügyi problémák elkerülése végett a felhasználható N műtrágya hatóanyag mennyisége korlátozott (170 kg/ha).

A nitrátos víz emberi szervezetbe jutásakor a vér hemoglobinja oxigén helyett nitrátot szállít a felhasználó sejtekhez. A nitrát forralással nem bomlik el, sőt töményebb lesz a vízben, még nagyobb problémát okozva. A feltételek a mélyebb rétegekbe való lehatoláshoz tavasszal (5°C feletti talajhőmérséklet, magas talajnedvesség) kedvezőbbek. Európában és Magyarországon is a nitrát légköri átalakulásának a mennyisége csekély, átlagában mindössze 5-10 kg N hatóanyag várható hektáronként évente. Kivételes évjáratok azonban előfordulhatnak. A légköri eredetű nitrát kihullás nedves ülepedéssel történik (1.2 ábra).

A két nagy komponens melletti többi gáz légköri jelenlétének meghatározása a 19. században történt. A légkör összetétele a földtörténeti korokban nem volt állandó, s valószínűleg ez a változékonyság a jövőben is megmarad.

A meteorológiában a légköri gázokat azok forrásától a nyelőig történő eljutásának ideje alapján, az tartózkodási idő hosszúsága szerint csoportosíthatjuk (). A forrás intenzitása (F) megmutatja, hogy egységnyi idő alatt mekkora tömegű gázt bocsát ki a forrás. A nyelő intenzitása (Ny) megadja, hogy egységnyi idő alatt mekkora tömegű gázt fogad be a nyelő.A több milliárd éves földtörténetből néhány száz évet kiemelve, mely a teljes kornak mindössze másodperces töredékének tekinthető, ebben a rövid szakaszban a gázok tömeg/forrás intenzitása megegyezik a tömeg/nyelők intenzitásával, hiszen ezen intervallumban az adott légköri gáz mennyisége (M) állandó. Ezzel a feltétellel élve adott gáz tartózkodási ideje:

A gázokat a légköri tartózkodási idejük alapján három kategóriába sorolhatjuk. A legtovább a fő összetevők maradnak a légkörben, melyek tartózkodási ideje 1000 években mérhető. Ezeket a gázokat állandó gázoknak, vagy állandó összetevők nevezzük, mely állandóság relatív, mivel a földtörténeti korokban mennyiségük jelentősen változhatott, kivéve néhány nemesgázt. A változó és az erősen változó gázok (összetevők) tartózkodási ideje az állandó összetevőkénél nagyságrenddel rövidebb. Az erősen változó összetevőknél a légköri tartózkodási idő már napokra szűkül (1.1 táblázat).

A légkör anyagainak a legegyszerűbb, a környezetvédelemben, levegővédelemben kiterjedten használt csoportosítási módja az alkotók mennyisége alapján történik, mely szerint fő összetevő a mintegy 78 tf%-ot kitevő nitrogén, s a közel 21 tf%-nyi oxigén (két atomos molekula). A többi gáz alkotja a rendkívül népes légköri nyomgázokat. Ha a nyomgázok mellé vesszük a csekély mennyiségben jelen lévő szilárd és cseppfolyós halmazállapotú anyagokat is, akkor már légköri nyomanyagokról beszélünk.

A légköri aeroszolok

A légkör összetételében a gázok dominálnak, de mindig található benne szilárd és folyékony halmazállapotú alkotóelem is. Ezeket a nem gáz komponenseket nevezzük együttesen légköri aeroszoloknak. Méretük meglehetősen változékony: ezred μm és néhányszor tíz μm-os nagyságrendűek, amelyből egyértelmű, hogy 99%-uk szabad szemmel nem látható. Az apróbb méretű ezred-század mikronos aeroszolok összetételüket tekintve savgázok és gőzök. A nagyobb méretű aeroszolok a tengerek-óceánok sókristályai, valamint a légmozgással a légkörbe kerülő földkéreg ásványai. Összetételüket tekintve a leggyakoribb nagyméretű aeroszolok az alábbiak:

  • Sókristályok

  • Kvarckristályok

  • Biológiai eredetű pollenek, mikro-szervezetek

  • A földfelszínt alkotó szinte valamennyi vegyület (Fe, Mg, Mn stb.).

