MÉRNÖKI METEOROLÓGIA

Átírás

1 MÉRNÖKI METEOROLÓGIA (BME GEÁT 5128) BEVEZETÉS téma, időrend, követelmények 1 Dr. Goricsán István, 2008 Balczó Márton, Balogh Miklós, 2009 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék

2 A MÉRNÖKI METEOROLÓGIA TÁRGYA Meteorológia Meteoron (görög) égi jelenség, logos (görög) szó, ige, értelem Az atmoszférában lejátszódó dinamikus folyamatok (időjárás) vizsgálata klimatológia (nagyobb időskála) 2 Fotó: Wikipedia

3 A MÉRNÖKI METEOROLÓGIA TÁRGYA Enercon E-126 szélturbina D rotor = 127m H tengely = 135m P max = 7+ MW E év * = 17 millió kwh * (Emden, Németo.) Meteorológia Mérnöktudományok elsősorban épített környezetre gyakorolt hatás meteorológiai ismeretek gyakorlati alkalmazása műszaki területen mérnöki tervezés, méretezés támogatása elméleti háttérrel engineering meteorology > wind engineering 3 Wind engineering is best described as the rational treatment of interaction between wind in the atmospheric boundary layer and man and his works on the surface of Earth (Cermak, 1975) Fotó: Wikipedia

4 A MÉRNÖKI METEOROLÓGIA TERÜLETEI Nedvesség transzportja az atmoszférában hidrometeorológia Városklíma, város és domborzat feletti áramlások klimatológia Rácz Norbert, 2007 Balogh Miklós, 2007 Courtesy of Vestas Wind Systems A/S Szeged Áramlás város feletti szimulációja hősziget egy jelenség sziget körül numerikus szimulációja hőmérsékletmérési adatok felhasználásával Szélturbinák hozamelőrejelzése 4

5 A MÉRNÖKI METEOROLÓGIA TERÜLETEI Nedvesség transzportja az atmoszférában hidrometeorológia Városklíma, város és domborzat feletti áramlások klimatológia Légköri szennyezőanyag-terjedés modellezése meteorológia Gyárkéményből kilépő füstfáklya (Stewartby, Anglia) with the kind permission of Geoff Spivey,

6 A MÉRNÖKI METEOROLÓGIA TERÜLETEI Nedvesség transzportja az atmoszférában Városklíma, város és domborzat feletti áramlások Légköri szennyezőanyag-terjedés modellezése A szennyezőanyag-koncentráció eloszlása Budapesten, a Milllenniumi Városközpont és Ferencváros területén 6 Balczó Márton, 2007 hidrometeorológia klimatológia meteorológia

7 A MÉRNÖKI METEOROLÓGIA TERÜLETEI Nedvesség transzportja az atmoszférában Városklíma, város és domborzat feletti áramlások Légköri szennyezőanyag-terjedés modellezése Épített szerkezetekre ható szélerők meghatározása Balczó M., 2008 Függőhíd szélcsatornakísérletekhez készített elasztikus modellje (Von Kármán Institute) 7 hidrometeorológia klimatológia meteorológia építőmérnöki tud. Span Systems Inc. Feszített membrántető szabadtéri színpad felett (St Augustine, Florida, USA)

8 A MÉRNÖKI METEOROLÓGIA TERÜLETEI Nedvesség transzportja az atmoszférában Városklíma, város és domborzat feletti áramlások Légköri szennyezőanyag-terjedés modellezése Épített szerkezetekre ható szélerők meghatározása Szélkár a berlini főpályaudvar új épületén 8 hidrometeorológia klimatológia meteorológia építőmérnöki tud. Hurrikán által megrongált szabadtéri színpad (Porthsmouth, Virginia, USA)

