A Balaton üledék-víz határfelületén zajló hőcsere jellemzése és hatása

Sebestyén Dániel Török; Péter Torma; Tamás Weidinge

doi:10.59258/hk.12337

Török Sebestyén Dániel Víztudományi és Vízbiztonsági Nemzeti Laboratórium, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, Budapest https://orcid.org/0000-0003-1503-1021
Torma Péter Víztudományi és Vízbiztonsági Nemzeti Laboratórium, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, Budapest https://orcid.org/0000-0001-9282-6931
Weidinger Tamás Eötvös Loránd Tudományegyetem, Meteorológia Tanszék, Budapest https://orcid.org/0000-0001-7500-6579

Kulcsszavak: Üledék-víz határfelület, hőcsere, hővezetés, mederhőáram, sekély tavak, Balaton

Absztrakt

A tavi ökoszisztémák egyik legfontosabb fizikai paramétere a vízhőmérséklet, ami közvetlen hatással van a biológiai és a kémiai folyamatok dinamikájára. Az olyan sekély tavak esetében, mint például a Balaton, az üledék hőmérséklete szoros kapcsolatban áll a vízhőmérséklettel, ám ennek ellenére a vonatkozó irodalom túlnyomó részében mégis elhanyagolhatónak tekintik a két térrész közti hőcserét. Ez azonban nem minden esetben tehető meg, mivel bizonyos sekély tavak esetében az energiamérleg több, mint 30%-át is kiteheti az üledékkel való hőcsere. Ezért kutatásunkban a Balaton üledék-víz határfelületén zajló hőcserét vizsgáltuk hosszú idejű mérési adatsorokra alapozva. A mérési program során nemcsak a víz- és üledékhőmérsékleteket monitoroztuk nagy időbeli felbontással, hanem hőárammérő-korongok segítségével közvetlenül mértük az üledék felső rétegében a hőáramot. A vizsgálatok során azt kaptuk, hogy a Balaton üledékének hővezetése olyan esetekben, mikor az üledéket nem zavarja meg a vízmozgás, illetve amikor stabil hőmérsékleti-rétegződés jellemzi a határfelületet, jól jellemezhető egy konstans hővezetési együtthatóval, illetve, hogy a felületi hőcsere számottevően kihat az üledék feletti alsó víztér rétegződésére, amelynek jelentős hatása lehet hidrobiológiai folyamatokra, mint például az oldott oxigénszint alakulására az üledék felszínén. Továbbá rámutattunk, hogy a mederhőáram elhanyagolásával a vízhőmérséklet jól modellezhető, azonban hatását a légkör-víz határfelületen zajló hőcserékkel tudjuk kompenzálni. Ezzel elsősorban a szenzibilis, másodsorban pedig a párolgási hőcsere számításánál követünk el kismértékű hibát.

Szerző életrajzok

Török Sebestyén Dániel, Víztudományi és Vízbiztonsági Nemzeti Laboratórium, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, Budapest

TÖRÖK SEBESTYÉN DÁNIEL 1996-ban született Budapesten. Első (BSc) diplomáját 2019-ben szerezte a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőmérnöki Karán, ahol aztán 2021-ben MSc államvizsgát tett. Ph.D. képzését 2022-től kezdődően a Vásárhelyi Pál Építőmérnöki és Földtudományi Doktori Iskolában végzi.

Torma Péter, Víztudományi és Vízbiztonsági Nemzeti Laboratórium, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, Budapest

TORMA PÉTER 2011-ben szerzett építőmérnök MSc oklevelet, majd 2016-ban Ph.D. fokozatot. A BME Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszékén dolgozik 2011 óta, 2019-től, mint egyetemi docens. Fulbright ösztöndíjasként a UW-Madison (USA) vendégkutatója volt a 2017/18-as tanévben. Kutatási területe a fizikai limnológia, a hidrometeorológia, különös tekintettel a víz-levegő határfelület turbulens cserefolyamatainak örvény-kovariancia elvű mérése, a tavak hőháztartása, valamint a numerikus hidrodinamikai modellezés.

