Prof.Dr. Tolga ELBİR. Dokuz Eylül Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Tınaztepe Yerleşkesi, Buca/İzmir. tolga.elbir@deu.edu.

Transkript

1 Prof.Dr. Tolga ELBİR Dokuz Eylül Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Tınaztepe Yerleşkesi, Buca/İzmir tolga.elbir@deu.edu.tr

2 Meteoroloji Bilim Dalı Atmosferde meydana gelen hava olaylarının oluşumunu, gelişimini ve değişimini nedenleri ile inceleyen ve bu hava olaylarının canlılar ve dünya açısından doğuracağı sonuçları araştıran bilim dalıdır.

3 Tarihçe Meteorolojik olaylar, insanoğlunun yaşamını ilk çağlardan itibaren etkilemiş, insanlar günümüze kadar dünya atmosferinde olup biten olayların nedenlerini zamanın koşullarına göre inceleyip araştırmışlardır. Bu amaçla da çeşitli gözlem ve incelemeler yaparak hava olaylarını önceden tahmin edebilme yollarını bulmaya çalışmışlar, bunların olumlu etkilerinden faydalanma, olumsuz etkilerinden de kurtulma ve korunma yollarını aramışlardır.

4 Tarihçe Meteoroloji, insanlık tarihi kadar eski bir bilim olmasına karşın, gerçek kimliğine 19. yüzyıl sonlarına doğru kavuşmuştur. İlk meteorolojik haritalar 1869 yılında Prof. C. Abbe ve Buchan tarafından yapılmıştır yılında Loomis, ilk dünya yağış dağılım haritasını, 1887 yılında Hann ise, ilk meteoroloji atlasını hazırlamışlardır.

5 Tarihçe Günümüzde meteorolojik hizmetler tamamen bilimsel yöntemlerle ve uluslararası işbirliği içinde yürütülmektedir. Bugün dünyada, 24 saat sürekli çalışan onbin civarında kara istasyonu, açık denizlerde görev yapan altıbinden fazla gözlem gemisi ve yüksek hava sondajları yapan binden fazla meteoroloji istasyonu vardır.

6 Gözlemlenen Temel Meteorolojik Parametreler Basınç Sıcaklık Rüzgar Nem Bulutluluk Yağış Diğer

7

8 Atmosferik Basınç Atmosferi oluşturan gazlar, ağırlıkları ile yeryüzündeki cisimler üzerine bir kuvvet uygular. Bu kuvvete atmosfer basıncı denir. Birim alana (S) etki eden kuvvet (F) olarak tanımlanan atmosferik basınç (P), bütün atmosfer boyunca uzanan birim kesit sütun içindeki ağırlığa eşittir (P= F/S).

9 Toriçelli Deneyi Hava basıncı ilk kez 1643 yılında İtalyan bilim adamı Torricelli tarafından civalı bir barometre ile ölçülmüştür. Toriçelli, deneyini deniz seviyesinde 15 C de yapmıştır. Uzunluğu 1 metre olan ucu kapalı 1 cm çapında cam boru tamamen civa doldurularak açık ağzı kapatılmış ve civa kabına daldırdıktan sonra açılmıştır. Boru içerisindeki civa tamamen kaba boşalmayıp 76 cm de dengede kaldığı gözlenmiştir.

10 Deniz Seviyesinde Basınç Toricelli deneyinden hatırlanacağı üzere, standart bir günde deniz kenarında atmosferik basınç, bir cam tüp içerisindeki 760mm lik civa bloğunu dengeler. Deniz seviyesindeki standart atmosfer basıncı 760 mmhg; 14,70 psi (pounds per square inch); 1013,25 mb (veya hpa); 1 standart atmosfer veya 101,325 kilopaskaldır. (Pa: N/m 2 )

