1.7. Az üvegházhatású gázok és légköri aeroszolok koncentrációjának változása

Az iparosodás és a robbanásszerű népességnövekedés révén az emberi jelenlét a Földön egyre intenzívebbé válik, mely folyamat megváltoztatja az üvegházgázok és aeroszolok légköri eloszlását és koncentrációját. Ezeknek a változásoknak a következtében jön létre a sugárzási kényszer megváltozása, melyet a napsugárzás eltérő mértékű elnyelése és visszaverődése, illetve a földsugárzás eltérő mértékű emissziója és elnyelése magyaráz.

A változásokat előidéző sugárzási kényszer (SK) antropogén és természetes összetevői, a becsült változások mértéke az 1750 és 2005 közötti időszakban

1.9. ábra. A változásokat előidéző sugárzási kényszer (SK) antropogén és természetes összetevői, a becsült változások mértéke az 1750–2005 közötti időszakban. A zárójelben lévő értékek jelzik az 5%-os, illetve 95%-os valószínűségű megbízhatósági értékeket. A jobb oldali oszlopban a tudományos megértés szintje (TMSZ) szerepel. (Forrás: IPCC, 2007a) - Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Figure 2.4. IPCC, Geneva, Switzerland

Az elmúlt 250 évben az alsó légkörben bekövetkezett sugárzási viszonyok megváltozásáért számos folyamat felelős, melyeket az 1.9. ábra foglal össze. A legnagyobb hatású, s egyértelműen a globális melegedés irányába mutat ezen összetevők közül az üvegházhatás erősödése, pontosabban az üvegházgázok antropogén kibocsátásból eredő koncentráció-növekedése. További légkört „melegítő” komponensek: a troposzférikus ózonkoncentráció emelkedése, a fosszilis tüzelőanyagok égetéséből származó bizonyos aeroszolok mennyiségének növekedése (pl. korom), a repülőgépekből a légkörbe kerülő égéstermékek hatása, valamint a napsugárzás ingadozásának eredője. A sugárzási kényszer növekedését részben kompenzálják a légkört „hűtő” folyamatok: a sztratoszférikus ózonkoncentráció csökkenése, a szulfát aeroszolok és a szerves anyagok égetéséből származó aeroszolok mennyiségének növekedése, valamint a földhasználatban bekövetkezett változások.

Ha összehasonlítjuk a legfontosabb üvegházgázok koncentrációinak a jelenlegi és az iparosodási folyamatot megelőző értékeit, a légköri koncentráció növekedésének ténye vitathatatlan. Az 1.10. ábra bemutatja a fontosabb üvegházgázoknak az elmúlt tíz évezred és az utolsó 250 év során bekövetkezett koncentráció-változásait. A szén-dioxid légköri koncentrációja 280 ppm-ről (2012-ben) 394 ppm-re növekedett az ipari forradalom kezdete óta, a metáné 715 ppb-ről 1825 ppb-re, a dinitrogén-oxidé pedig 270 ppb-ről 322 ppb-re. Mindhárom gáz esetén az ipari forradalmat megelőző évezredek során jelen változásokhoz képest csak minimális ingadozás figyelhető meg.

Fontosabb üvegházgázok légköri mennyiségének változása az elmúlt 10.000 évben, valamint 1750 és 2000 között

1.10. ábra. Fontosabb üvegházgázok légköri mennyiségének változása az elmúlt 10.000 évben, valamint 1750–2000 között. A jobb oldali tengely beosztása a koncentrációváltozás okozta sugárzási kényszer megváltozását tükrözi. (Forrás: IPCC, 2007a) - Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Figure 2.3. IPCC, Geneva, Switzerland

A legújabb kutatások alapján (Lüthi et al. 2008; Tripati et al. 2009) a jelenlegi légköri szén-dioxid koncentráció bizonyosan nem fordult elő az elmúlt 800.000 évben, s nagy valószínűséggel az elmúlt 3-20 millió évben sem. A szén-dioxid koncentráció-növekedés üteme 2000 és 2008 között elérte az 1,9 ppm/év mértéket, mely több mint tízszer gyorsabb emelkedést jelent, mint amit az elmúlt 22.000 év jégfuratmintái jeleznek (Joos és Spahni 2008).

