Ugrás a tartalomhoz

Agrometeorológiai és klimatológiai alapismeretek

Anda Angéla, Kocsis Tímea, Kovács Alfréd, Tőkei László, Varga Zoltán

Mezőgazda Kiadó

1. fejezet - Meteorológiai alapismeretek

1. fejezet - Meteorológiai alapismeretek

Az agrometeorológia helye, szerepe az agrárképzésben

Arisztotelész

A meteorológia szó görög eredetű és Arisztotelésztől (i. e. 384–322), a nagy görög filozófustól származik. Eredeti jelentése Arisztotelész értelmezésében: az ég és Föld között lejátszódó jelenségekkel foglalkozó tudomány. Az ókori felfogás szerint ebbe a körbe tartoztak bizonyos csillagászati észlelések is, például a meteoritok és üstökösök vizsgálatai.

Napjainkban a meteorológia tudománya alapvetően a földi légkör fizikai folyamataival foglalkozik, ám az űrkutatás fejlődésével vizsgálati köre fokozatosan kibővül a Naprendszer más bolygóinak (Vénusz, Mars, Jupiter) légkörére irányuló kutatásokkal is. A meteorológia helyes magyar nyelvű, bár a közhasználatban kellően meg nem gyökerezett elnevezése légkörtan.

Légkörünk bármely pontján meghatározott fizikai tulajdonságokkal (pl. hőmérséklet, vízgőznyomás, átlátszóság stb.) rendelkezik, s ezek a tulajdonságok szünet nélkül változnak. Miután légkörünkben izolált terek alig vannak – a levegővel kitöltött barlangok, s a mesterséges zárt terek sincsenek tökéletesen elszigetelve a környező szabad légtértől –, a légkör fizikai tulajdonságai a környezettel és egymással is állandó kölcsönhatásban állnak (pl. a felhőzet csökkenti a felszínre jutó napsugárzás mennyiségét, az esőcseppek párolgása hűti a levegőt stb.). A légkör jellemzése annak komplexitása miatt egyetlen fizikai tulajdonsággal nem lehetséges. A légkör számos számszerűsíthető és nem mérhető (délibáb, szivárvány) fizikai, kémiai tulajdonsággal rendelkezik, melyek együttesen alkalmasak egy-egy földrajzi terület időjárásának jellemzésére. A légkör mérhető tulajdonságait meteorológiai vagy éghajlati elemeknek nevezzük. Két csoportjuk ismeretes:

  • Folytonos meteorológiai elemek: a légkör bármely pontjában jelenlévő, állandóan mérhető fizikai, kémiai tulajdonságok, pl.: légnyomás, hőmérséklet, sűrűség.

  • Nem folytonos meteorológiai elemek: az ebbe a csoportba tartozó tulajdonságok átmenetileg hiányozhatnak a légkör néhány pontjáról, pl.: légnedvesség, csapadék, sugárzás.

A meteorológia tagozásához három fogalom megismerése szükséges: az időé, az időjárásé és az éghajlaté. Találó, a hétköznapi emberhez közeli megfogalmazást olvashatunk Lorenztől (1982), mely szerint az éghajlat az, amire számítunk, az időjárás pedig az, ami bekövetkezik. Allen et al. (2003) szerint az éghajlat az, amire az ember befolyást gyakorol, az időjárás az, amelyen keresztül elszenvedi ennek következményeit. Mika (2005) megfogalmazása nagyon szemléletes, amelyben az éghajlatot az óceánhoz hasonlítva az időjárást a tenger hullámainak tekinti. A hullám-óceán analógiapár érzékeltetni tudja azt a viszonyulást is, amelyben az időjárás részméretben sokkal közelebb áll az éghajlathoz, mint egészhez.

Az idő a légkör fizikai tulajdonságainak és folyamatainak egy adott helyen, adott időpillanatban a környezettel és egymással is kölcsönhatásban álló rendszere. Arra a kérdésre, hogy milyen az idő válaszolhatjuk, pl. hogy szeles, napos stb., de csak az adott időpillanatra érvényes a megállapítás.

Az időjárás a légkör fizikai tulajdonságainak és folyamatainak egy adott földrajzi helyen néhány óra, nap vagy év során a környezettel és egymással is kölcsönhatásban álló rendszere.

Az éghajlat is a légkör fizikai tulajdonságainak és folyamatainak rendszere, csupán egy adott térségben hosszabb időszak (legalább három évtized) során vizsgáljuk a környezet és az elemek kölcsönhatásainak összességét.