11 Atmosferde Basıncın Yükseklikle Değişimi Yerden yükseldikçe havanın yoğunluğu azaldığı için basınç değeri de azalır.

12 Atmosfer Basıncını Etkileyen Faktörler Sıcaklık Yükseklik Yerçekimi kuvveti

13 Atmosfer Basıncını Etkileyen Faktörler Sıcaklık : Hava ısındıkça genleşir ve hafifler. Soğudukça sıkışır ve ağırlaşır. Bu nedenle havanın soğuk olduğu yerlerde basınç yüksek, sıcak olduğu yerlerde düşüktür. Yani sıcaklıkla basınç arasında ters orantı vardır. Bu yüzden ekvatorda alçak basınç alanı, kutuplarda ise yüksek basınç alanı bulunur. Yükseklik: Yükselti ile basınç arasında ters orantı vardır. Yükseklere çıkıldıkça atmosferin basıncı düşer. Bunun nedeni yükseldikçe atmosferin kalınlığı ile birlikte ağırlığının ve gazlarının yoğunluğunun azalmasıdır. Yerçekimi: Yerçekimi ile basınç arasında doğru orantı vardır. Yerçekimi arttıkça basınç da artış gösterir. Cisimlerin ağırlığı yerçekimine bağlıdır. Yerçekimi dünyanın şeklinden dolayı ekvatorda az, kutuplarda fazladır.

14

15 Atmosfer Sıcaklığı Atmosfer, ısıyı canlıların yaşamına uygun hale getiren ortamdır. Atmosferdeki gazlar (özellikle subuharı) güneşten gelen ve yerden yansıyan ışınları tutarak ısınır. Böylece, Atmosfer Güneşten gelen ısıyı tutarak yerin fazla ısınmasını önler. Yerden yansıyan ısıyı tutarak fazla soğumayı önler.

16 Albedo Güneş ten gelen enerjinin bir kısmı atmosferin üst yüzeyi ve bulutlara çarparak, bir kısmı ise yerden yansıyarak, atmosferde herhangi bir etkide bulunmadan, doğrudan uzaya geri döner. Yansıyan bu ışınlara albedo adı verilir.

17 Atmosferdeki Sıcaklığı Etkileyen Faktörler Güneş Işınlarının Geliş Açısı Güneş Işınlarının Atmosferde Aldığı Yol Yer in Eksen Eğikliği ve Yıllık Hareketi (Mevsimler) Güneşlenme Süresi Yükselti Faktörü Kara ve Denizlerin Dağılımı Okyanus Akıntıları Bitki Örtüsü

18 Güneş Işınlarının Geliş Açısı Yeryüzünde sıcaklığın dağılımını etkileyen en önemli etkendir. Güneş ışınları bir yere ne kadar dik gelirse sıcaklık o kadar yüksek, ne kadar eğik açıyla gelirse sıcaklık o kadar düşük olur. Eğik açıyla gelen ışınlar daha fazla yansımaya uğradığı için ısınmaya olan etkisi daha da azalır.

19 Yer in küresel şeklinden dolayı, güneş ışınları, ekvator ve çevresine daha dik açıyla geldiği için dar alana yayılır. Böylece birim alana düşen enerji miktarı fazladır. Kutuplarda tam tersidir.

20 Güneş Işınlarının Atmosferde Aldığı Yol Güneş ışınlarının atmosferde aldığı yol arttıkça, atmosferde tutulma, yansıma ve dağılma artacağından, yeryüzüne ulaşan enerji miktarı azalır. Ekvator ve çevresinde, ışınların atmosferde kat ettiği yol kısa olduğu için yere ulaşan enerji miktarı fazladır. Bundan dolayı sıcaklık değerleri bu bölgelerde yüksektir.

21 Yer in Eksen Eğikliği ve Yıllık Hareketi (Mevsimler) Yer ekseninin eğik olmasından dolayı Dünya, Güneş etrafında dolanırken, yıl içinde güneş ışınlarının yere düşme açısı da değişir. Bu durum sıcaklığın yıl içinde farklılık göstermesine neden olur. Yaz aylarında güneş ışınları daha dik geldiği için sıcaklık yüksektir. Kış aylarında güneş ışınları eğik açıyla geldiği için sıcaklık değerleri de düşer.

