1. Bevezetés A légkör szerkezete. Oktatási segédanyag 1

Átírás

1 Oktatási segédanag 1 1. Beveetés 1.1. A légkör serkeete A légkör (atmosféra) a Földet körüláró, a gravitációs erőtér által megtartott gáburok. A légkör mostani össetétele a geológiai korok folamán, hossú biogeokémiai fejlődés eredméneként alakult ki (Keréni, 1995; Seinfeld és Pandis, 1998; Moser és Pálmai, 1999). A Föld keletkeése idején jött létre a úgneveett ősatmosféra, amelnek kémiai össetétele redukáló tulajdonságú volt. A fejlődés korai sakasában, a kémiai evolúcióval egidejűleg, a vulkánkitörések eredméneként a atmosférába kerülő gáok elsősorban viet, séndioidot, kén-dioidot, kisebb menniségben hidrogént és nitrogént tartalmatak. A alkotórések köül több kimosódott a légkörből, és a savképő oidok kémiai reakcióba léptek a földkéreg báikus kőeteivel. A redukáló komponensek (H 2, NH 3, CH 4, H 2 S) oidálódtak, koncentrációjuk lecsökkent a légkörben, uganakkor a ví és a sén-dioid dissociációjából kis menniségben képődött, és megjelent a légkörben a oigén. A oigén nagobb koncentrációja valósínűleg csak a élet megjelenésével jöhetett létre. A légköri levegő sem kémiai, sem fiikai sempontból nem tekinthető homogén köegnek, benne a gáokon kívül kolloid mérettartománú folékon és silárd halmaállapotú anagok találhatók, íg a levegő eg komple aerodisper rendser. A gáfáis komponensei a atmosférában való tartókodási idejük serint csoportosíthatók: állandó, váltoó és erősen váltoó gáokra. A állandó gáok légköri tartókodási ideje hossú, légköri koncentrációjuk csak több eer, vag millió év alatt váltohat. Ide tartonak például a oigén, a nitrogén és a nemesgáok. A váltoó gáok koncentrációja váltoásának időskálája 1 10 évre tehető. Eek köé tartoik például a metán, a dinitrogénoid, a sén-dioid és a hidrogén. A erősen váltoó gáok néhán naptól kb. pár évig tartókodnak a légkörben. Ilenek például a vígő, a nitrogén-dioid, a kén-dioid, a sén-monoid, a ammónia és a kén-hidrogén. A légkör homosférára (alsó légkör) és heterosférára (felső légkör) ostható. A homosféra a légköri keveredés eredméne, eért benne a levegő fő össetevőinek egmásho visonított arána köel állandó, magassága kb. 85 km-ig terjed. A magasság növekedésével a levegő sűrűsége és nomása csökken a barometrikus formula alapján. A homosféra a hőmérsékleti rétegődés alapján három rétegre ostható: troposférára, stratosférára és meosférára. A troposféra a homosféra legalsó rétege. Magassága a földfelsíntől sámítva a sarkokon kb. 8 km, a egenlítő fölött kb. 18 km. A levegő hőmérséklete általában a magasság

2 Oktatási segédanag 2 növekedésével kilométerenként kb. 6,5 Kelvinnel csökken. A ilen viselkedést mutató légkörben lehetőség van arra, hog a földköeli melegebb levegő felfelé áramoljon, íg a levegő és a benne lévő légsenneők hatékonan keveredjenek. Előfordulhat, hog heli légkörfiikai jelenségek miatt eg rétegen belül a hőmérséklet nem csökken, hanem állandó vag emelkedik (fordított hőmérsékleti gradiens). Ilenkor inveriós réteg kialakulásáról besélünk, és e a réteg határolja a alatta elhelekedő visonlag jól elkevert légréteget. A inveriós réteg gátolja a légsenneők elkeveredését a troposférában és eáltal nag senneőanag-koncentrációk kialakulását eredménei a földköeli rétegben. Ennek a jelenségnek a smog kialakulásában és hatásaiban döntő serepe van. A homosféra követkeő rétege a stratosféra, amel a troposféra fölött helekedik el kb. 50 km magasságig. A réteg energiáját a napfén ultraibola-sugárásától kapja, amit a óonréteg elnel, eért a réteg hőmérséklete emelkedik növekvő magassággal. A meosféra a homosféra legfelső rétege, amelben a hőmérséklet a növekvő magassággal általában csökkenő. Ennek a rétegnek a magassága kb. 85 km. Itt a meopauában a hőmérséklet minimálisra csökken. A heterosféra a napsugárás fotodissociációt előidéő hatására jött létre, melnek rései a termosféra és a eosféra. A termosféra kb. 500 km magasságig terjed, benne a hőmérséklet kb C fokra emelkedik. A eosféra a heterosféra 500 km feletti rése, amel folamatosan meg át a légüres térbe. A légkör főbb alkotóréseit és a legfontosabb légsenneők átlagos koncentrációját (Seinfeld és Pandis, 1998) a troposférában a 1.1. tábláat mutatja. A légkör alsó rétegében a Anagfajták Koncentráció (ppb) Tista levegő Senneett levegő Nitrogén 7, , Oigén 2, , Argon 9, , Sén-dioid 3, , Óon Sén-monoid Kén-dioid 1, Nitrogén-dioid 0,1-0, Nitrogén-monoid 0,01-0, tábláat A legfontosabb levegőt alkotó gáok és a légsenneők átlagos koncentrációja a troposférában.

