Röviden

Bár ennek a témának kifejezetten technikai jellege lehet, a termodinamika mindennapi életünk szerves része. A termodinamika a fizikának az az ága, amely azt írja le, hogyan lép kölcsönhatásba az energia a rendszereken belül. Ez a kölcsönhatás határozza meg például azt is, hogy hogyan maradunk kellemesen melegben, vagy hogyan fagyunk halálra. Nagyon meleg időben kevesebb ruhát viselsz, hidegben pedig több réteg ruhát veszel fel, vagy plusz takarókat teszel az ágyadra, mert ezek a dolgok szabályozzák, hogyan lép kölcsönhatásba az energia a saját testeddel, és ezáltal azt is, mennyire érzed magad komfortosan, illetve szélsőséges esetekben azt, hogy biztonságban vagy-e.

Az emberi test, a környezete és a közöttük zajló energiaátadás egy olyan rendszer, amelyet mindannyian jól ismerünk. De lépjünk most egy jóval nagyobb léptékre, és gondoljunk a hőenergiára, valamint annak a Nap, a Föld szárazföldi és óceáni felszíne, a légkör és a kozmosz közötti átvitelére.

A napfény eléri légkörünk tetejét, és egy része eljut a felszínig, ahol egyaránt felmelegíti a talajt és az óceánokat. Ezek viszont hőt bocsátanak ki láthatatlan, ám melegítő infravörös sugárzás formájában. Ennek a sugárzásnak azonban láthatod a hatásait – gondolj csak arra a hőremegésre, amelyet egy aszfaltút felszíne fölött látsz egy forró, napos napon.

Ennek a sugárzásnak egy része felfelé halad a légkörön keresztül, és kijut az űrbe. Egy másik részét azonban az üvegházhatású gázok molekulái, például a vízgőz, a szén-dioxid és a metán elnyelik. Ezek a molekulák maguk is felmelegednek, majd ezt a hőenergiát minden irányba, lefelé is, újra kisugározzák. Az üvegházhatás következtében elkerülhető a kifelé irányuló sugárzás teljes vesztesége, és ezáltal gátolt a Föld felszínének lehűlése. E plusz takaró nélkül a Föld átlaghőmérséklete több mint harminc Celsius-fokkal alacsonyabb lenne a jelenleginél.

Ez mind összhangban van a termodinamika törvényeivel. A termodinamika első főtétele kimondja, hogy egy elszigetelt rendszer teljes energiája állandó – bár az energia egyik formából egy másikba átalakulhat, sem létrehozni, sem megsemmisíteni nem lehet. A második főtétel nem azt mondja ki, hogy az energia egyetlen lehetséges áramlási iránya a melegtől a hideg felé mutat – hanem azt, hogy az energiaáramlások nettó összege a melegtől a hideg felé fog irányulni. Ez a „nettó” kitétel itt a fontos. A Föld önmagában nem „zárt rendszer”, hanem a Naptól a Föld felé, majd onnan az űrbe irányuló állandó nettó energiaáramlás része. Az üvegházhatású gázok egyszerűen gátolják ennek a nettó áramlásnak egy részét azáltal, hogy a kifelé távozó energia egy részét visszairányítják a Föld felszíne felé.

Az a mítosz, miszerint az üvegházhatás ellentétes a termodinamika második főtételével, nagyrészt két német tudós (nem klímakutató), Gerlich és Tscheuschner (G&T) egy nagyon terjedelmes, 2009-es tanulmányán alapul. A tanulmány a címében azt állította, hogy megcáfolja azt az elméletet, miszerint a légkörünk által visszatartott hő melegen tart bennünket. Ez hatalmas állítás – nagyjából olyan, mintha azt állítanánk, hogy nincs gravitáció.

