MÉRNÖKI METEOROLÓGIA

Átírás

1 MÉRNÖKI METEOROLÓGIA (BME GEÁT 5128) A nedves levegő jellemzői, felhő és csapadékképződés, savas ülepedés 1 Dr. Goricsán István, 2008 Balczó Márton, Balogh Miklós, 2009 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék

2 BEVEZETÉS Földi víz körforgása Anyagcsere: Víz > vízgőz > felhőelem > csapadékelem > víz Energiacsere: Látens hő Közeg tulajdonságainak módosítása Állapothatározók: sűrűség, nyomás, hőmérséklet Fizikai tulajdonságok: hőkapacitás, optikai mélység, stb. 2

3 VÍZ HALMAZÁLLAPOTAI A LÉGKÖRBEN Gáznemű Vízgőz: parciális vízgőznyomás, relatív nedvesség, abszolult nedvesség, specifikus nedvesség, harmatpont Folyékony Szilárd Vegyes Felhőcsepp: d = µm Esőcsepp: d = µm Jégkristály: d < 20 µm, alak (tű, oszlop, lemez, dendrit) Hókristály: d = 1 10 mm, alak (dendrit, lemezdendrit) Jégszem: d = mm, alak (szabálytalan) Graupel, olvadt hó 3

4 A NEDVES LEVEGŐ MÉRŐSZÁMAI Relatív nedvesség: RH = 100 e e s RH [%] relatív nedvesség e [Pa] gőznyomás e s [Pa] telítési gőznyomás Telítési vízgőznyomás (sík vízfelszínre, Magnus-Tetens formula): e s = exp e s [hpa] telítési gőznyomás t[ C]-hőmérséklet 17.67t t

5 A NEDVES LEVEGŐ MÉRŐSZÁMAI Abszolút nedvesség: a = 1 m 3 nedves levegőben lévő vízgőz tömege [gm -3 ] Fajlagos nedvesség: s = 1 kg nedves levegőben lévő vízgőz tömege [gkg -1 ] Gőzsűrűség: ρ v = e R T w ρ v [kg m -3 ] gőzsűrűség, térfogategységben foglalt vízgőz tömege T [ K] a nedves levegő hőmérséklete R w nedves levegő gázállandója 5

6 A NEDVES LEVEGŐ MÉRŐSZÁMAI Keverési arány: r = m m v d r [-] keverési arány m d [kg] a száraz levegő tömege m v [kg] a vízgőz tömege RH = 100 r r s 6

7 A NEDVES LEVEGŐ MÉRŐSZÁMAI Harmatpont: T d 243.5ln = ln T d [ C] harmatponti hőmérséklet e [hpa] gőznyomás ( e 6.112) 100 T ( e 6.112) 5 RH Harmatpont deficit: T d, def = T Td T d,def [ C, K] harmatpont deficit T [ C, K] hőmérséklet T d [ C, K] harmatponti hőmérséklet 7

8 A PÁRATARTAM MÉRÉSE Nedvességmérés Hajszálas higrométer, ökör ütőhártya Kapacitív negvességmérő (Humicap) Harmatpont mérés Harmatponti hőmérő Hőmérséklet mérés Pszichrométer (Assman-féle aspirációs, August-féle) 8

9 A NEDVESSÉGTARTALOM HATÁSA Komfortérzés: függ a hőmérséklettől, ~50% relatív nedvességtartalom mellett A relatív nedvesség bizonyos technológiák esetén fokozottan szabályozandó paraméter Száraz környezet: fotópapír gyártás gyógyszergyártás egészségügy (mikroorganizmusok, baktériumok) méréstechnika (mérési körülmények, műszerek) gépészeti és egyéb berendezések működése Nedves környezet: pormentes környezetet igénylő tevékenységek 9

10 A VÍZGŐZ FÁZISÁTALAKULÁSA Molekulaszerkezet Hidrogénhíd kötés Nagy felületi feszültség Túltelítettség, túlhülés (RH 105%) Víz: Nukleáció (homogén, heterogén) Kondenzációs növekedés Ütközéses cseppnövekedés Jég Depozició vagy fagyás Diffúziós növekedés: jégmag gyorsan nő, mivel a vízre telített környezet a jégre túltelített A jég esni kezd, összegyűjti a vízcseppeket, hó, vagy jég lesz, meleg felhőben esőcseppé olvadhat 10

11 KONDENZÁCIÓS MAGOK Vízgőz kondenzációja akár RH < 100% esetén is bekövetkezhet megfelelő kondenzációs magok jelenlétében Az aeroszol részecskékben található szervetlen sók ((NH 4 ) 2 SO 4, NH 4 NO 3, NaCl, stb.) általában higroszkóposak (jól oldódó, jó nedvszívó) A sók telített oldatára vonatkozó telítési gőznyomás RH < 100% mellett tapasztalható, konyhasó (NaCl esetén ~75%) Oldathatás: Előbb következik be a fázisváltozás, ha vízben jól oldódó összetevőket tartalmaz a részecske Később következik be a fázisváltozás, ha oldhatatlan vegyületeket tartalmaz a részecske 11

