3. fejezet - Légköri sugárzási folyamatok

Tartalom

3.1. A légkör külső határára érkező sugárzási energia
3.1.1. A Nap, mint energiaforrás
3.1.2. A Föld Nap körüli forgásának változásai
3.2. A sugárzás spektruma és törvényszerűségei
3.3. A Nap és a Föld sugárzási spektruma
3.4. A napsugárzás elnyelődése a légkörben, az óceánokban és a talajban
3.5. A földfelszín kisugárzása, üvegházhatás
3.6. A Felszín-légkör rendszer energiamérlege

A földi légkörnek szinte egyedüli energia bevétele a Napból érkező elektromágneses sugárzás. Külön-külön alfejezetekben tárgyaljuk a Napból a légkör külső határára érkező sugárzási energia, a sugárzás alapvető törvényszerűségei, a napsugárzás légkörön való áthaladásának veszteségei témaköröket, valamint a légkör sugárzási egyenlegét.

3.1. A légkör külső határára érkező sugárzási energia

A légkör külső határára érkező energia mennyiségét alapvetően négy tényező befolyásolja: (1) a Napból kibocsátott energia mennyisége, (2) a Nap–Föld távolság, (3) a napmagasság (a Nap irányának a horizont síkjával bezárt szöge) és (4) a nappalok hossza. Vegyük sorra ezeket a hatásokat, s elsőként elemezzük a Napból kilépő energia mennyiségét, illetve annak változékonyságát.

3.1.1. A Nap, mint energiaforrás

Az univerzum 4,6 milliárd csillaga közül a mi Napunk semmiben sem tűnik ki, mindenben átlagos. Számunkra mégis különleges, hiszen mintegy 300.000-szer kisebb távolságra van (1,5 · 108 km-re), mint az őt követő legközelebbi csillag. A Nap mérete csillagnak ugyan közepes, mégis a Földdel, s a többi bolygóval összehasonlítva óriási (mint ahogy ez a 2.1 táblázatból is kitűnik). Tömegének 90%-a hidrogén, 10%-a hélium, más nehezebb elemek (mint például oxigén, szén, nitrogén) csak nyomokban találhatók benne. A Nap által kisugárzott energia a mag közelében végbemenő nukleáris folyamatokból származik. Itt, az ún. magmában a legmagasabb a hőmérséklet, mely elérheti akár a számunkra elképzelhetetlen 15 millió °C-ot. A Nap átlagos felszínhőmérséklete 5.800 °C körüli. A felszínéről kiáramló sugárzási energia intenzitása (becslések és mérések alapján) 62 millió W/m2-re tehető, amely az átlagos Nap–Föld távolságnak megfelelő 150 millió km távolságban a megfigyelhető 1367 W/m2-re csökken.

Ezt a mennyiséget napállandónak nevezzük, mivel értéke szinte állandó, azaz csak egy szűk intervallumon belül ingadozik. A napállandó értékének nagyon kis változása is jelentős mértékben befolyásolja a Föld energia-bevételét, ezért pontos mérése, folyamatos megfigyelése elengedhetetlen. A napállandó ingadozása az eddigi megfigyelések alapján nem haladja meg a 0,1%-ot, ha csak a Nap felszíni hőmérsékletének változását tekintjük (abban az esetben, ha a Nap–Föld távolság változását is figyelembe vesszük, akkor ez az érték akár a 6%-ot is elérheti). A napfelszín hőmérséklet-változásának egyik feltételezett oka, hogy a felszínén időről-időre hűvösebb területek, ún. napfoltok jelennek meg. A napfoltokat az átlagos felszínhőmérsékletnél lényegesen melegebb jelenségek, ún. fáklyák övezik. Egy-egy napfolt és a fáklyái közel egy időben jelennek meg, illetve tűnnek el nagy mágneses aktivitás kíséretében. A Nap által kisugárzott energia mennyiségét több tényező is befolyásolja, ilyenek többek között a napfoltok száma, a fáklyák aktuális hőmérséklete, valamint ezek összegzett területeinek aránya. Megfigyelhető, hogy időszakonként megemelkedik a napfoltok száma (akár 150-re is), majd lecsökken (esetenként 10 alá). Ezen időszakokat napfolt-maximumnak és napfolt-minimumnak nevezzük. A Nap felszínén egyidőben jelenlévő foltok számának változása 11 éves periódust mutat, ez az ún. napfoltciklus. A 3.1. ábrán az éves átlagos napfoltszám alakulása látható az 1610–2000-es időszakra vonatkozóan (mely mennyiség értelemszerűen csak a Nap látható felén összeszámolt foltokat tartalmazza). Az ábra megszerkesztéséhez az adatokat 1870-ig Eddy (1977) alapján, majd az 1871–2000 időszakra Lean és Rind (1985) munkáiból vettük. Jól kirajzolódik a 11 éves napfoltszám ciklus, melyet egyrészt az 1600-as években észlelt rendkívülien kis értékek, illetve teljes napfolt-hiány (a csillagászok Maunder-féle minimumnak nevezik), másrészt a XX. század növekedő tendenciája módosít. A Maunder-féle minimum oka nem ismert, de feltevések szerint ez is közrejátszhatott a szakirodalomban kis-jégkorszak néven számon tartott középkori hideg időszak kialakulásában.

