MÉRNÖKI METEOROLÓGIA (BME GEÁT 5128)
A nedves levegő jellemzői, felhő és csapadékképződés, savas ülepedés
1
Dr. Goricsán István, 2008 Balczó Márton, Balogh Miklós, 2009 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék
BEVEZETÉS
•Földi víz körforgása • Anyagcsere: Víz > vízgőz > felhőelem > csapadékelem > víz • Energiacsere: Látens hő • Közeg tulajdonságainak módosítása • Állapothatározók: sűrűség, nyomás, hőmérséklet • Fizikai tulajdonságok: hőkapacitás, optikai mélység, stb.
2
VÍZ HALMAZÁLLAPOTAI A LÉGKÖRBEN
• Gáznemű • Vízgőz: parciális vízgőznyomás, relatív nedvesség, abszolult nedvesség, specifikus nedvesség, harmatpont • Folyékony • Felhőcsepp: d = 1 – 100 µm • Esőcsepp: d = 200 – 5000 µm • Szilárd • Jégkristály: d < 20 µm, alak (tű, oszlop, lemez, dendrit) • Hókristály: d = 1 – 10 mm, alak (dendrit, lemezdendrit) • Jégszem: d = 5 – 100 mm, alak (szabálytalan) • Vegyes • Graupel, olvadt hó 3
A NEDVES LEVEGŐ MÉRŐSZÁMAI
• Relatív nedvesség:
RH = 100
e es
• RH [%] – relatív nedvesség • e [Pa] – gőznyomás • es [Pa] – telítési gőznyomás
• Telítési vízgőznyomás (sík vízfelszínre, Magnus-Tetens formula):
⎛ 17.67t ⎞ e s = 6.112 ⋅ exp⎜ ⎟ ⎝ t + 243.5 ⎠ • es [hPa] – telítési gőznyomás • t [°C] - hőmérséklet 4
A NEDVES LEVEGŐ MÉRŐSZÁMAI
• Abszolút nedvesség: • a = 1 m3 nedves levegőben lévő vízgőz tömege [gm-3]
• Fajlagos nedvesség: • s = 1 kg nedves levegőben lévő vízgőz tömege [gkg-1] • Gőzsűrűség:
e ρv = RwT • ρv [kg m-3] – gőzsűrűség, térfogategységben foglalt vízgőz tömege • T [°K] – a nedves levegő hőmérséklete • Rw – nedves levegő gázállandója 5
A NEDVES LEVEGŐ MÉRŐSZÁMAI
• Keverési arány:
mv r= md • r [-] – keverési arány • md [kg] – a száraz levegő tömege • mv [kg] – a vízgőz tömege
r RH = 100 rs
6
A NEDVES LEVEGŐ MÉRŐSZÁMAI
• Harmatpont:
243.5ln(e 6.112 ) 100 − RH Td = ≈T− 17.67 − ln(e 6.112 ) 5
• Td [°C] – harmatponti hőmérséklet • e [hPa] – gőznyomás
• Harmatpont deficit:
Td,def = T − Td • Td,def [°C, °K] – harmatpont deficit • T [°C, °K] – hőmérséklet • Td [°C, °K] – harmatponti hőmérséklet
7
A PÁRATARTAM MÉRÉSE
• Nedvességmérés • Hajszálas higrométer, ökör ütőhártya • Kapacitív negvességmérő (Humicap)
• Harmatpont mérés • Harmatponti hőmérő • Hőmérséklet mérés • Pszichrométer (Assman-féle aspirációs, August-féle)
8
A NEDVESSÉGTARTALOM HATÁSA
• Komfortérzés: függ a hőmérséklettől, ~50% relatív nedvességtartalom mellett •A relatív nedvesség bizonyos technológiák esetén fokozottan szabályozandó paraméter • Száraz környezet: • fotópapír gyártás • gyógyszergyártás • egészségügy (mikroorganizmusok, baktériumok) • méréstechnika (mérési körülmények, műszerek) • gépészeti és egyéb berendezések működése
•Nedves környezet: • pormentes környezetet igénylő tevékenységek
9
A VÍZGŐZ FÁZISÁTALAKULÁSA • Molekulaszerkezet • Hidrogénhíd kötés • Nagy felületi feszültség • Túltelítettség, túlhülés (RH 105%) • Víz: • Nukleáció (homogén, heterogén) • Kondenzációs növekedés • Ütközéses cseppnövekedés
