A melegebb légkörben lévő több nedvesség erős hurrikánokat és özönvízszerű esőzéseket okoz.
A 2021-es nyár ékes példája volt annak, hogy milyen lesz a zavaró időjárás a felmelegedő világban. Július közepén a nyugat-németországi és belgiumi viharok két nap alatt akár nyolc centiméternyi esőt is lehullathattak. Az árvizek épületeket téptek szét, és falusi utcákon keresztül sodorták őket. Egy héttel később a kínai Henan tartományban három nap alatt egy évnyi eső – több mint két lábnyi – hullott. Emberek százezrei menekültek a partjaikat átszakító folyók elől. A fővárosban, Csengcsouban az ingázók videókat tettek közzé, amelyeken az áradó metrókocsikban rekedt utasok fejüket a plafon felé nyújtják, hogy a gyorsan emelkedő víz fölött az utolsó kis levegőhöz jussanak. Augusztus közepén a jet-áramlat éles görbülete olyan özönviharokat hozott Tennessee államba, amelyek 24 óra alatt hihetetlen mennyiségű, 17 centiméternyi esőt hoztak; a katasztrofális áradások legalább 20 ember halálát okozták. E viharrendszerek egyike sem volt hurrikán vagy trópusi depresszió.
Hamarosan azonban az Ida hurrikán a Mexikói-öbölbe sodródott, a kilencedik trópusi vihar az idei sűrű észak-atlanti szezonban. Augusztus 28-án 1-es kategóriájú vihar volt, óránkénti 85 mérföldes tartós széllel. Kevesebb mint 24 órával később az Ida 4-es kategóriájúvá vált, és majdnem kétszer olyan gyorsan nőtt, mint amilyen sebességgel a Nemzeti Hurrikánközpont a gyorsan erősödő viharok meghatározására használja. Óránként 150 mérföldes széllel csapott le Louisiana partjaira, több mint egymillió embert hagyott áram és több mint 600 000 embert napokig víz nélkül. Az Ida haragja északkeleten is folytatódott, ahol New Yorkban egy óra alatt rekordmennyiségű, 3,15 centiméternyi eső esett. A vihar legalább 80 ember halálát okozta, és az Egyesült Államok keleti részén számos közösséget pusztított el.
Ami közös ezekben a pusztító eseményekben, az a vízgőz, mégpedig rengeteg vízgőz. A vízgőz – a H2O gáznemű formája – kiemelkedő szerepet játszik a pusztító viharok okozásában és az éghajlatváltozás felgyorsításában. Az óceánok és a légkör felmelegedésével további víz párolog a levegőbe. A melegebb levegő viszont több vízgőzt képes megtartani, mielőtt az felhőcseppekké kondenzálódna, amelyek özönvízszerű esőzéseket okozhatnak. A légkörben lévő vízpára mennyisége csak az 1990-es évek közepe óta globálisan mintegy 4 százalékkal nőtt. Ez talán nem hangzik soknak, de az éghajlati rendszer szempontjából nagy jelentőséggel bír. A szaftosabb légkör több energiát és nedvességet biztosít mindenféle viharhoz, beleértve a nyári zivatarokat, a nor’easters-t az USA keleti partvidékén, a hurrikánokat és még a hóviharokat is. A további pára segít a trópusi viharoknak, mint például az Ida, gyorsabban felerősödni, így a biztonsági tisztviselőknek csak nagyon kevés idejük marad arra, hogy figyelmeztessék a célkeresztben lévő embereket.
A tudósok már régóta számoltak azzal, hogy az éghajlatváltozás több gőzt hoz létre a levegőben, és ez táplálja az úgynevezett “páraviharokat”, amelyek több esőt és havat szabadítanak el, mint a viharok néhány évtizeddel ezelőtt. A mérések megerősítik, hogy a heves csapadékesemények egyre keményebben és gyakrabban fordulnak elő az Egyesült Államokban és a világon. Az 1980-as évek vége óta az árvizek által okozott amerikai vagyoni károk mintegy harmada – 73 milliárd dollár – a heves esőzések növekedésének tulajdonítható.
