A sztratoszféra különleges felhői főként a sarkvidékek környékének ritka téli látványosságai közé tartoznak, így rendkívül meglepő, hogy idén először hazánkból is megfigyelhetők voltak. Megpillantásuk életre szóló élményt nyújt, ám egyes típusaik összetett kémiai reakciók révén az ózonréteg elvékonyodásához is hozzájárulnak.

A téli égbolt szürke, meglehetősen egyhangú képét olykor szokatlan színű és formájú felhők bontják meg a sarkvidékek közelében. Megfigyelésük elsősorban Skandinávia, Izland, Grönland és Kanada térségében, vagy az Antarktiszon adódhat lehetőség, de néhány kivételes esetben már Írországban vagy másutt is észleltek ilyen felhőket. Kialakulásuk kizárólag a téli évszakban lehetséges, így az északi féltekén decembertől februárig, a délin pedig június közepétől október közepéig figyelhetők meg.

Szalagokká szakított szivárványok

Legkorábbi megjelenésük időpontja ismeretlen, az eddig előkerült legrégebbi források a XX. század elejéről maradtak fenn. Ezen opálfényű felhők 1903. augusztus 17-i feltűnéséről tanúskodik például Edward Adrian Wilson antarktiszi tájat ábrázoló festménye is. A Déli-sarkot is megjárt felfedező naplójában ahhoz hasonlította a megfigyelt színeket, mint amik egy tucat élénk szivárvány fodrozódó szalagokká és foltokká szétszakításakor keletkezhetnének. Valószínűleg ezt a jelenséget festette le 1901-ben Aksel Jörgensen dán festő is.

A ritka tüneményt kezdetben nem övezte különösebb tudományos érdeklődés. Az is csak jóval később, egy XX. század közepén végzett mérés során vált bizonyossá, hogy a gyöngyházfényű felhők a sztratoszféra alsó részén, 20–25 km magasan alakulnak ki, és igen apró (mikrométeres méretű) víz-jégkristályokból állnak. Ahhoz, hogy a sztratoszférában jelen lévő rendkívül kevés (5 ppm) vízből az ott uralkodó körülmények között jégkristályok jöhessenek létre, a levegőnek körülbelül -­85 °C-ra kell lehűlnie. Ez az alacsony hőmérséklet ebben a magasságban csak a sarkvidéki tél második felében jellemző, ami megmagyarázza, hogy a jelenség miért csak a téli időszakban látható. A színkoktél háttere egyébként szintén a vízzel kapcsolatos: a Nap fehér fénye a felhő milliónyi apró jégkristályán keresztül elhajlik és színeire bomlik.

Savak a magasban

A későbbi műholdas mérések ezután meglepetést okoztak: poláris sztratoszférikus felhőket találtak ugyanis olyan sarkvidéki területek felett is, ahol a hőmérséklet a víz-jégkristályok kialakulásához szükségesnél magasabb, -­81 °C és ­-76 °C közötti volt. A részletes vizsgálatok kimutatták, hogy ezeket az újonnan felfedezett felhőket valójában nem víz, hanem salétromsav-trihidrát (HNO₃·3H₂O) alkotja. Az új eredmények után tehát szükségessé vált a típusok rendszerezése, amit az összetétel és a kialakulási hőmérséklet alapján az alábbiak szerint tettek meg:

I. típus: Halvány, fehér vagy szürkés színű, sávos szerkezetű felhők. Kialakulási hőmérséklete: ­-81 °C és ­-76 °C között van.

– Ia típus: salétromsav-trihidrát (HNO₃·3H₂O) alkotja.

– Ib típus: gömb alakú salétromsav- (HNO₃) és kénsav- (H₂SO₄) cseppek alkotják.

– Ic típus: szabálytalan alakú, nem egyensúlyi szerkezetű salétromsav-víz cseppek alkotják.

II. típus: Alakjuk olykor lencsefelhőhöz, máskor szélben fodrozódó vízfelszínhez hasonlítható, ám igazán egyedivé ragyogó gyöngyházfényük és festői színviláguk teszik őket. Kialakulási hőmérséklete: ­85 °C és ­83 °C között van, és víz-jégkristályok (H₂O) alkotják.

