A meteorológia tárgya, a légkör Bozó László egyetemi tanár, BCE Kertészettudományi Kar
A légkör
Az éghajlati rendszer
A légkör "Az ember megismeréséhez tehát tudnunk kell, mi a magyarázata annak, hogy levegőre van szüksége fennmaradásához; a levegő megismeréséhez pedig azt kell tudnunk, honnan van e kapcsolata az ember életével". (Pascal: Gondolatok, 1670) A levegő összetétele alig több, mint 200 éve ismert Csak az utóbbi 50 évben derült ki, hogy a levegő számos, 1%-nál kisebb részarányban előforduló, úgynevezett nyomanyagot tartalmaz, amelyek az éghajlatot, a levegőminőséget, és az ökoszisztémák állapotát is befolyásolhatják.
A légkör A Föld szilárd kérgét övező, és azzal együtt forgó és keringő gáz-, valamint szilárd és cseppfolyós részecske-keverék. Határa a földfelszíntől nagyjából 10 000 km-ig terjed. A Föld sugara 6370 km. A levegő anyag, amely a Föld, a Tűz és a Víz mellett a negyedik őselem (Empedoklész, i.e. 5. sz.). Ez az elképzelés mintegy 2 évezreden át változatlan maradt.
A légkör Középkor: elsősorban a légköri optikai jelenségeket (pl. szivárvány) próbálták magyarázni. Arab tudósok és keresztény szerzetesek játszottak meghatározó szerepet. Galilei (1592), a hőmérséklet mérése, Torricelli (1647), a légnyomás mérése. Londoni Királyi Társaság meteorológiai mérőhálózata (1724-1735), Anglián kívül is üzemelt (India, É-Amerika). Mannheimi Meteorológiai Társaság (Societas Meteorologica Palatina) 1780- Magyarországon 1870-től működnek rendszeres mérések.
Societas Meteorologica Palatina
Felfedezések a 18. és 19. században Mégsem őselem? Vegyület, vagy gázok keveréke? Joseph Black, 1756: felfedezi a szén-dioxidot a légkörben Daniel Rutherford, 1772: felfedezi a nitrogént a légkörben Joseph Priestly és Carl Scheele, 1774: felfedezik az oxigént a légkörben Henry Cavendish, 1781: a levegő mintegy 21%-ka oxigén, 78%-a nitrogén, 0,83%-a pedig egyéb összetevő William Ramsey, 1894: az argon felfedezése
Ózon Az ózon felfedezője: Schönbein 1840. Talaj közeli levegőben a keményítővel és káliumjodiddal impregnált papírcsík ózon jelenlétében kék színű komplex vegyületet képez. Az ózon szó jelentése: szagolni (ozein-görög szó) A legmagasabb ózon koncentráció: 22 km-en a sztratoszférában.
Ózonmérések Közép-Európában, 1853-1856 Központi Meteorológiai Intézet (Bécs) évkönyvei alapján
Ózonmérések a 19. század végén, a 20. század elején Pavelin E.G. et al. (1999)
A légkör összetétele, relatív mennyiség alapján Fő összetevők: Nitrogén 78,08% Oxigén 20,95% Argon 0,93% Nyomgázok: vízgőz H 2 O szén-dioxid CO 2 ózon O 3 kén-dioxid SO 2 nitrogén-dioxid NO 2 Nyomanyagok: nyomgázok és a szilárd/cseppfolyós részecskék együttese
A légkör összetétele, időbeli és térbeli változékonyság alapján Tartózkodási idő: átlagos időtartam, amelyet a légköri összetevők a légkörben töltenek a kibocsátás és a kikerülés, illetve kémiai átalakulásuk között Állandó összetevők: tartózkodási idő > 1 millió év (nitrogén, oxigén, argon, neon, hélium, kripton, xenon) Változó összetevők: tartózkodási idejük néhány év (szén-dioxid, metán, hidrogén, dinitrogén-oxid, ózon) Erősen változó összetevők: tartózkodási idejük néhány nap (pl. kén-dioxid, nitrogén-oxidok, szén-monoxid, toxikus nehézfémek)
Az élő légkör Kémiai szempontból furcsa összetétel: a nitrogénnek oxidálódnia kellene, egyensúlyi formája az óceánvízben oldott nitrát lenne; az oxidatív légkörben számos redukált vegyület található, pl. metán, ammónia; James Lovelock (1979): a levegő entrópiája, rendezetlensége messze van a maximális értéktől, hasonlóan, mint a biológiai rendszerek esetében; GAIA hipotézis: a levegő része a bioszférának, az élőlények nemcsak elszenvedik, hanem maguk irányítják a környezeti feltételeket; biogeokémiai körforgalom: a légkör a teljes Föld-rendszer (Earth System) része.
