ÁLTALÁNOS METEOROLÓGIA

ÁLTALÁNOS METEOROLÓGIA

A meteorológia szó eredete Aristoteles: : Meteorologica Meteorologica A meteorológia tárgya: az ókorban napjainkban Ógörög eredetű szavak a meteorológiában: kozmosz, asztronómia, szféra, atom, atmoszféra, homo-, heteroszféra, tropo-, sztrato-, mezo-,, termo-, exo-, magnetoszféra, krioszféra,, homogén, heterogén, baro-, bárikus,, izobár, izoterma, ciklon, anticiklon, dinamika, sztatika, szinoptika, aerológia, klimatológia, geológia, geográfia,

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

A Föld légköre A Naprendszer több bolygójának szilárd tömegéhez kapcsolódó gázburok A légkör összetétele A légkör kiterjedése A légkör tömege A légkör szerkezete

A légkör összetétele A Föld légköre = gázkeverék + cseppfolyós + szilárd anyagok diszperz rendszere A légköri gázok osztályozásának szempontjai: 1. az illető gáz mennyisége térben és időben mennyire állandó; 1a. állandó gázok (N 2, O 2 és a nemesgázok): : mennyiségük hosszú időn át változatlan (nem geológiai időskálán!); 1b. változó gázok (CO 2, CH 4, H 2, N 2 O, O 3 ):: mennyiségük rövidebb időn belül (néhány év, pár évtized) változik, s koncentrációjuk térben is változik; 1c. erősen változó gázok (CO, NO 2, NH 3, SO 2, H 2 S): mennyiségük igen rövid időtartamon (néhány nap, illetve hét) és kis területen belül is jelentősen megváltozik.

2. A légköri gázok relatív mennyisége (térfogati aránya) 2a. fő összetevők (N 2, O 2, CO 2, Ar: : 99,998 %); 2b. nyomgázok (2a.-n n kívül az összes többi gáz); 2c. szilárd és cseppfolyós anyagok (aeroszolok). 2b. + 2c. = nyomanyagok (közülük legfontosabbak: H 2 O és az aeroszolok)

A légkör kiterjedése A légkör felső határát nem lehet megállapítani. elméleti számítások a légkör vastagságának meghatározására (G = F c ); napszakos, évszakos hőmérsékletváltozások; DE:

Támpontok a légkör kiterjedésének közelítő pontosságú megbecslésére: 1. A meteoritok felvillanása: Oka: súrlódás; Észlelhető: kb. 100 km, de 300-500 km magasságban is! 2. A sarki fény: Oka: a Napból érkező hidrogénmagokat és elektronokat a magaslégkör gázatomjai gerjesztik. Észlelhető: 60-400 km, de 1000 km magasságban is! 3. A rádióhullámok visszaverődése: Oka: a magaslégköri ionizált (elektromosságot vezető) rétegek, ahol a gázatomok egy része a Nap ibolyántúli és röntgen sugárzása miatt elektromos töltésű. Észlelhető: 60-300 km között, de 3000 km magasságban is!

A légkör tömege G F Meghatározható a földfelszíni légnyomásmérések alapján = m g = p A m g = p A m p A g N m m s m 2 2 2 2 2 1 2 = kg m s m m m s [ kg] 2

Néhány számítási eredmény: Aujeszky (1952): 5,275 * 10 21 Makra (1995): 5,136 * 10 21 Trenberth (1981): 5, 117 * 10 21 21 g 21 g 21 g

A A légkör tömegének jelentős része az alsó 20 km-es rétegben található. A légkör tömegének magasság szerinti eloszlása 50 %: 5,5 km alatt 90 %: 16,2 km alatt 95 %: 20,6 km alatt 99 %: 31,0 km alatt

Homogén légkör Határozzuk meg a homogén légkör vastagságát! 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 N m kg m m s 2 2 2 1 3 1 2 kg m s m kg m m s 3 2 m [ ]

