Ünite 1. Atmosferin Bileşimi ve Yapısı. Doç. Dr. Hasan TATLI

Transkript

1 Ünite 1 Atmosferin Bileşimi ve Yapısı Doç. Dr. Hasan TATLI 1

2 Atmosfer: yer küresinin etrafını çepeçevre kuşatan. kalınlığı tam olarak bilinmemekle beraber 1000 km'nin üzerinde olduğu tahmin edilen ve yükseklikle yoğunluğu azalan bir gaz karışımıdır. Atmosfer, eski Yunanca'da nefes anlamına gelen Atmos ile küre anlamına gelen Sphere kelimelerinin birleşmesinden meydana gelmiştir. Atmosferin üst sınırı tam olarak bilinmemektedir. 2

3 Atmosferin Önemi Atmosferin hayatımızdaki önemi çok büyüktür. Her şeyden önce atmosfer olmasaydı hayat olamazdı. Çünkü canlıların yaşaması için gerekli olan Oksijen, Karbondioksit ve Azot gibi gazlar bulunamayacaktı. Atmosfer Dünyamıza koruyucu bir siper görevi de yapmakta olup, güneşten gelen zararlı ışınları (Ultraviole) emerek yeryüzüne kadar ulaşmalarını engeller Atmosfer Uzaydan gelen göktaşlarını (Meteorlar) sürtünmeden dolayı parçalayarak yer yüzeyine düşmelerini. güneşten dünyamıza gelen ışınların hızla uzaya dönmesini, ışınları yansıtıp dağıtarak gölge yerlerin karanlık olmasını, dolayısıyla güneş alan yerlerin çok sıcak, almayan yerlerin çok soğuk olmasını önlemektedir. Atmosferik hareketlerle yer yüzeyindeki büyük sıcaklık farklılıkları bir ölçüde giderilmektedir. Atmosfer olmasaydı gündüzleri sıcaklık 130 C kadar yükselecek, ve geceleri ise 150 C ye kadar düşecekti Yine atmosfer olmasaydı ses iletimi ve yanma olayı meydana gelmeyecekti. 3

4 Atmosferik Havza Atmosferik Havza Eğer atmosferi, gazların bir havzası olarak düşünürsek, havzaya giren-çıkan gazların eşitliğinden dolayı, gazların konsantrasyonu hep sabit kalır. Bu kısıtlar altında, gazlar daimi (steady state) durumdadır denir. 4

5 Atmosferin Bileşimi Bundan 300 yıl öncesine kadar evreni meydana getiren maddelerin sadece katı ve sıvı olduğu sanılıyordu. 17'nci yüzyılın ortalarına doğru tabiattaki maddelerden birinin de gaz halinde olduğu anlaşıldı. 18 nci yüzyılın sonlarında Lavoisier adındaki bir Fransız bilgini havanın bir gaz karışımı olduğunu yaptığı deneyler sonunda ortaya koydu. Bu karışımın sadece oksijen ve azot olduğu sanılıyordu. 1892'de İngiliz Fizikçisi Rayleigh'la birlikte çalışan Lavoisier, Argon, Neon, Kripton ve Ksenon gibi gazların da havanın içinde olduklarını buldular. Atmosferde Bulunan Gazlar Her zaman bulunan ve miktarları değişmeyen gazlar (azot, oksijen, asal gazlar) Devamlı bulunan fakat miktarları azalıp çoğalan gazlar (Karbondioksit, su buharı, ozon) Her zaman bulunamayan gazlar (Tozlar, kirleticiler) 5

6 Yeryüzüne yakın seviyedeki atmosferin gaz bileşimleri Hacimsel Moleküler Ağırlık Gazın İsmi Sembolü Yüzde % (g/mol) Azot (Nitrojen) Oksijen Argon Ar Neon Ne Helyum He Hidrojen Ksenon Xe Değişken Gazlar Su buharı H 2 O Karbon dioksit CO Metan CH Azot Oksit N 2 O EPA (ABD Çevre Koruma) Kalite Standartı Karbon monoksit CO Kükürt dioksit SO 2 Ozon N 2 O 2 H 2 O 3 Sabit Gazlar Azot dioksit NO Ortalama Hava Hava

7 Havada Bulunan Gazların Özellikleri Ve Önemi Oksijen (O 2 ) Atmosfer içerisindeki oksijen, canlıların solunumu ve yanma olayı için çok önemlidir. Havadan biraz daha ağır olup, sularda erime özelliği vardır. Soğuk suda oksijenin erime oranı daha fazladır. Hava ısındıkça suda erimiş olan bu oksijen havaya verilir. Bu yüzden yaz aylarında havadaki oksijen miktarı az da olsa artar. Havadaki en az oksijen miktarı ise kış aylarında olmaktadır. Yerleşim bölgelerinde, havadaki oksijen miktarı daha az olmakta, ormanlık bölgelerde, kırlarda, denizlerde ve yükseklerde ise biraz daha fazla olmaktadır. Normal bir insan, oksijenin kısmi basıncı 200mb olan bir havayı teneffüs etmeye alışmıştır. Şayet bu kısmi basınç düşecek olursa, yani havadaki oksijen miktarı azalacak olursa insanlarda; yorgunluk, uyku basması, görüş zayıflığı ve kendinden geçme gibi haller görülür. 7

8 Karbondioksit (CO 2 ) Havada çok az miktarda olmasına karşın (%0.035) miktarının değişken olması, Klimatolojik koşullara önemli derecede etki yapar. Bu gazın fazla oluşu havanın kirliliğini, tersi ise havanın temizliğini ifade eder. Havadaki karbondioksit miktarı karalar üzerinde, denizlerden daha fazladır. Karalar üzerinde ise özellikle yerleşim bölgelerinde fazladır. Çünkü şehirlerde, fabrika ve ev bacalarından çok miktarda karbondioksit havaya verilir. Karbondioksitin başlıca kaynakları: çeşitli fosil yakıt temelli yanma olayları, volkanlar, maden ocakları, maden suları, canlıların teneffüsü ve bakteri artıklarıdır. Bütün bu karbondioksit kaynaklarına rağmen atmosferdeki miktarı çok fazla artmaz. Çünkü denizler, havada fazla miktarda bulunan karbondioksiti eritirler. 8

9 Yapılan aletsel ölçümlere göre, 1950 den beri karbon dioksit konsantrasyon artış oranı 1.8 ppm/yıl civarındadır. Bu artışın temel nedeni, fosil yakıtlar ve ormansızlaştırmadır. yıl 9

10 Su buharı Havanın tabii şartlarda hiç bir zaman kuru olmadığı ve daima içinde su buharı bulunduğu görülmüştür. Su buharı, yere ve zamana göre hava içerisindeki miktarı en fazla değişen bir gazdır. Hava içerisindeki su buharı miktarıyla hava sıcaklığı arasında çok yakın bir ilgi vardır. Sıcaklık arttıkça havadaki, su buharı miktarı da artar. Havadaki su buharının yaşam ve iklimler üzerinde çok önemli etkileri vardır. Havadaki su buharı, yağışların oluşmasını sağlamakla kalmayıp atmosferde koruyucu bir örtü vazifesi de görerek dünyanın çabuk soğumasını önler. Havayı yumuşatarak nefes almamıza ve cildin çatlamamasına yardım eder. Hava içindeki bakterilerin yaşamasını sağlar. Fakat hava içinde fazla oluşu, sıcaklık duygumuz bakımından sıkıntı verdiği gibi bazı salgın hastalıkların yayılmasını da kolaylaştırır. 10

11 Aerosoller (küçük katı partiküller) Havadaki bulut damlaları ve yağış dışındaki partiküllere aerosoller denir. Aerosoller bulut oluşumu açısından büyük öneme sahiptirler. Tüm bulut damlaları yoğunlaşma çekirdekleri denen havada asılı durumda bulunan aerosoller üzerinde yoğunlaşarak meydana gelirler. 11

12 Ozon (O 3 ) Hava içerisinde bulunan oksijen molekülleri, ultraviyole ışınlarının etkisi altında birbirleriyle birleşerek Ozon gazını meydana getirirler. Ozon, üç oksijen atomunun birleşmesinden meydana gelir. Soluk renkli bir gaz olan ozonun çok keskin bir kokusu vardır. Yıldırımlı havalarda, atmosferin yere yakın kısımlarında az miktarda ozon meydana gelir. Yere yakın hava katmanlarında ozon, yok denecek kadar azdır. Fakat yerden km. yükseklikler arasında bir ozon katmanı vardır. Bu yükselliklerdeki ozon miktarı, ekvatordan kutba doğru artar. Ozon katının ortalama yüksekliği ise ekvatorda 29 km ve orta enlemlerde ise 22 km civarındadır. Ozon, gaz olarak içinde hayatın gelişmesine olanak vermez. Ancak dünyamıza güneşten gelen ultraviyole ışınlarını emerek hayatın devamım sağlar. Ultraviyole ışınları, vücutta D vitamininin oluşumunu sağlar, fakat gereğinden fazla olursa hayatı yok edici bir etki yapar. Ozon tabakası olmasaydı yer yüzeyine gelen Ultraviyole ışınları 50 kat daha fazla olacaktı. Atmosferin alt tabakalarında ozonun fazlalığı, havanın temiz oluşunu ifade etmektedir. Dağ, orman, ve deniz havalarında oldukça boldur. Şehir havasında ise bulunmadığı bile söylenebilir. Mevsimlere ve hava şartlarına göre de ozon miktarının değiştiği görülür. 12

13 Azot (N2) Havanın 4/5 ni meydana getiren bu gazın rengi, kokusu ve tadı yoktur. Azot tek başına canlıların yaşamasına imkan vermez. Hava içerisinde Azot'un iki önemli rolü vardır: 1) Oksijenle birleşerek onun yakma özelliğini hafifletir. Şayet sadece oksijenle solunum yapmak zorunda kalsaydık bütün organlarımız yanardı. 2) Azot bitkilerle birleşerek endüstride ve tarımda büyük faydalar sağlayan nitrat ve nitritleri meydana getirir (Sodyum nitrat, potasyum nitrat gibi). Bitkiler, havadaki azot gazını doğrudan doğruya alamazlar. Azot İhtiyaçlarını topraktaki azot bileşiklerinden karşılarlar. Bundan dolayı bitkilerin köklerini azot bileşikleriyle beslemek gerekir (gübre ile). 13

14 Bilim insanları, atmosferin kimyasal bileşiminden çok, ortalama atmosfer sıcaklığının yükseklikle değişim özelliklerine göre atmosferi tabakalara bölerler. Temelde atmosfer 4 tabakaya bölünür; 1) Troposfer 2) Stratosfer 3) Mezosfer 4) Termosfer 14

15 Sıcaklığa göre atmosferin katmanları TERMOSFER Mezopoz km MEZOSFER Stratopoz 45 km STRATOSFER Tropopoz 12 km TROPOSFER YERYÜZÜ 15

16 Fiziksel ve Kimyasal Özelliklerine göre atmosferin katmanları EKZOSFER km İYONOSFER km KEMOSFER 45 km OZONOSFER 12 km TROPOSFER YERYÜZÜ 16

17 Kimyasal Özelliğine Göre Atmosferin Katmanları HETEROSFER 90 km HOMOSFER YERYÜZÜ 17

18 Atmosferde Sıcaklık Profili Yükseklik (km) Sıcaklık 18

19 Atmosferin Genel Özellikleri Bakımından Katmanları İyonosfer 19

20 Termodinamik Hal Havanın termodinamik durumu 3 değişken ile ölçülür basınç yoğunluk sıcaklık Basınç Basınç P birim alan A üzerine normali doğrultusunda etkiyen F kuvvetidir. P F /A 20

