MÉRNÖKI METEOROLÓGIA (BME GEÁT 5128) A légkör dinamikája 1 Dr. Goricsán István, 2008 Balczó Márton, Balogh Miklós, 2009-2010 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék
A légkör dinamikája - a szél 1. A szél fogalma és jellemzése 2. A szél keletkezése - hatóerők 3. Globális szélrendszerek 4. Mérsékeltövi ciklonok 5. Trópusi forgószelek 6. Monszun 7. Helyi szelek 8. A szélmérés gyakorlata BOREAS (1902) John William Waterhouse festménye 2 *Bóreasz, az északi szél istene, Óreithüiá nimfa elrablója a bóra névadója
SZÉL A GÖRÖG MITOLÓGIÁBAN A Szelek Tornya az Akropolisz lábánál: 8 szélisten az oldalán É: Bóreász K: Eurosz D: Nótusz NY: Zephürosz 3
SZÉL A szél: mozgó levegő. Időben és térben változik u V, w ( r, t ) = v ( r t ) Észak (É, North): 0 Kelet (K, East, Orient): 90 Irány: ahonnan fúj! 4 főirány 12 mellékirány Sebesség: m/s km/h (szárazföldi) mérföld/h = 1.609 km/h 4 Csomó (knots)
EGY KIS KITÉRŐ: A CSOMÓ Tengerészeti sebességmérés 1 tengeri mérföld/h = 1.852 km/h = 1 szélességi fokperc/h 28 másodpercig mértek homokórával - csomók 47 láb 4 hüvelykenként A Danmark teljes vitorlázatú hajó 5 A log Forrás: Dr. Gáspár Ferencz: Hét év a tengeren. Budapest,1903.
A SZÉLTÉRKÉPEK Forrás: www.met.hu 6 Az MM5 numerikus előrejelző modell által generált széltérkép 10m-es magasságra
A BEAUFORT SZÉLSKÁLA Beaufort szélerőskála, kategorizálás a szél hatása alapján 1805 /1832, Sir Francis Beaufort angol sorhajókapitány, hidrográfus Fok Megnevezés Hatás km/h 0 szélcsend a füst függőlegesen száll föl < 2 1 gyenge szellő a füst csaknem függőlegesen száll föl 2-6 2 könnyű szél alig érezhető 7-12 3 gyenge szél a fák levelei mozognak, az árbocszalag leng 13-18 4 mérsékelt szél az árbocszalag kiegyenesedik 19-26 5 élénk szél a nagyobb ágak mozognak,kellemetlenül érződik a szél 27-35 6 erős szél zúgó hangot ad 36-44 7 igen erős szél vékonyabb fatörzsek hajladoznak 45-54 8 viharos szél vastagabb fatörzsek hajladoznak, nehéz gyalogolni 55-65 9 vihar könnyebb tárgyakat elsodor 66-77 10 erős vihar fákat csavar ki 78-90 11 igen erős vihar súlyos rombolások 91-104 12 orkán teljes pusztulás 105-119 7
Forrás: http://www.howtoons.com/data/orig/f2/9f/96b/f29f96b736b144de29df26ba7d4183dd2.jpg
A BEAUFORT SZÉLSKÁLA Forrás: wikipedia.org balatoni elsőfokú viharjelzés (12 m/s), 9
A BEAUFORT SZÉLSKÁLA Forrás: wikipedia.org balatoni másodfokú viharjelzés (17 m/s) (>30 m/s) 10
A SZÉL KELETKEZÉSE Légköri áramlások kialakulásának alapvető okai: Különböző mértékű felmelegedésből adódó hőmérsékletkülönbség (» sűrűségkülönbség»nyomáskülönbség) Gravitáció Föld forgásából adódó Coriolis-erő Egyéb hatóerők: Súrlódás a földfelszínnel, illetve légrétegek között (viszkozitás) A felszín hatása 1.5-2 km magasságig érezhető, ez a planetáris határréteg. E felett található a szabad légkör. Centripetális erő görbült mozgások miatt Térfogategységre ható erők: ρ 1 p r V gr 2 r 2Vω 11
A CORIOLIS-ERŐ MAGYARÁZATA s = rϕ = rω t = v tω t a s = tan t 2 2 atan = 2vω a Cor = 2 v ω 12 Fotó: Balczó M.