A koncentráció mellett még egy nagyon fontos paramétere az üvegházgázoknak az ún. tartózkodási idő, mely megmondja, hogy a légkörbe kerülés után a gáz várhatóan átlagosan mennyi idő múlva kerül ki a légkörből. A szén-dioxid esetén ez 50-200 év, a metánnál 12 év, a dinitrogén-oxidnál 114 év (IPCC, 2007a). Új üvegházhatású gázként jelentek meg az 1950-es évek közepétől a halogénezett szénhidrogének (CFC-gázok), melyeknek nincsenek természetes forrásai. Ezen gázok kizárólag emberi tevékenység következtében kerülnek a légkörbe, s a légkör alsó részében rendkívül stabilak, átlagos tartózkodási idejük 65–130 év.

Lényeges tényező, hogy a szén-dioxid, a dinitrogén-oxid, s némely halogénezett szénhidrogén-gáz légköri tartózkodási ideje a 100 (esetenként akár több ezer) évet is meghaladja, ami a mai generáció felelősségét csak még jobban kiemeli. Ahhoz, hogy megbecsülhessük a növekvő légköri üvegházhatás következtében esetlegesen bekövetkező globális melegedéshez az üvegházgázok egyenkénti hozzájárulását, három tényezőt kell figyelembe venni:

Az üvegházgázok közül a szén-dioxid a legkevésbé aktív gáz. Nála 21-szer hatékonyabb a metán, 206-szor aktívabb a dinitrogén-oxid, s átlagosan mintegy 15.000-szer aktívabbak a CFC-gázok a sugárzási energia elnyelésében és újra kisugárzásában. Ennek ellenére a CO2 gáz a legjelentősebb komponense a globális melegedési folyamatnak, ahogy ezt az 1.9. ábrán is láthatjuk. A szén-dioxid domináns szerepe magas légköri koncentrációjával és tartózkodási idejével magyarázható.

Az elmúlt évtizedekben kutatások sora foglalkozott az üvegházgázok légköri folyamataival, koncentrációváltozási tendenciáik mind pontosabb megértésével. Mindkét hemiszférát lefedő monitoring hálózatok segítik ezeket a vizsgálatokat, és mérik e gázok koncentrációjának térbeli és időbeni alakulását. A következőkben sorra vesszük a fontosabb légköri üvegházgázokat, s összefoglaljuk jelenlegi tudásunkat a globális melegedésben betöltött szerepükről.

1.7.1. Szén-dioxid (CO2)

Annak megértése, hogy a légkörben térben és időben hogyan változik a szén-dioxid koncentrációja, nem könnyű feladat. Az 1.11. ábrán a földi szénciklus fontosabb komponenseit, s a közöttük lejátszódó folyamatokat mutatjuk be vázlatosan. A zárójelekben látható, illetve a nyilak mellé írt számok az adott részfolyamatban résztvevő szén becsült összmennyiségét adják meg milliárd tonna (Gt) egységben. A földi ökoszisztéma legaktívabb széntározói a szárazföldi bioszféra, a légkör és az óceán, melyek rendre 610, 730 és 38.000 milliárd tonna szenet tárolnak. Az óceán és légkör közötti éves szén-dioxid-forgalom megközelítőleg 90, míg az élő növények által közvetített, szárazföldek feletti évi forgalom 100 milliárd tonna körül ingadozik. Évtizedes szinten a természetes folyamatok hatására elnyelt és felszabaduló szén-dioxid nettó mennyisége közelítően megegyezik, tehát ezek a folyamatok egyensúlyban vannak.

