2019. november 21., csütörtök

Egy kitűnő könyv apropójából. Hetedik rész: A légáramlások modellezése

Érdekességek - Publikálva: 2019-09-28 15:54

Cikksorozatom eddigi részeiben a meteorológia fejlődésének történeti áttekintésével, illetve az időjárás-megfigyelés, előrejelzés szervezeti kereteivel foglalkoztam. Az írásaim alapját képező könyv tematikáját követve, most áttérek az előrejelzések fizikai alapjainak tárgyalására. A szerző Koppány Györgynek hála, ez a rész se fog nélkülözni tudománytörténeti adalékokat. Ezek -remélem- színesebbé teszik majd a fizikai-földrajzi összefüggések szikár közlését.             

                                                                  

                                                                        

                                        Koppány György meteorológus, nyugalmazott egyetemi tanár (1932-2016)

 

"Részben a tengereken való hajózás, részben helyi megfigyelések során az ember fölismerte, hogy a látszólag szeszélyes légmozgásokban bizonyos rendszer uralkodik. Vannak egy-egy földrajzi tájhoz kötött szélrendszerek: parti szél, hegy-völgyi szél, bóra, kossava, főn, misztrál stb. Bár létrejöttük okát sokáig nem ismerték, hatásukat annál inkább tapasztalták. Nagyobb térségeket áttekintve is elég jól elkülöníthető zónákat találunk, amelyekben meghatározott szélirányok uralkodnak: a 30. szélességek és az egyenlítő között keleties szelek (az északi félgömbön északkeleti, a délin délkeleti passzátok), a 30. szélességek környékén túlnyomórészt szélcsend, a 60-70. szélességekig nyugati, délnyugati szelek, a sarkkörök és a pólusok között keleties szelek dominálnak. A földi méretű légáramlások sémájának megalkotására, valamint kialakulásuk fizikai magyarázatára először az angol George Hadley (1735) vállalkozott. Elképzelése szerint az egyenlítő közelében erősen fölmelegedett levegő a magasba emelkedik, majd a felsőbb rétegekben a pólusok felé áramlik. Az egyenlítőtől szétáramló levegő tömegével egyensúlyt tart az alsó rétegekben a pólusok felől áramló levegő tömege. Az egyenlítő és a pólusok között egyetlen hatalmas, zárt (direkt) cirkuláció biztosítja a hőegyensúly fennmaradását. A nedvességszállítás ebben a sémában több nedvességet juttat az egyenlítőre, ezért ott a legtöbb a csapadék, de nem ad magyarázatot a séma az 50-60. szélességek csapadékbőségére, sem a poláris keleti áramlásokra."

Látjuk, hogy Hadley globális cirkulációs sémája bár figyelembe veszi a newtoni mechanika klasszikus tömeg és energia-megmaradási törvényeit, nem veszi figyelembe a Coriolis-erőt. Hogy a séma alapvetően eltér a valóságos viszonyoktól, éppen ennek a következménye. Ilyen egycellás légkörzés akkor alakulhatna ki, ha a Földnek nem volna tengelyforgása. A Coriolis-effektus számításon kívül hagyására Hadleynek komoly mentsége van: Coriolis nem volt a kortársa. A francia mérnök-matematikus több generációval fiatalabb, csupán 1792-ben született meg. Viszont az effektus fizikai alapjai Newton óta ismertek voltak. Azaz bárki a homlokára csaphatott volna, és megfogalmazhatta volna a törvényszerűséget jóval Coriolis előtt. Érdekes módon ez nem történt meg: a tudás útja néha elég kacskaringós.

