„Bolyaisok” – Haszpra Tímea környezetfizikus

Az éghajlatváltozás hatásait egy eddig még kevéssé vizsgált terület, a nagyskálájú légköri szennyeződésterjedés kapcsán tanulmányozta az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíjának támogatásával Haszpra Tímea, az ELTE Elméleti Fizikai Tanszékének tudományos főmunkatársa. Kutatásai ismertetésével folytatjuk a legkiválóbb „bolyaisokat” bemutató sorozatunkat.

2021. július 22.
Haszpra Tímea

A nagyobb vulkánkitörésekből származó hamufelhők és gázok, illetve az ipari balesetek során kikerülő szennyező anyagok forrásuktól gyakran messzire is elsodródhatnak, tőle távol is légszennyezettségi problémákat okozhatnak. Erre hívta fel a figyelmet például 2010-ben az Eyjafjallajökull vulkán kitörése, amelynek következtében Európa számos térségében légtérzárat rendeltek el, illetve 2011-ben a fukusimai atomerőmű katasztrófája, mely után a világ számos pontján ki lehetett mutatni a kikerült radioaktív szennyeződést.

Az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíját 2016-ban elnyerő Haszpra Tímea azt vizsgálta, hogy

az éghajlatváltozás hogyan befolyásolhatja a légköri szennyeződések globális skálájú terjedését.

„Korábbi kutatások feltárták, hogy különböző káoszmérőszámok jól alkalmazhatók a terjedés jellemzésére, a dinamikai rendszerek szemléletében való, fizikai megközelítésű vizsgálatra is. A kutatásban ezért két, a légköri terjedésben eddig még nem használt mennyiség, az ún. nyúlási ütem (amelynek a káoszelméletben a topologikus entrópia feleltethető meg) és a szökési ráta alkalmazhatóságát és változásait vizsgáltam” – mondta a kutató, aki meteorológusdiplomája megszerzése után környezetfizikából doktorált.

Az Eyjafjallajokull 2010-es kitörése Flickr/michi_s

A szennyeződésfelhők a sodródás kaotikus voltából adódóan a szabad légkörben szálas, kacskaringós, fraktálszerkezetű alakban terjednek. A nyúlási ütem a szennyeződésfelhők alakjának bonyolultságát is számszerűsíti, ily módon képet ad a terjedés intenzitásáról, kaotikusságának mértékéről s ezáltal az előrejelezhetőségéről is. A szökési ráta az aeroszol részecskékből álló szennyeződésfelhők kiülepedésének gyorsaságát írja le, amely (az ún. tranziensen kaotikus rendszerekre jellemző módon) exponenciális ütemben történik.

A kutató a terjedési szimulációkat a saját fejlesztésű Real Particle Lagrangian Trajectory (RePLaT) modellel végezte, méréseken alapuló, ún. reanalízis meteorológiai mezőket [1–2], valamint különböző éghajlati modellek (Planet Simulator, Community Earth System Model) kissé különböző kezdeti feltételekből induló sokasági (ensemble) éghajlati szimulációinak adatait [3] felhasználva. Ez utóbbiak jól használhatók az éghajlatváltozás hatásának és az éghajlat belső változékonyságából adódó fluktuációknak az elkülönítésére [4].

Az eredmények azt mutatták, hogy a trópusi térségben induló felhők például 10 nap alatt 20–150-szeresükre nyúlnak, míg a közepes és magas szélességeken kibocsátottak a 300–3000-szeres hosszt is elérik. Az eltérés az utóbbi földrajzi övezetben zajló erősebb ciklontevékenység következménye. Mind az 1979 és 2015 közötti időszakot lefedő reanalízismezőkben [1], mind az 1950–2100 közötti időszakra vonatkozó éghajlati szimulációkban [3] a nyúlási ütem jelentős változásokat mutatott.

A sokasági éghajlati szimulációk felhasználásával készült eredmények elemzése felhívta a figyelmet arra is, hogy

csupán egy-egy éghajlati szimuláció félrevezető következtetésekre vezethet

a nyúlási ütem esetleges trendjeit illetően, azonban a sokaságot felhasználva egyértelműen kimutatható a nyúlási ütem 5-10%-os csökkenése a globális átlaghőmérséklet kb. 6 °C-os emelkedésének hatására. Ez azt jelenti, hogy például egy 10 napja a levegőben sodródó szennyeződésfelhő hossza átlagosan csupán 60%-a lesz a hőmérséklet-emelkedés végén lévő években. A kisebb nyúlási ütem a szétterjedés intenzitásának csökkenését vonja maga után, így bizonyos földrajzi területek nagyobb környezeti terhelésnek lehetnek kitéve az adott területre eső magasabb koncentráció miatt. A kutatásból arra is fény derült, hogy a különböző földrajzi övekben a nyúlási ütem erős korrelációban áll a relatív örvényességgel. E kapcsolat segítséget nyújthat abban, hogy éghajlati szimulációk esetén a szennyeződések terjedésében bekövetkező változások becsülhetők legyenek a külön elvégzendő, számításigényes terjedési szimulációk nélkül.

