Csapadékképzıdés. Makra László. Szeretem az elutazókat, Sírókat és fölébredıket S dér-esıs, hideg hajnalon A mezıket.

Átírás

1 Szeretem az elutazókat, Sírókat és fölébredıket S dér-esıs, hideg hajnalon A mezıket. Ady Endre: A Halál rokona (részlet) Csapadékképzıdés Makra László

2 Definíció: csapadék a légkör vízgıztartalmából származó folyékony vagy szilárd halmazállapotú víz, amely a földfelszínre kerül; mikrocsapadék: a földfelszínen történı kondenzáció; fajtái: lásd: felületi kondenzáció : : a Kondenzációs folyamatok a légkörben c. fejezetben; relatív mennyisége Magyarországon: 5 %; makrocsapadék: a troposzféra magasabb rétegeiben kondenzálódott víz lehullása a földfelszínre; fajtái: lásd: A víz kondenzációja c. táblázat A felhıképzıdés meteorológiai feltételei c. fejezetben; relatív mennyisége Magyarországon: 95 %;

3 Miként keletkezik a makrocsapadék? (Miként növekedhetnek a felhıelemek olyan nagyságúra, hogy esési sebességük elegendı legyen a felhı alatti tér felszálló légmozgásai hatásainak legyızésére?) nedvesség cseppek felhı kondenzációs magvak

4 a szükséges növekedés nagyságrendje: átlagos felhıcsepp tömege átlagos esıcsepp tömege Legyen: egy felhıcsepp átlagos sugara: r 1 = 10 µm = 0,01 mm; egy kisebb esıcsepp sugara: r 2 = 0,5 mm; tömegarányuk: 4 3 ρ r π m2 ρ V2 3 r 2 r 2 0,5 = = = = 1, m 4 = = 1 ρ V1 3 ρ r r1 r 1 0,01 1 π 3 5 az átlagos felhıcsepp tömegt megének 10 5 szeres növekedn vekedése szüks kséges ahhoz, hogy esıcseppk cseppként lehulljon;

5 Felhıcsepp esıcsepp? kondenzáci ciós s mag: r 1 µm; felhıcsepp: r 10 µm; esıcsepp: r 1 mm; átmenet: r 100 µm; felhıelemek: r < 100 µm; csapadékelemek: r > 100 µm; ha r < 200 µm: nagyon kicsi esési si sebesség, az esıcseppek elpárologhatnak közben; k ha r 2 mm: gyorsan hullanak,, elérhetik a felszínt;

6 Felhı- és esıcseppek átmérı (µm) végsebesség (cm s -1 ) esési távolság az elpárolgásig felhıcsepp , < 1 m esıcsepp (szitálás) ~ 150 m esıcsepp m p = 900 hpa; T = 5 º C; RH = 90 %

7 Az esési sebesség és a cseppméret kapcsolata

8 Felhı- és esıcsepp adatok kontinentális óceáni felhıcsepp (db cm - 3 ) néhányszor 100 néhányszor 10 esıcsepp (db m - 3 )

9 Milyen fizikai folyamatok idézik elı a parányi felhıelemek ilyen nagyfokú növekedését? 1. Meleg felhık: koaguláció; cseppnövekedés kondenzáci ció koagul ok: a különbk nbözı nagyságú cseppek eltérı esési si sebességgel rendelkeznek; Definíci ció: A felfogási hatékonys konyság g (E) egy adott felhıtérfogatban a győjt jtıcsepp által elfogott kis cseppek számának és s a felhıtérfogatban lévıl összes kis csepp számának az aránya.

10 A felfogási hatékonyság Langmuir-féle definíciója: A R sugarú csepp az esése folyamán nem minden cseppet fog be az R 2 π [v(r v(r) v(r)] térfogatban, t hanem csak az x 2 π [v(r v(r) v(r)] térfogatban lévıket. l mintha a nagy csepp a keresztmetszeténél l kisebb térfogatot t söpörne át; ok: a kis cseppek a nagy közelk zelébe érve a keletkezı légörvények miatt kitérnek, a nagy tehetetlenségőek ek viszont ütköznek; A r sugarú csepp kritikus pályája, amelynél még éppen beleütközik k a R sugarú cseppbe (r < x).. A felfogási hatékonyság ábra szerinti definíciója: x E= R 2 2

