Czelnai Rudolf:

Az óceáni vízkörzés

Ezen a ponton helyénvaló egy kitérőt tennünk, hogy összefoglaljunk néhány alapvető dolgot az óceánok vízkörzéséről. Kezdjük az óceánok rétegződésével! Nagyjából azt lehet mondani, hogy egy tipikus óceáni medencében. egymás fölött, három zóna különböztethető meg: legfelül van a mindössze kb. 100 m vastag, (általában) meleg felszíni réteg; ez alatt. kb. 1000 méter mélységig terjed az ún. termoklin zóna, melyben a hőmérséklet lefelé haladva gyorsan csökken; majd legalul terül el a hideg mélyvíz óriási tömege.

Az egyszerűség kedvéért először nézzük meg, hogy (a Föld forgását, az általános légkörzés adott rendszerét és az egyéb adott feltételeket figyelembe véve) mi történne egy olyan idealizált óceáni medencében, mely mondjuk a 10 és 50 fokos északi szélességek, valamint a 10 és 50 fokos nyugati hosszúságok által körülhatárolt területen helyezkedik el. Különféle laboratóriumi és számítógépes kísérletek szerint ilyen esetben nagyjából az 1. ábrán látható áramlási képre számíthatnánk.

Amint látjuk, a medence vizének felszíni rétegében egy jobbforgású vízkörzés jön létre. Ezt egyrészt a szél hajtja, másrészt a tengervíz sűrűségének különbségei, melyeket a felszíni víz felmelegedése vagy lehűlése és sótartalmának változásai idéznek elő. (A víz sótartalma egy adott felszíni térségben a párolgás következtében növekedhet, vagy ha a folyókból édesvíz, ill. a mélyebb rétegekből kevésbé sós víz keveredik hozzá, csökkenhet.) A hőmérséklet és sótartalom változásaiból származó ún. termohalin vízkörzés visszahat a szél hajtotta áramlásokra; a kettő úgy kapcsolódik egymáshoz, mint jól összeillesztett fogaskerekek.

A mélyóceán legnagyobb részén lassú (kényszeres) feláramlás megy végbe, mert az alul szétterülő friss hideg víz az előtte lévőt emelkedésre kényszeríti. Ez nagyon lassú, északi irányú sodródással párosul. A medence alján viszont balforgású vízkörzést látunk, melyből különféle feláramlások ágaznak ki, különösen a nyugati perem mentén. A teljes termohalin áramkör legerősebb részárama az a koncentrált vízsüllyedés, mely a medence északkeleti sarkában alakul ki. A mélyebb rétegek dél felé irányuló áramához ez adja (hideg és magas sótartalmú víz formájában) a folyamatos vízutánpótlást.

Ez a kép egy idealizált medencére vonatkozott. A valóságban a világóceánnak nincsenek egymástól élesen elválasztható medencéi. A medencék cirkulációi egymáshoz kapcsolódnak és egymás működését befolyásolják. Ezt bizonyítja az is, hogy a mélységi vízminták tanúsága szerint a világóceán teljes vízmennyisége a legutóbbi glaciális óta legalább egyszer teljesen átkeveredett. Azóta a Jelenlegi mélyvíz legalább egyszer megjárta a felszíni réteget.

Az 1. ábrán bemutatott cirkulációs kép idealizált volta ellenére mégis hasznos, mert kiviláglik belőle az óceáni vízkörzés egyik legfontosabb vonása, vagyis az, hogy a sekély felszíni víz és a mélyvíz között csak egészen szorosan körülhatárolható körzetekben van intenzív vízcsere, mert a termoklin zónában mutatkozó meredek hőmérsékletcsökkenés hatékonyan gátol minden függélyes mozgást (oceanográfus nyelven: "ventilációt").