9 A MÉRNÖKI METEOROLÓGIA TERÜLETEI Nedvesség transzportja az atmoszférában hidrometeorológia Városklíma, városi áramlások, szélkomfort klimatológia Légköri szennyezőanyag-terjedés modellezése meteorológia Épített szerkezetekre ható szélerők meghatározása építőmérnöki tud. Hullámképződés oceanográfia BP plc National Oceanic and Atmospheric Administration Úszó olajfúró sziget a Mexikói-öbölben Teherhajó felé közelítő óriáshullám a Vizcayai öbölben 9 Repülőgépek, hajók, szárazföld járművek tervezése meteorológiai behatásokkal szemben (oldalszél, széllökések, hullámok stb) (jármű-) aerodinamika Atmoszféra hatása az elektromágneses hullámokra telekommunikáció

10 TANTÁRGYPROGRAM Hét Időpont Téma 1 február 9. Bevezetés. Alapfogalmak, a légkör jellemzői, összetétele, kapcsolat más szférákkal. 2 február 16. Elektromágneses sugárzás alaptörvényei, jelenségei a légkörben, EM sugárzás átalakulásai, energiamérleg. 3 február 23. Üvegházhatás, globális felmelegedés, ózonpajzs szerepe. 4 március 2. Nedves levegő jellemzői, felhő és csapadékképződés, savas ülepedés. 5 március 9. Légkör sztatikája, troposzféra modellek. Termikus stabilitás, stabilitást befolyásoló tényezők, stabilitási kategóriák 6 március 16. Légkör dinamikája, atmoszférikus határréteg jellemzői I. 7 március 23. Zárthelyi I. Légkör dinamikája, atmoszférikus határréteg jellemzői II. 8 március 30. Épített (városok) és természetes (domborzat, vegetáció) környezet áramlási viszonyai 9 április 6. Szennyezőanyag terjedés modellezése I. Gauss modellek, törvényi szab. (pótzh ezen a héten) 10 április 13. Szennyezőanyag terjedés modellezése II. 11 április 20. Szélturbinák - Szélenergia hasznosítása energia termelésre 12 április 27. Szélturbinák / Meteorológiai előrejelzések 13 május 4. Látogatás az OMSZ-nél 14 május 11. Zárthelyi II. Repülésmeteorológia 10 Előadók: Balczó Márton Dr. Fáy Árpád

11 TANTÁRGYKÖVETELMÉNYEK - IRODALOM Félévközi jegy, 2 ZH-ból. A két zárhelyiből egyet mindenképpen legalább 40%-ra kell teljesíteni. Egy ZH pótolható. Pótlás: I. ZH: április 5-ei héten, órarenden kívüli időpontban egyeztetve II. ZH: a május ig terjedő pótlási időszakban Ajánlott irodalom Rákóczi Ferenc: Meteorológiai alapismeretek, Műegyetemi Kiadó, 1996 (J45029) Rákóczi Ferenc: Életterünk a légkör, Mundus Kiadó, 1998, ISBN John M. Wallace / Peter V. Hobbs: Atmospheric Science Springer, Tárgy webcíme vagy: > oktatás menüpont, Ugrás a tantárgyakhoz. Balczó Márton balczo@ara.bme.hu Ae épület I. em

12 MÉRNÖKI METEOROLÓGIA (BME GEÁT 5128) Alapfogalmak, a légkör jellemzői, összetétele, kapcsolat más szférákkal 1 Dr. Goricsán István, 2008 Balczó Márton, Balogh Miklós, 2009 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék

13 A LÉGKÖR KIALAKULÁSA Föld kialakulása ~ 4,6 milliárd éve Ősbolygó légköre: H 2, He, CH 4, NH 3, H 2 O, H 2 S Kémiai reakció a Föld szilárd alkotóelemeivel, disszipáció, elsődleges atmoszféra eltűnt (szél) Másodlagos atmoszféra: vulkáni gázok+vízgőz (CO 2, H 2 O, S, H 2, N 2 ) Vékony réteg a felszín felett Hosszúhullámú sugárzás elnyelése Hőmérséklet emelkedése (3,5-3,6 milliárd éve 0 ºC) Vízgőztartalom emelkedése» víz körforgása» ősóceánok kialakulása Első puhatestűek megjelenése ~ 1 milliárd éve UV akadálytalanul jut el a vízfelszínre» élet ~10 m mélyen (elegendő fény) Fotószintetizáló élőlények anyagcseréje révén O 2 feldúsulás» szárazföldi élet UV sugárzás O 2»O 3» ózonpajzs kialakulása 2

