Megjelent: A Fizika Tanítása (MOZAIK) XI. évfolyam 2003/3. 25-28.oldal

Távoli bolygók és régi korok üzenete napjaink emberének

Az iskolai környezeti nevelés jelentősége napjainkban világszerte elismertté vált. Hazánkban is az új oktatási törekvések egyik fontos elemét képezi az, hogy a környezeti nevelésnek kötelező jelleggel meg kell jelennie az iskolák helyi tanterveiben is. A környezeti nevelés lényegében tudományközi, s hatását a teljes iskolai tanterven keresztül fejti ki a többoldalú megközelítás lehetőségét kínálva. 
Az ismeretek a környezettel kapcsolatos tudatos védő, óvó magatartás kialakításának alapjául szolgálnak. E nevelés tartalmának részeit képezhetik: az emberi tevékenység környezetre gyakorolt hatásai, a legfontosabb környezeti problémák (üvegházhatás, savas eső, ózon stb.), környezeti változások a múltban és a jelenben, a környezettel kapcsolatos törvénykezési kontroll, a környezeti problémák kapcsán keletkező konfliktusok. A gyerekek környezettel kapcsolatos tudását oly módon kell fejlesztenünk, hogy az alkalmas legyen kommunikációra, új ismeretek elsajátítására, problémák megoldására, az információs technika alkalmazására. A fejlesztés kiemelt része a pozitív attitűdök kialakítása a természet iránt. Ez a feladat a következő személyiségjegyek fejlesztését kívánja meg: a természet és más élőlények tisztelete, gondoskodás, törődés, mások nézeteinek, véleményének tiszteletben tartása, tolerancia, szellemi nyitottság, a bizonyítékok és a racionális érvelés iránti tisztelet, a felelősségvállalás mai tetteink jövőbeli következményeiért.
A környezeti nevelés minden tantárgy feladata. A következőkben a teljesség igénye nélkül ismertetjük azokat a főbb környezeti témákat, amelyek a fizika órákon is szóba kerülhetnek (Havas 1997).
A környezeti nevelés tematikai szempontból természetesen az emberiség globális problémáihoz kötődik elsősorban. Három fő problématerületet szokás elkülöníteni: 
•	A világ népességének növekedése
•	A világméretű környezetszennyezés
•	Az energia- és nyersanyagforrások kimerülése
Általánosságban elmondhatjuk, hogy minden esetben, amikor csak lehetséges, fel kell hívni a gyerekek figyelmét a különböző környezeti vonatkozásokra. Nagyon sok fizikai jelenség része átfogóbb környezeti folyamatoknak, de a környezetünkben felmerülő problémák legtöbbjének megértésében és megoldásában is kiemelkedő szerepe lehet a fizikának. Erre tudatosan figyelnünk kell, de valószínű, hogy ebben a gyerekek is segítik a tanárt. 
A következőkben az egyik fontos környezetszennyezéssel foglalkozunk csak, melyhez fizikai jellegű háttér-információval is szolgálunk. 
Globális felmelegedés
A földi élet számára minden idők egyik legsúlyosabb fenyegetése a globális melegedés. Sokan felteszik ugyanakkor a kérdést, hogy mennyire reálisak ezek a félelmek, valóban az úgynevezett üvegházgázok okozzák az éghajlatváltozást? Valóban az emberiség okozza az éghajlatváltozást előidéző üvegházgázok koncentrációnövekedését? A kérdés megválaszolásához tekintsünk vissza a távoli múltba, és kalandozzunk el a Naprendszer különböző bolygóira is! (Marx 1993)
A Naptól távolabb keringő bolygók (Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz) az Univerzumban leggyakoribb könnyű elemekből alakultak ki, ma is H2 , He, CH4 tartalmú gázbolygók. Születésekor a Föld légköre is ezeket az összetevőket tartalmazta. Az abban az időben jóval erősebb radioaktivitás megolvasztotta a fiatal Földet, kialakult az öves szerkezet, miközben a könnyű molekulákat tartalmazó légkör megszökött. A Föld másodlagos légkörét a vulkanizmus hozta a felszínre. A vízből keletkezett az óceán, CO2 atmoszféra alakult ki. A Marson és a Vénuszon ma is ilyen a légkör. A Mars esetében a gáz jelentős része megkötődött CaCO3 formájában (miként az a Földön is megfigyelhető napjainkban), de a Vénuszon nem. A földi légkör további alakulásában már az élő rendszerek létrejötte és azok folyamatai is szerepet játszottak. Kialakult a mai összetételű, úgynevezett harmadlagos légkör.
