BUHARLAŞMA. Atmosferden yeryüzüne düşen yağışın önemli bir kısmı tutma, buharlaşma ve terleme yoluyla, akış haline geçmeden atmosfere geri döner.

Transkript

1 BUHARLAŞMA Atmosferden yeryüzüne düşen yağışın önemli bir kısmı tutma, buharlaşma ve terleme yoluyla, akış haline geçmeden atmosfere geri döner. BUHARLAŞMANIN MEKANİZMASI Suyun sıvı halden gaz (su buharı) haline geçmesine buharlaşma (evaporasyon) denir. Su yüzendeki moleküller yeterli bir kinetik enerji kazandıkları zaman kendilerini tutmaya çalışan diğer moleküllerin çekiminden kurtulup su ortamından havaya fırlarlar. Su yüzeyi yakınlarında sürekli olarak sudan havaya, havadan suya geçen moleküllere rastlanır. Sudan havaya geçen moleküllerin sayısı daha fazla ise buharlaşma olduğu kabul edilir. 3-1

2 Buharlaşma miktarı çeşitli etkenleri bağlıdır: 1. Buharlaşma miktarı su yüzeyindeki buhar basıncıyla (yani su yüzeyinin sıcaklığındaki havanın ew doymuş buhar basıncıyla) suyun üstündeki havanın ea buhar basıncının arasındaki fark ile orantılıdır.(dalton Kanunu) 2. Havanın Hareketi: Buharlaşan su, su yüzeyinden uzaklaşmadığı takdirde ea nın artması sonunda yukarıda sözü edilen basınç farkı bir süre sonra sıfıra düşeceğinden suyun üstündeki havanın geçmesiyle buharlaşma durur. (Buharlaşmanın devam etmesi için difüzyon ve konveksiyon ile su buharının su yüzeyinden uzaklaşması gerekir. Bu da hava hareketi (rüzgar) ile mümkündür.) 3. Enerji: Su moleküllerinin hızlarını artırarak buharlaşmayı sağlamak için enerji gereklidir. (1 gram suyun buharlaşması için gerekli ısı ortamın sıcaklık derecesine göre kalori arasında değişir.) 4. Suda erimiş tuzlar buharlaşmayı azaltır. (Bu azalma %1 kadardır.) 5. Su yüzeyinde çok ince (monomoleküler) bir kimyasal film teşkil ederek buharlaşmayı azaltmak mümkün olabilir. 6. Su derinliğinin de mevsimlik buharlaşma miktarı üzerine etkisi olmaktadır. 7. Havanın basıncı azaldıkça buharlaşma artar. 3-2

3 SU YÜZEYİNDEN BUHARLAŞMA 1. Su dengesi metodu: Bir su kütlesine (göl, hazne gibi) süreklilik denklemini uygularsak: EPXYF S 2. Enerji dengesi metodu: Su kütlesine enerjinin korunumu ilkesi uygulanırsa: Burada He Hi Ho Hc H Hi kütleye giren ısı (güneş ısısı ile giren akımların getirdiği ısının toplamı), Ho kütleden çıkan akımların ısısı ile yansıyan ısınsın toplamı, Hc su yüzeyinden atmosfere kondüksiyonla kaybolan ısı, He buharlaşmada kullanılan enerji, H su kütlesinin sıcaklığındaki değişme için gerekli ısıdır. H c R H e 3-3

4 Burada R Bowen oranı adını alır ve şu şekilde hesaplanır: Bu denklemde T T R 610 p e e 1 w a o w a po kg/cm 2 cinsinden atmosfer basıncı, Tw ve Ta o C cinsinden suyun ve havanın sıcaklığı, ew ve ea kg/cm 2 cinsinden suda ve havadaki buhar basınçlarıdır. Bowen oranının değeri genellikle 0.2 ile 0.3 arasında kalır. Öte yandan, L suyun buharlaşma ısısı, E buharlaşan suyun hacmi olduğuna göre buharlaşma için gerekli enerji: He LE olur. L (veya λ) değeri normal atmosfer basıncında 590 kal/cm 3 alınabilir. Bu ifadeler yukarıdaki denklemde yerine konursa: E H H H i o L(1 R) 3-4