Fent, az idealizált medence északkeleti csücskében van csak olyan hely, ahol a termoklin zóna elenyészik, mert a délről oda érkező felszíni víz addigra már eléggé lehűl és sótartalma a párolgás folytán már eléggé megnő ahhoz, hogy nehezebbé váljék az alatta lévő mélyvíznél. Az itt bekövetkező koncentrált vízsüllyedés két dolgot von maga után: egyrészt a felszínen helyet csinál a folyamatosan érkező áramlásnak, s ezáltal biztosítja annak folyamatosságát, másrészt lent maga előtt tolja a mélyvizet. Ily módon a koncentrált vízsüllyedés körzete hajtja az idealizált medence 1. ábrán bemutatott cirkulációját.

Ha kilépünk az idealizált medencéből és most már a valóságos világóceán egészét nézzük, olyan álfogó cirkulációt észlelünk, melyben a felszíni áramkör és a mélyvízi áramkör egyaránt átíveli az összes medencét. Mindkettő mérhetetlenül bonyolulttá is válik, és a cirkulációt több ponton tarkítják a koncentrált vízsüllyedések és feláramlások aktív körzetei. A lényeg azonban változatlanul az, hogy a legnagyobb koncentrált vízsüllyedési körzet biztosítja az általános vízkörzés jelenlegi változatának stabil fennmaradását. Ezt a körzetet nevesíthetjük is: ez az Atlanti-óceán északkeleti csücske, ahol a Golf-áram véget ér.

A Golf-áram másodpercenként százmillió köbméter vizet szállít, vagyis többet, mint a világ összes folyója együttvéve. Ezzel jut a vízkörzés felszíni áramköre a legmagasabban fel északra, s az a hőmennyiség, melyet oda szállít és ott lead, Nyugat-Európa éghajlatát kb. 5-10 fokkal teszi melegebbé, mint az különben volna!


Kellemetlen meglepetések az üvegházban?

Ezzel a címmel jelent meg 1987-ben a Nature c. folyóiratban Broecker cikke, mely arról szólt, hogy bizonyos paleoklimatológiai események adatai óvatosságra intenek. "Ezen adatok tanúsága szerint" - írta Broecker - "nem várhatjuk, hogy az üvegházhatás növekedése által okozott esetleges éghajlatváltozás sima és fokozatos lesz".

Ez nem az első közlés volt erről a témáról, de mivel a Nature-ben jelent meg, nagyobb figyelmet keltett, mint a korábbiak. Azt sem lehet mondani, hogy a probléma váratlanul merült volna tel, hiszen meteorológus körökben sok olyan beszélgetést lehetett hallani már évekkel előbb is, hogy a növekvő széndioxid-koncentráció következményeit talán azért nem sikerült eddig statisztikailag meggyőző módon kimutatni, mert esetleg nem is a megfelelő dolgot néztük. (Abból, hogy a globális éghajlati adatokban nem mutatkozik szignifikáns melegedés, nem feltétlenül következik, hogy nincs változás. Viszont lehet, hogy az olyan formában mutatkozik, amelyre nem is gondolunk.)

Broecker felismerései ezt a problémát drámai megvilágításba helyezték. És itt egy személyes megjegyzést kell tennem: Broecker publikációit már régóta figyeltem, s amikor 1996-ban híre jött két magas (amerikai és japán) tudományos kitüntetésének, nagyon megörültem és tájékozódni akartam. Természetes első lépésként a Meteorológiai Világszervezet (korábbi munkahelyem) illetékes vezetőihez fordultam információért. Ámde meglepetésemre az a segítőkészség, melyet más esetekben részükről mindig tapasztaltam, most mintha elapadt volna. Broecker eredményeiről (melyek igazi áttörést jelentenek) nem akartak tudni. Tény, hogy az a nemzetközi folyamat, melyet az éghajlatváltozással kapcsolatban még a riói konferencián indítottak el, most teljes revízióra szorul, és az ebben kulcsszerepet játszó nemzetközi szervezetek vezetői számára ez bizonyára kellemetlen.