Egy, a Nap körül keringő, forgó bolygó felszíne addig melegedhet, amíg annak hőkisugárzása el nem éri a napfényből elnyelt energiát. Ezt az összefüggést, tehát az egyensúlyi állapotot jellemző paraméterek egymáshoz való viszonyát a következő egyenlettel írhatjuk le:

,

ahol az egységnyi felületre jutó napfény átlagos intenzitása I = 1,4 kW/m2 napjainkban a Föld esetében, R a bolygó sugara,  = 5,67.10-8 watt/m2K a Stefan-Boltzmann-állandó,  a felszín visszaverőképessége (albedója), mely körülbelül 30%, T0 az átlaghőmérséklet.
Összefüggésünkből kiszámolva a jelenlegi Föld hőmérsékletét, arra –18°C adódik. A Vénusz esetében I = 2,9 kW/m2 értéket beírva +22°C –ot kapunk eredményül. A tapasztalat pedig nem ez! Tudjuk, hogy Földünk átlaghőmérséklete körülbelül +16°C, a Vénuszé pedig maga a „pokol”, +460°C. Közelítésünk ellenben egészen jó a Mars esetében, melyre -60°C érték adódik, mely elég jól egyezik a tapasztalattal.
Hol hibáztunk a Vénusz és a Föld esetében? Mely lényeges tényezőt nem vettük figyelembe modellünk megalkotásakor?
Valószínűleg a légkör összetétele az, ami jelentősen befolyásolja a folyamatokat. A Vénusz esetében a szén-dioxid atmoszféra mindössze 4%-ot enged át az infravörös tartományban. Ezt beírva összefüggésünkbe, kiadódik a 460°C. A Föld esetében nagyobb az infravörös tartományban az átbocsátás, körülbelül 60%, melynek figyelembe vételével a tapasztalattal egyező eredményre jutunk. A közös komponens a két bolygó esetében a szén-dioxid. A jelenség neve üvegházhatás. Magyarázata röviden a következő:
A molekulák nem tekinthetők merev rudaknak. Az atomokat összekötő kötések inkább hasonlíthatók kis rugókhoz, amelyek rezegve változtatják hosszukat. Ezek az úgynevezett rezgési átmeneteket jellemző energiák szintén kvantumosak, az elnyelt vagy kibocsátott fotonok energiái jellemzőek egy adott molekulára. A poláros kötésekkel rendelkező molekulákat be tudja rezgetni, „töltésénél fogva meg tudja ragadni” az elektromágneses hullám. Ha az elektromágneses rezgés frekvenciája megegyezik az atomokat összekötő kémiai kötés sajátfrekvenciájával, akkor a rezonancia folytán az adott sávot a molekula elnyeli az elektromágneses spektrumból. A sugárzás a molekulákat rezgési gerjesztett állapotba viszi. Az alapállapotba való visszatéréskor egy részük a felszín felé sugározza ki az infravörös fotonokat. 
A körülbelül 300 K-os talajnak a Stefan-Boltzmann törvény által meghatározott hőmérsékleti kisugárzásában a legnagyobb intenzitás a 2.1013 1/s frekvencia körül van. Ez az érték éppen megegyezik a szén-dioxid molekula rezgési frekvenciájával. Még csekély mennyiségű szén-dioxid is elég ahhoz, hogy visszatartsa a talaj által kisugárzott energia jelentős részét. Ezért annyira veszélyes növelni a földi légkör szén-dioxid koncentrációját. 
És most térjünk vissza a címben ígért távoli korba! Az Antarktisz jégtakarójából, a különböző mélységekből vett minták segítségével meghatározható az elmúlt több százezer évben a hőmérséklet és a szén-dioxid koncentráció változása. E két adat között igen szoros a korreláció. Honnan tudhatjuk mindezt?