11 Koaguláció Vízcseppek ütközése r > 10 µm

12 Gravitációs koaguláció A győjtıcseppel (R, N R, v) való ütközés és összeolvadás révén a kisebb cseppek (r, N r ) számának idıbeli változása az adott felhıtérfogatban R = a nagy cseppek sugara; N R = a nagy cseppek száma; v = a nagy cseppek esési sebessége; r = a kis cseppek sugara; N r = a kis cseppek száma; E = felfogási hatékonyság; dn dt r = π 2 E R v NR Nr

13 dn N r r = 2 E R π v NR dt Nr ( t ) t dn r 2 = E R π v NR dt N N (0) r 0 r N ( t) 2 t N (0) R 0 [ ] r lnn = E R π v N [ t] r r ln N ( t) ln N (0) = E R π v N t 2 r r R ln Nr ( t) N (0) r = 2 E R π v NR t 2 ( ER π vn t ) N ( t) = N (0) e R r r Az elfogott r sugarú cseppek számának változása az idı függvényében;

14 A koaguláció fizikai interpretációja A győjtıcseppel való ütközés és összeolvadás révén a győjtıcsepp sugarának (R) idıbeli változása az adott felhıtérfogatban Tekintsünk egy R sugarú nagy cseppet, mely csupa kis cseppeket tartalmazó felhıs s levegıben v(r) ) sebességgel esik. Legyen: R = a nagy csepp (győjt jtıcsepp) sugara; v(r) ) = a nagy csepp esési si sebessége; r = a kis cseppek sugara; v(r) ) = a kis cseppek esési si sebessége; ω = a vizsgált felhıtérfogat víztartalma; v feltesszük k tovább bbá,, hogy (r << R); A nagy csepp idıegys egység g alatt R2 π [v(rr v(r) v(r)] térfogaton t hullik keresztül.

15 A koaguláció miatti tömegnövekedés sebessége: dm R 2 = π v R vr ω E dt az egyenlet baloldalát kifejtjük: [ ( ) ( )] R dr 4 ρ d R π ρ π dm ρ dv 3 3 ρ π = = = = dt dt dt dt dt 2 R dr Egyenletünk itt kapott baloldala egyenlı az elızı egyenlet jobboldalával: ρ 4 dt 2 R π dr R 2 = π v R vr ω E [ ( ) ( )]

16 Ezt átrendezve kapjuk, hogy: dr E ω = dt 4 ρ [ v( R) vr ( )] ahol 4 ω= ρ V N = ρ r π N 3 3 r v r N r = az r sugarú cseppek száma az adott felhıtérfogatban; A kapott végeredményt a következı módon értelmezzük: A nagyobb víztartalmú felhıkben a koagulációs növekedés hatása jelentısebb;

17 Adott felfogási hatékonys konyság és s víztartalom v esetén n a nagy csepp növekedési sebességét t a cseppek esési si sebességének (méret retének) különbsk nbsége szabja meg; Ha a két k t csepp mérete m (esési si sebessége) hasonló (r R) dr dt = 0; Nagyobb győjtıcsepp sugárhoz [azaz nagyobb v(r) v(r) különbséghez] nagyobb dr dt tartozik. Ez azonban nem egészen így van, mivel a cseppek sugara E-t E t is befolyásolja. a növekedn vekedést nagymért rtékben a felfogási hatékonys konyság határozza meg;

18 Az E felfogási hatékonyság függvénye a cseppek méretbeli különbségének: r E= f, R R a fönti kapcsolatrendszer fizikai háttere a következı: ha r << R a) a nagy csepp körüli k szétáraml ramlás s miatt b) a kis cseppek kicsiny tehetetlensége miatt a kis cseppek megkerülik a náluk n jóval j nagyobb cseppet; koaguláci ció nem jön j n létre l E = 0; a koaguláci ciós s folyamat intenzitása adott maximális; r R arány mellett

19 a felfogási hatékonyság függ továbbá a győjtıcsepp méretétıl is (kis cseppek elfogásának valószínősége nagy győjtıcsepp esetén nagyobb); A r E= f, R R függvénykapcsolatot a mellékelt ábra szemlélteti: A fenti kapcsolatrendszer következményei: R min = 18 µm; ; ennél l kisebb sugarú csepp koaguláci ciós növekedésének valósz színősége = 0;