A G&T tanulmány azóta, hogy megjelent, az évek során számos részletes cáfolat tárgyát képezte. Ennek oka, hogy egy dolog, ami felkelti a tudományos közösség figyelmét, az, amikor egy nagy horderejű állításokat megfogalmazó tanulmány jelenik meg, amely azonban oly nyilvánvalóan téves. Ahhoz, hogy a tanulmányban szereplő minden egyes hibával teljes körűen foglalkozzunk, ennek a cáfolatnak több ezer szavasnak kellene lennie. Egy rövidebb visszavágás, amely a témáról a Quora webhelyén folytatott egyik beszélgetésben jelent meg, így szólt: „...Hozzátenném, hogy ha G&T-nek igaza lenne, akkor több tucatnyi terjengős oldalon bizonyították be, hogy a takarók nem tudnak melegen tartani éjszaka.”

Ha a termodinamika második főtétele igaz – amit nyugodtan feltételezhetünk –, akkor „a takarók nem tudnak melegen tartani éjszaka” állításnak hamisnak kell lennie. És – amint azt a saját tapasztalataidból is tudhatod – természetesen ez a helyzet!

Részletesebb magyarázat

A klímatudományt tagadók által terjesztett áltudományos témák között szerepel az az állítás, hogy a globális felmelegedés magyarázata ellentmond a termodinamika második főtételének. Így van ez? Természetesen nem (Halpern et al. 2010), de nézzük meg közelebbről. Először is tudnunk kell, hogyan történik a hőenergia átvitele, különös tekintettel a Föld légkörére. Ezután meg kell ismernünk, mi a termodinamika második főtétele, és hogyan alkalmazható a globális felmelegedésre.

A hőenergia öt fő módon terjed a rendszerekben: hővezetéssel, konvekcióval, advekcióval, látens hővel, és végül, de nem utolsósorban, sugárzással. Vegyük sorra ezeket.

A hővezetés egyes szilárd anyagokban fontos – gondolj arra, hogyan válhat túl forróvá a megérintéséhez egy hideg fémkanál, ha forrásban lévő vízzel teli edénybe helyezed. Sok folyadékban és gázban a hővezetés jóval kevésbé fontos. Van néhány kivétel, például a higany, amelynek olyan alacsony az olvadáspontja, hogy -38 Celsius-fok felett folyékony halmazállapotú, így praktikus hőmérsékletjelzőként használható a hőmérőkben. A levegő hővezető képessége azonban annyira alacsony, hogy ebből a beszélgetésből többé-kevésbé kizárhatjuk.

Konvekció

1. ábra: Egy heves zivatar fejlődik a walesi vidéken 2020 augusztusának egyik estéjén. A konvekció kiváló példájaként a feláramlások elég erősek voltak ahhoz, hogy akár 2,5 cm átmérőjű jégesőt is létrehozzanak. (Forrás: John Mason)

A meleg levegő felemelkedik – ezért működnek a hőlégballonok: a meleg levegő kevésbé sűrű, mint a környező hidegebb levegő, így a ballonban mesterségesen felmelegített levegő felhajtóereje nagyobb, és konvektív áramlást hoz létre. Ugyanez az alapelv érvényesül a természetben is: a konvekció a hőátadásnak folyadékban vagy gázban felfelé irányuló formája.

A konvekció rendkívül fontos a Föld légkörében, különösen annak alsó részében, ahol időjárásunk nagy része zajlik. Egy szép napon a konvekciót úgy figyelhetjük meg, ahogy a madarak az ún. termikeken szárnyalva és spirálisan emelkedve a felszálló meleg légáramlat segítségével egyre magasabbra jutnak. Más napokon a meleg, nedves levegő nagy tömegű felemelkedése a konvektív időjárás bármely formáját eredményezheti, a záporoktól kezdve egészen a heves zivatarokig, azok kísérő veszélyeivel együtt. A legszélsőségesebb esetekben, például szupercellákban, ez a konvektív felemelkedés vagy feláramlás megközelítheti az óránkénti száz mérföldes sebességet. Az ilyen erőteljes konvektív áramlatok elég hosszú ideig képesek magasan tartani a jégszemeket a zivatarfelhőben ahhoz, hogy azok golflabda méretűre vagy még nagyobbra nőjenek.

