A légköri jelenségek, törvényszerűségek elméleti közelítése, időjárás-előrejelzés

Egyetlen család sem tett többet a légkördinamika, az elméleti meteorológia területén, mint a norvég Bjerknes

„dinasztia”. Carl Bjerknes (1825–1903) ösztöndíjas (1.9. ábra) utazásai során a Göttingeni Egyetemen járt, s meghallgatta a híres matematikus-fizikus professzor, L. Dirichlet hidrodinamikai előadásait. Ezek olyan mély benyomást tettek rá, hogy odahagyva a norvégiai kongsbergi ezüstbányákban betöltött mérnöki állását élete végéig a hidrodinamika területén tevékenykedett.

1.9. ábra: Carl Bjerknes (1825–1903)

1.10. ábra: Vilhelm Bjerknes (1862–1951)

Fia, Vilhelm Bjerknes (1862–1951) elsőként dolgozta ki a hidrodinamikának és a termodinamikának egy olyan szintézisét, amely jól alkalmazhatónak bizonyult a nagyskálájú légköri és óceáni cirkuláció leírására. 1904-ben, a Meteorologische Zeitschriftfolyóiratban publikált írásában felvázolja a numerikus időjárás-előrejelzés alapjait.

Több mint 100 éve írta le Vilhelm Bjerknes az alábbi, mindmáig érvényes megállapításait az előrejelzésről: (1)

„… a jövőbeni légköri állapotok törvény szerint a korábbiakból fejlődnek ki, így a meteorológiai előrejelzés problémájának megoldásához elegendő megfelelő pontossággal ismernünk a légkör állapotát egy adott pillanatban, valamint azokat a fizikai törvényszerűségeket, melyek alapján az egyik légköri állapot a másikból kifejlődik”. (2)

„… egy időpontra a légköri jellemzők értékeit a következő egyenletek alapján számíthatjuk ki: (i) a három hidrodinamikai mozgásegyenlet, (ii) a kontinuitási egyenlet, (iii) a légkör állapotegyenlete, (iv) a termodinamika két főtétele”. A fenti elveken alapuló ún. dinamikai vagy numerikus előrejelzések gyakorlati megvalósítása ekkor még lehetetlen volt. 1921-ben Angliában L.F. Richardson vezetésével sok szakember háromhavi munkájával sikerült csak egy háromórás előrejelzést végigszámolni(!). Fél évszázadot kellett még várni a nagyteljesítményű számítógépek megjelenésére, melyek műveleti sebessége már lehetővé tette az időjárás numerikus előrejelzését.

Vilhelm Bjerknes 55 évesen (1.10. ábra) megalapította a Bergeni Geofizikai Intézetet, melyet a szakirodalom a híres „Bergeni Iskola”-ként tart számon.

E műhely munkájába olyan neves tudósok kapcsolódtak be, mint T. Bergeron, H. Solberg vagy C.G. Rossby.

Néhány év alatt kiemelkedő jelentőségű tudományos munkák születtek. Itt készült el az időjárási frontoknak, mint a hideg és meleg légtömegek határfelületeinek első igényesebb elemzése.

Kidolgozták a mérsékeltövi ciklonok keletkezésének modelljét és az ún. polárfront-elméletet. Elméleti megfontolásokkal és mérési eredményekkel alátámasztva feltérképezték a mérsékeltövi ciklonok szerkezetét, felhő-és csapadékrendszerét (1.11. ábra), útvonalát, élettartamát. Itt kfelhő-észültek az első összetettebb, időjárás-előrejelzfelhő-ésére szolgáló analizált térképek, az ún. szinoptikus térképek (1. 12. ábra).

1.11. ábra: Fiatal ciklon sematikus rajza, s metszetei. (A „Bergeni Iskolában”, azaz a Bergeni Geofizikai Intézetben a XX. század elején rajzolt eredeti ábra alapján készült. Forrás: Makainé és Tóth, 1978)

1. 12. ábra: Az időjárás előrejelzésére szolgáló ún. szinoptikus térkép, melyek első prototípusai a Bjerknes által vezetett Bergeni Geofizikai Intézetben készültek a XX. század elején. A talajszinti térképen az alacsony és magas

nyomású centrumokat hidegfrontok (a front vonalán háromszögekkel), illetve a melegfrontok (a front vonalán félkörökkel) választják el. (Forrás: NASA – Könyvtár, 2005)

Az 1.12. ábra egy talajszinti térképet mutat, melyen jól láthatók az alacsony és magas nyomású centrumok, s az őket elválasztó hidegfront-szakaszok (a front vonalán háromszögekkel), illetve a melegfrontok (a front vonalán félkörökkel). A két világháború között ennek az „iskolának” a nagy teoretikusai emelték a meteorológiát önálló elméleti tudománnyá a fizikai hidrodinamika terén kifejtett munkásságukkal. Vilhelm Bjerknes fia Jacob Bjerknes (1897–1975) is itt dolgozott, immár a család harmadik generációjának képviseletében (1.13. ábra), mígnem áttelepült Amerikába. Jacob Bjerknes egész életében a nagytérségű légkör-óceán kölcsönhatásokkal, a légköri oszcillációs folyamatokkal, s az éghajlat változásával foglalkozott. Távkapcsolatokat elemzett, a Csendes-óceán egyenlítői

régióját esetenként drámaian érintő El Niño-jelenségkör más oszcillációs folyamatokkal való összefüggéseit vizsgálta egészen 1975-ben bekövetkezett haláláig.