A három definícióban azonos a légkörre, annak tulajdonságaira vonatkozó megállapítás. A különbség csak a vonatkoztatási idő, amely a végtelen kicsiny időtartamtól, néhány másodperctől több évtizedig terjed. Az is azonos, hogy a meghatározásokban mindig adott helyre (a légkör egy körülhatárolható, földrajzilag elhelyezhető véges eleme) vonatkoztatjuk megállapításunkat. Az adott földrajzi hely légköre tágabb környezetével is szünet nélküli kölcsönhatásban áll. A környezet egyaránt lehet az adott hely közelebbi és távolabbi környezete, illetve mindkettő. A legdöntőbb kétségkívül a földfelszín a rajta lévő biomasszával (elsősorban növénytakaróval), ahol a légkör fizikai állapotát legnagyobb mértékben befolyásoló energiaátalakulások lezajlanak.

Egy-egy terület éghajlatának tanulmányozásához a múltban hosszabb időn át folytatott megfigyelések elemzése szolgál. A különböző éghajlati karakterisztikák megállapításakor hallgatólagosan feltételezzük, hogy azok a jövőben is hasonlóan alakulnak majd, vagyis az időjárások változásának keretét megszabó rendszer és a hozzá rendelhető egyensúlyi állapot azonos marad, miután csak így lehetséges, hogy a múltból szerzett tapasztalatainkat jövőbeli tevékenységeinknél felhasználhassuk. Ez a feltételezés tetszőlegesen hosszú időtartamra nyilván nem tartható fenn, hisz bizonyítékaink vannak arra, hogy a geológiai korok során Földünk éghajlatában, sőt a légkör anyagi összetételében is jelentős változások zajlottak le s nem kizárt, hogy ilyenek a távoli jövőben is bekövetkeznek. Az éghajlatnak csupán viszonylagos állandóságáról beszélhetünk, amely jelen ismereteink szerint néhány évezred határain belül áll fenn (Péczely 1979).

Az idő-, időjárás és az éghajlat fogalmának ismerete lehetővé teszi a meteorológia egyfajta tagozásának bevezetését. Az idő és az időjárás jelenségeivel az általános meteorológia, az éghajlat vonatkozásaival a klimatológia vagy éghajlattan foglalkozik. A kettő részterület egészen más közelítési módokat tételez fel. Egy harmadik, erősen gyakorlatorientált szakterület a meteorológiai ismeretek nemzetgazdasági áganként való hasznosítására született alkalmazott meteorológia elnevezéssel. Tábora népes (hidrometeorológia, aerológia, biometeorológia, zoometeorológia stb.), ennek a csoportnak egyik tagja a jelen tanulmány tárgyának első fele, az agrometeorológia is.

Az agrometeorológia főképpen a mezőgazdaság időjárásra érzékeny folyamataival, azok időjárás vonatkozásaival foglalkozik. Az ökonómia kivételével szinte minden mezőgazdasági tevékenység érzékeny az időjárásra. A meteorológiának a mezőgazdaság területére vonatkozó kompetenciáját Varga-Haszonits et al. (2004) összegezte, mely gondolatokat megismételve igazoljuk az agrometeorológia oktatásának létjogosultságát az agrárképzések területén. Az időjárás természeti adottság, jelenleg még nekünk kell hozzá alkalmazkodnunk. Meghatározza a termelés lehetőségét (mit, mikor, hol termeljünk?). Az időjárás hatótényező, a termés alakulását, nagyságát döntően befolyásolja. Szélsőségei miatt kockázati tényező is (pl. jégverés), akár egyetlen időjárási esemény is nullára csökkentheti a termesztés eredményességét. Részletesen a hazai vonatkozások hangsúlyozásával a három kategória az alábbi:

  1. Az éghajlat, mint természeti adottság: Hazánk egyik legfontosabb természeti erőforrása az éghajlat. Az éghajlat szerepe a mezőgazdasági termelésben azért különösen jelentős, mert a növénytermesztés a szabad ég alatt folyik, vagyis mindig meghatározott környezeti, köztük meteorológiai viszonyok között végezhető. Ezekhez a viszonyokhoz, területi sajátosságaikhoz a mezőgazdasági termelésnek alkalmazkodni kell. Így az éghajlat a szabad ég alatt folyó növénytermesztésnek feltételrendszere, amely megszabja, hogy egy adott helyen milyen növények termeszthetők, s azt is, hogy az év melyik időszakában. Mivel a növények termesztése a szabadban történik, azt mondhatjuk, hogy egy adott termőhely éghajlata a növénytermesztés elsődleges feltételrendszerét képezi. Az éghajlat az egyik legkevésbé befolyásolható környezeti rendszer, elsődleges feladatunk alkalmazkodni hozzá. Ehhez pedig mindenekelőtt meg kell ismernünk, hogy az adott termőhelyen milyen éghajlati viszonyok uralkodnak. Meg kell ismernünk azt a hatásmechanizmust, amelyen keresztül az éghajlat a növények életét befolyásolni képes.

