ƒ ƒ A meteorológia szó eredete A meteorológia szó eredete

ÁLTALÁNOS ÁLTALÁNOS

METEOROLÓGIA

METEOROLÓGIA

ƒ ƒ A meteorológia szó eredete A meteorológia szó eredete

¾¾ AristotelesAristoteles: „: „MeteorologicaMeteorologica””

ƒ ƒ A meteorológia tárgya: A meteorológia tárgya:

¾¾ az ókorbanaz ókorban

¾¾ napjainkbannapjainkban

ƒ ƒ Ógörög eredetű szavak a meteorológiában: Ógörög eredetű szavak a meteorológiában:

kozmosz, asztronómia, szféra, atom, atmoszféra, homo kozmosz, asztronómia, szféra, atom, atmoszféra, homo--, , heteroszféra

heteroszféra, , tropotropo--, , sztratosztrato--, , mezomezo--, termo, termo--, , exoexo-, -, magnetoszféramagnetoszféra, , krioszféra

krioszféra, homogén, heterogén, , homogén, heterogén, barobaro-, -, bárikusbárikus, izobár, izoterma, , izobár, izoterma, ciklon, anticiklon, dinamika, sztatika,

ciklon, anticiklon, dinamika, sztatika, szinoptikaszinoptika, , aerológiaaerológia, , klimatológia, geológia, geográfia,

klimatológia, geológia, geográfia,

A meteorológiai helye a tudományok között

TERMÉSZETTUDOMÁNYOK M A T E M A T I K A

BIOLÓGIA KÉMIA FIZIKA F Ö L D T U D O M Á N Y O K

Geológia Oceanológia Hidrológia Geokémia Geofizika Földrajz

M E T E O R O L Ó G I A

Elméleti v. Szinoptikus Kozmikus Aerológia Ált. v. fizikai Bio- és agro- Hidro- Éghajlattan Dinamikus meteorológia meteorológia meteorológia meteorológia meteorológia (Klimatológia) meteorológia

A Föld légköre A Föld légköre

A Naprendszer több bolygójának szilárd tömegéhez A Naprendszer több bolygójának szilárd tömegéhez

kapcsolódó gázburok kapcsolódó gázburok

ƒƒ A légkör összetételeA légkör összetétele

ƒƒ A légkör kiterjedéseA légkör kiterjedése

ƒƒ A légkör tömegeA légkör tömege

ƒƒ A légkör szerkezeteA légkör szerkezete

ƒ ƒ A légkör összetétele A légkör összetétele

A Föld légköre = gázkeverék + cseppfolyós + szilárd anyagok A Föld légköre = gázkeverék + cseppfolyós + szilárd anyagok

diszperz rendszere diszperz rendszere

A légköri gázok osztályozásának szempontjai:

A légköri gázok osztályozásának szempontjai:

1. az illető gáz mennyisége térben és időben mennyire 1. az illető gáz mennyisége térben és időben mennyire

állandó;

állandó;

1a. állandó gázok (N1a. állandó gázok (N₂₂, O, O₂₂ és a nemesgázok): mennyiségük és a nemesgázok): mennyiségük hosszú időn át változatlan (nem geológiai időskálán!);

hosszú időn át változatlan (nem geológiai időskálán!);

1b. 1b. változó gázok (COváltozó gázok (CO₂₂, CH, CH₄₄, H, H₂₂, N, N₂₂O, OO, O₃₃)): mennyiségük : mennyiségük

rövidebb időn belül (néhány év, pár évtized) változik, s rövidebb időn belül (néhány év, pár évtized) változik, s koncentrációjuk térben is változik;

koncentrációjuk térben is változik;

1c. 1c. erősen változó gázok (CO, NOerősen változó gázok (CO, NO₂₂, NH, NH₃₃, SO, SO₂₂, H, H₂₂S): S):

mennyiségük igen rövid időtartamon (néhány nap, illetve mennyiségük igen rövid időtartamon (néhány nap, illetve hét) és kis területen belül is jelentősen megváltozik.

hét) és kis területen belül is jelentősen megváltozik.

2. A légköri gázok relatív mennyisége (térfogati aránya) 2. A légköri gázok relatív mennyisége (térfogati aránya)

2a. fő összetevők (N

2a. fő összetevők (N₂₂, O, O₂₂, CO, CO₂₂, Ar, Ar: 99,998 %); : 99,998 %);

2b. nyomgázok (2a.

2b. nyomgázok (2a.--n kívül az összes többi gáz); n kívül az összes többi gáz);

2c. szilárd és cseppfolyós anyagok (aeroszolok).

2c. szilárd és cseppfolyós anyagok (aeroszolok).

