Röviden

Milyen szerepet játszanak a felhők az életedben? Talán nem gondolsz erre tudatosan, de felhők nélkül a Föld szárazföldjei mind élettelen sivatagok lennének. Szerencsére a fizika törvényei ezt nem engedik megtörténni. A felhők létfontosságú szerepet töltenek be azáltal, hogy vizet szállítanak az óceánokról a szárazföldekre. És sok van belőlük: a NASA becslése szerint a bolygó kétharmadát borítja felhőréteg.

A felhők akkor alakulnak ki, amikor a vízpára kondenzálódik, és apró részecskék – úgynevezett aeroszolok – köré gyűlik. Az aeroszolok sokfélék lehetnek: gyakori példák a por, a füst vagy a kénsav. Alacsony magasságban a felhők parányi vízcseppekből állnak, míg a magasban jégkristályok alkotják őket. Az alacsony és magas felhők különböző szerepet játszanak a Föld éghajlatának szabályozásában. Hogyan?

Ha valaha is volt alkalmad felülről szemlélni egy vastag felhőréteget, például egy hegyről vagy repülőgépről, biztosan észrevetted, hogy ragyogóan fehérek. Ez a fehérség azt jelzi, hogy a napfény visszaverődik róluk. A visszavert napfény nem jut el a Föld felszínére – ezért is hűl le a levegő, amikor a kék eget felhők takarják el. Folyamatos alacsonyfelső felhőtakaró esetén a napfénynek csupán 30–60%-a jut át. Az alacsony felhők tehát valóban árnyékolnak.

Nem minden felhő ilyen hatékony árnyékoló. A fátyolos, magas felhők rosszul verik vissza a napfényt, viszont nagyon hatékonyan csapdázzák a Föld felszíne felől kiáramló hőt – nettó hatásuk tehát a globális felmelegedés fokozása.

A felhőképződés gyakran helyi léptékben zajlik, ezért részletes tanulmányozásukhoz sokkal nagyobb felbontású modellezés szükséges, mint amit a globális klímamodellek használnak. Ken Gregory 14 évvel ezelőtti kijelentése óta – amely egy kétes hátterű, a „Nagy Olaj” által részben finanszírozott kanadai csoport, a „Tudomány Barátai” nevéhez köthető (lásd: szkeptikus érvelések doboz) – jelentős előrelépések történtek az ilyen modellezésben. Ma már sokkal jobban értjük a felhőknek a Föld változó éghajlati rendszerére gyakorolt nettó hatását. Egyre nagyobb a tudományos bizonyosság abban, hogy a felhők változásai valószínűleg erősítik, nem pedig ellensúlyozzák az ember okozta globális felmelegedést a jövőben.

Két fontos folyamatot figyeltek meg a felhők viselkedésének megfigyelése és szimulációja során a melegedő világban. Először is, hasonlóan a vadvilághoz, az alacsonyan fekvő felhők is a sarkok felé húzódnak, ahogy a bolygó melegszik. Miért rossz hír ez? Mert a szubtrópusi és trópusi régiók kapják a napfény oroszlánrészét a Földön. Tehát ha kevesebb felhő van ezeken a területeken, sokkal több energia jut el a felszínre. Másodszor, észlelhető, hogy a legmagasabb felhőtetők magassága minden szélességi körön növekszik. Ez fenntartja a képességüket, hogy hatékonyan csapdázzák a lentről érkező hőt.

Van még egy hatás, amit figyelembe kell vennünk. Az aeroszol-kibocsátásunk az ipari forradalom előtti időkhöz képest drámaian megnőtt. Ennek következtében a felhőcseppek kisebbek és számosabbak lettek, így még jobban visszaverik a napfényt. Az emberi tevékenység által kibocsátott aeroszolok tehát hűtő hatást fejtettek ki, ellensúlyozva az üvegházhatású gázok által okozott melegedés jelentős részét.