21 Basıncın yükseklikle değişimi P P e 0 ( a a K / m (bir sabit) P 0 : kpa: Ortalama deniz seviyesindeki basınç T : Sıcaklık (Kelvin): sabit kabul ediliyor. z: Yükseklik / T ) z P P e 0 z / H p H p 7.29 km : Basıncın ölçek yüksekliği 21

22 (a) Soru: Deniz seviyesinden 10 km yükseklikte, sıcaklığın 250 ve 300K olduğu durumlardaki basınçları karşılaştırınız. Çözüm: Verilenler: z 10 km, (a) T 250 K, (b) T 300 K İstenenler: (a) P? kpa, (b) P? kpa P P P e 0 ( a / T ) z 25.8kPa P ( ) e (0.0342/ 4 250)10 (b) P ( ) exp[( )(10 4 ) / 300 ] P 32.4kPa Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Basınç yükseklikle, sıcak havada soğuk havaya nazaran çok daha yavaş düşer. Çünkü moleküller birbirinden çok daha uzakta bulunurlar. 22

23 Yoğunluğun yükseklikle değişimi ρ birim hacimin (V) kütlesi (m) olarak tanımlanır. ρ m /V Eğer hacim içindeki moleküllerin ağırlıkları artarsa yoğunluk da artar. Standart atmosfer, yani havanın sıcaklığı T 15 o C olarak değerlendirilir. ρ ρ 0 e ( a / T ) z veya ρ ρ z e / 0 H ρ ρ 1.225kg m gr / Litre ( yer seviyesinde) a 0.04 K/m ve H ρ 8.55 km yoğunluk ölçek yüksekliği 23

24 Soru: Havanın tek-düze (uniform), yani T 15 o C olduğu durumda, 2 km yükseklikteki havanın yoğunluğu nedir? Çözüm: Verilenler: z 2000 m ρ ο kg/m 3 T15 o C K İstenen: ρ? kg/m 3 ρ ρ ο e -(a/t)z 1.225e -(0.04/288.15) kg/m 3 Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Hava yoğunluğunun düşmesinden dolayı, uçakların kanatları %24 daha az kaldıracağından, motorlarlara %24 daha az güvenmek gerekir. 24

25 Hava molekülleri Yükseklik (km) Hava basıncı Hava yoğunluğu Düşük Artım yönü Yüksek 25

26 SICAKLIK Eğer bir grup molekül (mikroskopik) daimi olarak aynı yönde hareket ederse, harekete rüzgar denir. Eğer moleküller rasgele yönlerde hareket ederlerse, hareket sıcaklıkla ilgilidir. Sıcaklığın yükselmesiyle, ortalama molekül hızı da artacağından: T a m w v 2 Eşitliği yazılabilir. a 4x10-5 K. m -2. s 2 bir sabit, m w : ilgili gazın moleküler ağırlığı, v : ortalama molekül hızıdır. T : Sıcaklık, Kelvin olarak tüm denklemlerde kullanılmak zorundadır. 26

27 Yaygın kullanılan sıcaklık birimleri To F ( 9/5) T + o C 32 T o C o F ( 5/9) [ T 32] T K To C Standart (ortalama) deniz-seviyesinde Hava sıcaklığı: T 15 o C 288K59 o F 27

28 Soru: 20 o C de bulunan Azot molekülünün rastsal hızı nedir? Çözüm: Verilenler: T K İstenen: v? m/s v [ T / a mw 1/ 2 ] v [ /( )] 1/ m / s Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Tabancının mermisinden çok daha hızlı. 28

29 Hal denklemi- İDEAL GAZ DENKLEMİ P ρ R d T (Kuru hava için) T v T ( r) (Virtüel sıcaklık) P ρ R d T v (Nemli hava için) R d J K kg 1 r: karışma oranı [g su buharı /g kuru hava ] 29

30 Eğer hava içinde hem sıvı hem de su buharı ikisi birden varsa Virtüel sıcaklık T v T ( r rl ) r L : sıvı-su karışma oranı [g sıvı su /g kuru hava ] 30

31 Soru: Ortalama (standart) basınç ve yoğunluk kısıtında, yer seviyesinde kuru hava sıcaklığı ne olur? Çözüm: Verilenler: P kpa, ρ kg/m 3 İstenen: T? K T P ρ R T ( d kg K m 15 o C T P Pa ) (287 Pa /( ρ R d Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Daha önce üzerinde durulan standart atmosfer sıcaklığı ile uyuşmaktadır. K m ) kg ) 31

32 Soru: Sıcaklığın 35 o C ve karışma oranın 30 g subuharı /kg kuruhava olduğu havanın Virtüel sıcaklığı nedir? Çözüm: Verilenler: T 35 o C, r 30 g/kg İstenen: T v? o C Önce sıcaklığı ve karışma oranını uygun birimlere dönüştürürüz. T K r (30 g subuharı /kg hava )(0.001kg/g) 0.03 g subuharı /g hava T v T ( K 0.61 r) 40.6 o C T Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Böylece, yüksek nem havanın yoğunluğunu çok daha fazla azaltmakta, ki bu durum yaklaşık 5 o C daha sıcak olan kuru havaya etki eder gibidir. v ( ) 32

33 HİDROSTATİK DENGE Daha önce tartışıldığı üzere, basınç yükseklikle azalır. P (üst) düşük A : yatay kesit alanı g -9.8 m/s 2 : yerçekimi ivmesi Basınç gradyanı F P A z Yer çekimi F m g P (taban) büyük Hipotetik bir hava parseli 33

34 HİDROSTATİK DENGE DENKLEMİ P ρ g z veya p z p z ρ g lim z 0 p p ρ g z z ρ g (hidrostatik denge denklemi) z A 34

35 Soru: Yere yakın seviyede, 100 m lik yüksekliğe çıkmakla ne kadarlık basınç düşer? Çözüm: Verilenler: ρ kg/m 3 (deniz seviyesinde) z 100 m İstenen: P? kpa Hidrostatik denge denkleminden, P ρ g z P (1.225kg/m 3 )(-9.8m/s 2 )(100 m) Pa -1.2 kpa -12 hpa -12 mb P (üst) z P (alt) Kontrol: Birimler tamam. Şekil uygun. Fizik anlamlı. Tartışma: Bu durum büyük kalınlıklara genelleştirilemez. 35

36 HİPSOMETRİK DENKLEM İdeal gaz denklemi ile hidrostatik denklemi birleştirirsek, hipsometrik denklemini elde ederiz. z T v P z z a T ln 2 1 v P : ortalama Virtüel sıcaklık a : R d / g 29.3 m/k (bir sabit) 1 2 z : P 2 ile P 1 basınç seviyeleri arasında kalan kalınlık Ev Ödevi: Birinci derece lineer diferansiyel Denk. çözüm 36 yöntemlerinden yararlanarak hipsometrik denklemi elde ediniz.

37 Soru: Aşağıda verilen sıcaklıklara göre, 100 kpa ile 90 kpa arasındaki kalınlık ne kadardır? P (kpa) T (K) Çözüm: Verilenler: Tabakanın üst ve tabanındaki gözlemler. İstenen: z z 2 - z 1 m? Havanın kuru olduğuna varsayarak, T v ( ) /2 ve hipsometrik denklemde yerleştirirsek, z z 2 z 1 (29.3)(280)ln(100/90) m Kontrol: Birimler tamam. Fizik uygun. Tartışma: Böylece, bir uçakla m yükseğe çıkmakla, yukarıda verilen sıcaklıklara göre 10 kpa basınç azalmasını ölçeriz. 37

38 Ünite 2 Radyasyon Doç. Dr. Hasan TATLI Konveksiyon Kondüksiyon Radyasyon Radyasyon 38

39 AKI (Flux) Tanım: Birim alanda, birim zamanda taşınan büyüklük (fiziksel büyüklük). Ancak ele alınan alanın, akının hareketine dik (normal) olması gerekir. Ι (kg m -2 s -1 ): Kütle akısı, I (J m -2 s -1 ): Isı akısı, 1 W 1 J s -1 olduğundan, Isı Akısı W m -2 olur. I veya F 39

40 Kinematik AKI t zaman aralığında, A alanından geçen toplam ısı veya kütle miktarı, Miktar I A t Isı miktarı Q ile sembolize edilir. Eğer Akı hava yoğunluğuna bölünürse, Akının kinematikşekli elde edilir. F I /ρ hava (kinematik akı) Kinematik kütle akısı rüzgar sürati (hız değil) Sadece Isı akısı kinematik şekle, Isı akısının hem hava yoğunluğuna hem de havanın özgül ısısı C p (K m s -1 ) bölünmesiyle elde edilir. Kuru hava için ρ hava C p 1231 (W m -2 )/(Kms -1 ) mb K kpa K -1

41 Soru: 1 m enli ve 2.5 m yüksekli bir kapıdan geçen kütle akısı 1 kg m -2 s -1 dir. 1 dakikada kapıdan geçen kütle akısı miktarını ve kinematik akıyı hesaplayınız. Çözüm: Verilenler: A (1m) (2.5 m) 2.5 m 2, I 1 kg m -2 s -1 t 1 dk 60 s İstenenler: a) Miktar? Kg b) F? ms -1 a) Miktar I A t (1 kg m -2 s -1 )(2.5 m 2 ) (60 s) 150 kg b) ρ kg/m 3 deniz seviyesinde varsayalım, bu durumda kinematik akı F, F (1kg m -2 s -1 )/(1.225 kg/m 3 ) 0.82 m/s. Kontrol: Birimler tamam. Fizik uygun. Tartışma: Kinematik akı, 1 m/s den de küçük bir süratle esen, çok yavaş rüzgar mertebesinde olmasına karşın, dakikada oldukça büyük bir kütleyi taşımaktadır. 41

42 RADYASYON İLKELERİ Radyasyon - Dalgalar Radyasyon nedir elektromagnetik dalgalar? Bir dalganın karakteristikleri -->> Dalga boyu Soru: Radyasyonun tipik dalga boyları nedir? Genlik 42

43 Radyasyon dalgaları dalga boyları Soru: Radyasyon dalgalarının tipik dalga boyu nedir? Genelde Mikrometre birimi radyasyon dalga boyunun ölçü birimi olarak kullanılır. 1 mikrometre (µm) 10-6 metredir. Tipik bir defter sayfasının kalınlığı 100 µm civarındadır. 43

44 44

45 Tüm Nesneler Radyasyon Yayar (Emisyon) 0 (sıfır) K den daha yüksek sıcaklığa sahip tüm nesneler radyasyon yayar. Sıcak nesneler soğuk nesnelerden daha fazla radyasyon yayar. Soru: Bir nesnenin yayabileceği radyasyon miktarı ne kadar ve hangi dalga boyundadır? Cevap: Yanıtı verebilmek için, önce siyah cisim radyasyonu tanımlamak gerekir. 45

46 Tüm gelen enerjiyi absorbe eder (emer) Siyah Cisim Radyasyonu Siyah Cisim: emdiği tüm enerjiyi yayabilen cisimlere denir. Cismin kendisinin siyah renkte olduğu anlamına gelmez. Güneş ve dünya yaklaşık olarak siyah cisim gibi davranırlar. Siyah cisim Tüm enerjiyi yayar 46

47 RADYASYON YASALARI (EŞİTLİKLERİ) Stefan-Boltzman Yasası: Sefan-Boltzman yasası, bir nesnenin yayabileceği radyasyon miktarının, sıcaklığıyla bağlantılı olduğunu söyler. Ε σ Τ 4 W/m 2 (Stefan- Boltzman yasası) E: cisim tarafından salınan enerji, σ Wm -2 K -4 (Stefan-Boltzman katsayısı) T: Kelvin olarak cismin sıcaklığıdır. 47