A globális szénciklus folyamatainak áttekintése

1.11. ábra. A globális szénciklus folyamatainak áttekintése, 1990–1999. A tározók, illetve a fluxusok esetén jelzett értékek rendre Gt-ban, illetve Gt/év-ben vannak megadva. (az Ausztrál Meteorológiai Szolgálat ábrája alapján)

E természetes egyensúly került veszélybe, hiszen a XIX. század elejétől kezdődően a szén-dioxid koncentráció tetemes növekedése figyelhető meg (1.10. ábra), mely feltételezések szerint az egyre intenzívebb emberi jelenléttel, s az egyre fokozódó iparosodással magyarázható. Az elmúlt száz évben az erdővel borított térségek mezőgazdasági területekké való átalakítása önmagában 100 milliárd tonna szenet juttatott a légkörbe. Azóta tovább gyorsult az erdőirtási folyamat, főként a dél-amerikai, afrikai és délkelet-ázsiai őserdők intenzív kitermelése, égetése miatt. Az 1.12. ábra műholdfelvételén jól látszik, ahogy a brazil esőerdőket szisztematikusan irtják az Amazonas vidékén. Az egymással párhuzamos fehér vonalak a sávszerűen kiirtott területeket jelölik, melyek között az erdőt egy pár hónapos szárítási időszak után felgyújtják, és így teljesen megbontják a helyi ökoszisztéma egyensúlyát.

Műholdképekről is jól látható erdőirtások Brazíliában, az Amazonas vidékén

1.12. ábra. Műholdképekről is jól látható erdőirtások Brazíliában, az Amazonas vidékén. (NASA, 2000alapján)

Másik és az előbbinél jelentősebb forrása a légkörbe jutó szén-dioxidnak a fosszilis tüzelőanyagok (szén, kőolaj, földgáz) égetése, amely nagyrészben a gyorsuló ütemben iparosodó világunk állandóan növekvő energiaigényét hivatott fedezni. 1999-ben még 6,5 GtC volt a kibocsátott mennyiség, míg ez 2005-re már 7,8 GtC-re emelkedett (Boden et al., 2012). Az utóbbi három évtizedben a fosszilis tüzelőanyagok intenzív használatából eredő szén-dioxid kibocsátás mintegy 70%-kal növekedett. A tüzelőanyagok égetése során a szén oxidálódik és szén-dioxiddá alakul: minden elégetett tonna szénből 3,7 tonna szén-dioxid gáz keletkezik. A források régiónként változó sűrűsége miatt nagyon egyenlőtlen a tüzelőanyagok égetése révén a légkörbe jutó szén-dioxid mennyiségének területi eloszlása. Az északi félteke fejlődő országainak részesedése egyre jelentősebb, például Kínában és Indiában különösen figyelemre méltó a kibocsátás mértékének növekedése az elmúlt néhány évtizedben.

Talán meglepő a fenti számértékek ismeretében, hogy az antropogén eredetű szén-dioxid kibocsátás csupán 1/25-öd részét adja a teljes légköri szén-dioxid forgalomnak, s a maradék 24/25-öd rész természetes felszíni folyamatok következtében jut a légkörbe. A jelentéktelennek tűnő kis antropogén részarány ellenére a fenti folyamatok fenyegető következménye – jelentős CO2-koncentrációnövekedés formájában – már napjainkban is jól mérhető. Ennek hátterében egyrészt a légköri szén-dioxid forgalom egyensúlyi állapotának szignifikáns megbillenése, másrészt a koncentrációtöbblet évről-évre kumulálódó jellege áll. Ez egyben a légköri egyensúlyi állapot nagyfokú érzékenységét is jelzi.

A légköri szén-dioxid jövőbeni koncentrációjára előrejelzést adni nagyon nehéz feladat. A nagy bizonytalanságot az emberi eredetű szén-dioxid emisszió sok tényezőtől való függése magyarázza. Fontos összetevők többek között, hogy mennyi lesz a Föld lakóinak a száma az elkövetkezendő időszakban, milyen energiahordozókat fogunk használni, milyen hatékony lesz az energiafelhasználás, milyen szinten áll majd a fejlődő országok életszínvonala, s mennyi lesz energiaigényük? Ezek a kérdések számos társadalmi, szociológiai, ökológiai, technológiai, gazdasági, s politikai tényezőtől függnek, ebből adódik ezen folyamatok bizonytalansága, valamint előrejelzésük, modellezésük nehézsége.

