Téma: 
Címkék: 
Ebben a részben azt nézzük meg, hogy azt a vékonyka bioszférát a Föld felszínén, amely annyira érzékeny a hőmérsékletre, és a hőmérséklet változásaira, mi tartja életben. Honnan származik az a hő, amely lehetővé teszi az életet, és mi tartja meg, hogy el ne szivárogjon a Földet körülvevő űr hidegébe. Ezzel azt próbáljuk egyúttal megtudni, hogy a Föld miért lehetett, és miért maradhatott máig élő bolygó, míg más bolygók sohasem lehettek azok, vagy ha voltak is, ma már nem azok.Legelsőként próbáljuk meg úgy látni a Földet, mint ahogyan az előző részekben már leírtuk. Ez fog segíteni abban, hogy megértsük a hőháztartását is. Tehát: Adva van egy hatalmas belső tömeg, amely forró, áramló, viszkózus folyadék. Ezt határolja egy szilárd, gömbhéj forma vékony kőzetkéreg, amely jó hőszigetelő. (Tehát: Egy bekérgesedett kisméretű Nap felszínén élünk!) A kéreg kétharmadát – ott, ahol az a legvékonyabb – kívülről víz borítja, amely ugyan jó hővezető, de hatalmas hőmennyiséget képes elnyelni. A kéreg és a víz együtt a test teljes tömegének még egy százalékát sem teszi ki. Ezek felett, kívülről, a bolygót egy légnemű közeg borítja, amelynek legnagyobb sűrűségű része, amelynek az alján a bioszféra van, nem több, mint tíz kilométer a földfelszín felett. Ez az a zóna, amelyben a bioszférát közvetlenül érintő folyamatok zajlanak. Efölött van egy olyan – meglehetősen vékony, de stabil hőmérsékletű (- 56 fok) határ-réteg, amelyet tropopauzának hívunk. E felett már a légkör egyre ritkuló és egyre hidegebb rétegeit találjuk egészen addig, amíg a bolygóközi űrt el nem érjük. Ebben a bolygóközi űrben találjuk valahol, nagyon távol a Napot, amelyről tudjuk, hogy sugárzásaival kívülről melegíti a Földet.
Ha most ezt a képet módosítjuk az egyes összetevők hőmérsékleti értékeivel, és azt súlyozzuk azok tömegével, akkor juthatunk el ahhoz a képhez, amelyből már következtetéseket lehet levonni arra nézve, hogy a Földet életben tartó hő milyen forrásokból származik, és azok mekkora szerepet játszanak a felszíni hőmérséklet fenntartásában és változásaiban.
Először induljunk ki abból a hőmérsékleti értékből, amely a Földet körülveszi. Tegyük fel a modell kedvéért, hogy a galaxis-közi űr hőmérséklete az abszolút nulla (- 273 fok). Tegyük fel, hogy a csillagközi űr ennél valamivel melegebb. Legyen ez, mondjuk – 200 fok. A bolygóközi űr a Naprendszer teljes egészére nézve legyen még melegebb, – 170 fok, a Föld körül, a Földnek a Naptól való távolságában pedig már csak – 150 fok. (Ez állítólag a Hold éjszakai hőmérséklete.) Ez a hőmérséklet a tiszta víz fagyáspontjánál 150 fokkal hidegebb, ami elképzelhetetlen hideget jelent!
Másodikként vegyük a Föld belsejének a hőmérsékletét. Próbáljunk meg kiindulni abból az értékből, amit meg is tudunk mérni, a vulkánokból kitörő legforróbb magma hőmérsékletéből, ami maximum 1200 fok. Ennél a Föld belseje csak melegebb lehet, de ezt az értéket nem fogjuk számításba venni, mert nem tudjuk mérni. De a felszínre kerülő magma mérhető hőmérséklete csak azt mondja meg nekünk, hogy a kéreg alatti, azzal fizikai érintkezésben levő „fűtőtest” hány fokos. Ez pedig minket nem érdekel. Ugyanezért nem fogjuk a Napnak, a másik fűtőtestnek sem a felszíni, sem a belső hőmérsékletét számításba venni: azt ugyanis nem tudjuk mérni. De ha tudnánk is mérni, csak azt mondaná meg nekünk, hogy a Nap mekkora hője érintkezik az űr hidegével. Nekünk viszont az kell, hogy a teljes leadott hőmennyiségéből mennyi jut a Föld felszínére, és a Föld mélyének a hőjéből mennyi jut ki a felszínre, ahol a bioszféra van.