A légkör függőleges szerkezete A légkör sűrűsége és nyomása csökken a magassággal
A légkör függőleges szerkezete A légkör sűrűsége és nyomása csökken a magassággal Teljes tömege 5,3 x 10 15 tonna, felszíni sűrűsége 1,29 kg/m 3 A légköri tömeg kb. 99%-a az alsó 30 km-es rétegben található
A légkör függőleges szerkezete, a sztatika alapegyenlete dp/dz = -ρg /sztatika alapegyenlete/ + gázegyenlet (pα = RT) vagy pv = nrt, ahol n az anyagmennyiség p a nyomás, V a térfogat T a hőmérséklet, R az univerzális gázállandó => dp/p = -g / (RT) dz => P = P 0 exp (-gz/rt)
A légkör függőleges szerkezete, a légnyomás Sűrűség: tömeg/ térfogat (kg/m 3 ) Nyomás: erő/terület (N/m 2 ). 1 N/m 2 = 1 Pa Légnyomás vagy légköri nyomás: adott magasságban a levegőoszlop által felületegységre gyakorolt erő. A normál felszíni (tengerszinti) légnyomás: 1013,25 hpa (760 Hgmm)
A légkör függőleges szerkezete különböző tulajdonságai szerint Összetétel alapján Hőmérsékleti eloszlás alapján Ionizáltság mértéke alapján
A légkör függőleges szerkezete az összetétel alapján Homoszféra a felszíntől kb. 85 km magasságig terjed; a relatív összetétel állandó; a vertikális légmozgások, a turbulens diffúzió biztosítja a homogenitást, az átkeveredést. Heteroszféra az összetétel a magasság függvénye; a levegő rendkívül ritka, megnő az atomok és molekulák szabad úthossza, kevés az ütközés; molekulasúly szerint szétválnak arészecskék, a nehezebbek alul, a könyebbek felül helyezkednek el.
A légkör függőleges szerkezete a hőmérséklet alapján Hőmérséklet az atomok és a molekulák átlagos mozgási energiája a hőérzet azonos hőmérséklet mellett igen eltérő lehet, ezt többek között a sűrűség, a légmozgás, a nedvességtartalom és a besugárzás határozza meg Hőmérsékleti skálák Celsius- skála: a víz fagyáspontja és forráspontja közötti intervallum 100 részre osztva Kelvin-skála: az abszolút nulla fokról indul (a világűr hőmérséklete 4 K) T K = 273,15 + T ( o C) Fahrenheit-skála: T F = 9/5 * T ( o C) +32
A légkör függőleges szerkezete a hőmérséklet alapján Hogyan változik a hőmérséklet a tengerszint feletti magasság növekedésével? a sűrűséghez és a nyomáshoz hasonlóan csökken; folyamatosan csökken; exponenciálisan növekszik; folyamatosan növekszik; különböző irányokban váltakozik;
A légkör függőleges szerkezete a hőmérséklet alapján
A légkör függőleges szerkezete a hőmérséklet alapján
A légkör függőleges szerkezete a hőmérséklet alapján Troposzféra, a légkör felszínnel érintkező, legalsó rétege a magassággal a nyomás és a sűrűség csökken; a földfelszín kisugárzásából nyeri az energiát, a hőmérséklet a magassággal csökken; intenzív horizontális és vertikális mozgások jellemzik; az időjárási folyamatok döntő része ebben a szférában zajlik;
A légkör függőleges szerkezete a hőmérséklet alapján A hőmérséklet rétegződése a troposzférában nem egyenletes vertikális hőmérsékleti gradiens: γ = -dt/dz; ha γ > 0, a hőmérséklet a magassággal csökken ha γ < 0, a hőmérséklet a magassággal növekszik (inverzió) ha γ = 0, izotermiáról beszélünk átlagos értéke 0,6 0 C/100 méter
A légkör függőleges szerkezete a hőmérséklet alapján - inverzió
Lamináris réteg: a felszín közelében található, néhány mm-es réteg Felszíni réteg: vertikális anyagáram megjelenik Határréteg: éjjel: 20-30 méter nappal: 50-100 méter 100-3000 méter magasságig horizontális és vertikális légmozgás domborzat hatása jelentős légszennyezés terjedése Szabad légkör: A légkör függőleges szerkezete, a troposzféra a határrétegtől a tropopauzáig horizontális mozgások a meghatározóak
A légkör függőleges szerkezete, a tropopauza A tropopauza jellemzői: a hőmérséklet változása mintegy 2 km-es vertikális rétegben kisebb, mint 2 0 C; a trópusokon 14-18 km magasságban, a sarkoknál 6-8 km magasságban található; anyagcsere a tropopauza szakadási pontjainál lehetséges a troposzféra és a sztratoszféra között (pl. magaslégköri ózon).
