2020. április: jegyzet, it, mérés, bionika, biokémia, egyetem, adatbányászat, folyamatmodellezés, neutronkutatás, biológia, fizika, nanotechnológia, atomenergia, űrtevékenység, lézer, tudomány, geokémia, geológia, régészet, közlekedés, építés, innováció, okostechnológia, egészségipar, agrárium, mikroszkópia, automatizálás, diagnosztika, meteorológia, környezetvédelem, vízgazdálkodás, zöldkörnyezet, energiagazdálkodás, megújuló energia

Meteorológia – a kezdetektől napjainkig

Az időjárási folyamatok megértésében és az előrejelzések pontosabbá tételében is meghatározó szerepet játszik a technológiai fejlődés. Horváth Ákost, az Országos Meteorológiai Szolgálat Siófoki Viharjelző Obszervatóriumának vezetőjét erről a fejlődésről kérdeztük.


Hogyan járul hozzá az időjárási folyamatok megértéséhez és az előrejelzések pontosabbá tételéhez a meteorológiá­­ban bekövetkezett technológiai fejlődés, a számítástechnika és az űrtechnika?

– A meteorológia legfontosabb feladata az időjárás-előrejelzés, erre van a legnagyobb társadalmi igény. A meteorológia fejlődését tulajdonképpen mindig is ez az elvárás határozta meg, amiről legendás történetek születtek. A krími háború egyik tragikus ütközetét, a balaklavai csatát (1854. október 25. – a szerk.) követően néhány héttel kitört hatalmas viharban az angol és a francia flotta hajóinak nagy része elsüllyedt vagy súlyosan megsérült, ami miatt a francia hadügy vizsgálatot rendelt el, és egy ismert csillagászt, Urbain Le Verrier-t bízták meg annak kiderítésével, hogy vajon előrejelezhető lett volna a vihar. A hagyomány szerint ez indította el a meteorológia fejlődését, ami attól kezdve elméleti légkörtanból egyre inkább gyakorlati tudománnyá alakult át. A meteorológia egyik meghatározó eleme a mérés, e nélkül nem tudnánk pontos képet alkotni az időjárásról. Ezért nagyon fontos, hogy a mérések reprezentatívak legyenek, ami azt jelenti, hogy mindig az adott időjárási folyamatra kell a megfelelő mérést elvégezni. Például egy ciklon áthelyeződését olyan helyen végzett mérések sorozatából lehet csak kellő pontossággal meghatározni, ahol a környezeti hatások – mint egy épület, egy rossz helyre telepített hőmérő vagy egy nem releváns helyen működő szélműszer – nem befolyásolják a mérést. Idővel egyre inkább előtérbe került, hogy ne csak a kétdimenziós, földfelszíni meteorológiai elemeket mérjük meg, hanem a háromdimenziós légkörről is legyenek ismereteink. Ekkor alakultak ki a mai mérőhálózat legfontosabb elemei is, mint például a rádiószondás mérések. Megjelentek az automata meteorológiai állomások, a földfelszíni mérések egyre sűrűbbé váltak. Míg Magyarországon a húsz évvel ezelőtti meteorológiai észlelések a nagyobb városokban lévő meteorológiai állomások óránként leadott jelentésein alapultak, addig napjainkban már több száz helyen vannak olyan műszerek az országban, amelyek tízpercenként, nagy pontossággal közölnek adatokat a felszínről. A felszíni méréseknél és a mérés adatainak gyűjtésénél meghatározó szerepet kapott az elektronika és az informatika.

Az időjárási frontokról készült térképen az izobárokat – az azonos légnyomású pontokat összekötő görbé­ket – fekete vonalak jelölik. A hidegfrontokat vastag, kék vonalakkal jelölik, rajtuk a haladásuk irányát mutató háromszögekkel. A melegfrontokat vastag, piros vonalakkal, a haladásuk irányát félkörökkel jelölik.
Említette, hogy ma már nemcsak a felszíni adatokat nézik, hanem a magaslégköri tartományban lévőket is. Hogyan történnek ezek a mérések, és milyen információkhoz jutnak általuk?

