Aeroszol részecskék terjedésének szimulációja a légkörben Haszpra Tímea II. éves PhD hallgató Eötvös Loránd Tudományegyetem, Elméleti Fizikai Tanszék
Témavezetők: Tél Tamás Horányi András Konzulens: Tasnádi Péter
Légköri szennyeződések •
vulkánkitörések, légszennyezés légköri áramlások sodródás, keveredés, ülepedés
• •
Eyjafjallajökull (Izland) 2010. tavasz Grímsvötn (Izland) 2011. május
•
Fukushima (Japán) 2011. március
Eyjafjallajökull, 2010. ápr. 19. [http://sites.google.com/site/iavceirscweb/eruptions/eyja]
Fukushima, 2011. márc. 16.
Grímsvötn, 2011. máj. 23.
[http://en.wikipedia.org/wiki/Fukushima_I_nuclear_accidents]
[http://www.ravingravens.com]
Mozgásegyenletek mp
d 2r p dt
2
mp
dv p dt
m p g Fbuoy Fdrag
6 airr ( v p v air ), ha Re 1 Fdrag 1 2 C r 2 D air | v p v air | ( v p v air ), ha Re 1 Re
2r | v p v air |
p ~ 1000 air
valós adatokkal: mp Fbuoy Fdrag g vp, vair r ρp , ρair ν Re CD
részecske tömege felhajtó erő közegellenállási erő nehézségi gyorsulás részecske és levegő sebessége részecske sugara (0 ‒ 10 µm) részecske és levegő sűrűsége levegő kinematikus viszkozitása Reynolds-szám alaktényező (gömbre 0,4)
Mozgásegyenletek •
•
L ~ 10 − 1000 km karakterisztikus távolság U ~ 1 − 100 m/s karakterisztikus sebesség
dr p dt
v p v air wterminaln
– advekció
dw p – vízszintesen:
u p uair v p vair
dt
0 Fdrag m g Fbuoyancy
2 2 pr g , ha Re 1 wair 9 air – függőlegesen: w p wair wterminal w 8 p rg , ha Re 1 air 3 airC D
Mozgásegyenletek •
•
L ~ 10 − 1000 km karakterisztikus távolság U ~ 1 − 100 m/s karakterisztikus sebesség
dr p dt
v p v air wterminaln ξ K (rp )
– advekció – turbulens diffúzió – további folyamat: nedves ülepedés (csapadék, felhők)
fehérzaj ξ K(rp) turbulens diffúzió függőleges n egységvektor
dw p dt
0 Fdrag m g Fbuoyancy
Nedves ülepedés Lagrange-i szemléletben • •
általában hatékonyabb, mint a száraz ülepedés részecskék: kondenzációs mag, ütközések során
•
euleri modellekben:
dN k w N dt N (Δt ) exp( k wΔt ) bent N (0) N (Δt ) 1 1 exp( k wΔt ) kiesik N (0)
N részecskeszám egy cellában kw nedves ülepedési együttható, kimosódási együttható
P = 1− exp(− kwΔt)
valószínűséggel r r’ ~ cseppbe kerülnének
w’terminal >> wterminal
Nedves ülepedés kimosódási együttható •
csapadékintenzitást (Pr) felhasználva: r rrain – ~ esőcseppek által egységnyi idő alatt begyűjtött részecskék száma
kw
3 Pr E (r , rrain ) 4 rrain
E(r, rrain) ≈ 0,1 ütközési hatékonyság [Sportisse, Atm. Env. 41 (2007) 2683-2698]
– Pruppacher−Klett-összefüggés:
rrain 12 0,976Pr 0, 21 – P = 1− exp(− kwΔt) valószínűséggel a részecskék mérete r’ = rrain
Nedves ülepedés kimosódási együttható •
relatív nedvességet (Rh) felhasználva [Sportisse (2007)]:
5 1 Rh Rhc 3 , 5 10 , ha Rh Rhc s Rhs Rhc kw 0, , ha Rh Rhc
Rhc kritikus rel. nedv. (80%) Rhs telítési rel. nedv. (100%)
– P = 1− exp(− kwΔt) valószínűséggel megnöveljük a részecskék méretét r’ = 100 µm-re
Adatok, módszerek •
szélmező és más adatok: ERA-Interim adatbázisból (ECMWF) – horizontálisan felbontás: • szabadon hozzáférhető: 1,5º×1,5º • Országos Meteorológiai Szolgálattól: 0,5º×0,5º vagy 0,125º×0,125º – időbeli felbontás: 3 óra vagy 6 óra – függőleges: • 37 nyomási szint 1000 hPa (~ 100 m) − 1 hPa • 60 modellszint felszínkövető koordinátarendszerben
•
interpoláció: – vízszintesen: biköbös spline – függőlegesen és időben: lineáris
•
numerikus megoldás: Euler-módszer
Szimulációk a szabad légkörben •
p < 850 hPa (z > 1,5 km)
•
elhanyagolható: – nedves ülepedés – turbulens diffúzió nagy skálán
•
[http://www.dailymail.co.uk/news/article-1389639/Ash-cloud-2011-Half-termhell-UK-covered-Friday.html]
részecskeméret: r < 10 μm
[http://cimss.ssec.wisc.edu /goes/blog/]
Eyjafjallajökull-szimuláció (2010. május 8. 0 UTC – május 19. 18 UTC)
Eyjafjallajökullszimuláció
szélsebesség
