Felszín – légkör kölcsönhatások Momentum áram, szenzibilis és látens hőáram számítása, szennyező anyagok terjedése Ökotoxikológus MSc, 2014. február 18.

Felszín – légkör kölcsönhatások A legalapvetőbb kölcsönhatás a felszín és a légkör között: a szél, és annak súrlódása a felszínnel. vektor mennyiség u, v, w komponensek 3-as természete van: átlagos szélsebesség (advekció) periodikus hullámok (főleg éjszaka) véletlenszerű fluktuációk (turbulencia !!!  kicserélődési folyamatok) A légkörben végbemenő folyamatok tanulmányozása komplex tudomány. rendezettek: portölcsérek, tornádók, hurrikánok kaotikusak: turbulens áramok

Felszín – légkör kölcsönhatások lamináris áramlás turbulens áramlás Copyright(C)1980 Y. IRITANI, N. KASAGI and M. HIRATA, All rights reserved.

Felszín – légkör kölcsönhatások Turbulens határréteg Lamináris határréteg

Felszín – légkör kölcsönhatások Súrlódás  mechanikai turbulencia Felhajtó erő  konvektív turbulencia A légkörben együtt vannak jelen és vesznek részt a felszín és a légkör közötti kicserélődési folyamatokban. A turbulencia: nem-lineáris 3D-s diffúz  átkeveredés disszipatív több mérettartományt felölel 3km-től 10-3 m-ig

A hőmérsékleti rétegződés szerepe: Felszín – légkör kölcsönhatások A hőmérsékleti rétegződés szerepe: labilis légrétegződés magasság stabilis légrétegződés hőmérséklet

Teljesen kormányzott konvekció (neutrális eset) esetén az örvények kör alakúak. Átmérőjük (l) megegyezik a szabad úthosszal (kz). A horizontális és vertikális sebesség fluktuációk megegyeznek a súrlódási sebességgel. Instabil esetben: a vertikális sebesség fluktuációk nagyobb lesznek mint a horizontálisak, mivel az örvénynek horizontális kiterjedése nagyobb lesz, mint a szabad úthossz. Stabil esetben: az örvények horizontális irányban nyúlnak meg

Logaritmikus szélprofil Felszín – légkör kölcsönhatások Logaritmikus szélprofil tapasztalat: a felszín közelében kisebb a szélsebesség. Könnyen belátható:

Dimenzió analízis segítségével levezethető: a=[m s-1] Felszín – légkör kölcsönhatások Dimenzió analízis segítségével levezethető: a=[m s-1] k: von Kármán konstans (=0.4) u*: súrlódási sebesség, ~ momentum átvitel intenzitásával  z0: érdességi magasság: az a magasság, ahol u=0.

Magas vegetáció esetén a szélprofil megemelkedik z0= érdességi magasság d: 0-pont eltolódási szint d=0.6*h z0=0.1*h

Felszín – légkör kölcsönhatások d z0

DE u* is változik, hiszen a szélnyírás is változik Felszín – légkör kölcsönhatások A növényzet szerepe: d, z0: változik DE u* is változik, hiszen a szélnyírás is változik példa: erdő 30 m magas, fű 0,5 m magas

Példa: Hogyan alakul az u Példa: Hogyan alakul az u* erdő illetve gyep felett, ha feltesszük, hogy z=40 m magasan ugyanakkora a szélsebesség mindkét esetben. erdő gyep h 30 m 0,5 m d 18 m 0,3 m z0 3 m 0.05 m Vagyis, ha ugyep = u erdő 40 méter magasan, akkor a hányadosuk 1, tehát:

Fluxus: 1ségnyi idő alatt 1ségnyi felületen átáramló anyag mennyisége Gradiens: adott mennyiség vmilyen irányú megváltozása Kiiindulás: Fick diffúziós törvénye: K: örvényes diffúzivitás [m2s-1] A gradienseket meg tudjuk mérni, az örvényes diffúzivitást viszont becsülni kell Momentum áram: Szenzibilis hőáram: Látens hőáram: Szén-dioxid áram: Feltevés: Km=Kh=Kc=Kv (Reynolds-féle hasonlósági elmélet = azonos forrás)

3 módszer ismeretes az örvényes diffúzivitás becslésére: aerodinamikai módszer energia mérleg módszer „direkt” módszer Aerodinamikai módszer Szenzibilis hőáram: Látens hőáram:

Látens hőáram: (párolgás) Felszín – légkör kölcsönhatások Szenzibilis hőáram: Látens hőáram: (párolgás) Ezeket tudjuk: r: a sűrűség (1,2 kg m-3), cp: a levegő hőkapacitása (1005 J kg-1 K-1), k: von Kármán féle állandó (0,4), g: pszichrometrikus állandó (0,65 mbar/°C) Ezeket mérjük: u1, u2: a szélsebesség T1, T2: a hőmérséklet, e1, e2: gőznyomás Ezeket megbecsüljük: z1, z2:a két szint felszín feletti magassága, d: kiszorítási rétegvastagság, (növényzet magasságának 60%-a)

Energia mérleg módszer Bowen arány módszer: Ennél a módszernél elég 2 szinten mérni a hőmérsékletet és a nedvességet, valamint egy szinten a sugárzási egyenleget. A rendelkezésre álló energia becsülhető, mint a sugárzási egyenleg 90%-a. Ebből az áramok: Visszahelyettesítve: Feltesszük, hogy KH=KV

Örvény-kovariancia módszer Direkt árammérési technika a növényzet és a légkör közötti kölcsönhatás mérésére Előnye: 24 órás mérés az év minden napján. Mérés 10 Hz-es felbontásban u,v,w hőmérséklet CO2 vízgőz ózon VOC CH4

