Czelnai Rudolf:

Az óceáni vízkörzés

Ezen a ponton helyénvaló egy kitérõt tennünk, hogy összefoglaljunk néhány alapvetõ dolgot az óceánok vízkörzésérõl. Kezdjük az óceánok rétegzõdésével! Nagyjából azt lehet mondani, hogy egy tipikus óceáni medencében. egymás fölött, három zóna különböztethetõ 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 hõmérséklet lefelé haladva gyorsan csökken; majd legalul terül el a hideg mélyvíz óriási tömege.

Az egyszerûség kedvéért elõször 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 sûrûségének különbségei, melyeket a felszíni víz felmelegedése vagy lehûlése és sótartalmának változásai idéznek elõ. (A víz sótartalma egy adott felszíni térségben a párolgás következtében növekedhet, vagy ha a folyókból édesvíz, ill. a mélyebb rétegekbõl kevésbé sós víz keveredik hozzá, csökkenhet.) A hõmérséklet és sótartalom változásaiból származó ún. termohalin vízkörzés visszahat a szél hajtotta áramlásokra; a kettõ úgy kapcsolódik egymáshoz, mint jól összeillesztett fogaskerekek.

A mélyóceán legnagyobb részén lassú (kényszeres) feláramlás megy végbe, mert az alul szétterülõ friss hideg víz az elõtte lévõt emelkedésre kényszeríti. Ez nagyon lassú, északi irányú sodródással párosul. A medence alján viszont balforgású vízkörzést látunk, melybõl különféle feláramlások ágaznak ki, különösen a nyugati perem mentén. A teljes termohalin áramkör legerõsebb 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 mûködését 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 belõle 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 hõmérsékletcsökkenés 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 délrõl oda érkezõ felszíni víz addigra már eléggé lehûl és sótartalma a párolgás folytán már eléggé megnõ ahhoz, hogy nehezebbé váljék az alatta lévõ mélyvíznél. Az itt bekövetkezõ koncentrált vízsüllyedés két dolgot von maga után: egyrészt a felszínen helyet csinál a folyamatosan érkezõ áramlásnak, s ezáltal biztosítja annak folyamatosságát, másrészt lent maga elõtt tolja a mélyvizet. Ily módon a koncentrált vízsüllyedés körzete hajtja az idealizált medence 1. ábrán bemutatott cirkulációját.

Ha kilépünk az idealizált medencébõl 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. Mindkettõ 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 hõmennyiség, 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 elsõ közlés volt errõl 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 elõbb is, hogy a növekvõ széndioxid-koncentráció következményeit talán azért nem sikerült eddig statisztikailag meggyõzõ módon kimutatni, mert esetleg nem is a megfelelõ 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 elsõ lépésként a Meteorológiai Világszervezet (korábbi munkahelyem) illetékes vezetõihez fordultam információért. Ámde meglepetésemre az a segítõkészség, melyet más esetekben részükrõl mindig tapasztaltam, most mintha elapadt volna. Broecker eredményeirõl (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 vezetõi 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 közérdekû jelentõsége.

Broecker kiemelkedõ 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 illeszthetõk, 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 visszamenõ éghajlati információhoz jutottak. Mit látunk ebbõl? Mindenekelõtt azt, hogy a legutóbbi 10 000 évben, a megelõzõ 100 000 évhez képest, a Föld éghajlata nemcsak enyhe, hanem bámulatosan stabil és változatlan volt. Csak egyetlen kis kitérés történt kb. 8 000 évvel ezelõtt. Ezzel szemben a megelõzõ idõszakot 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 idõszakban a medián hõmérséklet 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 jövõbeli mûködésére vonatkozóan mit lehet levonni.

A változások gyorsaságáról különösen a legutóbbi melegedés bekövetkeztét megelõzõ felsõ dryas (Younger Dryas = YD) idõszak ad érdekes képet. Ezt a kb. 1000 éves periódust a 2. ábra két lépésben kinagyított része mutatja. A cikcakkos vonal a különbözõ idõpontokhoz tartozó jégminták elektromos vezetõképességének 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 nagymértékû volt, hogy teljesen közömbösítette a savas szennyezõdéseket. Tehát az elektromos vezetõképesség igen alacsony volt. Amikor viszont a máig is tartó meleg periódus elkezdõdött, hirtelen megnõtt a vezetõképesség. Az ábra jobb oldali kinagyításán látszik, hogy a változás tényleg gyors volt. A kezdeti változás 2-3 év alatt bekövetkezett, majd ezt egy erõsen ingadozó periódus követte. Az átmenet ezzel együtt kevesebb mint három évtized alatt végbement.

Nem megyek bele annak részleteibe, hogy Broecker a grönlandi jégmintákban talált levegõ-zárványok metántartalmából hogyan következtetett a trópusi övezetek egyidejû 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 leszûrni, hogy a kaliforniai Santa Barbara medencében a grönlandi Dansgaard-Oeschger események idején mindig megerõsödött 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 elsõsorban azért kapta, mert magyarázatot keresett arra, hogy mi válthatta ki a Dansgaard-Oeschger eseményeket. A grönlandi változások rendre két diszkrét éghajlati állapot közötti ugrásszerû átváltás formájában történtek, és Broeckernek jutott elõször eszébe, hogy itt az óceáni vízkörzés valamiféle átváltásait lehet okként gyanúba fogni.