Egy kezdetben 330 km hosszú szennyeződésfelhő sodródási képe a szimulációkban 10 nappal a kibocsátás után (Kibocsátás: 2015. december 1. 00 UTC, 90◦ E, 40◦ N, 500 hPa, világoskék vonal a fekete szélű négyzetben). A színskála a szennyeződésfelhő részecskéinek nyomási koordinátáját jelzi hPa-ban.

Haszpra Tímea a kutatás másik részében az aeroszol részecskék ülepedésében és élettartamában tapasztalható kaotikus vonásokat vizsgálta [2]. Adott magasságban a globálisan egyenletesen elosztott részecskék egyedi élettartama igen széles skálát fed le (pl. 5 µm-es részecskék esetén néhánytól 150 nap időtartamig), és az élettartamok földrajzi eloszlása szálas fraktálszerkezetű, ahol az egymás melletti szálakhoz tartozó élettartamokban akár 10-szeres eltérés is lehet. Ezek a térképek vulkáni hamufelhők vagy geoengineering céljából kibocsátott részecskék sorsát leíró atlaszoknak is tekinthetők. A cikk által feldolgozott kutatásból interjú is készült az American Institute of Physics számára.

A kutatás során használt RePLaT modellnek elkészült az oktatási célokra is alkalmas RePLaT-Chaos [5], illetve a kifejezetten középiskolás diákoknak szánt RePLaT-Chaos-edu [6] változata is, melyekkel a légköri terjedés és annak fent említett kaotikus vonásai is egyszerűen tanulmányozhatók a diákok által tetszőlegesen választott kitörési helyszínek és paraméterek (pl. a hamurészecskék mérete, sűrűsége) mellett elvégzett szimulációk segítségével.

Mint Haszpra Tímea elmondta, az MTA Bolyai János Kutatási Ösztöndíja segítséget nyújtott neki abban, hogy az éghajlatváltozás hatásait egy eddig még kevéssé vizsgált terület, a nagyskálájú légköri szennyeződésterjedés kapcsán tanulmányozza, és a változásokat újdonságként a kaotikus rendszereket jellemző mennyiségek segítségével számszerűsítse.


A Bolyai-ösztöndíjhoz elszámolt publikációk:

[1] Haszpra, T. (2017): Intensification of Large-Scale Stretching of Atmospheric Pollutant Clouds due to Climate Change. Journal of the Atmospheric Sciences, 74, 4229–4240 (doi:10.1175/JAS-D-17-0133.1) (http://real.mtak.hu/84985/).

[2] Haszpra, T. (2019): Intricate features in the lifetime and deposition of atmospheric aerosol particles. Chaos, 29(7), 071103 (doi:10.1063/1.5110385).

[3] Haszpra, T., Herein, M. (2019): Ensemble-based analysis of the pollutant spreading intensity induced by climate change. Scientific Reports, 9, 3896 (doi:10.1038/s41598-019-40451-7) (http://real.mtak.hu/99085/).

[4] Tél, T., Bódai, T., Drótos, G., Haszpra, T., Herein, M., Kaszás, B., Vincze, M. (2019): The theory of parallel climate realizations: A new framework of ensemble methods in a changing climate – an overview. Journal of Statistical Physics, 179, 1496–1530 (doi:10.1007/s10955-019-02445-7).

Az ösztöndíj lejárta után megjelent/elkészült, de ahhoz kapcsolódó publikációk:

[5] Haszpra, T. (2020): RePLaT-Chaos: A Simple Educational Application to Discover the Chaotic Nature of Atmospheric Advection. Atmosphere, 11(1), 29 (doi:10.3390/atmos11010029).

[6] Haszpra, T., Kiss, M., Izsa, É. (2020): RePLaT-Chaos-edu: an interactive educational tool for secondary school students for the illustration of the spreading of volcanic ash clouds. J. Phys. Conf. Series (elfogadva).