Azért nem lesz szükségünk ezekre az adatokra, mert más megközelítést alkalmazunk. Ugyanis tudjuk, hogy bármely rendszer hőháztartásában a hőforrás legfontosabb jellemzője az, hogy mekkora anyagmennyiséget, mennyi idő alatt, milyen hőmérsékletről milyen hőmérsékletre képes felmelegíteni, és azon a hőfokon tartani. A melegített anyag fő jellemzője pedig az, hogy ezt a hőt hogyan képes önmagában eloszlatni, és meddig képes azt az adott környezetben megőrizni. (Hogyan gazdálkodik vele.) Az ezeket határoló környezet jellemzője pedig az, hogy egy irányban mekkora hőmérsékletkülönbséggel határolja a forrás által melegített anyagot, és a közege hogyan engedi át a hőt. Ellenáll-e a melegedésnek vagy a hűlésnek, vagy nem, és mennyire.
A Nap esetében tehát csak azt kell ismernünk, hogy a Föld körüli űrt, a földfelszínt és a felette levő légkört mekkora hőmérsékletről mekkora hőmérsékletre melegíti fel, és ez utóbbiaknak mekkora a tömege és az átlagos hővesztesége az űr felé. A Föld esetében pedig csak azt kell tudnunk, hogy a Föld körüli űr hőmérsékletéről mennyire melegíti fel a felszínt alulról. Vegyük ezekhez hozzá azokat a mérhető és ismert értékeket, amelyek még hiányoznak a képből.
Azt tudjuk, hogy Magyarországon a felszín alatt kb. egy méterrel a föld hőmérséklete állandósul 10-12 fokon. Ennyi a barlangok (és a pincék) belső hőmérséklete télen és nyáron is. Ez azt jelenti, hogy a kéreg meglehetősen jó szigetelő, de még a levegő is az, hiszen az határolja el az űr hidegétől. A kettőnek együttes hő-megtartó képessége teszi lehetővé ezt az állandóságot. És még valami: a Föld belső hője, a hőforrás, amelynek hőjét ezek csak nem engedik eltávozni az űrbe. Persze ebbe besegít a Nap is kívülről, de a kéreg mélyének a hőmérsékletébe aktívan nem szól bele. Másként ugyanis lenne különbség a téli és a nyári hőmérséklet között mélyen a talajban. De nincs! A kéreg hőmérsékletének állandóságát a Föld belső hője biztosítja.
Magyarország azonban nem reprezentálja a Föld egészét. Vannak ennél melegebb (trópusok) és hidegebb (örök fagy) vidékek is bőséggel. Ezért vegyük úgy, az egyszerűség kedvéért, hogy az egész Föld talajfelszín alatti hőmérséklete átlagosan 5 fok. Ehhez már csak a Föld felszínének évi középhőmérsékletét kell hozzávennünk, ami + 15 fok. Most már hozzákezdhetünk a logikai következtetéslánc felállításához az elemi következtetésekből.
1) A Föld – akármekkora is a belső hőmérséklete – az őt szigetelő kéreg felszínét az ót körülvevő űr mínusz (–) 150 fokáról plusz (+) 5 fokra képes felmelegíteni, azaz 155 fokot melegít rajta a környező űr hidegéhez képest. Vagyis a Föld tömegének belső 99 százaléka annyi hőt ad át az 1 százaléknyi tömegű kéregnek, amely ellenáll a hőátadásnak, mert hőszigetelő, hogy az ezen a hőfokon képes állandóan maradni. Ez hatalmas hőmennyiség.
2) A Nap – akármekkora is a felszíni vagy a belső hőmérséklete, és akármennyi hőt sugároz is szét az űrbe – a Föld felszínén a talaj pár centiméteres mélységét, és a víz felső rétegét, valamint a felette levő levegő alsó rétegét 155 fokról évi átlagban + 15 fokkal tudja tovább melegíteni. Ez is hatalmas hőmennyiség, de a melegített tömeg, és a melegítés mértéke is elenyésző ahhoz képest, amit a Föld belseje produkál.
3) A képet árnyalja, hogy a Föld azért képes ennyire felmelegíteni a kérget, mert a felette levő legfelső réteget, a vizet és a levegőt a Nap kívülről melegíti, tehát a kéregnek nem kell a csillagközi űr farkasordító hidegével érintkeznie. A földhőnek tehát nem nulláról kell indulnia. Ezt a Nap sugárzó hője teszi lehetővé.