2b. + 2c. = nyomanyagok (közülük legfontosabbak: H 2b. + 2c. = nyomanyagok (közülük legfontosabbak: H₂₂O O

és az aeroszolok) és az aeroszolok)

ƒ ƒ A légkör kiterjedése A légkör kiterjedése

A légkör felső határát nem lehet megállapítani.

A légkör felső határát nem lehet megállapítani.

¾¾ elméleti számítások a légkör vastagságának elméleti számítások a légkör vastagságának meghatározására (G =

meghatározására (G = FF_cc); );

¾¾ napszakos, évszakos hőmérsékletváltozások; napszakos, évszakos hőmérsékletváltozások;

DEDE::

Támpontok a légkör kiterjedésének közelítő pontosságú Támpontok a légkör kiterjedésének közelítő pontosságú

megbecslésére:

megbecslésére:

1. 1. A meteoritok felvillanása:A meteoritok felvillanása:

Oka: súrlódás;

Oka: súrlódás;

Észlelhető: kb. 100 km, de 300

Észlelhető: kb. 100 km, de 300--500 km 500 km magasságban is!

magasságban is!

2. 2. A sarki fényA sarki fény: :

Oka: a Napból érkező hidrogénmagokat és Oka: a Napból érkező hidrogénmagokat és

elektronokat a

elektronokat a magaslégkörmagaslégkör gázatomjai gázatomjai gerjesztik.

gerjesztik.

Észlelhető: 60

Észlelhető: 60--400 km, de 1000 km 400 km, de 1000 km magasságban is!

magasságban is!

3. 3. A rádióhullámok visszaverődése: A rádióhullámok visszaverődése: Oka: a

Oka: a magaslégkörimagaslégköri ionizált (elektromosságot ionizált (elektromosságot vezető) rétegek, ahol a gázatomok egy vezető) rétegek, ahol a gázatomok egy része a Nap ibolyántúli és röntgen

része a Nap ibolyántúli és röntgen sugárzása miatt elektromos töltésű.

sugárzása miatt elektromos töltésű.

Észlelhető: 60

Észlelhető: 60--300 km között, de 3000 km 300 km között, de 3000 km magasságban is!

magasságban is!

ƒ ƒ A légkör tömege A légkör tömege

¾¾ Meghatározható a földfelszíni légnyomásmérések Meghatározható a földfelszíni légnyomásmérések alapján

alapján

m p A g

= ⋅ ^{N m 2} ₂^{m2 kg m s 2 m 2 m2 m 1 s2}

[ ]

m s

− − − −

−

⎡ ⋅ ⋅ ⎤ → ⎡ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⎤ →

⎢ ⋅ ⎥ ⎣ ⎦

⎣ ⎦

G m g F p A m g p A

= ⋅

= ⋅

⋅ = ⋅

Néhány számítási eredmény:

Néhány számítási eredmény:

Aujeszky

Aujeszky (1952): 5,275 * 10(1952): 5,275 * 10²¹²¹ gg Makra (1995): 5,136 * 10

Makra (1995): 5,136 * 10²¹²¹ gg Trenberth

Trenberth (1981): 5, 117 * 10(1981): 5, 117 * 10²¹²¹ gg

¾A légkör tömegének jelentős része az alsó 20 km¾A légkör tömegének jelentős része az alsó 20 km-es -es rétegben található.

rétegben található.

A légkör tömegének magasság szerinti eloszlása A légkör tömegének magasság szerinti eloszlása

50 %: 5,5 km alatt 50 %: 5,5 km alatt 90 %: 16,2 km alatt 90 %: 16,2 km alatt 95 %: 20,6 km alatt 95 %: 20,6 km alatt 99 %: 31,0 km alatt 99 %: 31,0 km alatt

99Homogén légkörHomogén légkör

Határozzuk meg a homogén légkör vastagságát!

Határozzuk meg a homogén légkör vastagságát!

G F

m g p A V g p A

A h g p A h g p

h p

g ρ

ρ ρ

ρ

=

⋅ = ⋅

⋅ ⋅ = ⋅

⋅ ⋅ ⋅ = ⋅

⋅ ⋅ =

= ⋅

2

[ ]

2 2 1 3 1 2

3 2

N m kg m s m kg m m s m

kg m m s

− − − − −

− −

⎡ ⋅ ⎤ → ⎡ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⎤ →

⎢ ⋅ ⋅ ⋅ ⎥ ⎣ ⎦

⎣ ⎦

ƒ ƒ A légkör szerkezete A légkör szerkezete

¾¾ A levegő kémiai összetétele és a légkört alkotó A levegő kémiai összetétele és a légkört alkotó gázok átlagos molekulatömege alapján:

gázok átlagos molekulatömege alapján:

1. homoszféra1. homoszféra: a kémiai összetétel és az : a kémiai összetétel és az

alkotó gázok átlagos molekulatömege alkotó gázok átlagos molekulatömege állandó (90 km magasságig).