48 Dünya ile Güneşi ele alalım. Güneşin dış çevresinde T 6000 K dır. E 5.67 x 10-8 Wm -2 K -4 (6000 K) x 10 7 Wm -2 Soru: Bu miktar çok mu büyüktür? Cevap: 100 Wattlık bir ampul ile kıyaslayarak yanıtını kendiniz bulunuz. Dünyada, T 288K E 5.67 x 10-8 Wm -2 K -4 (288 K) Wm -2 Soru: Bir cismin sıcaklığı 2 katına çıkartılacak olursa, kaç kat fazla enerji yayar? Yanıt:? 48

49 Wein Yasası Cisimlerin çoğu radyasyonu birçok farklı dalga boyunda yayarlar, ancak öyle bir dalga boyu vardır ki en fazla enerjiyi bu dalga boyunda yayar. En fazla enerjinin yayınladığı dalga boyu Wein yasası ile bulunabilir. λ max 2897 µm / T(K) (Wein yasası) Soru: Güneş hangi dalga boyunda en fazla radyasyon yayar? (0.5 mikrometre) Soru: Dünya hangi dalga boyunda en fazla radyasyon yayar? (10 mikrometre) EV ÖDEVİ: Farz edelim ki vücudunuzun ortalama sıcaklığı 90 F dır. Vücudunuz Wm -2 biriminde ne kadar radyant enerji yayar? Vücudunuzun toplam yayınladığı radyant enerji nedir? Hangi dalga boyunda bu radyant enerji yayınlanır? 49

50 Dalga boyu 50

51 Güneş ve Dünyanın Radyasyon Eğrileri Soru: Güneş ve dünya radyasyon eğrileri arasındaki fark ve benzerlik nedir? RadyasyonŞiddeti (W/m 2 /µm) Dalga boyu Kısa dalga radyasyon Güneş 6000 K Uzun dalga radyasyon Dünya 51

52 Güneşin radyasyon eğrisini yakından inceleyelim Her dalga boyu bant içindeki yüzdelerine dikkat ediniz. 52

53 Radyatif Denge Eğer bir cismin sıcaklığı zamanla değişmiyorsa, o cisim kendi denge sıcaklığında (Te) ve radyatif dengededir denir. Soru: Giren enerji > çıkan enerji ise ne olur? Cisim ısınır. Soru: Dünya radyatif dengede midir? EVET, çünkü dünyanın küresel ortalama sıcaklığı zamanla sabit kalır. Enerji girişi T sabit Te Enerji çıkışı Enerji girişi Enerji çıkışı Radyatif denge şartı 53

54 Dünyanın Radyatif Dengesi Aldığı kısa dalga radyasyon miktarı yaydığı uzun dalgalı radyasyona eşittir. Soru: Dünyanın radyatif denge sıcaklığı nedir? Solar (kısa dalga) Radyasyonu Radyasyon Giriş Radyasyon Çıkış Karasal (Uzun dalga) Radyasyonu 54

55 Dünyanın Radyatif Denge Sıcaklığı Dünyanın yaydığı enerji 240 Wm -2 biliyoruz. Stefan-Boltzman eşitliğini kullanarak, E σ T e 4 > T e (E/σ) 1/4 Eğer dünyanın atmosferi olmazsa, T e 255 K bulunur. Atmosferin olmadığı durum Kısa dalga radyasyonu Uzun dalga radyasyonu Kısa dalga radyasyon dünya tarafından emilir Dünya tarafından yayılan 55 enerji 240 Wm -2

56 Dünyanın Radyatif Denge Sıcaklığı (devamı) Atmosferin olmadığı durumda > T e 255 K Dünyanın donması gerekir! Oysa aktüel (gözlemlenen) T e 288 K dir. Gözlenen sıcaklığın, Stefan-Boltzman yasası ile hesaplanandan büyük olmasının temel nedeni ne olabilir? Yanıt: ATMOSFER 56

57 Solar Radyasyonun Dünya İle Etkileşimi 57

58 Solar Radyasyonun Etkileşimi Ve Atmosfer Biraz önce verilen şekilde, gelen kısa dalgalı radyasyonun yaklaşık yarısı dünya tarafından emilir ve sadece %19 u atmosferdeki gazlar tarafından emilir. Böylece, atmosfer oldukça iyi bir kısa dalgalı radyasyon geçirgenidir sonucuna varırız. Bu sonuca varmanın başka bir yolu daha vardır. Soru: Atmosferin, dünyanın emdiği radyasyon ile bir etkileşimi var mıdır? 58

59 59

60 Uzun Dalga Radyasyon Etkileşimi Ve Atmosfer Dünya tarafından yayınlanan radyasyonun bir kısmı uzaya kaçarken, bir kısmı da atmosferde bulunan gazlar tarafından emilir. Ve bu gazlar uzun-dalga radyasyonu dünyaya tekrar gönderirler. Bu EK uzun dalga radyasyondan dolayı, dünyanın biraz daha ısınması sağlanır. Bu olaya SERA ETKİSİ denir. Dünya tarafından yayınlanan uzun dalga radyasyonu emen gazlara, SERA GAZLARI denir? Soru: Bu gazlar hangileridir? 60

61 Sera Gazları Metan (CH 4 ) Karbon Dioksit (CO 2 ) Ozon (O 3 ) Su Buharı (H 2 O) Azot Oksit (N 2 O) Atmosfer var olduğunda Kısa dalga radyasyon Uzun dalga radyasyon 61

62 Sera gazları farklı dalgalardaki radyasyonu emerek, Atmosferik Pencereyi kapatarak küresel ısınma üzerinde yaşamsal etkileri vardır. İklim değişikliği konusu, sonraki sömestri derslerinizin konularından olduğundan bu derste üzerinde fazla durulmayacaktır. EV ÖDEVİ SORULARI 1.Neden açık geceler bulutlu gecelerden daha soğuk olurlar? 2.Atmosfer bir siyah cisim midir? (Neden veya neden değildir?) 3. Sera gazlarından hangisinin sera etkisi en fazladır? Bu soruyu, atmosferdeki tüm CO 2 yok sayarak veya tüm su buharını yok sayarak açıklayınız. 62

63 Bu resimde meteorolojik açıdan ne oluyor? Açıklayınız. 63

64 Ünite 3 ISI Doç. Dr. Hasan TATLI Konveksiyon Kondüksiyon Radyasyon Radyasyon 64

65 ENERJİ NE YARATILABİLİR NE DE YOK EDİLEBİLİR! (Temel Fizik Yasa: Kütlenin Korumu Prensibi) Isı enerjinin bir şeklidir. Isının dünyaya girişinin ilk adımı, kısa-dalga boylu güneş radyasyonu ile atmosfere girmesidir. Atmosfere giren enerji hava olaylarını yönetimi esnasında çok defa şekil değiştirir. En son adımda ise uzun-dalgalı (karasal radyasyon) radyasyon şekline dönüşerek dünyayı terk eder. 65

66 HİSSEDİLEN ISI ve GİZLİ ISI Hissedilen Isı Q H ile gösterilir birimi Joule dür. İnsanlar tarafından his edilir, yani sıcaklık farkını ortaya çıkaran ısı miktarı olarak da tanımlanabilir. Q H m hava C p T C p : sabit basınçta özgül ısı. Isıtılan maddenin bir özelliğidir. Kuru havanın özgül ısısı C pd J. kg -1. K -1 Pratikte C pd 1005 alınabilir. C su 4200 J kg -1 K -1 Nemli hava için C p C pd ( r) r : karışma oranı birimi g subuharı /g kuruhava dır. 66

67 Soru: 2 kg havanın sıcaklığını 5 o C artırmak için ne kadar hissedilen ısı gerekir? Çözüm: Verilenler: m hava 2 kg; T 5 o C İstenen: Q H? J Q H m hava C p T (2 kg) ( J kg -1 K -1 )(5 o C) kj (kilo Joule) Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Bu kadar hava yaklaşık 2.45 m 3 hacme sahiptir küçük bir küvet kadardır. 67

68 Gizli Isı: Gizlenmiş veya depo edilmiş ısı enerjisidir, sadece suyun faz değişimi esnasında ortaya çıkar. Buharlaşma esnasında her buharlaşan su damlacığı çevresinden hissedilen ısı enerjiyi depolayarak gizler havayı soğutur. Havayı soğutan faz değişimleri i) Buharlaşma: sıvı su buharı ii) Erime: katı (buz) sıvı iii) süblimleşme: katı su buharı 68

69 Havayı ısıtan faz değişimleri Yoğunlaşma su buharı sıvı Donma: sıvı katı (buz) Depozisyon: su buharı katı Faz değişim ısı miktarı: Q E m su. L L gizli ısı 69

70 L değerleri L v x 10 6 J. kg -1 yoğunlaşma veya buharlaşma. L f x 10 5 J. kg -1 donma veya erime. L d x 10 6 J. kg -1 depozisyon veya süblimleşme. Soru: 2 kg su buharı yoğunlaştığında ne dar gizli ısı serbest kalır? Çözüm: Verilen: m buhar 2 kg, L v 2.5x10 6 J. kg -1. İstenen: Q E? J Q E (2.5x10 6 J kg -1 )(2 kg) 5000 kj 70

71 Termodinamiğin 1. Yasası Kütlesi m hava olan bir hava parseline Q H kadar ısı eklendiğinde T kadar sıcaklığı değişmesinin yanısıra parselin üzerinde veya parsel iş yapar. Bu bağıntıyı gösteren denkleme Termodinamiğin 1. yasası denir. Q m H hava C p T ρ P Eşitliğin sağ tarafındaki 1. terim hissedilen ısıyı ve son terim ise birim kütle için basıncın değişmesine bağlı olarak parselin büzüşmesi veya genleşmesi sonucu oluşan işi temsil etmektedir. 71

72 Termodinamiğin 1. yasasını anlamak Q m H hava C p T ρ P Eşitliğin sağ tarafındaki son terimi yakından inceleyelim. Basınç F /A ve ρ birim hacmin kütlesi olduğundan, bu 2 terimin oranı (kuvvet x yol) /kütle birim kütlenin işi 72

73 Termodinamiğin 1. yasasını hidrostatik denklemle birleştirirsek T g C p z + m Q hava H C p Eşitliğin sağ tarafındaki son terim (Q Η /m hava ) eklenen ısının nedeni; i) Radyatif ısınma ii) Yoğunlaşırken gizli ısı, iii)azalan (dispatif)türbülans enerjisi iv)kimyasal reaksiyonlardan olan ısı, v) Hava veya parsel içindeki konvektif veya advektif etkileşim Dikkat: Konveksiyon ve adveksiyon enerji taşımaz, ancak hava parselini taşır. 73

74 Akılar Genişleme z Adveksiyon Konveksiyon x 74

75 Soru: 10 kg kütleli bir hava parseli 10 dakika boyunca H 100 W ısı oranıyla ısıtıldığında, parselin sıcaklığı ne kadar değişir? r g subuharı /g hava Çözüm: Verilenler: H 100 W; m hava 10 kg; z 0; t 10 dak. r g subuharı /g hava İstenen: Τ? K 1. adım özgül ısıyı hesaplayalım; C p ( J kg -1 K -1 )( ) J kg -1 K Adım eklenen ısıyı bulalım; Q H H. t (100 W) (600 s) 6x10 4 J. 3. Ve son adımda sıcaklık farkını bulalım; g QH T z + C p mhava C p T (6x10 4 J)/[(10kg). ( J kg -1 K -1 )] 5.92 K Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. 75