3 Oktatási segédanag 3 levegő elsősorban nitrogénből, oigénből, sén-dioidból, víből és különféle mértékben nemesgáokból áll. Eeknek a anagoknak a koncentrációja a légkörben igen állandó hossú időn kerestül. A elsődleges és másodlagos légsenneők koncentrációja visont igen nagmértékben váltohat térben és időben, bár menniségük jóval alacsonabb a állandó koncentrációjú komponensekénél. Ilenek a sén-monoid, a kén- és nitrogén-oidok, továbbá a óon. A légkörbe kerülő légsenneők elsősorban antropogén eredetűek, bár eges légsenneők esetében (mint például a ioprén) a termésetes kibocsátást is figelembe kell venni, amel akár meghaladhatja a antropogén emissiót (Lamb et al. 1993; Guenther et al. 1995). Een anagok emissiója sem homogén térben és időben. A légkör dinamikailag, kémiailag igen aktív rendser, amelben több folamat kölcsönös össhatása komple viselkedést eredméne. E a össetett, csatolt aktivitás elsősorban a légkör vékon, a földfelsínhe köeli, km-ig terjedő rétegében történik, aa a troposférában. Ebben a rétegben található a légkör össtömegének 75 %-a, és itt játsódik le a meteorológiai folamatok többsége Óon képődése a stratosférában A stratosférában a óont a oigén 242 nm-nél rövidebb hullámhossú fén hatására bekövetkeő fotodissociációja, és a at követő molekuláris oigénnel lejátsódó trimolekulás reakciója termeli: O 2 + hv 2 O (R1) O + O 2 + M O 3 + M. (R2) A óonkoncentráció nagságát további két reakció is befolásolja: O 3 + hv O + O 2 (R3) O + O 3 2 O 2. (R4) A (R1-R4) reakciók alkotják a Chapman-mechanimust (Pilling és Seakins, 1997), amel leírja a óon keletkeését és fogását a stratosférában. A stratosféra jelentős óonmenniségét más anagok visonlag kis menniségben is befolásolhatják a alábbi típusú körfolamatokon kerestül: X + O 3 XO + O 2 XO + O X + O 2 nettó reakció: O + O 3 2 O 2,

4 Oktatási segédanag 4 ahol X lehet atom vag sabadgök. A úgneveett klorofluorokarbonok (CFC) emberi eredetű légsenneők, amelek nag vesélt jelentenek a stratosférikus óonra. A Montreáli Egemén sabálota a freonok hasnálatát, mint hűtőköeg, aerosol hajtóanag és habosító. Een anagok igen kis reakcióképességűek, éppen eért a légköri tartókodási idejük igen nag, és bár lassan, de felkerülnek a troposférából a stratosférába. A stratosférába került CFC-k a erős ultraibola sugárás hatására fotoliálódnak, és klóratomok képődnek belőlük: CF 2 Cl 2 + hv CF 2 Cl + Cl, melek rést vesnek a katalitikus óonbomlásban: Cl + O 3 ClO + O 2 ClO + O Cl + O 2. E a körfolamat soksor megismétlődhet. A klóratomok vag a ClO-gökök reakcióba léphetnek eg másik anaggal, és úgneveett tárolómolekulákat adnak, amel nem reaktív vegületként tartalmaa a klóratomot: Cl + CH 4 HCl + CH 3 ClO + NO 2 + M ClONO 2 + M. A reaktív klór vissanerhető pl. a alábbi reakcióval: ClONO 2 + hv Cl + NO 3, vag a tárolómolekulák eltávohatnak a stratosférából, csökkentve a aktív halogéntartalmú vegületek menniségét. A óonréteg vékonodását csupán gáfáisú katalitikus folamatokkal nem lehet megmagaráni, ehhe a jégkristálok felületén lejátsódó heterogén kémiai reakciókat is figelembe kell venni Óon képődése a troposférában A 1940-es években Los Angeles körnékén, ahol már akkor is nag volt a gépkocsiforgalom, a levegősenneés új formája tűnt fel, amel alapvetően különböött a már ismert, Londonra jellemő füstködöktől (Pilling és Seakins, 1997; Seinfeld és Pandis, 1998). A kutatások során kiderült, hog a nitrogén-oidokkal, sén-monoiddal és reaktív sénhidrogénekkel erősen senneett levegőben a intenív napsugárás hatására olan (foto)kémiai folamatok játsódnak le, amelek erősen egésség- és körneetkárosító anagok keletkeéséhe veetnek. A folamatot a alábbi egenlettel foglalhatjuk össe: NMOC + NO + hv O 3 + egéb másodlagos légsenneők.