  2. Az éghajlat, mint hatótényező-rendszer: A terméshez energia és nyersanyag szükséges. A növénytermelés az energiát és a nyersanyagot is a környezetétől kapja. A szerves anyag termeléséhez szükséges energiát a napsugárzás biztosítja, a szerves anyagok képzéséhez szükséges szervetlen anyagok: a szén-dioxid és a víz, a légkörből kerülnek a növényekhez, de a légzéshez nélkülözhetetlen oxigén is, s csekély mértékben a növények tápanyagellátása szempontjából fontos nitrogén is. Emiatt a légkört a növénytermesztés erőforrásának tekintjük. A légkör egy olyan közeg, amely állandó változásban van. Ugyanazok a hatótényezői évente más-más intenzitással és/vagy tartammal jelennek meg. Ezek a légkörben lejátszódó változások azután befolyással vannak a növényekben lejátszódó folyamatokra. Hol gyorsítják, hol lassítják a növények életét meghatározó biokémiai folyamatokat. Ennek megfelelően alakul a növények növekedése és fejlődése, s végső soron a produktivitásuk. Ez okozza az évről-évre történő termésingadozásokat.

  3. Az éghajlat, mint kockázati tényező: A mezőgazdasági termelés sajátossága, hogy a megfelelő időben, kellően előkészített magágyba vetett és gondosan nevelt növények sem biztos, hogy termést hoznak vagy esetleg hoznak termést, de csak lecsökkentett mennyiségben. Egyes légköri tényezők ugyanis meghatározott intenzitási szintet elérve (fagy, szárazság, vihar stb.) a termést jelentős mértékben károsíthatják, vagy teljesen el is pusztíthatják. Ezért bizonyos légköri jelenségek a mezőgazdasági termelés káros tényezői közé sorolhatók, amelyek egyúttal a termelés kockázati tényezőit is jelentik.

A WMO (Világ Meteorológiai Szolgálat) 1974-es kiadványa szerint az agrometeorológia szokásos időjáráshatás elemzésen túl kiterjedhet a mesterséges környezetmódosításra, pl. öntözés, fagyvédelem, talajművelés, az ember által alakított belső terek sajátos meteorológiai elemzésére, pl. istállók, üvegházak, gazdasági épületek, valamint a terményszállítás meteorológiai feltételeinek meghatározására is.

Az agrometeorológia vizsgálatai rendkívül széleskörűek lehetnek. Cél lehet, pl. egyetlen levél fotoszintézis intenzitásának sugárzásfüggése vagy akár egy tájegység-országrész hőmérsékletének adott növényfaj termeszthetőségére vonatkozó megfigyelései. Ennek megfelelően az elemzéseket több szinten végezhetjük, melyet megfelelő elnevezéssel láthatunk el (Varga-Haszonits 1977):

  1. Mezőgazdasági mikrometeorológia esetleg mikroklimatológia: a növényállományon belül lejátszódó kölcsönhatásokat vizsgálja. A növény időjárásfüggés elemzése a gyökércsúcstól a hajtáscsúcsig, illetve a felette elhelyezkedő határrétegben speciális műszerekkel valósítható meg. Az életfolyamatok egészen részletes tanulmányozása is ide tartozik, pl. egyetlen levélszegmensre vonatkozó életfolyamat-detektálás. Napjainkban ehhez már megszületett a megfelelő technikai színvonalat biztosító műszerezettség.

    Mikroklíma alatt értjük a kis térségek különleges, a nagyobb térségekre érvényes klímától lényegesen eltérő viszonyait. A mikroklíma legfontosabb jellemzője, hogy a meteorológiai elemek függőleges változékonysága (gradiensek) a mikroklímában vagy annak határán nagyságrendekkel nagyobbak, mint az azt magában foglaló makroklímában. A meteorológiai elemek mozaikszerű elrendeződését eredményezi.

  2. Az agroklimatológia által érintett terület nagysága felülmúlja az előbbi területét, s további két alkategóriát alkot.

    • Mezoklimatológia: mely tábla szintű vizsgálatokat jelent. Pl.: fagyzugos területek feltárása, térképezése.

