Különböző módon keletkező gravitációs hullámok

Az 1. ábrán az Adriai-tenger felett látható hidegfront a nap folyamán elérte Magyarországot. Előterében már a hétvégén megerősödött a délkeleti áramlás a Kárpát-medence felett. Ebben az áramlásban a Déli-Kárpátoktól északra az ún. Košava-jelenség is fellépett, melynek során a Szerb-Kárpátok körüli hágókon keresztül délkelet felől hideg levegő zúdul be a Kárpát-medencébe. Ez alacsony szinteken erősen turbulens áramlást idéz elő, amire az ottani repülésmeteorológiai megfigyelő iroda (SMATSA) egész hétvégén figyelmeztetett SIGMET táviratok formájában. Ezzel szemben a Kárpátoktól keletre a nap folyamán kezdett a közeledő ciklon hatására megélénkülni a szél, az addigi nyugodt, áramlásmentes időjárás hatására kialakult nagy területet beborító alacsony szintű rétegfelhőzet még tartotta magát. A műholdképeken mindkét felhőmező tetején láthatók kisebb-nagyobb „fodrozódások”, hullámok. Ezek egyaránt a légkör belső gravitációs hullámai, a jelenség ugyanaz, azonban a két területen merőben eltérő módon alakultak ki.

Az ilyen hullámjelenségek felfedezése még az 1920-as, ’30-as évekre tehető, elméleti úton azonban csak az ’50-es évekre sikerült kielégítő pontossággal leírni őket. Az elmélet lényege, hogy stabil légkörben a függőlegesen kitérített légrészecskére visszatérítő erő hat, így például egy akadálynak ütköző légelem hullámmozgásba kezdhet (pl. azáltal, hogy a szél nekifújja a hegynek, ami azt emelkedésre készteti), ennek a hullámmozgásnak a tulajdonságai pedig a légkör statikus stabilitásától és a vízszintes széltől függenek. A hullámokat leíró egyenlet az általános légköri kormányzó egyenletekből a hullámok skáláján feltételezhető egyszerűsítések végrehajtása után előállítható, és benne megjelenik egy paraméter, amely tartalmazza a stabilitást (a hőmérséklet vertikális profiljából előálló frekvencia-szerű mennyiségen keresztül, amely a hullámmozgás frekvenciájával is összefügg) és a vízszintes szelet.

Az elméleti munka egy kulcspontja Richard S. Scorer 1949-es cikke (Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. 75(323):41-56), melyben a szerző először vizsgálta olyan környezetben, ahol az említett paraméter (amit azóta Scorer-paraméternek hívunk) vertikálisan változik. Fő eredménye annak bizonyítása, hogy ha a paraméter a légkör egy adott rétegében megfelelően nagyobb, mint a környezetében, akkor bizonyos hullámok abban a rétegben rezonanciát szenvedhetnek, és így amplitúdójuk igen nagyra nőhet (az elmélet szerint végtelenre, amit éppen az korlátoz le végül, hogy az elmélet eredeti feltételezései sérülnek, és megjelennek turbulens kísérőjelenségek, amelyek energiát szállítanak el a hullámokból). Az ilyen rezonáns (vagy csapdázott – utalva arra, hogy a többi hullámmal ellentétben ezek az adott rétegből nem képesek vertikális irányban „kijönni”) hullámok az egyetlen olyan jelenségkör, melyben a vertikális sebesség megközelítheti a zivatarokban szokásosan fellépő értékeket, azonban ezeknek gyakran nincs, vagy alig van látható jele a légkörben (jellegzetes felhőforma a lencsefelhő, ami azonban sem túl nedves, sem túl száraz levegőben nem jelenik meg), így komoly veszélyt hordoz a repülőgépek számára a láthatatlan turbulencia miatt. Ezt a veszélyt pedig éppen az fokozza tovább, hogy az ilyen hullámokban nagyon könnyen nagyon magasra lehet emelkedni, amelyet a könnyűsúlyú repülőgépek pilótái szeretnek is használni.

