Transcript Turbulencia, légköri szennyezőanyagok terjedése

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
Lamináris
határréteg
Turbulens
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
Felszín – légkör kölcsönhatások
A hőmérsékleti rétegződés szerepe:
magasság
labilis légrétegződés
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
Felszín – légkör kölcsönhatások
Logaritmikus szélprofil


tapasztalat: a felszín közelében kisebb a szélsebesség.
Könnyen belátható: u  a
z
z
Felszín – légkör kölcsönhatások

Dimenzió analízis segítségével levezethető: a=[m s-1]
u
a
k
k: von Kármán konstans (=0.4)
u*: súrlódási sebesség, ~ momentum átvitel
intenzitásával
u u 

z kz

u*  z 
u z   ln  
k  z0 
z0: érdességi magasság: az a magasság, ahol u=0.

Magas vegetáció esetén a szélprofil megemelkedik
u*  z  d 

u z   ln
k  z0 
z0= érdességi magasság
d: 0-pont eltolódási szint
d=0.6*h
z0=0.1*h
Felszín – légkör kölcsönhatások
z0
d
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* 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
3m
0.05 m
u z gyep
u z erdő

u*gyep
u*erdő
  z  d gyep  

 ln 

  z0, gyep   u*gyep

 

u*erdő

 ln  z  d erdő  
  z0,erdő  


  40  0,3  
 ln  0,05   u
   *gyep 3.39
 
  40  18   u*erdő
 ln  3  


Vagyis, ha ugyep = u erdő 40 méter magasan, akkor a hányadosuk 1, tehát:
1
u*gyep
u*erdő
3.39
u*erdő  u*gyep 3.39
Fluxus: 1ségnyi idő alatt 1ségnyi felületen átáramló anyag mennyisége
Gradiens: adott mennyiség vmilyen irányú megváltozása
Kiiindulás: Fick diffúziós törvénye: F  K
c
z
K: örvényes diffúzivitás [m2s-1]
u
z
Momentum áram:
  a K m
Szenzibilis hőáram:
H  a c p K h
Látens hőáram:
Szén-dioxid áram:
E 
Fco
2

z
a c p
e
Kv

z
c
 a K c
z
A gradienseket meg tudjuk
mérni, az örvényes diffúzivitást
viszont becsülni kell
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
KM 
τ
u
ρ
z
τ  ρu*2
u*  kz
u
z
 u 
k
z
 
τ
u*2
 z   k 2 z 2 u
KM 


u
u
u
z
ρ

z
z
z
2
2 2
Szenzibilis hőáram:
Látens hőáram:
H  ac p k 2 z 2
u 
z z
ac p 2 2 u e
E 
k z

z z
Felszín – légkör kölcsönhatások
Szenzibilis hőáram:
Látens hőáram: (párolgás)
u  u T  T 
ρc k u
H  ρc k
E 


2
2
p
2
1
1
z d 
ln z  d 

 
2
2
2
1
Ezeket tudjuk:
: a sűrűség (1,2 kg m-3),
cp: a levegő hőkapacitása (1005 J kg-1 K-1),
k: von Kármán féle állandó (0,4),
: pszichrometrikus állandó (0,65 mbar/°C)
Ezeket megbecsüljük:
z1, z2:a két szint felszín feletti magassága,
d: kiszorítási rétegvastagság,
(növényzet magasságának 60%-a)
p

2
 u1 e1  e2 
  z 2  d 
ln z  d 

  1
Ezeket mérjük:
u1, u2: a szélsebesség
T1, T2: a hőmérséklet,
e1, e2: gőznyomás
2
Energia mérleg módszer
K 
Rn  G

e 
a  c p



z

z


Bowen arány módszer:
H

E
Ae  H  E
Ennél a módszernél elég 2
szinten mérni a
hőmérsékletet és a
nedvességet, valamint egy
szinten a sugárzási
egyenleget.

Ebből az áramok:
Ae
E 
1 
Visszahelyettesítve:
Ae
H
1 
T
H
z   T


e
E c
e
K

z
c K
p
H
p
V
Feltesszük, hogy KH=KV
1
A rendelkezésre álló
energia becsülhető, mint a
sugárzási egyenleg 90%-a.

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
Reynolds átlagolás:
x  x  x
A jellemző pillanatnyi értéke (A) felírható, egy átlag (A), és az
attól való eltérés (A’), az ún. fluktuáció összegeként.
 A  A  A  A  A  A  A
fluktuáció
átlag
A  0
A  B  A  B
cA  cA
A B   A B
Fluxus: a koncentráció és a vertikális sebesség szorzata


Fx   x w

Fx   x   w  w   x w   ' x w'   ' x w   x w'
'
x
'
Az anyagmegmaradás elve miatt:
w0
Tehát:
Fx   x w 


Momentumáram:
  u*2   u' w' v' w'
Szenzibilis hőáram:
H  c p w ' Ts '
Látens hőáram:
E  Lw' q'
CO2 áram:
FCO2   w'CO2 '
1/ 2
Footprint – forrásterület:
u z m u / u*  zm / kx 
Fx 
e
2
u* kx
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
 kis távolságú transzport: szállítás + turbulens diffúzió
- városi
- regionális
 nagy távolságú transzport: szállítás, koncentráció változás: kémiai
- kontinentális
reakciók, ülepedés
- globális
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