A levegőből szárazan, vagy a csapadékkal együtt hullnak ki. A víz tartózkodási idejéből adódik, hogy maximálisan 9-10 napig maradnak a légkörben. Az aeroszolok légköri koncentrációja (cm-3) területenként változik:

  • Nagyvárosok 150000

  • Városok 35000

  • Vidék 7000

  • Tengerpart 9800

  • Szigetek 9000

  • Óceánok felett 900

Az aeroszolok jelenléte mennyiségétől és minőségétől függően tekinthető hasznosnak és károsnak egyaránt. A Föld csapadékviszonyainak alakításában fontos szerepe van a légköri aeroszolnak, mert ezek a kondenzációs magvak, amelyekre a pára kicsapódik. Nem kedvező a jelenléte, ha például koncentrációja határértéken felüli. Ez módosítja a légkör optikai tulajdonságait, látástávolságot, nem beszélve az egészségre gyakorolt negatív hatásairól. A megnövekedett aeroszol koncentráció módosítja a légkör polaritását, melynek tünet együttese megegyezik a frontátvonulások idején tapasztaltakkal. A veszélyt tovább fokozza, hogy egyéb anyagok is adszorbeálódhatnak az aeroszol felületén (nehézfémek, radioaktív anyagok). A savas esők előfordulásának valószínűsége megnőhet azokon a területeken, ahol sok az aeroszol. A ködképződés gyakoriságát is megnöveli.

A légkör alakja

A légkör alakja nem követi pontosan a Föld közelítőleg gömb alakját, hanem a napsütés hatására a sötét oldalon elnyújtott alakot vesz fel. A napszél hatására a napsütötte oldal belapul, a másik oldal csóvaszerűen megnyúlik. A jellegzetes alakzat oka a napszél által létrehozott elektromosan töltött részecskék föld mágneses tere általi csapdába ejtése. Ez alkotja a mágneses erővonalak mentén kirajzolódó Van Allen övezete(ke)t (1.3 ábra).

A légkör tömege

A légkör tömegének (m) kiszámítása az átlagos légnyomás ismeretében az alábbi egyszerű egyenlettel történik:

ahol p: átlagos légnyomás a talaj felszínén (1 kg/cm2) F: a Föld felszíne (5,1*1014 m2) G: a gravitáció (nehézségi erő)

Összehasonlításképpen a Föld tömege 6.1021t, mely 106-al meghaladja a légkör tömegét.

A légkör függőleges tagozódása

A légkör kémiai és fizikai sajátosságai a magassággal változnak. Az alsó, kb. 85-90 km-es vastagságú rétegben a levegő kémiai összetétele és átlagos molekulatömege állandó. Ezt a réteget ezért homoszférának nevezzük. Tovább távolodva a Föld felszínétől, az arány fokozatosan eltolódik a kisebb sűrűségű összetevők javára, a levegő molekulatömege ezért a magasság növekedésével erősen csökken. Így 800-1000 km-es magasságban az atomos oxigén, 1500 km táján már a hélium adja a levegő többségét, majd 1500 km fölött a hidrogén válik uralkodóvá. A légkörnek ezt a 85-90 km fölötti részét, ahol az összetétel a magasság függvénye, heteroszférának nevezzük.

Termikus tulajdonságai alapján a légkört 5 rétegre osztjuk (1.4 ábra). A legalsó földközeli réteg a troposzféra, mely átlagos magassága 11 km. A légkör tömegének 80%-át ez a réteg tartalmazza. A magasság növekedésével csökken a levegő hőmérséklete a függőleges hőmérsékleti gradiensnek megfelelően -0,65°C-al 100 m-ként. A korábban megismertetett légköri összetétel jellemzi. A legfontosabb időjárási jelenségeink színtere, ezért a továbbiakban majdnem kizárólagosan az itt lejátszódó jelenségekkel foglalkozunk (kivéve ózon csökkenés problémáját). A troposzféra hőmérséklete és kiterjedése a földrajzi szélesség függvénye, ezért a troposzféra a sarkoknál alacsonyabb (5-7 km), mint az Egyenlítőnél (15-18 km). A réteget – mint minden további réteget egy pauza (egy vékonyabb átmeneti réteg), a tropopauza zárja, melynek hőmérséklete -56,5°C.

Planetáris határrétegnek nevezzük a troposzféra alsó 1-1,5 km vastag részét. A troposzféra talajfelszínnel érintkező 1-1,5 m-es rétegében a talaj tulajdonságai érvényesülnek, ezért ez a talajmenti légréteg. A meteorológiai állomásokat a talajbefolyásoló hatásától mentesítve a felszíntől 1,80-2,20 m magasra helyezzük, hogy a légkör tulajdonságait nagyobb térségre kiterjeszthetően jellemezhessük.

A második réteg a 11-50 km között elhelyezkedő sztatoszféra. Mintegy 22-35 km magasságig a hőmérséklete állandó (ennek oka a magas ózon koncentráció), s 35 km fölött a hőmérséklet növekszik. Az O3 legnagyobb koncentrációban 22-35 km magasságban található /ozonoszféra/, s szerepe az élet szárazföldi térhódítása szempontjából kimagasló, mivel kiszűri a 280-290 nm-nél rövidebb hullámhosszúságú sugarakat. A sztratoszféra felső határa a sztratopauza.