állandó (90 km magasságig).

2. 2. heteroszféraheteroszféra: a kémiai összetétel a : a kémiai összetétel a

magasság függvénye, és az alkotó gázok magasság függvénye, és az alkotó gázok átlagos molekulatömege a magassággal átlagos molekulatömege a magassággal fölfelé rohamosan csökken (90 km fölött).

fölfelé rohamosan csökken (90 km fölött).

⇒⇒ kisebb skisebb sűűrrűűssééggűű öösszetevsszetevőők:k:

800-800-1000 km: O1000 km: O 1500 km: He 1500 km: He

>> 1500 km: H1500 km: H₂₂

¾¾ A légkör termikus tulajdonsága alapján:A légkör termikus tulajdonsága alapján:

ƒ ƒ A hőmérséklet szerinti szerkezet A hőmérséklet szerinti szerkezet

troposzféra (feláramlási gömbhéj):

troposzféra (feláramlási gömbhéj): [0 km [0 km −− 1010-15 -15 kmkm]] sztratoszféra (réteges gömbhéj):

sztratoszféra (réteges gömbhéj): [[1010--15 km −15 km − 50 50 kmkm]] mezoszféra

mezoszféra (középső gömbhéj): (középső gömbhéj): [50 km [50 km −− 90 90 kmkm]] termoszféra (meleg gömbhéj):

termoszféra (meleg gömbhéj): [90[90 km km −− 1.000 1.000 kmkm]] magnetoszféra

magnetoszféra (mágneses gömbhéj): (mágneses gömbhéj):

[1.000 km [1.000 km −− 60.000 km60.000 km]] exoszféra

exoszféra (külső gömbhéj) (külső gömbhéj) [60.000 km [60.000 km −− ]]

ƒ ƒ A száraz, nyugalomban lévő tiszta légköri A száraz, nyugalomban lévő tiszta légköri levegő fizikai állapotjelzői

levegő fizikai állapotjelzői

Egyszerűsített légkör Egyszerűsített légkör

1. csak fő összetevők 1. csak fő összetevők 2. vízgőz nincs

2. vízgőz nincs 3. mozgás nincs 3. mozgás nincs

E légkör modell leírásához elegendő a gázok három E légkör modell leírásához elegendő a gázok három állapotjelzőjének ismerete:

állapotjelzőjének ismerete:

a. sűrűség (vagy fajlagos térfogat) a. sűrűség (vagy fajlagos térfogat) b. nyomás

b. nyomás

c. hőmérséklet c. hőmérséklet

a1. sűrűség (= a térfogategységben foglalt tömeg) a1. sűrűség (= a térfogategységben foglalt tömeg)

a2. fajlagos, vagy specifikus térfogat (= a sűrűség a2. fajlagos, vagy specifikus térfogat (= a sűrűség

reciproka reciproka))

A sűrűség és a fajlagos térfogat kapcsolata:

A sűrűség és a fajlagos térfogat kapcsolata:

m ρ = V

'

1 V

V ⁼ ρ ⁼ m

'

1

ρ ⋅ V =

kg m⁻3

⎡ ⋅ ⎤

⎣ ⎦

1 3

kg⁻ m

⎡ ⋅ ⎤

⎣ ⎦

b. nyomás (= a felületegységre merőlegesen és b. nyomás (= a felületegységre merőlegesen és

egyenletesen ható nyomóerő) egyenletesen ható nyomóerő)

F = ⋅ p A

p F

= A ^N

^{kg m}

^s

m

− −

⎡ → ⋅ ⋅ ⎤

⎢ ⎥

⎣ ⎦

c. hőmérséklet (= az anyagot alkotó molekulák c. hőmérséklet (= az anyagot alkotó molekulák

rendszertelen mozgást végeznek, s ennek rendszertelen mozgást végeznek, s ennek kinetikai energiája arányos a hőmérséklettel) kinetikai energiája arányos a hőmérséklettel) abszolút hőmérséklet

abszolút hőmérséklet

A hőmérséklet objektív meghatározásának A hőmérséklet objektív meghatározásának

kritériumai:

kritériumai:

99 Egy rendszer csaknem valamennyi paramétere függ a Egy rendszer csaknem valamennyi paramétere függ a hőmérséklettől;

hőmérséklettől;

99 Az egymással érintkező rendszerek közötti Az egymással érintkező rendszerek közötti hőmérséklet

hőmérséklet-különbségek egy idő után kiegyenlítődnek -különbségek egy idő után kiegyenlítődnek