	Légkörünk hőmérsékletének alakulását a következőképp lehet nyomonkövetnei. A légköri oxigén a gyakori 16O izotóp mellett 0,2%-ban tartalmaz 18O-as izotópokat is. A tengervízben gyorsabban mozognak a könnyűoxigént tartalmazó, kisebb tömegű vízmolekulák. Ezek nagyobb mennyiségben párolognak, mint a nehézoxigént tartalmazók. Nyáron, a magasabb hőmérsékleten kicsit megnő a nehézoxigént tartalmazó molekulák aránya. Tehát a téli csapadékban kevesebb a nehézoxigén, mint a nyáriban. A Grönlandon gyűjtött jégminták elemzése szerint a téli hónapokban 4%-kal, a nyári hónapokban 2%-kal kevesebb a nehézoxigén, mint a tengervízben. Ezt arra lehet felhasználni, hogy a grönlandi kilométer vastag jégtakarót megfúrva fel lehet ismerni, és évek szerint rendezni a változó izotópkoncentrációjú téli-nyári hórétegeket. Ezzel a módszerrel mintegy 160 000 évre visszamenőleg lehet nyomon követni a csapadék izotópösszetételét. És ez ad lehetőséget a Föld átlaghőmérsékletének visszamenőleges meghatározására. Melegebb időszak alatt több nehézoxigén párolog el és jut a csapadékba, melyből a hóréteg létrejött. Hidegebb éghajlat alatt viszont kevesebb. Ezzel a módszerrel jól ki lehetett mutatni a 10-20 000 évvel ezelőtti jégkorszakot. Érzékelni lehet a száz év óta tartó fokozatos felmelegedést. 
A mérések szerint a jégkorszakban a CO2 koncentrációjára kapott legjellemzőbb adat 190 ppm (1 millió részecskéből 190 darab a CO2 molekulák száma), míg a melegebb időszakokban 280 ppm. Az ipari forradalom elején is ez az értéké volt jellemző. Az 1958-as évben viszont már 315 ppm, jelenleg pedig 370 ppm, és évente 1,5 ppm értékkel nő, mely minden bizonnyal az emberi tevékenység következménye. Ezek közül első helyen a fosszilis tüzelőanyagok égetése szerepel. De az utóbbi években ehhez még hozzájárult a trópusi erdők kivágása is. 
A számítógépes modellek szerint a légkör szén-dioxid koncentrációjának megduplázódása 1°C-os fölmelegedést okozna az Egyenlítő környékén és 10°C- os melegedést a Sarkkörön. Átlagosan 3°C lenne a melegedés a Földön.
A hőmérőben is emelkedik a folyadékszint, ha emelkedik a hőmérséklete. A víz relatív hőtágulási együtthatója (2.10-4 1/K) három nagyságrenddel nagyobb a szilárd halmazállapotú sziklákénál (5.10-7 1/K). Ebből adódóan emelkedik a melegedő óceán vízszintje. 5 km-es átlagos óceánmélység esetében 1°C-os hőmérsékletnövekedés 1 m szintemelkedést eredményez. 
Nem csak a szén-dioxid molekulának vannak természetesen rezgési átmenetei. A fontosabb üvegház-molekulák, melyek közül nem egynek egyéb környezetkárosító hatása is van, a következők:
H2O (vízgőz), amely a tengerek párolgásából ered. Sajátfrekvenciája 4.1013 1/s. Szerepe még azért is érdekes, mivel részt vesz az úgynevezett visszacsatolásban is. Ugyanis ha melegszik a hőmérséklet, akkor több jut a légkörbe a tengerekből párolgás útján, ami pozitív visszacsatolást jelent, hiszen a vízgőz is üvegházgáz. De egyéb folyamatban is számolni kell a vízzel. A tengervíz és különösen a fagyott állapotban lévő víz, a jég visszaveri a napfényt. Ellenben ha a hó és a jég mennyisége csökken, akkor a visszaverő felület csökkenése is tovább melegíti bolygónkat.