 

Az éves átlagos napfoltszám alakulása az 1610–2000-es időszakban

3.1. ábra: Az éves átlagos napfoltszám alakulása az 1610–2000-es időszakban. (Adatforrások: 1870-ig Eddy (1977), majd az 1871–2000 időszakra Lean és Rind (1985))

3.1.2. A Föld Nap körüli forgásának változásai

A Föld, a naprendszer többi bolygólyához hasonlóan a Nap körül kering. E keringés következménye az évszakok megjelenése. A Föld saját tengelye körül is forog, mely magyarázza az éjszakák és nappalok váltakozását. Több ezer, illetve több tízezer éves időskálán a Nap körüli keringés orbitális paramétereinek periodikus változása a földfelszín sugárzási bevételeinek jelentős mértékű ingadozását eredményezi. A keringés pályaelemeinek változásait a 3.2–3.9. ábrák foglalják össze.

 

A Föld ellipszis pályájának lapultsága

3.2. ábra: A Földre érkező napsugárzás mennyiségét befolyásoló csillagászati hatások orbitális paraméterváltozások) – 1.): a Föld ellipszis pályájának lapultsága.

A Föld ellipszis pályán kering, melynek egyik gyújtópontjában a Nap áll. A Föld bolygó Nap körüli keringése által kifeszített síkot nevezzük az ekliptika síkjának. Az ellipszis pálya nagytengelyének két végpontjában (a perihélium és afélium pontokban) a Nap–Föld távolság értelemszerűen nem azonos. Emiatt a földi légkör felső határára érkező sugárzás mennyisége e két pontban kb. 7% eltérést mutat (3.2. ábra). A Föld a Nap körül nem mindig ugyanazon a pályán kering, az ellipszis pálya lapultságának (excentricitásának) változásában egy 100.000 és egy 400.000 éves kettős periódus figyelhető meg (3.3. ábra).

 

A Föld ellipszis pályájának lapultsága az elmúlt 1 millió év során

3.3. ábra: A Földre érkező napsugárzás mennyiségét befolyásoló periodikus jellegű orbitális paraméterváltozások az elmúlt 1 millió év során – 1.): a Föld ellipszis pályájának lapultsága (Forrás: Smith és Uppenbrink, 2001.)

A Föld saját tengelykörüli forgása sem állandó (3.4. ábra), az ekliptika síkjával bezárt szöge 41.000 éves periódussal (3.5. ábra) 21,1° és 24,5° között változik. A nagyobb tengelyelhajlásnál nő a hideg és meleg évszakok közötti kontraszt, különösen a magasabb földrajzi szélességeken (azaz mindkét féltekén hidegebb telek és melegebb nyarak jellemzik ezt az időszakot).

 

A Föld forgástengelyének elhajlása

3.4. ábra: A Földre érkező napsugárzás mennyiségét befolyásoló csillagászati hatások (orbitális paraméterváltozások) – 2.): a Föld forgástengelyének elhajlása.

 

A Föld forgástengelyének elhajlása az elmúlt 1 millió év során

3.5. ábra: A Földre érkező napsugárzás mennyiségét befolyásoló periodikus jellegű orbitális paraméterváltozások az elmúlt 1 millió év során – 2.): a Föld forgástengelyének elhajlása (Forrás: Smith és Uppenbrink, 2001.)

A forgástengely iránya is változik eközben egy képzeletbeli kúp palástját súrolva (3.6. ábra), e folyamat periódusideje 23.000 év (3.7. ábra).

 

A Föld forgástengelyének irányváltozása

3.6. ábra: A Földre érkező napsugárzás mennyiségét befolyásoló csillagászati hatások (orbitális paraméterváltozások) – 3.): a Föld forgástengelyének irányváltozása.

 

A Föld tengelyirányának változása az elmúlt 1 millió év során

3.7. ábra: A Földre érkező napsugárzás mennyiségét befolyásoló periodikus jellegű orbitális paraméterváltozások az elmúlt 1 millió év során – 3.): a Föld tengelyirányának változása (Forrás: Smith és Uppenbrink, 2001.)

A Föld az ellipszis pálya perihélium és afélium pontjában a naptári évnek nem mindig ugyanazon napján tartózkodik. Jelenleg rendre január 3-án, illetve július 4-én érkezik e pontokba a Föld, s 70 évenként 1 nappal lépked tovább, mely változások periódusideje 22.000 év (3.8. ábra).

 

Perihélium eltolódás

3.8. ábra: A Földre érkező napsugárzás mennyiségét befolyásoló csillagászati hatások (orbitális paraméterváltozások) – 4.): Perihélium eltolódás.

A nappalok hosszának évszakos változása követhető nyomon a 3.9. ábrán, ahol az éjszakák besötétített felületként jelennek meg.

 

Az évszakok változása

3.9. ábra: A Földre érkező napsugárzás mennyiségét befolyásoló csillagászati hatások (orbitális paraméterváltozások) – 5.): Az évszakok változása.

