METEOROLÓGIA. Makra László

Átírás

1 Ugyanakkor a Nap, mozog ahogy mindig, változásokat indít el, tevékenységével mindennap felszívja a legjobb legédesebb vizet, gőzzé alakítja, ami magasabb légkörbe kerül, ahol a hideg miatt újra összesűrűsödik és visszakerül a földre. Aristoteles (a víz körforgásáról) ÁLTALÁNOS METEOROLÓGIA Makra László

2 TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉS ÓKOR Légköri jelenségekkel kapcsolatos korai megfigyelések kínai, indiai, sumér, inka, maya civilizáci ciók arab közvetk zvetítés GÖRÖGÖK Hyppocrates (i.e ): az ókori orvostudomány egyik megalapítója; orvosmeteorológia (hyppocratesi eskü); Ptolemaios (i.u.. 2. sz.) : geocentrikus világk gkép; Almagest fő művének címe c arabul;

3 A meteorológia szó eredete: Aristoteles (i.e ): 322): Meteorologica (a középkorig k csak ez a szakmai műm ismert) meteor" = ég és s föld f közötti; k logosz = tudomány A meteorológia tárgya: t az ókorban napjainkban Ógörög g eredetű szavak a meteorológi giában: kozmosz, asztronómia, szféra, atom, atmoszféra, homo-, heteroszféra ra, tropo-, sztrato-, mezo-,, termo-, exo-, krioszféra ra, magnetoszféra ra,, homogén, heterogén, baro-, bárikus,, izobár, izoterma, ciklon, anticiklon, dinamika, sztatika, szinoptika, aerológia gia,, klimatológia, geológia, gia, geográfia,

4 A meteorológiai helye a tudományok között TERMÉSZETTUDOMÁNYOK M A T E M A T I K A BIOLÓGIA KÉMIA FIZIKA F Ö L D T U D O M Á N Y O K Geológia Oceanológia Hidrológia Geokémia Geofizika Földrajz M E T E O R O L Ó G I A Elméleti v. Szinoptikus Kozmikus Aerológia Ált. v. fizikai Bio- és agro- Hidro- Éghajlattan Dinamikus meteorológia meteorológia meteorológia meteorológia meteorológia (Klimatológia) meteorológia

5 Ó K O R I M A T E M A T I K A, H E L L A S Pythagoras (i.e. 569 i.e. 475) a 2 + b 2 = c 2 Thales (i.e. 624 i.e. 546) Thales tétele: Ha egy kör átmérőjének A és B végpontját összekötjük a körív A-tól és B-től különböző tetszőleges C pontjával, akkor az ABC háromszög C- nél lévő szöge derékszög lesz.

6 Aristoteles (i.e. 384 i.e. 322) A csoportképzés szervezési módszertan, mely az antik görög időkig nyúlik vissza. Aristoteles volt az első nagy csoportalkotó, aki kísérletet tett arra, hogy megértse a társadalom alcsoportjainak lényegét. Miután megfigyelte, hogy a delfineknek méhlepényük van, ő arra következtetett, hogy ezek emlősek, nem pedig halak. Ez a konklúzió csaknem két évezreden át gúny tárgyát képezte a természettudósok körében. Plato (i.e. 427 i.e. 347) Hitvány ember az, aki nem tudja, hogy a négyzet átlója nem összemérhető annak oldalával. (Azaz nincsen olyan egység, melynek egész számú többszöröse a négyzet átlója is és oldala is.) A matematika olyan, mint egy játék, alkalmas a fiataloknak, nem túl nehéz, szórakoztató és nem jelent veszélyt az állam számára.