76 Düşey Sıcaklık Gradyanı (Lapse Rate) Γ -T /z 1. Sürecin kendisinin düşey sıcaklık gradyanı 2. Sürecin çevresinin sıcaklık gradyanı Adyabatik Düşey Sıcaklık Gradyanı Adyabatik: Süreç ne dışarıdan ısı alır ne de verir. Q H 0 > süreç adyabatiktir. Eğer bir hava parseli adyabatik olarak yükseltilirse, içinde nem olmadığını varsayarsak; T z g C p 0.98K /100m 9.8K / km Kuru hava düşey sıcaklık gradyanı: Γ d 9.8K/km 76

77 1. Kuru hava düşey sıcaklık gradyanı (Γ d ) nemli hava içinde uygulanabilir, ancak yükselen havanın doymamış olması gerekir. Yani bulut ve yoğunlaşma olmaması durumunda geçerlidir. Aksi durumda nemli hava düşey hava sıcaklık gradyanı kullanılır. 2. Adyabatik düşey sıcaklık gradyanı, basınç terimleri kullanılarak da elde edilir. Eğer İdeal gaz denklemini Termodinamiğin 1. yasasına yerleştirirsek, T T T T 2 1 P P P2 P1 Rd / Cp Rd / Cp veya Rd/Cp (boyutsuz bir sabit) kuru hava için geçerlidir. Ancak sıcaklık Kelvin dir. 77

78 Soru: Yerde 15 o C olan doymamış bir hava parseli, 2km yüksekliğe adyabatik olarak yükseltilirse sıcaklığı ne olur? Çözüm: Verilenler: T 1 15 o C ; z 2 km İstenen: T 2? o C T z T T z o 2 2 T C 1 T z z( 9.8) o C km 15 Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Suyun donması için yeterince soğumuştur. / o C + (2km)( 9.8 o C / km) 78

79 Potansiyel Sıcaklık Tanım: Bir hava parseli üzerindeki kuru adyabatik sıcaklık değişimlerini çıkardığımızda, elde edilen sıcaklığa denir. θ(z)t(z) + Γ d. z (Birimi o C veya K olabilir) θ T P 0 P R d / C p P 0 : referans seviye basıncı 100 kpa alınır. T : Kelvin olmak zorundadır Potansiyel sıcaklık kuru adyabatik süreç için korunurdur. 79

80 Virtuel Potansiyel Sıcaklık Eğer ortamda sadece subuharı varsa, θ v θ. ( r) Ortamda hem subuharı hem de sıvı su varsa, θ v θ. ( (r s r L )) r : karışma oranı r s : doyma karışma oranı r L : Sıvı su karışma oranı (bulutlar ve yağmur damlaları) 80

81 Soru: 500 m yükseklikte ve sıcaklığı T 10 o C olan havanın potansiyel sıcaklığı nedir? Çözüm: Verilenler: z 500m ; T 10 o C İstenen: θ? o C Ortamda sıvı su olmadığını farz edersek, θ(z)t(z) + Γ d. z > θ (0.5 km) 10 o C + (9.8 o C/km) (0.5 km) 14.9 o C Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Bu sıcaklık, 500 m yükseklikteki havanın, kuru adyabatik olarak yeryüzüne indirilmesiyle elde edilen sıcaklığıdır. Diğer bir deyişle, referans seviyesi yeryüzü seçilmiştir. 81

82 Termodinamik Diyagramlar Pratikte sıklıkla, çevre havanın düşey değişimi ile hava parselinin karşılaştırmasına gerek vardır. Çünkü, hava parselin yükselmesi, bulutluluk ve fırtına gelişimleri için bu gereklidir. Her adımda termodinamik hesaplar yerine, termodinamik ilişkileri gösteren basit bir diyagram çizilir. Bunlar termodinamik diyagramlar olarak adlandırılır. Termodinamik diyagramlarda: a) Yatay eksen sıcaklığı b) Düşey eksen ise genelde basıncı gösterir. 82

83 Bir Termodinamik Diyagramda Bulunan Değişkenler: 1. Basınç 2. Sıcaklık 3. Kuru adyabatik sıcaklık oranı (lapse rate) 4. Doymuş (veya nem) adyabatik karışma oranı 5. Doymuş karışma oranı 83

84 Yükseklik (km) Skew-T log-p diagramı Sıcaklık ( o C) 84 Basınç (mb)

85 Kırmızı çizgiler : izotermleri Düz yeşil çizgiler : Potansiyel sıcaklık Kesikli yeşil çizgiler: Eş değer potansiyel sıcaklığı (Bu 3 büyüklük 1000 mb seviyesinde başlar) Mavi çizgiler: izobarları Kesikli mor çizgiler : nem karışma oranı (birimi diyagramın sağ alt köşesinde g/kg verilmiştir) 85

86 Skew diyagramı Basınç (mb) Sıcaklık ( o C) 86

87 Excel kullanarak diyagramın hazırlanışı A B C D E 1 Kuru Adyabatik Örnek 2 P(kPa) T ( o C) T ( o C) T ( o C) T ( o C) P0 T2 T1 P 1 R d / C p ((B$ )*($A5/$A$4)^ )

88 EULER ISI BÜTÇESİ Termodinamiğin 1. Yasası (Gözden Geçirme) Eğer şekilde görülen sabit bir hacimden giren ısı akısı çıkan ısı akısından az ise, Q kadar ısı dışarıya atılıyordur. Dolayısıyla, Termodinamğin 1. yasası gereği, ısı kaybı sıcaklığın düşmesine neden olur. x boyunca akının kendisi değil, ancak akı gradyanı (I veya F) sıcaklığın değişmesine neden olur. Akı gradyanına, akı diverjansı denir. 1. Fx / x > 0 ise pozitif akı diverjansı (Çıkan akı girenden fazladır). 1. Fx / x < 0 ise akı konverjansı (Çıkan akı girenden azdır). I veya F Giren Akı A x I veya F Çıkan Akı 88

89 89 Eğer Giren ve Çıkan akıları tüm 3-boyut için yazarsak; Isı Bütçesi, Isı Dengesi veya Isı Korunum Denklemi elde edilir. Sabit hacim A. x için, ısı dengesi denklemi; t C S z I y I x I C t T p z y x p ρ S o : birim kütle için (Jkg -1 ) iç ısı enerjisi. Örn, Gizli ısı v.b. Kinematik-Akı (F) için ısı dengesi denklemi; t C S z F y F x F t T p z y x t C S z F y F x F t p z y x θ

90 Soru: Deniz seviyesinde, her bir kenarı 20 m olan bir küp hava olduğunu varsayınız. Bu küpün solundan doğu yönlü 3 Wm -2 bir ısı akısının ve sağından ise batılı 4Wm -2 bir ısı akısının girdiğini varsayınız. İç ısı kaynağı ve başka diğer akılar mevcut değildir. Her bir kenardaki kinematik ısı akısını ve hangi oranda sıcaklığın değiştiğini hesaplayınız? Çözüm: Verilenler: I x sağ -4Wm -2 ; I x sol3wm -2 ; x 20 m İstenen: F x sağ? K. m/s ; F x sol? K. m/s; T/t?K/s F x sol (3 Wm -2 )/(1231) 2.437x10-3 K. m/s F x sağ (-4 Wm -2 )/(1231) x10-3 K. m/s I x sol veya (+) F x sol A x I x sağ veya (-) F x sağ 90

91 Akı gradyanı: F x x T F x sağ sağ t F x sol sol F x x -4 [( ) ( )] 3 3 K / s [ 20 0] 4 K / s Kontrol: Birimler tamam. Serbest cisim diyagramı uygun. Tartışma: Isınma oranı yaklaşık 1 K /saat dır. 91

92 92 Akı Gradyanlarının Bileşenleri rad z türb z kond z adv z z rad y türb y kond y adv y y rad x türb x kond x adv x x z F z F z F z F z F y F y F y F y F y F x F x F x F x F x F

93 1. Adveksiyon: Adeveksiyon: rüzgar ile taşınan anlamına gelir. Sıcaklık adveksiyonu: Bir bölgeye veya bir bölgeden rüzgarla taşınan ısı anlamına gelir. F x adv U. T F y adv V. T F z adv W. T Düşey harekete ortalama rüzgarla ise adveksiyon denir; yok eğer kaldırma kuvvetindense konveksiyon olarak adlandırılır. 93

94 94 Adveksiyon (devamı) Isı bütçesi denklemi ham akıları değil, akı gradyanlarını kullanmaktadır. Dolayısıyla; Γ + d z y sol sa ğ sol sa ğ x z T W z adv F y T V y adv F x T U x x T T U x adv F ) (

95 Soru: Farz edelim ki ortalama hava sıcaklığı yükseklikle soğumaktadır; öyle ki z 200 m de T 15 o C ve z 1000 m de T 10 o C olacak şekilde lineer değiştiğini düşünelim. Eğer ortalama düşey rüzgar hızı soğuk havayı yukarıdan aşağıya doğru itiyorsa, o zaman z 600 m de Adveksiyon ile soğuma oranı ne olur? W m/s ve diğer ısıma süreçlerini yok kabul ediniz. Çözüm: Verilenler: W -0.1 m/s; z 600 m; T/z (10-15)/( ) o C/m İstenen: T/t? o C/s T/t - F z adv/z -W(T/z + Γ d ) - (-0.1 m/s). ( o C/m) x 10-4 o C/s 1.28 o C /saat Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Pozitif işaret soğumayı değil ısınmayı gösterir. 95

96 2. Kondüksiyon ve Yüzey Akıları Tanım: Moleküller birbiriyle temas halindeyken, ısı taşımasına denir. Kondüksiyon süreci maddenin 3 hali içinde geçerlidir. Yani katılar, sıvılar ve gazlar için ortamda rüzgar olsun veya olmasın geçerlidir. Bu tür ısı, genelde yerden atmosfere veya yeryüzünden yerin içlerine doğru görülür. Düşeyli taşınan dokunmatik (kondüksiyon) ısı miktarı: I z T kond. k z k: moleküler ısı iletkenlik katsayısı Deniz seviyesinde standart koşullarda, k 2.53x10-2 W. m -1. K -1 96

97 Atmosferde, gerek x (batı-doğu) ve gerekse y (güney-kuzey) yönlerinde, ısı iletkenliği ihmal edilecek kadar küçüktür. F x kond. F x y kond. x 0 97

98 Soru: 300 W m -2 ısı akısının, yerden 1 mm yukarıdaki atmosfere iletilmesi için ne kadar sıcaklık farkı gereklidir? Çözüm: Verilenler: I z kond. 300 W m-2, z 1 mm m; k 2.53x10-2 W. m -1. K -1 İstenen: T? o C T I zkond. k T I zz / k z 2 T (300Wm )(0.001m) / T 11.9 o C 2 Wm 1 K 1 Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Havanın temasta olduğu yerden, aşağı yukarı 12 o C daha soğuk olmalı ki bu kadar ısı iletilebilsin. Gerçek atmosferde bu sıcaklık farkı genel gözlemlenebilir bir durumdur. 98

99 Efektif Isı Akısı Genelde, atmosferde çalkantı (türbülans) ve kondüksiyon birlikte hareket eder. Çoğunlukla kondüksiyonla ısı taşınımı önemliyse türbülans önemsiz, tersi türbülans önemliyse kondüksiyon önemsizdir. Ancak, ikisi de önemliyse, yani birleştirilirse; Efektif yüzey türbülans ısı akısı elde edilir. F H C H. M. (θ yer - θ hava ) veya F H C H. M. (Τ yer - Τ hava ) M : 10 m deki ortalama rüzgar hızı büyüklüğü, T hava : 10 m deki hava sıcaklığı, T yer : yeryüzü sıcaklığıdır. C H : boyutsuz, yığınsal (bulk) ısı iletim katsayısı Düzgün yüzeyler üzerinde: 2x10-3 Orman ve düzgün-olmayan yüzeyler üzerinde: 2x