22 Güneşlenme Süresi Güneşlenme süresi, Güneş in gökyüzünde kaldığı süredir. Atmosferde enerji birikimini etkilediğinden, sıcaklık üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Güneş in gökyüzünde kaldığı süre arttıkça, atmosferde ısı birikimi olacağından, sıcaklık değerleri artış gösterir.

23 Yükselti Faktörü Troposferde yerden yükseldikçe, yaklaşık her 200 metrede sıcaklık 1 C azalır.

24 Kara ve Denizlerin Dağılımı Farklı ısınma özelliklerine sahip olan denizler ve karalar farklı sürelerde ısınıp soğurlar. Denizler geç ısınıp, geç soğurken; karalar çabuk ısınıp çabuk soğurlar.

25 Okyanus Akıntıları Yeryüzündeki sıcaklık transferinin yaklaşık yarısı okyanus akıntıları tarafından gerçekleştirilir. Okyanus akıntıları, denizlerde sıcaklığın Ekvator dan kutuplara doğru düzenli bir biçimde azalmasını engeller. Ekvator ve çevresinden kaynağını alan okyanus akıntıları sıcak su akıntıları olup, geçtiği kıyıların havasını yumuşatır ve ısınmasını sağlar.

26 Bitki Örtüsü Bitki örtüsü, gündüzleri yerin fazla ısınmasını ve topraktaki suyun buharlaşmasını engeller. Geceleri ise bitkiler yerden ışımayı azaltarak, soğumayı yavaşlatır. Bunun için bitki örtüsü sıcaklık değişimini azaltan bir etkide bulunur.

27

28 Nem (Humidity) Atmosferde buhar halinde bulunan suya NEM adı verilmektedir. Atmosferde buhar olarak bulunan su, soğuk hava ile temas eder ise ya da havada bulunan su miktarı belirli bir limiti aşar ise (suyun o sıcaklıktaki buhar basıncını) bir miktar su, gaz halden sıvı hale döner, bu durum havanın suya doyduğu anlamına gelir. Bu durum DOYMA olarak adlandırılır.

29 Bağıl (Nisbi) Nem (Relatif Humidity) DOYMA NOKTASINDA, havanın içinde bulunan su miktarı, MAKSİMUM NEM için bir ölçüt olarak kullanılmaktadır. Doyma noktasında nem miktarı 100% olarak kabul edilmektedir. BAĞIL NEM; havanın içinde çözülmüş halde bulunan su buharı miktarının, havayı doyma noktasına getirmek için gerekli maksimum su miktarına oranıdır. Bağıl nem miktarı %100'e ulaşırsa havadaki nem doyma noktasına ulaşmıştır ve o havada yağış meydana gelir.

30

31 Rüzgar (Wind) Yatay yöndeki hava hareketleridir. Atmosferde alçak basınçla yüksek basınç bölgeleri arasında yer değiştiren hava akımlarıdır. Hava akımları, daima yüksek basınç alanından alçak basınç alanına doğru hareket eder.

32 Kara Deniz Esintileri

33 Dağ Vadi Esintileri

34 Rüzgar Hızı Yatay rüzgar hızı; dağ, vadi, nehir, göl, orman, tarım arazileri ve binalar gibi topoğrafik özelliklerce saptanan yeryüzeyi pürüzlülüğüne orantılı olan sürtünmeyle etkilenir. Düz araziler üzerindeki ortalama rüzgar hızları, engebeli arazilere göre daha fazladır. Rüzgar hızının yükseklikle değişimi : V / V o = (Z / Z o ) m

