Szép a tavasz és szép a nyár is, de szebb az ısz s legszebb a tél, annak, ki tőzhelyet, családot már végképp másoknak remél. József Attila: Ime, hát megleltem hazámat… (részlet)
Légtömegek, idıjárási frontok, ciklonok Makra László
Légtömegek és idıjárási frontok légtömegek: fizikai jellemzıiket tekintve közel egynemő, s nagy kiterjedéső légtestek (T > 105 km2; tartózkodási idı: ≈ 4-5 nap);
A légtömegek fizikai tulajdonságait a felszín alakítja ki:
a felszín hıháztartása → egyensúlyi hımérséklete; hımérséklete + a felszín tulajdonságai → vízgıztartalma; a felszín sajátosságai → a levegıbe jutó szennyezıanyagok; vízgıztartalom + szennyezettség → átlátszósága;
A légtömegek konzervatív tulajdonságai A légtömegeknek vannak olyan fizikai tulajdonságai, melyeket áthelyezıdésüket követıen hosszabb idın át megıriznek. → konzervatív tulajdonságok (a származás indikátorai);
potenciális hımérséklet Ha egy légtömeget kiindulási nyomásáról (p0) és hımérsékletétıl (T0) száraz adiabatikusan 1000 mb nyomásra hozzuk ⇒ potenciális hımérséklet (Tp); (száraz adiabatikus folyamatok → invariáns)
ekvipotenciális hımérséklet Ha a p0 nyomású és Te ekvivalens hımérséklető levegıt száraz adiabatikusan 1000 mb nyomásra hozzuk ⇒ ekvipotenciális hımérséklet (Tep); (száraz és nedves adiabatikus folyamatok → invariáns)
a levegı vízgıztartalma
homályossági tényezı
A napsugárzás gyengülése a valódi légkörben I0
dI
I
-α⋅I⋅ρ⋅dz
B
dI = −α ⋅ I ⋅ ρ ⋅ dz
A
dI = −α ⋅ I ⋅ ρ ⋅ dz
dI = −α ⋅ ρ ⋅ dz I B
B
dI ∫A I = −α ⋅ ∫A ρ ⋅ dz B
∫ ρ ⋅ dz = m A
Ha A-tól B-ig egységnyi keresztmetszeten hatol át a napsugárzás, akkor m-et a légkör optikai tömegének nevezzük. B
dI ∫A I = −α ⋅ m
[ln I ]I I
= −α ⋅ m 0
ln I − ln I 0 = −α ⋅ m I ln = −α ⋅ m I0
I = I 0 ⋅ e −α ⋅ m
Bouguer-Lambert törvény
−α e = q akkor a következıt kapjuk: Ha
I = I0 ⋅ qm
Innen, ha merılegesen érkezik a napsugárzás, azaz, ha
m =1 akkor
I = I0 ⋅ q
és innen:
I q= I0
ahol q = az ideálisan tiszta légkör komplex átbocsátási együtthatója.