"A XIX. sz.-i megfigyelések gyarapodásával kiderült, hogy a mérsékelt övben az északi félgömbön délnyugati áramlás az uralkodó, nem pedig északnyugati, amely megfelelne a Hadley-féle sémának. Magyarázatot kellett adni arra, hogy ha a passzátszelek az egyenlítő felé, a délnyugati szelek észak felé szállítják a levegőt, akkor mi biztosítja a légtömegek tömegegyensúlyát? Erre a kérdésre H. W. Dove adott választ (1837). Dove sémájában a passzátcirkuláció az egyenlítőtől kb. a térítőkörökig terjed, a pólus és a térítőkör között pedig egymás mellett találhatók a délnyugati és az északkeleti áramlások. A térítők és a pólusok között a séma szerint nincs horizontális tengelyű cirkuláció. Már a XIX. sz. második felében, majd a XX. sz. első évtizedeiben több kutató is megalkotta az általános légkörzés háromcellás modelljét (W. Ferrel, 1856-59; V. Bjerknes, 1921). Különösen klasszikussá vált és széles körben elterjedt T. Bergeron (1928) háromcellás cirkulációs sémája. A háromcellás modell két direkt cirkulációs cellából (a Hadley-féle passzát cellából és a poláris cellából) áll."

A háromcellás modell üdítően frappáns megoldást nyújt a teljes féltekére kiterjesztett Hadley-féle cirkulációs séma képtelenségeire. Az egyenlítő és a sarkok közötti egyetlen cirkulációs cella feltevése több szempontból problematikus. Egyrészt a nyomáskülönbségből eredő gradienserő hatására délkör szerint elmozduló légtömegeket a Coriolis-erő "elgáncsolja", kitéríti eredeti mozgásirányukból. Méghozzá az északi féltekén jobb kéz felé, a délin bal kéz felé. A 30. északi szélesség és a pólus közötti északnyugati szélrendszer már csak emiatt sem létezhet. Fejtörést okozhat a földgömb geometriája is: az egyenlítőtől a sarkok felé áramló levegő a szűkülő szélességi körök miatt elsősorban a sarkok közelében igen erősen összetorlódna. Ilyet viszont a valóságban nem tapasztalunk. Meg kell még jegyezni, hogy a  háromcellás cirkulációs séma abban különbözik a Dove-félétől, hogy nála létezik horizontális tengelyű cirkuláció a térítők és a pólusok között is. A levegő nagyjából az 50. és a 60. szélességi körök között felemelkedik, majd a póluson, illetve a térítőn leszáll. Emiatt féltekénként három vertikális cirkulációs gyűrű alakul ki. Ezek elnevezése délről északra haladva: Hadley cella, Ferrel cella, Poláris cella.

"Energetikai szempontból ez azt jelenti, hogy a passzát és a poláris cirkulációs cella kinetikus energiát termel a potenciális energia rovására, mivel itt a felszálló ág a melegebb, a leszálló ág a hidegebb levegőben van. A mérsékelt övi cirkuláció ezzel szemben kinetikus energiát alakít át potenciális energiává, a felszálló ág ui. a hideg, a leszálló ág a meleg levegőben van. A mérsékelt övi ciklonok energetikai elemzése azonban arra az eredményre vezetett, hogy ezekben az örvényekben a vízgőz kicsapódásakor jelentős mennyiségű latens hőenergia szabadul fel. Palmén (1958) számításai szerint 2-3 intenzív ciklonban annyi kinetikus energia keletkezik, mint amennyi a 30. szélességtől a pólusig az átlagos áramlásból a súrlódás révén fölemésztődik."

A mérsékelt övi ciklonokba nemcsak a ciklogenezisben részt vevő vízszintes légáramlások kinetikai energiája, és az eltérő légtömegek hőkülönbségéből adódó potenciális energia "dolgozódik be", hanem a vízgőz kicsapódásakor felszabaduló latens (lappangó) hőenergia is. Ez utóbbi, úgy látszik, jelentős nagyságú, amellett önerősítő módon fokozza a felszálló légmozgások támogatásán keresztül magát a kicsapódást. Továbbá erre vezethető vissza, hogy a ciklonok a tengerfelszín fölötti páratelt levegőben "érzik jól magukat", a szárazföldek belsejébe helyeződve rendszerint gyengülnek.