Az ipari aeroszolok azonban szennyező anyagok is, amelyek károsítják az emberi egészséget. Miután ezt felismertük, csökkenteni kezdtük ezek kibocsátását. Ez viszont csökkenti az alacsony felhők fényvisszaverő képességét, ezáltal a hűtő hatásukat is, ami tovább erősíti a globális felmelegedést az üvegházhatású gázok növekvő szintje miatt.

Néha úgy tűnik, mintha két tűz közé szorultunk volna. Jobban jártunk volna, ha eleve nem bánunk úgy a légkörünkkel, mint egy szemetes ládával. De van megoldás: mindenféle kibocsátás csökkentése.

Részletesebb magyarázat

Az IPCC Hatodik Értékelő Jelentése tömören foglalja össze, hol tartunk jelenleg annak megértésében, hogy a felhők hogyan befolyásolnak bennünket a változó éghajlatban:

„Az egyik legnagyobb kihívás a klímatudományban annak előrejelzése, hogyan fognak változni a felhők a melegedő világban, és hogy ezek a változások felerősítik vagy részben ellensúlyozzák-e az üvegházhatású gázok növekvő koncentrációja és más emberi tevékenységek okozta melegedést. A tudósok jelentős előrelépést tettek az elmúlt évtizedben, és ma már biztosabbak abban, hogy a felhők változásai a jövőben a globális felmelegedést inkább felerősítik, semmint ellensúlyozzák.”

A mítoszterjesztőnk 2009-ben elkövetett hibája az volt, hogy túl gyorsan vont le következtetést a szükséges információk hiányában. Azt sugallta, hogy a felhők nem megfelelően jelennek meg a klímamodellekben, ezért feltételezte, hogy azok negatív hatással vannak a hőmérsékletre. Ahelyett azonban, hogy ilyen elhamarkodott következtetéseket vonnánk le, a felhőviselkedéssel foglalkozó szakemberek felismerték a kihívásokat, és szembe is néztek velük. Ennek eredményeként ma már sokkal többet tudunk a felhőkről.

A „röviden” részben megmagyarázzuk a lényeges különbséget a magas és alacsony felhők között, amelyek a melegítő, illetve hűtő hatás képviselői. Régebbi műholdfelvételek alapos vizsgálata kimutatta a felhőzet nagy léptékű változásainak mintázatait az 1980-as és 2000-es évek között (Norris et al. 2016). A megfigyelt és szimulált felhőváltozási mintázatok összhangban vannak a közepes szélességeken jellemző viharzónák sarkok felé való visszahúzódásával, a szubtrópusi száraz zónák kiterjedésével, valamint a legmagasabb felhőtetők növekvő magasságával minden szélességi körön. Ezeket a változásokat elsősorban két tényező hajtja: az üvegházhatású gázok koncentrációjának növekedése és a vulkáni eredetű sugárzási hűtésből való kilábalás. Ennek eredményeként a globális klímamodellek által legkövetkezetesebben előrejelzett felhőváltozások valóban megfigyelhetők a természetben is.

Az alacsonyan fekvő, hűtő hatású felhőkkel kapcsolatban az egyik különösen fontos kutatási terület a tengeri réteges gomolyfelhőzet (stratocumulus) vizsgálata volt. Ezek kiterjedt, alacsonyan elhelyezkedő felhők, amelyek teteje jellemzően 2 km alatti magasságban van, és ezek a leggyakoribb felhőtípusok a Földön. Az óceánok felett a stratocumulus gyakran szinte összefüggő takarót alkot, amely több ezer négyzetkilométeres kiterjedésű. Az ilyen felhők a trópusi óceánok mintegy 20%-át borítják a 30° déli és a 30° északi szélesség között. Különösen gyakoriak Észak- és Dél-Amerika, valamint Afrika nyugati partvidéke mentén (1. ábra). Ennek oka az, hogy a Föld kelet felé történő forgása következtében az óceánok felszíni vizei eltolódnak a kontinensek nyugati peremeitől. Az így kiszorított felszíni vizek helyét mélyből feláramló, viszonylag hűvös víz veszi át. Ezek a hideg vizek lehűtik a felettük lévő nedves levegőt, amelyben a vízpára kicsapódik, és felhőképződési cseppekké alakul.