5 3. Kütle transferi metodu: E T lnz z K e e w w 2 1 Bu formülde E saatlik buharlaşma miktarı, e1 ve e2 yerden z1 ve z2 yükseklikte havanın buhar basıncı, w1 ve w2 aynı yüksekliklerde rüzgar hızı, T havanı ortalama sıcaklık derecesidir. K bir sabiti göstermektedir. 4. Ampirik formüller: Bunların en basiti Dalton kanunun ifadesi olan, E C e e 5. Buharlaşmanın ölçülmesi: Serbest su yüzeyinden buharlaşmayı belirlemenin en iyi yolu buharlaşma tavası (buharlaşma leğeni, evaporimetre) denen metal kaplar kullanmaktır, bunların çeşitli tipleri vardır. w Eh = C.EL a 3-5

6 Buharlaşma Ölçen Aletler Buharlaşma, suyun sıvı halden, su buharı haline gelmesi şeklinde tarif olunur. Buharlaşmayı Ölçen aletleri iki gurupta inceleyebiliriz. 1-Gölgedeki buharlaşmayı ölçen aletler (Piş (Piche) evaporimetresi) : Alete su konulduğunda, su seviyesi hangi değeri gösteriyorsa o değer kaydedilir. Buharlaşma ile alet içerisindeki su miktarı azalır. Rasat anında ikinci okunuş yapılarak, ilk değerden çıkarılır. Böylece buharlaşma mm cinsinden ölçülmüş olunur. 2-Açık su yüzeyindeki buharlaşmayı ölçen aletler (Yuvarlak buharlaşma havuzları): Alete işaretlenen yere kadar su konur. Buharlaşma ile alet içerisindeki su miktarı azalır. Rasat anında ikinci okunuş yapılarak, ilk değerden çıkarılır. Böylece buharlaşma mm cinsinden ölçülmüş olunur. 3-6

7 Zaman (gün) ekim filizlenme çiçeklenme olgunlaşma Bitki Katsayılarının Büyüme Evrelerindeki Değişimleri 3-7

8 Problem 3.1. Su Dengesi Metodu ile Gölden Buharlaşma Hesabı: Yüz ölçümü 200 km 2 olan bir gölde yıllık yağış yüksekliği 70 cm olarak ölçülmüştür. Göle giren akarsuların yıllık ortalama debisi 1.20 m 3 /s, gölden çıkan akarsuların yıllık ortalama debisi 1.27 m 3 /s dir. O yıl boyunca göldeki su seviyesinin 9 cm yükseldiği gözlemlenmiştir. Göldeki suyun yeraltına sızması ihmal edilecek kadar azdır.bu verilere dayanarak o yıl içinde göl yüzeyindeki yıllık buharlaşma yüksekliğini hesaplayınız. Cevap: Bir su kütlesine (göl, hazne gibi) süreklilik denklemini uygularsak: EPXYF S Buna göre bir yıllık süre için yazılan su dengesi denklemindeki büyüklükleri su sütunu yüksekliği cinsinden hesaplayarak: P 70cm 6 X / m 19cm 6 Y / m 20cm F = 0 ( kabul ) S = 9 cm E cm olarak bulunur. 3-8

9 Problem 3.2. Enerji Dengesi Metodu İle Gölden Buharlaşmanın Hesabı: Yüzölçümü 20 km 2 olan bir göle bir günde gelen toplam ısı enerjisi 600 kal/cm 2 dir. Bu ısının % 15 i yansımaktadır. Göle giren ve çıkan akarsuların getirdiği ve götürdüğü ısılar ihmal edildiğinde ve o gün boyunca göldeki suyun sıcaklık derecesi değişmediğine göre göldeki günlük buharlaşma yüksekliğini hesaplayınız. Cevap: Su kütlesine enerjinin korunumu ilkesi uygulanarak: He HiHo Hc H Hc = RHe He=LE E Hi Ho H L1 R Hi 600 kal / cm H kal / cm 2 2 o (gelen ısının %15 i yansımaktadır.) 2 L 590 kal / cm R 0.25 H 0 kabul Bu değerleri son ifadede yerine koyarak göldeki günlük buharlaşma yüksekliği: E cm m 3-9

10 Problem 3.3. Meyer Formülü İle Aylık Buharlaşma Yüksekliğinin Hesabı: Bir biriktirme haznesi civarında yaz ayları boyunca ölçülen hava sıcaklıkları, bu sıcaklıklarda ew doymuş havanın buhar basıncı, relatif nem ve rüzgar hızları Tabloda verilmiştir. Hazneden meydana gelecek aylık buharlaşma yüksekliklerini hesaplayınız (Meyer formülü ile). Cevap: Su yüzeyinden buharlaşma miktarını hesaplamakta kullanılan bir yolda ampirik formüllerdir. Bu ampirik formüllerden rüzgar hızının da etkisini hesaba katan Meyer formülü: E11 ew ea 1 16 şeklindedir. Burada E aylık buharlaşma miktarı (mm), ew ve ea su yüzeyinde ve havadaki buhar basınçları (mm Hg sütunu), w su yüzeyinden 8 m yüksekte km/saat cinsinden ölçülen rüzgar hızıdır. Öte yandan ew ile ea değerleri arasında: w 3-10