14 3 A LÉGKÖR KIALAKULÁSA

15 A LÉGKÖR JELLEMZŐI Tömege: M A =5, t (M F =5, t ) 50%-a 5,5 km alatt; 99%-a 30 km alatt, 99.9%-a 50km alatt. Az ISO International Standard Atmosphere* (ISA) jellemzői a 45 szélességre: Átlagos tengerszinti légnyomás: p 0 = mbar Eddig mért max/min: p max = 1079mb, p min = 877 mb Hőmérsékleti gradiens a troposzférában: -0,0065 K/m Léghőmérséklet tengerszinten: 15 C (288,15K) Közepes molekulasúly: 28,9644 kg/mol Sűrűség a tengerszinten: 1,225 kg/m 3 Univerzális gázállandó: 8314,32 J/mol K 4 Homoszféra ~90 km magasságig, levegő összetétele azonos Heteroszféra >90 km gázok molekulasúly szerint rendeződnek (a szabad úthossz 1m felett van) A két réteg között a turbopauza *Az International Civil Aviation Organization (ICAO), a World Meteorological Organization (WMO) és a z US kormánya is ad ki szabványos atmoszférát. 32 km alatt ezek azonosak.

16 A LÉGKÖR JELLEMZŐI Légnyomás a troposzférában (alsó 11 km) dp dz 0 = ρg p = ρgdz ρ = f ( p,t) Mennyi is az atmoszféra tömege? Nemzetközi nyomásformula 5 Forrás: Hans Häckel: Meteorologie, Verlag Eugen Ulmer Stuttgart 2008

17 A LÉGKÖR JELLEMZŐI Légnyomás a troposzférában Átszámítás tengerszintre Nyomásmagasságok : 500mbar, 250mbar-os izobárok magassága Nagy nyomás: hideg levegő, alacsony nyomás: meleg levegő Jelentősége a repülésben Repülés ábra izobárokkal 6 Forrás: Hans Häckel: Meteorologie, Verlag Eugen Ulmer Stuttgart 2008

18 7 A LÉGKÖR ÖSSZETÉTELE Összetevő Térfogat % ppm Tartózkodási idő Állandó összetevők N 2 O 2 Ar Ne He Kr Xe Változó összetevők CO 2 CH 4 H 2 N 2 O O 3 Erősen változó összetevők CO H 2 O (vízgőz) NO 2 NH 3 SO 2 H 2 S , év év 15 év 4 év 6,5 év 8 év ~2 év ~0.3 év (100 nap) nap ~6 nap ~7 nap ~4 nap ~2 nap Ózon: tengerszinten 3mm-es réteg lenne Aeroszolok: vulkáni hamu, pollen, baktérium

19 8 A LÉGKÖR SZERKEZETE

20 A LÉGKÖR SZERKEZETE Troposzféra (tropos: változás) Trópusokon km, sarkkörön ~10 km, Időjárási jelenségek, üvegházhatás Atmoszféra tömegének ~80%-a, légköri víz ~98%-a Hőmérsékleti gradiens: -6.5 K/km (ettől eltér, sőt ellentétes is lehet: inverzió) Tropopauza (1-2 km vastag) Sztratoszféra (stratos: réteg) Hőmérséklet ~ 20 km-ig állandó felette emelkedés két lépcsőben, Ozonoszféra 20 km felett, maximum km Vertikális keveredés a hőmérséklet gradiens miatt minimális. (üllők) Száraz, mert nedvesség belépése alacsony hőmérsékletű zónából lehetséges. A hőmérsékletmaximumot az ultraibolya sugárzás és a sztatoszférikus ózon reakciója okozza. Sztratopauza (48-50 km) Mezoszféra (mezo: köztes) Izotermia majd csökkenés, minimum ~180K km magasságban Mezopauza (85-90 km) 9