100 Yerden 1-2 km yukarıdaki atmosfer (troposfer) tabakasına, atmosferik sınır tabaka denir (ABL). Kuvvetli güneş ışınımın ve konveksiyonun olduğu sakin havalı bir günde, yükselen hava parselleri (termalleri) bu tabakada meydana gelir. Bu tür ABL tabakaya karışım tabakası (ML) denir. Bu durumda, yüzey akılar: F H b H. w B. (θ yer θ ML ) veya F H a H. w*. (θ yer θ ML ) θ ML : 500 m deki (ML nin ortasında) potansiyel sıcaklığı, a H : : karışım-tabaka taşınım katsayısıdır. w b : yükselen parsel (konvektif) hız ölçeği w*: Deardorff hızı (bir başka konvektif hız ölçeği) 100

101 Türbülans Isı Akısı F ztürb z F ztürb z.. F z üst 1.2 F z i z i H F z alt z i : ABL derinliğidir (200 m ile 2 km arasında değişir) 101

102 102 Radyatif Isı Akısı saat K z rad F y F x rad F z y x / ile. 0. NET ISI BÜTÇESİ Isı Gizli hava yoğuş. m t m C L z F sa K y T V x T U z T p v Türb z Rad Advek z y x ,,. / 0.1

103 GÖRÜNEN SICAKLIK TÜRLERİ 1. Rüzgar Soğuğu: T rüz T deri M + M M ( T T ) deri hava T deri : Vücut derisi sıcaklığı 33 o C M o : Ortalama bir insanın yürüme hızı 2 m /s 2. Hissedilen Sıcaklık veya Isıİndeksi 0 HI T RH T. RH T RH T 2. RH T. RH (T. RH) 2 RH: Bağıl nem T > -57 F ve T < 57 F için geçerlidir 103

104 Ünite 4 Doç. Dr. Hasan TATLI NEM 104

105 DOYMUŞ BUHAR BASINCI Buhar Basıncı: Hava bir gaz karışımı olduğundan, her bir gazın toplam basınca olan katkısına kısmi basıncı denir. Su buharı da bir gaz olduğundan, onun da kısmi basıncına buhar basıncı denir. e sembolü buhar basıncı temsil eder ve birimi Pa veya hpa, mb veya kpa dır. Doyma: Hava su buharını belli oranda kapsar, ancak belli bir eşik değerden büyük olan neme doymuş nem denir. Su buharının hava içindeki yoğunlaşması, sıvı sudan buhar fazına geçmesinden daha hızlıdır. Bu yoğunlaşma süreci, dengede seviyesindeki nemi (doyma noktası) daha aşağı bir seviyeye düşürmesini sağlar. Denge durumundan daha düşük seviyedeki nem oranlı havaya doymamış hava denir. Düz yüzeyler üzerindeki denge (doymuş) buhar basıncı değeri e s sembolü ile gösterilir. Doymamış hava için daima e < e s dir. Çok nadiren de olsa hava süper doymuş olabilir e > e s (ortam çok temiz, ortamda yağmur çekirdekleri, sıvı veya buz partikülleri yoktur). 105

106 Buharlaşma oranı, sıvı suyun sıcaklığına bağlıdır. Yoğunlaşma oranı ise havada bulunan neme bağlıdır. Denge durumunda ise bu 2 oran bir birine eşittir. Eğer sıvı suyun sıcaklığı artırılırsa, zamanla buharlaşma yoğunlaşmayı aşar ve havadaki su moleküllerin sayısı yeni bir denge noktasına ulaşıncaya dek artmaya devam eder. Böylece, denge nem miktarı sıcaklıkla artar. Sonuçta sıcak hava, soğuk havaya göre, denge noktasında, çok daha fazla su buharı içerir. Clausius-Clapeyron (klaysius-kleypiron diye okunur) denklemi sıcaklık ile doymuş buhar basıncı arasındaki bağıntıyı açıklar: e s e o exp L R v 1 T 0 1 T e o kpa T o 273 K R v 461 J. K -1. kg -1 L v /R v 5423 K: su yüzeyleri üzerinde, L d /R v 6139 K: buz yüzeyleri üzerinde. 106

107 Soru: T 21 o C deki doymuş buhar basıncını bulunuz? Çözüm: Verilenler: T 21 o C 294K T > 0 o C su yüzeyindedir. İstenen: e s? kpa e s e o exp L R v 1 T0 1 T e e s s ( kpa kpa ) exp (5423 K ) K K Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Deniz seviyesinde havanın ortalama basıncı kpa dır. Dolayısıyla, bu hava basıncının kabaca %2.5 inin su buharı basıncı olduğu söylenebilir. 107

108 Su ve buz yüzeylerinde doymuş buhar basıncı (e s ) e s( kpa ) Su yüzeyinde T( o C ) e s( kp a ) Su ve buz farkı Su ve buz yüzeyinde T( o C ) e s( kpa ) T( o C ) 108

109 Nem Değişkenleri 1. Karışma Oranı:Su buharı kütlesinin kuru hava kütlesine oranıdır. r ε ε e P e R d / Rv buharı / g su g r : kısmi su buharı basıncı oranın, havada geriye kalan diğer gazlara oranı olduğunu gösterir. Genelde birimi g/g olmasına karşın, g/kg gösterilmesi adettendir. 1. Özgül Nem: Su buharı kütlesinin nemli hava kütlesine oranıdır. q ε kuru P e hava 109

110 Nem Değişkenleri (devamı) 1. Mutlak Nem: Su buharının hava içindeki yoğunluğuna (ρ v ) denir. İdeal gaz denkleminde, hava basıncı P yerine su buharı basıncı e konulduğunda; ρ v e R T v e P ε ρ d (g/m 3 ) ρ d : Kuru havanın yoğunluğu kg/m 3 dir (deniz seviyesinde) ve ideal gaz denklemine göre yükseklikle, basınç ve sıcaklıkla değişir. 1. Bağıl Nem: e q ρ % RH e q ρ s s s r r s 110

111 Çiğ Noktası Sıcaklılığı Tanım: Sabit basınçta, havanın soğutularak (sıcaklığı düşültülerek) doymuş hale geldiğindeki sahip olduğu sıcaklığa denir, T d ile gösterilir. Ya Tablolardan veya e s eşitliğinde, e yerine e s konarak bulunur. Td 1 T 0 R L v ln e e 0 1 T 0 273K; e ; R v /L v K -1 Eğer eşitlikte L L d alınırsa; T d : donma-noktası sıcaklığıdır. Eğer T T d ise hava doymuştur denir. T d genelde T den küçüktür. T d : Çiğ-noktası higrometresi veya Sling Psikometre ile ölçülürler. 111

112 Sling Psikometresi 112

113 NEM DEĞİŞKENLERİ TABLOSU 113

114 Soru: Sıcaklığı 30 o C, basıncı 100 kpa ve bağıl-nemi %20 olan havanın çiğ-noktası sıcaklığını bulunuz. Çözüm: Verilenler: T 30 o C; P 100 kpa; RH % İstenen: T d? o C Nem Değişkenleri Tablosundan, e s kpa okunur. RH/100% e/e s e RH. e s (0.2)(4.367) kpa T d eşitliğinden veya Tablo dan, T d 5 o C bulunur. Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Görüldüğü gibi, sonuç P bağlı değildir. Bu oldukça kuru olan havanın sıcaklığı 25 o C azaltılırsa, yoğunlaşma başlayabilir. 114

115 Doyma Yüksekliği veya Yoğunlaşma Seviyesi Yüksekliği (LCL) Tanım: Doymamış bir hava parseli kuru-adyabatik olarak yükseltilirse, T T d olduğu seviyeye LCL seviyesi denir. Bu seviyede bulutlar oluşmaya başlar. Z LCL a(t-t d ) a km/ o C 115

116 Islak Hazne Sıcaklığı (T w ) Tanım: Eğer termometre haznesi, ıslak bir bez ile sarılırsa; sıcaklık kuru termometrye göre daha hızlı düşer. Çünkü soğumanın yanısıra, Gizli Buharlaşma ısısından dolayı sıcaklık düşüşü daha fazla olur. Islak-hazne depresyonu: Kuru-hazne termometre sıcaklığı ile ıslak-hazne termometre sıcaklıkları arasındaki farka denir (T-T w ). Nem Değişkenleri Ve Bağıntıları r q 1+ r ρv r ; ρ d ; q e r ε + r ρv ρ + ρ v d P 116

117 Ünite 5 Doç. Dr. Hasan TATLI DİNAMİK 117

118 BAZI KUVVETLER Kuvvetler ile rüzgarlar arasındaki bağıntılar, Atmosfer Dinamiği olarak adlandırılır. Basınç, sürtünme ve adveksiyon yatayda etkili olan belli başlı kuvvetlerdir. Diğer tarafta, görünen (hayali) kuvvetler dünyanın dönüşü ve rüzgarın bir eğri etrafında dönüşünden meydana gelirler. 118

119 Newton un İkinci Hareket Yasası 1. Lagrange Momentum Bütçesi 2. Euler Momentum Bütçesi Newton un 2. yasası Bir m kütleli hava parseli üzerine etki eden vektörel bir F kuvveti, cisme uygulanan kuvvet yönünde a büyüklüğünde ivme kazandırır. r r v ( m v) F m a m t t mv momentum denir. Böylece, momentumun zamanla değişimine Lagrange momentum bütçesi denir. 119

120 Soru: Duran bir 1500 kg kütleli araba, 9 saniye içinde güney yönünde 27 m/s hıza kavuşuyor. a) Ortalama ivmeyi, b) Araba etki eden kuvveti bulunuz. Çözüm: Verilenler: V 1 0 m/s; V 2 27 m/s t başlangıç 0, t son 9 s; yön Güney ve m 1500 kg. İstenen: a? ms -2 ve F? N. İvme ve kuvvet tanımından; a v / t ve F (mv)/t a) a (V 2 V 1 )/t) (27-0) /9 3 m s -2 Güneye b) F ma (1500 kg)(3 ms -2 ) 4500 N Hatırlatma 1 N 1kg m s -2 dir. Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. 120

121 EULER Momentum Bütçesi Bir kasaba veya göl üzerinde rüzgar tahmin edilmek istenirse; sabit bir nokta için; doğusu x-ekseni, kuzeyi y-ekseni ve yukarısı z-ekseni olmak üzere bir kartezyen koordinat tanımlanır. Bu durumda; yatay rüzgar hızları (U ve V olarak adlandıracağız) verilen denklemler ile tahmin edilirler. U t V t F F x x m m net net Fx U ( t + t) U ( t) + m Fy V ( t + t) V ( t) + m t t HAREKET DENKLEMLERİ 121

122 KUVVETLER Adveksion : AD Basınç Gradyan Kuvvet : PG Coriolis kuvvet: CF Turbülans-sürükleme (sürtünme) kuvvet: TD F x F x AD + F x PG + F x CF + F x TD F y F y AD + F y PG + F y CF + F y TD 122

123 Adveksiyon Terimi F x AD U U V U m x y F y AD U V V V m x y 123

124 Basınç Gradyanı Kuvveti F F x m y PG m PG 1 ρ 1 ρ P x P y PG P yüksek uzaklık P alçak Y A PG 124

125 İzobarlar birbirinden ne kadar uzaksa PG o oranda küçük; Birbirine ne kadar yakın ise PG o oranda büyük olur. Y A PG Y A PG 125