– A naponta felbocsátott rádiószondák által végzett mérések egyre pontosabbak, így ma már nemcsak a kétdimenziós, hanem a három­dimenziós légkörről is napi információkat kapnak a meteo­rológusok. A következő nagy lépés a meteorológia fejlődésében a távérzékelés megjelenése volt. Már nemcsak egy helyszínre telepített műszerrel végzünk közvetlen méréseket, hanem távolról, a különböző sugárzási hatásokból, visszaverődésekből, közvetett módszerekkel állapítjuk meg a légkör állapotát egy-egy adott pontban. A legfontosabb távérzékelési eszközeink az időjárási radarok, illetve a műholdak. A műholdak segítségével nemcsak azt tudjuk megállapítani, hogy egy adott területen felhős vagy tiszta az ég, hanem azt is meg tudjuk mondani, hogy milyen a légköri profil azon a helyen, és hogyan alakulnak a különböző szinteken a légköri áramlások. Ennél is pontosabb képet kaphatunk a légkörről, ha a műholdas adatokhoz hozzáadjuk az időjárási radarok adatait, amelyek meglehetősen nagy pontossággal képesek meghatározni a csapadékrendszereket, a záporokat, zivatarokat, illetve a csapadékrendszerek mozgását. A mérés az időjárás előrejelzésének egyik fontos eleme, és az előbb említettek mellett létezik még néhány speciális mérés is.

Az egyik legfontosabb távérzékelési eszköz az időjárási radar. A radarképek segítségével a felhőkben található csapadék mutatható ki. Az egymást követő radarképekből készített animációkon jól nyomon követhető a csapadékobjektumok (például záporok, zivatarok) kialakulása, mozgása, fejlődése és megszűnése.
Mi a következő lépés?

– Az információkat össze kell gyűjteni, ebben is robbanásszerű fejlődést jelentett az informatika, mivel nagyon gyorsan bekerülnek az adatok a nagy meteorológiai központokba, de manapság az otthoni számítógépeken is pillanatok alatt hozzáférhetünk a mérések jelentős részéhez. A légköri mozgásokat leírhatjuk egy meglehetősen bonyolult egyenletrendszerrel, azonban annak megoldásához nagyon komoly számítás­technikára van szükség. Ezzel a problémával olyan szellemi óriások foglalkoztak, mint Neumann János, aki – sok minden más mellett – a számítógépes meteorológiai előrejelzés alapjait is lefektette. Napjainkban már nemcsak a hatalmas meteorológiai központokban, hanem a magyar meteoro­ló­giai szolgálatéhoz hasonló nagyságúakban is működnek nagy tel­jesítményű, úgynevezett szuperszámítógépek, amelyek ezeket az egyenleteket megoldják. Az utóbbi években az előrejelzés pontossága ezeknek is köszönhetően rengeteget javult.

Egy újabb korszak kezdődött a meteorológiai mérések és megfigyelések történetében az úgynevezett együttes előrejelzések, francia eredetű szóval az ensemble prognosztika megjelenésével?

– Igen, talán ez volt az egyik legfontosabb felfedezés az elméleti meteorológiában, ami szintén sokat fejlődött az elmúlt évtizedekben. Ha az előrejelzéseket – a természet sajátossága folytán – egy bizonyos szinten túl nem lehet tovább pontosítani, azt azért meg tudjuk mondani, hogy mekkora az adott előrejelzés bizonytalansága. A módszer lényege, hogy a számítógépek nagyon sok előrejelzést készítenek úgy, hogy a számítás kiindulási állapotát perturbálják, azaz egy nagyon picit megzavarják, és megnézik, hogy ezek után mekkora eltérések lesznek a számításokban. Ha a kiindulási helyzetben végzett perturbációk miatt nincsenek nagy eltérések a három-, négy-, öt-, hatnapos előrejelzésekben, akkor kijelenthetjük, hogy az előrejelzés meglehetősen biztos. Ha viszont a különböző perturbált modellek nagyon eltérő előrejelzést adnak annak ellenére, hogy csak egy kicsit zavartuk meg a kezdeti feltételt, akkor azt mondjuk, hogy az előrejelzés bizonytalan. Végül, de nem utolsósorban a klímában és a klímadinamikában is nagy változások zajlanak; ezek a számítógépes modellek ugyanis alkalmasak arra is, hogy akár több évtizedes időjárási változásokat előre jelezzenek. Természetesen ezen nem azt kell érteni, hogy pontosan megmondjuk, milyen lesz egy évre előre az időjárás, hanem inkább azt jelenti, hogy megmondjuk, milyen irányba változik, mozdul el a klíma.