A CORIOLIS-ERŐ HATÁSA A FÖLDÖN Ω C = 2Ω V C Forrás: http://www.ux1.eiu.edu/~jpstimac/1400/fig06_011.jpg V = u i +v j +w k 13. C V V Forrás:http://nsidc.org/arcticmet/images/factors/coriolis.gif Chorizontális = u 2 + v 2 2Ω sin φ = Vhorizontális f f - Coriolis paraméter
GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK Eltérő felmelegedés a szélességi fok függvényében: alacsony nyomás az Egyenlítőnél (illetve a Nap zenitjénél) Feláramló nedves levegő a tropopauzáig (csapadékos) A 30 táján nagyobb a nyomás (4-8mbar-al) szubtrópusi nagy nyomású zóna felszíni áramlás innen az Egyenlítő felé, helyébe száraz levegő fentről. Trópusi Konvergencia Zóna HADLEY (v. PASSZÁT) CELLA - hőtranszport a sarkok felé 14 Forrás:http://www.atmosphere.mpg.de/media/archive/3318.jpg Nagy nyomás, hideg lev. a sarkokon Áramlás az ún. poláris front felé (kb. 60, alacsonyabb nyomás) Felmelegszik, felszáll, vissza a sarkokhoz POLÁRIS CELLA - hőtranszport a sarkok felé - télen erős, nyáron gyenge
GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK A Hadley-cella és a sarki cella köztes cirkulációt hoz létre a közepes szélességeken (30-60 ) a polárfront és a szubtrópusi nagy nyomású zóna között: A másodlagos hatóerők jobban befolyásolják óceánok, felszíni hőmérsékletkülönbségek Nem annyira stabil, mint a másik kettő, változékonyabb FERREL CELLA - hőtranszport a sarkok felé 15 Forrás:http://www.atmosphere.mpg.de/media/archive/3318.jpg
GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK Forrás: William M. Connolley, wikipedia.org Függőleges szélsebesség januári értéke (1979-2001 évek átlaga) 16
GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK Forrás: William M. Connolley, wikipedia.org Függőleges szélsebesség júliusi értéke (1979-2001 évek átlaga) 17 A TKZ vándorol (kb 1 hónap késéssel követi a zenitszöget) Szárazföldek módosító hatása
GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK 18 A Föld az Apollo 17-ről (1972. december) Forrás: NASA
GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK - SZÉLIRÁNYOK Sarki szelek keletiesek Mérsékelt égövi nyugatias szelek ÉK-i passzátszél Szélcsendöv DK-i passzátszél 19 A Coriolis erő a sarkon maximális, de mérsékelt szélességeken is jelentős. Mivel ez utóbbi indirekt cella, a Coriolis erő a legjelentősebb, nagyméretű, nyugatról keletre haladó örvények alakulnak ki benne a Coriolis erő hatására ezek keverik át a cella déli és északi pereme között a levegőt. Forrás: http://www.fas.org/irp/imint/docs/rst/sect14/fig07_006.jpg
A GEOSZTRÓFIKUS SZÉL A szél a Coriolis-erőt követve elfordul és az izobárokkal megközelítőleg párhuzamosan halad. Ezt nevezzük geosztrófikus szélnek. Nyomási gradiens erő és Coriolis-erő egyensúlya 1 ρ p n V g f V g fv g 1 p ρ n = 0 p 1 p 2 p 3 V g izobárokkal párhuzamosan fúj! A nyomáskülönbség nem tud egyszerűen kiegyenlítődni 20 ELMÉLETI SZÉL, súrlódásmentes szabad légkörben, 2km felett
MÉRSÉKELT ÉGÖVI CIKLONOK ÉS ANTICIKLONOK 21 Szinoptikus skálájú (~ 1000km méretű) jelenségek. Az áramvonalak közel párhuzamosak az izobárokkal A nyomáserő tart egyensúlyt a Coriolis erővel, valamint biztosítja a centripetális erőt. Gradiens szélnek nevezzük.