4) Ugyanakkor a Nap azért képes átlagosan 15 fokkal megemelni a földfelszín, a felszíni vízréteg és a levegő hőmérsékletét, mert azt nem – 150 fokról kell megtennie, hiszen a Föld belső hője azt már alaposan megemelte. Ő sem nulláról indul.
5) Még tovább árnyalja a képet, hogy a Földnek a melegítő hatása csak azért indulhat – 270 fok helyett – 150 fokról, mert a Nap a rendszert kitöltő űr egészének hőmérsékletét ennyivel már megemelte. Ez is hozzátartozik a teljes képhez, noha a minket érdeklő bioszféra hőháztartása szempontjából nem bír jelentőséggel.
A fentiek ismeretében most már levonhatunk néhány következtetést a bioszféra hőmérsékletére hatást gyakorló körülményekről.
A Föld felszínén létrejött bioszféra hőjének döntő többségét, és annak állandóságát a Föld saját belső hője biztosítja. Másként megfogalmazva: a Föld belső hője lehet a legnagyobb hatással a Földfelszín hőmérsékletére, amennyiben és amikor a gerjesztése megnövekszik, vagy lecsökken. Ezért nagy biztonsággal levonható az a következtetés is, hogy az extrém felmelegedésért, vagy lehűlésért (jégkorszak) a Föld gerjesztésének megváltozása lehet a felelős, amely az állandóságot valamelyik irányban eltolja.
A bioszféra hőjének a Földhő melegítésén felüli mennyiségéért, és annak periodikus változásáért viszont a Nap sugárzásai a felelősek. Amennyiben és amikor a Nap erősebb vagy gyengébb gerjesztést kap („erősebb vagy gyengébb a Naptevékenység”), a Föld felszínére is ennek megfelelően több, vagy kevesebb hőmennyiséget képes eljuttatni és átadni.
Mivel azonban a gerjesztés forrása nem a naprendszeren belül van, hanem azon kívül, a Nap és a Föld is egyszerre kerül magasabb vagy alacsonyabb gerjesztési fázisba. Tehát a bioszféra hőmérsékletét változás esetén mindkettő emelni, vagy csökkenteni fogja. Az egyetlen különbség az, hogy a bioszférát helyileg a Nap periodikusan (nappal-éjszaka, nyár-tél) látja el hővel, a Föld pedig folyamatosan. Ugyanakkor a Földön vannak olyan helyek, amelyeket a Földhő az átlagnál sokkal gyengébben, másokat pedig sokkal erősebben lát el, de ezek helye nem változik meg, azaz az ember (a bioszféra) a földhőre biztosabban számíthat, mint a Nap által szolgáltatott hőre.
Most már csak azt a kérdést kell megválaszolnunk, hogy miért áll az írás címében az, hogy a Föld egy kétkörös hőcserélő. Ehhez előbb nézzük meg, hogy egy nem élőnek tartott bolygó, a Mars, vagy a Holdunk hogyan gazdálkodik a saját és a Nap hőjével, ha van saját hője, és egyáltalán képes még vele gazdálkodni. A Holdra a következő adatokat szokták megadni:
A Hold kérgének a hőmérséklete közvetlenül a felszín alatt + 30 fok, azaz a környező űr – 150 fokos hidegénél valami 180 fokkal magasabb hőmérsékletűre melegíti. (Megjegyezzük, hogy 1000 méteres mélységre + 730 fokot adnak meg, ami nyilvánvalóan nem mért, hanem következtetett adat, amivel később eljátszadozhatunk.) Mivel a Holdnak nincs számottevő atmoszférája, a felszíni hőmérséklete délre eléri a + 110-120 fokot, ami napnyugtára 0 fokra hűl. A hűlés tovább folytatódik, és napkelte előtt már – 150 fokra, gyakorlatilag a környező űr hőmérsékletére csökken a Hold felszíni hőmérséklete.
A Mars esetében már beszélnek némi légkörről, és a felszíni hőmérséklete adatait a következők szerint szokták megadni: A Mars felszíni hőmérséklete az egyenlítői területeken napközben eléri a +17-27 fokot, ami éjszaka – 73 fokra csökken. A sarki területek soha nem melegszenek fel – 53 fok fölé. A sötét területeinek hőmérséklete 5-15 fokkal is magasabb lehet a környező világosabb területekénél.
Mivel mindkét égitesten járt már földi mérőműszer, és minden elérhető forrás ugyanezeket, vagy ettől csekély mértékben eltérő adatokat közöl, ezeket az adatokat tapasztalati (mért) értékekként kezelhetjük.