      Mezoklímáról beszélünk, ha egy földrajzi értelemben jól körülhatárolható területnek a makroklímától eltérő, sajátos éghajlata van, s hosszú idősorokkal jellemezhető.

      • Makroklimatológia: táblaszintet meghaladó, legnagyobb térbeli léptékű vizsgálatokat takarja. Pl.: Magyarország termesztési körzetei.

        Nagy térségekre, akár több száz km2-re is érvényes, hosszú ideig fennálló, a talajfelszín felett 2 m magasságban mért meteorológiai adatokból képzett éghajlatot szokás makroklímának nevezni.

A jelen tankönyvben az agrometeorológia alapismereteinek elsajátításához szeretnénk hozzájárulni, melyet a meteorológiai alapfogalmak bemutatásával szükséges indítani. Tekintettel az agrárképzés területén meghonosodott és a képzési követelményekbe is beépült éghajlattani vonatkozású ismeretekre, nem nélkülözhetjük a Föld éghajlatának és Magyarország éghajlatának bemutatását sem. A könyv terjedelme teljes körű ismeretanyag átadást nem tesz lehetővé, de a további elmélyülés megalapozására feltétlenül alkalmas. Az agrárszakterület alapszakos hallgatói számára elsajátítható stílusban írtuk a tankönyvet, de néhány fejezetében az MSc szinten lévő hallgatók is eredménnyel forgathatják azt.

A légkör (atmoszféra), mint élettelen környezeti elem

A növény, mint minden élő szervezet elválaszthatatlanul kötődik környezetéhez (1.1. ábra).

1.1. ábra - A növény és közvetlen környezete http://learn.norwest.nsw.edu.au/DLOMath_Science/los/L3080/images/12b1.jpg

kepek/1-1.png


Az energia forrása a napsugárzás, mely a légkörön áthaladva, annak tulajdonságai által befolyásolva éri el a közvetlen felhasználót, a növényeket. Egész földi életünk alapja a Nap sugárzási energiájának biokémiai energiává alakítása a fotoszintézisben, mely energia a magasabb rendű élőlények táplálkozásának alapját adja. A fotoszintézishez energia mellett a további két alapanyag is a légkörből érkezik; az egyik közvetlenül, s ez a CO2; a másik legtöbbször a talaj, mint tározó közbeékelésével, de végül is a légkörből csapadékként indulva jut el a növényekhez, s ez a víz (1.1. ábra). A víz nem önmagában, hanem a tápanyagok hordozójaként van jelen a rendszerben.

1.1. ábra - A növény és közvetlen környezete http://learn.norwest.nsw.edu.au/DLOMath_Science/los/L3080/images/12b1.jpg

kepek/1-1.png


A levegő-környezet hatása a növényekre azért különösen jelentős, mert a növények helyhez kötött életmódot folytatnak, s a számukra kedvezőtlen feltételek elől elmenekülni nem tudnak. A növényeknek törzsfejlődés során alkalmazkodniuk kellett környezetükhöz. Nekünk az a feladatunk, hogy meghatározzuk azokat a határértékeket, melyek a növény életét még kedvezőtlenül nem befolyásolják. Ezen körülmények ismeretében a növény környezetét lehetőségeink szerint megpróbálhatjuk úgy módosítani, hogy az számára a lehető legkedvezőbb legyen, pl. tápanyagellátás, öntözés, termőhelyválasztás stb. A kérdéskör a gazdálkodás eredményességét meghatározó döntések meghozatalához nyújt némi támpontot.

A légkör a Földet körülölelő különböző gázokból álló gázburok, melyben van szilárd és cseppfolyós halmazállapotú egyéb anyag is. Szerepe a korábban felsoroltakon túlnyúlik, pl. sugárzási energiát szűri-átereszti, sajátos összetétele melegíti a felszínt stb.

A légkör fontosabb fizikai tulajdonságai

A légkör összetétele

Gázkomponensek

A légkör összetétele a földtörténeti korokban nem volt mindig állandó, s valószínűleg ez a változékonyság a jövőben is megmarad. A légkör anyagainak a legegyszerűbb, a környezetvédelemben kiterjedten használt csoportosítási módja az alkotók mennyisége alapján történik, mely szerint fő összetevő a mintegy 78 tf%-ot kitevő nitrogén és a közel 21 tf%-nyi oxigén. A többi gáz alkotja a rendkívül népes légköri nyomgázokat. Ha a nyomgázok mellé vesszük a csekély mennyiségben jelen lévő szilárd és cseppfolyós halmazállapotú anyagokat is, akkor légköri nyomanyagokról beszélünk.