• Jég • Depozició vagy fagyás • Diffúziós növekedés: jégmag gyorsan nő, mivel a vízre telített környezet a jégre túltelített • A jég esni kezd, összegyűjti a vízcseppeket, hó, vagy jég lesz, meleg felhőben esőcseppé olvadhat
10
KONDENZÁCIÓS MAGOK • Vízgőz kondenzációja akár RH < 100% esetén is bekövetkezhet megfelelő kondenzációs magok jelenlétében • Az aeroszol részecskékben található szervetlen sók ((NH4)2SO4, NH4NO3, NaCl, stb.) általában higroszkóposak (jól oldódó, jó nedvszívó) • A sók telített oldatára vonatkozó telítési gőznyomás RH < 100% mellett tapasztalható, konyhasó (NaCl esetén ~75%) • Oldathatás:
• Előbb következik be a fázisváltozás, ha vízben jól oldódó összetevőket tartalmaz a részecske • Később következik be a fázisváltozás, ha oldhatatlan vegyületeket tartalmaz a részecske
11
KONDENZÁCIÓS MAGOK • Aeroszolokra tapadó vízmolekulák már nem molekuláris
nagyságúak, hanem jóval nagyobb méretű vízcseppet képeznek » felületükhöz tartozó gőznyomás jelentősen csökken > kismértékű túltelítettség elég a kondenzációhoz •(Thomson – törvény: eG~ 1/r) • Kondenzációs magvak jelentős része nedvszívó > anyaguk vízben
oldódik > felületükhöz tartozó gőznyomás jelentősen csökken > kismértékű túltelítettség elég a kondenzációhoz •(Rault – törtvény: vizes oldatok felett kisebb a telítettségi gőznyomás, mint tiszta víz felett) • Kondenzációhoz szükséges túltelítettség különböző méretű
kondenzációs magvak esetén: Sugár [µm] Túltelítettség [%]
12
0.001
0.01
0.02
0.1
1
10
314
112.1
105
101.15
100.11
100.01
KONDENZÁCIÓS ÉS SZUBLIMÁCIÓS MAGOK • Földfelszíni eredetűek • Por, homok (termikus koaguláció) • Vulkáni füst, tüzek és szennyezőanyagok (szulfátok) • Pollenek, spórák
• Óceáni eredetűek • Tengeri só • Kémiai eredetűek • Fotodisszociáció (A vízmolekulák oxigénre és hidrogénre bomlása ultraibolya sugárzás hatására.) • Gőzök kondenzációja (kén, NO2, kénsav, salétromsav, ammónia)
13
LÉGKÖRI AEROSZOLOK Koncentráció különböző mérettartományban [db/cm3] a földrajzi hely függvényében Név
Méret [µm] (r:sugár)
Kontinentális
óceáni
szennyezett
tiszta
r<0.1
100000
10000
300
Nagy magvak
0.1
100-1000
100
10
Óriás magvak
r>1
0.1-1
0.05
0.1
Aitken-magvak
Légköri aeroszol részecskék közepes koncentrációja [db/cm3] nagyváros város
34300
vidék (szárazföld/tengerpart)
9500
hegy <500 m
6000
hegy 500-2000 m
2130
Hegy >2000 m
14
147000
950
sziget
9200
óceán
940
A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA • Meleg nedves levegő felemelkedése • Termikus konvekció – függőleges irányú áramlás • Orografikus hatások (domborzat hatása) • Frontális hatások
• A felemelkedő levegő eléri a kondenzációs szintet • Harmatpont > kondenáció > felhőcsepp > esőcsepp • Fagyáspont > szublimáció, fagyás > jégkristály > jég, hó
• Látens hőfelszabadulás • Melegedés > felhajtóerő > intenzívebb feláramlás (megfelelő stabilitási viszonyok mellett)
15
A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA • Konvektív feláramlás • Termikus feláramlás (termik) > gomolyfelhő • Zivatartevékenység > Tornyos gomolyfelhő, zivatarfelhő • Konvektív rendszerek > Szupercella, mezociklon