Az m relatív úthossz és a Nap β magassági szöge között a következı a kapcsolat:
m=1
m α
Ha
⇒
m=
β
α < 600 1 cos α = m
s innen:
m=1
1 sin β = m
ahol α a Nap zenittávolsága, akkor
1 m= cos α
I = I 0 ⋅ q secα
m = sec α
1 sin β
Ha viszont α > 60 akkor a szférikus atmoszféra és a refrakció miatt a sec α már nem használható a légkör m optikai tömegének kiszámítására. 0
A q komplex átbocsátási együttható néhány jellemzı értéke: ideálisan tiszta légkörben: valódi légkörben: az Egyenlítın: a 75º földrajzi szélességen:
≈ 0,90 0,70 - 0,85 0,72 0,82
Legyen α = a valódi légkör sugárzásgyengítési együtthatója; A = az ideálisan tiszta légkör sugárzásgyengítési együtthatója. Innen:
T=
α
A
Majd α-t behelyettesítve a Bouguer-Lambert törvénybe:
I = I 0 ⋅ e− A⋅m⋅T T = homályossági tényezı
Légtömeg-osztályozás 1. Termodinamikai szempont: hideg és meleg Egyensúlyi hımérséklettıl függ: Hideg légtömeg meleg felszín fölé ér ⇒ felmelegedés alulról felfelé ⇒ a környezeti hımérsékleti gradiens nagyobb lesz, mint a száraz (nedves) adiabatikus gradiens (Γ > γ (β) ⇒ instabil egyensúlyi állapot; Meleg légtömeg hideg felszín fölé ér ⇒ lehőlés alulról felfelé ⇒ a környezeti hımérsékleti gradiens kisebb lesz, mint a száraz (nedves) adiabatikus gradiens (Γ < γ (β) ⇒ stabil egyensúlyi állapot;
2. Földrajzi szempont: származási hely
A Kárpát-medencében elıforduló légtömegek származási helye 1. Sarkvidéki légtömeg (AM = arktikus massza)
2. Mérsékelt övi tengeri légtömeg (mPM = maritim poláris massza)
3. Mérsékelt övi szárazföldi légtömeg (cPM = kontinentális poláris massza)
4. Szubtrópusi légtömeg (TM = tropikus massza)
5. Egyenlítıi légtömeg (EM = ekvatoriális massza)
Légtömegek származási helye
Légtömeg táblázat Vízgıztartalom
Szennyezettség
Egyensúlyi helyzet
Származási hely
egyéb
Sarkidéki légtömeg (AM) alacsony
csekély
instabil
ÉszakiÉszaki-JegesJegestenger
mindig hideg
Mérsékelt övi tengeri légtömeg (mPM (mPM)) magas
csekély
nyáron instabil / télen stabil
AtlantiAtlanti-óceán (50(50-60o)
nyáron hővös, télen enyhe
Mérsékelt övi szárazföldi légtömeg (cPM (cPM)) alacsony
jelentıs
nyáron instabil / télen stabil
Szibéria
nyáron meleg, télen a leghidegebb
Szubtrópusi légtömeg (TM) magas
a származási helytıl függ
instabil
AtlantiAtlanti-óceán (25(25-40o É), É-Afrika, Arábia
csak a nyári félévben fordul elı; nyáron a legmelegebb
Egyenlítıi légtömeg (EM) magas
csekély
talaj közelben ritkán
afrikai, atlantiatlantióceáni trópusok
ritka, csak a magasabb légrétegben
Északi–Jeges-Tenger
Atlanti-óceán
Szibéria
Idıjárási frontok Közép-Európa fölött általában szubtrópusi és mérsékelt övi, illetve mérsékelt övi és sarkvidéki légtömegek találkoznak.
Idıjárási frontfelület: Két különbözı légtömeg között a levegı fizikai tulajdonságaiban éles ugrásszerő változást mutató zóna.
Idıjárási front: A frontfelületnek a földfelszínnel való metszésvonala. Két oldalán a légtömegek konzervatív tulajdonságai ugrásszerően megváltoznak.
Anafront: A frontfelület azon szakaszai, ahol emelkedı légmozgás tapasztalható.
Katafront: A frontfelület azon szakaszai, ahol leszálló légmozgás tapasztalható.
Átlátszó kísérleti kád kiemelhetı válaszfallal. Bal rekeszébe sőrőbb folyadékot (hidegebb, illetve sósabb vizet) töltünk, mint a másikba.
a) Az induló front alakja, közvetlenül a válaszfal eltávolítása után. b) A légköri hidegfront alakja I.
b) A légköri hidegfront alakja II.
b) A légköri hidegfront alakja III.
b) A légköri hidegfront alakja IV.
A haladó front felsı határán a Kelvin–Helmholtz instabilitás következtében jellegzetes fodrozódás jelenik meg.
Egy természeti példa a Kelvin– Helmholtz instabilitás jelenlétére: A felhı alatti és fölötti levegıréteg egymáshoz viszonyított mozgása miatt a határfelületen megjelenik a jellegzetes fodrozódás.
