MTA-ELTE Elméleti Fizikai Kutatócsoport

Elérhetőség:

Pázmány P. stny. 1/A,
H-1117 Budapest,
tel: +3613722524
fax: +3613722509

Környezeti áramlások és a klíma dinamikája

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. A konkrét témáink között részecskék forgó gömbi pontörvények sebességterében, turbulens folyóáramlásokban, valós légköri adatokból előállított reanalízis-mezőkben, valamint meteorológiai előrejelzési mezőkben történő advekciója szerepel. Különös hangsúlyt helyezünk a vulkáni hamu terjedésére és kiülepedésére, amelyeknekfontos társadalmi hatásai is lehetnek. A mozgásegyenletekre koncentrálva régóta ismert, hogy egy időben lassan lecsengő memória van jelen a véges, de kicsi méretű, kis relatív sebességű részecskék advekciós dinamikájában. Erről az erőről megmutatjuk, hogy lényeges, legalább annyira, mint a közegellenállás.

Válogatott cikkek:
G. Drótos, T. Tél and G. Kovács: "Modulated point-vortex pairs on a rotating sphere: Dynamics and chaotic advection".
Phys. Rev. E 87, 063017 (2013).

Haszpra, T., Tél, T. (2013): Topological entropy: a Lagrangian measure of the state of the free atmosphere.
Journal of the Atmospheric Sciences, 70 (12), 4030–4040 (doi: 10.1175/JAS-D-13-069.1).

Tímea Haszpra: Time-Reversibility in Atmospheric Dispersion
Atmosphere 2016, 7, 11; doi:10.3390/atmos7010011

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 területet egy oceanográfiai probléma, az árapály-hajtott áramlásoknak és az aljzat topográfiai akadályainak rétegzett víztestben fellépő kölcsönhatása motiválja. 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. Az ilyen elrendezésekkel végzett kísérleti kutatómunka egy logikus kiterjesztése lehet a közeljövőben a klímaváltozás által inspirált nemstacionárius jelenségek vizsgálata is.

Válogatott cikkek:
Miklós Vincze, Ion Dan Borcia & Uwe Harlander: Temperature fluctuations in a changing climate: an ensemble-based experimental approach
Scientific Reports, 7:254, DOI:10.1038/s41598-017-00319-0 (2017)

M. Vincze, I. Borcia, U. Harlander, P. Le Gal: Double-diffusive convection and baroclinic instability in a differentially heated and initially stratified rotating system: the barostrat instability
Fluid Dynamics Research – elfogadva - arXiv preprint arXiv:1604.08109 (2016)

M. Vincze et al.: Benchmarking in a rotating annulus: a comparative experimental and numerical study of baroclinic wave dynamics.
Meteorologische Zeitschrift 23, 611-635 (2015)

J. Boschan, M. Vincze, I. M. Janosi, and T. Tel: Nonlinear resonance in barotropic-baroclinic transfer generated by bottom sills.
Physics of Fluids, 24, 046601 (2012). doi: 10.1063/1.3699062

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). Klímaváltozás csak úgy lehetséges, hogy bizonyos fontos paraméterek időbeli változáson mennek keresztül, vagyis a rendszer dinamikája nem autonóm. Ez a két tulajdonság arra a megfigyelésre vezet, hogy az egyedi idősorok vizsgálata nem reprezentatív. Az egyedüli helyes megközelítés olyan trajektóriák sokaságának a vizsgálata, amelyek különböző kezdeti feltételekből indulnak. Erre a célra megfelelő fogalom a snapshot attraktor, ami az autonóm dinamikai rendszerek különös attraktorait nemautonóm rendszerekre általánosítja. A snapshot attraktor egy olyan időfüggő objektum egy disszipatív és gerjesztett rendszer fázistérben, ami a távoli múltban indított trajektóriák aszimptotikus helye. A snapshot attraktoros megközelítés önmagában is érdekes, de klimatikus kontextusban is természetessé válik, és ez utóbbiban a klíma variabilitásának egy matematikailag kielégítő leírását is biztosítja mind koncepcionális, mind közepes komplexitású klímamodellekben.

Válogatott cikkek:
Mátyás Herein, Gábor Drótos, Tímea Haszpra, János Márfy & Tamás Tél: "The theory of parallel climate realizations as a new framework for teleconnection analysis".
Scientific Reports, 7:44529, DOI: 10.1038/srep44529 (2017).

Mátyás Herein, Gábor Drótos, Tímea Haszpra, János Márfy, Tamás Tél: "Supplementary Information for: The theory of parallel climate realizations as a new framework for teleconnection analysis".
M. Herein, J. Márfy, G. Drótos, and T. Tél: "Probabilistic Concepts in Intermediate-Complexity Climate Models: A Snapshot Attractor Picture".
J. Climate 29, 259-272 (2016).

G. Drótos, T. Bódai and T. Tél: "Quantifying nonergodicity in nonautonomous dissipative dynamical systems: An application to climate change".
Phys. Rev. E 94, 022214 (2016).

A klímaváltozással kapcsolatos társadami érdeklődést erősen befolyásolják az időjárási extrémek, rekordok, s ezen események gyakorisága. Ennek megfelelően, a kutatások ma már nem csak a lassan változó időjárási jellemzőkre (például a globális hőmérsékletátlagra) koncentrálnak. Egyre inkább az érdeklődés homlokterébe kerül az időjárás változékonysága, s fontos célkitűzéssé vált a fluktuációk és a fluktuációk extrém értékeinek meghatározása. A klímával kapcsolatos extrém érték statisztikák kutatásának nehézsége abból ered, hogy a klíma dinamikájában nagy számban vannak olyan módusok (El Nino, Pacific Decadal Oscillations, Atlantic Multidecadal Oscillations, stb.), amelyeknek széles frekvenciatartománnyal rendelkeznek, s amplitúdójuk is tekintélyes, s ebből az következően erősen korrelált rendszerrel állunk szemben. Ugyanakkor az elméletek elsősorban független, azonos eloszlású változókra vonatkoznak. Célunk a korrelációk hatásának vizsgálata (különösen az olyan erős korrelációiké, amelyeket klimatikus idősorokban látunk) az extrém érték statisztikákra.

Válogatott cikkek:
N. Moloney, K. Ozogány, and Z. Rácz: Order statistics of 1/f(alpha) signals
Phys. Rev. E 84, 061101 (2011)

G. Györgyi, N. Moloney, K. Ozogány, Z. Rácz, and M. Droz: Renormalization-group theory for finite-size scaling in extreme statistics
Phys. Rev. E 81, 041135 (2010)