EXAMEN
Meteorologie en Luchtkwaliteit 20 december 2001, 14.00-17:00 uur
EERST DIT LEZEN!!
1.
Vermeld duidelijk je NAAM, REGISTRATIENUMMER, JAAR VAN AANKOMST en STUDIERICHTING in de linkerbovenhoek van elk in te leveren antwoordvel (de antwoordvellen zijn gelinieerd).
2.
De ongelinieerde A4-velletjes zijn bedoeld als kladpapier en worden niet ingeleverd.
3.
Schrijf duidelijk en werk overzichtelijk. De bedoeling van het examen is uiteraard te beoordelen of je voldoende van de leerstof weet en hebt begrepen; laat dit blijken uit de duidelijke beantwoording van de vragen. Geef duidelijk aan welke stappen nodig zijn in de berekeningen!
4.
Het examen bestaat uit twee delen. Maak eerst Deel 1, (GESLOTEN boek). Na inlevering kun je direct starten met deel 2 (OPEN boek). Besteed aan deel 1 niet meer dan een uur! Na afloop van het examen is het de bedoeling dat de onderwijsenquète wordt ingevuld. Dit geeft ons waardevolle informatie ter verbetering van het vak. Neem hier even de tijd voor, het hoeft niet meer dan 10 minuten te kosten.
5.
6.
Controleer(!!) of aan jou is uitgereikt naast de antwoordvellen en kladpapier: Opgaven deel 1 en deel 2 en 1 bijlage 1 enquèteformulier Het examen van deel 1 bestaat uit 3 opgaven en deel 2 uit 4 opgaven! Maak van deel 2 elke opgave op een apart antwoordvel!
Veel succes!
DEEL 1- GESLOTEN BOEK! OPGAVE 1- Algemene vragen Geef een duidelijke en korte toelichting bij de volgende vragen! a. Geef een definitie of omschrijving van de potentiele temperatuur; Waarom wordt deze temperatuur ingevoerd? b. Wat wordt verstaan onder een onstabiele atmosferische laag? Waar treedt zo’n laag doorgaans op? c. Noem beknopt een drietal effecten van water in de atmosfeer. d. Wat verstaan we onder ‘advectie’ en ‘convectie’? e. Bespreek het verschil tussen een ‘Lagrangiaanse’ en een ‘Euleriaanse’ beschouwing in de atmosfeer. f. Wat wordt verstaan onder het hydrostatisch evenwicht in de atmosfeer?
OPGAVE 2 – Turbulentie en Dispersie a. b. c. d.
Noem twee processen waardoor atmosferische turbulentie wordt veroorzaakt. Op welke plaatsen in de atmosfeer speelt turbulentie een rol. Wat is het effect van turbulentie op de gemiddelde toestand van de atmosfeer? Wat is het effect van turbulentie op de verspreiding van luchtverontreining? Bespreek ook de invloed van stabiliteit. e. Wat wordt verstaan onder ‘isotropie’ van turbulentie? f. Hoe hangt in het algemeen de concentratie (C) van luchtverontreining in een rookpluim samen met de gemiddelde windsnelheid (U), de emissie van verontreining bij de schoorsteen (Q) en de dwarsdoorsnede (A) van een pluim? Hint, baseer je antwoord op de dimensies van de verschillende grootheden!
OPGAVE 3 - Weer en klimaat a. Welke krachten spelen een rol bij de atmosferische beweging? b. Waardoor wordt convergentie en divergentie in de atmosferische grenslaag veroorzaakt en wat voor effect heeft dit op de verticale beweging? c. Welke fasen kunnen worden onderscheiden bij de weersverwachting? d. Wat wordt verstaan onder data-assimilatie? e. Waardoor wordt de voorspelbaarheid van het weer beperkt? f. Wat wordt verstaan onder het ‘broeikaseffect’van de atmosfeer? Wat is de fysische oorzaak hiervan? Wat is het resultaat voor het aardoppervlak? g. Noem twee ‘feedbacks’ (terugkoppelingen) die een rol spelen in het klimaatsysteem? Bespreek een feedbackmechanisme in meer detail. h. Wat wordt verstaan onder het ‘atmosferisch venster’ en wat is het fysische effect hiervan?