12 KONDENZÁCIÓS MAGOK Aeroszolokra tapadó vízmolekulák már nem molekuláris nagyságúak, hanem jóval nagyobb méretű vízcseppet képeznek» felületükhöz tartozó gőznyomás jelentősen csökken > kismértékű túltelítettség elég a kondenzációhoz (Thomson törvény: e G ~1/r) Kondenzációs magvak jelentős része nedvszívó > anyaguk vízben oldódik > felületükhöz tartozó gőznyomás jelentősen csökken > kismértékű túltelítettség elég a kondenzációhoz (Rault törtvény: vizes oldatok felett kisebb a telítettségi gőznyomás, mint tiszta víz felett) Kondenzációhoz szükséges túltelítettség különböző méretű kondenzációs magvak esetén: Sugár [µm] Túltelítettség [%]

13 KONDENZÁCIÓS ÉS SZUBLIMÁCIÓS MAGOK Földfelszíni eredetűek Por, homok (termikus koaguláció) Vulkáni füst, tüzek és szennyezőanyagok (szulfátok) Pollenek, spórák Óceáni eredetűek Tengeri só Kémiai eredetűek Fotodisszociáció (A vízmolekulák oxigénre és hidrogénre bomlása ultraibolya sugárzás hatására.) Gőzök kondenzációja (kén, NO2, kénsav, salétromsav, ammónia) 13

14 LÉGKÖRI AEROSZOLOK Koncentráció különböző mérettartományban [db/cm 3 ] a földrajzi hely függvényében Név Méret [µm] Kontinentális óceáni (r:sugár) szennyezett tiszta Aitken-magvak r< Nagy magvak 0.1<r< Óriás magvak r> Légköri aeroszol részecskék közepes koncentrációja [db/cm 3 ] 14 nagyváros város vidék (szárazföld/tengerpart) hegy <500 m hegy m Hegy >2000 m sziget óceán

15 A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA Meleg nedves levegő felemelkedése Termikus konvekció függőleges irányú áramlás Orografikus hatások (domborzat hatása) Frontális hatások A felemelkedő levegő eléri a kondenzációs szintet Harmatpont > kondenáció > felhőcsepp > esőcsepp Fagyáspont > szublimáció, fagyás > jégkristály > jég, hó Látens hőfelszabadulás Melegedés > felhajtóerő > intenzívebb feláramlás (megfelelő stabilitási viszonyok mellett) 15

16 A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA Konvektív feláramlás Termikus feláramlás (termik) > gomolyfelhő Zivatartevékenység > Tornyos gomolyfelhő, zivatarfelhő Konvektív rendszerek > Szupercella, mezociklon Orografikus hatás (domborzat) Szélfelőli oldalon feláramlás > gomolyfelhő, tornyos gomolyfelhő Hullám tevékenység > Hullámfelhők, rotorfelhő Frontális feláramlás Frontálzónák környezetében felhőrendszerek kialakulása 16

17 A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA TERMIKUS KONVEKCIÓ 17

18 A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA OROGRAFIKUS HATÁSOK 18

19 A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA OROGRAFIKUS HATÁSOK 19 Forrás:

20 A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA FRONTÁLIS HATÁSOK Cumulus (Cu), Cumulonimbus (Cb), Stratocumulus (Sc), Nimbostratus (Ns), Stratus (St), Altostratus (As), Cirrostratus (Cs), Cirrus (Ci) 20

21 A FELHŐK OSZTÁLYOZÁSA Magasság szerint: Alacsonyszintű Középszintű Magasszintű Függőleges felépítésű felhők Alak szerint Gomolyos (cumulus) Réteges (stratus) Fátyolos (cirrus) Összetétel szerint Vízfelhők: mm cseppek, db/cm 3, sűrű, sötét felhők Jégfelhők: jóval nagyobb jégkristályok, 1-10 db/cm 3, ritkás, világos felhők Vegyes halmazállapotú felhők: víz és, túlhűlt cseppek, kristályos, és amorf jég, sűrű, sötét felhők 21

22 22 A FELHŐK OSZTÁLYOZÁSA

23 A KÖDKÉPZŐDÉS 23 Köd: a talaj közelében jelentkező kicsapódási termék, ha a vízszintes látótávolság 1 km alá csökken Frontködök: hideg, telítéshez közel álló talajmenti levegőbe felülről melegebb vízcseppek hullanak (két különböző levegőfajta határán, ellentétben a többi típustól). A meleg cseppek párolgása növeli a gőznyomást és csökkenti a hőmérsékletet kicsapódás Páraködök: a mozgó hideg levegőbe alulról meleg vízfelszín párolog be. Légmozgás: a bepárolgás kellő mértékéhez szükséges. DE nem lehet túl erős, mert akkor a turbulencia nagy magasságig átkeveri a levegőt Kisugárzási ködök: a nyugalomban levő levegő alatti földfelszín kisugárzás útján lehűl (többnyire éjszaka) Az alulról történő fokozatos lehűlés: a talajközeli rétegekben inverziót okoz > kondenzáció Advekciós ködök: az áramlásban lévő levegő hideg felszín felett halad át - konvektív hőátadás - lehűlés. Gyenge áramlás: sekély, igen sűrű köd. Lejtőködök: az áramló levegőt a domborzat emelkedésre kényszeríti - adiabatikus lehűlés. A lejtőn feláramló szél vastag levegőréteget mozgat - igen vastag ködök (felhőnek tűnnek a hegy talppontjától)

