8.2. A planetáris határréteg vizsgálata

A planetáris határréteg a légkör alsó néhány száz, egy-két ezer méter vastag rétege. A réteg vastagsága a napszak, évszak és az időjárási helyzet függvényében változik. E réteg kiemelt jelentőségű a felszín és a légkör közti kölcsönhatások szempontjából, a termodinamikai állapothatározók erősen tükrözik a felszín hatását és jelentős változékonyságot mutatnak. Az áramlás turbulens (örvényes). Elsősorban e rétegben zajlik a szennyezőanyagok légköri terjedése, hígulása.

A planetáris határréteg vizsgálata a meteorológiai folyamatok vizsgálata mellett ipari, környezetvédelmi, katasztrófavédelmi stb. szempontból is fontos.

A planetáris határréteg meteorológiai viszonyairól közvetlen és közvetett módszerekkel is információkat szerezhetünk. E fejezetben a közvetlen (in situ) módszereket mutatjuk be. Ezek a különböző célú és mérési programmal rendelkező mérőtornyok, kötött léggömbök (aerosztátok), határréteg szondák, pilot ballonok.

8.2.1. Mérőtornyok

A mérőtornyok a felszíntől néhány 10 méteres magasságig, egyes esetekben néhány 100 méterig alkalmazhatók a meteorológiai állapothatározók és gyakran egyéb, például levegőkémiai mérésekre. A mérőtornyokon különböző magasságokban helyezik el a műszereket a felszínhez közelebb sűrűbben, attól távolodva egyre nagyobb magasságkülönbségekkel.

A felszínközeli légrétegben lezajló folyamatok vizsgálatára a növényállománytól függően néhány m-es – néhány 10 m-es tornyokat használnak. E tornyokon a szokványos meteorológiai mérések mellett gyakran ún. mikrometeorológiai méréseket végeznek. A felszín közelében a légköri állapotjelzők gyors változásainak, a turbulens áramlásnak a vizsgálatára sokszor gyors válaszidejű szenzorokat alkalmaznak (lásd pl. Mészáros et al., 2009).

A 8.1. ábra a Hortobágyi Nemzeti Park területén, füves pusztán ( = 47°25’É, λ = 20°58’K, h = 88 m tszf.) telepített 6 m-es mérőtorony mérési programját mutatja. A mérési program keretében a felszínközeli turbulens áramokat az ún. gradiens, illetve profil módszerrel (különböző szinteken telepített műszerek) határozták meg expedíciós jelleggel (Mészáros et al., 2002).

Mikrometeorológiai mérőtorony műszerezettsége a Hortobágyi Nemzeti Park területén

8.1. ábra: Mikrometeorológiai mérőtorony műszerezettsége a Hortobágyi Nemzeti Park területén. A tornyon különböző magasságokban történtek a léghőmérséklet, relatív nedvesség, szélsebesség és nyomgáz koncentráció mérések. A torony tetején, 6 m-es magasságban egy szélirány-mérő és egy globálsugárzás-mérő szenzor található. A mérések alapján a felszín-légkör között lezajló turbulens áramok (szenzibilis és látens hőáram, momentum-áram, nyomgáz-áramok) határozhatók meg.

A GRAMINAE (GRassland AMmonia INnteractions Across Europe) kutatási program keretében az ammónia felszín és légkör közötti áramának meghatározására végeztek mikrometeorológiai és koncentráció-gradiens méréseket a Hortobágyi Nemzeti Park határában, Püspökladány Farkas-szigeten ( = 47°20’É, λ = 21°06’K, h = 88 m tszf.) (Horváth et al., 2005). A 8.2. ábra a mérőrendszer felépítését mutatja. Az alacsony vegetáció felett néhány méteres mérőtornyokon történt a légköri állapothatározók, illetve az ammónia koncentráció mérése. Az ábrán bemutatott felépítés tipikus példája egy automata mérőállomásnak (lásd 7. fejezet).

Mikrometeorológiai és levegőkémiai mérőrendszer a GRAMINAE kutatási program keretében

8.2. ábra: Mikrometeorológiai és levegőkémiai mérőrendszer a GRAMINAE (GRassland AMmonia INnteractions Across Europe) kutatási program keretében az ammónia és az energiaháztartási komponensek felszín és légkör közötti áramainak meghatározására. A mérések a Hortobágyi Nemzeti Park határában, Püspökladány Farkas-szigeten történtek. Az összetett mérőrendszer az alábbi tagokból állt: eddy kovariancia mérőrendszer (szónikus anemométer, kripton higrométer), szélprofil-mérő rendszer (forgókanalas anemométerek), ammónia fluxusmérő rendszer (koncentráció mérések több szinten), energiaháztartás-mérő rendszer (hőmérők, nedvességmérők, talajhőáram-mérők), sugárzás-mérő rendszer (globál és reflex sugárzás mérők, sugárzási egyenleg-mérő), egyéb kiegészítő mérések (talajhőmérséklet, talajnedvesség, levélnedvesség). Az adatok gyűjtése automatikusan történt egy adatgyűjtő, és egy számítógép segítségével.