DEEL 2-OPEN BOEK (alleen toegestaan zijn het boek van Stull en de uitgedeelde syllabi!) OPGAVE 1 – Grenslaagdynamica Gegeven een atmosferische grenslaag onder de invloed van een hogedruk gebied. De dikte van de grenslaag is 1 km en de verticale beweging is 1 cm/s. a. Geef een schatting voor de gemiddelde horizontale grenslaagwind (U) op een afstand van 1000 km van het centrum van het hogedruk gebied aan de hand van een relevante vergelijking uit het boek. b. Bereken de wrijvingskracht per massaeenheid die bij deze windsnelheid hoort als de ‘dragcoefficient’ Cd gelijk is aan 0.002. Wanneer je opgave a niet hebt kunne maken neem dan U = 5 [m/s]. OPGAVE 2 – Thermodynamica a. Gegeven het thermodynamisch diagram (Bijlage 1). Laat aan de hand van een relevante vergelijking zien dat de droog-adiabaten (‘dry-adiabats’) bijna recht zijn in deze figuur. Een radiosonde oplating van 12:00 uur ‘s middags in de Bilt laat het volgende beeld zien: Druk (kPa) 100 95 90 80 70 60 50 40 30 20
Temperatuur (°C) 25.0 18.5 14.2 7.2 8.0 0.0 -15.9 -29.1 -43.5 -50.1
Dauwpunt (°C) 18.1 14.3 10.4 6.3 -12.9 -18.3 -32.5 -42.1 -60.0 -
c. Plot de gemeten waarden in het bijgevoegde thermodynamisch diagram d. Bepaal van de lucht op 60 kPa de volgende variabelen: θ, rs, Tw , en de relatieve vochtigheid (RH). e. Construeer in het diagram het ‘Lifting Condensation Level (LCL)’ vanaf het aardoppervlak. Op welke hoogte bevindt zich de wolken top? Laat duidelijk zien welke lijnen je in het diagram volgt! f. Wat moet de maximum temperatuur aan de grond minimaal worden wil er een onweersbui kunnen ontstaan. OPGAVE 3 - Modelvorming Lees goed en nauwkeurig! In het werkcollege werd een PET-fles experiment gedaan. Daarbij stroomde water met hoge snelheid uit de fles (turbulente stroming). We doen nu iets soortgelijks, maar dan voor een stroperige vloeistof. Deze stroperige vloeistof zal relatief
traag en geleidelijk uit de fles stromen (laminaire stroming). De vloeistof stroomt de fles uit door een dunne buis (zie Fig. 1).
h-max h
glycerine P1
P2
L
Fig. 1.
De budgetvergelijking voor de fles is: d (Volume) = −Quit dt Quit wordt bepaald door Abuisje [m2] en Vbuisje [m/s]. h is de hoogte [m]van vloeistof boven de uitstroomopening, het oppervlak van de fles noemen we A fles De budgetvergelijking hangt samen met twee onbekenden: h en Vbuisje . Om het systeem oplosbaar te maken moet Vbuisje worden uitgedrukt in h . Voor laminaire stroming door een buis geldt de wet van Hagen-Poiseuille: 2 rbuisje Vbuisje = ⋅ ( P1 − P2 ) 8η L met rbuisje de straal van het buisje [m], η de (dynamische) viscositeit oftewel ‘stroperigheid’ van de vloeistof [Pa s], L de lengte van het buisje [m], en P1 en P2 [Pa] de druk aan het begin (1) en aan het einde (2) van het buisje. P1 = Patmosfeer + ρ g h . en P2 = Patmosfeer
ρ is de dichtheid van de vloeistof. a. Laat zien dat de budgetvergelijking geschreven kan worden als: dh 1 = − ⋅ h , waarbij τ een verzameling constanten is. dt τ b. Geef de uitdrukking voor τ en laat zien dat τ de eenheid [s] heeft. c. τ karakteriseert de typische verblijftijd van de vloeistof in de fles. Hoe groter τ des te langer duurt het totdat de fles leeg is. Beantwoord de volgende vragen: -Hoe groter de lengte van het buisje L des te groter/kleiner de verblijftijd, omdat,…. -Hoe groter viscositeit van de vloeistof η des te groter/kleiner de verblijftijd, omdat,….