A meteorológiában a légköri gázokat azok forrásától a nyelőig történő eljutás idejével, az ún. tartózkodási idővel jellemezhetjük (τ). (A forrás intenzitása (F) megmutatja, hogy egységnyi idő alatt mekkora tömegű gázt bocsát ki a forrás. A nyelő intenzitása (Ny) megadja, hogy egységnyi idő alatt mekkora tömegű gázt fogad be a nyelő.)

A földtörténetben rövidebb időt, néhány száz évet figyelembe véve a forrás intenzitása egyenlő a nyelő intenzitásával, ezen intervallumban adott légköri gáz mennyisége (M) állandó, akkor:

1.1. egyenlet - 1.1

τ = M [ k g ] F [ k g i d ő 1 ] = M [ k g ] N y [ k g i d ő 1 ] [ s , nap , év ]


A gázokat a légköri tartózkodási idejük alapján három kategóriába sorolhatjuk: A legtovább a fő összetevők maradnak a légkörben, melyek tartózkodási ideje 1000 években mérhető. Ezeket a gázokat állandó gázoknak is szokták nevezni, mely állandóság relatív, mivel a földtörténeti korokban mennyiségük jelentősen változott, kivéve néhány nemesgázt. A változó és az erősen változó gázok tartózkodási ideje ennél nagyságrendekkel rövidebb. Az erősen változó összetevőknél akár napokra is csökkenhet (1.1. táblázat).

1.1. táblázat - A légkört alkotó gázok csoportosítása a tartózkodási idejük szerint

 

Térfogat %

ppm

tartózkodási idő

Állandó gázok

Nitrogén

78,084

 

106 év

Oxigén

20,946

 

5 · 103 év

Argon

0,934

 

Neon

 

18,18

Hélium

 

5,24

107 év

Kripton

 

1,14

Változó gázok

Szén-dioxid

 

380

15 év

Metán

 

2,2

4 év

Hidrogén

 

0,5

6,5 év

Ózon

 

0–0,05

2 év

Erősen változó gázok

Szén-monoxid

 

0,02

4 hónap

Vízgőz

0–4

40–40 000

10 nap

Ammónia

 

0–0,02

7 nap

Kén-dioxid

 

0,02

4 nap


A légköri aeroszolok

A légkör összetételében a gázok dominálnak, de mindig található benne szilárd és folyékony halmazállapotú alkotóelem is. Ezeket a nem gáz komponenseket nevezzük együttesen légköri aeroszoloknak. Méretük meglehetősen változékony: tized μm és néhányszor tíz μm-os nagyságrendűek, melyből adódik, hogy 99%-uk szabad szemmel nem látható. Összetételüket tekintve a leggyakoribb aeroszolok:

  • Sókristályok,

  • Kvarckristályok,

  • Savak, gőzök oldatai,

  • Biológiai eredetű pollenek, mikroszervezetek,

  • A felszínt alkotó szinte valamennyi vegyület (Fe, Mg, Mn stb.).

A levegőből szárazan és a csapadékkal együtt is kihullhatnak. A víz tartózkodási idejéből adódik, hogy maximálisan 9–10 napig maradhatnak csak a légkörben. Az aeroszolok légköri koncentrációja (cm–3) területenként változatosan alakulhat:

Nagyvárosok

150 000,

Városok

35 000,

Vidék

7 000,

Tengerpart

9 800,

Szigetek

9 000,

Óceánok felett

900.

Az aeroszolok jelenléte mennyiségétől és minőségétől függően tekinthető hasznosnak és károsnak egyaránt. A Föld csapadékviszonyainak kialakításában fontos szerepük van, mivel az aeroszolokra csapódik ki a légkörben lévő vízgőz. Káros akkor lehet, ha koncentrációja meghalad egy bizonyos határértéket, illetve egyéb veszélyes anyagok adszorbeálódnak (nehézfémek, radioaktív anyagok) felületén. A savas esők előfordulásának valószínűsége megnőhet azokon a területeken, ahol sok az aeroszol. A ködképződés gyakoriságát is megnöveli.

A légkör alakja

A légkör alakja nem követi pontosan a Föld közelítőleg gömb alakját, hanem a napsütés hatására elnyújtott alakot vesz fel. A napsütötte oldal belapul, a másik oldal csóvaszerűen megnyúlik.