Az adatokból elsőként azt a következtetést vonhatjuk le, hogy vastag légkör hiányában az égitestek felszíni hőmérséklete szélsőségesen tág határok között ingadozik. A légkör teljes hiányában gyakorlatilag a felszín éjszaka – tehát nagyon gyorsan – a környező űr hőmérsékletére hűl vissza. Azaz, a Naptól a Földdel azonos távolságban keringő égitest ugyanakkora hőmennyiséget kaphat a Naptól, mint a Föld, de légkör nélkül nem képes gazdálkodni a kívülről kapott hővel. Ugyanakkor a jól szigetelő kérge mégis megóvja a belsejét a gyors kihűléstől.
Másodsorban levonhatjuk azt a következtetést is, hogy ahhoz, hogy egy égitest felszínén az élethez, a bioszféra kialakulásához szükséges hőmérséklet csak szűk határok között változzon, az égitestnek két (külső és belső) hőforrásra és két hő-eloszlató és hő-megtartó, őt az űr hidegétől elszigetelő rendszerre van szüksége, amelyek egymástól is el vannak szigetelve. Ezért nézhetünk úgy a Földre, mint kétkörös hőcserélő rendszerre.
Most viszont nézzük meg azt, hogy mitől és hogyan történik a hő körforgása a két rendszerben. Hogyan képesek a hőcserélő kört alkotó közegek a kapott hőt az egész felszínen eloszlatni, és visszatartani. Ezekre az ismeretekre majd szükségünk lesz a globális felmelegedést taglaló írás megértéséhez is.
Az első (és belső) kör a Föld belső folyékony anyaga (magma), amely egyben a hőforrás is. Azt már láttuk egy korábbi írásban, hogy a hőt a Föld nem maga fejleszti, hanem kívülről kapja azoktól a rajta átáramló áthatoló közegektől, amelyek részecskéi a Föld belső anyagával ütközve azt gerjesztik. A gerjesztés egyik formája a hőmérsékleti gerjesztés, amely az ütközések jellemző gerjesztési formája. A Föld belseje tehát folyamatosan melegszik. A Föld anyaga azonban nem passzív szereplő ebben. Át is alakítja a részecskék ütközési hőjét az anyagának, most már, mint közegnek a mozgásává, azaz áramlásokká. Ezt ugyan szokás egyszerűsítve hőmozgásnak is nevezni, de nem teljesen az.
Mivel az ütközések száma annál nagyobb, minél mélyebben ütköznek az áthatoló közegek részecskéi a Föld anyagával, ezért a gerjesztés a Föld középpontja környékén a legerősebb és a felszínéhez közel a leggyengébb. Ezek között a régiók között a hőmérsékleti (mozgásmennyiség) kiegyenlítődés áramlások útján megy végbe, de nem helyi, ad hoc konvekciós feláramlások útján (ezért nem egyszerű hőmozgás!), hanem a forgó test belsejébe zárt folyadék áramlásainak módjára, azaz szabályosan történik. Valódi, a Föld kérgének belső görbülete és a forgó gömbhéj Coriolis eltérítése által szabályozott két (egy északi és egy déli) köráramlás (magma folyam) jön létre, amely mint egy gyűrű (fánk) felületén mozogva egyenlíti ki a gerjesztési különbségeket, és osztja el a magma teljes anyagában és a kéregben. A két köráramlás az egyenlítőnél ér össze, ahol egymást lassítják, és az egyenlítői kéreg alatt egy vastagabb, nyugalmi zónát hoznak létre, amit mindketten kikerülnek. Ez gyakorlatilag a Föld belső hőcserélő, hőelosztó köre, amellyel alulról melegíti a kérget, és egyenletes hőmérsékleten tartja. De csak ott, ameddig elér. Ennek a határa északon körülbelül Izland magasságában van. Ezen a körön belül az áramló magma nem melegíti közvetlenül a kérget. Ugyanez a helyzet az Antarktisz alatt is. Ezért ezek a zónák a Föld leghidegebb helyei.
Ahhoz, hogy a külső hőcserélő/hőelosztó kör létrejöhessen, a belső és a külső kör között egy jó hőszigetelő rétegnek kell lennie, amely nem más, mint a Föld szilárd kérge, amelynek alakja befelé egy gömbhéj test belső görbületével, kívül annak külső görbületével rendelkezik. Ez a forma a belső és a külső közegek áramlásainak szabályozója a Föld forgásával együtt.