Mivel foglalkozik a mezometeorológia?

– A másik véglettel. A mezometeorológia feladata az, hogy kis területre vonatkozóan, de nagy pontossággal mondja meg, milyen idő lesz egy rövid időszakon belül, és egy-két órára előre időjárási riasztásokat adjon. Ez az úgynevezett nowcasting rendszer, amely 2005 óta működik, az országos viharjelző rendszer részét képezi, és az a feladata, hogy egy-egy adott helyen pontosan megmondja, ha valamilyen veszélyes időjárási folyamat történik, továbbá azt, hogy egy-két órán belül várhatóan mikor csap le.

Szakemberként mit tart a modern meteorológia legizgalmasabb területének?

– Elsősorban a markáns időjárási folyamatok természetének a meg­ismerését, modellezését. Ez azt a célt szolgálja, hogy ha a való­ságban találkozunk a jelenséggel, ne legyen meg­lepetés­szerű, tudjuk, hogy mire számítsunk. A meteorológia két szélső ága talán a leg­izgalma­sabb: a hosszabb távú előrejezés, a valószínűségi előrejelzések, az ensemble modellek mellett a rövid távú vihar-előrejelzések, a nowcasting (lásd keretes írásunkat).

A viharok helyzetének pontos behatárolása és mozgásuk leírása a meteorológia speciális területéhez, az úgynevezett nowcastinghoz tartozik. A nowcasting, amely a gyakorlatban az ultrarövidtávú előrejelzést, így a veszélyes időjárási jelenségekre történő riasztások készítését foglalja magába, két pilléren nyugszik. Az első az időjárási helyzet pontos és számszerű leírása, az objektív analízis készítése. A második pillér a légkört leíró mozgás­egyenletek számítógépes megoldása: a numerikus előrejelzés. A szuperszámítógépek lehetővé teszik olyan numerikus modellek alkalmazását, amelyek képesek arra, hogy az időjárási folyamatok nem hidrosztatikus finomszerkezetét is leírják.

A nowcasting rendszer úgy működik, hogy a kezdeti feltételeket az objektív analízisből származtatják, a nowcasting végét (tipikusan +3 óra előrejelzést) pedig a modellből veszik. Az eljárás végeredménye az, hogy minden egyes rácspontra kiszámolják a várható „je­len­idő”-paramétert. Nyilvánvaló, hogy ez az eljárás legfeljebb 3 óráig adhat reális előrejelzést, ezért fontos, hogy az eljárást sűrűn ismételjék. Az Országos Meteorológiai Szolgálatnál jelenleg minden 10 percben készül nowcasting előrejelzés, amelynek eredményei sok egyéb paraméter kiszámítására is alkalmasak. (Forrás: Horváth Ákos: Időjárási veszélyjelzés, balatoni viharjelzés)

A műholdak meteorológiai alkalmazása

A Föld körül keringő műholdak bolygónk teljes felszínéről és légköréről folyamatosan szolgáltatják az adatokat. Mika János éghajlatkutatóval, az Eszterházy Károly Egyetem egyetemi tanárával a műholdak meteorológiai alkalmazásáról beszélgettünk.

Meteorológiai műholdak figyelik a földi időjárást és az éghajlatot. Hogyan segítenek a napi időjárás előrejelzésében?