7 METEOROLÓGIA (szűkebb értelemben) a légköri folyamatok fizikai okainak feltárása METEOROLÓGIA (tágabb értelemben) a légkör tudománya KLIMATOLÓGIA a Földi éghajlatok leírása, elemzése, speciális éghajlatok Elméleti Általános meteorológia; Dinamikus meteorológia; Mikrometeorológia; Levegőkémia; Levegőfizika; Statisztikus meteorológia; Alkalmazott Szinoptikus meteorológia; Biometeorológia; Orvosi meteorológia; Agrometeorológia; Hidrometeorológia; Közlekedési meteorológia; Elméleti Fizikai klimatológia; Leíró klimatológia; Regionális klimatológia; Statisztikus klimatológia; OPERATÍV METEOROLÓGIA Alkalmazott Regionális klimatológia; Mikroklimatológia; Bioklimatológia; Városklimatológia; Diffúzióklimatológia; Paleoklimatológia; Meteorológiai műszerek; Meteorológiai megfigyelések; Meteorológiai előrejelzések;

8 A levegő-réteg, mely Földünket beborítja, Kékszínű tömegén játszva eget mutogat. Ah de mi ez? Hőség megritkította köröttem A levegőt s felszáll, váltja rohanva hideg. Képződnek szaporán s gyülekeznek vízi parányok S összeverődve, legitt földre csapódnak alá. Arany János: A reggel (Természetrajz), részlet A Föld F légkl gköre

9

10

11 Definíci ció: A légkl gkör r a Naprendszer több t bolygójának szilárd tömegéhez kapcsolódó gázburok. A Föld F légkl gköre A légkl gkör összetételetele A légkl gkör r kiterjedése A légkl gkör r tömeget A légkl gkör r szerkezete Szeretni kell a csalfa köd-eget, Szeretni kell száz csillag enyhe képét, Fölnézvén a szív könnyebben feled És föltalálja tán az örök békét. József Attila: Ének magamhoz (részlet)

12 A légkl gkör összetételetele A Föld F légkl gköre = gázkeverg zkeverék k + cseppfolyós s + szilárd anyagok diszperz rendszere A légkl gköri gázok g osztályoz lyozásának szempontjai: 1. az illető gáz z mennyisége térben t és s időben mennyire állandó; 1a. állandó gázok (N 2, O 2 és s a nemesgázok) zok): : mennyiségük hosszú időn át t változatlan v (nem geológiai giai idősk skálán!); 1b. változó gázok (CO 2, CH 4, H 2, N 2 O, O 3 ):: mennyiségük rövidebb időn n belül l (néhány ny év, pár p évtized) változik, v s koncentráci ciójuk térben t is változik; v 1c. erősen változv ltozó gázok (CO, NO 2, NH 3, SO 2, H 2 S): mennyiségük k igen rövid r időtartamon (néhány ny nap, illetve hét) és s kis területen belül l is jelentősen megváltozik.

13 2. a légkl gköri gázok g relatív v mennyisége (térfogati aránya) 2a. főf összetevők (N 2, O 2, CO 2, Ar: : 99,998 %); 2b. nyomgázok (2a.-n n kívül k l az összes többi t gáz); g 2c. szilárd és s cseppfolyós s anyagok (részecsk szecskék). k). 2b. + 2c. = nyomanyagok (közülük legfontosabbak: H 2 O és s a részecskr szecskék) k) Az aeroszolok diszperz rendszert t alkotnak az áramló levegőben, ahol gáz-halmazg halmazállapotú közegben finoman szétoszlatott (porlasztott) folyékony vagy szilárd részecskék k vannak jelen. A részecskr szecskék k mérettartomm rettartománya 10 nm 500 nm. Szilárd diszpergált anyag esetén füstről,, ha a porlasztott (vagy kondenzálódott) dott) anyag folyadék k halmazállapot llapotú, ködről is beszélhet lhetünk. A felhő is természetes aeroszol.

14 A légkör összetétele Tartózkodási idő: τ = M / F = M / R ahol M az adott gáz légköri mennyisége, F (R) a képződési (elnyelési) sebesség [tonna/év]. összetevő Térf.% ppm Tartózkodási idő Állandó összetevők nitrogén N 2 oxigén O 2 argon Ar neon Ne hélium He kripton Kr xenon Xe Változó összetevők szén-dioxid CO 2 metán CH 4 hidrogén H 2 dinitrogén-oxid N 2 O ózon O 3 Erősen változó összetevők szén-monoxid CO Vízgőz H 2 O Nitrogén-dioxid NO 2 Ammonia NH 3 Kén-dioxid SO 2 Kén-hidrogén H 2 S 78,084 20,947 0, ,18 5,24 1,14 0, ,0 0,5 0,31 0,04 0-0,05 0-0, ,02 0-0, , 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 aláhúzott: fő összetevő; keretezett: üvegházhatású gáz;