Szónikus anemométer: 3D szélmezőt méri Nincsenek mozgó alkatrészei  gyors válaszidejű 3 forrás / 3 detektor (ultrahang) A kettő közti út megtételéhez szükséges időt méri  u, v, w, hangsebesség  Ts

Infravörös gázanalizátor (IRGA) A kibocsátott infravörös hullámok abszorpcióját méri. Alul: forrás, fent: detektor Egyéb gyors válaszidejű szenzorok: O3, CH4, VOC

Adatgyűjtő berendezések és szoftverek

Fluxus: a koncentráció és a vertikális sebesség szorzata Reynolds átlagolás: átlag fluktuáció A jellemző pillanatnyi értéke (A) felírható, egy átlag (A), és az attól való eltérés (A’), az ún. fluktuáció összegeként. Fluxus: a koncentráció és a vertikális sebesség szorzata Az anyagmegmaradás elve miatt: Tehát:

Momentumáram: Szenzibilis hőáram: Látens hőáram: CO2 áram:

Footprint – forrásterület: u: az átlagos szélsebesség zm mérési magasság u*: a súrlódási sebesség K: a von Kármán-féle állandó (értéke 0,4)

NEE: Net Ecosystem Exchange

Szennyező anyagok légköri transzportja

Szennyezett levegő: - ha az állandó összetevőkön (N2, O2,, nemes gázok) + H2O, CO2 kívül mást is tartalmaz, vagy - a fentiekből a szokásosnál többet tartalmaz. Szennyező anyagok: természetes (vulkáni tevékenység, erdőtüzek, porvihar, bomlás, tengeri sók) mesterséges H2O: - mennyisége térben, időben jelentősen változik, de hosszútávon egyensúlyban van. - a természets forrásút nem tekintjük légszennyező anyagnak - de pl. az ipari létesítményekből kikerülő gőz légszennyező anyagnak minősül. CO2: - természetes: respiráció - mesterséges: fosszilis tüzelőanyagok égetése  szennyezés SO2: - szén, olaj 1-3% ként tartalmaz (fűtés) 1000 kg tüzelő anyag  60 kg SO2 - kis koncentráció, de hosszú ideig CO, NOx, hidrokarbonátok, Pb: közlekedés, fotokémiai rekakciók  O3 Melyik károsabb? Mesterséges: kis terület, koncentrált hatás Természetes: egyenletes térben eloszlás, kis időbeli változékonyság  lehetőség van alkalmazkodni

Légszennyező folyamatok 3 része: - légkörbe kerülés (emisszió) Források típusai: - pontforrás (pl. kémény, kipufogócső, kürtőszáj), - diffúz forrás (félig zárt felületen keresztül, pl. nyitott ablak), - felületi/területi forrás (nagy kibocsátó felület, pl. hulladéklerakó), - mozgó forrás (pl. közúti jármű, repülőgép), - vonalforrás (nyomvonalon haladó mozgó forrás, pl. országút). Attól is függ, hogy honnan nézzük, mivel pl. 1 hulladéklerakó, ha regionális skálán nézzük, pontforrásnak tekinthető, vagy ha nagyon közel vagyunk, egy kémény is lehet felületi forrás. - transzport - kikerülés (imisszió): - kémiai reakció, - száraz ülepedés: turbulens diffúzió, gravitáció - nedves ülepedés: csapadékképződés.

Milyen messzire jut a szennyezés? - forrás típusa, - forrás paraméterei: magasság, méret, áramlási sebesség, hőmérséklet, - szennyezőanyag mennyisége, - meteorológiai helyzet. A „felhő” az uralkodó szélirányba továbbítódik (nagyobb örvények), közben pedig keveredik a környező levegővel (kisebb örvények, turbulens diffúzió). Hogyan írható le? - lokális - városi - regionális - kontinentális - globális  kis távolságú transzport: szállítás + turbulens diffúzió  nagy távolságú transzport: szállítás, koncentráció változás: kémiai reakciók, ülepedés

Lokális + városi skála - felszínközeli szélviszonyok - hőmérsékleti gradiens Labilis rétegződés (erős besugárzás): intenzív átkeveredés Stabilis rétegződés (nagy a felszín kisugárzása): nincs vagy gyenge átkeveredés

Regionális, kontinentális és globális skála - nagy térségű meteorológiai helyzet - a met.-i helyzet időben változik - felszín inhomogenitása - kémiai átalakulások, ülepedés kimosódás Nem a légköri stabilitás, hanem a légtömeg típusa a meghatározó: Poláris levegő: melegszik, labilissá válik, nagyobb mértékű hígulás Trópusi levegő: hűl, stabilissá válik Anticiklon: leszálló légmozgás, inverzió, a szennyező anyag felhalmozódása Trópusok, közepes szélességek sivatagai: erős labilitás, gyors elszállítódás Szubtrópusok: leszálló mozgású anticiklonok csak éjjel, vagy kora reggel jellemzőek, így csak akkor van felhalmozódás

(ρ = 1,2 kg/m3; cp = 1005 J mol-1 K-1; k = 0.4) Feladat: Mennyi a Bowen arány értéke, ha két mérési magasságban (z1 = 71 cm és z2 = 185 cm) a hőmérséklet értéke 17,5°C és 16°C, a gőznyomásé 16 ill. 15 hPa? A szélsebesség 1,25 m/s ill. 1,75 m/s, a kiszorítási rétegvastagság (d) 5 cm. (ρ = 1,2 kg/m3; cp = 1005 J mol-1 K-1; k = 0.4) H=137, LE=140