24 FELHŐ ÉS ESŐCSEPPEK Csepp esési sebessége: w s = d 2 csepp ( ρ ρ ) csepp 18µ lev g µ a levegő dinamikai viszkozitása Felhőelem: kis méretű cseppek, Brown-mozgás + turbulens mozgás: a gravitációs erővel szemben is hat, ellensúlyozhatja az esési sebességet, nagyobb relatív felület - gyorsabb párolgás Határcsepp: 100 µm sugarú cseppek, az a határ, amelynél kisebb méret esetén nincs a vízcseppeknek esélyük arra, hogy kihulljanak a felhőből Esőcsepp: 100 µm-nél nagyobb sugarú cseppek 24

25 FELHŐ ÉS ESŐCSEPPEK p=900 hpa, t=5ºc, f=90% Átmérő [µm] Esési sebesség [cms -1 ] Esési távolság az elpárolgásig felhőcsepp <1m esőcsepp ~150m (szitálás) esőcsepp ~

26 CSAPADÉK-ÁTALAKULÁSI FOLYAMATOK Csapadékelemek esése» eltérő méretek: eltérő esési sebesség» a cseppek ütköznek» a nagyobb cseppek (gyűjtőcseppek) a kisebbeket befogják és egyesülnek (koaguláció)» a nagy méretű, gyorsan eső cseppek szétfoszlanak» kisebb cseppek: gyűjtőcseppek» felfelé mozgó légáramban ismét feljuthat» láncfolyamat Forrás: 26

27 HULLÓ CSAPADÉKOK Csapadék: a kicsapódási termékek felszínen való megjelenése Eső: a földfelszínt elérő folyékony csapadék Záporeső: Nagy intenzitású hulló csapadék Ónos eső: a földfelszínt elérő folyékony csapadék, amely a felszínnel érintkezve megfagy Jeges eső: fagyott részeket tartalmazó eső Jégeső: Jégszemekkel együtt hulló záporeső Hó: dendrites jégkristányok 27

28 NEM HULLÓ CSAPADÉKOK Nem hulló csapadék: A felszíni tárgyakon jelenik meg Harmat: a földfelszín és a rajta lévő tárgyak az éjszaka folyamán lehűlnek - harmatpont - a vízgőz folyékony halmazállapotban kicsapódik. Kialakulásához erős éjszakai lehűlés és elegendő víztartalom kell. Dér: az előbbi folyamat során ha a levegő vízgőztartalma kicsi, a harmatpontja 0 C alatt is lehet. Ekkor a kicsapódás szilárd halmazállapotban történik. Zúzmara (finom): a kisugárzással 0 C alá hűlt felületekre az enyhe mozgású és enyhe hőmérsékletű levegőből a szélnek kitett oldalon jégkristályok rakódnak le. Zúzmara (durva): erős légáramlással szállított, túlhűlt vízcseppekből, ködcseppekből, 0 C alatt. A villamos és távbeszélő hálózatokra nézve veszélyes lehet. 28

29 CSAPADÉKOK KÉMIÁJA Savas ülepedés (savas eső, 1872, R. A. Smith) A csapadékvíz kémhatása: hidrogénionok koncentrációjának tízes alapú negatív logaritmusa: ph = -lg[h+] A tiszta víz koncentrációja szobahőmérsékleten 10-7 mol/l. Tehát ph = 7 a semleges kémhatás értéke. Az ennél kisebb ph-k savakra, a nagyobbak bázisokra jellemzőek. A légkörben 0.03 %-ban jelenlévő SO 2 a vízcseppekben oldódik» ph = 5.6 (kénsav, szokásos érték) Levegőkémiában: ph < 5.6: savas oldat ph >= 5.6: bázikus oldat 29 Forrás:

30 CSAPADÉKOK KÉMIÁJA SO 2, H 2 S, NO, NO 2 SO 2 elnyelődik a vízben» hidratálódott formában, kénessavként (H 2 SO 3 ) van jelen. NO, NO 2 elnyelődik a vízben» salétromsav (HNO 3 ) Ammónia (NH3): gyenge bázis: csökkenti a csapadék savasságát (talajbaktériumok, vizelet, műtrágyagyártás, műtrágya-felhasználás) Azonban amikor az NH4+ kiülepedik és bekerül a talajba, nitrifikációt okozhat. A légköri savból származó hidrogén ion, amit semlegesített az NH3 a légkörben, a talajban felszabadulhat, ami további savasodást okoz! 30

31 CSAPADÉKOK KÉMIÁJA 31 Forrás: Acid_deposition_formation_diagram.jpg

32 32 Köszönöm a figyelmet!