Advekció

Az advekció egy folyadék vagy gáz, valamint az ahhoz kapcsolódó tulajdonságok közel vízszintes irányú szállítása. Íme néhány példa. Az északi féltekén a déli szelek enyhe vagy meleg levegőt szállítanak észak felé a trópusokról. Amikor Európa felett 2022 decemberének elején egy hideg időszak gyorsan meleg, déli áramlásra váltott, az Egyesült Királyság egyes részein a hőmérséklet egyetlen hétvége alatt körülbelül -10 °C-ról +14 °C-ra ugrott a meleg levegő advekciója miatt. Az advekció bizonyos speciális jelenségekhez, például tengeri ködhöz is vezethet – amikor a szárazföld felett lévő meleg levegő a környező hideg tengerek fölé áramlik, ami a levegő és a tenger közötti határfelület közelében a vízgőz gyors lecsapódását okozza.

2. ábra: Az advekciós köd teljesen eltakarja a Cardigan-öblöt Wales nyugati partjainál 2015 egy áprilisi délutánján. A szárazföld felett felmelegedett levegő a tenger felé áramlott, ahol a benne lévő nedvesség gyorsan lecsapódott a sokkal hidegebb tengerfelszín felett.

Látens hő

A látens hő az az energia, amely egy anyag szilárd halmazállapotból folyékonyba, folyékonyból gázállapotúba, illetve fordítva történő halmazállapot-változása során felszabadul vagy elnyelődik. Egy szilárd anyag megolvasztásához vagy egy folyadék felforralásához hőenergiát kell adnunk a rendszerhez, míg amikor egy gőz lecsapódik vagy egy folyadék megfagy, energia szabadul fel. Az érintett energiamennyiség anyagonként eltérő: a vas megolvasztásához kemencére van szükség, egy jégkockát viszont csak szobahőmérsékleten kell hagynunk egy ideig. Az egyes anyagok közötti ilyen különbségeket az olvadás, illetve a párolgás fajlagos látens hőjével fejezzük ki, amelyet az energia mennyiségében (kilojoule-ban) adunk meg kilogrammonként. A Föld légköre esetében a látens hő szempontjából az egyetlen igazán fontos anyag a víz, mivel az uralkodó hőmérséklet-tartományban ez az egyetlen olyan alkotóelem, amely nagy mennyiségben van jelen, és folyamatosan vált a szilárd, folyékony és gáz halmazállapot között.

Sugárzás

A sugárzás energiaátadás elektromágneses sugarak formájában, amelyeket minden felmelegedett felület kibocsát. Az elektromágneses sugárzás a hosszú hullámhosszú sugárzástól – rádióhullámok, mikrohullámok, infravörös (IR) sugárzás – a látható fény tartományán át a rövid hullámhosszú sugárzásig – ultraibolya (UV) sugárzás, röntgensugárzás és gamma-sugárzás – terjed. Bár az infravörös sugárzást nem láthatod, érezheted, ahogy felmelegít, amikor a tűz mellett ülsz. A spektrum látható részét egyébként az 1800-as években „fénylő hőnek”, a láthatatlan infravörös sugárzást pedig „nem fénylő hőnek” nevezték, amikor még csak kezdték lassan megérteni az ilyen jelenségeket.

A napsugárzás a sugárzás egyik példája. A hővezetéssel és a konvekcióval ellentétben a sugárzásnak az a sajátossága, hogy a forrásától kiindulva egyenesen keresztül tud haladni a világűr vákuumán. A napsugárzás így mintegy 150 millió kilométeren át halad ezen a vákuumon keresztül, hogy közel állandó ütemben elérje bolygónkat. A napsugárzás egy részét, különösen a rövidhullámú UV-sugárzást, elnyeli a légkörünk. Egy részét a felhők teteje közvetlenül visszaveri az űrbe. A maradék egészen a talajig eljut, ahol a világosabb felszínek visszaverik, a sötétebbek pedig elnyelik. Ezért tudnak a fekete aszfaltfelületek egy fényes nyári napon annyira felmelegedni, hogy megolvadjanak.

3. ábra: Hőremegés egy felmelegedett útfelület felett, Lincoln Way, San Francisco, Kalifornia. 2007. május. Kép: Wikimedia Commons.