Ahhoz, hogy a kéreg külső oldalán is kialakuljon egy hőcserélő, hőelosztó körforgás, szükség van egy külső hőforrásra, amely a kérgen kívül található, körmozgásra szintén képes anyagot melegíti közvetlenül, vagy áttételesen. A hőforrás itt a Nap, pontosabban annak sugárzásai, amelyek a kéreg felszínét közvetlenül, míg a rajta levő vizet közvetve és közvetlenül is, a levegőt pedig közvetett úton melegítik. Mindkét közeg – a víz és a levegő is – képes köráramlások kialakítására, amelyet meg is tesznek ugyanúgy, mint a magma belül. Szabályozottan! Csak éppen a gömbhéj külső felszínén.
Itt is a forgó Földfelszín görbületének és forgásának van szabályozó szerepe. A Coriolis eltérítés itt is hat, mind a víz, mind a levegő áramlásaira, csak éppen ellentétes irányban, mint a gömbhéjon belül. Ezeket a mozgásokat jól példázzák a nagy földi légkörzések és tengeráramlatok, amelyek csak akkor térnek el a Coriolis eltérítés szabályos irányától, amikor a szárazföldi kéreg kontinentális talapzatába ütköznek. (Golf áramlás, stb.) A légkör és a víz mozgásait is a hőmérsékleti típusú gerjesztés indítja be, és itt sem ad hoc módon keletkeznek a közegmozgássá átalakuló részecskemozgások. Mindig engedelmeskednek a forgásból, a felszín görbületéből fakadó szabályozó, és a domborzatból fakadó eltérítő hatásoknak.
Kevesen tudják, hogy a Föld forgási egyenlítője egyúttal két teljesen elkülönült áramlási félgömbre osztja a légkört, amelyek légmozgásai nem keverednek egymással! Az északi félgömb áramlásai által mozgatott légkör nem kerül át a déli félteke területére, és fordítva.
A két mozgó közegen alapuló hőcserélő és hőelosztó rendszernek, valamint a kéregnek együttesen az a hatása, hogy a két (belső és külső) hőforrása hőjével a Föld úgy tud gazdálkodni, hogy rajta az élet létrejöhetett és fennmaradhatott akkor is, ha egyébként igen szűk hőmérsékleti határok között képes csak fennmaradni. Csakis ezért lehet és maradhat élő bolygó a Föld!
A kép teljessége kedvéért tegyük még hozzá, hogy mind a magma, mind a víz, mind a légkör áramlásainak iránya és erőssége erősen függ a Nap, a Hold és a Föld járásától, egymáshoz viszonyított helyzetétől a pályájukon való mozgásuk során.
Végezetül: A Föld és a Nap szolgáltatta hőmennyiség közötti különbséget úgy érthetjük meg igazán, hogy elképzeljük, hogy egy minimum 1500 C fokos cserépkályhán ülünk (élünk), amelynek forróságából csak a kályhacserép (kéreg) kellemesen melengető hőjét érezzük, miközben az arcunkat az ablakon besütő Nap hője is melengeti.
A bioszférát életben tartó kályha és tüze körülbelül (arányosan) így nézne ki:
Kép
És itt még nincs vége! A rendszerlogikai megközelítés és a felvett nézőpont további következtetések levonását is lehetővé teszi a Holdra és a Marsra vonatkozóan. A hőforrások szolgáltatta hőmennyiség földi összehasonlítása alapján joggal állíthatjuk, hogy a légkör nélküli Holdnak ugyan a földinél vastagabb kérge van, de benne korántsem állt le a magma áramlása. Másként a felszíne alatt nem lehetne állandó a hőmérséklet! A vastagabb kéreg jobb hőszigetelést jelent, ha anyaga hasonló a Föld kérgéhez. A Hold tehát nem teljesen kihűlt égitest!
A Hold pszeudo-légkörénél vastagabb légkörrel rendelkező Mars még kevésbé halott, vagy kihűlt égitest. Ezt jól mutatja, hogy a Naptól való nagyobb távolsága ellenére jóval kisebb a felszíni hőingadozása, mint a Holdé. A rendszerlogikai világkép szerint egyáltalán nem lehetetlen, hogy egy hosszabb megnövekedett külső gerjesztési periódus során, a felszínén újra beinduljon a vulkáni tevékenység, és ennek következtében a vulkáni gázokból légkörre és folyékony felszíni vízre tegyen szert, esetleg a magma-áramlások újraindítsák még a mágneses dinamóját is.
Erről bővebben a Földet, mint mágnest, és mint dinamót bemutató következő írásunkban olvashatnak.