2017 augusztusában például a Harvey hurrikán öt nap alatt elképesztő mennyiségű, kétméteres esőt zúdított egyes houstoni városrészekre, és még a jól értesült meteorológusokat is szóhoz sem juttatta. Az esősávok időnként elképesztő, óránként 15 centiméternyi csapadékot zúdítottak. Egy elemzés arra a következtetésre jutott, hogy a rekordmennyiségű csapadékot háromszor valószínűbbé és 15 százalékkal intenzívebbé tette az éghajlatváltozás, különösen a Harvey-t a szokatlanul meleg Mexikói-öbölből tápláló, nedvességgel teli levegő.
A legtöbb más légköri gázzal ellentétben a vízgőz nem egyenletesen oszlik el a Földön. A vízpára bőségesen megtalálható az Egyenlítő mentén fekvő, gőzölgő trópusi régiókban. Onnan a nedvesség hosszú ágai a viharpályák mentén a hűvösebb, szárazabb sarkok felé terjedhetnek, és intenzív, hosszan tartó csapadékban fürdetik a közép- és magashegységi régiókat. Ezek a hő- és nedvességfolyamok segítenek kiegyensúlyozni a Föld légköri energiaeloszlását – és útjuk mentén erős páraviharokat hoznak létre.
Kép: Jen Christiansen; Források: NOAA/ESRL Physical Sciences Laboratory, Boulder, Colo (alaptérkép); Web-Based Reanalysis Intercomparison Tool (NOAA/ESRL Physical Sciences Laboratory, NOAA Climate Program Office, and U.S. Department of Energy’s Office of Science) (térképalap); “The NCEP/NCAR Reanalysis 40-Year Project,” by E. Kalnay et al., in Bulletin of the American Meteorological Society, Vol. 77; March 1996 (adatelemzési modell).
ENERGIA PUMPA
Amikor izzadunk a tűző napon, vagy felforralunk egy edényt a konyhai tűzhelyen, a folyékony vizet vízgőzzé alakítjuk. A szükséges összetevő a hő. Hasonlóképpen, az éghajlati rendszerben a hő hatására a nedves talajban, a növényekben, az óceánokban, a tavakban és a patakokban lévő víz a levegőbe párolog. A pára egyfajta energiát hordoz magában, amelyet látens hőnek nevezünk. Ha a pára később ismét folyadékká kondenzálódik – felhőt vagy harmatot képezve a gyepen -, ez a hő a légkörbe kerül. A keletkező meleg levegőbuborék könnyebb, mint a körülötte lévő levegő, ezért felemelkedik. Mivel a magasabb magasságokban általában hűvösebb a hőmérséklet, a buborék tovább emelkedhet és növekedhet, miközben további vízgőz kondenzálódik felhőcseppekké, és még több látens hő szabadul fel. Ha repült már repülőgépen egy nagy, karfiol alakú felhőn keresztül, akkor érezte már a turbulenciát, amelyet ezek a felemelkedő légtornyok keltenek.
A látens hő a hurrikánok, a zivatarok és a szokásos rossz időjárás fő üzemanyaga.
Az Ida hurrikán 2021. augusztus 29-én 17 centiméternyi esőt zúdított a LaPlace-i LaPlace-ra, 2021. augusztus 29-én, és egy lakos sétál az árvízen keresztül. Forrás: Luke Sharrett Bloomberg/Getty Images
A légköri vízgőz növekedésének legaggasztóbb következménye a trópusi viharok gyors felerősödésében játszott szerepe lehet. A meteorológusok szerint egy vihar akkor erősödik gyorsan, ha 24 óra alatt vagy a maximális szélsebesség legalább 30 csomóval (35 mérföld per óra) nő, vagy a vihar központi légnyomása 24 óra alatt legalább 42 millibarral csökken. Az elmúlt 40 évben megötszöröződött annak valószínűsége, hogy egy vihar egy adott évben gyorsan erősödik. Csak 2020-ban 10 atlanti-óceáni hurrikán tette ezt: Hanna, Laura, Sally, Teddy, Gamma, Delta, Epsilon, Zeta, Eta és Iota. 2021-ben a szeptember közepétől kialakult hat atlanti-óceáni hurrikánból öt gyors erősödésen ment keresztül, köztük az Ida és a Nicholas.
A legújabb tanulmányok egyetértenek a fizikai józan ésszel: a gyors erősödés egyre valószínűbbé válik, ahogy az óceánok melegednek, több vizet párologtatnak el és több látens hőt juttatnak a légkörbe. Az óceánok elnyelik az ember által kibocsátott üvegházhatású gázok által visszatartott hő mintegy 90 százalékát. Ez a hő megemeli a víz hőmérsékletét mind a felszínen, mind a mélyben; a meleg víz olyan, mint egy erős akkumulátor, amelyből a viharok energiát meríthetnek.