5 Oktatási segédanag 5 Ebben a egenletben NMOC a nem-metán serves vegületeket és NO a nitrogén-oidokat (NO és NO 2 ) jelöli. Kedveőtlen meteorológiai feltételek köött eek a ún. másodlagos senneőanagok a légkörben felhalmoódhatnak, és kialakulhat a fotokémiai smognak neveett jelenség. A 1970-es évektől a gépkocsiforgalom növekedésével a fotokémiai levegősenneettség Európában is egre gakrabban megfigelhető. A fotokémiai levegősenneettséget elsősorban a magas oidáns (főleg óon) koncentráció és a aerosol résecskék felsaporodása miatt tapastalható csökkenő látástávolság jellemi. A oidáns-képődésben meghatároó serepet játsik a napfén, íg a jelenség elsősorban a nári hónapokban fordulhat elő és ekkor okohat gondot (Krupa és Manning, 1988). A troposférikus óonnak kétféle forrását sokás feltételeni. Eek köül a egik a előbb említett fotooidációs folamatban, a másik a stratosférában keletkeett óon bekeveredése a alatta elhelekedő troposférába. A utóbbi hatás jóval kisebb mértékű, és a földfelsín köelében mért esetenként 100 ppb-nél (parts pro billion) nagobb óonkoncentrációk csak a helben történő képődéssel magaráhatóak. Európa és a világ sűrűn lakott területein, néhán sá km-es köretben a nári hónapokban éslelhető tartósan magas óonsintek egértelműen a túlnomóan fotokémiai óonképődést bionítják. A tapastalatok serint magasabb óonkoncentrációk időnként már március április idején is előfordulhatnak Magarorságon. Ennek oka nem elsősorban a helben keletkeés, hanem a intenív időjárási frontokho köthető, stratosférikus óonbesivárgás (Sándor et al., 1994). A óon és a fotokémiai folamatokban keletkeő egéb termékek (pl. peroiacetil-nitrát [PAN]) a levegőben lévő nitrogén-oidokból, reaktív sén-hidrogénekből és sén-monoidból keletkenek, ameleket össefoglalóan óon prekuroroknak (előanagoknak) hívnak. A iparilag fejlett orságokban eek a senneőanagok elsősorban a kölekedésből, a belső égésű motorok égéstermékeiként kerülnek a levegőbe. Nem elhanagolható uganakkor a energiatermelés és a ipari folamatok senneőanag kibocsátása, illetve eges földraji köretekben a biosféra termésetes sénhidrogén (ioprén) kibocsátásának hatása sem. A légkörbe kerülésük után eloslásukat meteorológiai téneők által meghatároott transportfolamatok (vísintes és függőleges turbulens diffúió, sélmeő) alakítják. A transportfolamatokkal eg időben kémiai és fiikai folamatok is lejátsódnak (Jacobson, 1999). A heli óonsintek kialakulását meghatároó főbb téneők a emissió, a meteorológiai téneők, a kémiai és a fiikai folamatok. A óonképődéséhe veető kémiai folamatok a nitrogén-dioid fotodissociációjával kedődnek

6 Oktatási segédanag 6 NO 2 + hv NO + O ( λ < 430 nm ), (R5) amelet a napfén 430 nm-nél rövidebb hullámhossú komponensei váltanak ki. Ebben a reakcióban keletkenek a oigénatomok, amelek a oigénmolekulával óont képenek O + O 2 +M O 3 + M, (R6) ahol M eg úgneveett harmadik ütköő test. A íg képődött óon a előbbi reakcióban keletkeett, vag emissióból sármaó nitrogén-monoiddal gorsan reagál, miköben a nitrogén-monoid molekula nitrogén-dioiddá oidálódik: O 3 + NO NO 2 + O 2. (R7) E a óonfogastó lépés a oka annak, hog jelentősebb óonsintek nem alakulhatnak ki, amíg nagobb nitrogén-monoid koncentráció található a légkörben. Ennek magaráata, hog a városok belterületein, hacsak sajátos heli cirkulációs visonok et nem írják felül (pl. tengerparti városok légkörése Los Angeles, Athén, stb.), magas óonkoncentrációk általában nem alakulnak ki (Seinfeld és Pandis, 1998). A (R5) (R7) reakciók megfelelő körülmének köött egensúlho köeli rendsert képe. A reakciók alapján a alábbi össefüggés veethető le: [O 3 ]=k r5 [NO 2 ]/k r7 [NO], ahol k r5 és k r7 a (R5) illetve a (R7) reakció sebességi állandója. E a egenlet jól mutatja, hog jelentős óonfelhalmoódás csak nag [NO 2 ]/[NO] hánados mellett alakulhat ki. A antropogén eredetű NO túlnomó rése NO formában kerül a légkörbe. Eért nag [NO 2 ]/[NO] hánados kialakulásáho léteniük kell a troposférában olan oidáló anagfajtáknak, amelek gors reakcióban képesek a nitrogén-monoidot nitrogén-dioiddá oidálni. Et a serepet a peroi-gökök (HO 2 és RO 2 ) töltik be, ahol R tetsőleges serves csoportot jelöl. A peroi-gökök a troposférában a illékon serves vegületek és a sénmonoid oidációs folamatában képődnek. Een reakciókban a OH-gökök fontos serepet játsanak. A OH-gökök képődését a O + H 2 O 2 OH reakcióban a sénhidrogének oidációja esetén a alábbi folamatok követik: OH + RH H 2 O + R R + O 2 RO 2 RO 2 + NO NO 2 + RO. A sén-monoid oidációja esetén hasonló reakciók játsódnak le: OH + CO CO 2 + H H + O 2 HO 2

7 Oktatási segédanag 7 HO 2 + NO NO 2 + OH. Mindkét esetben a OH gök indítja a reakciósort, amelben peroi-gök képődik, amel képes a NO-t NO 2 -vé oidálni (Seinfeld és Pandis, 1998). Ennek a egserűsített reakciósémának megfelelő reakciók minden troposféra-kémiai reakciómechanimusban serepelnek, függetlenül attól, hog a mechanimus mennire össetett. A fent váolt reakciómechanimust a 1.1. ábrán foglaltuk össe. Ennek alapján belátható, hog amenniben a nitrogén-monoid bevitel csökken, úg a (R7) óon-fogastó reakció lassul, és a óonkoncentráció megnő. E a jelenség játsódik le akkor, amikor a senneett levegő elhagja a forrásterületet, például a várost, és olan vidékre ér, ahol a NO kibocsátás már kicsi. Eel magaráható, hog a városkörnéki lakosságot és a itt lévő termésetes, illetve meőgadasági vegetációt általában nagobb óonterhelés éri, mint a városit A óon körneetre gakorolt hatása A óonképődéshe veető kémiai reakciók lejátsódásáho idő kell, amel alatt a senneett levegő a forrásterületekről általában elsodródik. A óonkoncentráció maimuma a elsődleges senneőanagok kibocsátási helétől a meteorológiai visonoktól függő távolságban, gakran éréken meőgadasági vag termésetes növéntakarójú területeken, illetve más településeken alakul ki. Európa nugati és köépső résén a forrásterületek olan sűrűn helekednek el, hog a senneőanag-csóvák gakran egmásba olvadnak, regionális légsenneettségi epiódok alakulhatnak ki. A óon agressív oidáns, amel roncsolja a serves festékeket, a műanag és gumi O 3 +O 2 O NO 2 +hν +HO 2 +RO 2 NO 1.1. ábra A troposférikus óon-keletkeés reakciósémája.

