MÉRNÖKI METEOROLÓGIA

Átírás

1 MÉRNÖKI METEOROLÓGIA (BME GEÁT 5128) Nedves levegő jellemzői, felhő és csapadékképződés, savas ülepedés Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék, 2008 Dr. Goricsán István VÍZ HALMAZÁLLAPOTAI A LÉGKÖRBEN gáznemű cseppfolyós szilárd gáznemű szilárd 1

2 VÍZ FÁZISDIAGRAMJA Forrás: /Proptut/tut8frm.html Forrás: Forrás: JELLEMZŐ MENNYISÉGEK, ÖSSZEFÜGGÉSEK Gőznyomás (e): a nedves levegőben foglalt vízgőz parciális nyomása [hpa] Magnus-formula (sík vízfelszínre) [hpa]: ahol: t [ºC] hőmérséklet Adott hőmérséklethez tartozó telítési gőznyomáson (parciális nyomás!) a levegőben a víz párolgása és kicsapódása dinamikus egyensúlyba kerül. 7.45t e = t s 10 Függ a felület alakjától, jégfelületre kisebb mint vízfelületre. 2

3 JELLEMZŐ MENNYISÉGEK, ÖSSZEFÜGGÉSEK Abszolút nedvesség: h abs = 1 m 3 nedves levegőben lévő vízgőz tömege grammokban [g/m 3 ] Fajlagos nedvesség: h rel = 1 kg nedves levegőben lévő vízgőz tömege grammokban [g/kg] Gőzsűrűség: a térfogategységben foglalt vízgőz tömege ρ v M = V v kg m vízgőí 3 Keverési arány: a vízgőz és a vízgőzzel keveredő száraz levegő tömegének aránya. M r = M V d kg kg vízgőí szárazlevegő JELLEMZŐ MENNYISÉGEK, ÖSSZEFÜGGÉSEK Relatív nedvesség (adott nyomáshoz és hőmérséklethez tartozik) A keverési arány és az adott p, T értékekhez tartozó telítési keverési arány hányadosa. f = r r s Mérhető nedvességfogalom!!! (hajszál relatív hosszváltozása) Hideg levegőben a relatív nedvesség magasabb, ugyanolyan nyomás és gőzsűrűség mellett. 3

4 JELLEMZŐ MENNYISÉGEK, ÖSSZEFÜGGÉSEK Telítési hiány: t h = e s e Harmatpont: az a hőmérséklet, ahol a telítési gőznyomás megegyezik az adott gőznyomással. Harmatpont alatti hőmérsékleten megkezdődhet a víztartalom kicsapódása. PÉLDA Pl. t=20c hőm.-en és p=1 bar nyomáson mekkora tömegű víz száraz levegőbe történő bepárologtatása szükséges 1 m 3 telített levegő előállításához? 1/ e s = Pa (Magnus-formulából) 2/Gáztörvény:M = 2X = 18 g/mol = kg/mol R = / = J/kgK e/ρ v =RT» ρ v =e/rt = kg/m3 és mivel ez itt most éppen 1 m 3 -re vonatkozik (parc. nyomás volt), az 1 m 3 telített levegőben lévő víz tömege m v = kg! 3/Légköri nyomáson e gőz sűrűsége: e/ρ v =p/ρ 0» ρ 0 = kg/m 3 4/Légköri nyomáson e gőz "parciális térfogata": V = m/ρ 0 = m 3 5/1 m 3 telített levegőben a száraz levegő térfogata: m 3, a sűrűség az adott p, T mellett a gáztörvényből kg/m 3, tömege m d = kg. 6/A telítési keverési arány: r S = / = = 14.8% 4