⇒⇒ termikus egyensútermikus egyensúlyly

99 Előállíthatók jól reprodukálható hőmérsékletek:Előállíthatók jól reprodukálható hőmérsékletek:

(*) p = 1

(*) p = 1 atm; a tiszta jég és a víz keverékeatm; a tiszta jég és a víz keveréke (**) p = 1

(**) p = 1 atmatm; a forrásban lévő víz fölötti gőz; a forrásban lévő víz fölötti gőz

Abszolút hőmérsékleti skála, vagy Kelvin

Abszolút hőmérsékleti skála, vagy Kelvin--skála:skála:

T(K) = T

T(K) = T₀₀ + t (+ t (ººC);C); TT₀₀ ≈≈ 273 = konstans273 = konstans

ƒ ƒ Öszefüggés Öszefüggés a három állapotjelző között, a három állapotjelző között, az általános gázegyenlet

az általános gázegyenlet

A gázok állapotjelzői közötti kapcsolatok feltárása:

A gázok állapotjelzői közötti kapcsolatok feltárása:

Gay-Gay-LussacLussac törvénye (1802)törvénye (1802): :

állandó nyomáson (térfogaton) a tökéletes gázok állandó nyomáson (térfogaton) a tökéletes gázok

térfogata (nyomása) lineárisan változik a térfogata (nyomása) lineárisan változik a

hőmérséklettel hőmérséklettel

(tökéletes gáz: molekulái között a kölcsönhatás elhanyagolható) (tökéletes gáz: molekulái között a kölcsönhatás elhanyagolható)

( )

(1 )

V t = ⋅ + ⋅ V α t p t ( ) = p

⋅ + ⋅ (1 α t )

Boyle

Boyle (1664) (1664) –– MariotteMariotte (1676) törvénye:(1676) törvénye:

állandó hőmérsékleten adott mennyiségű tökéletes gáz állandó hőmérsékleten adott mennyiségű tökéletes gáz nyomása fordítottan arányos a fajlagos térfogatával

nyomása fordítottan arányos a fajlagos térfogatával

Boyle

Boyle –– MariotteMariotte –– GayGay--LussacLussac törvényetörvénye: :

Ha tHa t ºC hºC hőőmméérsrséékleten kleten valamely tökéletes gáz adott menyvalamely tökéletes gáz adott meny-- nyiségének

nyiségének nyomása nyomása pp, fajlagos térfogata , fajlagos térfogata VV, akkor , akkor

ahol

ahol a gáz anyagi minőségétől a gáz anyagi minőségétől független állandó (térfogati

független állandó (térfogati hőtágulásihőtágulási együttható). együttható).

1 1 2 2

p V ⋅ = p V ⋅ = állandó

1 273,16 α =

0 0

(1 )

p V ⋅ = p V ⋅ ⋅ + ⋅ α t

Fejezzük ki a fajlagos térfogatot a gáz

Fejezzük ki a fajlagos térfogatot a gáz ρρ sűsűrrűűssééggéével:vel:

s tekints

s tekintsüük ak a abszolabszolúút ht hőőmméérsrséékletet.kletet.

Innen a fentieket behelyettes

Innen a fentieket behelyettesíítve a egyenlettve a egyenletéébe, a be, a kköövetkezvetkezőt kapjuk: őt kapjuk:

V 1

= ρ

273

T = + t

0

0

V 1

= ρ

p V ⋅

0

0

273

p p T

ρ ρ ^{= ⋅}

A fenti egyenletben a

A fenti egyenletben a konstans az adott konstans az adott gázra nézve állandó szám.

gázra nézve állandó szám.

Neve: gázállandó Neve: gázállandó

Jele: R Jele: R

Innen a fajlagos térfogat és a sűrűség közötti összefüggés Innen a fajlagos térfogat és a sűrűség közötti összefüggés

alapján:

alapján:

0

0

273

p ρ ⋅

0 0

273

R = p V ⋅

Most helyettesítsük be a gázállandó értékét, s Most helyettesítsük be a gázállandó értékét, s

végeredményül az általános gázegyenletre a következő végeredményül az általános gázegyenletre a következő két egyenletet kapjuk:

két egyenletet kapjuk:

Az általános gázegyenlet csak azon gázokra érvényes, Az általános gázegyenlet csak azon gázokra érvényes, melyek kellően távol vannak cseppfolyósodási

melyek kellően távol vannak cseppfolyósodási hőmérsékletüktől.

hőmérsékletüktől.

A levegőre érvényes.

A levegőre érvényes.

p = ⋅ ⋅ ρ R T

→

p R T ρ ^{= ⋅}

p V ⋅ = ⋅ R T