A vízgőz növekedése azonban nem az éghajlatváltozás egyetlen hatása a trópusi viharokra. A szélnyírás – a földhöz közelebbi és a magasan a légkörben lévő szelek közötti sebesség- vagy iránykülönbség – csökkenése szintén kedvez a viharok kialakulásának, mivel a felszálló légtornyok kevésbé valószínű, hogy szétszakadnak. A most vizsgált egyéb változók közé tartozik a levegőben lévő por és szennyező részecskék mennyiségének változása, valamint a légkör felmelegedésének különbségei az alacsonyabb és magasabb magasságokban, amelyek befolyásolják, hogy a meleg levegő buborékai milyen gyorsan emelkednek.
Több mint két évtizede a trópusi Észak-Atlanti-óceán nagy része szokatlanul meleg, ami túlzott párolgást eredményez, ami erős hurrikánokat táplál. A nem-trópusi viharok is felfalják a légkör extra páráját és energiáját, ami több heves csapadékot és talán még nagyobb havazást eredményez.
HALÁLOS HŐSÉG
A megnövekedett vízpára veszélye a viharokon is túlmutat. A nyári éjszakákat is elviselhetetlenül párássá teszi – egyre gyakrabban és egyre több helyen.
Az 1990-es évek közepe óta a nyári éjszakai minimumhőmérséklet a globális szárazföldi területeken gyorsabban emelkedik, mint a nappali maximumok. Ez azért van, mert a pára üvegházhatású gáz, és ha több van belőle, az nagyobb felmelegedést jelent: a hő, amely normális esetben éjszaka az űrbe távozna, ehelyett csapdába esik, megakadályozva a Föld felszínének lehűlését. És a szén-dioxiddal ellentétben, amely a kibocsátási helyétől függetlenül világszerte terjed, a pára hajlamos helyben maradni.
A több pára a forró éjszakákat is veszélyessé teszi. A magasabb éjszakai páratartalom megakadályozza, hogy az izzadság elpárologjon – a szervezet természetes hűtőrendszere -, így Ön túlmelegszik, és zavarja az alvást. Ennek a kellemetlenségnek az egyik mérőszáma a hőindex, amely a hőmérséklet és a páratartalom hatásait kombinálva mutatja meg, hogy milyen stresszt érez az ember teste valójában. A körülbelül 38 Celsius-fok (100 Fahrenheit-fok) feletti index már veszélyesnek számít; a hosszan tartó expozíció végzetes lehet, különösen az idősek és a csecsemők számára. A hőség a haszonállatokat és a háziállatokat is megterheli, és a vadon élő állatok alkalmazkodnak, és ha tehetik, magasabb szélességi körökre vagy nagyobb magasságba költöznek. Éjszakai lehűlés nélkül a talajban is felgyülemlik a hőség, ami egyes növényeket és rovarokat elpusztít, míg más, melegkedvelő fajok virágzását lehetővé teszi. A 32 egészségügyi szervezetből álló csoport által augusztusban közzétett “Nyilatkozat az éghajlatváltozásról és az egészségügyről 2021” című dokumentum szerint az éjszakai hőség a rovarok által terjesztett betegségeknek való kitettség kockázatát is növeli, ami embereket, állatokat és terményeket egyaránt veszélyeztet.
Az éjszakai hőség jelentette veszély nemcsak a már most is forró trópusi országokban, hanem az Egyenlítőtől jóval északabbra és délre fekvő országokban is egyre nagyobb. Az Egyesült Államok Öböl-parti városai már sokszor túllépték a veszélyes küszöbértéket. Houston felmelegedése 1970 óta több mint két Celsius-fokkal emelkedett, mivel a város közel van a Mexikói-öbölhöz, és a város fejlődése töretlenül növekszik, ami fokozza a városi hősziget-hatást. 2020 júliusában Houstonban a hőindex meghaladta a 43 Celsius-fokot, ami jóval meghaladja az elviselhetetlen értéket.
