HUN-REN-ELTE Elméleti Fizikai Kutatócsoport

A környezeti áramlások minél pontosabb megértése nélkülözhetetlen ahhoz, hogy képet kapjunk a valóságos időjárás és klíma működéséről. Környezetvédelmi szempontból lényeges szerepet játszik ezen áramlásokban a kis részecskék (pl. szennyezők) terjedése is. Ennek a jelenségnek a fizikai jellemzőit különböző szempontokból vizsgáljuk. Különös hangsúlyt helyezünk a vulkáni hamu terjedésére és kiülepedésére, amelyeknek akár hétköznapi életünket befolyásoló hatásai lehetnek. A terjedés változásait numerikus szimulációkkal vizsgáljuk az éghajlat és a földköpeny időfejlődésében. Sokasági szimulációkban derítjük fel, hogy a szennyezések nyúlási üteme hogyan függ az éghajlatváltozástól, illetve a köpenydinamika az erősen időfüggő Rayleigh-számtól. A légköri terjedéshez az általunk kifejlesztett RePLaT (Real Particle Lagrangian Trajectory) modellt, éghajlati szimulációkhoz a PlaSim-ot (Planet Simulator-t) és az egyik legfejlettebb klímamodellt, a CESM-et (Community Earth System Model-t), míg a földköpeny-szimulációkhoz a COMSOL Multiphysics modellrendszert használjuk. Kitérünk arra is, hogy a kiülepedő, felhalmozódó részecskék inhomogenitásait hogyan határozzák meg az áramlás tulajdonságai, különös tekintettel az óceánban lezajló folyamatokra.

A hidrodinamikai hasonlóság elvének köszönhetően a légkör és az óceán bolygóléptékű jelenségeinek némely kulcseleme meglepően jól modellezhető viszonylag egyszerű laboratóriumi kísérleti elrendezésekkel. Kutatómunkánk a környezeti áramlások két jelenségkörére irányul; ezek: (i) hullám- és keveredési dinamika függőlegesen rétegzett közegben, és (ii) a forgatás hatása olyan áramlásokban, amelyeket felhajtóerő vagy szélnyírás hajt. Az első kutatási terület motivációja egy oceanográfiai probléma, az árapály-hajtott áramlásoknak és az aljzat topográfiai akadályainak rétegzett víztestben fellépő kölcsönhatása. Ennek feltárása alapvető fontosságú a globális óceáni áramlások energetikai viszonyainak jobb megértéséhez. A második fő kutatási irányunkat a légkör nagy léptékű dinamikája motiválja, melyet az Egyenlítő és a sarkvidék közötti hőmérsékletkülönbség hajt, a Coriolis-erő pedig jelentős mértékben befolyásol. Utóbbi ciklonok és anticiklonok kialakulásához vezet, melyeket megfigyelhetünk asztali méretű forgó laboratóriumi kádakban is, melyek a közepes szélességek légkörének 'minimálmodelljeiként' szolgálnak. Ezen kísérleti eszközökben vizsgáljuk a légköri és óceáni turbulencia laboratóriumi modelljeit, melyekben hőmérséklet- vagy sebességkülönbség áll fenn. Ezek, illetve a lemeztektonikai konfigurációk időbeli változtatásával klímaváltozásszerű folyamatokat modellezünk. Az óceán fölötti sztochasztikusan irányt váltó szelek mélységi áramlásokra gyakorolt hatását is elemezzük a Coriolis-platformon végzett méréseink alapján.

A klíma problémájára adott bármilyen hagyományos leírás elkerülhetetlenül hiányos, mivel nem veszi figyelembe egy adott klimatikus állapot összes lehetséges különböző viselkedését (“kimenetét”, lényegében az időjárási helyzeteket). Kiemelten fontos terület a távkapcsolatok vizsgálata változó klímában. A klimatológiai távkapcsolatok a Föld távoli területein megfigyelhető időjárási fluktuációk között mutatkozó korrelációk. Ezek egyike a NAO (North Atlantic Oscillation), és a még markánsabb ENSO-jelenség (El Niño–Southern Oscillation), amely az időjárást, ökoszisztémát, mezőgazdaságot, világgazdaságot is globálisan befolyásolja. A kutatás alapkérdése annak megértése, miként befolyásolja a klímaváltozás az ENSO viselkedését, illetve ennek távkapcsolatait. A távkapcsolatok időbeli fejlődése máig nem tisztázott. A kérdés megoldásában segít a snapshot (pillanatkép) attraktor alkalmazása, amennyiben a disszipatív (klíma) rendszer már „elfelejtette” a kezdeti feltételeit. A realizációk ily módon kialakuló sokasága egyértelműen meghatározza a dinamikát, így a távkapcsolatokat is. Az El Niño és az indiai monszun kapcsolatának a példájában statisztikai hipotézisteszteléssel győződünk meg a korrelációs együttható esetleges változásáról. A jellemző földrajzi mintázatok (főkomponensek) erősségének a távkapcsolatokban betöltött szerepét is vizsgáljuk.

Klimatológiai extrémek gyakran váltanak ki markáns média- és társadalmi érdeklődést, és ilyenkor elvárható a tudományos megnyilatkozások megalapozottsága. A klímával kapcsolatos extrémérték-statisztikák kutatásának nehézsége abból ered, hogy a klíma dinamikájában nagy számban vannak olyan jelenségek (El Niño, Pacific Decadal Oscillation, Atlantic Multidecadal Oscillation, stb.), amelyek megfigyelt idősorai széles frekvenciatartománnyal rendelkeznek, és amplitúdójuk is jelentős. Ebből következően erősen korrelált rendszerekkel állunk szemben, a rekordstatisztikák elmélete viszont ilyen esetekre még kezdeti stádiumban van. A klimatológiában alkalmazott rekordstatisztikai eljárások még stacionárius, de korrelált adatsorokra alkalmazva is félrevezető interpretációkra adnak lehetőséget időtükrözési aszimmetria esetén. Célunk, hogy meghatározzuk az erősen korrelált idősorok rekordstatisztikájának helyesen értelmezhető jellemzőit laborkísérleti idősorainkban és meteorológiai adatsorok felhasználásával.