MÉRSÉKELT ÉGÖVI CIKLONOK ÉS ANTICIKLONOK Centripetális, Coriolis-, nyomási gradiens erő északi félteke ± V 2 gr r + fv gr 1 p ρ r = 0 p r = 0 V gr = 0 Ciklonális Anticiklonális V gr 1 2 V gr r p + 1 p p 1 A p 1 p p + 1 M 1 p f V gr ρ r f V gr 1 p ρ r 1 r 2 V gr V gr V gr = fr 2 + 2 f r 4 2 + r ρ p r V gr = fr 2 2 f r 4 2 r ρ p r 22 Óramutató járásával ellentétes Óramutató járásával megegyező
Forrás: NASA MÉRSÉKELT ÉGÖVI CIKLONOK ÉS ANTICIKLONOK 23 Ciklon Izland felett, 2003. szeptember 4-én
ROSSBY-HULLÁMOK, JETSTREAM A poláris zóna határvonala a Coriolis paraméter változása miatt behullámosodik, beleng Leszakadó alacsony nyomású zónák lesznek a mérsékelt övi ciklonok magjai Jetstream Mind a szubtrópusi magas nyomású öv mind a poláris alacsony nyomású öv mentén nagyobb magasságban néhány km széles, nyugati irányú, nagy sebességű áramlatok alakulnak ki (50-100 m/s) Tiszta geosztrófikus szél, melyet a cellák felső (ellentétes irányú) szelei táplálnak 24 Repülés számára jelentős (üa. megtakarítás, navigációs problémák)
TRÓPUSI FORGÓSZELEK Hurrikán (Atlanti-óceán), tájfun (indiai óceán), ciklon (Csendes-óceán) 25 A Catarina trópusi ciklon Brazília partjainál, a Nemzetközi Űrállomásról fotózva, 2004. március 26-án A Katrina hurrikán szeme 2005. aug 28-án repülőgépről fényképezve.
TRÓPUSI FORGÓSZELEK Kb 26 C tengervíz hőmérséklet felett erős bepárolgás Megfelelő hőmérsékletgradiens mellett konvekció a tropopauzáig Kondenzáció, a nedvesség egy része kiesik látens hő felszabadulás tovább emelkedik alacsony nyomás a felszínen további nedves légtömegek áramlanak a mag felé- pozitív visszacsatolás A magba felülről száraz, de még melegebb levegő áramlik be A Nap óceánba sugárzott energiájával működik, hűti az óceánt 50, akár 100mbar-al alacsonyabb nyomás a környezethez képest 26
TRÓPUSI FORGÓSZELEK 27 Szem 15-40 km, száraz levegő beáramlás fentről Szemfalak: max. sebesség 200-300 km/h. Haladási sebesség 20-30km/h Nagy magasságban ellenkező irányú kiáramlás Szárazföld felé érve megszűnik a hajtóerő, a látens hőfelszabadulás Észak felé haladva szintén lanyhul, mérsékelt övi ciklonná válik
TRÓPUSI FORGÓSZELEK Luis hurrikán 1995 aug. 27-szept. 11. 28
TRÓPUSI FORGÓSZELEK 29 90km Luis hurrikán, 1995 szeptember 1 mp = 10 perc
TRÓPUSI FORGÓSZELEK Következmények Szélkárok (Épület, autók stb.) 15-20m magas hullámok a tengeren Alacsony nyomás emeli a vízszintet Jelentős csapadék (300 mm/24h, Texas, 1921: 750mm!! mérés nehéz) a parton árhullám (+ 5m) 30 Figyelőszolgálat: Időjárási radar (50-es évektől), műholdas figyelés (70-es évektől), Repülőgéppel belerepülnek, hogy a szélsebességet mérjék (ledobott szondákkal) (újabban robotrepülőgépek) Időszak: júniustól szeptemberig Évi kb 100 trópusi alacsonynyomású terület, ebből kb 6-7 lesz hurrikán (Beaufort skálán 12-es szélerősség) Globális klímaváltozás növeli a valószínűségét! National Hurricane Center (USA) szimulációja
TRÓPUSI FORGÓSZELEK Trópusi forgószelek pályája 1985-2005 között 31