– Tizenöt percenként készülnek műholdas felvételek, van, amikor ötpercenként, tehát nagyon rövid időskálán belül. A műholdak egyik típusa napszinkron pályán kering, és tizenkét óra alatt eljut a Föld minden pontja fölé, méghozzá egy adott pont fölé mindig ugyanabban a helyi időben. Nagyjából ez ugyanaz a Föld körüli keringés, mint amiből egyet az űrhajózás kezdetén Gagarin is megtett. A másik fajta műhold geoszinkron pályán halad, azaz mindig ugyanazon földrajzi pont fölött marad, mivel a Földdel együtt, azonos szögsebességgel kering. Öt ilyen típusú műhold elegendő ahhoz, hogy az egész Földet lássuk 1–4 kilométeres horizontális felbontásban, ami a földszinkron pályán keringő műhold esetében 4–6 kilométer. Ennél nagyobb felbontást a meteorológiában nem alkalmazunk. Az egyik alapvető feladat például a felhőtető hőmérsékletének meghatározása. Erre azért kíváncsiak a meteorológusok, mert minél hidegebb egy felhőtető, annál magasabban van, és tudjuk azt, hogy a veszélyes felhők, mint a zivatarfelhők, függőlegesen nagyon fejlettek. A tizenöt percenként készülő műholdfelvételekből jól látható, hogyan fejlődik egy ilyen képződmény. Radarral figyelik a szakemberek a felhők víztartalmát, amit a csapadék mennyiségének meghatározására használnak. Ugyanis a felszíni csapadékmegfigyelés csak korlátozott mértékben használható, az automata csapadékmérők akár negyven százalékkal is alulmérhetnek, részben a műszer billenő edényeinek az adottságai miatt, valamint azon egyszerű oknál fogva, hogy a csapadék nem ott esik, ahol mérik.

Meteorológiai műhold Föld körüli pályán.
Mire használják a műholdakat az éghajlatváltozási elem­zéseknél?

– A műholdadatok felhasználása alapvetően négy alkalmazási területen történik: megfigyeljük az úgynevezett külső tényezőket, amelyek a változások okai lehetnek, az éghajlati rendszer változásait, ellenőrizzük a klímamodell valóságot reprodukáló képességét, továbbá ellenőrizzük a modellek érzékenységét. Ezekkel a lehetőségekkel élhetünk. Az 1980-as évek óta állnak a rendelkezésünkre a digitális, tehát számszerű adatokat szolgáltató műholdak, azóta vannak fizikai mennyiségekre vonatko­zóan folyamatos adatsoraink.

Normalizált Vegetációs Index
Az NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) a legszélesebb körben használt műholdas vegetációs index, mely a felszín „zöldességével”, fotoszintetikus aktivitásával van kapcsolatban. A nyolcnaponként készülő, 250 méteres tér­beli felbontású térképek egy adott helyen a biomassza mennyiségét tükrözik, nevezetesen a levelek klorofill- és víztartalmát. A mértékegység nélküli mérőszám értéke 0 és 1 között változik: a csupasz (szántott, tárcsázott, növényzet nélküli) talaj NDVI-értéke például 0,0–0,05 körüli, míg a dús vegetáció értéke 0,9. Minél magasabb a vegetációs index értéke, annál sötétebb zölddel ábrázolják a szak­emberek azt a területet, vagyis annál nagyobb a zöld tömeg, ami egészséges, vízzel és tápanyaggal jól ellátott, erős, növeke­dés­ben lévő növény­állományt jelez. A sűrű erdőknél találjuk a legzöldebb terüle­teket. Kisebb az index értéke, amikor a növény­állomány még kicsi és sok csupasz talaj „látszik” körülötte, vagy amikor víz-, illetve tápanyaghiány vagy valamilyen betegség, kártevő sújtja. Az NDVI-indexet a többi között a növények fejlődésének, egészségének, a legelők állapotának nyomon követésére, a biomassza mennyiségének becslésére lehet használni. (Forrás: www.met.hu)
Mit lát a műhold, hogyan követhető nyomon az éghajlat­változás az űrből?

– Műholdakat használunk a felszíni és légköri változások megfigye­lésére. Mérjük a jég-, illetve a hótakaró kiterjedését, a tengerek vízszintjét. Ennél kicsit bonyolultabb a tengervíz hő­mérsékleté­nek a meghatározása, ehhez a műhold a tengervíz magasságát méri centiméteres, méteres hullámhosszokon, és az így kapott adatokból számoljuk ki a tengervíz hő­mérsék­le­tét. A műholdtechnikának az a jelentősége, hogy az egész bolygóra kiterjed a megfigyelés. A felszíni mérések általában csak a kontinenseken vannak jelen, ott, ahol az emberek élnek; a sivatagokban sokkal kevesebb a megfigyelés, a műhold viszont egyformán lát mindenhol.