Így aztán más utat kellett keresnem, hogy Broecker intézetével, a New York-i Columbia Egyetemhez tartozó Lamont-Doherty Geológiai Obszervatóriummal kapcsolatba lépjek. De sikerült és postafordultával meg is kaptam a kért háttéranyagot. Ennek alapján most megpróbálom röviden összefoglalni. hogy milyen új ismereteket hoztak a szakmai közösség számára Broecker kutatásai, s mi ezeknek az eredményeknek a közérdekű jelentősége.

Broecker kiemelkedő sikerének titka egyebek közt nyilvánvalóan az, hogy rendkívül invenciózusan kombinálta három tudományterület (fizikai oceanográfia, paleoklimatológia és numerikus éghajlat-modellezés) közelítésmódjait. Mindhárom területet szemmel tartotta, s felfigyelt arra, hogy bizonyos új felismerések, melyek ezeken a területeken adódtak, szépen egymáshoz illeszthetők, mint egy kirakós játék elemei. Ezen kívül jó kérdéseket tudott föltenni, jó tudományos programot szervezett és végül megfogalmazott egy fontos átfogó koncepciót.

Kezdjük a paleoklimatológiai kérdésekkel! A kirakós játék legfontosabb elemét kétségtelenül a W. Dansyaard és kutatótársai által Grönlandon végzett két, egyenként 3 km-es mélyfúrás adta. Az így szerzett jég- és üledékminták révén kb. 110 000 évre visszamenő éghajlati információhoz jutottak. Mit látunk ebből? Mindenekelőtt azt, hogy a legutóbbi 10 000 évben, a megelőző 100 000 évhez képest, a Föld éghajlata nemcsak enyhe, hanem bámulatosan stabil és változatlan volt. Csak egyetlen kis kitérés történt kb. 8 000 évvel ezelőtt. Ezzel szemben a megelőző időszakot az Jellemezte, hogy az éghajlat vadul váltakozott oda-vissza egy nagyon hideg és egy maihoz képest közepesen hideg állapot között. Kb. 20 nagy globális változás (Dansgaard-Oeschger esemény) történt, melyek pár évtized alatt (igen gyorsan) zajlottak le. Grönlandon ebben a változékony időszakban a medián hőmérséklet kb. 16 fokkal volt alacsonyabb a jelenleginél. Broecker azt vizsgálta, hogy mi okozhatta ezeket a kolosszális változásokat, s hogy az esetleges válaszokból az éghajlati rendszer jövőbeli működésére vonatkozóan mit lehet levonni.

A változások gyorsaságáról különösen a legutóbbi melegedés bekövetkeztét megelőző felső dryas (Younger Dryas = YD) időszak ad érdekes képet. Ezt a kb. 1000 éves periódust a 2. ábra két lépésben kinagyított része mutatja. A cikcakkos vonal a különböző időpontokhoz tartozó jégminták elektromos vezetőképességének változását követi, ami viszont a kalcium-karbonát tartalmú pornak és a savas ülepedésnek az arányát jelzi. E hideg periódus folyamán a kalcium-karbonát tartalmú por kihullása oly nagymértékű volt, hogy teljesen közömbösítette a savas szennyeződéseket. Tehát az elektromos vezetőképesség igen alacsony volt. Amikor viszont a máig is tartó meleg periódus elkezdődött, hirtelen megnőtt a vezetőképesség. Az ábra jobb oldali kinagyításán látszik, hogy a változás tényleg gyors volt. A kezdeti változás 2-3 év alatt bekövetkezett, majd ezt egy erősen ingadozó periódus követte. Az átmenet ezzel együtt kevesebb mint három évtized alatt végbement.

Nem megyek bele annak részleteibe, hogy Broecker a grönlandi jégmintákban talált levegő-zárványok metántartalmából hogyan következtetett a trópusi övezetek egyidejű éghajlatára. Mindenesetre azt találta, hogy amikor Grönland klímája melegebb lett, a trópusok öve nedvesebbé vált. Hasonló távkapcsolatokat keresve a Csendes-óceán térségében végzett mélyfúrások adataiból azt tudta leszűrni, hogy a kaliforniai Santa Barbara medencében a grönlandi Dansgaard-Oeschger események idején mindig megerősödött a termoklin zóna ventilációja. Ez arra mutatott, hogy kapcsolat van az óceáni vízkörzés és az éghajlat változásai között. A hírek szerint Broecker az Asahi Glass Foundation Kék Bolygó díját elsősorban azért kapta, mert magyarázatot keresett arra, hogy mi válthatta ki a Dansgaard-Oeschger eseményeket. A grönlandi változások rendre két diszkrét éghajlati állapot közötti ugrásszerű átváltás formájában történtek, és Broeckernek jutott először eszébe, hogy itt az óceáni vízkörzés valamiféle átváltásait lehet okként gyanúba fogni.