21 A LÉGKÖR SZERKEZETE Termoszféra (Ionoszféra) km - Izotermia, majd rohamos növekedés, 220K ~100 km magasságban, Nap röntgen ultraibolya sugárzása erősen ionizálja az itt található gázokat, (N 2, O 2 ionizálódik, fotodisszociáció, fotoionizáció) Sarki fény, Nemzetközi Űrállomás Termopauza Exoszféra ( km 1000km) Felső határa ~1000 km, hőmérséklete ~ 1000 ºC Főleg H és He összetételű. Szabad úthossz 100 km is lehet. H atomok szökési sebességet érnek el H távozik a Földről. Légellenállás a műholdakon (Magnetoszféra) Hol a határ? Kármán-vonal: 100km: e felett aerodinamikai repülés nem lehetséges (gyakorlatban km felett a kormányfelületek már nem működnek) Nincs éles határ. 1000km-en a napszélből érkező és az atmoszférából származó részecskék száma azonos. 10

22 1 A LÉGKÖR SZERKEZETE

23 A LÉGKÖR SZERKEZETE A szférák változékonysága: Szélességi fok szerint (Tropopauza: trópusokon -80 C, mérsékelt övön C) Téli /nyári félteke szerint A legnagyobb változékonyság a troposzférában figyelhető meg. 12

24 IDŐ, IDŐJÁRÁS, ÉGHAJLAT IDŐ: a levegő pillanatnyi fizikai állapota (az állapotjelzők - légnyomás, hőmérséklet, mozgási viszonyok, nedvességtartalom, felhőzet, csapadék stb. - pillanatnyi értéke) IDŐJÁRÁS: e paraméterek időbeli alakulása ÉGHAJLAT: adott hely lehetséges időjárásainak rendszere. Növekvő időlépték (skála). A mérnöki szemléletben mindhárom lépték szerepet kap. 13

25 A FÖLDI SZFÉRÁK KAPCSOLATA HIDROSZFÉRA KRIOSZFÉRA Folyékony halmazállapotú vizek Hó és jégtakaró ATMOSZFÉRA LITOSZFÉRA BIOSZFÉRA Kontinensek és szigetek Földi vegetáció, kontinentális fauna, óceánok faunája és flórája + EMBER 14

26 A HIDROSZFÉRA Felszin 72%-át borítják óceánok, a teljes felszínre vonatkoztatva átlag 2.6km mélységű vízrétegnek felel meg. Tömege a légkör 250-szerese. nagy termikus inercia (tehetetlenség) Sós: 35 (34-36) g/kg. A sótartalom változása illetve a hőmérsékleti rétegződés akadályozza a keveredést. Ezek a termoklin illetve haloklin (rétegek). A felső az ún. kevert réteg, sűrűsége kisebb. A termo-és haloklinek alatti víztömegek sótartalmukat és hőmérsékletüket nagyon jól megőrzik, így eredetük jól azonosítható: pld. Földközi tenger kiömlése. Tengeráramlatok: szél által hajtott felszíni áramlások (néhány 100 m mélységig) max 1m/s (Golf) - partvonal stb. erősen befolyásolja. 15 termohalin cirkuláció a nagyobb mélységekben (hőmérséklet-és sótartalom-gradiens hajtja) ~10 cm/s