15 A légkl gkör r kiterjedése Alsó és s felső határait nem lehet pontosan meghúzni. A légkl gkör r alsó határa: a folyadék, a jég j g felszíne. A talajfelszín n nem határa automatikusan: a talajban lévől üregeket, barlangokat is levegő tölti ki. A légkl gkör r felső határa: Elméleti leti úton: A FöldhF ldhöz z rögzr gzített koordináta rendszerben számított centrifugális és s nehézs zségi erő egyensúlya ( (G = F c ) h = km magasságban gban tapasztalható.. Eddig a magasságig gig a gázburok g együtt mozog a Földdel. F

16 Tapasztalati úton: támpontok a légkl gkör r kiterjedésének közelítő pontosságú megbecslésére: 1. A meteoritok felvillanása: Oka: súrlódás; Észlelhető: : kb. 100 km, de km magasságban gban is! 2. A sarki fény: f Oka: a Napból érkező hidrogénmagok és elektronok a magaslégk gkör gázatomjait gerjesztik. Észlelhető: : km, de 1000 km magasságban gban is! 3. A rádir dióhullámok visszaverődése: se: Oka: a magaslégk gköri ionizált (elektromosságot vezető) ) rétegek, r ahol a gázatomok g egy része a Nap ibolyánt ntúli és s röntgen r sugárz rzása miatt elektromos töltt ltésű. Észlelhető: : km között, k de 3000 km magasságban gban is!

17 Meteoritok felvillanása

18 Antarktiszi meteorit (azonosító: ALHA-84001) augusztus 7, NASA: benne életre utaló nyomok találhatók.

19 Sarki fény (Aurora borealis) I. Elektromosan töltött részecskék Mágneses erővonalak

20 Sarki fény II.

21 Sarki fény III. A Jupiteren A Földön

22 Sarki fény IV. Anchorage, Alaszka

23 A légkl gkör r tömeget G= m g F = p A m g= p A Meghatározhat rozható a földfelszf ldfelszíni légnyoml gnyomásmérések sek alapján m p A g N m m m s = kg m s m m m s [ kg] Néhány számítási si eredmény: 2 Aujeszky (1952): 5,275 * Makra (1995): 5,136 * Trenberth (1981): 5,117 * g 21 g 21 g A légkl gkör r tömegt megének jelentős s része r az alsó 20 km-es rétegben találhat lható.

24 A légkör tömegének magasság szerinti megoszlása [km] [%] A légkl gkör r tömegt megének magasság g szerinti eloszlása sa 50 %: 5,5 km alatt 90 %: 16,2 km alatt 95 %: 20,6 km alatt 99 %: 31,0 km alatt

25 Langtang Lirung, Magas Himalája, Nepál, 1993 július Langtang Lirung, 7234 m

26 Yala csúcs, 5500 m, a háttérben a Langtang Lirung, Magas Himalája, Nepál, 1993 július

27 Yala csúcs, 5500 m, a háttérben a Langtang Lirung, Magas Himalája, Nepál, 1993 július

28 Homogén n légkl gkör Határozzuk meg a homogén n légkl gkör r vastagságát! t! G= F m g= p A ρ V g= p A ρ A h g= p A ρ h g = p p h= ρ g [ h] N m kg m m s kg m s m kg m m s 3 2 [ m]

29 A légkl gkör r szerkezete Kémiai szempontból homoszféra heteroszféra ra Fizikai szempontból Hőmérséklet alapján Troposzféra (0 km < h < 20 km); t -50, -60 C; Sztratoszféra (20 km < h < 50 km); t -0 C; Mezoszféra (50 km < h < 80 km); t -100 C; Termoszféra (h < 1000 km); t C; Exoszféra Légelektromosság alapján Ionizáló rétegek sorozata ionoszféra D réteg: km nappal; E-réteg: km nappal; sporadikus E: szabálytalanul F réteg: 140 km fölött; állandó, nappal kettéválik: F1, F2; G réteg: 400 km fölött; Mágnesesség alapján Ha h < 80 km: nem hat a légkörre a Föld mágneses mezeje; Ha (80 km < h < 140 km: légköri dinamó övezet; Ha h > 140 km: magnetoszféra

