A légkör függőleges szondázása

A légkör vertikális szerkezete

A légkör vertikális szerkezete

• Troposzféra • 0 – kb. 10 km • magassággal csökken a hőmérséklet • időjárási jelenségek helye • Felső határa: tropopauza ahol a hőmérséklet magassággal való csökkenése megáll • Tropopauza hőmérséklete: kb. - 60 °C

A légkör vertikális szerkezete

• Sztratoszféra • kb. 10 – 50 km • magassággal nő a hőmérséklet • ózonréteg: 20-25 km • Felső határa: sztratopauza ahol a hőmérséklet magassággal való növekedése megáll • Sztratopauza hőmérséklete: kb. -10 °C

A légkör vertikális szerkezete

• Mezoszféra • kb. 50 – 90 km • magassággal csökken a hőmérséklet • légköri ionizáció, meteorok elégése • Felső határa: mezopauza • Mezopauza hőmérséklete: kb. -120 °C

A légkör vertikális szerkezete

• Termoszféra • kb. 90 km - világűr • magassággal nő a hőmérséklet • ionizált, ritka légkör

A légkör vertikális szerkezete

Milyen magasan van?

• Nemzetközi Űrállomás: 360 km • Kvázipoláris műholdak: 800 – 900 km • Geostacionárius műholdak: 35 800 km • Hold: 384 000 km

Nyomási koordinátarendszer

Miért jó nyomásban megadni a magasságokat?

– Időjárási folyamatokat a légnyomás irányítja – Könnyebben mérhető (repülőgépeken, szondákon) – Modellekben könnyebben megadható peremfeltételek (a felső határon nullává válik a nyomás) – Könnyen átváltható méterben mért magasságra: p  p 0  exp    gMz RT   

Nyomási koordinátarendszer

• •

Nyomás – magasság átváltás: Nyomási szint

Réteg átlagos hőmérséklete!

Főizobárszintek

: 1013,25 hPa 1000 hPa 925 hPa 850 hPa 700 hPa 500 hPa 300 hPa 200 hPa referencia légnyomás felszíni főizobárszint kb. 700 m kb. 1500 m kb. 3000 m kb. 5500 m kb. 9000 m kb. 11500 m tengerszint téli határréteg-magasság nyári határréteg-magasság legnagyobb feláramlás Rossby hullámok, tiszta geosztrófia jet stream tropopauza körülbelüli helye

Nyomási koordinátarendszer

• •

Mitől függ az adott nyomási szint magassága?

Nyomási szint

Réteg átlagos hőmérséklete!

Nyomási koordinátarendszer

• •

Mitől függ az adott nyomási szint magassága?

Méterben mért magasság

Réteg átlagos hőmérséklete!

Konvekció: a részecske-módszer

…egy szép nyári nap…

Konvekció

• Alaptételek: – –

A meleg levegő felfelé száll,

• mert a sűrűsége kisebb.

A légkör alul melegebb, mint magasabban

, • mert a földfelszín hosszúhullámú sugárzása alulról melegíti, • mert fölfelé a csökkenő nyomás miatt kitágul, lehűl.

 „Fazék a tűzhelyen” Miben különböznek a légköri feláramlások a tűzhelyen forralt vízben kialakulóktól?

Konvekció

Miben különböznek a légköri feláramlások a tűzhelyen forralt vízben kialakulóktól?

A feláramló levegő emelkedés közben kitágul, lehűl!

KÉRDÉS:

A felemelkedő levegő melegebb-e, mint ugyanazon a szinten a környezet?

IGEN: tovább emelkedik 

labilis

NEM: megáll az emelkedése 

stabil

Konvekció

Mennyit hűl a feláramló levegő 1 m emelkedés során?

   dT dz  K 0 , 0098 m

kb. 1 °C / 100 m

Ez a

száraz adiabatikus hőmérsékleti gradiens

.

A felemelkedő levegő nem telített, nincs kondenzáció A felemelkedő levegő nem keveredik és nem cserél hőt a környezetével.

Konvekció

A felemelkedő levegő melegebb-e, mint ugyanazon a szinten a környezet?