8 Oktatási segédanag 8 termékeket. A fotokémiai folamatokban keletkeő egéb anagokkal egütt (pl. PAN) magasabb koncentrációban ingerli a semet és a nálkahártát, károsítja a légőrendsert. Mint fitotoikus anagok komol károkat okonak a termésetes és meőgadasági növénállománban (Krupa és Manning, 1988). Magarorság a jellegetes ésaknugati légáramlások miatt gakran a nugat-európai orságok óonban dús senneőanag-csóvájába esik. Íg nem véletlen, hog a 1990-es években végett nemetköi kutatási program (Scheel et al., 1997) Austriát és Magarorságot Európa óonnal egik leginkább terhelt régiójának találta (1.2. ábra). A régió nagvárosainak (pl. Bécs, Budapest) körneetében különösen magas óonkoncentrációk fordulhatnak elő A óon képődését befolásoló téneők A adott helen ténlegesen kialakuló óonkoncentráció függ a alapterheléstől, a regionális háttér-koncentrációtól és a kibocsátott senneőanagok menniségétől és össetételétől. A óonképődésben a illékon, reaktív sénhidrogénekből sármaó peroi-gököknek meghatároó serepük van (lásd a előő fejeetet), íg a kialakuló maimális óonkoncentráció erősen függ a levegőben lévő nitrogén-oidok és illékon reaktív sénhidrogének aránától, illetve a sénhidrogén eleg reaktivitásától, amelet a eges 1.2. ábra A átlagos nári óon-koncentráció (ppb) eloslása Európa felett (Scheel et al., 1997).

9 Oktatási segédanag 9 sénhidrogén-vegületek egmásho visonított arána határo meg. A légkör sénhidrogén-össetétele nem állandó. A elmúlt évtiedben a gépjárműtechnológia váltoásával (pl. új motorkonstrukciók, a kataliátoros és a díel-üemű gépkocsik aránának növekedése, stb.) sámottevően megváltoott a gépkocsik kipufogógáának össetétele (Haspra et al., 2001), de a ipari technológiák (pl. a gártott, illetve felhasnált oldóserek össetétele) és tevékenségek váltoása is ránomta bélegét a sénhidrogén-kibocsátás össetételére. Nem köömbös, hog eek a anagok mel napsakban kerülnek a levegőbe. A késő délutáni, vag esti órákban a légkörbe kerülő senneőanagokból a adott nap folamán már nem, vag alig keletkeik óon. E a senneés csak a követkeő napi óonképődésben játshat serepet, de addigra a senneés a forrásterülettől távol kerülhet és felhígulhat. Eért fontos, hog a óonkoncentráció-modelleéséhe és előrejeléséhe megfelelő időbeli felbontású emissiókatasterek álljanak rendelkeésre. A óonkoncentráció függ a légkörben leajló légmogásoktól, amelek a senneődést hígíthatják, illetve más területről senneést sállíthatnak a visgált régióba. Mivel a óonképődés meghatároó kémiai folamatai erősen függnek a napsugárás intenitásától, léneges ennek mértéke és időbeli alakulása. Sámos fontos kémiai folamat függ a hőmérséklettől és a légnedvességtől is, tehát a fotokémiai levegősenneődés kialakulásában a senneőanag-kibocsátás mellett eek a meteorológiai téneők is meghatároó serepet játsanak. A óon légköri tartókodási ideje a egésség- és körneetvédelmi sempontból kritikus felsínköeli légrétegben a gors kémiai reakciói miatt rövid, eért koncentrációja seséles tér- és időbeli eloslást mutathat. E nem árja ki a fent említett regionális fotokémiai smogepiódok kialakulását, amelek megfigeléséhe sűrű mérőhálóatra van sükség. A nemetköi adatbáisok (pl. AIRBASE) több mint 1500 európai óon-mérő állomást tartanak nilván, amelek többsége a kontinens nugati felén található, aonban a állomássám itt sem elég a körneeti hatások résletes eleméséhe. A információhián fokoottan iga Európa köépső, déli és keleti vidékére, íg Magarorságra is. Eért nag serepe lehet a kémiai és meteorológiai folamatokat leíró matematikai modelleknek, amelekkel a állomások által le nem fedett területek óonterhelése is megbecsülhető. A emberi egésség, a terméset és a meőgadasági növének védelme érdekében tistában kell lennünk a ténleges helettel, ennek okaival. Mivel a magarorsági óonterhelésért jelentős mértékben a más orságokban kibocsátott senneőanagok felelősek, európai össefogással intékedéseket kell honunk a körneet terhelésének