30 Ionoszféra Az ionizált rétegek helyzete, a szabad elektronok koncentrációinak eloszlása a légkörben A főbb ionoszféra rétegek helyzete

31 A légkl gkör r szerkezete A levegő kémiai összetétele tele és s a légkl gkört alkotó gázok átlagos molekulatömege mege alapján: 1. homoszféra ra: a kémiai k összetétel tel és s az alkotó gázok átlagos molekulatömege mege állandó (h 90 km); ok: a légkl gköri keverő mozgások; 2. heteroszféra ra: a kémiai k összetétel tel a magasság függvénye, és s az alkotó gázok átlagos molekulatömege mege a magassággal ggal fölfelf lfelé rohamosan csökken (h > 90 km); kisebb sűrűségűs összetevők: km: O 1500 km: He > 1500 km: H 2

32 A légkl gkör r termikus tulajdonsága alapján:

33 Hőmérséklet szerinti szerkezet troposzféra ra (feláraml ramlási gömbhg mbhéj): [00 km km] sztratoszféra (réteges gömbhg mbhéj): [ km 50 km] mezoszféra (középs pső gömbhéj): [50 km 90 km] termoszféra ra (meleg gömbhg mbhéj): [90 km km] magnetoszféra (mágneses gömbhg mbhéj): [1.000 km km] exoszféra (küls lső gömbhéj) [ km ]

34 Troposzféra ra felső határa a felszínt ntől l számítva: 8 km < h < 18 km; a hőmérséklet átlagos magassági gi változv ltozása: -0,65 º C / 100 m (gyengén n labilis légállapot); l llapot); Ok: A napsugárz rzás s a felszín n felől l melegíti fel a Földet. F Következmény: a légkl gköri vízzel v kapcsolatos jelenségek; időjárási események;

35 Az ICAO (International Civil Aviation Organization = Nemzetközi zi Polgári Repülésügyi Szervezet) által jegyzett standards légkör jellemzői, ϕ = 45 átlagos tengerszinti légnyoml gnyomás: p o = 1013,25 mb; m eddig mért m max/min: p max = 1079 mb, p min = 877 mb; hőmérsékleti gradiens a troposzférában: -0,0065 K mk - 1 ; léghőmérséklet a tengerszinten: 15 C C (288,16 K); közepes molekulasúly: ly: 28,9644 kg mol - 1 ; sűrűség g a tengerszinten: 1,225 kg m - 3 ; univerzális gázállandg llandó: : 8314,32 J molj - 1 K - 1 ;

36 Tropopauza a troposzféra ra tetején izotermia; a hőmérsh rsékleti gradiens = 0. T átlag -56 º C; h (tropopauza( tropopauza) ) = f (ϕ;( évszak); tropopauza szakadás :: eltérő tulajdonságú légtömegek találkoz lkozásánál jet stream (futóá óáramlás) (v 200 kmh - 1 );

37 Futóá óáramlás s (jet( jet-stream)

38 Sztratoszféra A hőmérsh rséklet növekszik n a magassággal ggal (h > 20 km); hőmérsékleti inverzió; függőleges légmozgl gmozgások nincsenek; Ok: a sztratoszférában találhat lható ózonréteg (UV elnyelő melegítő hatás); cc max (O 3 ) 25 km és s T max 50 km; Ok: a molekulm olekulák k száma kisebb 50 km-en; az elnyelt energia a kevesebb molekula hőmérsh rsékletét gyorsabban emeli; napsugárz rzásból l magasabban több t energia nyelődik el.