20 Minden R győjtıcsepp sugárhoz megadható a r/r arány olyan alsó és felsı határa, amelyen belül a kisebb cseppek elfogása megtörténhet. Az alsó határ fizikai oka: a kicsiny cseppek eltérülése (ha r << R nincs koaguláci ció); A felsı határ fizikai oka: a közel k azonos r és s R sugárm rméret ret (ha r R nincs koaguláci ció); Az elfogható cseppecskék k sugarának alsó határa a győjt jtıcsepp sugarával fordítottan arányos; 5 µm < r min < 9 µm; Az elfogható cseppecskék k sugarának felsı határa a győjt jtıcsepp sugarával egyenesen arányos; 14 µm < r max < 28 µm; olyan felhıkben, amelyekben a felhıcseppek mérete m szélesebb spektrumon oszlik meg, nagyobb valósz színőséggel keletkeznek csapadékelemek;

21 A koagulációs folyamat maximális intenzitása 0,65 < r/r < 0,75 aránysz nyszámnál l tapasztalható; Nagy cseppek esetén n a felfogási hatékonys konyság g maximális értéke 1-nél l nagyobb is lehet. ok: a gyorsabban hulló nagy cseppek környezetk rnyezetében keletkezı örvénylések oldalról, l, nagyobb távolst volságból l is kis cseppet sodorhatnak a nagy csepphez; Konklúzió: A csapadékképzıdés kedvezı feltételei olyan felhıkben találhatók, ahol a felhıcseppecskék mérete széles spektrumon oszlik meg megvan a lehetıség g nagyobb felhıelemek elemek keletkezésére; Példa: ha az aktív v kondenzáci ciós s magvak száma kicsi a kondenzáci cióhoz csekély túltelt ltelítettség g szüks kséges; óceánok fölötti f meleg felhık kondenzáci ciós s magvak: NaCl; szárazf razföldek fölötti f meleg felhık kondenzáci ciós s magvak: (NH 4 ) 2 SO 4 ; a tengerek fölötti f meleg felhıkb kbıl l sokkal gyakrabban hullik csapadék, mint a szárazf razföldek fölötti f meleg felhıkb kbıl;

22 2. Vegyes halmazállapotú felhık: A Bergeron-féle mechanizmus, 1935 vegyes halmazállapotú felhık: felhıcseppek + jégkristályok egyidejőleg; leginkább kis, túlhőlt cseppek kifagyásával keletkeznek (nem depozícióval); jégfelszín fölött kisebb a telítettségi gıznyomás, mint az ugyanolyan hımérséklető túlhőlt vízfelszín fölött: E a o < E j, t < 0 C v, t < 0 C a vízmolekulák átpárolognak a jégkristályokra; a o

23 Mivel E a o < E j, t < 0 C v, t < 0 C a o, a vízgız átpárolog a felhıcseppekrıl a jégkristályokra

24 réteges felhık, esırétegfelhık (Ns( Ns): a csapadékképzıdés fı oka: a jégfázis megjelenése; a Bergeron-féle folyamat lejátszódása; zivatarfelhık (Cb( Cb): A jégrészecskék megjelenése nem oka, hanem következménye a csapadékképzıdésnek; Miért? nagy feláramlási sebesség; nagy víztartalom; a vízcseppek v gyorsan egyesülnek + a nagyobb cseppek viszonylag magas hımérsh rsékleten (-5( ºC; -10 ºC) kifagynak; e megfagyott nagyobb cseppek túlht lhőlt lt cseppekkel ütközve növekszenek n tovább;

25 Zivatarfelhık elsıdleges jégképzıdés; jégmagvakon történı gızdepozíció másodlagos jégképzıdés; az elsıdleges jégképzıdés elsı nagyobb cseppek kifagyása fagyási tágult gulás jégszilánkok válnak v le túlhőlt lt cseppekkel ütközve újabb kifagyás; Jégesı Keletkezésének feltételei: magas felhıvíztartalom a cseppek koaguláci ciós s növekedn vekedését felgyorsítja tja; erıs feláramlási sebesség (v( max > 10 m sm - 1 ) a jégszem j kihullását hosszabb idın át t megakadályozza lyozza;

