Felszín alatti hőoszlopok nyomában
Szijártó Márk, az ELTE Földtudományi Doktori Iskola harmadéves doktorandusz hallgatója numerikus számítások segítségével keres magyarázatot az összetett felszínalatti áramlásokat kialakító folyamatokra, különös tekintettel a felszínalatti víztükör lefutás és a hőtranszport együttes hatására. Munkája során arra kérdésre keres választ, hogy
a Budai-termálkarsztrendszerben zajló áramlási rendszer kialakításában lehet-e szerepe a szabad termikus konvekciónak.
A hidrogeológiai rendszerek bonyolult dinamikáját olyan összetett fizikai folyamatok irányítják, melyeket alapjaiban egyszerű, de mégis a valós rendszerek tanulmányozásából levezetett modelleken keresztül tudunk elemezni. A vízáramlási rendszerek megértése a geotermikus energia kiaknázása, a termálvíz használata, valamint a klímaváltozás hatásainak enyhítése szempontjából egyaránt nagy jelentőségű.
A budapesti Molnár János-barlang
Honnan, milyen mélységből és mekkora hozammal tárható fel termálvíz? Milyen folyamatok okozhatnak felszínalatti vízáramlást? Mi lehet „látható” jele az egyes hajtóerőknek? Kutatásuk célja ezen kérdések megválaszolása, azonban ahhoz, hogy megértsük - a matematikai szempontból nehezen leírható - valós hidrogeológiai rendszerek működését, Szijártó Márk először szintetikus, vagyis egyfajta elképzelt, egyszerű szerkezetű kőzetrész modelljén keresztül vizsgálta meg a vízáramlást kialakító hajtóerők együttes hatását.
Szijártó Márk, a Földtudományi Doktori Iskola harmadéves doktorandusz hallgatója, a geofizika és a hidrogeológia határterületén végez kutatásokat.Témavezetőivel, Galsa Attilával (ELTE TTK Geofizikai és Űrtudományi Tanszék) és Mádlné Szőnyi Judittal (Általános és Alkalmazott Földtani Tanszék) a felszínalatti vízáramlást kialakító hajtóerők együttes hatását kutatják.
Szijártó Márk a Journal of Hydrology folyóiratban megjelent publikációja az ELTE TTK Kari Kiválósági Pályázaton elnyerte a Fiatal kutatói publikációs tevékenység támogatását 2019 decemberében.
Felszínalatti víztükör
Kontinentális területeken a felszín közelében, a felszínalatti víztükörben tapasztalható lejtés tekinthető a vízáramlás fő hajtóerejének. Azokon a területeken, ahol a hőmérsékleti gradiens (a hőmérséklet emelkedése a mélység függvényében) meghaladja a kontinentális átlagot (~30 °C/km), a topográfia, vagyis a víztükör által vezérelt áramlás mellett figyelembe kell venni a hőtranszport, mint hajtóőerő hatását. Ilyen esetekben a kialakuló vízáramlás segíti az advektív hőtranszport folyamatot, azaz a hőszállítást. Ez a jelenség a kényszer termikus konvekció.
Szabad termikus konvekció
Ha egy edényben vizet melegítünk, akkor a hőmérsékletnövekedés hatására az edény alsó felében a víz sűrűsége lecsökken, így benne felhajtóerő ébred, és a kisebb sűrűségű víz „külső segítség nélkül” felfelé áramlik. Ezt a jelenséget szabad termikus konvekciónak nevezzük. Így jogosan merül fel a kérdés, hogy bizonyos területeken számolnunk kell-e a szabad termikus konvekció, mint hajtóerő hatásával, a felszínalatti vízáramlási rendszerekben? Korábban olyan esetekben vizsgálták a szabad termikus konvekció hatását, amikor egy területet síknak gondoltak, vagyis nem vették figyelembe a domborzat hatását. Ugyanakkor a valóságban a domborzat és a hőmérsékleti gradiens hatásaival egyszerre kell számolni, különösen a Pannon-medencében, ahol az utóbbi értéke eléri a 45 °C/km-t.
Összetett termikus konvekció
A számítások igazolták a feltételezést: a kényszer és a szabad termikus konvekció hatását együttesen kell figyelembe venni az általános hidrogeológiai modellezések során. Lényegében,
a domborzat és a felhajtóerő együttesen is hozhatnak létre áramlási rendszereket.
Az összetett termikus konvekció fennmaradásához speciális feltételek szükségek, ezért a természetben legtöbbször kényszerkonvekcióval találkozhatunk. Habár a folyamat létrejötte érzékeny a domborzat változékonyságára, egy területre jellemző hőmérsékleti gradiensre, s további környezeti hatásokra, a kutatás során elért eredmények általános érvénnyel bírhatnak, ha ezeket összevetjük különböző mérési adatokkal.
Összetett termikus konvekció egy szintetikus modellben. Az animáció az időben változó hőmérséklet-eloszlást mutatja, ahol a modell alsó határán keletkező meleg feláramlások a kényszer konvekció irányát követve a felszín közelébe jutnak.
Vizsgálatok a Budai-termálkarszt területén
A Budai-termálkarszt olyan terület, ahol létrejöhet összetett termikus konvekció, melynek vizsgálata jelenleg is folyamatban van. Az ELTE hidrogeológusai és geofizikusai jelenleg ilyen kutatásokat végeznek a Budai-termálkarszt rendszerben, ahol az összetett áramlási és hőtranszport folyamatokat elemzik, valamint azok kölcsönhatásaikat próbálják értelmezni.
A fővárosunk területén található karsztrendszer egy olyan természetes kutatólaboratórium, ahol az említett folyamatok jó eséllyel tanulmányozhatók. Ez azt is jelenti, hogy az itt elért eredmények egyúttal példával szolgálhatnak a világ más területein található hasonló karsztrendszerek jobb megértéséhez. A vízáramlási rendszerek feltérképezése fontos a geotermikus energia kiaknázása, a termálvíz használata, valamint a klímaváltozás hatásainak enyhítése szempontjából.