5 LEVEGŐ NEDVESSÉGTARTALMÁNAK HATÁSA A megfelelő komfortérzés: függ a hőmérséklettől is, de kb. 50% relatív nedvességtartalom mellett A relatív nedvesség bizonyos technológiák esetén fokozottan szabályozandó (mérséklendő) paraméter (pl. fotopapírgyártás, gyógyszergyártás) Pl. egészségügyben: operáció: a mikroorganizmusok, baktériumok szaporodási körülményeinek kedvezőtlenné tétele érdekében: mérsékelt nedvességtartalmú (száraz) levegő Méréstechnika: műszerekre megengedett nedvességtartalom. Bizonyos mérési körülmények: száraz levegőben megkövetelt mérés (szűrőszövet tömege pl.) Gépészeti és egyéb berendezések működése: nedvességtartalom korlátozása Északi félteke átlaga relatív nedvességben: 48%, az év során kb. +/- 25%-ot változik (melegebb, hőm. vált, fokozott keveredés, növényzet) Déli félteke átlaga relatív nedvességben: 74%, az év során kb. +/- 5%-ot változik (hűvösebb, nagy óceánterületek - stabil) A LEVEGŐ VÍZGŐZTARTALMÁNAK KICSAPÓDÁSA Cseppfolyós vagy szilárd vízrészecskék kiválásának feltételei: telítettség (lehűlés - a harmatpont elérése) Önmagában nem elég! kondenzációs (cseppfolyós kicsapódás) és / vagy szublimációs (szilárd kicsapódás) magvak f > 1 is lehet! (túltelítettség), ha nincsenek kondenzációs, szublimációs magvak. Megfelelő feltételek között már f<1 alatt is megindulhat a kicsapódás. 5

6 KONDENZÁCIÓS ÉS SZUBLIMÁCIÓS MAGVAK 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) Mindig található belőlük elég a cseppképződés kezdeti szakaszának megindulásához! AEROSZOLOK TULAJDONSÁGAI Légköri aeroszol részecskék koncentrációja különböző mérettartományban [db/cm 3 ] a földrajzi hely függvényében Név Aitken-magvak Nagy magvak Óriás magvak Méret [µm] (r:sugár) r< <r<1 r>1 Kontinentális szennyezett tiszta óceáni Porvihar a Földközi-tenger keleti medencéje felett (Terra, :47) Légköri aeroszol részecskék közepes koncentrációja [db/cm 3 ] nagyváros város vidék (szárazföld/tengerpart) hegy <500 m hegy m Hegy >2000 m sziget óceán

7 AEROSZOLOK ÉS KONDENZÁCIÓ Vízgőz kondenzációja túltelített levegőben, de akár f<100% esetén is bekövetkezhet Az aeroszol részecskékben található szervetlen sók ((NH 4 ) 2 SO 4, NH 4 NO 3, NaCl, stb.) általában higroszkópikusak (oldódó, nedvszívó) Sók esetében a fázisváltás (kondenzáció) már f<100%-on bekövetkezik (a sók telített oldatára vonatkozó telítési gőznyomás már f<100% mellett tapasztalható, konyhasó (NaCl) esetén ~75%) Oldathatás: Előbb következik be a fázisváltás, ha vízben jól oldódó összetevőket tartalmaz a részecske Később következik be a fázisváltás ha oldhatatlan vegyületeket tartalmaz a részecske AEROSZOLOK ÉS KONDENZÁCIÓ 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 [%]

8 LEHŰLÉS A HARMATPONTIG Frontális emelkedéssel Melegfront: a hidegebb, lassabban mozgó alul fekvő közeg frontfelületén a (gyorsan mozgó) meleg levegő felkúszik - lehűlés Hidegfront: a (gyorsan mozgó) hideg levegő a lassabban mozgó meleg levegő alá nyomul ék alakban, felszállásra késztetve azt - lehűlés Kisugárzással A lehűlt földfelszín felé sugároz ki levegőt a földközeli légréteg - harmat, dér, zúzmara LEHŰLÉS A HARMATPONTIG Orografikus emelkedéssel A légáramlás útjába eső földrajzi objektumok (pl. hegy) széllel szembeni, luv oldalán: emelkedő mozgás - tágulási munka (a környező alacsony nyomású légtérben) - saját hőkészletéből fedezi - lehűlés - harmatpont. Kondenzáció, csapadék a luv oldalon. A túlsó, lee oldalon: leszálló légmozgás - kompresszió - felmelegedés. A szélárnyékos lee oldalon: száraz (csapadékot vesztett), meleg levegő: főn. Forrás: 8