11 ea Realatif neme R e n bağıntısının varlığı göz önünde tutulursa, Meyer formülü: w E 11ew 1 Rn 1 16 şeklinde yazılabilir. ew nin değeri hava sıcaklığı ile değişir. Tabloda her ayın ortalama sıcaklık derecesi ile bunlara karşı gelen ew değerleri verilmiştir. Her ay için verilen değerler yukarıdaki denklemde yerine koyarak E aylık buharlaşma yükseklikleri bulunur. Ay T ( o C) Relatif Nem (%) e w (mm Hg) w w Rüzgar hızı (km/saat) Aylık Buharlaşma E (mm) Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim

12 Problem 3.4. Buharlaşma Leğeni İle Buharlaşmanın Ölçülmesi: Bir biriktirme haznesi yakınındaki A sınıfı buharlaşma leğeninde ölçülen aylık buharlaşma yükseklikleri ve leğen katsayıları Tabloda verilmiştir. Bu hazneden yaz ayları boyunca meydana gelecek buharlaşma kaybını hacim olarak hesaplayınız. Cevap: E H C E L Ay E (mm) Leğen Katsayısı Hazne Yüzey Alanı (km 2 ) E h (mm) E h (m 3 ) Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Serbest su yüzeyinden buharlaşmayı ölçmek için buharlaşma leğeni (buharlaşma tavası) denen kaplar kullanılır, bunların çeşitli tipleri vardır. Bugün en çok denenmiş olan A sınıfı tavanın kullanılması ve hazneden buharlaşma miktarına geçmek için okumanın leğen katsayısı ile çarpılması uygun olmaktadır. 3-12

13 C leğen katsayısı ve EL leğende ölçülen değer olmak üzere EH hazneden buharlaşma miktarı: E H C E şeklinde hesaplayabiliriz. Bu esastan hareket edilerek problemde sözü edilen hazneden yaz ayları boyunca meydana gelecek buharlaşma kaybı hesaplanabilir: L Mayıs : E m H H H H H 6 3 Haziran : E m 6 3 Temmuz : E m 6 3 Ağustos : E m 6 3 Eylül : E m 6 3 Toplam m

14 TERLEME VE TUTMA Bitkilerin suyu kökleriyle zeminden çekip yaşamaları için gerekli işlemlerde faydalandıktan sonra yapraklarından buhar halinde havaya vermelerine terleme (transpirasyon) denir. Bitkilerin buharlaşma kayıpları üzerine etkileri tutma şeklinde de olur. Tutma bitkiler tarafından alıkonan ve yer yüzeyine hiç varamayan yağış olarak tanımlanır. EVAPOTRANSPİRASYON Potansiyel ve Gerçek Evapotranspirasyon: Bir bölgede terleme ile ve zeminden, su ve kar yüzeylerinde buharlaşma ile meydana gelen toplam su kayıplarına evapotranspirasyon (ET) kayıpları denir. Her zaman yeterli zemin nemi bulunduğu takdirde meydana gelecek kayba potansiyel evapotranspirasyon adı verilir. Gerçek evapotranspirasyon ise mevcut zemin nemiyle sınırlı olduğu için daha az olabilir, zemin kuruma noktasına gelince gerçek evapotranspirasyon sona erer. 3-14

15 Potansiyel Evapotranspirasyon Hesabı Blaney Criddle formülü: Bu formülde U 45kpt 18 U aylık evapotranspirasyon (mm) k bitki cinsine bağlı katsayı p göz önüne alınan aydaki gündüz saatlerinin bütün yıldaki gündüz saatlerine oranı t aylık ortalama sıcaklık derecesi ( o C), k 0,031t 0,24kc Aylık k değerlerinin hesabı için gerekli olan kc katsayıları bitki cinsine göre büyüme oranına, ekimden sonra geçen gün sayısına, ya da yılın aylarına bağlı olarak verilmiştir. 3-15

