Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemÉpítőmérnöki Kar - építőmérnök képzés 1782 óta

A mikrometeorológiai hajtóerőknek köszönhetően létrejövő hidro- és termodinamikai folyamatok közvetlenül meghatározzák egy tó ökológiai és vízminőségi állapotát. Ezen hajtóerők a tó feletti légmozgás, illetve a különböző energiaháztartási összetevők, amelyek cserefolyamatokat indítanak meg a légkör-víz határfelületen. A cserefolyamatok impulzusáram, érzékelhető hőáram és párolgáshő formájában jelentkeznek, és turbulens keveredéssel járnak. A légköri impulzusáram egyfelől hullámzást kelt, amely mint érdességi elem ellenállást okoz a légmozgásnak, másfelől áramlást gerjeszt. Az említett két folyamat végeredményben függőleges irányú keveredést hoz létre a tóban. Természetesen a keveredést befolyásolja a hőmérséklet-, pontosabban a sűrűségkülönbségekből adódó felhajtóerő, amelyet a légköri turbulens és sugárzási hőáramok alakítanak.

A légkör-víz kölcsönhatása, a felszíni hullámok dinamikája és a vízfelszín kétoldali határrétegében a turbulens keveredés vizsgálata tehát szorosan összekapcsolódik. Ezeknek a folyamatoknak a feltárására számos oceanográfiai kutatás irányul, amelyek azonban közvetlenül nem helytállók és alkalmazhatóak az erősen meghajtási hossz-limitált tavi környezetben, mivel fejlődő, nagy meredekségű, fiatal hullámok jellemzik a vízfelszínt, illetve a rendkívül sekély körülmények összetett keveredési viszonyokat (pl. napi ciklusú rétegződést) alakítanak ki, jóllehet nagy tavainkat ezek a tulajdonságok jellemzik, így a Balatont is.

A jelöltnek átfogó irodalomkutatással szükséges kezdnie, amely során összegyűjti a téma tavi környezet szempontjából releváns tudományos eredményeit és rávilágít a nyílt tengeri környezettől való eltérésekre. Ezt követően a rendelkezésre álló adatok feldolgozása és kiértékelése segítségével vizsgálja meg a légköri turbulens áramok és a fiatal hullámok kapcsolatát a Balaton példáján. Ennek célja, hogy új, meghajtási hossz-limitált tavi körülményekre alkalmazható légkör-víz határfelületen kialakuló impulzus- és hőáram becslési összefüggések és modellek álljanak elő. Mindemellett tárja fel a felszínközeli, vízoldali határréteg turbulenciaviszonyait. A célkitűzés, hogy olyan matematikai leírás szülessen, amely áramlástani modellekbe illeszthető. A helyi impulzusátadás, hőcsere és keveredés mellett természetesen fontos azok térbeli változékonyságának ismerete, ezért a mérési adatsorok alapján kalibrált és továbbfejlesztett numerikus modellek segítségével vizsgálja meg a fenti folyamatok térbeli eloszlását. A légkör-tó cserefolyamatainak vizsgálata nagyfelbontású, szinkronizált terepi mérésekből származó adatsorokat igényel, amelyek a jelölt rendelkezésére állnak a Keszthelyi-medence közepén és part menti részén több hónapon át üzemeltetett hidrometeorológiai állomásokról. Mindazonáltal, ha a kutatás során kapott eredmények megkívánják, akkor a jelöltől elvárás, hogy további kampányszerű terepi méréseket végezzen el a rendelkezésre álló adatsorok kiegészítésére.

****

Ecological and water quality conditions of lakes are directly determined by hydro- and thermodynamics that are governed by micrometeorological driving forces. These driving forces are the wind over the lake and the various energy budget components, which together trigger exchange processes at the air-lake interface. The exchange processes take place as momentum, sensible heat and latent heat fluxes, and are accompanied by turbulent mixing. On the one hand, the air-side momentum flux generates surface waves which, as roughness elements, creates drag for the wind, while on the other hand, it induces water currents. As a result of these processes, vertical turbulent mixing develops in the lake. Naturally, turbulent mixing is also affected by the temperature, or more precisely, the density gradient governed buoyancy force, which is driven by turbulent and radiative heat fluxes.

As a consequence, the study of air-water interactions, surface wave dynamics and turbulent mixing in water surface boundary layers are closely related. Many oceanographic studies aim to explore these interacting processes; however, their findings are not necessarily reliable or directly applicable. First, in contrast to open ocean or marine conditions, the surface of fetch-limited lakes is characterized by developing, steep and very young waves. Second, the extremely shallow bathymetry result in complex mixing conditions, such as diurnal stratification. Nevertheless, these features characterize our large lakes, including Lake Balaton.

The candidate may begin with a comprehensive literature research, gathering scientific results in the topic relevant to lake environments and highlighting deviations from oceanography. Next, by processing and evaluating available data sets, the candidate should analyze the relationship of atmospheric turbulent fluxes and young waves on the example of Lake Balaton. The objective is to derive new estimation methods and models of turbulent momentum and heat exchanges that are suitable for fetch-limited lake circumstances. Furthermore, the candidate is required to explore turbulent mixing properties of the wave and wind affected water-side boundary layer. Similarly, the aim is to produce mathematical formulations that can be implemented into numerical models. Furthermore, it is relevant to identify spatial variability of the abovementioned exchanges and mixing. Therefore, the candidate is suggested to analyze the spatial variability of these processes using hydrodynamic models, which have to be refined and calibrated based on measurements. Investigation of air-lake exchange processes and their interactions requires high-resolution, synchronized field measurements. Detailed data sets are available for the candidate from hydrometeorological stations operated for several months in onshore and offshore parts of Keszthely Basin. However, if obtained results envisage, the candidate is expected to perform additional campaign-like field measurements in order to complement the available data sets.