Ha az üvegházhatású gázok továbbra is felhalmozódnak a légkörben, ezek az állapotok hamarosan mindennapossá válnak számos déli és középső szélességi fokú városban, például Atlantában és Washingtonban. 2000 előtt az Egyesült Államok fővárosában átlagosan ötévente egy éjszaka volt olyan, amikor a minimumhőmérséklet meghaladta a 80 fokot (27 fok C). 2000 óta ezek az éjszakák évente körülbelül kétszer fordulnak elő – ez mindössze 20 év alatt tízszeres növekedést jelent.
A trópusok egyes országai fogják a legjobban megszenvedni, és már most is szenvednek. 2015 májusában súlyos hőhullám, amelyet talán jobban kellene “gőzhullámnak” nevezni, sújtotta Indiát és Pakisztánt. A nappali hőindexek több napon keresztül meghaladták a 46 fokot, és a magas páratartalom megakadályozta az éjszakai lehűlést; több mint 3500 ember halt meg a fullasztó körülmények között. A globális felmelegedés további fél fokos növekedésével a szélsőséges hőség által fenyegetett emberek száma világszerte megduplázódik, és mintegy 500 millióra nő.
Kép: Jen Christiansen; Forrás: A NOAA 2021 U.S. Climate Extremes Indexe, az EPA’s Climate Change Indicators in the United States (adatok) segítségével.
GLOBÁLIS FELMELEGEDÉS ERŐSÍTŐ
Ha az intenzív viharok és a forró éjszakák nem lennének elég aggasztóak, a vízgőz is rontja a globális felmelegedést. Bár a legtöbb figyelmet a szén-dioxid kapja, a vízgőz messze a legfontosabb üvegházhatású gáz a légkörben. Sokkal többet nyel el a Föld felszínéről felfelé sugárzott infravörös energiából, mint a többi üvegházhatású gáz, és ezáltal több hőt köt meg. Hogy ezt perspektívába helyezzük, a légköri szén-dioxid-koncentráció megduplázódása önmagában körülbelül egy Celsius-fokot melegítene a Földön, de a visszacsatolási ciklusok – ördögi ciklusok – kétszeresére emelik a hőmérsékletet. Bár az olyan visszacsatolások, mint például a tengeri jég eltűnése, nagy figyelmet kapnak, a vízpára visszacsatolása – a felmelegedés párolgást okoz, ami hőt köt le, ami még nagyobb felmelegedést eredményez – a legerősebb az éghajlati rendszerben.
Talán ellentmondásos módon a vízpára-visszacsatolás ott a leggyengébb, ahol a legnagyobb a vízpára mennyisége. A párás területeken a vízgőz által elnyelt infravörös energia már közel van a fizikai határértékéhez, így egy kis plusz nedvesség hozzáadása minimális hatással jár. A száraz helyeken azonban, mint például a sarkvidékeken és a sivatagokban, az elnyelt infravörös energia mennyisége jóval a potenciális maximum alatt van, így minden hozzáadott vízpára több hőt fog el, és növeli a hőmérsékletet az alsó légkörben.
A sarkvidéki hőhullámok számának és időtartamának növekedése egyértelműen az alacsonyabb szélességekről érkező meleg, nedves levegő gyakoribb és hosszabb ideig tartó impulzusainak – a trópusoktól északra húzódó ágaknak – a tünete. 2021 januárjában például a Jeges-tenger nagy területein a hőmérséklet a szokásosnál 20 Celsius-fokkal magasabbra emelkedett. Az egyre növekvő sarkvidéki hőhullámok, különösen télen, lelassítják a tengeri jég éves befagyását, és hozzájárulnak a jégtakaró pusztulásához.
A további pára hőelvonó hatását talán ellensúlyozhatja a felhőképződés növekedése. A felhők visszaverik a napsugarakat (ami hűsítő hatású), de egyben hőt is megkötnek. Az óceánok felett a hűtő hatás dominál, de a magas szélességeken a felmelegítő hatás győz. A legújabb tanulmányok szerint az egész Földön átlagosan a melegítő hatás nagyobb, ami egy újabb ördögi kör kialakulását jelenti a vízgőzzel kapcsolatban.