26 A növekvı cseppek R sugarának (szaggatott görbe) és a w feláramlási sebesség (kihúzott görbe) értékének sematikus változása a magasság függvényében jégesıfelhı esetén

27 Beavatkozás a csapadékképzıdés folyamatába

28 Mesterséges esıkeltés

29 A Bergeron-féle folyamatot szimulálják. A felhık jelentıs részében kevés a jégkristály nem hull belılük k csapadék; csapadékkeltés: a kellı víztartalmú,, de csapadékmentes felhıkbe mesterséges jégképzı magvakat (pl. ezüstjodid: AgJ; ; szárazj razjég: CO 2, ha t < -80 ºC) juttatnak; elegendı jégkristály koncentráci ció Bergeron-féle folyamat; csapadéktöbblet: %; gazdaságosság: g:???

30 Jégesı elleni védekezés

31 A védekezés módja: A felhı víztartalmát radarral mérik; A zivatarfelhı nagy víztartalmú részeibe rakétával jégképzı anyagokat (AgJ( AgJ; ; PbJ 2 ) juttatnak; A felhı belsejébe került jégképzı anyagok a jégesı-csírák számát mesterségesen megnövelik; sok, de kis méretm rető jégszem keletkezik; lefelé haladva nagyobb eséllyel olvadnak el esıcseppek;

32 A csapadék mennyiségi jellemzıi

33 Definíció: A csapadékmennyiség az a szám, amely megmutatja, hogy valamely t idıtartam során a vízszintes sík 1 m 2 -ére mikrocsapadékok kiválásából, vagy csapadékhullásból hány liter vízmennyiség jutott. A csapadékmennyiség egysége: liter m = 1 dm m = 10 m m = 10 m = 1 mm

34 csapadék intenzitás Jelölje a h = f(t) ) monoton növekvı függvény a csapadékhullás t 0 kezdetétıl lehullott csapadék h mennyiségét. Ekkor a csapadék intenzitás (i) : dh i = pillanatnyi intenzitás i= dt Az i pillanatnyi intenzitás a (h; t) pontban a Az a (h; t) pontban a függvénygörbéhez húzott érintı iránytangense.

35 A valóságban általában nem tudjuk megadni a csapadékfüggvény képletét; differenciálh lhányadosok helyett a csapadék k adatokból közvetlenül l kiszámíthat tható differenciahányadosokat nyadosokat (átlagos( intenzitásokat) veszünk figyelembe: i* = h h t t mm idı 1 i* = átlagos intenzitás ahol h 1 = a kumulált csapadékösszeg a t 1 idıpontban; h 2 = a kumulált csapadékösszeg a t 2 idıpontban;

36 i = i* akkor és csak akkor, ha h = f(t) ) = i t, i azaz ha a csapadékhull khullás s intenzitása egyenletes, mivel ekkor bármely b t-re: dh dt =i konstans gyakorlati szempontból fontos a különbözı idıpontokra vonatkozó maximális csapadékintenzitások ismerete; Magyarországon a különbözı t idıtartamú maximális csapadékokra a következı összefüggés érvényes: cs = t max 110 0,3 a hozamok az idıtartam növekedn vekedésével vel logaritmikusan növekszenek;

37 Nézd, hó esett az éjjel, Hős és szelíd, mint álombeli bú. De dalolnak a fák, Aranyszínü láng Fodrozza a felhıt, S a hegyi ösvény vadrózsa-szagú. Tóth Árpád: Be furcsát álmodtam (részlet) A hulló csapadékok fajtái

38 Makrocsapadékok szitálás; esı; havazás [a hópelyhek formája (tők; lemez; hasáb; csillag) hımérsékletfüggı]; záporos csapadékok; havas esı; hódara; jégdara; jégesı; ónos esı;

39 A melegfronttól távolodva a felszínhımérséklet tovább csökken, s a havas esıt fokozatosan felváltja a havazás.

40 hópelyhek keletkezése: jégkristályokból állnak, melyek egymáshoz kapcsolódnak, amint hullanak a földfelszín felé.

