Röviden

Ez a mítosz egy bizonyos szó – a „telítődött” – használatán (vagy valójában helytelen használatán) alapul. Amikor valaki egy hosszan tartó felhőszakadásból érkezik be, könnyen kijelentheti, hogy teljesen átázott. Elképzelni sem tudja, hogy még nedvesebb lehetne. Ez azonban a szó hétköznapi használata.

A tudományban a „telített” szigorúan meghatározott fogalom. Például egy telített sóoldatban több só már egyáltalán nem tud feloldódni. De mi köze ennek a Föld légkörében zajló hőátadáshoz? Nézzük meg.

A légkörben a CO₂ hővisszatartó hatása azért működik, mert képes elnyelni és továbbadni az infravörös sugárzást – vagyis „üvegházhatású gáz”. Az infravörös sugárzás az elektromágneses spektrum egyik része, amelyet a fizikusok több különböző tartományra osztanak. A spektrum alacsony frekvenciájú végétől haladva ezek a tartományok a következők: rádióhullámok, mikrohullámok, infravörös sugárzás, látható fény, ultraibolya sugárzás, röntgensugárzás és gammasugárzás. A gammasugarak tehát rendkívül magas frekvenciájúak. Ezek a sugárzás legnagyobb energiájú formái.

Ahogy egyre jobban megértettük az elektromágneses spektrumot, felismertük, hogy a sugárzás úgynevezett „fotonokból” áll, amelyek hullámokként terjednek. A kifejezést 1926-ban alkotta meg a neves fizikus, Gilbert Lewis (1875–1946). Egy foton energiája összefüggésben áll a hullámhosszával. Minél rövidebb a hullámhossz, annál nagyobb az energia, így a rendkívül nagy energiájú gammasugarak rendelkeznek a legrövidebb hullámhosszal valamennyi közül.

A napfény nagyrészt ultraibolya, látható fényből és infravörös fotonokból áll. A Nap által felmelegített tárgyak ezután infravörös hullámhosszokon sugározzák vissza az energiát fotonok formájában. Más üvegházhatású gázokhoz hasonlóan a CO₂ képes elnyelni az infravörös fotonokat. A CO₂ azonban nem olyan, mint egy felmosórongy, amelyet rendszeresen ki kell csavarni ahhoz, hogy továbbra is működjön. A CO₂-molekulák nem telnek meg infravörös fotonokkal. Nemcsak saját infravörös fotonjaikat bocsátják ki, hanem folyamatosan ütköznek a levegőben lévő szomszédos molekulákkal is. Ezek az állandó ütközések fontosak. Minden egyes ilyen ütközés során energia oszlik meg az ütköző molekulák között.

Ezeken a kibocsátásokon és ütközéseken keresztül a CO₂-molekulák folyamatosan melegítik a környezetüket. Ez állandóan zajlik a légkör minden szintjén. Nem lehet azt mondani, hogy „a CO₂ telítődött, mert a felszín által kibocsátott infravörös sugárzást gyorsan elnyeli”, mert figyelembe kell venni az egész légkört és annak állandóan zajló energiacsere-folyamatait. Ez azt jelenti, hogy számításba kell venni minden elnyelést, minden újrakibocsátást, minden ütközést, minden melegedést és lehűlést, valamint minden, végül a világűr felé jelentkező veszteséget – a légkör minden szintjén.

Ha a világűrbe távozó sugárzás mennyisége megegyezik a Napból érkező energia mennyiségével, akkor azt mondjuk, hogy a Föld energiaegyensúlyban van. Ha azonban az üvegházhatás erőssége növekszik, a távozó energia mennyisége elmarad a beérkező energiához képest. Ekkor a Föld energiaegyensúly-hiányos állapotba kerül, és az éghajlat felmelegszik. Kétszerezzük meg a CO₂-koncentrációt, és néhány foknyi felmelegedést kapunk; kétszerezzük meg ismét, és újabb néhány fokkal emelkedik a hőmérséklet, és így tovább. Itt nincs helye az önelégültségnek. Mire már egyetlen megkétszereződés bekövetkezik, a bolygó állapota már felismerhetetlenné válhat. A mítoszban szereplő szigeteléses hasonlat félrevezető, mert túlságosan leegyszerűsíti a légkörben zajló folyamatokat.