A mezoszféra 50-85 km között helyezkedik el. A légkör hőmérséklete csökken a magasság növekedésével, s tetején a mezopauzában -93°C, mely a légkör leghidegebb része. A mezoszféra sok tekintetben hasonlít a tropopauza tulajdonságaira, vannak benne vertikális mozgások és felhőképződés. A meteorok ide jutnak le, ahol elégnek.

A termoszféra kb. 85-1000 km között található. Benne a hőmérséklet növekszik, akár az 1000°C-ot is meghaladja. A termoszférára (amelyre már nem jellemző az alsó rétegek keverési aránya), a levegőmolekulák, elsősorban a molekuláris oxigén disszociációja illetve ionizációja jellemző. Ezt a részt ionoszférának nevezzük, ahol az ionizált részecskék sávokba rendeződnek. Az ionizáció miatt ez a réteg vezeti az elektromosságot, s ezért a rádióhullámok zömét visszaveri. Ebben a rétegben figyelhető meg a sarki fény jelensége.

A légkört kívülről lezáró exoszféra 1000 km fölött van. Benne tovább melegszik a légkör.

A légkör kiterjedése

A légkör anyagai fokozatosan mennek át a légüres tér anyagaiba, nincs ismert, konkrét számmal meghatározható határvonala. Elméleti határa ott lenne, ahol a nehézségi erő és a centrifugális erő egyensúlyt tart egymással. Ez a magasság, a számítások szerint mintegy 36000 km, a Föld sugarának kb. hatszorosa. A műholdak mérései azonban azt mutatják, hogy ebben a magasságban még olyan réteg található, amelyet feltétlenül az űrtől eltérőnek, a Föld légköréhez tartozónak kell számítanunk. Ez a magasság mégis választóvonalnak tekinthető, mivel a felette elhelyezkedő rétegek már nem forognak együtt a Földdel.

A levegő fizikai állapotjelzői

A gázokat a termodinamikában három állapotjelzővel tudjuk jellemezni: a hőmérséklettel, nyomással és a sűrűséggel (térfogattal)

A hőmérséklet önmagában nem energiamennyiség, de a belső energiával arányos intenzív állapotjelző. Az abszolút hőmérsékleti skála 0 pontja az elméleti minimum, mely megfelel -273,16°C-nak, s egysége a Kelvin [K]. Hazánkban a Celsius skála terjedt el [°C], melyben a víz fagyáspontja normál légköri nyomáson 0°C, s a forrásban lévő víz feletti vízgőz hőmérséklete normál légköri nyomáson 100°C. A két skála közötti átváltás T [K]= 273,16 + t [°C]. A hőmérsékleti skálákat a 1.2 táblázat tartalmazza.

A talajközeli légtérben a száraz légtömeg függőleges mozgása során, ha mozgás közben környezetének nem ad le, és onnan nem vesz fel energiát , 100 méterenként 1°C-kal csökkenti a hőmérsékletét. Lefelé haladva a légkör ugyanennyivel melegszik. Ez a mutató a légkör száraz adiabatikus hőmérsékleti gradiense. Ha a telítettséghez közeli állapotú levegő emelkedése során eléri a telítettséget, megindul benne a nedvesség kicsapódása, s a felszabaduló párolgási, ill. fagyási hő felszabadul, mely a gradiens értékét felére csökkenti (-0,5°C/100 m). Ez a mutató a nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiens. A légnedvesség-tartalommal súlyozott egész Földre vonatkozó átlagérték a függőleges hőmérsékleti gradiens: 0,65°C 100 méterenként. Mindhárom érték a talajközeli légrétegre igaz.

Az adott felületre merőlegesen ható erő (F) és a felület (A) hányadosa a nyomás (p):

A légnyomás az egységnyi talajfelületre nehezedő levegőoszlop súlya. Az 1 Pa nagyon kicsi nyomást jelent, ezért a meteorológiai gyakorlatban ennek származtatott mennyiségét, a hPa-t (hektopascal) alkalmazzuk. 1 hPa=100 N/m2=1 mb. Az egyenlő nyomású helyeket összekötő görbéket izobárnak nevezzük. Kellően nagy területet áttekintve az izobárok koncentrikus köröket alkothatnak, mely nevezetes nyomásképződményeket jelöl ki. A középpontjában alacsony nyomásképződmény a ciklon, s ahol a legnagyobb nyomást a középpontban találjuk, anticiklon a neve (1.5 ábra).