Pontosabban. Broecker gondolata az volt, hogy egy olyan globális vízkörzési rendszer átbillenéseiről lehet szó, mely egyidejűleg mindhárom nagy óceáni medencére hatással van. Ezt a rendszert, melyet újabban Broecker conveyor néven is emlegetnek, máskor pedig nagy óceáni szállítószalagnak is hívnak, a 3. ábra szimbolizálja. A hangsúly itt a szimbolizálás szón van, mert ez az ábra nem a valóságos áramlási rendszert próbálja bemutatni, hanem azt a funkciót. melyet az betölt, vagyis azt, hogy összekapcsolja az Atlanti-, a Csendes- és az Indiai-óceán medencéjének felszíni és mélyvízi áramköreit. Ennek a vízkörzésnek a fő vonása ismerős (az 1. ábrával kapcsolatban már láttuk): az Atlanti-óceán északi medencéjében az észak felé áramló felszíni víz Izland közelébe érve még 12-13 fokos, a kanadai és grönlandi hideg légáramlatok hatására azonban 2-3 fokra lehűl és az útközben elszenvedett párolgás következtében a sótartalma is szokatlanul magas. Ez a lehűlés oly mértékben megnöveli ennek a sós felszíni víznek a sűrűségét, hogy az óceán északi csücskébe érve már nehezebb, mint a mélyvíz, tehát lesüllyed és a mélyben elkezd dél felé áramlani. További útját követve látnánk, hogy legnagyobb részt Afrika megkerülésével jut el a Déli-óceán cirkumpoláris áramához, majd a távol-keleti trópusi övbe, ahol felszínre tör, felmelegszik és bonyolult utakon Afrikát ismét megkerülve, zárja a kört.

A fentebb leírt áramkörben nagyságrendileg kb. akkora vízmennyiség folyik, mint a Föld felszínére hulló csapadék globális összege. Az a többlet hőmennyiség, melyet ez az áram északra szállít és ott a légkörnek átad, kb. egynegyede annak a teljes energiamennyiségnek, melyet az Atlanti-óceán a Gibraltártól északra fekvő részén a Nap sugárzása révén közvetlenül kap. Tehát láthatjuk, hogy jelentős folyamatról van szó.

Broecker figyelmét az ragadta meg, hogy az elmúlt kb. egymillió év folyamán bekövetkezett glaciálisok mindegyike katasztrofálisan fejeződött be. Ezért rávette a numerikus éghajlat-modellezőket, hogy végezzenek számítógépes szimulációkat e jelenség vizsgálatára. Azonnal kiderült, hogy amennyiben az Atlanti-óceán melegvíz-utánpótlása megakadna, az észak-atlanti medence környezetében az éves középhőmérséklet 5-10 fokkal süllyedne. E változásokat nemcsak Kanada keleti fele és Grönland érezné meg, hanem Nyugat-Európa nagy része is.

Ugyanakkor ezek a szimulációs kísérletek nem jeleztek számottevő hatást a Föld más régióiban, sem a trópusi övben, sem a kaliforniai Santa Barbara medencében. Tehát valami még hiányzott, amit a modellek nem vettek figyelembe. Ezek a modellkísértetek nem adtak magyarázatot arra, hogy miképpen következhettek be azok az éghajlati szcenáriók, amelyek a glaciális periódusokban a trópusi övezetekben és máshol előfordultak. A múltban ilyenkor a trópusok is kb. 5 fokkal hidegebbek voltak. Miért nem mutatták ezt a modellkísérletek, és hogyan történhetett egyáltalán ilyen változás, ha semmi külső kényszer (pl. a napsugárzás intenzitásának változása) nem hatott?