A jégtakaró a Jeges-tengeren 2015 nyarán nagyon lecsökkent. A sárga vonal az 1981–2010 közötti átlagot mutatja.
Nem torzítja az objektív analízist, hogy ma sokkal több adatból végzik a számításokat, vonnak le következtetéseket az éghajlat változásáról, mint száz évvel ezelőtt? Arról nem is beszélve, hogy számos olyan helyen végeznek méréseket, ahol korábban sohasem.

– Nem. Napjainkban négydimenziós adatasszimilációval dolgoznak a szakemberek, és a különböző időpontokban keletkezett adatokat is fel tudják használni, minden adat csak akkora súllyal esik számításba, amit területileg képvisel. A számítógépek sokat segítenek ebben. 2003 óta azt tapasztaljuk például, hogy a déli fél­teke előrejelzési minősége a légkör középső szintjén éppen olyan jó, mint az északi féltekéé, holott ez utóbbin lényegesen több felszínbázisú megfigyelés állna rendelkezésre, amivel a kezdeti állapotot sokkal pontosabban meg tudnánk becsülni. Egyértelműen a műholdaknak köszönhető, hogy kiegyenlítődött a prognózisok minősége. Az éghajlatváltozás előrejelzését célzó eszközök jóságával kapcsolatosan szintén használjuk a műholdakat. Hogy jól állítja-e elő a modell a jelenlegi klímát? Ennek a kérdésnek a meg­válaszolásá­ban szintén fontos szerep jut a műholdaknak, mivel számos meteorológiai mennyiség csak műholdakról figyelhető meg: ilyen például a felhőzet mennyisége vagy a tengeri jég, illetve a hótakaró kiterjedése. A modellek érzékenységének ellenőrzéséhez is használjuk a műholdakat, például arra, hogy a szén-dioxid-duplázódás válaszai megfelelnek-e a valóságnak. Ha túl érzékeny a modell, akkor túl nagy változást mutat, ellenkező esetben pedig túl kicsit. Alapvetően az évszakos menet megfigyelésével tudjuk meghatározni, hogy mekkora az éghajlat érzékenysége a külső tényezők alakulására.

Műholdadatok alapján a mezőgazdaság számára is készülnek előrejelzések. A földművelési munkák tervezésében, a termés előrejelzésében hogyan segít az, amit műholdról is látunk?

– Csupán néhányat említenék a műholdas technika legfontosabb mezőgazdasági alkalmazásaiból. A mezőgazdaság számára különböző távú időjárási előrejelzések készülnek. A veszélyjelzést nem nagyon szokta a mezőgazdaság igénybe venni, mert túl rövid az idő a cselekvéshez. Ennél sokkal lényegesebb, mondjuk, a termés várható alakulása, a szüreti időpont vagy a vetés kezdetének a meghatározása. Fontos tudni például, hogy mikor éri el a talaj hőmérséklete bizonyos mélységben a 6 Celsius-fokot, mert akkor lehet a borsót elvetni. Ez egy néhány napos előrejelzést igényel, mivel a talaj hőmérséklete lassabban és egyenletesebben változik, mint a légköré. A hetvenes évek óta lehet műholdak segítségével meghatározni a termés mennyiségére vonatkozó vegetációs indexeket. Ha magas a vegetációs index, az azt jelenti, hogy fejlett a növény. A vegetációs index nagyon fontos például abból a szempontból, hogy érte-e természeti károsodás a növény­takarót valamelyik területen. A kártevők hatását is meg tudjuk figyelni, mert a műholdakról látni lehet a növény­takaró lepusztulását. Ha nagyon meleg a felület, akkor ott valószínűleg kevés a víz, különben párologna, és nem lenne olyan magas a hőmérséklet. Ez összefüggésbe hozható a talaj legfelső rétegének a víztartalmával.•

 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020

Innotéka