39 Sztratopauza h 50 km; légnyomás 1 hpa; a légkl gkör össztömegének 0,1 %-a% a van fölötte; f Mezoszféra 50 km < h < 85 km; kevés ózon; negatív v hőmérsh rsékleti gradiens; a légkl gkör r leghidegebb tartománya: t 85 km = -95 C; éjszakai világító felhők; Miért ilyen hideg a mezoszféra ra? a sztratoszférát t az ózonréteg melegíti; a termoszférát t a napsugárz rzás által felgyorsított atomok melegítik; A mezoszféra két t meleg réteg r közék ékelődik;

40 Mezopauza ~ 85 km Termoszféra ra felső határa a felszínt ntől l számítva: 85 km < h < 500 km; a molekulák k elnyelik a napsugárz rzást (nagy energiájú fotonok) nő a hőmérsh rséklet; a levegő sűrűsége igen alacsony (közepes szabad úthossz: itt: km, tengerszinten: 10-6 cm);

41 A légkör vertikális szerkezete

42 A légkör rétegződése, 0 km < h < 160 km

43 Átlagos légkl gköri hőmérsh rséklet, nyomás, szerkezet

44 A száraz, nyugalomban lévől tiszta légköri levegő fizikai állapotjelzői

45 Egyszerűsített légkl gkör 1. csak főf összetevők 2. vízgv zgőz z nincs 3. mozgás s nincs E légkl gkör r modell leírásához elegendő a gázok g három h állapotjelzőjének ismerete: a. sűrűség s (vagy fajlagos térfogat) t b. nyomás c. hőmérsh rséklet

46 a1. sűrűség s (= a térfogategyst rfogategységben gben foglalt tömeg) t ρ = m V kg m 3 a2. fajlagos, vagy specifikus térfogatt (= a sűrűség s reciproka) V ' 1 V = = ρ m kg m 1 3 A sűrűség s és s a fajlagos térfogat t kapcsolata: ' ρ V = 1

47 b. nyomás (= a felületegys letegységre gre merőlegesen és egyenletesen ható nyomóer erő) F= p A p F A N m 1 2 = kg m s 2

48 c. hőmérsh rséklet (= az anyagot alkotó molekulák rendszertelen mozgást végeznek, v s ennek kinetikai energiája arányos a hőmérsh rséklettel) abszolút t hőmérsh rséklet A hőmérsh rséklet objektív v meghatároz rozásának kritériumai: riumai: Egy rendszer csaknem valamennyi paramétere függ f a hőmérséklettől; l; Az egymással érintkező rendszerek közötti k hőmérséklet-különbségek egy idő után kiegyenlítődnek termikus egyensúly Előáll llíthatók k jól j l reprodukálhat lható hőmérsékletek: (*) p = 1 atm; ; a tiszta jég j és s a víz v z keveréke (**) p = 1 atm; ; a forrásban lévől víz z fölötti f gőzg Abszolút t hőmérsh rsékleti skála, vagy Kelvin-sk skála: T(K) = T 0 + t (ºC); T = konstans

49 Összefüggés s a három h állapotjelző között, az általános gázegyenletg

50 A gázok g állapotjelzői i közötti k kapcsolatok feltárása Tökéletes / ideális gázok: g parányi részecskr szecskékből l (molekulákb kból) állnak; mozgásuk egymást stól l független, f állandóan véletlenszerv letlenszerű; a molekulák k térfogata t elhanyagolható a gáz g által elfoglalt térfogathoz képest; k a molekulák k közötti k erőhat hatások elhanyagolhatók; a nyomás s annak tulajdoníthat tható,, hogy a gázmolekulg zmolekulák k a tartóed edény falához ütköznek;

51 A gáztg ztörvény tökéletes t gázokra: g pv V = nrtn p = légnyomás, V = valódi térfogatt rfogat, n = a gáz g z mólja* m lja*, T = hőmérséklet, R = gázállandó [R = f (a légnyoml gnyomás s egysége, ge, hőmérséklet, fajlagos térfogat)] t rfogat)]. R = 8,3148 J mol - 1 K - 1, ha p [kpa],, V [L], T [K]; R = 0, L atm mol - 1 K - 1, ha p [atm[ atm],, V [L], T [K]; *Egy mól bármely anyagból l az a mennyiség,, amely ugyanannyi elemi egységet get tartalmaz, mint ahány atom van 0,012 kg C 12 -ben. Az anyagmennyiséget get mólokban m fejezzük k ki. 1 mól m l anyagban 6, db részecske r van (= Avogadro-sz szám).