Amikor a hőmérsékleti viszonyok a fentieknek megfelelően alakulnak, akkor az I. és II. típusú felhők folyamatosan jelen lehetnek a sztratoszférában, azonban a Nap erős fénye miatt napközben nem (vagy alig) észlelhetőek. Az Antarktiszon például a beszámolók szerint a szezon egészében sejthető egy vékony sárgás fátyol az égbolton, ami azonban külső ismertetőjegyei alapján elsőre könnyen összetéveszthető a párával vagy a magasszintű felhőkkel. A vízszintes szálak és ovális foltok részletes szerkezete általában akkor válik láthatóvá, amikor a Nap hajnalban vagy alkonyatkor már a horizont közelében jár: ilyenkor az I. típus ezüstösen derengő, füstszínű sávos szerkezetet mutat, a II. típus hullámai és foltjai pedig élénk színekben pompáznak.

Észlelésükre szürkület idején nyílik a legjobb lehetőség, amikor a Nap ­1° és ­6° között jár a horizont alatt. Ilyenkor ugyanis a légkör alacsonyabb részei már árnyékban vannak, a sztratoszférát azonban még kellő fény éri. Természetesen megpillantásukhoz derült égbolt szükséges, hiszen ha a légkör alacsonyabb részében „hagyományos” felhők borítják az eget, akkor azok eltakarják a megfigyelő elől a sztratoszféra különös látványosságait. Ha az időjárási körülmények mégsem kedveznek, akkor a szürkületi időszak abban is segítségünkre lehet, hogy az ilyenkor alulról megvilágított sztratoszférikus felhőket el tudjuk különíteni a már sötét „hagyományos” felhőktől.

Ózonkutatók

A poláris sztratoszférikus felhők levegőkémiában és klimatológiában betöltött szerepét eleinte teljesen jelentéktelennek tartották, a légkörben zajló kémiai reakciók feltárása ugyanakkor egyre nagyobb hangsúlyt kapott. Az 1920-as években megkezdődött a sztratoszférikus ózon szintjének Dobson-egységben (DU) történő rendszeres mérése, valamint az ózonkeletkezést és -bomlást leíró folyamatokat is feltárták. Az egyre pontosabb vizsgálatok világossá tették, hogy a sztratoszférikus ózon kivonásában a troposzférából származó nitrogén-monoxid (NO) is részt vesz, amely a talajból a levegőbe kerülő dinitrogén-oxid (N₂O) bomlásából származik. Felvetődött az az elképzelés is, hogy a műtrágyázás és a szuperszonikus gépek NO-kibocsátása révén az emberi tevékenység szintén szerepet játszhat az ózon bontásában, ám a modellszámítások nem jeleztek jelentős hatást.

Mindeközben az 1930-as évek elejétől kezdve egyre többet gyártottak és használtak az elsőként Thomas Midgley amerikai mérnök által előállított freonokból (azaz a különböző halogénezett szénhidrogénekből). Ezek az olcsón előállítható vegyületek kémiailag teljesen inertek és nem tűzveszélyesek, így különböző típusaikat palackok vivőanyagaként és hűtőgépek hűtőfolyadékaként kiválóan lehetett alkalmazni. A freonok légköri koncentrációjának követésére azonban sokáig nem álltak rendelkezésre megfelelő módszerek, míg aztán az első mérések váratlan eredményt nem hoztak: a légkörbe bocsátott freon mennyiségének mintegy fele eltűnt a levegőből. Az elvégzett laboratóriumi kísérletek kimutatták, hogy a freonok hová tűnnek: sztratoszférikus feltételek mellett az UV-sugárzás hatására elbomlanak, majd Cl-gyököt hoznak létre, ami az ózonnal reakcióba lépve gyorsan bontja azt.

A freonok hatása (és a poláris sztratoszférikus felhők jelentősége) akkor vált teljesen bizonyossá, amikor az Antarktiszon 1984-től végzett felszíni, majd a későbbi műholdas mérések is az ózon koncentrációjának drasztikus (a szokásos 350 DU helyett 100 DU alá) csökkenését mutatták ki a helyi tavaszi időszakban. Ózonlyuknak ezek után azt a térséget nevezték, ahol az ózon koncentrációja kisebb, mint 220 DU. Mindezek miatt Thomas Midgley később a freon (és az ólmozott benzin) felfedezése kapcsán utólag „kiérdemelte” a minden idők egyik legrosszabb felfedezője címet, hiszen egy emberként olyan nagymértékű hatást gyakorolt a légkörre, mint soha a Föld története során egy másik élő szervezet sem.