-Hoe groter de oppervlakte van de fles A fles des te groter/kleiner de verblijftijd, omdat,…. -Hoe groter de oppervlakte van het buisje Abuisje des te groter/kleiner de verblijftijd, omdat,…. d. Gegeven is dat op tijdstip t=0 h = hmax =0.1 [m]. Los de budgetvergelijking op zodat je een functie h(t)=…. krijgt. Voor τ hoeft nog geen waarde te worden ingevuld. De fles is gevuld met het stropige ‘glycerol’ .Na 527 seconden is de fles half-leeg (h=0.05 [m]).Gegeven : L =0.4 [m], rbuisje =0.005 [m], r fles =0.035 [m], ρ glycerol =1260 [kg/m3]. e. Laat zien dat dat de viscositeit van glycerol (ongeveer)1.5 [Pa s] bedraagt. OPGAVE 4 – Verspreiding van luchtverontreiniging. Overdag wordt op een vliegveld een straaljager van dimethylhydrazine voorzien ten behoeve van de naverbrander van de straalmotor. Deze brandstof geeft bij injectie extra impuls aan de motor. De hydrazine is afkomstig uit een tank, die is opgesteld binnen een cirkelvormige omwalling. Bij het afkoppelen van de slang van de opslagtank wordt vergeten de afsluiter eerst te sluiten, waardoor een laag dimethylhydrazine binnen de omwalling ontstaat. De uitstroom was 5.76x105 gram. De diameter van de omwalling is 6 meter. Binnen de omwalling ontstaat een laagje dimethylhydrazine. De verdampingssnelheid is 1200 g s-1 . Op 1 km afstand van de opslagtank ligt een woonwijk. Deze is door een open grove dennenbos (H = 20 m, z0 = 1 m) van de woonwijk gescheiden. Van dimethylhydrazine is het bekend, dat het acuut giftig is. De grenswaarden voor acute toxiciteit zijn als volgt; middelingstijd (minuten) 5 15 30 60
acute grenswaarde in g m-3 1.2x10-1 8.6x10-2 4.9x10-2 2.5x10-2
De wind staat precies richting centrum van de woonwijk, vanuit het zuidwesten 225o met σv = 0.35 [m/s]. Het is een mooie zonnige dag (onstabiel weer) met een gemiddelde windsnelheid van 1.5 m s-1. Er moet snel een beslissing genomen worden of de woonwijk ontruimd moet worden of niet. a. Hoeveel tijd heeft men op het vliegveld om deze beslissing te nemen? b. Aan welke acute grenswaarde dient de beslissing te worden getoetst? c. De snelste berekening kan worden uitgevoerd door de concentratie op het centrum van de pluim op 1 km afstand van de bron uit te rekenen en alleen de ruwheid van het bos in de beschouwing te betrekken. Depositie van dimethylhydrazine wordt om veiligheidsredenen verwaarloosd. Wat is de concentratie en moet dat tot ontruiming leiden? d. Hoe zou je (in woorden, geen berekening) het effect van het kronendak en de holle stamruimte van de bomen aanpakken, indien je daar wel tijd voor zou hebben (bijvoorbeeld in het kader van het opstellen van een evacuatieplan?).
