A Nap hatalmas mennyiségű energiát szállít a Földre. Hogyan alakul át ez az energia a városban? A sugárzási egyensúlyban a légszennyezés milyen szerepet játszik?
Az éghajlati rendszerben a napsugárzás a fő energiaforrás. A Napból kapott energia mennyiségét a légkör külső részén, a sugárzásra merőleges felületre, közepes Nap - Föld távolság esetén napállandónak nevezzük. A napállandó éves menetében való kis változás a Föld Nap körüli keringésétől függ, amit a a Nap és a Föld közötti távolság változása okoz. Értéke 1365 és 1372 W/m2 között változik, mivel a Nap kisugárzása is változik. Azonban a földfelszín a napsugárzásnak csak egy részét kapja meg, mivel az gyengül a légkörben az abszorpció és szóródás révén.
A városi légkörben sok, szilárd részecskét tartalmazó szennyezőanyag van. Az erősen módosított, főleg mesterséges városi felszínnel együtt, ez a két tényező egy városban jelentősen megváltoztatja a sugárzási egyenleget, a vidéki területtel összehasonlítva. A sugárzási egyenleg (nettó sugárzás) egységnyi városi felszín fölött a következő képlettel fejezhető ki:
Q =(1-A) (I · sin h + i) + (Ez - Ea)
ahol:
Q - nettó sugárzás (sugárzási egyenlegnek is nevezik)
A - albedó (tizedekben kifejezve pl. 0.7, nem 70%); (1-A) - a felszín által elnyelt rövidhullámú sugárzás
(I · sin h) - a vízszintes felszínt elérő direkt napsugárzás intenzitása; h - napmagasság; i - a diffúz napsugárzás intenzitása
Ez - a Föld hosszúhullámú sugárzása (a felszín által a légkörbe sugárzott hő); a légkör az Ez mintegy 96 %-t elnyeli, csak egy kis része jut ki az űrbe, ez függ azonban a levegő üvegházgáz és nedvességtartalmától, Ea - a légkör hosszúhullámú sugárzása, melyet visszasugárzásnak is neveznek (a légkör által, a felszín felé kibocsátott hő); (Ez-Ea) - effektív sugárzásnak is nevezik; a Föld által elveszített hő, azaz az a hőmennyiség, ami a Földtől az űrbe távozik.
Az egyenleg értéke Q lehet pozitív (azaz több energia érkezik a felszínre, mint amennyi kilép), vagy negatív (azaz több energiát veszít a felszín, mint amennyit kap).
Albedó (A) a felszínről visszavert sugárzás és a felszínre beérkező rövidhullámú sugárzás hányadosa. Ezt egy város főleg a nagyon különböző városi felszín jellemzői révén módosítja. Függ a felszín anyagától, színétől és nedvességétől, de a hóborítottság időtartamától is. Az épület anyagainak alacsony albedója jellemző, összehasonlítva néhány természetes anyaggal és felszínnel, pl. 5-20%-os albedója az aszfaltnak, 10-35 %-os a betonnak, 20-35 %-os a kőnek, 10-35 %-os a cseréptetőnek van; a friss hóé 75-95 %-ra növekedhet. Azonban néhány természetes felszínnek is lehet alacsony albedója, pl. a csernozjomnak (fekete talajként is ismert) 5-10 %, a lombhullató erdőnek 15-20 %. A víz albedója a beérkező sugárzás szögétől függően változik az egészen kicsitől a 90 %-ig (lásd a táblázatot). Ennek következtében a városban az elnyelt sugárzás összege körülbelül 15-30%-kal magasabb, mint a vidéki területen. Sőt, a különféle mesterséges felszínek mozaikos elrendezésűek és nagy térbeli változékonyságú albedót hoznak létre, ami jelentősen befolyásolja a városban a levegő hőmérsékletét.
1. Ugyanolyan nap inklináció, de különböző felszínek esetében a napsugárzás visszaverődésének és az abszorpciójának egy egyszerűsített modellje. szerző: Sebastian Wypych, Mateusz Kaminski
A
B
2. Az albedó és a Nap inklinációja közötti függés, ugyanazon felszín fölött. A vizet példaként hoztuk fel. Figyelem: különböző felszínek esetében a függés különböző lehet. szerző: Sebastian Wypych, Mateusz Kaminski
Nap inklinációja
1°
5°
10°
20°
30°
40°
50°
víz albedója (%)
89.6
58.6
35.0
13.6
6.2
3.5
2.5
3. A víz albedó értékeinek kapcsolata a Nap inklinációjával
A globálsugárzás (a direkt és a diffúz sugárzás összege) mennyiségét a városban 10-20 %-kal csökkenhet, a levegőszennyezettségnek és a növekvő felhőzetnek köszönhetően. A direkt sugárzás azonban, akár 50%-kal is csökkenhet. Ez azt jelenti, hogy a beérkező UV sugárzás mennyisége is csökken; ez a biológiailag aktív sugárzás, ami a légegészségügyi feltételeket javítja, például megöli a baktériumokat, amik különböző betegségeket okoznak. A légszennyező anyagok aeroszolokat képeznek, amik elnyelik a Föld hosszúhullámú kisugárzását (Ez), és azután visszasugározzák azt (Ea). A fentiekben említett tényezők együttesen okozzák a levegő hőmérsékletének emelkedését a városokban.
4. A (Napból kapott) rövidhullámú sugárzási áram változásai egy városban, összehasonlítva egy vidéki területtel; például "direkt sugárzás -15%" azt jelenti, hogy egy városban a direkt sugárzás 15%-kal alacsonyabb, mint vidéki területeken szerző: Sebastian Wypych
5. A hosszúhullámú sugárzási áram változásai (azaz infravörös sugárzás) egy városban, összehasonlítva vidéki területekkel; például "a légkörbe való visszasugárzás +10%" azt jelenti, hogy a sugáráram a városban 10%-kal nagyobb, mint a vidéki területeken szerző: Sebastian Wypych
Jelenleg Közép-Európában a városi területek sugárzási egyenlegét megváltoztatja a levegőszennyezésben történő változás, ami a gazdasági és politikai változásoknak köszönhető. 1990-es években, a legtöbb volt kommunista ország gazdasági krízisen esett át, és az ipari termelés csökkenését alacsonyabb szennyezőanyag kibocsátás követte. Továbbá, új, alacsony kibocsátású technológiákat kezdtek alkalmazni számos gyárban, így tovább javították a levegő minőségét. Az 1996-1999 közötti években, a felhők visszaverő képessége Közép – Európa fölött (az indirekt aeroszol hatásnak köszönhetően) 2.8%-kal csökkent (összehasonlítva az 1985-1989-es évekkel), ezáltal durván 1.5 W/m2-rel növekvő sugárzási fluxushoz vezetett.
Szerzők: Sebastian Wypych, Anita Bokwa - Jagiellonian University - Krakkó / Lengyelország Támogató: Anna Gorol 1. Tudományos lektor: Prof. Barbara Obrebska-Starkel - Jagiellonian University - Krakkó / Lengyelország - 2003-06-20 2. Tudományos lektor: Dr. Marek Nowosad - Maria Curie-Sklodowska University - Lublin / Lengyelország - 2003-06-16 pedagógiai lektor: utolsó módosítás: 2004-12-17