Kép: Jen Christiansen (páratartalom magyarázó); Nick Bockelman (illusztrációk)
JOBB ELŐREJELZÉSEK
Ahogy az emberi tevékenység továbbra is több hőcsapdázó gázt termel, az óceánok és a légkör tovább fog melegedni, és további víz fog elpárologni, ami gyakoribb gőzviharokhoz és gyengítő gőzhullámokhoz vezet. A legerősebb kategóriájú hurrikánok gyakrabban fognak előfordulni, akárcsak a gyorsan erősödő viharok. Ezeknek a gyors felpörgéseknek az előrejelzése kihívást jelent majd az előrejelzők számára. Amikor a viharok a partraszállás közelében erősödnek fel, ahogy az Ida hurrikán tette, a hatóságoknak nagyon kevés idejük lesz arra, hogy riadót fújjanak, és az embereknek mindössze néhány órájuk lesz az evakuálásra.
A legfőbb akadályt az ilyen túltengő viharok előrejelzésében a tengerfelszín alatti hőmérsékletmérések hiánya jelenti. A meleg víz mély rétege sokkal több viharüzemanyagot tartalmaz, mint a sekély réteg, de a műholdak csak az óceán felszíni hőmérsékletét mérik. A kutatók megpróbálnak olyan módszereket kidolgozni, amelyekkel meghatározható, hogy mennyi energiát tartalmaz az óceán vízének felső néhány száz méteres rétege, mert a viharok valójában ebből táplálkoznak. Olyan autonóm óceánrepülőket fejlesztenek ki, amelyek különböző mélységekben járják az óceán felső részét, miközben hőmérséklet- és sótartalom-mintákat vesznek. Műholdakból származó adatokkal is dolgoznak, amelyek képesek észlelni a tengerfelszín magasságának változásait: a meleg víz mély rétegét a szomszédos területekhez képest kitágítják, és ezzel egy púpot hoznak létre az óceán felszínén, amely az űrből is látható.
A műholdas adatok rendkívül értékesek, de szükség van az óceánon keresztül a hőmérsékletet, a párát és a szelet mérő műszerekre is. Továbbra is számítunk a “hurrikánvadász” repülőgépekre, amelyek a viharokba repülnek, és műszereket dobnak le a viharok belsejébe és környékére. A kutatók az e repülésekből származó adatokat számítógépes modellekbe táplálják, amelyek részletesen tájékoztatnak a légkör állapotáról és a vihar erősségéről. A jobb adatlefedettség, a gyorsabb számítógépek és a viharok kialakulási folyamatainak jobb megértése hozzájárul az előrejelzések javításához.
A pára számtalan forrásból származik, és számos légköri folyamatot befolyásol. A tudósok nem teljesen értik a kölcsönhatások némelyikét, és a számítógépes modellek még mindig nehezen tudják teljes mértékben megjósolni a vízgőz hatását a változó éghajlati rendszerben. Még az a látszólag egyszerű eset is, hogy milyen gyorsan párolog el a víz egy óceánból vagy tóból, számos tényezőtől függ, például a víz és a közvetlenül felette lévő levegő hőmérséklete közötti különbségtől, attól, hogy mennyi gőz van már a levegőben, és a szélsebességtől. A szárazföldön a számítás még összetettebb, és további változókat foglal magában, például azt, hogy mennyi nedvesség van a talajban és milyen típusú növények nőnek. További kihívást jelent annak megjóslása, hogy mi fog történni a gőzzel, miután az a légkörbe kerül. Vajon felhőkké kondenzálódik, vihart gerjeszt, és eső vagy hó formájában hull le? Le fog-e kondenzálódni a felületeken harmatként vagy fagyként? Több száz, esetleg több ezer mérföldet fog utazni a trópusoktól a magasabb szélességi körökig? Az ilyen számítások hibái befolyásolják a jövőbeli hőmérséklet-változások és időjárási minták előrejelzését.
A növekvő vízgőz nagyobb figyelmet érdemel. Sajnos nem tudjuk közvetlenül befolyásolni a légkörben lévő mennyiségét. Közvetett módon azonban csökkenthetjük, ha visszaszorítjuk a felmelegedést, amelyet elsősorban a szén-dioxid és a metán kibocsátása, valamint a fák kivágása okoz, amelyek segítenek a szén-dioxidot a levegőből elnyelni. A felmelegedés mértékének csökkentésével mérsékelhetjük a pára felszökését. Ha sikerrel járunk, lassíthatjuk a gőzviharok jövőbeni erősödését – és a pusztítást, amit okozhatnak.
Ez a cikk eredetileg “Vapor Storms” címmel jelent meg a Scientific American 325, 5, 26-33. számában (2021. november). doi:10.1038/scientificamerican1121-26
Jennifer A. Francis | Scientific American 2021. novemberi száma