9 LEHŰLÉS A HARMATPONTIG Konvekcióval A felszín mozaikszerűen változatos felmelegedési viszonyai - azonos besugárzás esetén is változékony hőmérséklet - melegebb levegő: felhajtóerő - a melegebb területek felett felszálló mozgás: TERMIK: függőleges áramcsövekbe rendezett, turbulens felszálló áramlás (konvekció) - adiabatikus expanzió - lehűlés KÖDÖK Köd: a talaj közelében jelentkező kicsapódási termék, ha a vízszintes látótávolság 1 km alá csökken A levegőbe történő bepárolgással 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 Forrás: 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. 9

10 KÖDKÉPZŐDÉS A LEVEGŐ LEHŰLÉSÉVEL Kisugárzási ködök: a nyugalomban levő levegő alatti földfelszín kisugárzás útján lehűl (többnyire éjszaka) - lehűti a levegőt (a lev. a földfelszín felé sugározza a hőt). 1 C/óra hűlés is lehet. A felhőzet gátolja a kisugárzást, az erős szelek turbulens keveredést okoznak, ami a hőveszteséget vastag rétegben oszlatja el Derült, szélcsendes éjszakákon a legnagyobb a lehűlés mértéke. Alulról történő fokozatos lehűlés: a talajközeli rétegekben inverziót okoz, ami a turbulencia számára kedvezőtlen feltételt jelent. Napfelkelte után: konvekció: a stabil rétegződést megbontja, a ködöt megszünteti. Tartós ködök: vízpartokon (nagy légnedvesség), nagyvárosokban (szennyezettség) (London, Hamburg: a 2 hatás együtt) m ködréteg-vastagság Advekciós ködök: az áramlásban lévő levegő hideg felszín felett halad át - konvektív hőátadás - lehűlés. Gyenge áramlás: sekély, igen sűrű köd. (Erős áramlás: erős függőleges keveredés: az advekciós köd létrejötte ellen dolgozik.) Télen, lehűlt szárazföldek és hideg tengeráramlások felett. Fokozott áramlás: erősebb átkeveredés - vastag, ritkább köd m ködrétegvastagság 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) Forrás: FELHŐK Anyaguk szerint: Vízfelhők: mm cseppek, csepp / cm 3. Sűrű, sötét felhők. Jégfelhők: a vízcseppeknél jóval nagyobb jégkristályok, 1-10 db / cm 3. Ritkás, finomszerkezetű, világos felhők. Vegyes halmazállapotú felhők: vízcseppek, túlhűlt cseppek, jégkristályok, amorf jég. Sűrű, sötét felhők. Magasságuk szerint: Alacsony szintű: m magasság. Vízcseppekből. Középmagas szintű: m magasság. Jégkristályokból + túlhűlt vízből. Magas szintű: 6000 m magasság felett. Jégkristályokból. Függőleges felépítésű: mindhárom tartományt áthidalhatják. Vízcseppek, túlhűlt cseppek, jégkristályok, amorf jég Alakjuk szerint: Réteges: vízszintes kiterjedés > függőleges kiterjedés (lassú lehűlésből keletkezik: pl. kisugárzással, felsiklással). Nagy cseppek, kis koncentrációban. Gomolyos: függőleges kiterjedés > vízszintes kiterjedés (hirtelen, gyors lehűlésből keletkezik: pl. felhevült levegő gyors feláramlása, meredek hegyoldalon való emelkedés, hideg levegő betörése). Nagy számú, kicsiny csepp. Vastag rétegek: mindkét irányú kiterjedés nagy. Fenti hatások kombinációja. 10

11 FELHŐFAJTÁK Cumulus (Cu), Cumulonimbus (Cb), Stratocumulus (Sc), Nimbostratus (Ns), Stratus (St), Altostratus (As), Cirrostratus (Cs), Cirrus (Ci) FELHŐFAJTÁK Forrás: Ld. még: 11