• Orografikus hatás (domborzat) • Szélfelőli oldalon feláramlás > gomolyfelhő, tornyos gomolyfelhő • Hullám tevékenység > Hullámfelhők, rotorfelhő
• Frontális feláramlás • Frontálzónák környezetében felhőrendszerek kialakulása
16
A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA – TERMIKUS KONVEKCIÓ
17
http://www.ssa.org/
A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA – OROGRAFIKUS HATÁSOK
18
http://www.ssa.org/
A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA – OROGRAFIKUS HATÁSOK
Forrás: http://kkd.ou.edu
19
A FELHŐKÉPZŐDÉS DINAMIKÁJA – FRONTÁLIS HATÁSOK
Cumulus (Cu), Cumulonimbus (Cb), Stratocumulus (Sc), Nimbostratus (Ns), Stratus (St), Altostratus (As), Cirrostratus (Cs), Cirrus (Ci) 20
A FELHŐK OSZTÁLYOZÁSA • Magasság szerint: • Alacsonyszintű • Középszintű • Magasszintű • Függőleges felépítésű felhők
• Alak szerint • Gomolyos (cumulus) • Réteges (stratus) • Fátyolos (cirrus)
• Összetétel szerint • Vízfelhők: 0.005 - 0.05 mm cseppek, 100 - 10000 db/cm3, sűrű, sötét felhők • Jégfelhők: jóval nagyobb jégkristályok, 1 - 10 db/cm3, ritkás, világos felhők • Vegyes halmazállapotú felhők: víz és, túlhűlt cseppek, kristályos, és amorf jég, sűrű, sötét felhők
21
A FELHŐK OSZTÁLYOZÁSA
22
A KÖDKÉPZŐDÉS Köd: a talaj közelében jelentkező kicsapódási termék, ha a vízszintes látótávolság 1 km alá csökken • Frontködök: hideg, telítéshez közel álló talajmenti levegőbe felülről melegebb vízcseppek hullanak (két különböző levegőfajta határán, ellentétben a többi típustól). A meleg cseppek párolgása növeli a gőznyomást és csökkenti a hőmérsékletet – kicsapódás • Páraködök: a mozgó hideg levegőbe alulról meleg vízfelszín párolog be. Légmozgás: a bepárolgás kellő mértékéhez szükséges. DE nem lehet túl erős, mert akkor a turbulencia nagy magasságig átkeveri a levegőt • Kisugárzási ködök: a nyugalomban levő levegő alatti földfelszín kisugárzás útján lehűl (többnyire éjszaka) – Az alulról történő fokozatos lehűlés: a talajközeli rétegekben inverziót okoz > kondenzáció • Advekciós ködök: az áramlásban lévő levegő hideg felszín felett halad át konvektív hőátadás - lehűlés. Gyenge áramlás: sekély, igen sűrű köd. • Lejtőködök: az áramló levegőt a domborzat emelkedésre kényszeríti adiabatikus lehűlés. A lejtőn feláramló szél vastag levegőréteget mozgat - igen vastag ködök (felhőnek tűnnek a hegy talppontjától) 23
FELHŐ ÉS ESŐCSEPPEK Csepp esési sebessége:
ws =
d2csepp (ρcsepp − ρlev )g 18µ
µ a levegő dinamikai viszkozitása
• Felhőelem: kis méretű cseppek, Brown-mozgás + turbulens mozgás: a gravitációs erővel szemben is hat, ellensúlyozhatja az esési sebességet, nagyobb relatív felület - gyorsabb párolgás • Határcsepp: 100 µm sugarú cseppek, az a határ, amelynél kisebb méret esetén nincs a vízcseppeknek esélyük arra, hogy kihulljanak a felhőből • Esőcsepp: 100 µm-nél nagyobb sugarú cseppek
24
FELHŐ ÉS ESŐCSEPPEK
25
p=900 hPa, t=5ºC, f=90%