10 Oktatási segédanag 10 csökkentésére. A körneetvédelmi és gadasági értelemben is hatékon intékedési terv kidolgoásáho el kell végeni a sóba jöhető stratégiák résletes hatásvisgálatát. Mindaddig, amíg nem árhatjuk ki magas óonkoncentrációk kialakulását, folamatosan nomon kell követni a fotokémiai légsenneettség alakulását, és sükség esetén óvintékedések megtételére kell figelmetetni a lakosságot. Kritikus heletben aonnali levegőtistaság-védelmi intékedésekre lehet sükség (smogriadó-terv). A fotokémiai levegősenneettség keletkeése bonolult, össetett, egserű módserekkel át nem látható folamat. A smogképődés kialakulását befolásoló téneők sámbavételével a várható óonkoncentráció még köelítőleg sem becsülhető, íg a okok feltárására, a intékedések hatásának becslésére, a várható terhelés előrejelésére ugancsak a kémiai és meteorológiai folamatokat megfelelő pontossággal leíró matematikai modelleket kell alkalmanunk A óonképődés matematikai modelljei Statistikus modellek A légkörben kialakuló állapotok becslésére statistikus és dinamikus modelleket alkalmahatunk. A statistikus modellek a korábbi mérések statistikai elemésén alapulnak, feltételeve a adatsorok homogenitását. A nert statistikai össefüggések ismeretében, néhán paraméter felhasnálásával becslik a várható óon és egéb légsenneő anag koncentrációját. Termésetesen e a módser csak arra a pontra, illetve területre solgáltathat becslést, amelre a statistikai össefüggéseket előállították, íg semmiképpen nem alkalmas arra, hog a mérések által le nem fedett régiók óonterhelését megbecsülje. A statistikus modellek nem képesek a időben váltoó folamatokat nomon követni, íg nem tudják figelembe venni a senneőanag kibocsátás menniségének, össetételének és területi eloslásának évek során bekövetkeett váltoását, valamint a meteorológiai téneők időbeli menetéből fakadó hatásokat. A utóbbi évek gors váltoásai köepette megbíható előrejeléseket nem várhatunk tőlük. Nem alkalmasak különböő beavatkoási stratégiák hatásának előetes becslésére, hisen értelmeési tartománuk lénegében már korábban is ismert, a statistikai össefüggések becslésére felhasnált situációkra korlátoódik. Eért ritkán, vag korábban még soha elő nem fordult kritikus heletekben nem segíthetik a döntéshoókat. Nem alkalmasak smogriadó-tervek megalapoására sem, ahol a különböő beavatkoási stratégiák hatását kell előre felmérni. A statistikus modellek vitathatatlan előne uganakkor a egserűség és a sámítástechnikai igéntelenség.

11 Oktatási segédanag Dinamikus modellek A dinamikus modellek adott kiindulási heletből a fiikai és kémiai folamatok matematikai leírásán kerestül becsülik a óon és egéb légsenneők koncentrációjának térbeli és időbeli alakulását (Mésáros, 1993; Seinfeld és Pandis, 1998; Jacobson, 1999). Előnük, hog képesek a időben váltoó folamatokat nomon követni, a aktuális feltételekből kiindulni, és íg alkalmasak döntés-előkésítési célokra. Hátránuk, hog a modellek fejlestése komol munkaráfordítást, a terjedelmes programok futtatása pedig gors, nagkapacitású sámítógépet igénel. A dinamikus modelleknek két nag csoportja van, amelek a rendser leírásának eltérő semléletét tükröi. A Euler-féle leírásnál a fiikai tér adott pontjaiban meghatárouk a rendsert jellemő állapothatároók és a sebességmeő időbeli váltoásait. A Lagrange-féle leírásban a kiválastott légtestek állapotát és heletét írjuk le. Bebionították (Seinfield és Pandis, 1999), hog a kétféle leírás elvileg egenértékű. A modelleés sempontjából aonban a kétféle megköelítésnek különböő előnei és hátránai vannak. Lagrange-modell: A 1970-es években kifejlestett Lagrange-típusú modellek megfeleltek a kor technikai lehetőségeinek, de mai semmel néve sámítástechnikailag elmaradottak voltak (Jacobson, 1999). A légáramlásokkal egütt mogó, térben homogén össetételűnek feltételeett légcellán alapuló modellel nem, vag csak nagon pontatlanul tudják keelni a vísintes és függőleges anagáramokat, és a senneődés hígulását. A turbulens diffúió elhanagolásából sármaó hiba a légcella méretének növelésével csökkenthető, eköben aonban egre kevésbé iga a térbeli homogenitás feltétele. Mivel a óonképődéshe veető kémiai reakciók nemlineárisak, a inhomogenitás elhanagolása jelentősen növeli a sámított koncentrációk hibáját. Eek a modellek nem hatékonak a olan reaktív, térben és időben gorsan váltoó koncentrációjú, rövid légköri tartókodási idejű anagok előrejelésére és térbeli eloslásának becslésére, mint a óon és kísérőanagai. Matematikailag a rendser időbeli váltoását eg köönséges differenciálegenlet-rendser megoldása solgáltatja megfelelő kedeti feltételekkel. Euler-modell: Felírva Euleri megköelítésben a rendsert leíró egenleteket, amelek a konervatív menniségek mérlegegenletei (Jacobson, 1999). Eg parciális differenciálegenlet-rendsert kapunk, amel a anagfajták térbeli és időbeli váltoását írja le, és alakja eg háromdimeniós Descartes-féle koordináta rendserben (,, ) a követkeő:

12 Oktatási segédanag 12 c t = ( Vc) + D c + S( c,,,, t), (1.1) ahol ( ) T c = c c Kc a anagfajták koncentrációvektora, V = ( V V, V ) T a háromdimeniós 1, 2 n sélmeő, S (,,,, t), c a anagfajták forrásait és nelőit írja le, ami lehet sára és nedves ülepedés, kémiai reakció, emissió, D = ( D D, K D ) T 1, 2, n a molekuláris diffúiós egütthatók vektora és n a anagfajták sáma. a Nabla operátor, amelet a követkeőképpen definiálunk: = + +. A (1.1) egenlet bal oldala a anagfajták koncentrációinak időbeli váltoását adja meg, a jobb oldalon a első tag a anagfajták a sélmeő hatására bekövetkeő transportját írja le (advekciós tag), a második tag a molekuláris diffúió hatását jellemi (diffúiós tag). A senneőanagok turbulens diffúiójának figelembevételéhe célserű a sélsebességeket és a koncentrációkat felbontani eg átlagos és eg fluktuáló résre (Seinfeld és Pandis, 1998): V = V + V, (1.2a) c = c + c, (1.2b) ahol a jobb oldalak első tagja a átlagot, a második tag a turbulens fluktuációt jellemi. Behelettesítve (1.2a)-t és (1.2b)-t a (1.1) egenletbe: ( c + c ) t = (( V + V )( c + c )) + D ( c + c ) + S( c + c,,,, t). (1.3) Ha képeük a (1.3) egenletben sereplő tagok átlagát és figelembe vessük, hog a sebességmeő divergenciamentes és a fluktuációk átlaga nulla, akkor ha elhanagoljuk a levegő össenomhatóságát a (1.3) egenlet a alábbi alakra hoható: c = t ( Vc ) ( V c ) + D c + S ( c,,,, t). A (1.4) egenletben sereplő új menniség a (1.4) V c, amel a turbulens diffúió hatására fellépő senneőanag transportot feje ki. Legen a turbulens örvén jellemő mérete, és jelölje a 0 + magasságho tartoó koncentrációt c ( 0 + ). A örvén a 0 magasságban a alábbi fluktuációt idéi elő: ( ) = c( + ) c( ). c (1.5) 0 0 0

13 Oktatási segédanag 13 Ha a 0 pont körül a ( + ) c váltoót sorbafejtjük és behelettesítjük at a (1.5) 0 egenletbe, bővítünk a sebességfluktuációkkal, majd ismét átlagolunk, akkor eredménképpen a követkeőt kapjuk: 2 c 2 c V c = V + V +K. 2 (1.6) Végeük el hasonlóan a sorfejtést és a átalakításokat a és iránokban is: 2 c 2 c V c = V + V +K, 2 (1.7) 2 c 2 c V c = V + V +K. 2 (1.8) A alábbi egenleteket kapjuk, ha csak a sorfejtés első tagjait tekintjük: c V c = V, c V c = V, (1.9) (1.10) Ha beveetjük a K c V c = V. (1.11) = V, K = V és K = V a úgneveett turbulens diffúiós egütthatókat, akkor a alábbi egenleteket kapjuk: V c = K V c = K c, c, (1.12) (1.13) V c = K c. (1.14) Belátható, hog a ( ) egenletekkel kifejeett K-elmélet csak akkor alkalmaható, ha a koncentráció térbeli váltoásának jellemő hossúsága nagobb, mint a turbulens örvének jellemő mérete. Ha e nem teljesül, a ( ) sorfejtés magasabb rendű tagjait is figelembe kell venni. Ha behelettesítjük a ( ) össefüggéseket a (1.4) egenletbe, és elhanagoljuk a molekuláris diffúiót, akkor a alábbi egenletet kapjuk, amel tartalmaa a turbulens diffúió hatását is:

14 Oktatási segédanag 14 ( V c ) ( V c) ( V c) c = t + S ( c,,,, t). + K c K + c K + c + (1.15) A (1.15) egenlet adja a anagfajták terjedését leíró dinamikus modellek alapját Euleri megköelítésben. Érdemes megjegeni, hog e hasonló a (1.1) egenlethe, csak a molekuláris diffúió helett a turbulens diffúió serepel helette. A napjainkban általában alkalmaott ún. Euler-típusú 2- vag 3-dimeniós modellek a légkör meghatároott rését, mint síkot (2D modellek) vag teret (3D modellek) rácshálóval (néget-, háromsög-, téglatest-, tetraéder alapú rács) bontják fel (Van Loon, 1996; Hart et al. 1998; Tomlin et al., 2000; Ghorai et al., 2000), és ennek pontjaira oldják meg a fiikai és kémiai folamatokat leíró matematikai egenletrendsereket úg, hog valamilen állandó vag váltoó időlépésenként kapják meg a megoldást (Van Loon, 1996; Jacobson, 1999; Hart, 1999). A időlépés vag a rácstávolság növelése gorsan növeli a véges felbontásból sármaó numerikus hibát, eenkívül konvergencia és stabilitási problémákat is eredménehet (Tomlin et al., 1997; Hart, 1999). Bionos határon túl a modell hasnálhatatlanul pontatlan eredméneket ad. A elfogadható pontosságú 3D modellek ennek megfelelően hatalmas sámítási kapacitást és kifinomult numerikus megoldási technikát igénelnek, eért operatív célokra eeket általában nem hasnálják. A mai gakorlatban leginkább hasnált modellek kvái-3-dimeniósak. A ilen modellekben a légkör visgált rését függőleges iránban rétegekre bontják, a rétegekben a koncentráció-váltoást különkülön 2-dimeniós modellek írják le, a rétegek köötti függőleges anagátvitelt pedig megfelelő fiikai modellek alapján sámítják. Gauss-modell: Magas pontforrások esetén a légsenneődés terjedésének modelleésére gakran alkalmaható a Gauss-féle egenlet (Gauss-modell). E a egenlet határesetként leveethető a (1.1) kontinuitási egenletből, több egserűsítő feltétel alkalmaásával, amelek a követeők: - a meteorológiai helet stacionárius, - a forrást pontserűnek tekintjük, amelnek kibocsátása foltonos és időben állandó, - a földfelsín sík és a senneőanagoknak nincs ülepedésük, - a sélmeőnek csak a egik (() iránú) komponense nem nulla, - a adott iránban csak advekció van, turbulens diffúió nincs, - a kémiai átalakulásokat figelmen kívül hagjuk. A fenti feltételek teljesülése esetén a (1.15) egenlet megoldása a követkeő:

