Mikrometeorológia. Pogány Andrea. Természeti jelenségek fizikája

Átírás

1 Pogány Andrea

2 i műszerek A mikrometeorológia tárgya kis léptékű folyamatok (<1000m, <1nap) a légkör alsó rétegében (néhány 10m) a légköri határréteg alsó rétege a környezeti áramlások általában trblensek trblens áramlás erős keveredés, nagyobb diffúziós állandó, viszkozitás energia, nyomanyagok stb. kicserélődése a felszín és a légkör között a trblens keveredés hatására történik

3 Mikroemteorológiai műszerek A légköri határréteg A troposzféra alsó része, kb. 1 km magasságig, ahol a felszín hatása egy napon belül érvényesül Magasság 1000 m 20 m 1 m 0,01 m 0,001 m Elnevezés elhanyagolható Ekmanréteg trblens réteg dinamiks alréteg viszkózs réteg lamináris réteg Anyag- és energia kicserélődés trblens trblens+ diffúzió diffúzió változó flxs állandó flxs Stabilitás szerepe fontos

4 Mikroemteorológiai műszerek Dimenziómentes számok Rossby-szám: forgatás (Coriolis-erő) hatása Eler-szám: nyomási gradiens hatása Reynolds-szám: viszkozitás szerepe Richardson-szám: helyzeti/mozgási energia (rétegződés szerepe) Magasság 1000 m 20 m 1 m 0,01 m 0,001 m Elnevezés Ekmanréteg trblens réteg dinamiks alréteg viszkózs réteg lamináris réteg lgro lge lgre lgri <0 ~0 >0 >0 <0 <0 ~0 >0 >0 >0 >8 7-8 >0 ~0 >-2 >-2 ~-2 <-2 <0 <-2

5 Trblencia a légköri határrétegben Trblens spektrm i műszerek Flxsmérési módszerek Alapelvek

6 i műszerek Áramlás (szél) a légköri határrétegben Az áramlás falhoz (=földfelszín) közeli trblens áramlásként írható le. Trblens folyamatok leírása: Reynolds-féle átlagolás x= x+ x' x : x ': átlagos érték flktáció, az átlagtól való pillanatnyi eltérés (a flktációk átlaga 0) Örvények hatása: függőleges irányú légmozgás a függőleges szélsebesség átlaga 0 x x

7 Áramlás (szél) a légköri határrétegben Két mennyiség közötti korreláció: a két mennyiség átlagtól való pillanatnyi eltérésének szorzata, egy hosszabb időtartamra átlagolva A légköri határrétegben a függőleges és vízszintes szélsebesség antikorreláltak, azaz: w< ' ' 0 z w >0 <0 i műszerek - Ha a vízszintes és függőleges szélsebesség között nem lenne korreláció ( w= ' ' 0), az azt jelentené, hogy a vízszintes szélsebesség független a magasságtól - Minél erősebb a korreláció a két mennyiség között, annál nagyobb mértékben változik a vízszintes szélsebesség a magassággal. ' w' ~ z ' w' = ν trb z = F F: az adott mennyiség (ebben az esetben a vízszintes szélsebesség) flxsa egységnyi felületen, egységnyi idő alatt átáramlott anyag v. energia

8 i műszerek Áramlás (szél) a légköri határrétegben F= z T z c z,, w = ν trb,, wt = κtrb,, wc = Dtrb Hasonló egyenletek írhatók fel hőmérsékletre, szennyezőanyagok koncentrációjára stb. ν κ Sőt: trb trb trb A trblens transzport nem az anyagi állandóktól, hanem az áramlástól, a trblencia mértékétől függ Az anyag- és energiaáramok kétféleképp mérhetők: D z w >0 - Gyors változások mérése - Az adott mennyiség magasságfüggésének mérése és a diffúziós együttható meghatározása <0

9 A logaritmiks sebességprofil viszkózs réteg (lineáris sebességprofil) z z ( ) = ν z κ 2 * ( ) = ln z+ konstans * = ' w' : a mikrometeorológiában elterjedten használt paraméter ν: a levegő kinematikai viszkozitása trblens réteg (logaritmiks sebességprofil) z κ * ( ) = ln z z 0 z z 0 κ: Kármán-konstans, értéke 0,4 i műszerek Az összefüggés légköri határréteg alsó 10%-ában érvényes (kb. 100m-es magasságig) Nagyobb magasságban figyelembe kell venni a határréteg feletti légrétegek áramlását és a Föld forgását is. A hőmérséklet, szennyezőanyagok koncentrációja gyanígy logaritmiksan változik a magassággal. De: a logaritmiks profil csak ideális körülmények között alakl ki

10 A légköri stabilitás hatása Stabilitás hatásának figyelembevétele: Ψ(z/L) stabilitási függvény segítségével z/l: dimenziómentes stabilitási paraméter L: Monin-Obkhov paraméter labilis stabilis i műszerek L = κ g T 3 L>0 stabilis QH ρ c p L=0 semleges rétegződés L<0 labilis z = z κ z + Ψ(z/L) * ( ) ln 0

11 i műszerek A felszín egyenetlenségeinek hatása z κ * ( ) = ln z z 0 érdességi paraméter d nllszint eltolódás z z 0 0 z 0 ~ 0,1 tereptárgyak jellemző magassága d ~ 0,5-0,8 tereptárgyak magassága függ a növényzet sűrűségétől, szélsebességtől d z 0 z d z d z ( ) = ln +Ψ κ z d L