Energiamérleg

Mi köze van a fentieknek a globális felmelegedéshez? Nos, a Nap sugárzási fluxusán keresztül felmelegíti a légkört, valamint a szárazföldek és az óceánok felszínét. A napsugárzás által felmelegített felszínek pedig infravörös sugárzást bocsátanak ki, amelynek egy része közvetlenül kijuthat az űrbe, más részét azonban elnyelik a légkör üvegházhatású gázai, elsősorban a szén-dioxid, a vízgőz és a metán. Az üvegházhatású gázok nemcsak lelassítják az energia felszínről történő távozását, hanem újra is kisugározzák ezt az energiát, amelynek egy része visszafelé, a felszín felé irányul, növelve a felszín hőmérsékletét, és ezzel azt is, hogy mennyi energia sugárzódik ki a felszínről. Összességében ez a folyamat olyan állapothoz vezet, amelyben a felszín melegebb, mint amilyen üvegházhatású gázokat tartalmazó légkör hiányában lenne. Átlagosan az űrbe visszasugárzott energia mennyisége megegyezik a Naptól érkező energia mennyiségével, de van egy enyhe egyensúlyhiány, amelyre még visszatérünk.

Ha ez a rendszer bármelyik irányba súlyosan kibillent volna az egyensúlyából, a bolygó vagy megfagyott, vagy túlhevült volna már több millió évvel ezelőtt. Ehelyett a bolygó éghajlata nagy vonalakban stabil (vagy legalábbis stabil volt). A hőmérsékletek általában olyan határok között maradnak, amelyek lehetővé teszik az élet virágzását. Minden az energiamérlegen múlik. A 4. ábra bemutatja a számadatokat.

4. ábra: A Föld globális átlagos energiamérlegének sematikus ábrázolása (felső panel), valamint annak a felhőhatások figyelembevétele nélküli megfelelője (alsó panel). A számok a globálisan átlagolt energiamérleg-összetevők nagyságának legjobb becsléseit mutatják W m⁻²-ben, zárójelben a bizonytalansági tartományukkal (5–95%-os konfidenciatartomány), amelyek a 21. század eleji éghajlati állapotokat reprezentálják. Az ábra az IPCC AR6 WG1 7. fejezetéhez készült, Wild et al. (2015) alapján.

Miközben a világűrből a légkörünkbe befelé, illetve a légkörünkből a világűrbe kifelé áramló energia lényegében azonos, a légkör gátolja a Föld lehűlését, és ezt az energiát főként a felszín közelében tárolja. Ha egyszerűen arról lenne szó, hogy a napfény egyenesen bejut, az infravörös sugárzás pedig egyenesen távozik – ami akkor történne, ha a légkör átlátszó lenne az infravörös sugárzás számára (nem az) –, vagy ha egyáltalán nem lenne légkör, akkor a Föld hőmérséklet-tartománya hasonló lenne a lényegében légkör nélküli Holdéhoz. A Hold egyenlítőjén a nappali felmelegedés akár perzselő 120 °C-ra is emelheti a hőmérsékletet, de a sugárzásos lehűlés akadálytalanul végbemehet, így éjszaka a hőmérséklet körülbelül -130 °C-ra süllyed. Nincs légkör, nincs üvegházhatás.

Nyilvánvaló, hogy az üvegházhatású gázok koncentrációja meghatározza energiatároló képességüket, és ezáltal az üvegházhatás erősségét is. Ez különösen igaz azokra a gázokra, amelyek a légköri hőmérsékleten nem kondenzálódnak. E nem kondenzálódó gázok közül a szén-dioxid a legfontosabb. Mivel csak gőz formájában létezik, eltávolításának fő módja az, hogy az esővízben gyenge szénsavoldat formájában kerül ki a légkörből – a szén-dioxid régi elnevezése valóban „szénsavgáz” volt. Ez azt jelenti, hogy miután a légkörbe került, hosszú „légköri tartózkodási idővel” rendelkezik, vagyis hosszú időbe telik, mire eltávolítódik.