16 Problem 3.5. Blaney Criddle Formülü İle Evapotranspirasyon Hesabı: 38 o kuzey enleminde bulunan bir havzada 8000 m 2 lik bir toprak Tablo: 3.4 de gösterilen amaçlarla kullanılmaktadır. Bu havzaya ait aylık ortalama sıcaklıkla bitkilerin yararlanabileceği ortalama yağış yüksekliği ve ekilen bitki türlerine ait aylık k değerleri tabloda verilmiştir. Bu verilere göre Blaney Criddle formülünü kullanarak kullanılarak sulama mevsimi (Şubat Kasım) boyunca havzaya ne kadar sulama suyu gerektiğini hesaplayınız. (Sulama mevsimi boyunca zemin neminin hep aynı kalacağı, ve mevcut aylık ortalama yağış yüksekliğinin o ay için hesaplanan sulama suyu ihtiyacından fazla olduğu aylarda, sulama suyuna gerek olmadığı kabul edilecektir.) Cevap: Blaney Cridddle formülü, bölgedeki bitki örtüsünün cinsini de hesaba katan potansiyel evapotranspirasyon formüllerinden birisidir. Genellikle bu tip formüller bitkinin su ihtiyacının belirlenmesinde kullanılır. 3-16

17 Blaney Criddle formülü: U 45kp t 18 Eğer havzada tek tip bir bitki ekiliyorsa, bu havzaya ait aylık evapotranspirasyon hesaplanmasında kullanılacak bu formülde tek bir k değeri olacaktır. Halbuki bu problemde olduğu gibi havzada farklı türlerde bitki ekilmesi halinde her bitkinin ekili olduğu alanın yüzdesini göz önünde bulundurarak ağırlıklı ortalama ile her ay için havzaya ait bir ortalama k değeri hesaplamak gerekir. 3-17

18 Ay Aylık ortalama sıcaklık ( 0 C) Aylık ortalama yağış (mm) P(38 0 kuzey enlemi için) Yonca (%35 k değerleri Domates (%30) Tahıl (%35) k ort U (mm) I (mm) Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım

19 Problem 3.6. Gerçek Evapotranspirasyon Hesabı: Bir havzada bir yılın ayları boyunca hesaplanan potansiyel evapotranspirasyon miktarları ile ölçülen aylık yağış yükseklikleri Tablo 3.6 da gösterilmiştir. Buna göre aylık gerçek evapotranspirasyon yüksekliklerini ve akış yüksekliklerini belirleyiniz. Zemin cinsine göre zeminin tutabileceği maksimum nemin 100 mm yağış yüksekliğine karşı geldiği kabul edilecektir. Yaz sonunda (Ekim başında) zemin neminin sıfır olduğu kabul edilecek, hesaplara bu aydan başlanacaktır. Aylar E K A O Ş M N M H T A E Potansiyel Evapotranspirasyon (mm) Yağış Yüksekliği (mm) ÇÖZÜM: Mevcut verilerden yararlanarak bu havzaya ait aylık akış yüksekliklerini belirleyebilmek için önce aylık gerçek evapotranspirasyon miktarlarını hesaplamak gerekir. Bir yıl boyunca aylık gerçek evapotranspirasyon miktarı hesabı için Thornthwaite tarafından ileri sürülen yaklaşık yöntem adımları şunlardır: 3-19

20 1. Aylık potansiyel evapotranspirasyon hesaplanır (U p ). (Bu problemde U p değeri verilmiştir). 2. Herhangi bir ay için yağış yüksekliği (P), hesaplanan potansiyel evapotranspirasyon miktarından (U p ) fazla ise (P>U p ): a) O ayın gerçek evapotranspirasyon miktarı (U g ) potansiyel evapotranspirasyon miktarına eşit olacaktır. (U g = U p ). b) Yağışla evapotranspirasyonun farkı (P- U g ) zemin nemini artıracaktır. c) Zemin nemi maksimum değerine ulaştıktan sonra suyun fazlası akış haline geçecektir. 3. Herhangi bir ay için yağış yüksekliği hesaplanan potansiyel evapotranspirasyon miktarından az ise (P<U p ): a) Gerçek evapotranspirasyon miktarı o ayın yağış yüksekliği ile mevcut zemin neminin bir kısmının veya hepsinin toplamına eşit olacaktır. b) Zemin neminin buharlaşan kısmı zemin neminde azalmaya sebep olacaktır. Hesapların yapılmasına zemin neminin artamaya başladığı aydan (Ekim ayı) başlamak uygun olur. Bu esaslardan hareket edilerek problemin çözümü Tablo 3.7 de gösterilmiştir. 3-20

21 AYLAR E K A O Ş M N M H T A E Potansiyel Evapotranspirasyon (mm) Yağış Yüksekliği (mm) Zemin Nemindeki Değişme (mm) Ay sonundaki Zemin Nemi (mm) Gerçek Evapotranspirasyon (mm) Akış Yüksekliği (mm)