"A mérsékelt és magas szélességeken jellemző az intenzív ciklonális és anticiklonális örvények váltakozása egy adott szélességi kör mentén. A magasabb rétegekben ugyanakkor nagy amplitúdójú háborgások: alacsony nyomású teknők és magas nyomású gerincek váltogatják egymást. Ezért egyre inkább elterjedt az a szemlélet, amely szerint a 30. szélességek és a pólusok között a meridionális (délkör menti) cirkuláció fő hordozói a vertikális tengelyű örvények, ill. hullámszerű háborgások, míg a horizontális tengelyű cirkulációs cellák alárendelt szerepet játszanak. Az ún. Panofsky-sémában az elmondottaknak megfelelően egyetlen horizontális tengelyű cirkulációs cella van, a passzátcirkuláció. A 30. szélességek és a pólusok között a hullámszerű háborgások, illetve vertikális tengelyű makroméretű örvények (a mérsékelt övi ciklonok) bonyolítják le a délkör szerinti kicserélődést. Az előbbit Hadley-féle, az utóbbit Rossby-féle cirkulációnak is szokás nevezni. Az utóbbi elnevezés C. G. Rossby nevéhez fűződik, aki a planetáris hullámok elméleti-dinamikai vizsgálatában végzett alapvető munkát az 1930-as években. Feltűnő a hasonlóság a Panofsky által 1956-ban szerkesztett séma és a Dove által 1837-ben előállított séma között. Mivel a 30. szélességek és a pólusok közötti meridionális levegőcserét az alsó rétegekben 1500-3000 km átmérőjű örvények, mintegy 5 km magasság fölött pedig főként 5000-10000 km hosszúságú hullámszerű háborgások bonyolítják le, ezt az áramlási formát makroturbulenciának vagy egyszerűen turbulenciának is nevezik."

A fentiekből következik, hogy a Hadley-féle cirkulációs sémának is megvan a létjogosultsága, csak nem az egész féltekére nézve, hanem az egyenlítőtől a 30. szélességekig terjedő területen. Itt nagyjából érvényes Hadley egycellás elképzelése. Innentől északra és délre a pólusokig a Rossby-cirkuláció érvényesül. Az itt kialakuló Rossby-hullámoknak bárikusan a teknők és a gerincek felelnek meg. A hullámok élén halad a poláris jet, a futóáramlás. Ez a Ferrel és a poláris cella határán a magaslégkörben elhelyezkedő rendkívül gyors nyugatias légáramlás, ami körbe meanderezi a féltekét. Létezik egy másik, a szubtrópusi jet is, ez a Hadley és a Ferrel cella határán jön létre.  A szubtrópusi jet gyengébb és jelentéktelenebb a poláris jet-nél. Mindenképp ide kívánkozik, hogy az ember késztetést érez a kalapemelésre az elmúlt, közel 150 év elméleti légkörfizikusai, meteorológusai előtt. Nagy koponyáknak kellett lenniük, hogy a rendelkezésre álló mérési adatok alapján ilyen előremutató elméleteket voltak képesek felállítani a globális légkörzést illetően.Ők még nem tudtak közvetlenül ránézni a földgolyóra, műholdak akkoriban nem voltak.