Részletesebb magyarázat

Ez a mítosz egyetlen szó – a „telített” – használatára épül. Amikor a hétköznapi értelemben gondolunk a telítettségre, gyakran az „átázott” állapot jut eszünkbe. Ez jó példája annak, amikor egy szónak a köznyelvben egy jelentése van, de a légkörfizikában egy másik, nagyon pontos jelentéssel rendelkezik. Más hasonló szavak is eszünkbe juthatnak. Az „elnyel” és „kibocsát” kifejezések két jó példa erre a témára, és az alábbiakban azt is megvizsgáljuk, hogyan kapcsolódnak a légköri folyamatokhoz.

Kezdjük az alapokkal. A CO₂ légköri hatása annak köszönhető, hogy befolyásolja az „elektromágneses sugárzás” (EMR) terjedését. Az elektromágneses sugárzás olyan energia, amely röntgensugárzás, ultraibolya (UV) fény, látható fény, infravörös (IR) sugárzás és más formák révén terjed (1. ábra). A sugárzás abból a szempontból különleges, hogy energiát tartalmaz, ugyanakkor mindig mozog – a fénysebességgel –, ezért egyben energiaátviteli forma is. A sugárzás abban is különleges, hogy részecskeszerű tulajdonságokkal rendelkezik, miközben hullámként is terjed, ezért beszélünk a hullámhosszáról.

A sugárzást alkotó részecskéket fotonoknak nevezzük. Minden foton meghatározott mennyiségű energiát tartalmaz, amely összefügg a hullámhosszával. A nagy energiájú fotonok rövid hullámhosszúak, az alacsony energiájú fotonok pedig hosszabb hullámhosszúak. A klímakutatásban két fő sugárzási kategória érdekel bennünket: egyrészt a látható fény, valamint az UV- és kisebb részben az IR-sugárzás, amelyek együtt alkotják a napfényt; másrészt pedig a Föld–légkör rendszerből származó IR-sugárzás.

1. ábra: Az elektromágneses spektrum teljes tartományát és az egyes sávok tulajdonságait bemutató ábra. Kép: CC BY-SA 3.0 from Wikimedia.

A CO₂ képes elnyelni az infravörös fotonokat – vagyis „üvegházhatású gáz”. De mit jelent az, hogy „elnyel”, amikor sugárzásról beszélünk? Mindannyian ismerjük a szivacs használatát a kiömlött víz feltörlésére. A szivacs csak bizonyos mennyiségű vizet képes felszívni, és nem vesz fel többet, amíg ki nem csavarják. A hétköznapi nyelvben ezt – pontos mérés nélkül – „telítettnek” nevezhetnénk. Ebben a háztartási példában az „elnyel” lényegében azt jelenti, hogy „felszív”, a „telített” pedig egyszerűen azt, hogy „kapacitásig megtelt”. A tudományos fogalmak ezzel szemben szigorúan meghatározott jelentéssel rendelkeznek.

Most nézzük meg a légkört. Az üvegházhatás a következőképpen működik: az energia a Napból látható fény és ultraibolya sugárzás formájában érkezik. Ennek egy része eléri és felmelegíti a Föld felszínét. A Föld ezután az energiát infravörös sugárzás fotonjainak formájában bocsátja ki.

A légkörben található üvegházhatású gázok, például a CO₂-molekulák, elnyelik ennek az infravörös sugárzásnak egy részét, majd minden irányba újra kibocsátják – beleértve a Föld felszíne felé irányuló sugárzást is. A CO₂-molekula nem telik meg infravörös fotonokkal úgy, hogy elfogyna benne a hely további fotonok számára. Ehelyett a CO₂-molekula elnyeli az infravörös foton energiáját, és maga a foton megszűnik létezni. A CO₂-molekula ekkor több energiát tartalmaz, de ez csak átmeneti állapot, mivel a molekula saját infravörös fotonokat bocsát ki. Nemcsak erről van szó: a molekula folyamatosan ütközik a környező levegő más molekuláival, például N₂- és O₂-molekulákkal. Ezekben az ütközésekben a többletenergia megoszlik közöttük. Ez az energiamegosztás felmelegíti a közvetlen környezetben lévő levegőt (2. ábra).

2. ábra: Az üvegházhatás működés közben, a molekulák közötti kölcsönhatásokat bemutatva. Ezek a kölcsönhatások a légkör minden szintjén megtörténnek, és folyamatosan zajlanak. Grafika: jg.

A CO₂ fotonelnyelő képessége gyakorlatilag korlátlan. A CO₂-molekula más molekulákkal történő ütközésekből is energiát vehet fel, és energiát veszíthet infravörös sugárzás kibocsátása révén. Amikor egy foton kibocsátódik, nem egy tárolt fotont veszünk elő a „raktárból” – hanem a tárolt energiát alakítjuk át fotonná, amely fénysebességgel távolodik. A CO₂ tehát folyamatosan nyel el infravörös sugárzást, folyamatosan bocsát ki infravörös sugárzást, és folyamatosan oszt meg energiát a környező levegő molekuláival. A CO₂ szerepének megértéséhez figyelembe kell vennünk az energia tárolásának és szállításának valamennyi ilyen formáját.