27 A HIDROSZFÉRA Az öt fő óceáni cirkuláció 16

28 A KRIOSZFÉRA (krio: fagyott) Részei: Kontinentális jégtakarók : Antarktisz, Grönland, gleccserek Tengeri jég, évszaki hótakaró Permafroszt (örökfagy) a szárazföldek 20%-át kitevő fagyott talaj Nagyobb albedó: jelentős sugárzásvisszaverés hűtő hatás. Krioszféra elemei Antarktisz jégtakaró 53 Grönland jégtakaró 5 Alpesi gleccserek 0.2 Tömeg* Tengeri jég 0.08 Évszaki hótakaró 0.01 Permafroszt 1 * A Föld teljes felszínére eloszló vízvastagságban [m] kifejezve Forrás: Wallace/Hobbs: Atmospheric Science 17 A kontinentális jég rendkívül lassan változik: stabilizáló hatású, az éghajlatra hat ki. Egyensúlyát a friss hó és az alulról kicsúszó régi jég mennyisége határozza meg (tömörödik, jéggé alakul, a nyomás hatására vízszintes alakváltozás, csúszás jön létre. A vízszintes csúszás nagyságrendje 1-50m/év is lehet. A csúszás egyenetlen, néhány 10 km átmérőjű jégfolyamok alakulnak ki. Az Antarktisz jégtakarója éves klímatörténeti vizsgálatok A tengeri jég 1-3m vastag. Fagyás, havazás, tórlódások hatására 5m vastagságúra is nőhet. Tengeri áramlatok és szél hatására mozog. Fagyás során a sótartalom kintmarad magas sótartalmú, kis sűrűségű réteg alakul ki. Termohalin áramlások it mennek a mélybe. Hajózási problémák (hajócsavar nem működik). Permafroszt: kb 2m aktív réteg, alatta akár 1km vastagságig 0 C alatti hőmérséklet.

29 18 A LITOSZFÉRA

30 19 A BIOSZFÉRA

31 A FÖLDI SZFÉRÁK KÖLCSÖNHATÁSAI HIDROSZFÉRA ATMOSZFÉRA: HŐÁTADÁS: hidroszféra: nagy hőkapacitás hőmérséklet-szabályzás az atmoszférában ANYAGÁTADÁS: hidroszféra + atmoszféra: víz-körfolyamat (párolgás, kondenzáció, csapadékképződés, elfolyás). Óceánok: kondenzációs magvak forrásai. Csapadék: az óceáni sókoncentráció befolyásolója. IMPULZUSÁTADÁS: a tengeráramlásokat többek között az állandó jellegű szélrendszerek tartják fenn KRIOSZFÉRA ATMOSZFÉRA: HŐÁTADÁS: krioszféra: fokozott EM-sugárzás-visszaverő és igen alacsony hővezető képesség - az atmoszféra termodinamikai folyamatait befolyásolja a levegő erős lehűlése a jég- és hófelszínek felett: stabilizáló (áramlást mérséklő) tényező 20

32 A FÖLDI SZFÉRÁK KÖLCSÖNHATÁSAI LITOSZFÉRA ATMOSZFÉRA: HŐÁTADÁS: litoszféra: mozaikszerűen változatos hőelnyelő és EM-sugárzásvisszaverő képesség, eltérő talajnedvességi viszonyok - egyenetlen energetikai viszonyok (egyenetlen melegedés) - mikroklimatikus folyamatok kialakítása - légmozgások forrásai ANYAGÁTADÁS: pl. vulkáni tevékenység: CO 2, aeroszolok, gázok: üvegházhatás módosítása, kondenzációs magvak (csapadék). Csapadék visszajutása a litoszférára. IMPULZUSÁTADÁS: mechanikai turbulencia a légmozgásban; energiadisszipáció. Szélerózió. BIOSZFÉRA ATMOSZFÉRA: BIOSZFÉRA: módosítja a litoszféra fizikai tulajdonságait, a felszín érdességét, sugárzási és párologtató képességeit, hőkapacitását, a csapadék hasznosulását. Hatást gyakorol a CO 2 - mérlegre, A H 2 O és O 2 körfolyamatokra. Alakítója és szenvedő része a klímának. ANTROPOGÉN HATÁSOK A BIOSZFÉRÁBAN (állattartás, növénytermesztés, erdőirtás, erdősítés, urbanizáció, iparosodás - légszennyezés). 21

33 22 Köszönöm a figyelmet!