IGEN: tovább emelkedik 

labilis

   NEM: megáll az emelkedése 

stabil

      dT dz  K 0 , 98 m Száraz adiabatikus hőmérsékleti gradiens     T  z A környező légkör hőmérsékleti profilja

Konvekció

A feláramló, lehűlő levegő egy bizonyos magasságban telítetté válik, kicsapódik.



Konvektív felhőalap-magasság, CCL

CCL  120   T  T d  Felhőalap magassága méterben Felszíni harmatpont hiány

A felhőben emelkedő, telített levegő mennyit hűl 1 m emelkedés során?

Konvekció

A felhőben emelkedő, telített levegő mennyit hűl 1 m emelkedés során?

Pontosan nehéz megmondani (függ a hőmérséklettől, feláramlási sebességtől, magasságtól), de biztosan kevesebbet, mint a száraz esetben!

(kb. 0,5 °C / 100 m) 

A felszabaduló látens hő melegíti az emelkedő levegőt

.

Ez a

nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiens

.

 s   A felemelkedő levegő telített, a kondenzáció hőt szabadít fel.

A felemelkedő levegő nem keveredik és nem cserél hőt a környezetével.

3. Cu congestus (TCu) 1. Cu humilis 2. Cu mediocris 4. Cb calvus

A felhőalap elérése után a feláramlás a felhőben folytatódik.

A felszabaduló kondenzációs hő melegíti a feláramló levegőt, növeli az instabilitást.

 s  

Konvekció

Lehetséges, hogy a környezeti hőmérsékleti gradiens a száraz és nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiens közé esik.

Kondenzációs szint (felhőalap) alatt:    Kondenzációs szint (felhőalap) felett:  s   

labilis!



stabil

Ha „valami” (front, hegy, konvergencia) felemeli a levegőt a

szabad emelkedési szintig

, onnan a felszabaduló látens hő révén már szabadon emelkedik tovább.

Ez a

feltételes instabilitás

.

Konvekció

    s   Ha „valami” (front, hegy, konvergencia) felemeli a levegőt a szabad emelkedési szintig, onnan a felszabaduló látens hő révén már szabadon emelkedik tovább.

Ez a

feltételes instabilitás

.

Miért nem esik egybe a szabad emelkedési szint a kondenzációs szinttel?

Gyakorlás: emagram

LFC: szabad emelkedési szint; LCL: kondenzációs szint

CAPE és CIN

Az emagramon az emelkedő részecske és a környezet hőmérsékleti profilja által közrefogott terület.

Energia dimenziójú (

J/kg

) mennyiség.

Pozitív terület (labilis szakasz):

CAPE

Convective Available Potential Energy

Negatív terület (stabil szakasz):

CIN

Convective Inhibition

Az az energia, ami a szabad emelkedési szint felett a feláramlás gyorsításához rendelkezésre áll.

Az az energiagát, amit az emelkedő légrésznek le kell küzdenie, hogy a szabad emelkedési szintet elérje.

Kis CAPE, nagy CIN:  stabil rétegződés Nagy CAPE, kis CIN:  záporos, zivataros időjárás Nagy CAPE és CIN:  kevés, de heves zivatar

CAPE és CIN

Pozitív terület (labilis szakasz):

CAPE

Convective Available Potential Energy

Negatív terület (stabil szakasz):

CIN

Convective Inhibition

Az az energia, ami a szabad emelkedési szint felett a feláramlás gyorsításához rendelkezésre áll.

Az az energiagát, amit az emelkedő légrésznek le kell küzdenie, hogy a szabad emelkedési szintet elérje.

Az emagramon az emelkedő részecske és a környezet hőmérsékleti profilja által közrefogott terület.

Energia dimenziójú (

J

) mennyiség.

Kis CAPE, nagy CIN:  stabil rétegződés Nagy CAPE, kis CIN:  záporos, zivataros időjárás Nagy CAPE és CIN:  kevés, de heves zivatar

A planetáris határréteg

A légköri turbulencia

• Turbulencia hatása: hatékony átkeverés • Mi okozza a turbulenciát?

– Termikus turbulencia: – Mechanikai turbulencia:

konvekció szélnyírás

• Mindkettő a felszínhez közel a legnagyobb!