15 Oktatási segédanag 15 c (,, ) Q = 2πσ σ V 1 ep 2 σ 2 1 ep h 2 σ e 2 1 ep + h + 2 σ e 2, (1.16) ahol Q a kibocsátott senneő anag menniségét, h e a effektív kéménmagasságot jelöli és σ és σ sóródási paraméterek, amelek a pontforrástól való távolság és a légköri stabilitás függvénében empirikus úton meghatárohatók. A Gauss-egenletet (1.16) hasnálva igen egserűen sámítható a pontforrásból sármaó légsenneő koncentrációjának térbeli eloslása. A egserűsítő feltételeések miatt a Gauss modell alkalmaása igen korlátoott és a valóságban nagon ritkán teljesülnek a fent megadott feltételek Terjedési modellek A dinamikus modellek a légsenneődési folamatok hatótávolságának függvéne serint is csoportosíthatók, és e a távolsága modelleés időtartamát is meghatároa. A utca-hasadék modellben (street canon model) a légsenneők egedülálló, alacson pont, vonal, vag területi forrásból sármanak. A modellben eg utcában, háfalakkal határolt "hasadékokban" kialakult áramlási meők határoák meg a légsenneők disperióját. A modelleett tartomán jellemő mérete 100 m-től pár kilométerig terjedhet, a senneődés disperiójának a karakteristikus ideje pedig néhán perc és néhán óra köött váltoik. A lokális léptékű modellben (local scale model) a légsenneés több területi, vonal- és pontforrásból sármaik. Ide tartonak a települések, vag a település eg rése és a ipartelepek. A lokális légsenneődés vísintes mérete a pár sá métertől 100 km-ig terjedhet, de a visgált település, illetve ipartelep méretétől függően jellemő távolsága általában 10 km. A modell tartalmahatja a adott település vag városrés épületeit és a egéb a terjedést módosító akadálokat. A városi léptékű modellekben (urban scale model) a légsenneettség magas pont és területi forrásokból, illetve össetett forrásból (városi füstfákla) sármaik. A senneési folamatok vísintes kiterjedése néhán 10 km-től általában pár sá kilométerig, maimálisan 500 km-ig terjed. A ilen modellekben a település beépítettségét követlenül nem - csupán követve, a érdességi magasság meghatároásával - vesik figelembe. A regionális modellekben (large mesoscale model) a légsenneettség városi méretű össetett forrásokból (települési füstfáklákból) sármaik. A regionális méretű senneési folamat horiontális skálája néhán 100-tól 3000 km-ig tart, jellemő távolsága 1500 km. E

16 Oktatási segédanag 16 magában foglalhat eg orságot vag több orságból kialakított régiót. A regionális méretű légsenneettség visgálata ott indokolt, ahol a légsenneődés a egik orságból a másikba sállítódik és nemetköileg is jelentős problémát oko. A regionális méretű folamat senneő hatása a kontinentális, globális háttérsenneettségre superponálódik. A kontinentális modellekben (macro scale model) a légsenneődés regionális méretű össetett magas források (regionális füstfáklák) hatásából adódik. A kontinentális méretű senneési folamatok horiontális kiterjedése 3000 km-nél nagobb. A globális modellekben a légsenneődés a kontinentális méretű össetett csóvák hatásaiból jön létre. Eekben a modellekben a Föld egséges légköre a visgált tartomán. A előbb felsorolt modellek karakteristikus mérete egben meghatároa a légsenneés kialakulásának időtartamát is. Általánosan elmondható, hog a tartomán méretének növelésével a légsenneési folamat karakteristikus ideje is nő, ami maga után vonja a senneődés leírására alkalmas kémiai mechanimus alkalmas megválastását. A 1.2. tábláat tartalmaa néhán fontosabb modell típusát és nevét Terjedési modellek Magarorságon 1984 és 1989 köött a Köponti Kémiai Kutató Intéet és a Orságos Meteorológiai Solgálat eg Lagrange-típusú modellt dolgoott ki Budapest légsenneettségének leírására. A modell magában foglalt eg résletes, a fotokémiai smog leírására alkalmas, kémiai mechanimust. Figelembe vette a sára és nedves ülepedést, amelet elsőrendű kémiai reakciónak tekintett. A légcella térfogata váltoott a keveredési réteg vastagságának váltoása miatt, íg lehetőség nílt a keveredési réteg vastagságának váltoásával fellépő légcsere figelembe vételére. A emissió hel-, illetve időfüggő volt, és Budapestre eg igen durva 7 7-es rácsot (amel 4 4 km-es négetekből állt) hasnáltak. A meteorológiai állapothatároók köül a hőmérséklet, a légnedvesség, a sélirán, a borultság, a csapadékintenitás és a keveredési réteg vastagsága serepeltek. A sél irána és sebessége hel- és időfüggő volt, a többi meteorológiai váltoó esetén megfelelő sűrűségű mérések hiánában homogén meteorológiai meőket tételetek fel, továbbá homogén sára ülepedési sebességeket vettek sámításba, melek meglehetősen durva köelítései voltak a valóságnak. E a program automatikus időlépés meghatároással dolgoó negedrendű Runge-Kutta módsert hasnált. A 1990-es évek köepén a Köponti Fiikai Kutató Intéet Atomenergia Kutatóintéete adaptált eg ISC2 (Industrial Source Comple 2) nevű programot, és ennek eredméneit a