"Az általános földi légkörzésnek eddig tárgyalt sémáiban nem voltunk tekintettel a földrajzi hosszúságok szerint tagolódó áramlásokra. A valóságban megfigyelt légáramlások sokévi átlagait szélességi körök szerint (zonálisan) átlagolva vizsgáltuk, ezért az így áttekintett globális légáramlást zonálisan szimmetrikus cirkulációnak nevezzük. Ezzel szemben a hosszúság szerint változó cirkulációban a mért széladatokat csak idő szerint átlagoljuk, az elfogadott átlagolási időtartam 20-30 év. Míg a zonálisan szimmetrikus cirkulációban az évszakok változásával a cirkuláció csupán észak-déli irányban tolódik el (az egyes áramlási övezetek nyáron a magasabb, télen az alacsonyabb szélességek felé húzódnak), addig a hosszúság szerint változó cirkulációban az alapvető áramlásrendszerek teljesen átalakulnak, vagy helyet cserélnek egyik évszakról a másikra. Az egyes hosszúságokon kialakuló áramlások főleg a tengerek és a szárazföldek eloszlásától függenek. Az óceánok télen viszonylag melegek, ezért hőforrásként, nyáron aránylag hűvösek, így hőnyelőként működnek. A szárazföldek fordított értelemben hatnak: télen hőnyelők, nyáron hőforrások. A télről nyárra irányukat erősen megváltoztató szélrendszereket monszunnak nevezik. Az elnevezés az arab mausim (évszak) szóból ered. A monszun szót először az Arab-tengeren föllépő szélrendszerre használták, itt ui. a  nyári félévben délnyugati, a téli félévben északkeleti szél uralkodik. Később a monszun elnevezést a világ más vidékein is használni kezdték, így pl. Európában is, ahol nyáron az északnyugati, télen leginkább a délnyugati szél a jellemző. Nyáron ui. az Atlanti-óceán fölött általában magasabb, az eurázsiai kontinensen alacsonyabb légnyomás uralkodik, télen fordítva. A sokat vitatott "európai monszun" sajátságos klímát alakít ki Közép-Európában, így hazánkban is. (A vita abból ered, hogy az évszakos szélfordulás itt nem eléggé markáns, legalábbis a Dél-Ázsiában tapasztalt 180 fokos szélfordulással összehasonlítva.) Az európai kontinens tavasszal nagyon erősen fölmelegszik, az Atlanti-óceán ugyanakkor nagy hőtehetetlensége miatt hűvös marad. Az óceán és a kontinens közötti hőmérsékleti kontraszt május végén, június elején éri el maximumát. A légkör az ellentétek kiegyenlítésére törekszik: megindulnak a hűvös, óceáni léghullámok a szárazföld belseje felé. Ezért néha már májusban, máskor június elején a hőmérséklet visszaesik, gyakoriak a kiadós záporok, zivatarok (jégesők), a felhőzet átmenetileg megnövekszik. Augusztus végén, szeptember elején az óceán aránylag még meleg, a szárazföld már hűlni kezd, a hőmérsékleti kontraszt  minimumra csökken. Az eredmény: megszűnik a hűvös tengeri levegő beáramlása, a felhőképződés gyakorisága csökken, csendes késő nyári, kora őszi napos időjárás válik jellemzővé. Szeptemberben éppen ezért az évi menettel ellentétben a hőmérséklet átmenetileg emelkedni kezd ("vénasszonyok nyara"). Az általános földi légkörzés tanulmányozásakor nem szabad megfeledkeznünk, hogy a planetáris méretű légáramlások hőt, nedvességet, és -a földforgásból eredő- impulzusmomentumot szállítanak egyik helyről a másikra. A tapasztalat szerint hosszú idő átlagában a légkör minden pontján egyensúly áll fenn az oda- és elszállított hő-, nedvesség-, és impulzusmomentum-mennyiségekben. Éppen ezért ezeket a mennyiségeket megmaradó mennyiségeknek is szokták nevezni. Az egyensúly megmaradását az általános légkörzésnek kell biztosítania, ezért az előzőekben tárgyalt sémák közül azt tekintjük elfogadhatónak, amelyik a megmaradó mennyiségek egyensúlyát megmagyarázni képes."

A következő részben az egyensúlyokkal: a hőegyensúllyal, a vízforgalom egyensúlyával, és az impulzusmomentum egyensúlyával ismerkedhetünk meg.

 

 

Vissza a hírek főoldalra