CO2 (szén-dioxid), (0.4%-kal nő évente), amely többféle forrásból kerül a levegőbe. Ezek a források a következők: a földi vulkáni tevékenység, a biomassza levegőn való bomlása, és amivel az emberiség nagymértékben járul hozzá a növekedéshez, a fosszilis tüzelőanyagok (kőszén, kőolaj, földgáz) elégetése. Az üvegház-melegedés 66%-a ennek a gáznak tulajdonítható. A szén-dioxidot azonban a fotoszintetizáló szervezetek elnyelik, ami a növények fontosságára irányítja figyelmünket. Sajátfrekvenciája 2.1013 1/s. 
CH4 (metán), a biomassza levegőtől elzárt bomlásának terméke. Fő forrásai a tehén- és birkatrágya, továbbá az elárasztott rizsföldek. Az évi növekmény napjainkban 1% körül van. Az üvegház-melegedés 20%-ban írható a számlájára. A jégrétegek vizsgálata szerint a metán koncentrációja is jelentősen növekedett az utóbbi időben.
N2O (kéjgáz), a levegő összetevőiből keletkezik. A N2 és O2 molekulák ugyanis magas hőmérsékleten reakcióba lépnek egymással, felszakadnak a nitrogénmolekula hármas kötései. Ez autómotorokban és gázturbinákban következik be, továbbá természetes úton a villámlások alkalmával. A városi légszennyezettség egyik fő okozója, koncentrációja az autók számával arányosan növekszik. Jelenleg az üvegház-hatás 3%-áért felelős.
O3 (ózon), szintén a magas hőmérsékleten üzemelő motorokban keletkezik a levegő oxigénjéből. Sajátfrekvenciája 3.1013 1/s. Energia-felszabadulás közben könnyen visszaalakul kétatomos oxigénmolekulává. Az alsólégköri (troposzférikus) ózon maró hatású, légszennyező gáz, amely a tüdőt ingerli, mert az átalakulási folyamat során egyatomos, rendkívül reakcióképes oxigén keletkezik. Jelenleg az üvegházhatás 8%-át okozza, de mennyisége évenként 1%-kal emelkedik. A sztratoszférában az ózon a Nap nagy energiájú (ultraibolya) sugarainak hatására keletkezik, koncentrációja 20 km-es magasságban a legnagyobb. Az oxigén, az ózon keletkezése közben és a keletkezett ózon is együttesen elnyelik azt a nagy energiájú sugárzást, amely egyébként biológiailag káros hatást fejt ki. Ez tette lehetővé az élet fennmaradását a Földön. Vagyis az az érdekes eset állt elő, hogy ugyanazon anyag az alsó légrétegekben káros szennyeződés, viszont a magas légrétegekben redkívül fontos a jelenléte.
CF2Cl2 (freon, bár más hasonló szerkezetű vegyületeket is sokszor ezzel a névvel illetnek), természetes forrása nincs, a spray-flakonokból, hűtőgépek és légkondicionálók hűtővezetékeiből kiszabadulva kerül a légkör felső részébe. Évente 5%-kal nő a mennyisége, jelenleg az üvegházhatás 3%-át okozza. 
1992-ben Rio De Janeiróban a Föld országai klímakonferenciát hívtak össze, s elfogadták azt az ajánlást, hogy a széndioxid-kibocsátást 2000-re stabilizálják az 1990-es szinten. A második Klíma Világkonferencia Kyotóban volt 1997 decemberében, ahol szintén születtek felajánlások a széndioxid kibocsátás csökkentésére, természetesen hazánk részéről is, melyet parlamentünk nemrég ratifikált.

Irodalomjegyzék

Chiras, Daniel (1990): Environmental Science. The Benjamin/Cummings Publishing Company, INC. California
Gore, Al (1993): Mérlegen a Föld, Ökológia és emberi lélek. Föld Napja Alapítvány, Budapest.
Havas Péter (szerk.) (1997): A környezeti nevelés és a helyi tanterv. Infogroup, Budapest.
Marx György (1993): Napfény, üvegház, éghajlat. Fizikai Szemle 4. sz.132-140.
Marx György (1996): Atommag – közelben. MOZAIK Oktatási Stúdió, Szeged