Átmérő [µm]
felhőcsepp
1-100
0.003-27
<1m
esőcsepp (szitálás)
200-500
72-206
~150m
esőcsepp
- 5000
- 909
~4200
Esési sebesség [cms-1]
Esési távolság az elpárolgásig
CSAPADÉK-ÁTALAKULÁSI FOLYAMATOK Csapadékelemek esése » eltérő méretek: eltérő esési sebesség » a cseppek ütköznek » a nagyobb cseppek (gyűjtőcseppek) a kisebbeket befogják és egyesülnek (koaguláció) » a nagy méretű, gyorsan eső cseppek szétfoszlanak » kisebb cseppek: gyűjtőcseppek » felfelé mozgó légáramban ismét feljuthat » láncfolyamat
Forrás: http://www.infoplease.com/images/cig/weather/03fig01.png
26
HULLÓ CSAPADÉKOK
• Csapadék: a kicsapódási termékek felszínen való megjelenése • Eső: a földfelszínt elérő folyékony csapadék • Záporeső: Nagy intenzitású hulló csapadék • Ónos eső: a földfelszínt elérő folyékony csapadék, amely a felszínnel érintkezve megfagy • Jeges eső: fagyott részeket tartalmazó eső • Jégeső: Jégszemekkel együtt hulló záporeső • Hó: dendrites jégkristányok
27
NEM HULLÓ CSAPADÉKOK
Nem hulló csapadék: A felszíni tárgyakon jelenik meg • Harmat: a földfelszín és a rajta lévő tárgyak az éjszaka folyamán lehűlnek - harmatpont - a vízgőz folyékony halmazállapotban kicsapódik. Kialakulásához erős éjszakai lehűlés és elegendő víztartalom kell. • Dér: az előbbi folyamat során ha a levegő vízgőztartalma kicsi, a harmatpontja 0°C alatt is lehet. Ekkor a kicsapódás szilárd halmazállapotban történik. • Zúzmara (finom): a kisugárzással 0°C alá hűlt felületekre az enyhe mozgású és enyhe hőmérsékletű levegőből a szélnek kitett oldalon jégkristályok rakódnak le. • Zúzmara (durva): erős légáramlással szállított, túlhűlt vízcseppekből, ködcseppekből, 0°C alatt. A villamos és távbeszélő hálózatokra nézve veszélyes lehet. 28
CSAPADÉKOK KÉMIÁJA • Savas ülepedés (savas eső, 1872, R. A. Smith)
• A csapadékvíz kémhatása: hidrogénionok koncentrációjának tízes alapú negatív logaritmusa: pH = -lg[H+] • A tiszta víz koncentrációja szobahőmérsékleten 10-7mol/l. Tehát pH = 7 a semleges kémhatás értéke. Az ennél kisebb pH-k savakra, a nagyobbak bázisokra jellemzőek.
A légkörben 0.03 %-ban jelenlévő SO2 a vízcseppekben oldódik » pH = 5.6 (kénsav, szokásos érték) Levegőkémiában: • pH < 5.6: savas oldat • pH >= 5.6: bázikus oldat 29
Forrás: www.fulspecialista.hu/index.php?menu=81
CSAPADÉKOK KÉMIÁJA SO2, H2S, NO, NO2 • SO2 elnyelődik a vízben » hidratálódott formában, kénessavként (H2SO3) van jelen. • NO, NO2 elnyelődik a vízben » salétromsav (HNO3) • Ammónia (NH3): gyenge bázis: csökkenti a csapadék savasságát (talajbaktériumok, vizelet, műtrágyagyártás, műtrágya-felhasználás) Azonban amikor az NH4+ kiülepedik és bekerül a talajba, nitrifikációt okozhat. A légköri savból származó hidrogén ion, amit semlegesített az NH3 a légkörben, a talajban felszabadulhat, ami további savasodást okoz!
30
CSAPADÉKOK KÉMIÁJA
Forrás: http://www.eoearth.org/upload/thumb/4/42/Acid_deposition_formation_diagram.jpg/300pxAcid_deposition_formation_diagram.jpg
31
Köszönöm a figyelmet!
32