A Föld hőmérséklete hosszú időszakokon keresztül is stabil lehet, de ahhoz, hogy ez lehetséges legyen, a beérkező és a távozó energiának pontosan azonosnak kell lennie, az úgynevezett „sugárzási egyensúly” állapotában. Ezt az egyensúlyt a rendszer bármely összetevője által okozott kényszer megváltozása felboríthatja. Így például, ahogy a szén-dioxid koncentrációja a földtörténet során változott – többnyire fokozatosan, de egyes esetekben hirtelen –, úgy változott a bolygó energiatároló képessége is. Ezek a változások pedig meghatározták a Föld éghajlati állapotát, amely lehetett Üvegház- vagy Jégház-állapot – utóbbi alatt bármilyen méretű sarki jégsapkákkal rendelkező állapotot értünk. Jelenleg a Föld energiamérlegének egyensúlyhiánya átlagosan valamivel kevesebb mint +1 watt négyzetméterenként – ez a globális felmelegedés.

Ez mind összhangban van a termodinamika törvényeivel. A termodinamika első főtétele kimondja, hogy egy elszigetelt rendszer teljes energiája állandó – bár az energia egyik összetevőről a másikra átalakulhat, sem létrehozni, sem megsemmisíteni nem lehet. Magától értetődően az „elszigetelt” kitételnek azt kell jelentenie, hogy a Napot és a kozmoszt is bele kell érteni. Mindketten a rendszer összetevői: a Nap mint elsődleges energiatermelő nélkül a Föld megfagyna és élettelen lenne; a Nappal együtt, de a Föld által kibocsátott, az űrbe szétszóródó energia nélkül pedig a bolygó megsülne. Ha csak a Föld felszínét és légkörét tekintjük elszigetelten, akkor figyelmen kívül hagyjuk ennek a rendszernek két legfontosabb összetevőjét.

A termodinamika második főtétele nem azt mondja ki, hogy az energia egyetlen lehetséges áramlási iránya a melegtől a hideg felé mutat – hanem azt, hogy az energiaáramlások nettó összege a melegtől a hideg felé fog irányulni. Ismét hangsúlyozzuk: a „nettó” kitétel itt a fontos. A Föld–Nap rendszer esetében ismét figyelembe kell venni az összes összetevőt és azok kölcsönhatásait: a napsugárzást, a felmelegedett felszínt, amely infravörös sugárzást bocsát ki a hűvösebb légkörbe, az üvegházhatású gázokat, amelyek ezt a sugárzást minden irányba újra kisugározzák, és végül a légkörünk tetejéről kibocsátott sugárzást, amely szétszóródik az űr hideg mélységeibe. Ez az energia nem semmisül meg – egyszerűen minden irányban szétterjed az odakint uralkodó hideg, hatalmas térben. Egy része még a Nap felé is tart – mivel az infravörös sugárzásnak nincs módja annak meghatározására, hogy egy a Földnél sokkal forróbb égitest felé tart.

A Föld energiamérlege biztosítja, hogy a rendszer minden részét figyelembe vegyük, és ezt rutinszerűen megtesszük az éghajlati modellekben. Semmiféle törvénysértés nem történik. Az üvegházhatású gázok az energia egy részét visszairányítják a Föld felszíne felé, de az energia nettó áramlása továbbra is kifelé, az űr felé irányul. John Tyndall ezt már 1859-ben felismerte a Royal Institutionban tartott előadásán. Ezt mondta:

Ennek a kísérletnek a bolygó légkörökre gyakorolt hatása nyilvánvaló. A nap hője – a mészfényénél jóval nagyobb mértékben – képes áthatolni a légkörön; azonban amikor a hőt a bolygó elnyeli, minőségében annyira megváltozik, hogy a bolygóról kiáradó sugarak már nem juthatnak ugyanolyan szabadon vissza az űrbe. Így a légkör beengedi a nap hőjét, de gátolja annak kijutását; ennek eredményeként a hő a bolygó felszínén felhalmozódik.

Amíg a szén-dioxid-kibocsátás tovább növekszik, addig a bolygó energiamérlegének egyensúlyhiánya is növekedni fog. Ezért a helyzet stabilitás felé történő visszaterelésének egyetlen módja e kibocsátások csökkentése.