35 Rüzgar hızının arazi pürüzlülüğü ve yükseklikle değişimi

36 Rüzgar Gülü

37 İzmir de Mevsimsel Rüzgar Gülleri KIŞ YAZ

38

39 Kararlılık (Stability) Atmosferin düşey yöndeki hava hareketine karşı direncine denir.

40 Atmosferde Kararlılık Termodinamik sistemde adyabatik olarak hareket eden bir hava paketi her 100 metrede 1 C soğumaktadır (KHASP Kuru Havanın Adyabatik Profili) Atmosferdeki gerçek profiller ise bundan farklıdır: G.P. < KHASP ise süper adyabatik (Kararsız) G.P. = KHASP ise adyabatik (Nötral) G.P. > KHASP ise sub adyabatik (Kararsız) A: Kararsız B: Nötral C: Kararlı D: Çok kararlı

41 Kararlılık Sınıfları (Pasquill Sınıflandırması) Yer seviyesinde (10 m de) Gündüz Gece rüzgar hızı Güneş radyasyonu Bulutluluk (m/sn) Kuvvetli Orta Zayıf 4/8 3/8 < 2 A A B B 2 3 A B B C E E 3 5 B B C C D E 5 6 C C D D D D >6 C D D D D A: Çok kararsız, B: Orta derecede kararsız, C: Nötral, D: Orta derecede kararlı, E: Çok kararlı

42 İnversiyon (Inversion) İnversiyon, sıcaklığın yükseklikle artmasıdır. Atmosfer oldukça kararlıdır. Düşey yönde taşınım çok azaldığı için, varsa yeryüzünden atmosfere salınan kirleticilerin dağılımı da azalır.

43 İnversiyon Türleri Radyasyon inversiyonu: Yer kabuğunun çabuk ısınıp soğuması nedeniyle; özellikle güneşin doğuş ve batışı sırasında oluşan inversiyon türü. Yerseviyesine yakın mesafelerde oluştuğu için kirletici kaynaklar bu inversiyon tabakası içinde kalabilirler. Genellikle bulutsuz ve rüzgarsız gecelerde meydana geldiğinden yağış ve rüzgarla temizlenme olasılığı çok düşüktür.

44 İnversiyon Türleri Çökelme inversiyonu: Yüksek basınçlı hava kütleleriyle hava tabakasının çökelmesiyle oluşan inversiyondur. Yerseviyesinden yüksek tabakalarda oluşur. Kirletici kaynaklardan yüksek noktalarda oluştuğundan kısa zamanlı seyrelme problemlerine değil, birkaç güren süren kirlenme problemlerine neden olur. Büyük şehirlerdeki tehlikeli kirlenme episodları çökelme inversiyonu ile birlikte görülmektedir. İnversiyon türleri farklı zamanlarda meydana gelebileceği gibi aynı anda da meydana gelebilir.

45 Bir inversiyon görüntüsü

46

47

48

49 Karışma Yüksekliği (Mixing Height) Kirleticilerin düşey yönde dağılımının üst limiti olarak tanımlanan mesafedir. Kısaca kirleticilerin atmosferde karışabileceği tabakanın kalınlığıdır.

50 İzmir de Aylık Maksimum Karışma Yükseklikleri

51

52 Bulut oluşumu Bulutlar genellikle yoğuşmuş hava kütleleri olarak bilinirler ve yerden belirli bir yükseklikte bulunurlar. Bulutlar, yükselen hava kütlelerinin daha soğuk hava ile karşılaşıp yoğuşması sonucunda oluşurlar.