Tehát hol jelenik meg a „telítettség” fogalma a klímaváltozást kétségbe vonó érvelésekben? A leggyakoribb módja annak, ahogyan ezt megpróbálják keretezni, az az állítás, hogy a felszín által kibocsátott infravörös sugárzást azon hullámhosszakon, amelyeken a CO₂ elnyeli a sugárzást, már mind viszonylag közel a felszínhez elnyeli a légkör. Ezért – folytatódik az érvelés – további CO₂ hozzáadása már nem változtathat érdemben semmin. Ez a kihagyás miatt pontatlan, mert akár jóhiszeműen, akár szándékosan, figyelmen kívül hagyja a teljes képet, amelyben az energia folyamatosan cserélődik más molekulákkal történő ütközések révén, és a CO₂ folyamatosan bocsát ki infravörös sugárzást. Ez azt jelenti, hogy a CO₂ a légkör minden szintjén folyamatosan bocsát ki felfelé irányuló infravörös sugárzást. Lehet, hogy ez a sugárzás nem közvetlenül a felszínről származik, de az infravörös sugárzás továbbra is jelen van azokon a hullámhosszokon, amelyeket a CO₂ elnyel és kibocsát. Amikor a felső légkörben bocsátódik ki, ez a sugárzás kijuthat a világűrbe, és ki is jut.

Ha figyelembe vesszük a CO₂ infravörös sugárzás elnyelésével kapcsolatos valamennyi energiaátvitelt – az energiának más molekulák felé történő átadását, a kibocsátást, valamint a légkör minden magasságában felfelé és lefelé irányuló energiaáramlásokat –, akkor azt találjuk, hogy a jelenlegi légkörhöz adott további CO₂ gátolja a sugárzási energia áthaladását a légkörön keresztül, és végső soron az űrbe történő távozását is. Ez további felmelegedéshez vezet mindaddig, amíg a világűrbe távozó energia mennyisége egyensúlyba nem kerül a beérkező energiával. Pontosan ez történik jelenleg.

A fent bemutatott mítosz – amely helytelenül a tetőszigeteléshez hasonlítja a folyamatot, azt állítva, hogy minden egyes egység egyre kisebb hatással jár – félrevezető. A CO₂-koncentráció 280 ppm-ről 560 ppm-re történő megkétszereződése néhány foknyi felmelegedést okoz. Az újabb megkétszereződés (560-ról 1130 ppm-re) hasonló mértékű további felmelegedést okoz, és így tovább. Sokszoros megkétszereződés után elérkezhet egy olyan pont, ahol további CO₂ hozzáadása már csekély hatással jár, de a legújabb kutatások komoly kétségeket vetettek fel ezzel kapcsolatban (He et al. 2023). Ettől a ponttól azonban nagyon-nagyon messze vagyunk, és mindenesetre nem szeretnénk a közelébe kerülni sem! Már egyetlen megkétszereződés is elég súlyos következményekkel járna.

Végül, a jól elkeveredett üvegházhatású gázok által okozott, sajátos globális sugárzási kényszer közvetlen megfigyelése mindeddig nehézségekbe ütközött. Ennek oka a szabálytalan, nem kalibrált vagy területileg korlátozott mérésekben rejlik. A közelmúltban azonban eredményeket tettek közzé a NASA Aqua műholdján található Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) műszer több évnyi (2003–2021 közötti) adatainak újbóli, részletes elemzéséről (Raghuraman et al. 2023). Ez a kutatás jó eséllyel végre megoldotta azt a régóta fennálló problémát, hogy miként lehet a Földről a világűrbe távozó hosszúhullámú sugárzást finoman részletezett, következetes, hullámhossz-specifikus módon mérni. Ennek köszönhetően megnyílhatott az út az üvegházhatású gázok koncentrációváltozásai által okozott sugárzási hatás (vagyis a kényszer + visszacsatolás) közvetlen megfigyelése előtt, kiegészítve ezzel a Keeling-görbét – a bolygó felszínén mért CO₂-koncentrációk régóta vezetett adatsorát.

Megjegyzés: John Mason mellett többen is részt vettek ennek az alapfokú cáfolatnak a frissítésében, nevezetesen Bob Loblaw, Ken Rice és John Garrett (jg).