Videó itt!

Videó

A légköri turbulencia

• Az a felszín feletti tartomány, ahol a turbulencia átkeverő hatása jelentős, a

planetáris határréteg

.

• Mit kever át a turbulencia?

– Hőmérsékletet (fentről lefelé, adiabatikusan) – Szennyezőanyagokat (lentről felfelé, hígulás!) – Nedvességet (köd feloszlása!) – Momentumot (szélerősséget) • Mitől függ a turbulencia erőssége?

– Stabilitás és besugárzás (nyári, nappali max.) – Szélerősség

A planetáris határréteg napi menete

Videó!

A planetáris határréteg

• A planetáris határréteg tipikus magassága: – Nyári nappalokon • 1000-2000 m (850 hPa) – Téli nappalokon • 500-800 m (925 hPa) – Derült éjszakákon • 20-100 m (stabil éjszakai határréteg) • A határréteg-magasság pontos értéke függ: – besugárzás, borultság, labilitás, talajnedvesség, felszínhasználat, domborzat, felhőalap-magasság… • Ahol a határréteg biztosan véget ér: – Ahol a hőmérséklet felfelé emelkedni kezd: felhőalap v. inverziók

Inverziók

+1

Inverzió

• Rendkívül stabil rétegződés – Gyilkolja a turbulenciát és a konvekciót • A hőmérséklet emelkedik a magassággal • Az inverzió, mint „kupak”, elszigeteli az alatta lévő levegőt a magasabb szintektől • Az inverziós réteg hullámzik (gravitációs hullámzás) • A tartósan fennmaradó inverziók szmoghelyzet kialakulásához vezethetnek

Az inverzió csak a termikus turbulenciát szünteti meg. Mi történik, ha a rétegződés stabil, de erős szélnyírás van?

Kelvin-Helmholtz féle felhők

Videó!

Az inverzió csak a termikus turbulenciát szünteti meg. Mi történik, ha a rétegződés stabil, de erős szélnyírás van?

Kisugárzási inverzió

• Derült éjszakákon – A felszín és a talajközeli levegő gyorsan hűl – Turbulencia híján a fenti melegebb levegő nem keveredik le • Késő ősszel és télen kisugárzási köd és hideglégpárna kialakulásához vezethet • Felszakadása: erősödő szél, melegadvekció, besugárzás (napkelte)

Kisugárzási inverzió

http://weather.uwyo.edu

• Leszálló levegő felmelegszik (pl. anticiklonban) • A legnagyobb leáramlás helyén inverzió lép fel – kb. 700 hPa • Elfojtja a kialakulóban lévő konvekciót.

Zsugorodási inverzió

Zsugorodási inverzió

http://weather.uwyo.edu

Völgyi inverzió

• Hegyről lezúduló levegő felmelegszik (  főn) • A völgy mélyén megül a hideg levegő

Völgyi inverzió

Parti inverzió

A felszín közelében a hideg óceán felől fújó szél lehűti a part feletti levegőt.

• elsősorban hideg tengeráramlatok közelében figyelhető meg

• Hidegfrontok mentén • A hideg levegő a felszín közelében előretör • Általában erős széllel jár és rövid ideig tart, ezért a többi inverzióval ellentétben nem jelenik meg benne köd vagy szmog

Frontális inverzió

Összefoglalás

• •

A légkör vertikális szerkezete

– Troposzféra: időjárás – Sztratoszféra: ózonréteg – Mezoszféra, termoszféra

Konvekció

– Függőlegesen elmozduló légrészt vizsgálunk – Száraz adiabatikus hőmérsékleti gradiens – Stabil és labilis hőmérsékleti rétegződés – Nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiens – Feltételes instabilitás – Kondenzációs szint, szabad emelkedési szint – CIN és CAPE • Planetáris határréteg – Mechanikai és termikus turbulencia – A határréteg-magasság napi és évi menete – A határréteg jelentősége az időjárás alakításában –

Inverziók

– Kisugárzási inverzió – Zsugorodási inverzió – Völgyi inverzió – Parti inverzió – Frontális inverzió