52 A gáztg ztörvény 1 mol tömegű gáz z esetén: p = nyomás; V m = moláris térfogat t (egy mól m l mennyiségű gáz z térfogata); t T = hőmérsh rséklet; p Vm = N k T N (Avogadro( szám m = egy mól m l anyagmennyiségnek gnek megfelelő részecskeszám) = 6, elemi egység; g; k (Boltzmann( Boltzmann-állandó) ) = 1, J K - 1 ; N k = R* állandó; R* = 8314,41 J kmolj - 1 K - 1 ; univerzális gázállandg llandó;

53 A gáztg ztörvény egységnyi gnyi tömegű gáz z esetén: Vm R * p = T M M M = moláris tömeg t (egy mól m l kémiai k elem, vagy kémiai k vegyület tömege); Használjunk moláris térfogat t helyett fajlagos térfogatot: t R * = M R az adott gázra g jellemző specifikus gázállandg llandó; V m M =v p v= R T

54 Gay-Lussac törvénye (1802): állandó nyomáson (térfogaton) a tökéletes t gázok g térfogata (nyomása) lineárisan változik v a hőmérséklettel: V( t) V (1 α ) = 0 + t pt p0 ( ) = (1 + α t) állandó nyomás V / T = konstans állandó térfogat p / T = konstans

55 Boyle (1664) Mariotte (1676) törvt rvénye: állandó hőmérsékleten a tökéletes t gáz g z nyomása fordítottan arányos annak fajlagos térfogatt rfogatával p1 V1 = p2 V2 = állandó állandó hőmérséklet p V = konstans

56 Boyle Mariotte Gay-Lussac törvénye: Ha t ºC C hőmérsh rsékleten valamely tökéletes t gáz g z adott mennyiségének nek nyomása p,, fajlagos térfogata t V, akkor p V = p V (1 + α t) 0 0 ahol α = 1 273,16 a gáz g z anyagi minőségétől független állandó (térfogati hőtágulási együtthat ttható).

57 Fejezzük k ki a fajlagos térfogatot t a gáz g ρ sűrűségével: V = 1 ρ V 0 = 1 ρ 0 s tekintsük k a T = 273,16+ t abszolút t hőmérsh rsékletet. pv Innen a fentieket behelyettesítve tve a egyenletébe, a következőt t kapjuk: p p0 T = ρ ρ0 273,16

58 A fenti egyenletben a p 0 ρ0 273,16 konstans az adott gázra nézve n állandó szám. Neve: az adott gázra g jellemző, specifikus gázállandg llandó; Jele: R Innen a fajlagos térfogat t és s a sűrűség s g közötti k összefüggés alapján: R = p0 V0 273,16

59 Most helyettesíts tsük k be a gázállandg llandó értékét, t, s végeredmv geredményül l az általános gázegyenletg zegyenletre a következk vetkező két t egyenletet kapjuk: p R T ρ = p= ρ R T pv = R T Az általános gázegyenletg tehát t a tömegegyst megegységnyi gnyi (1 mol) ) gáz g térfogata (V), nyomása (p) és s hőmérsh rséklete (T) közötti k összefüggés. Szobahőmérs rséklet és s 1 atm légköri nyomás s mellett jó közelítéssel érvényes a nehezen cseppfolyósíthat tható gázokra (az oxigénre, a nitrogénre, nre, a levegőre re,, a hidrogénre, a héliumra, h stb.).

60 Átlagos hőmérsh rséklet, légnyoml gnyomás és s sűrűség, s φ=15 º N magasság g (km) légnyomás s (hpa) hőmérséklet ( º C) sűrűség g (kgm - 3 ) ,0 29,4 1, ,0-2,5 7, ,0-36,2 4, ,0-66,4 9, ,2-40,9 1, ,0-19,2 4, ,85-3,0 1, ,24-20,0 3, ,058-54,3 9, ,011-88,4 2, , ,1 3, , ,4 5,

61 Mára befejeztük, jó éjszakát!