A frontfelületnek a vízszintes síkkal bezárt hajlásszöge (Margules-formula):
2 ⋅ ω ⋅ sin ϕ ∆v tgα = ⋅ Tm ⋅ g ∆T Az idıjárási frontok fajtái: a. melegfront; b. hidegfront (elsıfajú- és másodfajú hidegfront); c. okklúziós front (hidegfronti- és melegfronti okklúzió); d. veszteglı front;
A melegfront
Mily könnyü szél, meleg borulat!... A pár fa mely szők telkemen áll, ugy nyujtja ágát óvatosan, mintha lesné hogy esik-e már? Szinte látom amint csakugyan ráhull az elsı mennyei könny, hogy borzong törzsén titkosan át a félelem és az öröm. Babits Mihály: Mily könnyő szél, meleg borulat!...(részlet)
a. melegfront Két napja így zuhog s hogy ablakom nyitom, Páris tetıi fénylenek felhı telepszik asztalomra s arcomra nedves fény pereg. Radnóti Miklós: Hispánia, Hispánia (részlet)
• frontvonal elıtti csapadékzóna, szélessége 200-300 km; Ns: egyenletes csendes esık; • az esırétegfelhı alapja nyáron 1000-1500 m, télen 600-800 m, a teteje 6-8 km-en található; • a front hossza néhány ezer km; • vonulása lassú,
v = 0,6 ⋅ vg ;
• a front elıtt p süllyed, áthaladtával p süllyedése megáll, a csapadék megszőnik, az ég kitisztul;
A hidegfront
Düh csikarja fenn a felhıt, fintorog. Nedves hajjal futkároznak meztélábas záporok. Elfáradnak, földbe búnak, este lett. Tisztatestü hıség ül a fényesarcu fák felett. Radnóti Miklós: Naptár, július (részlet)
b. hidegfront b1. elsıfajú hidegfront • lassúbb mozgású, kevésbé energikus hidegfrontok; • felhırendszere a Cb kivételével a melegfrontéra emlékeztet; • frontvonal utáni csapadékzóna keskenyebb, mint a melegfronté; • Cb: záporos csapadékok;
A felhı megszakad, Nyilása tőz, patak; Zúgó sebes özönt A rézcsatorna önt Budának tornyiról. Arany János: V. László (részlet)
b2. másodfajú hidegfront • gyorsabb mozgású, energikus hidegfrontok; • a frontfelület magasabb részén aktív lesiklási felület: katafront; • felhırendszere a katafront jelleg miatt keskeny; orránál tornyos gomolyfelhık; a frontvonal mentén heves záporok; • a csapadéksáv jóval keskenyebb, mint az elsıfajú hidegfrontnál; • a front átvonulása után a katafront jelleg miatt a felhızet hamar feloszlik; • a front átvonulása után az ingatag egyensúlyi állapotú hideg légtömegben gomolyfelhık, helyi záporok;
A zivatarfelhık struktúrája és a levegı áramlása zivatarokban, illetve közvetlen környezetükben
Légtömegen belül kialakuló zivatarfelhık fejlıdésének három fázisa. (1) fejlıdı állapot: a felhı nagy részében a levegı felfelé áramlik, kialakulnak a felhı- és csapadékelemek (vízcseppek: tömött körök; jégszemek: üres körök; jégkristályok: hatszögek). (2) kifejlett állapot: a felhı eléri legnagyobb magasságát, megkezdıdik a csapadék kihullása, s egyúttal a felhı egy részében a levegı lefelé kezd áramolni. (3) disszipációs (leépülı) állapot: a csapadékhullás intenzitása gyengül, a felhı nagy részében a levegı lefelé áramlik és kialakul a felhı üllıje.
Többcellás zivatarfelhı függıleges metszete (meteorológiai radaron látható kép alapján készült)
A felhıben egyszerre vannak jelen a fejlıdı (n, n+1), kifejlett (n-1) és leépülı (n-2) fázisban lévı tartományok. A nyíllal ellátott vonalak a légáramlás irányát jelzik. A kis fehér körök sorozata pedig a jégszemek egy lehetséges pályáját mutatja.
