Tavi hidrodinamika
A tanszék több évtizede foglalkozik tavi hidrológiai és hidraulikai folyamatok vizsgálatával. Kutatásaink elsősorban a nagy vízszintes kiterjedésű sekély tavakra irányulnak, mint hazánkban a Balaton, a Fertő és a Velencei-tó, amelyekben elsősorban a szél kelti a vízmozgást. A helyszíni mérések mellett a kutatások fontos részét képezik a mérések felhasználásával igazolt numerikus modellek. A vizsgált tó növényborítottságához és domborzatához adaptált modelljeinkkel a pontbeli mérések időben és térben is kiterjeszthetők, ezáltal jóval részletesebb betekintést kaphatunk a tó áramlási rendszerébe. A modellek fő haszna az, hogy következtetni tudunk a tapasztalt jelenségek okaira és a jövőbeli változások következményeire.
A tavak sokféle skálán lejátszódó vízmozgásaiba beleértjük a vízszintes síkú áramlásokat, a fel- és leáramlásokat, a vízszint-ingadozásokat, a hullámzást és a turbulens keveredést. Ezeknek az együttes hatása meghatározó a tó vízminősége és élőhely-összetétele alakításában. Így a köröző áramlások felelősek a vízzel együtt utazó anyagok és apró élőlények nagyobb léptékű áthelyeződéséért; a hullámzás pedig közreműködik a függőleges irányú átkeveredésben, az általa keltett turbulencia a sekélyebb tórészeken felkeveri a mederüledéket. A következőkben egy kicsit részletesebben is betekintünk ezekbe és megemlítjük a kutatásaink irányait.
A szél hatására a víz felszíne kilendül, számottevő vízállás-változást eredményezve a tó egyes partszakaszain. A kilendüléssel járó víztömeg-mozgásokat oszcillációs áramlásoknak nevezzük, míg a két jelenséget együttesen seiche mozgásnak (1. animáció).
1. animáció A Balaton vízfelszínének kilendülése a Kyrill vihar hatására (2007. január) és az azt követő vízlengés.
Ezzel egy időben és egymásra hatva különböző idő- és térléptékű köröző áramlások is létrejönnek a szélmeghajtás hatására, amelyek a tápanyagok, a biomassza jelentős részének, valamint egyéb alkotóelemeknek a forrásterületekről való elszállításáért felelősek (1 és 2. ábra). Ennek köszönhető, hogy a tavak szinte teljes víztere élőhelyet képes nyújtani különböző organizmusok számára.
1. ábra Időátlagolt felszíni és fenék közeli áramlás a Keszthelyi öbölben É-ÉNy-i szélvihar hatására.
2. ábra Áramlási sebességnagyság térbeli eloszlása a Fertő-tóban É-ÉNy-i szél hatására.
A vízfelszín mozgásának rövidebb összetevője a szél keltette felszíni hullámzás. Ezek a hullámok a vízlengés jellemzően órás léptékénél jóval kisebb, alig pár másodperces periódusidővel rendelkeznek, azonban azokhoz hasonlóan akár méteres magasságot is elérhetnek. Tavainkat hidrodinamikai értelemben éppen azért nevezzük sekélynek, mert a felszíni hullámzás hatása a mederfeneket is képes elérni, és ezáltal felkeverni a – tápanyagban gazdag – üledéket, amely lebegésbe kerülve a már említett áramlásokkal elszállítódik. Ennek következtében a mederfelszín folyamatosan változik, feladat elé állítva ezzel a strandok és a kikötők fenntartóit. Számos tapasztalati módszer áll rendelkezésre a hullámzás becslésére, azonban a hullámmező területi dinamikájának pontos számítására is általánosan a rácsháló-alapú numerikus modelleket célszerű bevetni (2. animáció).
2. animáció Numerikus modellel rekonstruált hullámmagasság-mező a Balatonon. Bal oldalon a hullámenergia különféle periódusidejű és terjedési irányú hullámösszetevők közötti megoszlása Balatonfenyvesnél.
A hidrodinamikán túl kutatásaink során vizsgáljuk a vízhőmérséklet tavon belüli eloszlását, amelyet erősen meghatároznak az előbb említett dinamikus folyamatok. Szélcsendben vagy gyenge szélben a hőmérséklet okozta függőleges sűrűségkülönbségek következtében a tó rétegződik. Sekély tavainkra az ún. napi ciklusú rétegződés jellemző (3. ábra).
3. ábra Az MTA Vízgazdálkodási Kutatócsoportja által mért (fent) és a tanszékünk által modellezett (alul) vízhőmérséklet három különböző mélységben, a Keszthelyi-öbölben.
A vízhőmérséklet előrejelzéséhez természetesen ismernünk kell a tó hőháztartását alakító sugárzásokat és hőcserefolyamatokat. Az utóbbiak becslését korszerű mérésekkel (ún. örvénykovarianca-módszerrel), valamint mikrometeorológiai modellekkel igyekszünk pontosítani (4. ábra).
4. ábra Örvénykovariancia technikával mért és modellezett turbulens hőáramok a Fertő-tó egy nyíltvízi pontja felett. (HTs- szenzibilis hőáram, LvE – látens hőáram).
Természetesen az említett folyamatok nem függetlenek egymástól, ráadásul a kölcsönhatásukból eredő képet tovább bonyolítja a mederdomborzat és a szélkitettség egyenlőtlensége. Mindez az elkeveredés és ezen keresztül a vízhőmérséklet erős változékonyságához vezet (5. ábra).
5. ábra A felszíni és fenékközeli vízhőmérsékletek átlagos különbségének, valamint az átkeveredett rétegvastagságnak a modellezett eloszlása a Keszthelyi-öbölben egy meleg nyári napon.
Vizsgálataink során számos esetben megállapítottuk, hogy a tavi hidrodinamikai számítások legfőbb bizonytalansági forrása a tó feletti szél eloszlása mind időben, mind térben. Külön hangsúlyt fektetünk kutatásainkban a szélmeghajtás minél pontosabb leírására. Figyelmet érdemel az, hogy a tó fölé érkező légáramlatok a terepnél sokkal simább vízfelszín fölött felgyorsulnak. Ez az ún. belső légköri határréteg olyan területi egyenlőtlenséghez vezet, amelyek szoros kapcsolatba hozhatók a szél keltette tavi áramképpel, különösen a szél felőli part mentén (6. ábra).
6. ábra Egyenlőtlen szélmező hatása a tó mélységátlagolt áramképére a Fertő tavon (balra: belső határréteg elmélettel számított szélmezővel, jobbra egyenletesnek feltételezett szélmezővel).