A ciklon sajátos időjárást hozó légköri képződmény. Felléptekor felhős, csapadékos idő várható a felfelé irányuló domináns légáramlás miatt. Hazánkban az ősz csapadékos időjárása a Mediterrán térségből érkező, az átvonuló ciklonoknak köszönhető. A légszennyezés vonatkozásában a ciklonáris időjárási helyzet kedvező, mert csapadéka mintegy átmossa a légkört. Az anticiklon lefelé irányuló, szárító légmozgása következtében derült, napsütéses idő alakul ki(legjellemzőbben nyáron). A lefelé irányuló légáramlás hatására a szennyezőanyagok kiindulási helyre történő visszaszállítása várható. A téli időszak nagy lehűlései is ennek a légköri képződménynek köszönhetőek, nemcsak a nyáron fellépő stabil, száraz és felhőmentes időjárás.

A légnyomás függőleges változása: a légköri sztatika alapegyenlete

A légnyomással kapcsolatban fontos kérdés, hogy értéke a nyugalomban lévő tiszta és száraz levegőben miként változik a magassággal. Nyilvánvaló ugyanis, hogy légkörünkben emelkedve mind kisebb légnyomást fogunk tapasztalni, mivel egyre kisebb lesz a fölöttünk elhelyezkedő levegőréteg vastagsága és így a súlya is. A levegő sűrűség szerinti rétegződése a nehézségi erőtér hatására jön létre. A légnyomás magasság szerinti változásának törvényét tanulmányozva képzeljünk el egy egységnyi keresztmetszetű (dx * dy =1) légoszlopot. A légoszlopban (z1 és z2 rétegben) jelöljünk ki egy végtelenül kicsiny dz magasságú darabot. Az ebben foglalt levegő súlyával fog csökkeni a légnyomás, ha dz magassággal emelkedünk. Nyilvánvaló, hogy a dz magasságnövekedéshez tartozó dp nyomáscsökkenés értéke egyenlő lesz a dz térfogategységben foglalt levegő tömegének a gravitációval (g) való szorzatával.

A légkör bármely pontjának nyomása (pz2) kiszámítható a barommetrikus magassági formulával (légnyomás-magasság függvény), ha a p(z1) a tengerszinti referencia érték.

ahol R: egyetemes gázállandó T: hőmérséklet

A légkör bármely pontjának nyomása tehát függ:

  • A referenciaszinten mért értéktől (z1)

  • A légréteg átlaghőmérsékletétől (T)

  • A légréteg vastagságától (z2-z1)

Az egyenlet alapján megállapítható, hogy a légnyomás exponenciálisan csökken a felszín feletti magasság növekedésével.

A sűrűség (ρ) az egységnyi térfogatban (V) foglalt tömeg (m), mely helyett annak reciproka, a fajlagos térfogat is elterjedt a meteorológia gyakorlatában:

A talajközeli légtérben a levegő állapotjelzőinek átlagait a 1.3 táblázat foglalja össze.

A három állapotjelző közti kapcsolatot a gáztörvények fejezik ki. A gáztörvények ideális gázokra érvényesek. A levegő tulajdonságai közelítik az ideális gázokét (hőmérséklete messze esik a cseppfolyóssá alakulásához szükséges kritikus hőmérséklettől, a -141°C-tól, mivel légköri minimuma kb. -90°C körül van). Mivel a légkörben lejátszódó változások mindhárom állapotjelzőt együttesen érintik, az egyesített gáztörvény alkalmas a légkörben lejátszódó történések megjelenítésére. (A többi törvény bemutatásától eltekintünk.) Általános alakja:

A sűrűséggel (egységnyi tömegű gáz térfogatának reciproka) kifejezve:

A korábban definiált a fajlagos térfogatot (V’) bevezetve:

A légköri folyamatok méretei, elnevezések

A légkör jelenségeinek tér- és időbeli változékonysága rendkívüli. A térbeli leírást a méreteikkel, az időbelit a jelenség időtartamával adhatjuk meg. A kettő gyakran csak együtt értelmezhető. A térbeli elkülönítés lehet horizontálisan és vertikálisan, s azért nem könnyű, mert ugyanannak a kontinuumnak (légkör), gyakran összetételét tekintve azonos eleméről van szó. Az egyes elemek nem függetlenek egymástól, gyakran egymásba is alakulnak. A horizontális skála legalján a szemmel csak ritkán látható mikro-örvények vannak, cm-es nagyságrenddel. A legnagyobb a yet-stream (futóáramlás), mely akár többször 10 ezer km-es hosszúságot is elérhet. Közöttük még további két méret-kategóriát különböztetünk meg:

A jellemző időléptékeket az 1.6 ábra, a függőleges rétegeket a 1.7 ábra tartalmazza.