Broecker az Andok gleccsereiből vett fúrásmintákból azt a következtetést vonta le, hogy a glaciális időszakokban a légkör vízgőztartalma sokkal alacsonyabb lehetett a jelenleginél. Vagyis még valami más is másként működött, nemcsak az óceáni hőszállítás mechanizmusa. Ilyenek lehettek pl. azok a folyamatok, melyek vizet juttatnak a légkörbe, vagy azok is, amelyek a vizet onnan eltávolítják.

A légköri vízmérleg szerepét mindenképpen indokolt tüzetesen megvizsgálni. A víz könnyen bizonyulhat az éghajlat-sztori főszereplőjének, pl. azért is, mert a vízgőz a legfontosabb üvegházhatású gáz. Egyedül oly mértékben járul hozzá a teljes légköri üvegházhatáshoz, mint a széndioxid, metán és nitrogén-oxidok együttvéve. Ha pl. a légkör jelenlegi vízgőztartalma 30%-kal csökkenne, a globális átlaghőmérséklet a Föld felszínén kb. 5 fokkal süllyedne. Ugyanakkor, ha a vízgőz mennyisége változatlan maradna, de a szén-dioxid koncentrációja megduplázódna, a hőmérséklet csak 1,5 fokkal emelkedne. A vízgőz légköri forgalmának, illetőleg a globális vízmérleg alakulásának, többek közt ezért is könnyen lehet akkora hatása, mint amekkorára a magyarázatot keressük.

Az Atlanti-óceán felszíni vizei átlagosan 1 g/literrel több sót tartalmaznak, mint a Csendes-óceáné. Ez a sótartalom-eltérés kb. akkora sűrűségkülönbséget okoz, mint 3-4 fokos hőmérsékletkülönbség. Az Atlanti-óceán északi része és a Csendes-óceán északi része között még nagyobb az eltérés: 2-3 g/liter. Ez nagyon nagy különbség és a következményei is nagyok. A Csendes-óceán északi részén még a sós víz fagypontjáig (-1,8 fokig) lehűtött felszíni víz sem tud mélyebbre süllyedni pár száz méternél, mert ott már ugyanolyan sűrűségű közegbe ér. Így ott nem tud mélyvíz formálódni és nem tud az Atlanti-óceánéhoz hasonló cirkuláció kialakulni.

Ilyen értelemben azt mondhatjuk, hogy a Broecker conveyort az a sótöbblet hajtja, mely abból származik, hogy a Golf-áram északra tartó ága a párolgás következtében a felszíni rétegből sok vizet veszít. De ebből rögtön következik egy másik kérdés: mi történik azzal a vízzel, mely ily módon a levegőbe kerül? Erre a kérdésre tulajdonképpen régen tudtuk a választ, vagyis itt a kirakós játéknak egy újabb eleme kerül a helyére. Arról van szó, hogy az Atlanti-óceán térségéből nettó légköri vízgőz transzport történik a Csendes-óceán térsége felé. Meteorológus kutatók már régen kimulatták, hogy a trópusi keleti szelek övezetében Közép-Amerikán keresztül több vízgőz szállítódik nyugatra, mint amennyi Afrikán keresztül keletről érkezik. A mérsékelt övben, vagyis a nyugati szelek övezetében, pedig több vízgőz szökik meg Ázsia felé, mint amennyi az amerikai Kordillerákon keresztül az Atlanti-óceán térségébe jut. A légköri vízmérleg vesztesége az atlanti térségben 0,20-0,50 Sverdrup (1 Sverdrup másodpercenként l millió köbméternek felel meg). Ez eltörpül ahhoz a vízmennyiséghez képest, amely az észak-atlanti vízsüllyedés körzetéből a mélyben eláramlik dél felé. Az utóbbi ugyanis kb. 20 Sverdrup. Vagyis azt látjuk, hogy a Broecker conveyort egy hozzá képest negyvenszer-százszor kisebb folyamat hajtja.