(2010. május 8. 0 UTC – május 19. 18 UTC) r = 1 μm, N = 70*1000 db
http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsreaeur.html
Eyjafjallajökull-szimuláció (2010. május 8. 0 UTC – május 19. 18 UTC) •
összehasonlítás műholdas megfigyelésekkel
vulkáni hamu
alacsony szintű felhők
vastag jégfelhő
Izland
[http://www.eumetsat.int/Home/Main/Image_Gallery/Topical_Images /index.htm?l=en]
Szimulációk a planetáris határrétegben és a szabad légkörben •
turbulens diffúzió és nedves ülepedés: fontos szerep
•
PHR: Fukushima-szimuláció: 2011. márc. 15-i felhő márc. 16-án (színezés a részecskeszám szerint)
turbulens diffúzió nélkül
turbulens diffúzióval
http://www.nature.com/news/fallout-forensicshike-radiation-toll-1.9237?nc=1336317345966
Fukushimaszimuláció 2011. március 11-31. • • •
nedves ülepedés csapadék részecskeszám mérések változó kibocsátási magasság
Eléri a felszínt kiülepednek
r = 1 µm kezdeti feltételek: 0,5°×0,5°×[15-50] hPa N = 175000 részecske p = 960-925 hPa (z ≈150-500 m)
Fukushima-szimuláció nedves ülepedés – kiülepedett részecskék (márc. 11−31.)
csapadék
relatív nedvesség
Fukushima-szimuláció Stockholm – részecskeszám és légköri koncentráció részecskeszám egy 1,5°×1,5°-os levegőoszlopban
[observation: Stohl et al. Atmos. Chem. Phys. Discuss., 11, 28319–28394, 2011]
Összefoglalás •
Szennyeződések terjedésének szimulációja fontos
• •
Szabad légkör: turbulens diffúzió és nedves ülepedés elhanyagolható Planetáris határréteg: turbulens diffúzió és nedves ülepedés is fontos szerepet játszik – A nedves ülepedés figyelembe vétele nem egyszerű: a megfelelő parametrizáció?
•
További tervek: néhány napos ensemble előrejelzések mennyire tér el a részecskék sodródása?
2011-2012 Publikáció: Haszpra, T., Tél, T., 2011: Volcanic ash in the free atmosphere: A dynamical systems approach. Journal of Physics: Conference Series, 333, 012008. (doi:10.1088/1742-6596/333/1/012008) Haszpra, T., Kiss, P., Tél, T., Jánosi, I. M., 2011: Advection of passive tracers in the atmosphere: Batchelor scaling. International Journal of Bifurcation and Chaos. (elfogadva) (belső jelentés) Haszpra T., 2012: Légköri szennyeződések terjedésének vizsgálata, 39 p.
Konferencia: Haszpra, T., Tél, T.: Volcanic ash in the free atmosphere: A dynamical systems approach. Dynamics Days Europe 2011, 2011. szeptember 12-16., Oldenburg (poszter) Haszpra T., Horányi, A., Tél, T., Tasnádi, P.: Aerosol particle advection in the atmosphere: Eyjafjallajökull and Fukushima. T4 conference - Turbulence, transfer, transport, and transformation: interactions among environmental systems, 2012. május 24-25., Budapest (előadás) Haszpra T., Tél, T., Horányi, A., Tasnádi, P.: Advection of aerosol particles in the atmosphere: volcanic ash and radioactive particles. 2nd International Workshop Nonlinear Processes in Oceanic and Atmospheric Flows, 2012. július 3-6., Madrid, Spanyolország (előadásnak elfogadva) Haszpra, T. Tél, T., 2012: Aerosol particles in atmospheric turbulence: Eyjafjallajökull and Fukushima. Dynamics Days Europe 2012, 2012. szeptember 2-7., Göteborg, Svédország. (előadásnak elfogadva) Egyéb előadás: Haszpra T.: Aeroszol részecskék dinamikája: vulkáni hamu és Fukushima, Statisztikus Fizikai Nap, 2012. március 14. Haszpra T.: Aeroszol részecskék terjedése a légkörben: az Eyjafjallajökull vulkán és a fukushimai baleset, Elméleti Fizikai Tanszék, Statisztikus Fizikai Szemináriumok, 2012. május 2. Tanulmányút: Planet Simulator Workshop, Universität Hamburg (Klimakampus), Németország, 2012. április 17-19. Oktatás: Kalkulus I. gyakorlat 1. éves fizika alapszakos hallgatók részére Kalkulus II. gyakorlat 1. éves fizika alapszakos hallgatók részére Matematikai kiegészítés a fizikához gyakorlat 2-3. éves fizika tanár minor szakirányú hallgatók részére
Köszönöm a figyelmet!