A légkör szerkezete A levegő kémiai összetétele és a légkört alkotó gázok átlagos molekulatömege alapján: 1. homoszféra: : a kémiai összetétel és az alkotó gázok átlagos molekulatömege állandó (90 km magasságig). 2. heteroszféra: : a kémiai összetétel a magasság függvénye, és az alkotó gázok átlagos molekulatömege a magassággal fölfelé rohamosan csökken (90 km fölött). kisebb sűrűségűs összetevők: 800-1000 km: O 1500 km: He 1500 km: He > 1500 km: H 1500 km: H 2

A légkör termikus tulajdonsága alapján:

A hőmérséklet szerinti szerkezet troposzféra (feláramlási gömbhéj): [00 km 10-15 15 km] sztratoszféra (réteges gömbhéj): [10-1515 km 50 km] mezoszféra (középső gömbhéj): [50 km 90 km] termoszféra (meleg gömbhéj): [90 km 1.000 km] magnetoszféra (mágneses gömbhéj): [1.000 km 60.000 km] exoszféra (külső gömbhéj) [60.000 km ]

A száraz, nyugalomban lévő tiszta légköri levegő fizikai állapotjelzői Egyszerűsített légkör 1. csak fő összetevők 2. vízgőz nincs 3. mozgás nincs E légkör modell leírásához elegendő a gázok három állapotjelzőjének ismerete: a. sűrűség (vagy fajlagos térfogat) b. nyomás c. hőmérséklet

a1. sűrűség (= a térfogategységben foglalt tömeg) ρ = m V kg m 3 a2. fajlagos, vagy specifikus térfogat (= a sűrűség reciproka) V ' 1 V = = ρ m kg m 1 3 A sűrűség és a fajlagos térfogat kapcsolata: ' ρ V = 1

b. nyomás (= a felületegységre merőlegesen és egyenletesen ható nyomóerő) F = p A p = F A N m 2 kg m s 1 2

c. hőmérséklet (= az anyagot alkotó molekulák rendszertelen mozgást végeznek, s ennek kinetikai energiája arányos a hőmérséklettel) abszolút hőmérséklet A hőmérséklet objektív meghatározásának kritériumai: Egy rendszer csaknem valamennyi paramétere függ a hőmérséklettől; Az egymással érintkező rendszerek közötti hőmérséklet-különbségek különbségek egy idő után kiegyenlítődnek termikus egyensúly Előállíthatók jól reprodukálható hőmérsékletek: (*) p = 1 atm; ; a tiszta jég és a víz keveréke (**) p = 1 atm; ; a forrásban lévő víz fölötti gőz Abszolút hőmérsékleti skála, vagy Kelvin-skála: T(K) = T 0 + t (ºC);( T 0 273 = konstans

Öszefüggés a három állapotjelző között, az általános gázegyenlet A gázok állapotjelzői közötti kapcsolatok feltárása: Gay-Lussac törvénye (1802): állandó nyomáson (térfogaton) a tökéletes gázok térfogata (nyomása) lineárisan változik a hőmérséklettel (tökéletes gáz: molekulái között a kölcsönhatás elhanyagolható) Vt () V (1 t) = 0 + α 0 p() t = p (1 + α t)

Boyle (1664) Mariotte (1676) törvénye: állandó hőmérsékleten adott mennyiségű tökéletes gáz nyomása fordítottan arányos a fajlagos térfogatával p1 V1 = p2 V2 = állandó Boyle Mariotte Gay-Lussac törvénye: Ha t ºC C hőmérsh rsékleten valamely tökéletes gáz adott meny- nyiségének nyomása p,, fajlagos térfogata V,, akkor p V = p0 V0 (1 + α t) ahol α = 1 273,16 a gáz anyagi minőségétől független állandó (térfogati hőtágulási együttható).

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

A fenti egyenletben a gázra nézve állandó szám. Neve: gázállandó Jele: R p 0 ρ0 273 konstans az adott Innen a fajlagos térfogat és a sűrűség közötti összefüggés alapján: R = p0 V0 273

Most helyettesítsük be a gázállandó értékét, s végeredményül az általános gázegyenletre a következő két egyenletet kapjuk: p ρ = RT p = ρ RT p V = R T Az általános gázegyenlet csak azon gázokra érvényes, melyek kellően távol vannak cseppfolyósodási hőmérsékletüktől. A levegőre érvényes.