A légkör tömege

A légkör tömegének (m) kiszámítása az átlagos légnyomás ismeretében az alábbi egyszerű egyenlettel történik:

1.2. egyenlet - 1.2

m = p F G = 5,275 .10 15 t


ahol:

p: átlagos légnyomás a talaj felszínén (1 kg/cm2)

F: a Föld felszíne (5,1·1014 m2)

G: a gravitáció (nehézségi erő)

Összehasonlításképpen a Föld tömege 6·1021 t, mely jóval meghaladja a légkör tömegét.

A légkör függőleges tagozódása

A légkör kémiai és fizikai sajátosságai a magassággal változnak. Az alsó, kb. 85–90 km-es vastagságú rétegben a levegő kémiai összetétele és átlagos molekulatömege állandó. Ezt a réteget ezért homoszférának nevezzük. Tovább távolodva a Föld felszínétől, az arány fokozatosan eltolódik a kisebb sűrűségű összetevők javára, a levegő molekulatömege ezért a magasság növekedésével erősen csökken. Így 800–1000 km-es magasságban az atomos oxigén, 1500 km táján már a hélium adja a levegő többségét, majd 1500 km fölött a hidrogén válik uralkodóvá. A légkörnek ezt a 85–90 km fölötti részét, ahol az összetétel a magasság függvénye, heteroszférának nevezzük.

Termikus tulajdonságai alapján a légkört 5 rétegre osztjuk (1.2. ábra). A legalsó földközeli réteg a troposzféra, mely átlagos magassága 11 km. A légkör tömegének 80%-át ez a réteg tartalmazza. A magasság növekedésével csökken a levegő hőmérséklete a függőleges hőmérsékleti gradiensnek megfelelően –0,65 °C-kal 100 m-ként. A korábban megismertetett légköri összetétel jellemzi. A legfontosabb időjárási jelenségeink színtere, ezért a továbbiakban majdnem kizárólagosan az itt lejátszódó jelenségekkel foglalkozunk (kivéve az ózoncsökkenés problémáját). A troposzféra hőmérséklete és kiterjedése a földrajzi szélesség függvénye, ezért a troposzféra a sarkoknál alacsonyabb (5–7 km), mint az Egyenlítőnél (15–18 km). A réteget – mint minden további réteget egy pauza (egy vékonyabb átmeneti réteg) –, a tropopauza zárja, melynek hőmérséklete –56,5°C.

1.2. ábra - A légkör hőmérsékleti rétegződése www.meteor.geo.klte.hu

kepek/1-2.png


Planetáris határrétegnek nevezzük a troposzféra alsó 1–1,5 km vastag részét. A troposzféra talajfelszínnel érintkező 1–1,5 m-es rétegében a talaj tulajdonságai érvényesülnek, ezért ez a talajmenti légréteg. A meteorológiai állomásokat a talaj befolyásoló hatásától mentesítve a felszíntől 1,80–2,20 m magasra helyezik, hogy a légkör tulajdonságait nagyobb térségre kiterjeszthetően jellemezhessük.

A második réteg a 11–50 km között elhelyezkedő sztratoszféra. Mintegy 22 km magasságig a hőmérséklete csökken, majd 22–35 km magasságban a hőmérséklet állandó (ennek oka a magas ózonkoncentráció), s 35 km fölött a hőmérséklet növekszik. Az O3 legnagyobb koncentrációban 22–35 km magasságban található /ozonoszféra/, s szerepe az élet szárazföldi térhódítása szempontjából kimagasló, mivel kiszűri a 290 nm-nél rövidebb hullámhosszúságú sugarakat. A sztratoszféra felső határa a sztratopauza.

A mezoszféra 50–85 km között helyezkedik el. A légkör hőmérséklete csökken a magasság növekedésével, s tetején a mezopauzában -93 °C, mely a légkör leghidegebb része. A mezoszféra sok tekintetben hasonlít a tropopauza tulajdonságaira, vannak vertikális mozgások és felhőképződés. A meteorok ide jutnak le, ahol elégnek.

A termoszféra kb. 85–1000 km között található. Benne a hőmérséklet növekszik, 1000 °C-ot is meghaladja. A termoszférára (amelyre már nem jellemző az alsó rétegek keverési aránya), a levegőmolekulák, elsősorban a molekuláris oxigén disszociációja illetve ionizációja jellemző. Ezt a részt ionoszférának nevezzük, ahol az ionizált részecskék sávokba rendeződnek. Az ionizáció miatt ez a réteg vezeti az elektromosságot, s ezért a rádióhullámok zömét visszaveri. Ebben a rétegben figyelhető meg a sarki fény jelensége.

A légkört kívülről lezáró exoszféra 1000 km fölött van. Benne tovább melegszik a légkör.