Szupercella sematikus képe
A feláramlási csatorna tengelyében gyakran alakul ki tornádó, de a csapadékhullást kísérı kifutó szél sebessége is elérheti a 100–150 km/h-t. A szél mellett jelentıs károkat okozhat az intenzív jégesı is. A feláramlási csatorna feletti dóm magassága akár a 14 - 15 km-t is elérheti. A zivatarfelhı üllıjének horizontális kiterjedése kb. 100 km.
szupercellák, Kanadai Alföld
monszunális szupercella Bangladesh és India
ZIVATAROK konvekció, túlfejlett tetık, kiáramlás, és üllıképzıdés 36
• a másodfajú hidegfrontok nyári kísérıjelensége az ál-hidegfront;
kifutó szél: erıs légnyomás-ingadozás, hımérsékletcsökkenés, gomolyos felhızet, heves záporok → álfront; instabilitási vonal: az álhidegfrontnak a felszínnel alkotott metszésvonala;
A zivatarfelhı kifutó szelének hatása a szélviszonyok alakulására
vékony fekete nyilak: a szélirány négy különbözı pontban a kifutó szél megérkezése elıtt; vastag fehér nyilak: a kifutó szél iránya; vastag fekete nyilak: a szél iránya a kifutó szél megérkezése után; a nyilak hossza arányos a szélsebességgel; fehér kör: a zivatarfelhı helye;
c. okklúziós (záródott) front
Ha a gyorsabban mozgó hidegfront utoléri az elıtte haladó melegfrontot, akkor a két frontfelület összeér ⇒ okklúziós front; c1. hidegfronti okklúzió; c2. melegfronti okklúzió; • két frontfelületet tartalmaz ⇒ felhızete kevert, csapadéka vegyes; • átvonulásakor kevésbé éles a hımérséklet-változás, mint a tiszta frontok esetében;
Okklúziós front
Hidegfronti és melegfronti okklúzió
hidegfronti okklúzió
melegfronti okklúzió
Fronthelyzetek
Stacionárius front
Ilyenkor több napig tartó felhıs és esıs idı várható. A Kárpát-medencében gyakori.
A földfelszín hatása az idıjárási frontokra
álfront: a felszínközelben néhány meteorológiai elem értékében kis területen belül nagy változást észlelünk, de nincs front; álcázott front: olyan frontok, amelyeknél a felszínközelben a hımérséklet-változás ellentétes azzal, mint amit a front típusa alapján várhatnánk. hegygerincek légáramlásokat eltérítı hatása; északnyugati hidegbetörés ↔ Alpok déli ág: a Rhône-völgyében (mistral); délkeleti ág: az Alpok és a Kárpátok között, a Dévényi kapun át; Verecke híres útján jöttem én, Fülembe még ısmagyar dal rivall, Szabad-e Dévénynél betörnöm Új idıknek új dalaival? Ady Endre: Góg és Magóg fia vagyok én (részlet)
hegygerincek légáramlásokat eltérítı hatása; b. keleti hidegbetörés ←→ Kárpátok nyugati ág: a Német-Lengyel síkság felé délnyugati ág: az Alpok és a Kárpátok között, a Dévényi kapun át fordul délkelet felé; déli ág: Keleti-Kárpátok – Havasalföld – Alduna – Kárpát-medence délnyugati + déli ág → orografikus okklúzió;
fın; álcázott front; álfront;
Vertikális mozgások és felhıképzıdés idıjárási frontokban
Ciklonok és anticiklonok
A bárikus mezı alapvetı formái: a. ciklonok zárt, koncentrikus izobárokkal körülhatárolt alacsony nyomású területek; benne horizontálisan az óramutató járásával ellentétes összeáramlás (konvergencia), vertikálisan pedig spirális föláramlás tapasztalható pátlagos pmin
mérsékelt övi ciklonok ≈ 1000 mb 930-950 mb
trópusi ciklonok 900 mb 887 mb
b. anticiklonok zárt, koncentrikus izobárokkal körülhatárolt magas nyomású területek; benne vertikálisan leáramlás, horizontálisan pedig az óramutató járásával megegyezı szétáramlás (divergencia), tapasztalható pátlagos pmax
anticiklonok ≈ 1020 mb 1050 mb, de Szibéria, téli anticiklon: 1050-1080 mb
Ciklonok és idıjárási frontok A ciklon körkörös izobárokkal határolt alacsony nyomású légörvény, benne a levegı hideg- és melegfrontban áramlik;
Mozgásformák - ciklon és anticiklon
Ciklonban belsejében légnyomásminimum; izobárfelületei tölcsér alakúak; a szélirány az izobárok mentén az óramutató járásával ellentétes (északi félgömb); ciklonbelsı: összeáramlás (konvergencia); emelkedı légmozgás; felhı- és csapadékképzıdés;
Anticiklonban belsejében légnyomásmaximum; izobárfelületei kupola alakúak; a szélirány az izobárok mentén az óramutató járásával megegyezı (északi félgömb); anticiklon-belsı: szétáramlás (divergencia); leszálló légmozgás; felhıoszlató hatás;
c. légnyomási gerinc: nem zárt izobárokkal határolt magas nyomású sáv; d. légnyomási teknı: nem zárt izobárokkal határolt alacsony nyomású sáv; e. nyereg: olyan légnyomási képzıdmény, mely két alacsony és két magas nyomású térség között található;
Mérsékelt övi ciklon
A mérsékelt övi ciklon keletkezése I.