Közelítőleg ugyanez az arány jön ki abból is, hogy a különbség a tengervíz és a légköri vízgőz sótartalma (utóbbi nulla) között kb. 60-szor nagyobb, mint az Atlanti-óceán és a világóceán többi medencéje között cserélt víz sótartalom-különbsége. E számokból többek között az is kiderül, hogy a Broecker conveyornak megállás nélkül működnie kellett az elmúlt 9 000 évben, mert ha nem működött volna, akkor az Atlanti-óceán vizének sótartalma ezer évenként kb. 1,4 g/literrel nőtt volna. (Ezt az utóbbi megállapítást azzal kell kiegészítenem, hogy ez csak akkor érvényes, ha azt is feltesszük, hogy az általános légkörzés rendszere ugyancsak változatlan volt ebben az időszakban. De ezt a feltevést megtehetjük, mert e 9 000 év paleoklimatológiai adatai nem utalnak lényeges változásra.)

Az elmúlt 9-10 ezer év anomális a Föld történetében. Ezt a periódust, melyben az emberi civilizáció kifejlődött (kezdete pontosan egybeesett a földművelés kezdetével), olyan stabil és változatlan éghajlat jellemezte, melyre nem volt példa a megelőző 100 ezer év alatt. Akkor átlagosan is sokkal hidegebb volt, állandó volt az ingadozás, és legalább 20 glaciális periódus [Dansgaard-Oeschger esemény) következett be. Broecker feltevése az, hogy ezeknek a drasztikus ingadozásoknak a valószínű oka a nagy óceáni szállítószalag leállása, ill. újra indulása. A kérdés: mitől tudhat ez a hatalmas cirkulációs rendszer leállni? Számítógépes modellkísérletekből tudjuk, hogy a Broecker conveyor nagyon érzékeny. Attól függően, hogy a poláris régiókban milyen mennyiségű édesvíz adódik a sós tengervízhez (akár csapadékból, akár olvadó jégből, vagy folyókból), az óceán többféle módon is cirkulálhat. Ez kétségtelenül arra utal, hogy az édesvíz-hozzáadás miatt drámai ugrások következhetnek be.

Mitől növekedhet az édesvíz-hozzáadás? Elvileg három dologtól: megnő a csapadék, megnő a Jeges-tengerbe ömlő szibériai és kanadai folyók vízhozama, ill. az arktikus és grönlandi jégmezők olvadni kezdenek. Ez a harmadik lehetőség nyilvánvalóan összefügghet az üvegházhatás növekedésével.

Elképzelhető a következő folyamat: valami kezdeti melegedés megindítja a jég olvadását, a tengerbe ömlő édesvíz felhígítja a Golf-áram vizét, ennek következtében az hiába hűl le, nem válik nehezebbé az alatta lévő mélyvíznél, nem tud lemerülni, leáll a conveyor, drasztikusan hidegebbé válik az éghajlat. A jégtakaró növekszik. Az édesvíz-hozzáadás csökken, a conveyor újra megindul. Ámde a jégtáblák hatalmas potenciális édesvízforrások. Az odaszállított hő megolvasztja a jégtáblákat, ezzel édesvizet szabadít fel, ezáltal csökkenti a felszíni víz sótartalmát, megint leállítja a rendszert. A ciklusok ily módon ismétlődnek.

Ennek az "oszcillátornak" a létezését kísérletileg nem tudjuk igazolni. Ha tudnánk, se állíthatnánk le a nagy óceáni szállítószalagot, hogy megnézzük, akkor mi történik? E helyett az egész koncepciót le kell bontani tesztelhető és falszifikálható hipotézisek építőköveire és ezeket egyenként kell nagyon alapos vizsgálatnak alávetni. Lényegében ebből áll a "Global Change Research Initiative"" elnevezésű amerikai kutatóprogram, melynek fontosságát nem szükséges hangsúlyozni.

Link