126 Aşağıdaki yüzey basınç haritasında basınç gradyanı kuvvetlerini verilen noktalarda inceleyiniz. 126

127 Coriolis Kuvveti f c 2 Ω sin( ϕ ) 2Ω s 1 (2 Dünyanın açısal hızı) ϕ : Enlem Derecesi Coriolis kuvveti, hayali bir kuvvettir. Rüzgar hızına dik etki eder. Kuzey Yarıkürede sağ tarafta, ancak Güney Yarıkürede sol taraftadır. Rüzgar Rüzgar Kuzey Yarıküre F CF Doğu F CF Güney Yarıküre 127

128 Uçağın Rotası 128

129 Bir Hava Parselin Yönü Rüzgar Rüzgar Rüzgar Parsel başlangıçta hareketsiz 129

130 Coriolis Kuvvetin Hesabı F x m CF f c V F y m CF f c U Rüzgar yoksa F CF olmaz. Ekvatorda F CF 0 çünkü f C 0 dır. Coriolis kuvveti rüzgarın hızına etki etmez, sadece yönünü değiştirir. 130

131 Soru: U 10 m/s ve φ 35.2 o N olan yerdeki Coriolis kuvvetini bulunuz. Çözüm: Verilenler: U 10 m/s; φ 35.2 o N İstenen: F y CF /m? ms -2 Önce Coriolis parametresi f C yi bulalım. f C (1.458x10-4 s -1 ). sin(35.2 o ) 8.4x10-5 s -1 F y CF / m -(8.4x10-5 s -1 )(10 m/s) -8.4x10-4 m s -2 Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. İşaretin (-) eksi olması, kuvvetin kuzeyden güneye olduğunu gösterir. 131

132 Jeostrofik Rüzgar RÜZGARLAR Tanım: Eğer izobarlar paralel doğrular şeklindeyseler ve sadece 2 kuvvet etkiliyse (yani, F PG ve F CF ) oluşan rüzgara denir. F GF ve F CF bu şartlarda: büyüklükleri aynı fakat zıt yönlü kuvvetler olurlar. Jeostrofik rüzgar, her zaman izobarlara (izobarik harita yükseklik çizgileri) paralel eser. 132

133 500 mb kartını inceleyerek, haritanın hangi bölgelerinde akışların Jeostrofik olduğunu belirleyiniz. Ne zaman ki akış yaklaşık olarak düz çizgiler boyunca paralel akıyorsa, bu akışa Jeostrofik rüzgar denir. Soru: Jeostrofik rüzgarın büyüklüğünü ne belirler? 133

134 134 Jeostrofik akışın büyüklüğü Jeostrofik Rüzgar x P f V y P f U y P U f x P V f c g c g c c + ρ ρ ρ ρ Basınç Gradyanı Coriolis

135 Soru: Eğer basınç 500 km lik bir mesafede doğuya doğru 1 kpa artıyorsa, Jeostrofik rüzgarları bulunuz? (ρ 1kg/m 3 ve f c 10-4 s -1 alınız). Çözüm: Verilenler: P 1 kpa, x 500 km İstenen: U g? m/s ve V g? m/s Basınç değişimi yatay ve sadece doğu yönünde (x-ekseni boyunca) olduğundan, P /y 0 > U g 0 m/s V g 1/[(1 kg/m 3 ). (10-4 s -1 )]. [(1 kpa)/(500 km)] 20 m/s Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Pay ve paydada bulunan kilo birbirini götürür. Yani kpa/km P /x

136 136 Önemli Not: Eğer yeryüzünde değil de, yükseklik haritalarında Jeostrofik rüzgar değerleri bulunmak isteniyorsa; bu durumda z: basınç seviyesinde, yükseklik kontur farklarını, g : yerçekimi ivmesini (9.8 m s -2 ) ve gz : φ Jeopotansiyel yüksekliği temsil etmek üzere, Jeostrofik rüzgar bileşenleri aşağıdaki denklemler ile hesaplanır. x f x z f g V y f y z f g U c c g c c g + + φ φ 1 1

137 Buy Ballot Kuralı: Kuzey yarkürede sırtımızı, rüzgarın estiği yönde olacak duracak olursak, solumuzda alçak basınç sağımızda ise yüksek basınç bulunur. Alçak Basınç F PG Jeostrofik rüzgar F PG Yüksek Basınç 137

138 Gradyan Rüzgar 138

139 Yüksek ve alçak basınç merkezleri civarında, daimi rüzgar kuzey-yarıkürede, solunda alçak basınç kalacak şekilde, eğrisel izobarları takip eder. 1)Alçak basınç civarında, rüzgar Jeostrofik rüzgardan daha yavaş eser, 2)Yüksek basınç civarında ise, rüzgar Jeostrofik rüzgardan daha hızlı eser. Bu eğrisel daimi rüzgara gradyan rüzgar denir. 139

140 140 Gradyan rüzgarın hesabı (Siklonik akış) + + R f G R f M c c r Siklonik akış) (Anti R f G R f M c c r [ ] büyüklüğü) rüzgarın (Gradyan 2 1 / 2 2 r r r V U M +

141 Gradyan rüzgarın Rossby Sayısıİle Bağlantısı M M r r Ro eğ G (Eğrisel Rossby Sayısı) f R c G 4 2 Ro eğ eğ G 4 2 Ro [ Ro ](Siklonik akış) eğ [ 1 1 Ro ](Anti-Siklonik akış) eğ 141

142 Gradyan Rüzgarın Önemli Özellikleri 1 Yüksek Basınç Merkez civarında - - > Roeğ 4 Kısıt 1: Anti-siklonlar (yüksek basınç) civarında, basınç merkezin dışına doğru hızlı bir şekilde düşmez. Kısıt 2: Siklonlar (alçak basınç) civarında, bu tür bir kısıt gereksizdir. Rossby sayısının herhangi değeri için gradyan rüzgar geçerlidir. Sonuç Basınç gradyanı ve rüzgar yüksekler civarında hafif-yavaş ve izobarlar ani kırıklar şeklinde değişmezlerken; alçaklar civarında çok daha kuvvetli-hızlıdır. 142

143 Soru: Bir alçak basınç merkezi civarındaki jeostrofik rüzgar hızı 10 m/s, f c 10-4 s -1 ve R 500 km eğrilik yarıçapı için gradyant rüzgarı ve Ro eğ değerini hesaplayınız. Çözüm: Verilenler: G 10 m/s, R 500 km, f c 10-4 s -1 İstenen: M r? m/s ve Ro eğ? (boyutsuz) M M r r Ro eğ 0.5 f R G f R (10m / s) 0.5 (10 s ) (500000m) (10 s )(500000m) G (10m / s) Roeğ f R (10 s ) (5 10 m) c c c 8.54m / s Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Küçük rossby sayısı, akışın jeostrofik dengede olduğunu gösterir. Gradyant rüzgar ise, buradaki alçakta, jeostrofik rüzgardan 143 daha yavaş esmektedir.

144 144 HAREKETİN TAM DENKLEMLERİ Ajeostrofik Rüzgar (Jeostrofik fark) Türbülans Fark Jeos. Adveksiyon Tandans + + g ag g ag i T g c i T g c V V V U U U z V w U U f y V V x V U t V z U w V V f y U V x U U t U ) ( ) (

145 KÜTLENİN KORUNUMU DENKLEMİ Euler yaklaşımına göre, sabit bir hava hacimine giren moleküllerden, bu sabit hacimden çıkan moleküllerin farkı, bize bu sabit hacimde kütlenin değişimini anlatır. Kütlenin dengesini açıklayan denkleme SÜREKLİLİK DENKLEMİ (kütlenin korunum denklemi) denir. Süreklilik denklemi, birim hacmin kütlesi (yoğunluk) ρ kg/m 3 cinsinden aşağıdaki gibi yazılabilir. ρ t ρ U x + V y + W z 145

146 SIKIŞTIRILAMAZ SÜREKLİLİK DENKLEMİ Süreklilik denkleminde, akışkan sıkıştıralamaz ise, yoğunluğun zamanla değişimi sıfır olur. ρ/t 0 U x + V y + W z 0 olur. 146

147 Ünite 6 Doç. Dr. Hasan TATLI GENEL DOLAŞIM 147

148 ATMOSFERİK SİRKÜLASYON (DOLAŞIM) Uzun bir periyod içerisinde atmosferin ortalama hareketine atmosferik sirkülasyon denir. Atmosferdeki bu hareketin en önemli sebebi, Ekvator bölgesinin aşırı derecede ısınması ile kutup bölgelerinin aşırı derecede soğumasıdır. Bu iki bölge arasındaki sıcaklık farkından dolayı, atmosferik sirkülasyon oluşmaktadır. Atmosferik sirkülasyon her ne kadar termik nedenlerle doğmuş olsa da, Dünyanın dönmesi ve yer yüzeyinin homojen olmaması nedeniyle, birçok dinamik faktörlerin ve diğer bazı faktörlerin bir araya gelmesiyle çok daha karışık bir durum arz ermektedir. Atmosferdeki hava hareketleri devamlılık yönünden iki bölüme ayrılır. Bazı hava hareketleri gelip-geçicidir. Uzun süre devam etmezler. Bu tür hava hareketlerine tali veya geçici sirkülasyon sistemleri denmektedir. Bazı hava hareketleri de belirli yerlerde ve yönlerde hemen hemen devamlı olarak bulunurlar. Bu tür hava hareketlerine de atmosferin genel sirkülasyonu denir. 148

149 Atmosferin Genel Sirkülasyonunu Etkileyen Faktörler a) Dünyanın dönmesi: Dünyanın dönmesinden dolayı koriyolis kuvveti denen bir kuvvet meydana gelmektedir. Bu koriyolis kuvveti hava hareketlerine etki ederek onları saptırmaya çalışmaktadır. Bu yüzden kuzey yarım kürede, ekvatordan kutuplara doğru giden hava akımları sağa doğru saparlar. Güney yarım kürede ise hava akımları sola doğru saparlar. b) Mevsimlerin etkisi: Yer yüzeyindeki basınç ve rüzgar kuşakları mevsimlik değişikliklere uyarak, yaz aylarında kuzeye, kış aylarında ise güneye doğru kaymaktadır. Böylece kuşaklar arasında kalan bazı bölgeler, yazın bir rüzgar ve basınç sisteminin kışın ise başka bir rüzgar ve basınç sisteminin etkisi altında kalır. Basınç ve rüzgar kuşaklarının bu mevsimlik kayması, güneşin görünüşteki hareketini yaklaşık olarak bir-iki aylık bir gecikmeyle takip eder. 149

150 c) Kara ve denizlerin etkisi: Karalar ve denizlerin farklı ısınması yüzünden basınç ve rüzgar kuşaklarında önemli değişmeler meydana gelmektedir. Güney yarım kürede karalar az olduğu için basınç ve rüzgar kuşakları pek değişime uğramazlar. Kuzey yarım kürede orta enlemlerinde ise bu kuşaklar düzenini kaybederler. Denizler yazın karalara göre daha serindir. Bu termik nedenle, yüksek basınç kuşaklarının denizler üstündeki bölümü yazın daha güçlü ve geniş antisiklon çekirdeklerini oluştururlar. Karalar ise yazın fazla ısındığından, termik alçak basınç merkezleri haline gelirler. Kışın ise durum bunun tam tersidir. 150

151 Genel Sirkülasyon Teorileri (EK te verilen Ders notunda okuyunuz) 151

152 Meridiyonal Sıcaklık Gradyanı Yer seviyesinde, Ekvatordaki hava sıcaklığı kutup bölgelerine göre sıcaktır. Bu durumu, yıllık olarak, her enlem dairesi boyunca sıcaklıkların ortlamasını alırsak daha net görebiliriz. Böylece, enlem-derecesine bağlı meridiyonal sıcaklık değişimini elde etmek mümkün olabilir. T ϕ deniz : seviyesi enlem a + b derecesi; sin 2 ϕ cos a -12 o C; b 40 o C ϕ b: Ekvator ile kutuplar arasındaki sıcaklık farkını gösterir, dolayısıyla b 40 K de yazılabilir. 152