Esetünkben tehát két különböző módon kialakuló hullámjelenséggel állunk szemben. A Kárpát-medence feletti vastag felhőmező (2. ábra) több kilométer magas (változó vastagságú, nyugaton a türkiz területek 8-10 km magasan lévő jégfelhőket jeleznek, keletebbre a felhőtető némileg alacsonyabb). Itt erős a délkeleti áramlás, a troposzféra pedig gyengén stabil. Az ilyen környezet általában a hegyek fölött kialakuló, lokálisan erős hullámzás, gyakran lejtőviharokkal, erős turbulenciával jellemző, azonban ezek a hullámok horizontálisan nem terjednek a hegyektől távolabbi területekre. Az erős szél és gyenge stabilitás a nagyobb hullámhosszú hullámok kialakulásának kedvez (pontosabban fogalmazva: ilyen környezetben rövid hullámhosszú hullámok nem tudnak kialakulni), melyekben azonban igen erős vertikális áramlások alakulhatnak ki. Ennek következtében több helyen erősen elvékonyodik a felhőzet, az alacsony napállás miatt még az árnyékok is megjelennek néhol. Jól kivehetők Magyarországon az Északi-középhegység tagjai és Szlovákia nyugati szélén a Kis-Kárpátok hatására kialakult hullámok, míg az Északnyugati-Kárpátok nagyobb része fölött összefüggő hullámzás látható körülbelül 10-20 km hullámhosszal. Az ilyen hullámok mellett a turbulens kísérőjelenségek nagy többsége fellép (rotorok, lejtővihar, magaslégköri hullámtörés stb.), intenzitásuk erős, a felhőzet pedig ezek szokásos (száraz levegőben kialakuló) áramlási szerkezetét képes megzavarni, így ez a terület igen veszélyes a repülőgépek számára.

A Kárpátoktól keletre (3. ábra) ezzel szemben erősen stabil rétegződésű légtömeg található alacsony szintű rétegfelhőzettel. Itt a korábbi szélcsendes időjárásban kialakult rétegfelhőzet még tartja magát, azonban lassan élénkül már a délkeleti szél. Erős hőmérsékleti inverzió van jelen körülbelül 1-1.2 km magasságban. Ebben a vékony rétegben igen erős a stabilitás, körülötte azonban jóval gyengébb. Az ilyen légrétegben a rövid hullámhosszú hullámok képesek rezonálni, a műholdképen a keleti felhőmezőn látható hullámok körülbelül 1-3 km hullámhosszúak, de egyes esetekben (nagyobb felbontású műholdképen) akár 100 m hullámhosszú hullámok is megfigyelhetők lehetnek. Érdekesség még, hogy ezek a hullámok nem valamilyen akadály kitérítő hatására alakultak ki (bár Ukrajnában a Podóliai-hátság nagyobb dombvonulatainak hatása észrevehető), hiszen a szél irányában a terület nagyrészt sík. A légköri áramlások alapvetően turbulens jellege miatt ugyanis a vertikális szélsebesség szinte sosem nulla, a rezonancia hatására pedig spontán képes megnőni, mindenféle kitérítő hatás nélkül is. A keleti stabil légréteg már hosszú ideje jelen van, a lassanként feltámadó keleti szélben pedig elég idejük volt az ott látható hullámoknak felerősödniük. Az ilyen hullámokat viszont szinte sosem kísérik turbulens kísérőjelenségek, ráadásul a felhőtakaró fölötti kevésbé stabil rétegben ezek gyorsan el is halnak, így a felhő fölött (akár már néhány tíz méterrel is) sima repülőútra lehet számítani.

A jelenlegi időjárási helyzet tehát alkalmat teremtett arra, hogy bemutassuk ugyanazt a jelenséget két különböző megjelenési formájában, mely fontos információt szolgáltat a hozzá tartozó, az érintettek (jelen esetben a légi közlekedés) számára veszélyes jelenségek esetleges megjelenéséről.

1. ábra
Az OMSZ frontanalízis térképének Kárpát-medence körüli kivágata 2020.12.07. 1 órakor (0 UTC)

2. ábra
MSG-RSS kompozit műholdkép 2020.12.07-én 9 órakor (8 UTC) Szlovákia környékén

3. ábra
MSG-RSS kompozit műholdkép 2020.12.07-én 9 órakor (8 UTC) Ukrajna környékén