Pontosabban. Broecker gondolata az volt, hogy egy olyan globális vízkörzési rendszer átbillenéseirõl lehet szó, mely egyidejûleg 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 fõ vonása ismerõs (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 lehûl és az útközben elszenvedett párolgás következtében a sótartalma is szokatlanul magas. Ez a lehûlés oly mértékben megnöveli ennek a sós felszíni víznek a sûrûségét, 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 hõmennyiség, melyet ez az áram északra szállít és ott a légkörnek átad, kb. egynegyede annak a teljes energiamennyiségnek, melyet az Atlanti-óceán a Gibraltártól északra fekvõ részén a Nap sugárzása révén közvetlenül kap. Tehát láthatjuk, hogy jelentõs folyamatról van szó.

Broecker figyelmét az ragadta meg, hogy az elmúlt kb. egymillió év folyamán bekövetkezett glaciálisok mindegyike katasztrofálisan fejezõdött be. Ezért rávette a numerikus éghajlat-modellezõket, hogy végezzenek számítógépes szimulációkat e jelenség vizsgálatára. Azonnal kiderült, hogy amennyiben az Atlanti-óceán melegvíz-utánpótlása megakadna, az észak-atlanti medence környezetében az éves középhõmérséklet 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 számottevõ 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 elõfordultak. 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 külsõ kényszer (pl. a napsugárzás intenzitásának változása) nem hatott?

Broecker az Andok gleccsereibõl vett fúrásmintákból azt a következtetést vonta le, hogy a glaciális idõszakokban a légkör vízgõztartalma sokkal alacsonyabb lehetett a jelenleginél. Vagyis még valami más is másként mûködött, nemcsak az óceáni hõszállítás 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 fõszereplõjének, pl. azért is, mert a vízgõz 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 vízgõztartalma 30%-kal csökkenne, a globális átlaghõmérséklet a Föld felszínén kb. 5 fokkal süllyedne. Ugyanakkor, ha a vízgõz mennyisége változatlan maradna, de a szén-dioxid koncentrációja megduplázódna, a hõmérséklet csak 1,5 fokkal emelkedne. A vízgõz légköri forgalmának, illetõleg 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 sûrûségkülönbséget okoz, mint 3-4 fokos hõmérsékletkülönbség. 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) lehûtött felszíni víz sem tud mélyebbre süllyedni pár száz méternél, mert ott már ugyanolyan sûrûségû 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 rétegbõl sok vizet veszít. De ebbõl rögtön következik egy másik kérdés: mi történik azzal a vízzel, mely ily módon a levegõbe 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 térségébõl nettó légköri vízgõz transzport történik a Csendes-óceán térsége felé. Meteorológus kutatók már régen kimulatták, hogy a trópusi keleti szelek övezetében Közép-Amerikán keresztül több vízgõz szállítódik nyugatra, mint amennyi Afrikán keresztül keletrõl érkezik. A mérsékelt övben, vagyis a nyugati szelek övezetében, pedig több vízgõz 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 körzetébõl 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.

Közelítõleg ugyanez az arány jön ki abból is, hogy a különbség a tengervíz és a légköri vízgõz 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 mûködnie kellett az elmúlt 9 000 évben, mert ha nem mûködött volna, akkor az Atlanti-óceán vizének sótartalma ezer évenként kb. 1,4 g/literrel nõtt 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 idõszakban. 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 kifejlõdött (kezdete pontosan egybeesett a földmûvelés kezdetével), olyan stabil és változatlan éghajlat jellemezte, melyre nem volt példa a megelõzõ 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 valószínû oka a nagy óceáni szállítószalag leállása, ill. újra indulása. A kérdés: mitõl tudhat ez a hatalmas cirkulációs rendszer leállni? Számítógépes modellkísérletekbõl tudjuk, hogy a Broecker conveyor nagyon érzékeny. Attól függõen, hogy a poláris régiókban milyen mennyiségû édesvíz adódik a sós tengervízhez (akár csapadékból, akár olvadó jégbõl, vagy folyókból), az óceán többféle módon is cirkulálhat. Ez kétségtelenül arra utal, hogy az édesvíz-hozzáadás miatt drámai ugrások következhetnek be.

Mitõl növekedhet az édesvíz-hozzáadás? Elvileg három dologtól: megnõ a csapadék, megnõ a Jeges-tengerbe ömlõ szibériai és kanadai folyók vízhozama, ill. az arktikus és grönlandi jégmezõk olvadni kezdenek. Ez a harmadik lehetõség nyilvánvalóan összefügghet az üvegházhatás növekedésével.

Elképzelhetõ a következõ folyamat: valami kezdeti melegedés megindítja a jég olvadását, a tengerbe ömlõ édesvíz felhígítja a Golf-áram vizét, ennek következtében az hiába hûl le, nem válik nehezebbé az alatta lévõ 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 hõ megolvasztja a jégtáblákat, ezzel édesvizet szabadít fel, ezáltal csökkenti a felszíni víz sótartalmát, megint leállítja a rendszert. A ciklusok ily módon ismétlõdnek.

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 tesztelhetõ és falszifikálható hipotézisek építõköveire és ezeket egyenként kell nagyon alapos vizsgálatnak alávetni. Lényegében ebbõl áll a "Global Change Research Initiative"" elnevezésû amerikai kutatóprogram, melynek fontosságát nem szükséges hangsúlyozni.

Link