 

A napsugárzás változása a földrajzi szélesség és a hónapok függvényében

3.10. ábra: A napsugárzás változása a földrajzi szélesség és a hónapok függvényében, légkör nélküli Földet feltételezve (Forrás: Strahler, 1965)

A Föld forgási tengelyének dőléséből származó évszakos eltérések a különböző földrajzi szélességeken nagyon jelentős besugárzási különbségekhez vezetnek. Elég, ha az Egyenlítő menti állandó 12 órás nappalokat összevetjük a sarkok közelében tapasztalható 0-tól 24 óráig változó nappalok hosszával, vagy még inkább, ha az Egyenlítő-menti viszonyokat összevetjük a sarkokon tapasztalható féléven át tartó „nappallal” s az azt felváltó féléves „éjszakával”. Ezen faktorokat összesítve, a 3.10. ábrán láthatjuk a napi besugárzás mennyiségét az évszakok és a földrajzi szélesség függvényében a Földön. Ennek a számszerűsített értékeit a 3.11. ábrán nomogramok segítségével olvashatjuk le. Az eddigiekben elhanyagoltuk a földi légkör szerepét, s így értelemszerűen a légkörön való áthaladás sugárzási veszteségeit, vagyis tulajdonképpen a légkör felső határát jellemző viszonyokat vizsgáltuk.

 

A légkör felső határán horizontális felszínre érkező napi napsugárzás mennyisége

3.11. ábra: A légkör felső határán horizontális felszínre érkező napi napsugárzás mennyisége (W/m2) (Forrás: Barry és Chorley, 1995, valamint Liou, 2002 alapján)

A 3.10. és 3.11. ábrák tehát – nyilvánvalóan – a földi légkör felső határára érkező napsugárzás évi eloszlását illusztrálják. Szembetűnő, hogy június 22-én a nyári napforduló idején az Északi sark közelében találjuk a földre érkező besugárzás maximumát (538 W/m2), mely egyértelműen a fehér éjszakákkal magyarázható (ebben az időszakban napi 24 órán át nem megy le a Nap). Hasonlóan kiugró, magas sugárzási értéket (547 W/m2) találunk a téli napforduló idején december 22-én a Déli sarkon. A 3.10 ábráról (melynek forrása: Barry és Chorley, 1995, valamint Liou, 2002) azt is leolvashatjuk, hogy jelentős aszimmetria jelentkezik az északi és a déli félteke besugárzása között.

A tisztán csillagászati okokra visszavezetett besugárzási aszimmetria egy lényeges új elem, hiszen az északi és déli hemiszféra eltérő éghajlatának magyarázatául általában a kontinens-óceán arány eltérését, a kontinensek földrajzi szélesség szerinti eloszlását, az eltérő orográfiai viszonyokat, illetve az óceáni és légköri áramlásokat említi a legtöbb forrás.

A 3.12. ábra (Liou, 2002 alapján) összefoglalóan bemutatja a különböző földrajzi szélességekre érkező sugárzás mennyiségének évi összegeit. Az ábra felső része grafikonon, az alsó része számtáblázat formájában közli az évi sugárzási összegeket, mely: (1) a légkör felső határára érkezik (vastag vonal), (2) a földfelszínre az északi hemiszférán érkezik (vékony vonal), valamint (3) a déli hemiszférán érkezik a földfelszínre (szaggatott vonal). Az ábrán legfelül halad a légkör felső határára érkező sugárzás görbéje, s alatta a felszíni görbék. A táblázatban soronként bekereteztük a minimális és maximális évi összegeket, s az utóbbi értékeket szürke háttérrel kiemeltük. Az ábrából számos következtetés levonható, melyek közül néhányat kiemelünk:

(a) Évi átlagban a légkör felső határára az Egyenlítőnél közel kétszer annyi sugárzás érkezik, mint a sarkok körzetében.

(b) Az Egyenlítőnél a légkör felső határára érkező sugárzásnak csak a fele jut le a földfelszínre, a többi visszaverődik, szóródik, elnyelődik a légkörben.

(c) Míg a légkör felső határán az Egyenlítőnél van az évi besugárzási összegek maximuma, addig a felszínen mindkét féltekén ez áttevődik a 20° szélességekre (a trópusok nagycsapadékú zónája, illetve a magas borultság miatt).

(d) Míg a légkör felső határán a Sarkoknál van az évi besugárzási összegek minimuma, addig a földfelszínen a minimális besugárzás csak az északi féltekén esik a sarkvidékre, a déli hemiszférán eltolódik egészen a 60° földrajzi szélességig.

 

Évi átlagos besugárzás a földrajzi szélesség és a hónapok függvényében

3.12. ábra: Évi átlagos besugárzás (MJ/m2 év) a földrajzi szélesség és a hónapok függvényében 1366 W/m2-es napállandót feltételezve. A felső sorban a Földi légkör nélküli, a második és harmadik sorban az északi és déli félteke légköri veszteségeket is számító besugárzási értékei láthatók (adatok forrása: Liou, 2002).