A laborasztalon modellezték a mérsékelt éghajlat változásait az MTA és az ELTE fizikusai

A klímaváltozás statisztikus tulajdonságainak fizikai szemléletű vizsgálata iránt egyre növekszik a nemzetközi tudományos világ érdeklődése. Az MTA-ELTE Elméleti Fizikai Kutatócsoport munkatársainak e témával kapcsolatban egy héten belül két cikke is megjelent a Nature leánylapjában, a Scientific Reportsban. A két tanulmány szervesen kiegészíti egymást, hiszen az egyik kísérleti, a másik pedig elméleti és numerikus eredményeket mutat be, ám mindkettő azonos szemléletet követ.

Légköri áramlás a laborasztalon

Vincze Miklós, a kutatócsoport tagja és két szerzőtársa a cottbusi Brandenburgi Műszaki Egyetemről (BTU) világviszonylatban elsőként vizsgálták laboratóriumi kísérletekben az éghajlatváltozás folyamatát (tanulmányuk ide kattintva érhető el). Ezt a hidrodinamikai hasonlóság elve teszi lehetővé. Az elvnek köszönhetően a paraméterek megfelelő beállításával a Földünkével összevethető kiterjedésű légköri áramlások akár asztali méretű tartályokban is modellezhetők. Ilyen kísérletek nyomán megállapítható, hogy egy oldalirányú hőmérséklet-különbség által hajtott áramlás egy forgatott, sekély folyadékrétegben (1. ábra) meglepően jól modellezi a mérsékelt övi éghajlati rendszert.

1. ábra: A klímakísérlethez használt forgó tartály. A mérsékelt égövi légkört modellező vízréteg a belső (hűtött) és külső (fűtött) koncentrikus henger közötti térrészben helyezkedik el Forrás: Brandenburg University of Technology, Cottbus-Senftenberg

Az ELTE Fizikai Intézet Kármán Laboratóriumában és a BTU áramlástani tanszékén folytatott vizsgálatok arra fókuszáltak, hogy a kísérleti rendszerben az áramlásokat hajtó hőmérsékleti peremfeltételek lassú, „klímaváltozás-szerű” időbeli változása miképpen módosítja a modellidőjárás változékonyságát. Egy ilyen, időben folyamatosan változó rendszerben akkor nyerhetők megfelelő statisztikák, ha sok kísérletet, azaz egy sokaságot futtatunk ugyanazon időfüggő „éghajlati” gerjesztés mellett. E gerjesztés praktikusan a légkörmodell „sarki” területein előírt hőmérséklet programozott növelését s így a „sarkvidék” és az „egyenlítő” közötti hőmérsékletkontraszt csökkenését jelentette.

A kísérletek megmutatták, hogy ugyanazon gerjesztés mellett a ténylegesen megvalósuló hőmérsékleti idősorok jelentős mértékben különböznek egymástól. Ez a tapasztalat óvatosságra int a klimatológiai előrejelzések tekintetében, hiszen a valódi földi éghajlatban csak egyetlen realizációt figyelhetünk meg, ami tehát nem reprezentatív. Az eredmények azt mutatják, hogy a kísérletbeli éghajlatváltozás helyes leírása a sokaságelemek fölött képzett átlagok s az ezek körüli ingadozások megadása (az eredmények rövid magyar nyelvű összefoglalása a kutatócsoport idei kormánytájékoztatójában olvasható, mely ide kattintva érhető el).

Párhuzamos klímák

Herein Mátyás és munkatársai az ún. pillanatkép-attraktorok elméletére alapozva megfogalmazták a párhuzamos földi klímák vizsgálatának szükségességét. Megközelítésük lényege, hogy a Föld-rendszer számos másolatát képzeljük el, melyek különböző hidrodinamikai pályákon mozognak, azonos fizikai törvényeket, peremfeltételeket követve. A peremfeltételek – mint például a légköri CO₂-tartalom – időben változhatnak, azonban minden másolatban pontosan egyformán (tanulmányuk itt elérhető).

A párhuzamos pályák sokasága klímánk különböző lehetséges élettörténeteit jeleníti meg. Tudományos értelemben megbízható előrejelzés adott jövőbeni pillanatra vonatkozóan csak az lehet, hogy a sok lehetőség közül a tipikus viselkedést és az akörüli ingadozás jellegét mutatjuk be (a gondolat kifejtése magyar nyelven a Magyar Tudomány februári számában olvasható). A kapcsolat a kísérleti munkával egyértelmű: Vincze Miklós kísérletei azonosan változó környezeti feltételek mellett éppen a lehetséges párhuzamos laboratóriumi klímaváltozatokat követték.

A légköri távkapcsolatokat is vizsgálták

Herein Mátyás és munkatársai egy nagyléptékű klímamodellben (az ún. Planet Simulatorban) végeztek párhuzamos futtatásokat azzal a céllal, hogy az ún. légköri távkapcsolatok helyes statisztikai leírását megadják klímaváltozás esetén. A földi rendszer egyik meglepő tulajdonsága, hogy egy adott földrajzi helyen bekövetkező változás attól nagyon távoli helyeken járhat együtt esetenként drámai időjárással. A legismertebb ilyen távkapcsolat az El Niño-jelenséghez kötődik.

A szerzők az Európára sokkal nagyobb hatással bíró Észak-Atlanti Oszcilláció (NAO) tulajdonságait vizsgálták, mely szerint az Azori-szigeteken megfigyelhető tartósan magas, illetve az Izlandon tapasztalható tartósan alacsony téli légnyomás hideg telet eredményez a mediterrán térségben. Ez jelenlegi klímánkat jellemzi, de – tették fel a kérdést – megmaradhat-e a kapcsolat a CO₂-koncentráció jelentős növekedésével járó klímaváltozási szakasz után is? Azt találták, hogy a válasz minden egyes szimulált egyedi klímatörténetben más és más. A sokaság átlagos viselkedése pedig azt mutatja (2. ábra), hogy a klímaváltozás után szinte semmilyen tipikus kapcsolat nem jósolható a nyomásváltozás és a hideg tél között: a távkapcsolat megszűnik, vagyis az átlagos korreláció erőssége lényegében nullává válik.

2. ábra. Az Azori-szigetek és Izland közötti téli légnyomáskülönbség (N) és a mediterrán térség hőmérséklete (T) közötti átlagos korrelációs együttható 192 párhuzamos klímatörténetre átlagolva a Planet Simulatorban. A jelenlegi állapotnak megfelelő t=500. évben a korreláció negatív. A 600. és 700. év között a CO2-koncentráció megkétszereződik, s ezalatt a korreláció szinte nullára esik le. A CO2-koncentrációnak az 1050. és 1150. év közötti csökkenése után a tipikus viselkedés ismét a kiindulási lesz

Mindkét vizsgálat eredményeiből világosan kiderül, hogy közel azonos induló feltételek mellett valóban nagyon sok különböző klímatörténet valósulhat meg, továbbá az is, hogy így a jövőre vonatkozóan statisztikailag megbízható kijelentések csakis e sokaságkép alapján tehetők. A fentiek szellemében pontosíthatók, megbízhatóbbá tehetők a klímaváltozásra vonatkozó előrejelzések, de a kísérletsorozat eredménye tanulsággal szolgálhat minden olyan fizikai rendszerre nézve is, melynek környezeti feltételei időben változnak, azaz „klímaváltozáson” esnek át.