a sarkvidéki és a mérsékelt övi légtömegek határán: ϕ ≈ 500 – 700; → arktikus, stacionárius éghajlati front; keletkezésük módja (Bjerknes és Solberg elmélete); a hideg és meleg légtömeget elválasztó egyenes vonalú zóna mentén horizontális hullámzás keletkezik → stabilis hullámok (λ ≈ 100-300 km; ok: a levegı összenyomhatósága, nehézségi erı, Coriolis erı) → nincs ciklonképzıdés; labilis hullámok (λ ≈ több ezer km; földrajzi okok → eltérı levegısőrőség; orográfia, óceán- kontinens eltérı fajhı, tengeráramlások;
A mérsékelt övi ciklon keletkezése II.
a mérsékelt övi ciklon meleg nyelvének elıoldala: melegfront, hátoldala: hidegfront; az éghajlati fronton keletkezı ciklon: fiatal ciklon; ha a hidegfront utoléri a melegfrontot, a ciklon elöregszik → okkludálódik; a mérsékelt övi ciklon közepes vonulási sebessége: 30 km/óra, télen nagyobb, nyáron kisebb; keletkezésük helye: • nagyobb részük: az arktikus éghajlati front Izland környéki szakaszán; • kisebb részük: a poláris éghajlati front mentén, a Földközi-tenger északi medencéjében (ϕ ≈ 400);
A mérsékelt övi ciklon keletkezése III. A könnyebb meleg levegı betüremkedik a hideg levegıbe.
A betüremkedı meleg nyelvben alacsony nyomású rész alakul ki. Betüremkedés NY-K
Fiatal ciklon
A mérsékelt övi ciklon keletkezése IV. Az elıoldal melegfront jellegő, a hátoldalon hideg légtömegek ⇒ hidegfrontként viselkedik.
Hideg és meleg szektor alakul ki. A hidegfront utoléri a melegfrontot, a ciklon elöregedik, okkludálódik.
Vonulási irány: NY---K, átlagos sebesség: 30 km·h-1
Trópusi ciklonok I.
Trópusi ciklonok II.
Izabella szeme
Izabella hurrikán, 2003. 09. 13.
Trópusi ciklonok III.
Trópusi ciklonok IV.
keletkezésük feltétele: • a meleg-nedves trópusi légtömegek erıs termodinamikai instabilitása révén; • csak olyan tengerek fölött keletkeznek, ahol a felszíni vízhımérséklet nagyobb 260C-nál;
átmérıjük: néhányszor 10 km (a mérsékelt övi ciklonoké több száz km);
energiájuk: az Egyenlítı két oldalán a nedves levegı kiterjedt, gyors feláramlása → kondenzáció → óriási mértékő hıenergiafelszabadulás;
Trópusi ciklonok V.
bárikus gradiensük: a ciklon belsejében óriási mértékő hıenergiafelszabadulás → igen nagy bárikus gradiens; belsejükben a szélsebesség: vmax = 300 km·h-1; ez többszöröse a mérsékelt övi ciklonokénak;
szerkezetük: homogén ⇒ belsejükben nincsenek idıjárási frontok; középpontja a ciklon szeme: felhımentes, leszálló légáramlások; d ≈ 10 – 30 km; körülötte viharzóna: d ≈ 20 – 50 km; v ≈ 50 – 60 m⋅s-1; heves feláramlások, fejlett Cb-felhızet, hCb ≈ 10-12 km; intenzív záporok, zivatarok;
Trópusi ciklonok VI.
nincsenek benne idıjárási frontok; 10-30 km széles; középen a szeme; viharzóna veszi körül; talaj közeli szélsebesség: 50-60 m·s-1; heves feláramlás (Cb);
nagy intenzitású zápor, zivatar; K- és DK-Ázsia: tájfun; Bengáli-öböl: orkán; Közép-Amerika: hurrikán; a tenger hımérséklete > 26 ºC; május – október között fordul elı;
A tornádó nem trópusi ciklon!!!