A légkör kiterjedése

A légkör anyagai fokozatosan mennek át a légüres tér anyagaiba, nincs ismert, konkrét számmal meghatározható határvonala. Elméleti határa ott lenne, ahol a nehézségi erő és a centrifugális erő egyensúlyt tart egymással. Ez a magasság, a számítások szerint mintegy 36 000 km, a Föld sugarának kb. hatszorosa. A műholdak mérései azonban azt mutatják, hogy ebben a magasságban még olyan réteg található, amelyet feltétlenül az űrtől eltérőnek, a Föld légköréhez tartozónak kellene tekinteni. Ez a magasság mégis választóvonalnak tekinthető, mivel a felette elhelyezkedő rétegek már nem forognak együtt a Földdel.

A levegő fizikai állapotjelzői

A gázokat a termodinamikában három állapotjelzővel tudjuk jellemezni: a hőmérséklettel, nyomással és a sűrűséggel (térfogattal).

  1. A hőmérséklet önmagában nem energiamennyiség, de a belső energiával arányos intenzív állapotjelző. Az abszolút hőmérsékleti skála 0 pontja az elméleti minimum, mely megfelel –273,16 °C-nak, s egysége a Kelvin [K]. Hazánkban a Celsius skála terjedt el [°C], melyben a víz fagyáspontja normál légköri nyomáson 0 °C, s a forrásban lévő víz feletti vízgőz hőmérséklete normál légköri nyomáson 100 °C. A két skála közötti átváltás T [K]= 273,16 + t [°C]. A hőmérsékleti skálákat a 1.2. táblázat tartalmazza.

1.2. táblázat - A különböző hőmérsékleti skálák

Hőmérsékleti skála

Beosztás

A jég olvadáspontjának hőmérséklete átlagos légköri nyomáson

A forrásban lévő víz feletti vízgőz hőmérséklete átlagos légköri nyomáson

Celsius

100

0 °C

100 °C

Kelvin

100

273,16 K

373,16 K

Fahrenheit

180

32 °F

212 °F

Reaumur

 80

0 °R

80 °R


A talajközeli légtérben a száraz légtömeg függőleges mozgása során, ha mozgás közben környezetének nem ad le, és onnan nem vesz fel energiát[1], 100 méterenként 1 °C-kal csökken a hőmérséklete. Lefelé haladva a légkör ugyanennyivel melegszik. Ez a mutató a légkör száraz adiabatikus hőmérsékleti gradiense.

Ha a telítettséghez közeli állapotú levegő emelkedése során eléri a telítettséget, megindul benne a nedvesség kicsapódása, s a párolgási, illetve fagyási hő felszabadul, mely a gradiens értékét felére csökkenti (–0,5 °C/100 m). Ez a mutató a nedves adiabatikus hőmérsékleti gradiens.

A légnedvesség-tartalommal súlyozott egész Földre vonatkozó átlagérték a függőleges hőmérsékleti gradiens: –0,65 °C 100 méterenként. Mindhárom érték a talajközeli légrétegre igaz.

  1. Az adott felületre merőlegesen ható erő (F) és a felület (A) hányadosa a nyomás(p):

1.3. egyenlet - 1.3

p = F A   [ N m 2 = p a s c a l ]


A légnyomás az egységnyi talajfelületre nehezedő levegőoszlop súlya. Az 1 Pa nagyon kicsi nyomást jelent, ezért a meteorológiai gyakorlatban ennek származtatott mennyiségét, a hPa-t (hektopascal) alkalmazzuk. 1 hPa = 100 N/m2 = 1 mb.

Az egyenlő nyomású helyeket összekötő görbéket izobarnak nevezzük. Kellően nagy területet áttekintve az izobarok koncentrikus köröket alkothatnak, mely nevezetes nyomásképződményeket jelöl ki. A középpontjában alacsony nyomásképződmény a ciklon, s ahol a legnagyobb nyomást a középpontban találjuk, anticiklon a neve (1.3. ábra).

1.3. ábra - Nyomásképződmények a légkörben a légmozgás irányával az északi féltekén. L az alacsony nyomást (ciklon), H a magas nyomást (anticiklon) jelöli

kepek/1-3.png


A ciklon sajátos időjárást hozó légköri képződmény. Felléptekor felhős, csapadékos idő várható a felfelé irányuló domináns légáramlás miatt. Hazánkban az ősz csapadékos időjárása a Mediterrán térségből érkező, átvonuló ciklonoknak köszönhető. Az anticiklon lefelé irányuló, szárító légmozgása következtében derült, napsütéses idő alakul ki. A téli időszak nagy lehűlései is ennek a légköri képződménynek köszönhetőek, nemcsak a nyáron fellépő stabil, száraz és felhőmentes idő. Lásd még éghajlattani alapokat is!