41 ónos esı keletkezése: az előzőleg szilárd halmazállapotú csapadék egy 0 ºC-nál magasabb hőmérsékletű légrétegen áthullva megolvad, majd ismét belejut egy a talaj közelében lévő vékony, fagypont alatti hőmérsékletű légrétegbe, ahol túlhűl, s a lehűlt tárgyakhoz ütközve azonnal megfagy; légkör szerkezet: inverziós hımérsékleti rétegzıdés;

42 ónos esı környezeti / társadalmi károk: letördelt faágak; leszakadt villamos távvezetékek; Az ónos esı a melegfront elıoldalán, a rózsaszínnel jelölt sávban hullik.

43 A felhı- és csapadékképzıdéssel kapcsolatos idıjárási kockázatok

44 Közúti közlekedés

45 szmog; porviharok; bozót- és erdıtüzek füst; vulkánkitörések por- és s hamufelhık; légköri homályoss lyosság közúti közlekedk zlekedés hulló csapadék halmazállapota intenzitása hımérséklete (hó, ónos esı) környezeti kockázatok közúti közlekedk zlekedés

46 Szmog a Pó-síkságon

47 Fotokémiai szmog Los Angeles fölött

48 ónos esı

49 jégesı

50 havazás, hóvihar

51 sarki hidegbetörés, hóvihar

52 jég Versoix városa, Genf mellett, Svájc, a Léman-tó partján

53 jég

54 jégesı darab

55 jégesı darabok

56 jégesı

57 jég Egy teniszlabda méretű jéggömb hullott le egy Boeing-747 típusú repülőgép szárnyáról, m magasságból; mely kb. 190 km h - 1 sebességgel ráesett egy autó szélvédőjére, ami kb. 110 km h -1 sebességgel haladt.

58 Légi közlekedés

59 szmog; porviharok; bozót- és erdıtüzek füst; vulkánkitörések por- és s hamufelhık; zivatarok microburst felhıképz pzıdés légi közlekedk zlekedés

60 HOMOKVIHAR OKOZTA REPÜLÉSI KOCKÁZAT Nyugat felé haladva homokvihar vonul át Észak-Afrika és a Kanári-szigetek fölött

61 Aeroszolok transzportja: szennyezés örvénylik az Atlanti óceán fölött, Franciaország nyugati partja közelében

62 FÜST OKOZTA REPÜLÉSI KOCKÁZAT I. Erdıtőz, Görögország, Chalkidiki, Cassandra Sztyeppetőz, Kelet-Európai-síkság

63 FÜST OKOZTA REPÜLÉSI KOCKÁZAT II. Erdıtüzek, Ibériai-félsziget Olajfinomító-robbanás, London

64 FÜST OKOZTA REPÜLÉSI KOCKÁZAT III. Biomassza égetés füstje Közép-Amerikában (4/30/03) Tőzfészkek

65 FÜST OKOZTA REPÜLÉSI KOCKÁZAT IV.

66 Szennyezett aeroszol réteg az Északi-sarkvidék fölött sarki homály

67 VULKÁNKITÖRÉS OKOZTA REPÜLÉSI KOCKÁZAT I.

68 VULKÁNKITÖRÉS OKOZTA REPÜLÉSI KOCKÁZAT II.

69 A Cleveland-hegység kitörése, Alaszka zka, 2001 március 19. A Popocatepetl kitörése, Mexikó kó, 2000 december 19.

70 vulkáni hamu Pinatubo vulkán, Fülöp-szigetek, 1991 meteorológiai felhık

71 Aktív vulkánok, tektonikus lemezek és tőzgyőrők

72 A szélirány változásának hatása a le- vagy felszállóban lévı repülıgépekre A repülıgép mozgási irányával szembe fújó szél (bal oldali ábra) megnöveli a szárnyakra ható felhajtóerıt (fekete nyilak). Ha a szélsebesség és/vagy a szélirány rövid idı alatt megváltozik, a felhajtóerı jelentısen lecsökken (jobb oldali ábra), s a talaj közelsége miatt már nem lehet korrigálni. A szél irányát fehér nyilak jelzik.

73 ZIVATAR OKOZTA REPÜLÉSI KOCKÁZAT kifutó szél microburst MIT Lincoln Lab

74 Mára befejeztük, jó éjszakát!