Magasabb vegetációval borított területen magasabb mérőtoronyra van szükség. A Mátra-hegységben Nyírjes állomáson, fenyőerdőbe telepített mérőtorony 28 m magas (8.3. ábra). A tornyon különböző magasságokban (a törzstérben, a lombkorona szintjében és az állomány felett) helyezték el a mérőműszereket. A turbulens áramok meghatározására itt is a profil módszert alkalmazták (Horváth et al., 2002; Mészáros et al., 2002). Ez esetben a hőmérséklet, a relatív nedvesség, a szélsebesség és a nyomgáz koncentrációk több szinten történő méréséből számolható a vertikális áramuk.

Mikrometeorológiai mérőtorony műszerezettsége a Mátra hegységben

8.3. ábra: Mikrometeorológiai mérőtorony műszerezettsége a Mátra hegységben az Erdészeti Tudományos Intézet területén. A méréseket az Országos Meteorológiai Szolgálat és az Eötvös Loránd Tudományegyetem Meteorológiai Tanszék munkatársai végezték. A profil mérések során a törzstérben, a lombkorona szintjében és az állomány felett, különböző magasságokban folytak a meteorológiai és levegőkémiai mérések.

A kisebb tornyok lokális területre jellemző képet nyújtanak a felszín-légkör közötti folyamatokról. Minél magasabb a mérőtorony, annál nagyobb területre lehet reprezentatív, viszont annál költségesebb és annál nehezebb kezelni.

A bioszféra és a légkör közötti széncsere regionális léptékű meghatározása céljából az Országos Meteorológiai Szolgálat kutatási programok keretében az Antenna Hungária Rt. hegyhátsáli adótornyára ( = 46°57’É, λ = 16°39’K, h = 248 m, Vas megye) telepített műszereket különböző magasságokban (8.4. ábra). A mérések 1994-ben kezdődtek, az adatok feldolgozásába, a mérőrendszer fenntartásába az Eötvös Loránd Tudományegyetem Meteorológiai Tanszékének munkatársai is bekapcsolódtak. A tornyon – a műszaki lehetőségeket is figyelembe véve – 10 m, 48 m, 82 m és 115 m magasan történik a szén-dioxid koncentráció és a legfontosabb meteorológiai állapotjelzők (szél, hőmérséklet, légnedvesség) mérése. A mérőrendszer adataiból a profil módszerrel meghatározható a felszín és a légkör közötti szén-dioxid áram. 1997-től az ún. eddy-kovariancia módszerrel is végeznek méréseket (Haszpra et al., 2005). Ehhez a torony 82 m-es szintjére telepítettek egy szónikus anemométert (Barcza et al., 2009).

A hegyhátsáli mérőtorony

8.4. ábra: A hegyhátsáli mérőtorony. Az Országos Meteorológiai Szolgálat az Antenna Hungária Rt. hegyhátsáli (Vas megye) adótornyára telepített műszereket (szélmérők, hőmérők, légnedvesség mérők, szén-dioxid koncentráció mérők) különböző magasságokban (10 m, 48 m, 82 m és 115 m magasan). A mérések alapvető célja a bioszféra és a légkör közötti széncsere regionális léptékű meghatározása.

Magyarországon a legmagasabb, kifejezetten meteorológiai célú mérőtorony a paksi atomerőmű területén található (8.5 ábra). A tornyon 20, 50 és 120 m magasan végeznek hőmérséklet, nedvesség, szélsebesség, szélirány és szélirány fluktuáció méréseket. Az adatok egy esetlegesen bekövetkező atomerőmű baleset során nyújtanának alapvető információt a terjedési modellszimulációk számára.

A paksi mérőtorony

8.5. ábra: A paksi mérőtorony.

A magasabb tornyok egyben szélesebbek, vastagabb is, ami növeli az áramlásmódosító és árnyékoló hatásukat. Ezért a műszereket hosszú konzolokon helyezik el. A nagy magasságokban, több méteres konzolok végén elhelyezett eszközöknek nehéz a karbantartásuk. Ezért megbízható, automata mérésre alkalmas elektromos műszereket alkalmaznak.

A műszereknek a planetáris határrétegben (különösen a felszínközeli légtérben) lezajló gyors változásokat is követniük kell. Ezért gyors válaszidejű (fast-response) szenzorokat alkalmaznak. Tipikus példák a toronymérések során alkalmazott műszerekre:

  1. hőmérséklet: elektromos ellenállás, vagy termoelem hőmérők,

  2. nedvesség: különböző elektromos szenzorok,

  3. szél: forgókanalas anemométer, propelleres anemométer, szónikus anemométer, hődrótos anemométer.