153 Eğe yukarı atmosferdeki sıcaklık hesaplanması istenirse, Denklemlerde biraz önce verilen b lere b1 dersek, yeni b : T y b c [ ] 3 2 sin ϕ cos ϕ ϕ : enlem derecesi; b 40K; c km 1 b b1 1 z z T o b1 40 C ve z yerden olan yükseklik; z T 11 km ortalama troposfer kalınlığıdır. 153

154 Soru: 45 o N enleminde ve yer seviyesindeki sıcaklık ve sıcaklık gradyanını hesaplayınız. Çözüm: Verilenler: Enlem 45 o N İstenen: T? o C ve T/y? o C /km T yer T y 12 o C ( o o C o C ) ( C + / (40 km o C ) ) + sin 2 45 o cos 45 [ sin 45 cos 45 ] 3 o 2 o 3 o Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Kuzey yarı kürede sıcaklık kuzeye doğru (kutuplara) azalır; gradyanın (-) negatif işaretli olması bu durumu gösterir. 154

155 155 Termal Rüzgar 2 farklı seviyedeki Jeostrofik rüzgar arasındaki farka Termal Rüzgar denir. kalınlık. : p p c g g T c g g T z z z x z f g V V V y z f g U U U +

156 Soru: Bir noktadaki kpa tabakanın kalınlığın 2.9 km ve aynı noktanın 500 km doğusunda ise 3km olduğunu varsayarak; termal rüzgar bileşenleri bulunuz (f c 10-4 s -1 alınız). Çözüm: Verilenler: Güney-kuzey kalınlık gradyanını yok kabul ediyoruz. z km, z 2 3km, x 500 km, f c 10-4 s -1 İstenen: U T? m/s ve V T? m/s Kuzey-güney gradyanıolmadığından, V T g f c 19.6m / Ka x s 9.8ms 4 10 s 2 1 (3 2.9) km (500km) U T 0 m/ s Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma:Termal rüzgarın (+) pozitif olması, güneyden-kuzeye olduğunu gösterir. 156

157 JET AKIMLARI Baroklinite (yani, küzey-güney sıcaklık gradyanı) atmosferin tepesindeki, batıdan-doğuya olan rüzgarları yönetir. Kutuplar üzerinde tropozun ekvatora göre daha sığ seviyede olması, ekvator üzerindeki stratosferde sıcaklıkların kutuplara göre daha soğuk olmasını doğurur. Bu duruma sıcaklık alanı denir. Eğer termal rüzgar eşitlikleri aynı bölgelere uygulanırsa, basınç alanları oluşur. Ekvator ve kutuplar üzerindeki farklı kalınlıktan dolayı, basınç yüzeylerinin orta enlemlerde fazlaca eğilmesine neden olur. Tropozun yukarısında ise bu eğilme tersine döner, çünkü kuzey-güney sıcaklık gradyanı tersine çalışır. Eğimlerin fazla olması, çok daha fazla basınç gradyanı kuvvetine işaret eder. Dolayısıyla, jeostrofik rüzgarların kuvvetlenmesi demektir. Orta-enlemlerde oluşan- çok kuvvetli- tropopoz seviyesindeki bu batılı rüzgarlara Jet Akımları denir. 157

158 İzoterm İzobar Kuzey Yarıkürede Atmosferin Düşey Kesiti: Koyu noktalı çizgiler Tropopozu ve cephesel bir bölgeyi temsil eder. c şeklindeki rüzgar yönü sayfa içerisine doğrudur. İzotah (eş hız) 158

159 Vortisiti (Çevrinti) Bağıl Vortisiti ( ζ r ) (ksi okunur): Düşey bir eksen etrafında, bağıl olarak dünyanın dönüşüne göre dönen bir akışkanın dönüşünün ölçüsüdür. Dönüş saat ibreleri tersi yönünde ise ζ r pozitiftir. Vortsitinin birimi saniyenin tersidir. Aşağıda verilen 2 tanım eşdeğerdedir: ξ r V x U y U ve V: sırasıyla batılı ve güneyli rüzgar bileşenleri, R: Yörüngenin eğrisel yarıçapı, ξ r M n + M R M: Rüzgar hızının büyüklüğü, n: Eğrilik merkezine yönelmiş yöndür. 159

160 Vortisitinin anlamı: R n Rüzgar kayması bağıl vortisitiye neden olur. Saat ibresinin tersi yönde bir dönüş pozitif vortisitiye işaret eder. (a) U/y negatiftir. (b) V/x pozitiftir. 160

161 Mutlak Vortisiti Sabit bir yıldıza göre Voritisiti hesaplanırsa, yani bağıl vortisitiye dünyanın dönüşü de eklendiğinde mutlak vorstisiti elde edilir. ζ a ζ r + f c f c 2Ωsinϕ : dünyanın vortisitisi 2Ω : x 10-4 s -1 Potansiyel Vortisiti Mutlak vortisitin dönen hava sütunun derinliğine bölünmesiyle elde edilir. ξ p ξ + f r c sabit (birimi : m s z 1 1 ) 161

162 Ünite 7 Doç. Dr. Hasan TATLI OPTİK 162

163 IŞIN GEOMETRİSİ Işınların buz kristalleri veya havadaki yağmur damlaları ile olan etkileşemine atmosferik optik denir. Geliş Işınlar, tek tür olmayan bir ortam içinde, düz doğrular şeklinde hareket ederken; yansıma ve kırılma ve saçılma optik olayları meydana gelir. Kırılma Yansıma θ 1 θ 3 sinθ sinθ n 1 2 c Hava : Su c c 1 2 Normal θ 1 θ 3 n n 2 1 θ 2 (Snell Kırılma Yasası) Yansıma 0 5 i : Kırılma indisi, c km / c 163 i s

164 Atmosferde çok sayıda optik olay meydana gelir. Açık havada gökyüzü mavi, ufuk ise süt beyazdır. Gündoğumu ve günbatımında göyüzü pembe, kırmızı, turuncu ve morun parlak renklerini içeren bir görünüm kazanır. Gece, yıldızlardan, gezegenlerden ve aydan gelen ışık dışında göyüzü karanlıktır. Gece boyunca ayın büyüklüğü ve renkleri değişir. Gece yıldızlar sürekli olarak göz kırpıyormuş gibi görünürler. Tüm bunları anlayabilmek için güneş ışığının atmosferle olan etkileşiminin yakından incelenmesi gerekmektedir. RENKLER Atmosfere ulaşan güneş radyasyonunun yaklaşık yarısı görünür ışık formundadır. Güneş ışığı atmosfere girdiğinde absorbsiyon, yansıma ve saçılmaya uğrar ya da her hangi bir engelle karşılaşmaksızın yoluna devam eder. Yeryüzündeki cisimlerin gelen güneş enerjisine karşı davranışları, gelen ışığın dalga boyuna ve bu cisimlerin renk, yoğunluk, 164 bileşim vb. özelliklerine bağlıdır.

165 Görme olayı: Elektromanyetik dalgaların gözümüzün retina tabakasındaki sinir uçlarını uyarması sonucu gerçekleşir. Çünkü retina gözün ışığa duyarlı tabakasıdır. Retina görme alıcılarına sahiptir. Bu alıcılar iki tip olup koni ve basil olarak adlandırılır. Basil (Çomak veya Çubuk) alıcılar cismin şeklinin algılanmasını sağlar ve görünür ışığın tüm dalga boylarına duyarlıdırlar; aydınlığı karanlıktan ayırmamızı sağlar. Eğer retina yalnızca basil tipi alıcılara sahip olsaydı doğayı yalnızca siyah ve beyaz olarak algılayacaktık. Koni tipi alıcılar da (basiller gibi) görünür ışığın tüm dalga boylarına karşı duyarlıdır µm arasındaki dalga boylarına karşı gelen güneş radyasyonu koni tipi alıcılar tarafından sinir sistemi yoluyla bir impuls şeklinde beyne iletilir. Bu impulsu renk duyusu olarak algılarız. 0.4 µm den daha kısa veya 0.7 µm den daha uzun dalga boyları insan gözü için renkli görme yetisini harekete geçiremez. 165

166 BULUTLAR VE SAÇILMA Gelen güneş ışınlarının bir yüzeye çarptıktan sonra, geliş açısına eşit bir açıyla yüzeyden uzaklaşması yansıma olarak adlandırılır. Çeşitli atmosferik elemanlar (hava molekülleri, bulutlar vb.) güneş radyasyonunu ilerleme doğrultusundan saptırır ve bütün yönlerde yansımasına neden olurlar. Bu olay saçılma olarak adlandırılır. Saçılma süreci, ortamda her hangi bir enerji kaybı ya da kazanımına neden olmaz. Dolayısı ile saçılma süreci esnasında sıcaklık değişmez. Saçılmaya genellikle hava molekülleri, küçük toz parçacıkları, su molekülleri ve çeşitli kirleticiler gibi çok küçük boyutlu maddeler neden olur. Çok küçük de olsalar bulutlar optik olarak kalındır. Bu, bulutların önemli miktarda güneş ışığını saçılmaya uğratacağı; diğer bir deyişle güneş ışınlarının saçılmaya uğramadan bulutu geçmesi olasılığının çok zayıf olduğu anlamındadır. Bulutlar aynı zamanda güneş ışığının zayıf absorblayıcısıdırlar. Dolayısı ile bir buluta baktığımızda, sayısız bulut damlacıklarının görünür güneş ışığını bütün dalga boylarında her yönde 166 saçılmaya uğratması nedeniyle beyaz olarak görünürler.

167 167

168 Bir bulut büyüdükçe yansıttığı güneş ışığının yüzdesi artarken, geçirdiği güneş ışığının yüzdesi azalır. Bulutun tabanına çok az güneş ışığı ulaştığından, saçılma da çok az olacak ve bulut tabanı karanlık görünecektir. Bulut tabanına ulaşan az miktardaki görünür ışık saçılmaktan ziyade absorblanır ve bulut tabanının daha karanlık görünmesine neden olur. Bu, halk arasında kara bulut olarak adlandırılan bulutların neden genellikle yağışa yol açtığını da açıklamaktadır. 168

169 PUS VE GÖKYÜZÜ Mavi renk duyusunu yaratan ışığın retinaya ulaşması sonucu gökyüzünü mavi olarak görürüz. Hava moleküllerinin büyüklüğü, bulut damlacıklarından ve görünür ışığın dalga boyundan çok daha küçüktür. Her bir O 2 ve N 2 molekülü seçici saçıcıdırlar. Bu moleküller görünür ışığın kısa dalga boylarını, uzun dalga boylarına göre daha etkin olarak saçılmaya uğratırlar. Bu seçici saçılma olayı Rayleigh saçılması olarak adlandırılır. Değişik saçılma tipleri aşağıdaki Tablo da verilmiştir. Parçacık Tipi Parçacık Çapı (µm) Saçılmanın Tipi Gözlenen Olay Hava molekülleri Rayleigh Mavi gökyüzü, kırmızı günbatımı Kirleticiler Mie Kahverengimsi smog Bulut damlacıkları Geometrik Beyaz bulutlar 169