HELYI SZELEK Bóra, sirokkó, kámszin, harmattán, misztrál, főn, száhel, számum, helm, Cape Doctor Parti szél Városi szél Lejtő / völgyi szél Ezek kombinációi, szinoptikus hatásokkal erősítve Városok szellőzése szempontjából fontosak Különböző albedó, hőkapacitás és ebből adódó különböző felmelegedés/kihűlés, azaz változó hőmérsékletkülönbség indukálja napi periodicitás 34 délelőtt este
HELYI SZELEK Lejtőszél Délelőtt a napsütötte hegyoldal hamarabb melegszik mint a völgy meleg feláramlás Este hamar kihűlnek a hegyoldalak, mint a völgy (főleg ha nincs erdőborítottság) hideg leáramlás anabatikus:hegynek fel katabatikus:hegyről lefele fújó szél Viszonylag vékony rétegben, 2-4 m/s max. sebesség (könnyű beépítéssel elrontani ) 35 http://www.tpub.com/weather2/3-23.htm
HELYI SZELEK Lejtőszél és hegyi/völgyi szél kombinációja A teljes völgyet kitölti A völgyben kevesebb levegő van és nagyobb a hőingás, mint a csatlakozó sík vidéken. Éjjel a hegy felől, nappal a sík vidék felől fúj. Napfelkelte után Este Délelőtt Késő este Dél körül Éjszaka: le Késő délután Hajnal 36
REGIONÁLIS SZELEK Főn szél Száraz és meleg : Alpoktól északra pld. nagyon gyors hólvadást okoz 37 Forrás: http://kkd.ou.edu
REGIONÁLIS SZELEK Sivatagi szelek: Többnyire a sivatag és a partvidék hőmérsékletkülönbsége okozta ciklonok, helyi hatásokkal módosítva Sirokkó (Földközi tenger) Számum: Palesztína Khamszin, habób: Egyiptom - jelentős homoktranszport akár az Alpokig Brickfielder: Ausztrália Pampero : Argentína Misztrál: a Rhone folyó völgyében kialakuló, domborzati hatások által erősített katabatikus szél. (Vizcaya-öböl ÉNY-Fro.: anticiklikus, Genovai öböl: alacsony ny.) Burán: kelet-ázsiai ciklon, télen hóvihar 38 Bóra: Adria északkeleti partvidékén a hegyek felől érkező nagy sebességű szél télen akár 14 napig is tart, (akár 200km/h)
A GLOBÁLIS CIRKULÁCIÓT MÓDOSÍTÓ SZELEK Monszun (-cirkuláció) az Indiai-óceánt és partvidékét érő, évente 2x (kb. januárban és júliusban) irányát változtató szél (min. 120 ) Ok: az trópusi konvergencia zóna vándorlása és a szárazföldek hatása Szárazföldek felett (Indus-síkság, Tibeti fennsík, Szibéria) nyári alacsony nyomású területek jönnek létre elhúzzák a TKZ-t észak felé A délkeleti passzát délnyugati irányba fordul, nedvességet szállít a szárazföldek felé. Télen: száraz, hideg északkeleti szél a szárazföld felől (erősített passzát) Orografikus hatások: pld. Himalája Tengeráramlatok is módosítják Monszunok: Észak-Ausztrália Nyugat-Afrika India Kelet-Ázsiai monszun 39 Mexikói-Öböl (gyenge)
EGYÉB, A GLOBÁLIS CIRKULÁCIÓT MÓDOSÍTÓ SZELEK El Niño jelenség El Niño-Southern Oscillation (ENSO) tengeráramlások, és különböző hőmérsékletű víztömegek okozta fokozott esőzés Dél Amerika partjainál, szárazság a nyugati csendesóceáni partvidéken. Az áramlás iránya megfordul, nyugatról fúj. 40
GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK - ÖSSZEGZÉS 41 Talajközeli szélsebesség és légnyomáseloszlás januárban (Weischet, 1977) T: alacsony; H: nagy nyomású terület
GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK - ÖSSZEGZÉS 42 Talajközeli szélsebesség és légnyomáseloszlás júliusban (Weischet, 1977) T: alacsony; H: nagy nyomású terület