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 koordinátarendszerMiért 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:

RT

gMzexppp 0

Nyomási koordinátarendszerNyomás – magasság átváltás:

• Nyomási szint

• Réteg átlagos hőmérséklete!

Főizobárszintek:

1013,25 hPa referencia-légnyomás tengerszint

1000 hPa felszíni főizobárszint

925 hPa kb. 700 m téli határréteg-magasság

850 hPa kb. 1500 m nyári határréteg-magasság

700 hPa kb. 3000 m legnagyobb feláramlás

500 hPa kb. 5500 m Rossby-hullámok, tiszta geosztrófia

300 hPa kb. 9000 m jet stream

200 hPa kb. 11500 m tropopauza körülbelüli helye

Nyomási koordinátarendszerMitől függ az adott nyomási szint magassága?

• Nyomási szint

• Réteg átlagos hőmérséklete!

Nyomási koordinátarendszerMitől 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?

KonvekcióMiben 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?

Ez a száraz adiabatikus hőmérsékleti gradiens.

A felemelkedő levegő nem telített, nincs kondenzáció

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

kb. 1 °C / 100 m

m

K0098,0

dz

dT

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

IGEN: tovább emelkedik labilis NEM: megáll az emelkedése stabil

m

K98,0

dz

dT

Száraz adiabatikus hőmérsékleti gradiens A környező légkör hőmérsékleti profilja

z

T

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

Konvektív felhőalap-magasság, LCL

LCL=120⋅(T−T d )

Felszíni harmatpont-hiány

Felhőalap magassága méterben

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

Konvekció

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

Ez a nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiens.

A felemelkedő levegő telített, a kondenzáció hőt szabadít fel.

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

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.

s

A felhőalap elérése után a feláramlás a felhőben folytatódik.A felszabaduló kondenzációs hő melegíti a feláramló levegőt, növeli az instabilitást.

1. Cu humilis

2. Cu mediocris

3. Cu congestus (TCu) 4. Cb calvus

Kondenzációs szint (felhőalap) felett:

labilis!

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

Kondenzációs szint (felhőalap) alatt:

stabil

s

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.

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 CINAz emagramon az emelkedő részecske és a környezet hőmérsékleti profilja által közrefogott terület.Energia dimenziójú (J/kg) mennyiség.

Pozitív terület (labilis szakasz): CAPEConvective Available Potential Energy

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

Negatív terület (stabil szakasz): CINConvective Inhibition

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

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

Energia dimenziójú (J) mennyiség.

Pozitív terület (labilis szakasz): CAPEConvective Available Potential Energy

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

Negatív terület (stabil szakasz): CINConvective Inhibition

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

A planetáris határréteg

A légköri turbulencia

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

– Termikus turbulencia: konvekció– Mechanikai turbulencia: 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

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

Videó!

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

Zsugorodási inverzió

• Leszálló levegő felmelegszik (pl. anticiklonban)

• A legnagyobb leáramlás helyén inverzió lép fel– kb. 700 hPa

• Elfojtja a kialakulóban lévő konvekciót.

Zsugorodási inverzió

http://weather.uwyo.edu

Völgyi inverzió

• Hegyről lezúduló levegő felmelegszik ( főn)

• A völgy mélyén megül a hideg levegő

Völgyi inverzió

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

• elsősorban hideg tengeráramlatok közelében figyelhető meg

Frontális inverzió

• 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

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