1.13. ábra: Jacob Bjerknes (1897–1975)

A második világháborúban, s az azt előkészítő időszakban óriási technológiai fejlesztések történtek a katonai hadműveletek (felderítés, szállítás, támadás) számára fontos légierőben. A biztonságos repüléshez nélkülözhetetlenek a meteorológiai előrejelzések, így ezek fejlesztésére operatívan beindultak a légkör vertikális szerkezetét feltérképező rádiószondás felszállások.

A légkörről így a továbbiakban már három dimenzióban álltak rendelkezésre mérési adatok. A sűrűbb mérőhálózat, s a digitális számítógépek megjelenése lehetővé tette, hogy a numerikus időjárás-előrejelzés Vilhelm Bjerknes-i gondolata újra előkerülhessen.

Az első nagyobb kapacitású számítógépet a magyar származású, Amerikában élő Neumann János készítette el, s döntése alapján a kísérleti felhasználások területén az egyik legnagyobb prioritást az időjárás-előrejelző modellek kapták. Az ezt követő évtizedekre egyrészt a számítástechnika, az elektronika minden előzetes elképzelést felülmúló fejlődési üteme, másrészt az újabb és újabb mérési-megfigyelési és adattovábbító rendszerek (elsősorban a meteorológiai távérzékelő eszközök, mint pl. radartechnika, műholdas megfigyelő rendszerek stb.) megjelenése jellemző. Az utóbbi évtizedekben a nemzeti meteorológiai szolgálatok összefogása révén az előrejelző munka jelentős része a nagyobb regionális- és világközpontokban folyik.

A légkör a Földet körülvevő különböző gázok, továbbá szilárd és cseppfolyós részecskék keveréke. A nitrogén és az oxigén a legnagyobb koncentrációban a földi légkörben van jelen. A naprendszer többi bolygójának légköre alapvetően különbözik összetételében, melyet egyéb információk feltüntetésével a 2.1. táblázat szemléltet. Ebben a fejezetben röviden áttekintjük a földi légkör kialakulását és jelenlegi légkörünk felépítését.

2.1. táblázat: A Nap és bolygóinak fontosabb jellemzői

Fontosabb légköri

(*) A Merkúrnak gyakorlatilag nincs légköre, 260 °C a napsütötte oldal felszínhőmérséklete (**) 2006 óta kisbolygónak tekintjük

2.1. A földi légkör kialakulása

Feltevéseink szerint több milliárd évvel ezelőtt a csillagközi por és gáz (főképp hidrogén) gravitációs ereje folytán egy centrum köré kezdett összesűrűsödni. Miközben e kozmikus felhő koncentrálódott, egyre intenzívebb forgásba kezdett ahhoz hasonlóan, ahogy egy műkorcsolyázó piruett közben közelebb húzza karjait testéhez, s ettől forgása gyorsabbá válik. A centrum körül az összesűrűsödő por és gáz mind jobban felmelegedett, olyannyira, hogy hőmérséklete a több millió fokot is elérte. Az így beinduló magfúzió során óriási mennyiségű energia szabadult fel, s a hidrogén elkezdett héliummá átalakulni. Így született a Nap. A körülötte lévő ritkább anyag újabb centrumok köré kezdett koncentrálódni, amelyek – lényegesen kisebb tömegük folytán – nem tudtak olyan erősen felmelegedni, ezért a magreakció sem indult el. Ezekből alakultak ki a bolygók, köztük a Föld is.

A Föld kialakulása kb. 4,6 milliárd évvel ezelőttre tehető, őslégköre döntően hidrogénből és héliumból állt, továbbá kisebb mértékben a hidrogén egyszerűbb vegyületeiből, pl. metánból (CH₄) és ammóniából (NH₃). Mivel e gázok rendkívül könnyű molekulákból állnak, a világűrből becsapódó szilárd anyagok és a beérkező napsugárzás energiájának hatására a Föld gravitációs erejét legyőzve hamar elhagyták a légkört. Ezzel a Föld lényegében elvesztette őslégkörét. Ugyanakkor a bolygónk forró belsejében megmaradt gázok az igen erős vulkáni tevékenység révén fokozatosan a felszínre jutottak. E gázok – döntően a vízgőz (H₂O), a szén-dioxid (CO₂) és kevés nitrogén (N₂) – alkották a Föld később kialakult másodlagos légkörét.

Több százmillió év alatt – miközben a gázok kipárolgása folyt – a légkör fokozatosan lehűlt, ezért megindulhatott a vízgőz kondenzációja. Az így keletkező felhőkből lehulló csapadék hozta létre a folyókat, tavakat és óceánokat.

Ezzel egyidejűleg a légköri szén-dioxid nagy részét az óceánok elnyelték. (Az óceánok ma is nagy mennyiségű szén-dioxidot tárolnak.) A vízgőz kondenzálódásával, s a szén-dioxid óceánokban való elnyelődésével párhuzamosan a légkörben fokozatosan feldúsult a kémiailag meglehetősen inaktív nitrogén.

Csillagászati megfigyelések mutatják, hogy egy fiatal csillag sokkal több ultraibolya sugárzást bocsát ki, mint jelenleg a Nap. Így a Földet érő nagy mennyiségű ultraibolya sugárzás a vízgőzt hidrogén és oxigén atomokra bontotta (fotodisszociáció). A könnyű hidrogén a világűrbe szökött, míg a nehezebb oxigén légkörünkben maradt, így fokozatosan nőtt a koncentrációja. Egyes feltételezések szerint körülbelül 2–3 milliárd évvel ezelőtt lett elegendő oxigén ahhoz, hogy primitív növények létrejöhessenek. Mivel a növények a fotoszintézis során a szén-dioxid felvétele mellett oxigént bocsátanak ki, a légkör oxigénben egyre gazdagabbá vált és néhány százmillió évvel ezelőtt nagyjából elérte a napjainkban megfigyelhető koncentráció-szintet.