8.2.2. Kötött léggömbök (aerosztátok)

A kötött léggömbök (ún. aerosztátok) nagyméretű, erős műanyagból készült áramvonalas, gázzal töltött léggömbök. Hátsó részükön stabilizátorokat alkalmaznak vízszintes és függőleges síkban. Az aerosztátokkal a hőmérséklet, a légnedvesség és szél profiljának és rövid ideig tartó változékonyságának mérése végezhető a felszíntől nagyjából 1500 m-es magasságig (az elérhető magasság és az emelhető műszertömeg függ a ballon méretétől). A kisebb ballonok 10–100 m3-esek, míg a nagyobbak akár a 600 m3-t is elérhetik. Tipikus példa egy aerosztátra:

  • térfogat: 75 m3,

  • saját tömeg: 45 kg (Héliummal töltve),

  • emelhető tömeg: 10 kg (500 m-es magasságig), 1kg (700 m-es magasságig)

Az aerosztátokat kutatási célokra használják. Előnyük, hogy könnyen kezelhető, olcsó eszközök a légkör alsó néhány száz méteres tartományának pontos, in situ mérésére. A műszereket a ballonhoz erősítik, vagy a tartó kábelekre rögzítve különböző magasságokban is végezhetnek méréseket. A méréseket rádiójelekkel, vagy a kábel mentén elektromos vezetékekkel juttatják a felszínre.

Az aerosztátok mérési programjával szemben támasztott adatkövetelményeket a 8.1 táblázat tartalmazza (WMO, 2008).

8.1. táblázat: Kötött ballonok (aerosztátok) mérési programjának adatkövetelményei (Forrás: WMO, 2008)

Állapothatározó

Méréshatár

Felbontás

nyomás

1050–850 hPa

±0,5 hPa

hőmérséklet

+40°C – (–20°C)

±0,1 K

nedvesség

100 – 20 (10%)

±2 %

szélsebesség

0,5 – 15 m s–1

±0,5 m s–1

szélirány

(közvetlen széliránymérés hiányában a ballon kitéréséből becsülhető)

0° – 360°

±1°

8.2.3. Lassú emelkedésű ballonszondák (planetáris határréteg szondák)

E lassú emelkedésű szondákat a planetáris határréteg és a troposzféra alsó tartományának megfigyelésére alkalmazzák. Ebben a tartományban a légköri állapothatározók értékeiben gyors változások következhetnek be. Ezek mérésére megfelelő műszerek és ballonok szükségesek. A hagyományos ballonszondás mérésekhez (lásd később) képest a planetáris határréteg szondáknál alkalmazott szenzorok nagyobb érzékenységűek és gyorsabb válaszidejűek. A léggömb szabad felhajtása (teljes felhajtóerő – szállított teher) is kisebb, ami lassabb emelkedést eredményez. Az emelkedés sebessége átlagosan 150–200 méter percenként. A méréseket általában 30 másodpercenként végzik, a vertikális felbontás 50–100 méter. A planetáris határréteg szondák adatkövetelményeit a 8.2. táblázat tartalmazza (WMO, 2008).

8.2. táblázat: Lassú emelkedésű ballonszondák (planetáris határréteg szondák) mérési programjának adatkövetelményei (Forrás: WMO, 2008)

Állapothatározó

Méréshatár

Felbontás

nyomás

1050–500 hPa

±0,5 hPa

hőmérséklet

+40°C – (–40°C)

±0,1 K

nedvesség

100 – 20(10%)

±2 %

szélsebesség

0,5 – 60 m s–1

±0,5 ms–1

szélirány

0° – 360°

±5°

8.2.4. Pilot ballon mérések

A pilot ballonok műszer nélkül felbocsátott léggömbök a magasban uralkodó szél megfigyelésére. Követésük optikai, vagy rádióteodolittal történik. A pilot szó kalauzt, felderítőt jelent – a léghajózás korában a felszállás előtt felbocsátott papírléggömböket hívták így.

A pilot ballon egy élénk színű ballon, amit felengedése után teodolittal folyamatosan nyomon követnek. Azonos időközönként (például 30 másodpercenként) leolvassák a teodolitról a magassági és oldalszöget. Általában egy teodolitot használnak, konstans emelkedési sebességet feltételezve. A pontosság azonban két egymástól bizonyos távolságra lévő teodolittal növelhető (ekkor azonban fontos, hogy a leolvasási időt pontosan szinkronizálják). A szögeket trigonometriai módszerekkel a vízszintes síkra vetítve megkapjuk az egyes rétegek horizontális szélsebesség vektorait.

A leolvasás régebben optikai teodolittal (teodolitokkal) történt. Az optikai teodolitok korlátja, hogy alacsony felhős időben, vagy ködben csak rövid ideig követhető a ballon. Ezért fokozatosan áttértek a rádió teodolitos követésre. Ez esetben a léggömbre egy szögletvisszaverőt akasztanak, mely a rádióteodolit által kibocsátott impulzusokat visszaveri. Magyarországon jelenleg nem alkalmaznak pilot ballonokat. Néhány évtizede azonban több állomáson is végeztek pilot ballonnal magassági szélméréseket.