A légnyomás függőleges változása: a légköri sztatika alapegyenlete

-. ábra - -

kepek/1-3-b.png


A légnyomással kapcsolatban fontos kérdés, hogy értéke a nyugalomban lévő tiszta és száraz légköri levegőben miként változik a magassággal. Nyilvánvaló ugyanis, hogy légkörünkben emelkedve mind kisebb légnyomást fogunk tapasztalni, mivel egyre kisebb lesz a fölöttünk elhelyezkedő levegőréteg vastagsága és így a súlya is. A levegő sűrűség szerinti rétegződése a nehézségi erőtér hatására jön létre.

A légnyomás magasság szerinti változásának törvényét tanulmányozva képzeljünk el egy egységnyi keresztmetszetű (dx × dy = 1) légoszlopot. A légoszlopban (z1 és z2 rétegben) egy végtelenül kicsiny dz magasságú darabot. Az ebben foglalt levegő súlyával fog csökkeni a légnyomás, ha dz magassággal emelkedünk. Nyilvánvaló, hogy a dz magasságnövekedéshez tartozó dp nyomáscsökkenés értéke egyenlő lesz a dz térfogategységben foglalt levegő tömegének a gravitációval (g) való szorzatával.

1.4. egyenlet - 1.4

dp = –g ρ dz


A légkör bármely pontjának nyomása (pz2) kiszámítható a barometrikus magassági formulával (légnyomás-magasság függvény), ha a p(z1)a tengerszinti referenciaérték.

1.5. egyenlet - 1.5

p ( z 2 ) = p ( z 1 ) exp g ( z 2 z 1 ) R T


ahol

R: egyetemes gázállandó T: hőmérséklet

A légkör bármely pontjának nyomása tehát függ:

  • A referenciaszinten mért értéktől (Pz1),

  • A légréteg átlaghőmérsékletétől (T),

  • A légréteg vastagságától (z2–z1).

Az egyenlet alapján megállapítható, hogy a légnyomás exponenciálisan csökken a felszín feletti magasság növekedésével.

  1. sűrűség (ρ) az egységnyi térfogatban (V) foglalt tömeg (m), mely helyett annak reciproka, a fajlagos térfogat terjedt el a meteorológia gyakorlatában:

1.6. egyenlet - 1.6

ρ = m V [ kg m 3 ] 1 ρ = m V


A talajközeli légtérben a levegő állapotjelzőinek átlagait a 1.3. táblázat foglalja össze.

1.3. táblázat - A levegő állapotjelzőinek átlaga a talajfelszínen

Légnyomás a tengerszinten

Átlaghőmérséklet

A légkör átlagsűrűsége

1013 hPa

15 °C

1,225 kg/m3

Exponenciálisan csökken a magasság növekedésével

Függőleges hőmérsékleti gradiens (0,65 °C/100 m)

A magasság növekedésével csökken


A három állapotjelző közti kapcsolatot a gáztörvények fejezik ki. A gáztörvények ideális gázokra érvényesek. A levegő tulajdonságai közelítik az ideális gázokét (hőmérséklete messze esik a cseppfolyóssá alakulásához szükséges kritikus hőmérséklettől, a –141 °C-tól, mivel légköri minimuma kb. –90 °C körül van). Mivel a légkörben lejátszódó változások mindhárom állapotjelzőt együttesen érintik, az egyesített gáztörvény alkalmas a légkörben lejátszódó történések megjelenítésére. (A többi törvény bemutatásától eltekintünk.) Általános alakja:

1.7. egyenlet - 1.7

p V  =  R T


A sűrűséggel (egységnyi tömegű gáz térfogatának reciproka) kifejezve:

1.8. egyenlet - 1.8

p ρ = R T


A korábban definiált a fajlagos térfogatot (V’) bevezetve:

1.9. egyenlet - 1.9

p V =   R T


Az egyenlet Szuróczky és Tőkei (1997) szerint megmutatja, hogy a gáz nyomásából és fajlagos térfogatából alkotott szorzat változása arányos a hőmérséklettel.



[1]  Adiabatikus folyamat. A légköri gázok mozgásakor sokszor úgy zajlanak le a folyamatok, hogy a környezettel nem jön létre energiacsere. Az ilyen folyamatokat hőcserementes vagy adiabatikus folyamatoknak nevezzük.