Gordiuszi csomó

A bomlás folyamatában az ózont fogyasztó anyagok, például Cl és NO állandóan újratermelődnek. Ez tulajdonképpen azt jelenti, hogy az ózon teljesen elfogyna, ha ezeket a gyököket valamilyen más kémiai reakció nem vonná ki végleg a körforgásból. A kivonás egyik lehetősége, hogy a klór-monoxid gyök (ClO) reagál a nitrogén-dioxiddal (NO₂), amelynek során klór-nitrát (ClONO₂) jön létre, egy másik reakcióban pedig a troposzférából származó metán (CH₄) a klórral (Cl) reakcióba lépve eredményezi sósav (HCl) kialakulását. A reakciókban keletkező klór-nitrát (ClONO₂) és sósav (HCl) olyan „tározó” vegyületek, amik már hatástalanok az ózonmolekulákra.

A téli időszakban az Antarktisz térségében olyan körkörös légörvény keletkezik, ami megakadályozza, hogy a sarki levegő az alacsonyabb szélességi körök menti, légkörzésen kívüli levegővel keveredhessen. A hosszú sarki sötétség idején fokozatosan hűlő légkör hőmérséklete júniusra körülbelül -­80 °C-ra csökken, ami a fennálló légköri viszonyok között már lehetővé teszi a poláris sztratoszférikus felhők kialakulását. Az Északi-sark környezetében a hőmérséklet csak igen ritkán csökken le ilyen mértékben és időtartamra, így ott jóval kevesebb felhő jöhet létre. Jégkristályaik felületén aztán a két fenti tározó vegyület (ClONO₂ és HCl) reakcióba lép egymással, melynek köszönhetően a sötétben szilárd salétromsav (HNO₃) és gáznemű klór (Cl₂) jön létre. Az ózon bomlása akkor kezdődik újra, amikor tavasszal a Nap sütni kezdi a levegőt, és a napfény hatására a klór Cl-gyökökké bomlik szét. Ilyenkor azonban a hőmérséklet is emelkedni kezd, és ezzel egy időben a sztratoszféra felhői is fokozatosan feloszlanak. A különös felhők ózonréteg elvékonyodásában betöltött szerepe tehát lényegében az, hogy a tározó vegyületek jelenlétük miatt alakulnak vissza aktív gyökökké.

Nem mind arany, ami fénylik

Az avatatlan szemek a II. típusba tartozó gyöngyházfényű felhőket rendszeresen összetévesztik más légköroptikai jelenségekkel. A hazánkban is gyakori látványnak számító színjátszó felhők például a színek sokféleségét tekintve valóban lehetnek hasonlóak, ám ezek az egyenletes eloszlású és méretű vízcseppekből álló (troposzférában lévő) felhők jelenlétében alakulnak ki, amikor a fény elhajlást szenved. Megjelenésük tehát nem csak a téli szürkületek idején, hanem bármely napszakban és évszakban lehetséges. A színjátszó felhők emellett csak a Nap vagy a Hold látszólagos közelségében színesek, míg a sztratoszférikus felhők színvilága az égbolt Naptól távol eső részében is lenyűgöző.

Az alkalmanként szintén tévedésre okot adó éjszakai világító felhők hasonlóképpen akkor észlelhetők, ha a Nap a látóhatár alatt (­6° és ­16° között) járva alulról megvilágítja azokat, ám a víz-jégkristályokról visszaverődő napfény jellegzetes kék színe egyértelmű elkülönítésre ad lehetőséget. Az éjszakai világító felhők ráadásul csak nyáron (hazánkból júniusban és júliusban) tűnhetnek fel, így a két jelenség időben is kizárja egymást.

I. típusú poláris sztratoszférikus felhők 2016. február 2-án. Sávos szerkezetük és színviláguk kevésbé látványos (Les Cowley felvétele, http://atoptics.co.uk). I. típus, kiterjedése: 11,8 millió km₂, ózonszint minimuma: 216 DU (NASA Ozone Watch).

A nagyobb vulkánkitöréseket követően látható látványos színvilágú (arany, narancssárga, vörös és lila színben pompázó) napkelték és naplementék szintén mutathatnak hasonlóságot az I. típusú poláris sztratoszférikus felhőkkel. Ilyenkor azok a világos hullámzó szálak vezethetik félre a megfigyelőt, amik tulajdonképpen maguk a sztratoszférában sávokba rétegződött vulkáni aeroszolok. A két jelenség elkülönítésére az adott időszakban bekövetkező esetleges vulkánkitörés aeroszolfelhőjének mozgását és az észlelés helyéhez viszonyított aktuális helyzetét kell ellenőrizni.

FARKAS ALEXANDRA

2016/25