1.7.2. Metán (CH4)

A metán (CH4) gáz természetes úton a szerves anyagok lebomlásánál keletkezik, amennyiben nincs jelen elegendő oxigéngáz. Bár a metán koncentrációját nem mérik olyan régóta, s időben olyan folyamatosan, mint a szén-dioxidét, mégis az elmúlt évtizedekben született tanulmányokból egyértelműen kiderül, hogy átlagos évi koncentrációnövekedése közelítően 1%. A XX. század nagy részében nagyobb mértékű volt a növekedés, de az utolsó két évtizedben jelentősen lelassult. Ennek ellenére már jelenleg is túllépett az iparosodási folyamatot megelőző koncentrációs szint kétszeresén.

A szén-dioxidhoz hasonlóan, a metán esetén is megfigyelhetjük a földfelszín és a légkör közötti természetes cserefolyamatokat. A metán légkörbe kerülésének legfontosabb forrása a mocsárvidékek kigőzölgése. Ez az ún. „mocsárgáz” döntően metánt tartalmazó gázelegy. Metánt bocsátanak ki a rovarok (termeszek) és a kérődző állatok (kecskék, birkák, szarvasmarhák) is emésztésük során. Az 1.10. ábra középső diagramja a metánkoncentráció alakulását mutatja be az elmúlt tíz évezredben. Érthető e gyors koncentrációnövekedés, ha figyelembe vesszük, hogy például a háziasított formában tartott marhaállomány az elmúlt évszázadban megnégyszereződött a Földön. Az utóbbi évtizedekben ugyan csökkent a mocsárvidékek területe, de a népesedéssel arányosan, ugrásszerűen megnövekedett a rizsültetvények területe, valamint az elégetett biomassza mennyisége is, melyek további fontos metánforrások. A metánemisszió elsődleges forrásainak nagy része a gyorsan átalakuló felszínhasználat következménye, amely az ugrásszerűen növekedő népesedéssel van összefüggésben. Így könnyű belátni, hogy a XXI. században is várhatóan folytatódni fog a már 200 éve nyomon követhető tendencia, a CH4 gáz légköri koncentrációjának növekedése.

1.7.3. Dinitrogén-oxid (N2O)

A dinitrogén-oxid egy növekvő légköri koncentrációjú nyomgáz (1.10. ábra). Legfontosabb nyelője a sztratoszféra, ahol lebomlása fotokémiai reakciók révén történik. Ezen kívül jóval kisebb mennyiséget nyelnek el a troposzférában zajló folyamatok, ahol a lebomlás főként a talajban megy végbe. Két legfontosabb forrása az óceán és a talaj. A koncentrációnövekedés fő oka az ammónia alapú (mind a háziállatok trágyájával, mind a műtrágyákkal való) trágyázás elterjedése. Kisebb antropogén források még a szarvasmarha-tartás és takarmányozás, az ipari folyamatok, valamint az egyre növekvő biomassza-égetés. A dinitrogén-oxid természetes körforgásáról, cserefolyamatairól még mindig nagyon keveset tudunk. Néhány tény azonban ismeretes: a dinitrogén-oxid koncentrációnövekedésének évi átlagos mértéke 0,3%, jelenlegi szintje mintegy 18%-kal haladja meg az iparosodás előtti légköri koncentrációszintet. A gáz légköri tartózkodási ideje 114 év. A sok bizonytalanság ellenére is létezik a szakemberek által általánosan elfogadott álláspont, mely szerint a dinitrogén-oxid koncentráció-növekedésének is a növekvő intenzitású emberi tevékenység az oka.