Weidinger Tamás, Eötvös Loránd Tudományegyetem, Meteorológia Tanszék, Budapest

WEIDINGER TAMÁS 1983-ban szerzett meteorológus oklevelet, majd 1992-ben Ph.D. fokozatot. Az Eötvös Loránd Tudományegyetem Meteorológia Tanszékén dolgozik 1983-tól. 2013-ban habilitált. Fő oktatási területe a meteorológia, a mikrometeorológia és a dinamikus meteorológia. Fő kutatási területei a határréteg-meteorológia, a felszíni energiamérleg komponensek valamint különböző gázáramok (különösen az ózon és az ammónia) mérése és modellezése. A nemzetközi Theoretical and Applied Climatology folyóirat szerkesztője, valamint az Országos Meteorológiai Szolgálat Időjárás folyóiratának szerkesztőbizottsági tagja

Hivatkozások

Bernhardt, J., Kirillin, G., Hupfer, M. (2014). Periodic convection within littoral lake sediments on the background of seiche-driven oxygen fluctuations. Limnology and Oceanography: Fluids and Environments, 4(1). pp. 17-33. https://doi.org/10.1215/21573689-2683238

Cyr, H. (2012). Temperature variability in shallow littoral sediments of Lake Opeongo (Canada). Freshwater Science, 31(3). pp. 895-907.

Fang, X., Stefan, H. G. (1996). Dynamics of heat exchange between sediment and water. Water Resources Research, 32(6). pp. 1719-1727. https://doi.org/10.1029/96WR00274

Fuente, A. de la. (2014). Heat and dissolved oxygen exchanges between the sediment and water column in a shallow salty lagoon. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 119(4). pp. 596-613. https://doi.org/10.1002/2013JG002413

Golosov, S., Kirillin, G. (2010). A parameterized model of heat storage by lake sediments. Environmental Modelling & Software, 25(6). pp. 793-801. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2010.01.002

Istvánovics V., Honti M., Torma P., Kousal, J. (2022). Record‐setting algal bloom in polymictic Lake Balaton (Hungary): A synergistic impact of climate change and (mis)management. Freshwater Biology, 67(6). pp. 1091-1106. https://doi.org/10.1111/fwb.13903

Liebethal, C., Foken, T. (2007). Evaluation of six parameterization approaches for the ground heat flux. Theoretical and Applied Climatology, 88(1-2). pp. 43-56. https://doi.org/10.1007/s00704-005-0234-0

Lükő G., Torma P., Weidinger T., Krámer, T. (2022). Air‐Lake Momentum and Heat Exchange in Very Young Waves Using Energy and Water Budget Closure. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127(12). https://doi.org/10.1029/2021JD036099

Massman, W. J. (1992). Correcting errors associated with soil heat flux measurements and estimating soil thermal properties from soil temperature and heat flux plate data. Agricultural and Forest Meteorology, 59(3-4). pp. 249-266. https://doi.org/10.1016/0168-1923(92)90096-M

Nordbo, A., Launiainen, S., Mammarella, I., Leppäranta, M., Huotari, J., Ojala, A., Vesala, T. (2011). Long-term energy flux measurements and energy balance over a small boreal lake using eddy covariance technique. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 116(2). pp 1-17. https://doi.org/10.1029/2010JD014542

Prats, J., Ramos, A., Armengol, J., Dolz, J. (2011). Comparison of Models for Calculation of Diel Sediment-Water Heat Flux from Water Temperatures. Journal of Hydraulic Engineering, 137(10). pp. 1135-1147. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000434

Smith, N. P. (2002). Observations and simulations of water-sediment heat exchange in a shallow coastal lagoon. Estuaries, 25(3). pp. 483-487. https://doi.org/10.1007/BF02695989

Tasnim, B., Jamily, J. A., Fang, X., Zhou, Y., Hayworth, J. S. (2021). Simulating Diurnal Variations of Water Temperature and Dissolved Oxygen in Shallow Minnesota Lakes. Water, 13(14). 1980. https://doi.org/10.3390/w13141980

Torma P., Krámer T. (2017). Modeling the Effect of Waves on the Diurnal Temperature Stratification of a Shallow Lake. Periodica Polytechnica Civil Engineering, 61(2). pp. 165-175. https://doi.org/10.3311/PPci.8883

Torma P., Wu, C. (2019). Temperature and Circulation Dynamics in a Small and Shallow Lake: Effects of Weak Stratification and Littoral Submerged Macrophytes. Water, 11(1), 128. https://doi.org/10.3390/w11010128

Tsay, T., Ruggaber, G. J., Effler, S. W., Driscoll, C. T. (1992). Thermal Stratification Modeling of Lakes with Sediment Heat Flux. Journal of Hydraulic Engineering, 118(3). pp. 407-419. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1992)118:3(407)

Wetzel, R. G. (2001). Limnology, Lake and River Ecosystems (Third). London: Elsevier Academic Press.

Zdorovennova, G., Terzhevik, A., Palshin, N., Efremova, T., Bogdanov, S., Zdorovennov, R. (2021). Seasonal change in heat flux at the water-bottom sediment boundary in a small lake. Journal of Physics: Conference Series, 2131(3), 032080. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2131/3/032080