A légkör függőleges szerkezete, a sztratoszféra A sztratoszféra jellemzői: a hőmérséklet növekszik a magassággal, mert: a sztratoszferikus ózon elnyeli a Napból származó UV sugárzás jelentős részét, aktív felszínként viselkedik; a sztratoszferikus ózon keletkezésekor energia szabadul fel.
A légkör függőleges szerkezete, a sztratoszféra Ózonlyuk a sztratoszférában az emberi tevékenységből származó CFC-k hatására az ózon alacsony hőmérsékleten, heterogén kémiai folyamatok során lebomlik; probléma: csökken az UV-elnyelő képesség, több káros sugárzás jut a felszínre.
A légkör függőleges szerkezete, a sztratoszféra Ózonlyuk a sztratoszférában 1985: Bécsi Egyezmény 1987: Montreáli Jegyzőkönyv az ózonkárosító anyagok kibocsátásának csökkentéséről 1995: P. Crutzen, M. Molina és S. Rowland kémiai Nobel-díjat kaptak a sztratoszferikus ózonlyuk okainak felfedezéséért
A légkör függőleges szerkezete, a mezoszféra A mezoszféra tulajdonságai: a hőmérséklet csökken a magassággal; a molekulasúly csökkenni kezd; a légkör hőmérséklete a réteg tetején a legalacsonyabb; mezopauza: a homoszféra és a heteroszféra határa.
A légkör függőleges szerkezete, a termoszféra A termoszféra tulajdonságai: 80-500 km-es magasságig terjed; a légkör alkotóelemei tömeg szerint szétválnak, nincs keveredés; a hőmérséklet a magassággal emelkedik.
A légkör függőleges szerkezete, az exoszféra Az exoszféra tulajdonságai: 500-10 000 km-es magasságig terjed; a molekulák és atomok ballisztikus pályán haladnak, nagy sebességgel; a H atomok a szökési sebességet is elérhetik: a világűrbe távoznak.
A légkör függőleges szerkezete, az ionizáltság alapján a heteroszférában a molekulák szabad úthossza nagy; a kozmikus sugárzás és a napsugárzás intenzív, ez ionizálja az atomokat és a molekulákat; pozitív és negatív töltésű összetevők alakulnak ki; ionoszféra: az a légköri réteg, ahol elegendő ionpár keletkezik ahhoz, hogy a rádióhullámok terjedését észrevehető mértékben befolyásolják.
A légkör függőleges szerkezete
Az ionoszféra rétegei: D réteg: 50-90 km, csak nappal, alacsony hullámhosszak elnyelése E réteg: 90-120 km F réteg: 120-400 km, hullámok visszaverése a felszín felé A légkör függőleges szerkezete, az ionizáltság alapján
Az ionoszféra rétegei
Az ionoszféra rétegei, jellemző napi menet
A magnetoszféra A légkör függőleges szerkezete, az ionizáltság alapján a magnetopauzáig terjed, ami a légkör felső határa: a napszél és a földi mágneses tér kölcsönhatásaként alakul ki; a gázok mozgását a gravitáció helyett a plazma és a földi mágneses tér kapcsolata határozza meg.
Napkitörés, napszél A magnetoszférát deformáló napszél megnövekedett ionoszféra aktivitást okozhat, ami zavarja a Föld légkörében folytatott elektromágneses jeltovábbítást (GPS, mobilhálózatok)
Műholdak pályái
A légkör függőleges szerkezete, az ionizáltság alapján Aurora Borealis jelenség a napkitörések alkalmával a sarkoknál nagy mennyiségű plazma lép a légkörbe, ez ionizálja és gerjeszti a gázokat O (piros, zöld), N (kék), N 2 (bíbor)
Az Aurora Borealis megjelenése az Északi-félgömbön
A Naprendszer más bolygóinak légköre Merkúr: 260 0 C, nincs légköre Vénusz: 480 0 C, főként CO 2 Föld: 15 0 C, főként N 2, O 2 Mars: -60 0 C, főként CO 2