170 Güneş ışığı atmosfere girdiğinde mor, mavi ve yeşil gibi görünür ışığın kısa dalga boyları, sarı, turuncu ve özellikle kırmızı gibi uzun dalga boyundaki ışığa göre daha fazla saçılmaya uğrarlar. Rayleigh saçılmasının şiddeti, λ dalga boyu olmak üzere 1/λ 4 şeklinde değişir. Dolayısı ile mor ışık kırmızı ışıktan 16 kat daha fazla saçılır. Gökyüzüne baktığımız zaman, görünür ışığın mor, mavi ve yeşil dalga boylarındaki saçılmış ışık bütün yönlerde gözümüze ulaşır. Bu dalga boylarındaki saçılmış ışığın birlikte oluşturduğu etki mavi ışık olarak algılanır. Bu nedenle gökyüzü mavi olarak görünür. Dünyamız renkli gökyüzüne sahip tek gezegen değildir. Örneğin toz fırtınaları nedeniyle Mars, öğle vakti kırmızı, günbatımında ise mor bir renk alır. 170

171 Hava molekülleri ve çok küçük parçacıklar tarafından mavi ışığın seçici saçılımı, uzaktaki dağların mavi görünmesine neden olabilir. Bazı yerler (bu yerler insan kaynaklı hava kirliliğinden uzak yerlerde olabilir) mavi pus ile örtülmüş olabilir. Mavi pus bazı özel süreçlerin sonucu olarak meydana gelmektedir. Bitkiler tarafından ozonla etkileşebilen son derece küçük partiküller (hidrokarbonlar) atmosfere bırakılır. Bu etkileşim, mavi ışığı seçici olarak saçan küçük parçacıkların (0.2 µm çapında) oluşmasına neden olur. Atmosferde asılı haldeki toz ve tuz gibi küçük parçacıkların konsantrasyonu arttıkça gökyüzünün rengi de maviden süt beyaza doğru değişir. Bu parçacıklar boyutça çok küçük olmalarına karşın, görünür ışığın bütün dalga boylarını her yönde ve eşit bir şekilde saçılmaya uğratacak kadar büyüktürler (geometrik saçılma). Görünür ışığın bütün dalga boyları gözümüze ulaştığı için gökyüzü beyaz görünür, görüş uzaklığı düşer. Bu olay pus olarak adlandırılır. 171

172 Eğer nem yeterince yüksek ise çözünebilir parçacıklar (çekirdekler) gittikçe büyüyecek ve pus partikülleri haline gelecektir. Bu nedenle gökyüzünün rengi, atmosferde ne kadar asılı madde olduğu hakkında bir fikir verir. Örneğin, ne kadar çok asılı madde varsa, saçılma da o kadar fazla olacak ve gökyüzü daha beyaz görünecektir. Asılı parçacıkların önemli bir kısmı yere yakın olduğundan, ufuk beyaz renkte görünür. Eğer bir dağın tepesinde isek, asılı parçacıkların önemli bir kısmı, bulunduğumuz seviyenin altında kalacağı için gökyüzü koyu mavi bir renkte görünür. Pus, güneş doğarken veya batarken ışığı saçar. Bunun sonucunda güneş ışığını daha parlak bir renkte görürüz (crepuscular rays). Benzer görüntü güneş ışınlarının bulutların arasında kalan açıklıklardan geçmesi durumunda da ortaya çıkar. 172

173 GÜNEŞ VE AYIN RENKLERİ Güneş öğle vakti parlak beyaz, oysa günbatımında sarı, turuncu veya kırmızı bir renkte görünür. 173

174 GECE YILDIZLARIN GÖRÜNÜŞÜ Bilindiği gibi daha yoğun bir ortama giren ışığın hızı azalır. Eğer ışık ortama bir açıyla girerse, ilerleme doğrultusunu değiştirir, bu olaya kırılma denir. Kırılma miktarı iki faktöre bağlıdır: Ortamın yoğunluğu ve ışığın bu ortama giriş açısı. Az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama giren ışığın hızı azalır ve normale yaklaşır; tersi durumda ise hızı artar ve normalden uzaklaşır. 174

175 SERAP OLAYI Atmosferde bir nesnenin gerçek konumuna göre yer değiştirmiş gibi görünmesine serap denir. Serap, bir hayal ürünü değildir. Bu olayda bizi yanıltan zihnimiz değil, atmosferdir. Atmosferdeki seraplara ışığın farklı yoğunluktaki hava katmanlarından geçmesi ve kırılması neden olur. Bu tür belirgin yoğunluk değişimleri hava sıcaklığındaki belirgin değişimlerin bir sonucudur. Sıcaklıktaki değişim ne kadar fazla ise ışığın kırılması da o kadar fazla olur. Örneğin sıcak ve güneşli bir günde, asfalt yollar önemli miktarda güneş enerjisi absorblar ve aşırı derecede ısınırlar ve yol yüzeyi ile temas halindeki havayı kondüksiyonla ısıtırlar. Ancak hava zayıf bir termal iletken olduğu için, bu yolla ısı iletimi yüzeye yakın bir tabaka ile sınırlı kalır. Dolayısı ile daha serin hava yerden biraz daha yukarıdadır. Sıcak günlerde bu yollar ıslakmış gibi görünür 175

176 Yer yakınıdaki havanın yukarı seviyedeki havadan daha sıcak olması durumunda, cisimler bulundukları konumdan daha aşağıda ve (sıklıkla) ters dönmüş olarak görünürler. Bu tür seraplar alçak seraplar olarak adlandırılır. Aşağıdaki verilen şekildeki ağacı dikkate alalım ve bu ağacı neden ters dönmüş olarak gördüğümüzü açıklamaya çalışalım. Yüzey üzerindeki sıcak ve az yoğun havaya giren ışık ışınları yukarı doğru kırılır ve gözümüze aşağı seviyelerden (yer seviyesinden) gelerek ulaşırlar. 176

177 Serap olayları yalnızca çok sıcak bölgelerde değil, çok soğuk bölgelerde de meydana gelir. Kutup bölgelerinde, karla örtülü alanların üzerindeki hava, daha yukarılardaki havaya göre çok soğuktur. Soğuk hava çok daha yoğundur dolayısı ile uzaktaki nesnelerden gelen ışık normale yaklaşarak kırılır. Bunun sonucunda uzaktaki nesne gerçek konumundan daha yukarıda görünür. Bu tip seraplar yüksek seraplar olarak adlandırılır 177

178 HALE, PARHELIA VE IŞIKLI KOLON Güneş veya ayın etrafında görülen dairesel ışıklar hale olarak adlandırılır. Bu görüntü, güneş ya da ay ışıklarının buz kristalleri içinden geçerken kırılması nedeniyle oluşur. Bundan dolayı halenin görülmesi sirüs türünden bulutların varlığına işaret eder. En yaygın görülen hale, 22 o yarıçaplı haledir, buna küçük hale denir. Bu haleler, çok küçük buz kristallerinin (çapı 20 µm den küçük) varlığında meydana gelirler. 46 o yarıçaplı hale (büyük hale) durumunda da kolon tipindeki buz kristalleri sözkonusudur. Ancak bu durumda buz kristallerinin çapı µm arasında değişir. 178

179 Eğer güneş ufka yakın bir konumda ise gözlemci ve buz kristalleri aynı yatay düzlemde bulunurlar. Böyle bir durumda gözlemci, güneşin her iki tarafında dışa doğru incelen, parlak renklerden oluşmuş bir ışık demeti görür. Bu optik oluşum parhelia (sundog) olarak adlandırılır. Parheliada güneşe yakın renk (en az bükülen) kırmızı; uzak olan renk ise (daha fazla bükülen) mavidir. 179

180 GÖKKUŞAĞI Gökkuşağı, gökyüzünün bir kısmında yağmur, diğer kısmında güneş varken görülen yaygın bir optik olaydır. Bu olay havaya püskürtülen spreylerde, su fıskiyelerinde ve çağlayanlarda sıklıkla görülür. Gökkuşağını görebilmek için, güneş arkamızda olacak şekilde yağışın olduğu tarafa bakmamız gerekir. 180

181 KORONA, GLORİ VE HEILIGENSCHEIN Küresel su damlacıklarından oluşmuş ince bulutların arkasında ayı çevreleyen ışıklı görünüm korona olarak adlandırılır. Korona güneşin etrafında da oluşur, ancak güneşin parlak ışıklarından dolayı farkedilmesi zordur. Korona: Işığın difraksiyonu sonucu oluşur. Difraksiyon: Işığın bir engelin etrafından geçerken bükülmesi şeklinde tanımlanır. Su dalgalarının küçük bir havuza bırakılan taşın etrafındaki davranışını dikkate alalım. Dalgalar taşın etrafında yayılırken, birinin çukuru diğerinin tepesi ile üst üste gelebilir. Bu durumuda dalgalar birbirlerini sönümlendirir, dolayısı ile bu kısımlarda su yüzeyi sakindir. Dalgaların bu türden girişimi sönümlendirici girişim olarak adlandırılır. Diğer taraftan iki dalga tepesinin üst üste binmesi durumunda daha büyük bir 181 dalga meydana gelir, bu da şiddetlendirici girişim olarak adlandırılır.

182 Işık küçük su damlacıklarının etrafından geçerken benzer olaylar meydana gelir. Işık ışınlarının şiddetlendirici girişiminde daha parlak ışık, sönümlendirici girişiminde ise ortam karanlıktır. Korona bazı durumlarda beyaz, bazı durumlarda ise renkli görünebilir. Bulut damlacıkları üniform boyutta olduğu zaman korona renkli görünür. Difraksiyon nedeniyle olan bükülme ışığın dalga boyuna bağlı olduğu için, kısa dalga boylu ışık (mavi) koronanın iç kısmında, uzun dalga boylu ışık (kırmızı) ise dış kısmında yer alır. Yeni oluşmuş bulutlar, örneğin ince As (Alto-stratus) ve Ac (alto-kümülüs) korona oluşumu için en uygun bulutlardır. Bulut damlacıklarının üniform olmaması durumunda koronanın görünüşü oldukça düzensizdir. Bulutun görünüşü pembe, mavi veya yeşilin pastel tonlarından oluşmuş renkli yamalar şeklindedir. Işığın difraksiyonu sonucu oluşan bu parlak görünüm sedeflenme olarak adlandırılır. 182

183 Korona gibi glori de difraksiyon olayının bir sonucudur. Bir uçağın, 50 µm den daha küçük damlacıklardan oluşan bir bulut tabakasının üzerinde uçarken, uçağın gölgesinin etrafında oluşan renkli halkalar glori olarak adlandırılır. Sırtımız güneşe dönükken bir bulut ya da sis tabakasına baktığımızda, su damlalarının gölgesi etrafında parlak ışık halkaları görülebilir. Glori oluşumunda ışık aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi damlaya üst kısımdan girerek, önce kırılmaya daha sonra da damlanın (ışığın geliş yönüne göre) arka kısmı tarafından yansımaya uğratılır. Damlanın alt kımından çıkan ışık bir kez daha kırılmaya uğrar. Bununla birlikte ışığın gözlerimize ulaşması için, çok kısa bir mesafe boyunca yüzey dalgası şeklinde damlanın kenarından bükülmesi gerekir. Damlaların kenarlarından gelen ışığın difraksiyonu glori olarak görmüş olduğumuz ışık halkalarını meydana getirir. 183

184 Çimenler üzerinde eğer çiğ oluşmuş ise güneşli sabah saatlerinde ilginç bir optik olayı gözlemek mümkündür. Sırtı güneşe dönük olan gözlemcinin başının gölgesi etrafında heiligenschein olarak adlandırılan ışıklı bir alan oluşur. Heiligenschein, hemen hemen küresel çiğ damlaları üzerine gelen güneş ışınlarının odaklanması ve gelen ışınlarla yaklaşık aynı doğrultuda tekrar yansıtılması sonucu meydana gelir. 184