12 A felszín heterogenitásának hatása szél i műszerek lnz drva felszín sima felszín lnz

13 A felszín heterogenitásának hatása szél i műszerek lnz drva felszín sima felszín lnz

14 Szennyezőanyagok flxsának mérése Környezetvédelmi szempontból nem csak a szennyezőanyagok koncentrációja, hanem azoknak a légkör és a földfelszín (pl. talaj, növényzet) közötti kicserélődése, azaz flxsa is jelentős A szennyezőanyagok flxsának nagy területeken történő meghatározása (pl. műtrágyázott mezőgazdasági terület ammóniakibocsátása, ózon ülepedése egy területen) mikrometeorológia módszerekkel lehetséges A mikrometeorológiai mérések helyszíne: i műszerek 1-2m néhány 100m homogén, sík terület = fetch (meddig lát el a mérőműszer) A flxsmérési módszerek csak különböző feltételek mellett alkalmazhatók, ezért fontos a mérések helyének gondos megválasztása

15 Szennyezőanyagok flxsának mérése Környezetvédelmi szempontból nem csak a szennyezőanyagok koncentrációja, hanem azoknak a légkör és a földfelszín (pl. talaj, növényzet) közötti kicserélődése, azaz flxsa is jelentős A szennyezőanyagok flxsának nagy területeken történő meghatározása (pl. műtrágyázott mezőgazdasági terület ammóniakibocsátása, ózon ülepedése egy területen) mikrometeorológia módszerekkel lehetséges i műszerek Nyomanyagok kicserélődésének mérésére alkalmas mikrometeorológiai mérési módszerek: Eddy kovarancia Eddy akkmláció Gradiens módszer Kamrás módszer F = w ' x ' = D trb x z

16 i műszerek Eddy kovariancia módszer F p Q Q F A flxs a függőleges szélsebesség és a mérni kívánt mennyiség kovarianciájából számítható ki. H E,, = w,, = ρ c Tw p,, = ρλ qw,, = cw Előnyök: implzs érzékelhető hő látens hő -egyszerű, megbízható elmélet Hátrányok: szennyezőanyag -sok korrekció szükséges (pl. flktáció mérési hiba megkülönböztetése, függőleges irány) -a megfelelően gyors mérőműszer nem mindig áll rendelkezésre

17 Gradiens módszer Koncentrációprofil mérése és a trblens diffúziós együttható becslése. Fp = D z T = ρ QH cp D z c F = D z implzs érzékelhető hő szennyezőanyag i műszerek Előnyök: -nem kell gyors mérőműszer Hátrányok: -a függőleges homogenitás is feltétel -D emprirks paraméter

18 i műszerek Eddy akkmlációs módszer Mintavétel a függőleges szélsebesség irányától függően két tartályba, flxsszámítás a két tartályban mért koncentráció különbségéből. F ( c ) = b σ c w + b: emprirks paraméter σ w : a függőleges szélsebesség szórása a trblencia mértékét jellemzi c - kisebb koncentráció pl. kibocsátás esetén Előnyök: c + nagyobb koncentráció -nem kell gyors mérőműszer -nem feltétel a függőleges homogenitás Hátrányok: -b empirirks paraméter

19 i műszerek Kamrás módszer A talaj gázkibocsátásának mérése Ha lefedjük a talajt, a talaj által kibocsátott anyagok feldúslnak a fedél alatt Atomata vagy manális kamrák, folyamatos gázáramlás vagy mintavétel Előnyök: -egyszerű Hátrányok: -csak kibocsátás mérhető

20 i mérőállomás i műszerek Flxsmérési módszerek Alapelvek

21 i műszerek Napsgárzás mérése Fekete és fehér felületek közötti hőmérsékletkülönbség mérése (működési elv: termoelektromos hatás) Irányítás: égbolt vagy földfelszín felől érkező sgárzás Búra: védelem, hllámhossz szerinti megkülönböztetés Földfelszín hőmérsékletének mérése Rövidhllámú sgárzás: 290nm-3µm napból érkező sgárzás (direkt vagy szórt) Fotoszintetiksan aktív sgárzás (PAR): nm Hosszúhllámú sgárzás: 4-100µm földfelszín, felhők kisgárzása

22 Szélsebesség és szélirány mérése Kanalas, propelleres szélmérő v - kalibrálni kell - tehetetlenségét figyelembe kell venni ω Szóniks anemométer i műszerek - ltrahang implzs terjedési sebességének különbségét méri méri két irányban - három pár hangszóró és mikrofon szélsebesség mérés 3D-ban - terjedési sebesség abszolút értéke szóniks hőmérséklet

23 Hőmérséklet, páratartalom mérése Levegő- és talajhőmérséklet mérése - ellenállás hőmérővel (platina szál) Relatív páratartalom mérése - pszichrométer (nedves és száraz hőmérő) - kapacitív szenzor - abszolút páratartalom pontos mérése: optikai abszorpciós elven működő műszerekkel, vagy tükrös harmatpont-mérővel i műszerek Árnyékolás - napsgárzás fűtő hatásának kiküszöbölése - csapadék elleni védelem A hőmérsékletmérés pontosság a hőmérő árnyékolásától függ (a modern hőmérők pontossága <0,001 C, a sgárzásos fűtés hatása jó árnyékolás esetén is tipiksan 0,05-0,1 C)

24 i műszerek Csapadék, talaj-víztartalom, levélnedvesség mérése Csapadékmérő Talaj-víztartalom mérés - kapacitív szenzorok (légnedvesség mérérhez hasonló) Levélnedvesség (harmat) - vízben oldható nyomanyagok flxsa szempontjából lényeges paraméter - levélfelület ellenállásának mérése

25 Nyomanyagok flxsának mérése Eddy kovariancia módszer: - vízgőz, szén-dioxid, ózon Gradiens módszer: - ha nincs megfelelően gyors mérőműszer - pl. ammónia, aeroszolok i műszerek Kamrás mérések: - talajkibocsátás mérése - metán, szén-dioxid, dinitrogénoxid