17 Oktatási segédanag 17 A modell típusa A modell neve Hivatkoás CHENSI Sini et al., 1996 MIMO (Microscale Model) Goetting et al., 1997 Ehrhard et al., 2000 Kun et al., 2000 Utca-hasadék modell MITRAS Schlünen et al., 2003 (Mikroskaliges Chemie, Transport- und Strömungsmodell) OSPM Berkowic et al., 1997 Lokális méretű modell CAR-FMI (Contaminants in the Air from Road Finnish Meteorological Institute) UDM-FMI (Urban Dispersion Modelling Sstem Finnish Meteorological Institute) MIMO (Microscale Model) MITRAS (Mikroskaliges Chemie, Transport- und Strömungsmodell) VADIS (Pollutant Dispersion in the Amtosphere under Variable Wind Conditions) Härkänen et al., 1995 Kukkonen et al., 2001 Öttl et al., 2001 Karppinen et al., 2000a Karppinen et al., 2000b Kousa et al., 2001 Goetting et al., 1997 Ehrhard et al., 2000 Kun et al., 2000 Schlünen et al., 2003 Borrego et al., 2001 SUBMESO Anquetin et al., 1998 CAR-FMI (Contaminants in the Air from Road Finnish Meteorological Institute) UDM-FMI (Urban Dispersion Modelling Sstem Finnish Meteorological Institute) Härkänen et al., 1995 Kukkonen et al., 2001 Öttl et al., 2001 Karppinen et al., 2000a Karppinen et al., 2000b Kousa et al., tábláat Fontosabb terjedési modellek típusa és neve.

18 Oktatási segédanag 18 A modell típusa A modell neve Hivatkoás GRAMM (Gra Mesoscale Model) Almbauer, 1995 Almbauer et al., 1995 MESO-NH Lafore et al., 1998 MEMO (Mesoscale Model) METRAS Kun és Moussiopoulos, 1995 Lüpkes és Schlünen, 1996 SUBMESO Penelon et al., 2001 Városi méretű modell ADMS-URBAN (Atmospheric Dispersion Modelling Sstem-Urban) CALGRID (California Grid Modell) Carruthers et al., 1997 Yamartino et al., 1992 Yamartino, 1993 Silibello et al., 1998 EPISODE Gronskei et al., 1992 MARS (Model for the Atmospheric Dispersion of Reactive Species) MUSE (Multiscale for the Atmospheric Dispersion of Reactive Species) OFIS (Oone Fine Stucture Model) Moussiopoulos et al., 1995 Moussiopoulos et al., 1997 Sahm és Moussiopopulos, 1995 Moussiopoulos és Sahm, 1998 Regionális modell MESO-NH Lafore et al., 1998 The EMEP Eularian Photooidant Model Kontinentális modell MESO-NH Lafore et al., tábláat foltatása ArcView nevű térinformatikai programcsomaggal jelenítették meg. A terjedési modell eg Gauss-típusú modell, amel leírta a Magarorság különböő pontforrásaiból (főleg erőművekből) kibocsátott senneőanagok, főleg a kén-dioid és a vanádium terjedését. A köelmúltban a Das Kft. a Légköri Disperiós Modelleő Rendser (Atmospheric Dispersion Modeling Sstem) városi váltoatát, a ADMS-Urban modellt (Carruthers et al., 1997) adaptálta Budapestre. A modell tartalma eg meteorológiai előfeldolgoó rést, amel

19 Oktatási segédanag 19 a meteorológiai állapothatároókat sámítja a különböő bemenő adatokból. A adatok lehetnek óránként átlagolt vag statistikai adatok. A modell eg igen nag felbontású (1 km 1 km) emissió-adatbáisho kapcsolódik. A modell eredméneinek megjelenítése térinformatikai rendser segítségével (ArcView) történik. A modell rendelkeik beépített utcahasadék, össetett domborat feletti és épületek körüli légáramlás simulációjára alkalmas modullal. A ADMS-Urban a kémiai reakciók hatását is képes figelembe venni. A Belügministérium Orságos Katastrófavédelmi Főigagatóságának köreműködésével a EU Phare program támogatásával telepítették a RODOS (Realtime Online Decision Support) rendsert és a Nemetköi Adatcsere Köpont rendsert (Ehrhardt et al., 1997; Mikkelsen et al., 1997). A RODOS a EU követelméneinek megfelelő nukleáris baleset-elhárítási döntéstámogató rendser, amelet más orságok is hasnálnak, íg alkalmas lehet eg esetleges orsághatárokon átnúló nukleáris csóva keelésére köös körneetben. A rendser segítségével lehetőség nílik nem csak a nukleáris balesetek, hanem vegi és biológiai vésheletek keelésére is. A rendser meteorológiai adatigénét a OMSZ ALADIN numerikus előrejelő modellje solgáltatja (Horáni et al., 1996).