1.7.4. Halogénezett szénhidrogének

A halogénezett szénhidrogének halogén elemeket, például fluort, klórt vagy brómot tartalmaznak. A légköri üvegházgázok közül ezek a legaktívabbak abban az értelemben, hogy egyetlen molekulájuk a legerősebb üvegházhatást fejti ki. Jelentős a szerepük a sztratoszférikus ózon lebontásában is (ezt a következő szakaszban részletezzük). A természetben eredetileg nem fordultak elő, de iparilag nagy mennyiségben állították elő őket. A legismertebb csoportja e vegyületeknek a klórozott, fluorozott szénhidrogének (ún. CFC-gázok). Használatuk a II. világháború után széles körben elterjedt: hűtőgépekben, légkondicionáló berendezésekben, hajtógázokként, habosító anyagként stb. Az 1987-ben megkötött Montreáli egyezmény (és a későbbi szigorításai) jelentős mértékben korlátozta a két leginkább ózonromboló CFC-gáz kibocsátását, s ezeknek köszönhetően ma már jelentősen csökkent, gyakorlatilag megszűnt a CFC-11 és a CFC-12 gáz alkalmazása. A gázok hosszú légköri tartózkodási ideje miatt e pozitív folyamatok a légköri koncentráció csökkenésében még nem éreztethetik jelentős mértékben hatásukat.

1.7.5. Ózon (O3)

A légköri ózon 10%-a a troposzférában, 90%-a a sztratoszférában található (1.13. ábra). Fotokémiai reakciók révén mindkét szinten folyamatosan lebomlik és újra keletkezik. A két rétegben egymással ellentétesen változott az elmúlt évtizedekben az ózon koncentrációja, azaz a troposzférában nőtt, a sztratoszférában csökkent. Sajnálatos, hogy mindkettő az ember és a földi élővilág számára kedvezőtlen következményekkel jár.

A légköri ózonkoncentráció változása a magassággal

1.13. ábra. A légköri ózonkoncentráció változása a magassággal. (ACIA, 2005 nyomán)

Ahhoz, hogy pontosan lássuk a sztratoszférikus ózonrétegben lejátszódó folyamatokat, közel 50-féle elemet és legalább 200 fotokémiai reakcióegyenletet kellene felírnunk, megértenünk. Mi mindösszesen a két legfontosabb CFC-gáz (a CFC-11 és CFC-12) fotokémiai bomlásának, valamint a keletkező klóratomnak az ózonréteg lebontásában játszott szerepét leíró reakcióegyenletét mutatjuk be az 1.14. ábrán, melyből jól látható az ózonréteg lebontásának vázlatos folyamata klór-monoxid (ClO) gáz jelenlétében. (A mérhető klór-monoxid koncentrációból lehet következtetni a bomlási sebességre.)

A magaslégköri ózonréteg bomlása halogénezett szénhidrogének által

1.14. ábra. A magaslégköri ózonréteg bomlása halogénezett szénhidrogének által

A sztratoszférikus ózonkoncentráció csökkenése nem egyenletesen jelentkezik a különböző földrajzi régiókban. Jelentős negatív anomáliákat figyelhetünk meg a magas földrajzi szélességeken, elsősorban a déli félgömbön az Antarktisz felett, azonban ez a tendencia az északi félgömbön is jelentkezik. Az 1.15. ábra az Antarktisz feletti „ózonlyuk” kiterjedésének változásait mutatja be az 1980–2010 közötti időszakban, amely definíció szerint a 220 Dobson Egységnél kisebb ózonkoncentrációjú térség. 1980-tól kezdve az 1990-es évek közepéig vitathatatlanul növekedett e terület nagysága. Míg az 1980-as évek közepén az ózonlyuk kiterjedése elérte az Antarktisz területét, addig napjainkra csaknem megduplázódott, s maximális kiterjedése már az Észak-Amerikai kontinens területét is meghaladja.

Az Antarktisz feletti „ózonlyuk" kiterjedésének változása 1980 és 2010 között

1.15. ábra. Az Antarktisz feletti „ózonlyuk" kiterjedésének változása 1980–2010 között. (NASA adatai alapján)

A déli félgömbön különösen szeptember-október hónapokban jelentkezik az erőteljes ózoncsökkenés, melynek 2000. évi mértékét az 1.16. ábrán láthatjuk.

Az Antarktisz feletti „ózonlyuk” 2000. szeptemberben, illetve 2000. októberben

1.16. ábra. Az Antarktisz feletti „ózonlyuk” 2000 szeptember és október hónapjaiban. (NASA mérései nyomán, 2000)