53 Bulutluluk Miktarı (Kapalılık Oranı) Bulutluluk miktarı (kapalılık oranı); dikey görüşün ifade edilmesi açısından çok önemli bir tanımlama olup, 8 eşit parçaya bölündüğü varsayılan gökyüzünün, ne kadarının bulutlar tarafından kaplandığının ifadesidir. BULUTLULUK MİKTARI (ORANI) AÇIK : 0/8 AZ : 1/8 2/8 DAĞINIK : 3/8 4/8 PARÇALI : 5/8 7/8 KAPALI : 8/8

54 Temel Bulut Türleri ve Sınıflandırması Oluşumlarına Göre Bulutlar; Küme Bulutları Tabaka Bulutları Yüksekliklerine Göre Bulutlar; Yüksek İrtifa Bulutları Orta İrtifa Bulutları Alçak İrtifa Bulutları Dikine Gelişimli Bulutlar

55 Oluşumlarına Göre Bulutlar Küme Bulutları, içinde dikine hava akımları olan hava kütlelerinde oluşan ve karnıbahar ya da atılmış hallaç pamuğu görünümlü bulutlardır. Tabaka Bulutları; içinde dikine hava akımı olamayan hava kütlelerinde oluşan ve çarşaf gibi yayılmış bulutlardır.

56 Yüksekliklerine Göre Bulutlar Yüksek İrtifa Bulutları Orta İrtifa Bulutları Alçak İrtifa Bulutları Dikine Gelişimli Bulutlar

57 Meteorolojik Parametrelerin Ölçümü

59

60 Meteorolojik parametreler Meteorolojik parametreler birbirleriyle etkileşim halinde olduğu için etkilerini ayırmak mümkün değildir. Ancak bunların içinden hava kirliliği oluşumu ve taşınımında en önemli iki parameter vardır: Atmosferin kararlılığı Rüzgar hızı

61 Meteorolojinin Hava Kirletici Dağılımına Etkisi

62

63 Rüzgar Hızı ile Seyrelmenin İlişkisi

64 Duman Davranışı

65 Çeşitli Duman Davranışları

66

68 Dispersiyon Bir kirletici kaynaktan atmosfere bırakılan kirleticilerin atmosferdeki dağılımı

69 Bir noktasal kaynaktan dağılım

70 Fick Yasası Dispersiyon teorisi için başlangıç noktası Fick yasasıdır. Bu yasa, bir noktasal kaynaktan atmosfere aniden verilen bir kirletici duman paketinin difüzyonunu ifade eder. Tek boyutlu türbülanslı difüzyon denklemi q : kirletici konsantrasyonu K : difüzyon katsayısı x : mesafe t : zaman

71 Fick Yasası Kirletici atıldığı noktada konsantrasyonu maksimum olup dağılım her iki yönde de Gaussian dağılım şeklindedir. Denklemin analitik çözümü Q : Kütlesel kirletici debisi (kg/s)

72 Gaussian Dağılım

73 Atmosfere atılan kirletici paketi 3 boyutlu kabul edilirse Atıldığı noktadan (u) kadar bir ortalama rüzgar hızı ile hareket ederse : (t) anında ve (x) kadar uzakta dumanın yatay ve düşey yöndeki açılımının yarısı kadar olan mesafe sapması

74 Kartezyen Koordinat Sisteminde Dispersiyonun Geometrisi

75 Gaussian Dağılım Eşitliği ),,, ( 2 ) ( exp 2 ) ( exp 2 exp 2 z z y z y h z y x h z h z y u Q C C : x,y,z koordinatındaki kirletici konsantrasyonu, g/m 3 Q : emisyon debisi, g/s h : etkin baca yüksekliği, m u : Rüzgar hızı, m/s σ y ve σ z : y ve z yönlerindeki konsantrasyon dağılımının standart sapmaları, m

76 Gaussian Dağılımdaki Kabuller Kirletici bulutu yatayda ve düşeyde Gauss dağılımına sahiptir. σ y ve σ z bulut konsantrasyon dağılımının standart sapmalarıdır. Rüzgar yönü x eksenine paraleldir ve rüzgar hızı her yerde aynıdır. Modellenen kirletici konservatiftir. Kirleticiden atmosfere verilen emisyon sabittir, zamanla değişmez. Toplam yansıma yeryüzeyinde oluşur. Yeryüzeyinde depolanma veya bu yüzeyle reaksiyon sözkonusu değildir.