12 FELHŐELEMEK-CSAPADÉKELEMEK Csepp esési sebessége: w s d = µ a levegő dinamikai viszkozitása 2 csepp ( ρ ρ ) csepp 18µ Kis méretű cseppek: - Brown-mozgás + turbulens mozgás: a gravitációs erővel szemben is hat, ellensúlyozhatja az esési sebességet - nagyobb relatív felület - gyorsabb párolgás 100 mikronos sugarú cseppsugár: az a határ, amelynél kisebb méret esetén nincs a vízcseppeknek esélyük arra, hogy csapadékká váljanak, azaz kihulljanak a felhőből. lev g r =< 100 mikron: r > 100 mikron: felhőelemek csapadékelemek FELHŐELEMEK-CSAPADÉKELEMEK p=900 hpa, t=5ºc, f=90% felhőcsepp Átmérő [µm] Esési sebesség [cm/s] Esési távolság az elpárolgásig <1m esőcsepp (szitálás) ~150m esőcsepp ~ w s [m/s ] 0,1 ρ p= 3000 kg/m Cu [-] , ,001 0, ,00001 Cu -tényezővel korrigált w s görbék 0, , Cunningham-tényező Cu (d p) 0, ,01 0, Suda Jenő Miklós, 2007 Szemcseátmérő, d p [µ m ] Forrás: 12

13 CSEPPÁTALAKULÁSI 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: ddle_east/iran/photo htm Forrás: Forrás: CSAPADÉK-NEM HULLÓ CSAPADÉK Csapadék: a kicsapódási termékek felszínen való megjelenése. Nem hulló csapadék: A felszíni tárgyakon jelenik meg. Forrás: 11_SonyT7_harmat.jpg 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. Forrás: 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. Forrás: 13

14 CSAPADÉK-HULLÓ CSAPADÉK CSEPPFOLYÓS: szitálás: apró vízcseppekből álló egyenletes csapadék (leggyakrabban St felhő vagy köd esetén) eső: tartós, közepes nagyságú cseppekből (Ns, Sc) zápor: gyors, nagy cseppekből, esetenként pelyhes vagy nedves hóból, jégdarából, jégesőből (Cu, Cb) ónos eső: a földfelszín közelébe túlhűlt cseppek érkeznek és átmenetileg kifagynak. Veszélyes közlekedési, tárgyvédelmi szempontból (távvezetékekre, faágakra rakódva letöri...) SZILÁRD: hó, hózápor: igen kicsiny (r < 50 mikron) részecskékből alacsony hőmérsékleten: kicsiny kristályokból, havas magvakból (hó) vagy jégtűkből (főleg Ns, Sc, St, Cu, As) jégeső: veszélyes mezőgazdasági, baleseti, tárgyvédelmi szempontból (csak heves záporok alkalmával Cb) hódara (Sc, Cu, Cb), jégdara (Cb), fagyott eső (As, Ns), szemcsés hó (St), jégtű (t<-10ºc, gyorsan hűlő légtömeg) HAVAS ESŐ: vegyes halmazállapotú Forrás: es%c5%91-elmos1.jpg Forrás: Forrás: che/freezing_rain_220x220.jpg Forrás: Forrás: che/jegeso_250x188.jpg FELHŐFAJTÁK Cumulus (Cu), Cumulonimbus (Cb), Stratocumulus (Sc), Nimbostratus (Ns), Stratus (St), Altostratus (As), Cirrostratus (Cs), Cirrus (Ci) Stratocumulus [Sc] Gomolyos szerkezetű rétegfelhő. Stratus [St] Rétegfelhő, a felszínen ködnek nevezzük. Napokon keresztül képes eltakarni az eget. Ősszel jellemző. Forrás: Nimbostratus virga [Ns vir] Esőfelhő, ősszel rendszerint csendes esőt, télen havazást hoz. 14

