Légkörfizika

Legfontosabb kulcsszavak: légkör, éghajlat, modellezés, dinamika, villámtevékenység, elektromosság, infrahang, üvegházhatású gázok, mérések

A légkörfizika a bolygók légkörének vizsgálatát tűzi ki célul különös tekintettel a Föld légkörére. A kapcsolódó kutatómunka magában foglalja e régió fizikai tulajdonságainak kvantitatív jellemzését, az ott lezajló folyamatok megértését és értelmezését a fizika törvényei alapján, a tapasztalatok elhelyezését a természet összetett összefüggésrendszerében, valamint az új ismeretek emberiség javára történő hasznosítási lehetőségeinek feltárását.

A légkörfizikai kutatások az intézet megalakulása óta szerves részét képezik a tudományos tevékenységnek. A vizsgálatok középpontjában a közép- és felső légkör áll: egyrészt a semleges légkör és a Földkörüli térség közötti kölcsönhatások, másrészt a légkör kb. 100 km alatti magasságban végbemenő elektromos folyamatainak tanulmányozása céljából.

Kutatómunkánk jelentős hányadát az intézet által kezelt méréseken alapuló vizsgálatok teszik ki. Az évek során folyamatosan bővülő mérési infrastruktúra lehetővé tette, hogy az intézet újabb légkörfizikai kutatási irányokat is befogadjon, többek között az üvegházhatású gázok és a légköri infrahangok vizsgálatát. Csoportunk mára egyedülállóan gazdag mérési infrastruktúrával rendelkezik, amely átfogó légkörmegfigyelést és -kutatást tesz lehetővé.

Az intézet légkörfizikai kutatásai jelenleg egyre inkább az éghajlatváltozás dinamikájának és jellemzőinek leírására és megértésére összpontosítanak, meghatározott kutatási irányokban. A kísérleti munkát elméleti vizsgálatok és numerikus szimulációk egészítik ki.

Tevékenységünk az alábbi kutatási területekre összpontosul:

Légköri elektromosság

Az aktív zivatartevékenységből eredő, kvázi egyenáramú (DC) és váltóáramú (AC) elektrodinamikai folyamatok egy globálisan összekapcsolt, elektromos áramokból és elektromágneses (EM) sugárzási terekből álló hálózatot alkotnak a Földkörüli térségben. Ennek a rendszernek a kb. 100 km alatti légköri tartománya – beleértve a Föld ionoszférájának alsó részét is – a globális légköri elektromos áramkörként (GLEK) ismert. A villámtevékenység az egyik hivatalosan elfogadott éghajlati kulcsparaméter, ezért a villámtevékenység eloszlásának és intenzitásának vizsgálatán keresztül tanulmányozzuk a zivatartevékenység globális jellemzőit és dinamikáját. Vizsgálataink a GLEK különböző elemeinek megfigyelésén alapulnak. A tanulmányozott elemek körébe tartoznak a Föld felszíne és az ionoszféra közötti DC elektromos tér és elektromos áramok paraméterei és változásai; a rendkívül alacsony frekvenciájú (3 Hz–3 kHz) EM hullámok keletkezése (villámkisülésekben) és terjedése a talaj és az alsó ionoszféra által határolt EM hullámvezetőben, különös tekintettel a Schumann-rezonanciákra (SR), azaz a zárt hullámvezetőben kialakuló globális EM rezonanciákra; valamint a felhők feletti elektromos eredetű fényfelvillanások (FEF), például a vörös lidércek és kék nyalábok. A kapcsolódó vizsgálatok elsődleges célja az, hogy feltárjuk és felmérjük a légköri elektrodinamikai folyamatok megfigyelésének és felhasználásának lehetőségeit a földközeli térség és a Föld felszíne közötti energiatranszport jellemzésében, valamint az EM sugárzás tulajdonságainak és a légkör összetételének meghatározásában, esetleg alakításában a különböző légköri rétegekben.