Trópusi ciklonok VII.
Trópusi ciklonok VIII.
Trópusi ciklonok IX.
Trópusi ciklonok (hurrikánok, tájfunok, orkánok) pályái. Keletkezésük helye: ahol a tenger vízhımérséklete: t >26ºC
Egy trópusi ciklon útvonala
Az Andrew hurrikán, amint eléri Floridát, Miamitól délre, 1992 augusztus 24. A mért maximális szélsebesség: 220 km·h-1.
Egy trópusi ciklon radarképe
A Hugo hurrikán átvonulása után, Dél-Karolina, 1989. A hurrikán által elıidézett vihardagály kivételesen magas vízszinttel zúdult a partra. Az okozott kárt tovább fokozza ha az dagálykor érkezik, továbbá sekély a vízmélység és sík a tengerpart.
Katrina
Katrina hurrikán, New Orleans, 2005
Trópusi ciklonok ←→ tornádók
Trópusi ciklon
Tornádók • keletkezésük helye: szárazföld fölött; • keletkezésük feltétele: hideg és meleg légtömegek találkozása;
• •
• •
•
hatalmas kinetikus energia → szupercellák; keletkezésük tartama: rendkívül gyors, mindössze 0,5 – 1 óra is lehet; lefolyásuk / áthaladásuk tartama: rendkívül gyors, mindössze néhány perc is lehet; átmérıje: mindössze max. néhány száz méter; benne a max. szélseb.: vmax ≈ 500 km·h-1, nagyobb, mint a trópusi ciklonban; ahol átsöpör, mindent elpusztít;
Tornádó
Tornádók
Tornádók
Tornádó
Tornádó
Tornádó „lábnyoma”
A tornádók Fujita-féle kategorizálása (USA) Az osztályozás alapja az okozott kár nagysága. kategória szélsebesség (m⋅s-1 ) az okozott kár nagysága F0 18–32 kicsi F1
33–50
közepes
F2
51–70
jelentıs
F3
71–92
komoly
F4
93–116
szinte minden megsemmisül
F5
117–142
teljes megsemmisülés
a kár jellege kémények dılnek le, fiatal fák és közlekedési táblák dılnek ki háztetık szakadnak fel, gépjármővek borulnak fel, vagy sodródnak le az útról tetıszerkezetek szakadnak fel, gépjármővek törnek össze, nagyobb fák törnek ki, vagy gyökerestül csavarodnak ki, kisebb tárgyak sodródnak a levegıben kıházak falai dılnek össze, vonatszerelvények borulnak fel, minden fa kidıl, vagy kitörik, gépjármővek emelkednek fel, és métereket repülnek a levegıben az épületek többsége a földdel válik egyenlıvé, tetıszerkezetek, gépjármővek és nagyobb tárgyak repülnek a levegıben vasbetonból álló házak dılnek össze, nehéz gépjármővek és darabjaik több száz méternyit repülnek a levegıben.
Tornádók osztályozása a TORRO (Nagy-Britannia) skála alapján (TORRO ← Tornado and Storm Research Organization) Az osztályozás alapja a tornádó érintı irányú szélsebessége
skála sebesség (m⋅s-1) a tornádó jellemzése T0 17–24 gyenge T1 25–32 mérsékelt T2 33–41 közepes T3 42–51 erıs T4 52–61 heves T5 62–72 intenzív T6 73–83 mérsékelten pusztító T7 84–95 erısen pusztító T8 96–107 hevesen pusztító T9 108–120 intenzíven pusztító T10 121–134 totálisan pusztító
Mára befejeztük, jó éjszakát!