15 FELHŐFAJTÁK Cumulus (Cu), Cumulonimbus (Cb), Stratocumulus (Sc), Nimbostratus (Ns), Stratus (St), Altostratus (As), Cirrostratus (Cs), Cirrus (Ci) Forrás: Altostratus [As] Magassági rétegfelhő. Az égitestek - mint a Nap és a Hold - gyakran átsejlenek rajtuk. Cumulonimbus [Cb] Zivatarfelhő, melyből csapadék hullik, az esetek túlnyomó többségében elektromos tevékenységet is mutat. Cumulus [Cu] Magyar nevén gomolyfelhő. Konvektív úton, jellemzően nyáron kialakuló felhőfajta, mely záporszerű csapadékot is okozhat. CSAPADÉKVÍZ 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 Forrás: 15

16 SAVAS ÜLEPEDÉST KIVÁLTÓ KÉMIAI FOYAMATOK, OKOK 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 (NH 3 ): gyenge bázis: csökkenti a csapadék savasságát (talajbaktériumok, vizelet, műtrágyagyártás, műtrágyafelhasználás) Azonban amikor az NH 4+ kiülepedik és bekerül a talajba, nitrifikációt okozhat. A légköri savból származó hidrogén ion, amit semlegesített az NH 3 a légkörben, a talajban felszabadulhat, ami további savasodást okoz! Forrás: Acid_deposition_formation_diagram.jpg SAVAS ÜLEPEDÉST KIVÁLTÓ OKOK Természetes eredetű emisszió: a háttérszennyezést okozó természetes emisszió a Földön közel egyenletesen oszlik el. SO 2, H 2 S: - bioszféra bomlási folyamatai - vulkáni tevékenység - óceánok felszínéről történő kipárolgás NO x : - talajok emissziója - villámlás - biomassza égése Forrás: 16

17 SAVAS ÜLEPEDÉST KIVÁLTÓ OKOK Emberi eredetű emisszió: szűk területekre korlátozódik. (lokálisan a természetes emisszió 5-20-szorosa is lehet). Kénvegyületek: szerese a háttérszennyezettségnek (60-70 MT S-kibocsátás). NO x - kibocsátás: 56 MT/év, ennek 37%-a antropogén eredetű SO 2, H 2 S: - szén eltüzelése (70%) -nyers kőolaj elégetése -kohászat - kénsavgyártás NO x : - fosszilis tüzelőanyagok égetése -belsőégésű motorok üzeme Forrás: ELŐFORDULÁS Becslések szerint: emberi tevékenység nélkül 5-nél alacsonyabb ph nem fordulna elő. Legsavasabb eső: Kína, 1981, ph = Emberre, környezetre közvetlenül veszélyes, háztartási ecetnél savasabb. Savas ülepedés előfordulása Európában, 1993 Forrás: Forrás: 17

18 SAVAS ÜLEPEDÉS KÖVETKEZMÉNYEI Növénypusztulás: A mésztartalmú talajok ellenállnak a savas esőtől való kimosódásnak, de a tartós savbevitel ezeket is károsítja - a tápanyagok kimosódnak a leszivárgó vízzel. A talaj elveszti tápanyagraktározó és -szállító funkcióját. (K-Eur: egyes területeken az erdő a tápanyagszükségleteit az odajutott légszennyező anyagokból fedezi!!! Az erdő növekedéséhez szükséges S, N, Ca, Mg 50%-a a levegőből származik.) Jegenyefenyő-halál (Németország), bükkhalál (Németország, Csehország, Lengyelország, Ausztria, Szlovákia). Tavakban: fitoplankton-állomány pusztulása Állatvilág pusztulása: Zooplankton- állomány pusztulása. Norvégia: 5000 tóból 1750 már elvesztette a kétéltű- és halpopulációját. Fémek, építmények korróziója: Al, Cu, Zn, Cd, Ma, Pb oldása Káros hatások az emberre: bőrbetegségek Közvetett hatások: talajok, édesvizek elsavasodása Forrás: s1.jpg Forrás: id-rain-stone-erosion-of-statue- 2-AJHD.jpg.html Forrás: RAIN1.jpg SAVAS ÜLEPEDÉS MÉRSÉKLÉSÉNEK MÓDJA Technológiai fejlesztés» alacsonyabb emisszió Szenek és olajok kéntartalmának csökkentése Talajok meszezése Forrás: Forrás: Forrás: 18