A globális elektromos áramkör

Villámok és vörös lidérc a Föld légkörében

Kapcsolat: Bór József, Bozóki Tamás
 

Éghajlati dinamika és modellezés

Környezeti áramlások kísérleti modellezése

A hidrodinamikai hasonlóság elvére támaszkodva a globális léptékű közegáramlás számos kulcsfontosságú aspektusa egyszerű laboratóriumi elrendezésekkel hatékonyan modellezhető. Az egyenlítő és a pólusok közötti hőmérsékletkülönbség, valamint a Coriolis-erő által befolyásolt légköri cirkulációs mintázatokat és az időjárási ingadozások statisztikai tulajdonságait differenciálisan forgó és ugyanilyen eloszlásban fűtött kísérleti tartályok segítségével vizsgáljuk. Ez a megközelítés lehetővé teszi a Földön és más bolygókon végbemenő, éghajlatváltozáshoz hasonló nem egyensúlyi folyamatok fizikai modellezését, és hozzájárulhat számos probléma jobb megértéséhez a Vénusz légkörének szuperrotációjától kezdve a Szaturnusz északi pólusán lévő nyírási instabilitásokon át olyan Naprendszeren kívüli (exo-)bolygók légköri konvekciójáig, amelyek forgási és keringési periódusa azonos, így a napjuk mindig csak ugyanazt az oldalukat fűti.

Kapcsolat: Vincze Miklós
 

Káoszelmélet és numerikus éghajlat-modellezés

Az éghajlat hagyományos, idősorokon alapuló leírása éghajlatváltozás esetén nem alkalmazható reprezentatív módon, mivel nem veszi figyelembe az adott időfüggő éghajlati állapot által mutatható lehetséges viselkedések teljes spektrumát. E hiányosság kezelésére vezettük be a „párhuzamos klímák” elméletét, amely a káoszelméleti pillanatfelvétel-attraktorok fogalmán alapul. Éghajlatváltozásra alkalmazva ez az elmélet lehetővé teszi a statisztikák kiszámítását éghajlati állapotok numerikus együttese felett. Ezek a statisztikák matematikailag megalapozott, valószínűségi értelemben vett éghajlatleírást nyújtanak. Célunk ennek a sokaság-alapú megközelítésnek az alkalmazása olyan kulcsfontosságú éghajlati jelenségek megértéséhez, mint pl. az ENSO (El Niño–Déli Oszcilláció), az Arktikus Oszcilláció (AO), az Atlanti Meridionális Átforduló Cirkuláció (AMOC), északi hideg levegő betörések és szélsőséges éghajlati események. Ez a megközelítés átfogó keretet kínál az éghajlat összetett, nemlineáris természetének vizsgálatához.

„Párhuzamos klímák” numerikus illusztrációja a PlaSim éghajlati modellben.

Kapcsolat: Herein Mátyás
 

Infrahang

Az általában 0,01–20 Hz frekvenciatartományban a légkörben terjedő alacsony frekvenciájú akusztikai jeleket infrahangnak nevezzük. Mivel az ilyen jelek forráshoz (pl. villámtevékenységhez) való rendelése általában referenciainformációt igényel, rutinszerűen alkalmazzuk azt a módszert, amely a villámeloszlás és az infrahang-észlelések korrelációján alapul. A magyar infrahang-állomás (Piszkéstető) 50 km-es körzetében az egyedi villámcsapásokat is képesek vagyunk azonosítani a nyomáshullám-regisztrátumokban. 

Kapcsolat: Pásztor Marcell

Légköri üvegházhatású gázok

Az üvegházhatású gázok (pl. CO₂, CH₄) felszínhez közeli forrásaiban a  koncentrációk és transzportfolyamatok megfigyelése lehetővé teszi számunkra, hogy tanulmányozzuk a természetes és emberi tevékenységből eredő magyarországi kibocsátási ráták változásait, illetve egy európai kutatási infrastruktúra-hálózatban – az Integrált Szénmegfigyelő Rendszerben (ICOS) – való részvétel révén meghatározzuk az emissziós intenzitás földrajzi eloszlását egy nagyobb területen. 

Filonchyk et al., 2024.

Kapcsolat: Haszpra László