1. ábra: Műholdkép egy kiterjedt tengeri stratocumulus-felhőréteg részletéről Észak-Amerika nyugati partjainál, jobb oldalon a jól felismerhető Alsó-Kaliforniával. Kép: NASA.

A tengeri stratocumulus-felhők nagyon fontos szerepet töltenek be az éghajlat szabályozásában, mivel rendkívül fényvisszaverő felületük nagymértékben blokkolja a beérkező napsugárzást. Régóta ismert, hogy ezeknek a felhőknek az óceáni kiterjedése akár néhány százalékkal történő növelése is jelentős globális lehűlést idézhet elő. Ezzel szemben, ha a felhőborítottság csökken, az számottevő globális felmelegedéshez vezethet.

Bár sok felhőtípus konvekció révén jön létre — amit a felmelegedett szárazföld vagy óceánfelszín hajt —, a tengeri stratocumulus-felhők esetében másról van szó. Ezek kialakulását és fennmaradását a felhőtetei kisugárzás okozta hűlés indítja el és tartja fenn, amit turbulens fel- és leáramlások tartanak mozgásban. A folyamat a következőképpen működik: a hideg levegő lesüllyed, így a kisugárzás által lehűtött levegő lesüllyed a tengerfelszínre, ott nedvességet vesz fel, majd azt visszajuttatja a magasba, ezzel táplálva és fenntartva a felhőt.

A stratocumulus-felhőtakarók azonban képesek szétesni is. Ez akkor következik be, amikor a felhőtetei kisugárzás már nem elég erős ahhoz, hogy a hideg levegőt lesüllyessze a felszínre. De akkor is megtörténhet, ha a felhő feletti száraz, meleg levegő betörése túlságosan erőssé válik, és megzavarja a felhőréteget.

Az ilyen folyamatok jelentőségét nemrégiben még alaposabban megvizsgálták egy ultramagas felbontású modell segítségével, amelyben a rácspontok távolsága mindössze 50 méter volt (Schneider et al., 2019). A globális klímamodellek jellemzően több tíz kilométeres rácsponttávolsággal dolgoznak, így nem képesek ilyen finom részletek megjelenítésére. Ezzel szemben ez az új modell képes különálló feláramlásokat és leáramlásokat is megjeleníteni a stratocumulus-felhőkön belül.

2. ábra: Tengeri stratocumulus-felhők viselkedésének modellezési eredményei egy magas CO₂-szintű világban. Az ábra a jelenlegi 400 ppm-es szintet hasonlítja össze az extrém, 1600 ppm-es értékkel (amely remélhetőleg sosem következik be, de a paleocén és eocén időszakban ilyen volt a „szuperüvegházhatású” éghajlat). Az újrarajzolt ábra eredetijének forrása: Schneider et al., 2019.

A modellezés azt mutatja, hogy az óceáni stratocumulus-felhőtakarók instabillá válnak, és elszórt gomolyfelhőkké esnek szét. Ez akkor következik be, amikor az üvegházhatású gázok szintje eléri az 1200 ppm körüli értéket (lásd 2. ábra). Amikor ez megtörténik, a felhők alatti óceánfelszín hirtelen felmelegszik, mivel a felhők árnyékoló hatása jelentősen csökken. A modell szerint a stratocumulus-takarók szétesésével felszabaduló többlet napsugárzás – egy olyan területen, amely a Föld mintegy 6,5%-át fedi le – önmagában körülbelül 8°C globális felmelegedést okozhat. A stratocumulus-felhők csak akkor alakulnak újra ki, ha a CO₂-szint jelentősen a destabilizációs küszöb alá csökken.

Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a klímarendszerben rejtőzhet egy eddig ismeretlen, potenciálisan erős és nemlineáris visszacsatolási mechanizmus. Ezek a megállapítások hozzájárulhatnak bizonyos paleoklimatikus rejtélyek megoldásához is, például az 50 millió évvel ezelőtti paleocén-eocén szuperüvegházhatású klímájához. Ezt az eseményt eddig nehéz volt teljesen megmagyarázni, mivel a korabeli CO₂-szint becslések nem haladják meg a 2000 ppm-et, a jelenlegi klímamodellek viszont nem tudják ezzel az értékkel elérni azt a szélsőséges melegséget. A fosszilis leletek azonban világos bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy a sarkvidékeken is trópusi körülmények uralkodtak, ahol például krokodilfélék éltek. Valaminek tehát ki kellett váltania ezt az éghajlati eltolódást!

A stratocumulus-felhőtakarók instabilitásának kvantitatív jellemzőit még mindig vizsgálják, de a jelenség fizikai alapja Schneider és társszerzői szerint megalapozott. Ami a jelent illeti: a globális felmelegedés közelmúltbeli felgyorsulásához részben hozzájárulhatott az aeroszolok csökkenése. Az aeroszolok ugyanis kisebb és nagyobb számú felhőcseppeket eredményeznek, ami növeli az alacsony felhők visszaverőképességét, azaz albedóját (lásd 3. ábra). Ebből következik, hogy ha az aeroszol-koncentráció csökken, akkor ennek ellentéte történik. Különösen fontos ebben a tekintetben a Nemzetközi Tengerészeti Szervezet (IMO) által 2015 elején bevezetett, majd 2020-ban tovább szigorított szabályozás, amely korlátozza a hajózási üzemanyagok kéntartalmát. Az aeroszolszennyezés folyamatos csökkenése – épp a tengeri stratocumulus-felhők alatt – tehát várható. Ennek következtében megváltozik a felhőcseppek mérete és mennyisége, csökken a felhőtetei albedó, és nő a Föld által elnyelt napsugárzás mennyisége. Ez pedig a meglévő üvegházhatású gázok által okozott felmelegedésen felül további melegedést jelenthet. James Hansen ezt egy nemrégiben kiadott közleményében (PDF) is tárgyalja itt.

3. ábra: A NASA grafikája, amely bemutatja a felhők, a beérkező napsugárzás és a hosszúhullámú infravörös (IR) sugárzás közötti kapcsolatot. A jégkristályokból álló magas felhők kevés napfényt vernek vissza, de jelentős mennyiségű IR-sugárzást nyelnek el és bocsátanak ki. Ezzel szemben az alacsony, vízcseppekből álló felhők sok napfényt tükröznek vissza, és szintén elnyelnek és kibocsátanak IR-sugárzást. Bármely olyan mechanizmus, amely csökkenti az alacsony felhők albedóját, növeli a felszínre jutó napsugárzás mennyiségét, így további melegedést okoz.

Az IPCC Hatodik Értékelő Jelentése szintén rámutat arra, hogy az aeroszolok légköri koncentrációja jelentősen megnőtt az ipari forradalom előtti időkhöz képest. Ennek következtében a felhők ma több napsugárzást vernek vissza, mint korábban. Más szóval: az emberi tevékenység által kibocsátott aeroszolok hűtő hatást fejtettek ki. Ez a hatás az elmúlt évszázad során jelentős mértékben ellensúlyozta az üvegházhatású gázok okozta melegedést. Ugyanakkor a jelentés azt is kijelenti, hogy ez az ellensúlyozó hatás várhatóan csökkenni fog a jövőben. Ahogy világszerte egyre szigorúbb légszennyezés-ellenes intézkedéseket vezetnek be, úgy csökken az aeroszol-kibocsátás. Ennek következményeként a felhőtetei albedó is csökkenni fog. Hansen pedig arra utal, hogy ez a folyamat talán már el is kezdődött.