Klimatoloji ve Meteoroloji. Prof. Dr. Hasan TATLI

Klimatoloji ve Meteoroloji Prof. Dr. Hasan TATLI

Klimatoloji ve Meteoroloji Prof. Dr. Hasan TATLI Coğrafya Bölümü Fen Edebiyat Fakültesi Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi 2

Ünite 10 Gökgürültülü Fırtınalar Not: Buradaki sunum, öğrencilere «Kaynak Kitap» olarak önerilen kitaptan alınmıştır. Kaynak: Murat TÜRKEŞ (2010). Klimatoloji ve Meteoroloji, Kriter Yayınevi, İstanbul. Prof. Dr. Hasan TATLI 3

Gökgürültülü Fırtınaların Yapısı ve Evrimi Oraj (gökgürültülü şimşekli konvektif fırtına ya da kısaca gökgürültülü fırtına) nedir? Nasıl gelişir? Oluşumlarına neden olan etmen ve süreçlerin yanı sıra büyüklükleri ve doğasına göre nasıl sınıflandırılabilir? Gökgürültülü fırtına: Gökgürültüsü ve şimşekyıldırım ile birlikte gelişen, çoğunlukla kuvvetli yağmur ve dolu sağanaklarının, ender olarak kar sağanaklarının, kuvvetli ve hamleli rüzgarların gözlendiği bir ya da birden fazla cumulonimbus (Cb) hücresinin oluşturduğu şiddetli hava Uygun yüzey ve yüksek atmosfer koşullarında tam gelişme olanağı bulan şiddetli bir gökgürültülü fırtına, özellikle bir ya da birden fazla hortumla birlikte geliştiğinde, kara üzerinde çok yıkıcı ve 4 afet boyutunda hava koşulları oluşturabilir Prof. Dr. Hasan TATLI

Doppler Radar Ölçüm ve Çözümlemeleri Konvektif bulutlardaki yağış oluşum bölgelerinin içinde üç boyutlu hız alanını belirlemek amacıyla, iki ya da daha fazla sayıda Doppler radardan elde edilen radyal hız ölçümlerinin Dual Doppler çözümlemeleri büyük bir katkı sağlar. Dual Doppler çözümlemeleri, tam gelişmiş şiddetli bir orajın içindeki alçalıcı ve yükselici dikine hareketlerin üç boyutlu rüzgar alanlarının haritalanmasını olanaklı kılar. Ayrıca, nümerik (sayısal) modeller kullanılarak, gökgürültülü fırtınaların gözlenen yapısal özelliklerinin birçoğunu benzeştirmek (simülasyon) ve çeşitli geniş ölçekli atmosferik hareket düzeneklerinde gelişme olanağı bulan gökgürültülü fırtına çeşitlerini saptamak olasıdır. 5 Prof. Dr. Hasan TATLI

Üç Evreli Konvektif Fırtına Gelişme Modeli Konvektif fırtınalar, genellikle birçok hücreden oluşur ve gelişimi, (a) kümülüs evresi, (b) olgunluk evresi ve (c) dağılma (yok olma) evresi biçimindedir. Üç evreli gökgürültülü fırtına gelişim modeli, afet boyutundaki orajların oluşumunu ve doğasını daha iyi anlayabilmek amacıyla ABD nin Ohio ve Florida eyaletlerinde 1940 ların sonunda yapılan araştırmaların sonuçlarına dayanır. Bu model, sinoptik ya da bölgesel ölçekli yükselme düzenekleri nedeniyle değil, yerel yüzey ısınması sonucunda çoğunlukla tek başlarına oluşan ve hava kütlesi orajları ya da olağan konvektif fırtınalar olarak adlandırılan fırtınalara uygulanır. Üç evreli konvektif fırtına gelişme modeli, günümüzde de gökgürültülü fırtınalar için yararlı bir genel tanımlama ve evrimleşme açıklaması yapılması açısından yeterli görülür. 6 Prof. Dr. Hasan TATLI

Gökgürültülü Fırtınaların Sınıflandırılması 1. Zayıf bir dikine rüzgar şirinin egemen olduğu atmosfer koşullarında gelişen, göreceli olarak küçük, afet olasılığı düşük ve etki alanı sınırlı tek hücreli gökgürültülü fırtınalar (olağan konvektif fırtınalar, hava kütlesi orajları); 2. Kuvvetli dikine rüzgar şiri ve kuvvetli kararsızlık koşulları altında gelişen, daha tehlikeli ve geniş ölçekli çok hücreli fırtınalar; 3. Çok hücreli konvektif fırtınaların parçalanmasıyla oluşan, dönen dikine hareketlerle bağlantılı, şiddetli, çok dinamik ve uzun ömürlü süperhücre fırtınaları. Çok hücreli ve süperhücre fırtınalar, kuvvetli rüzgar ve dolu üretme gücüne sahiptir. En yıkıcı ve afet boyutunda hava olayları üreten hortumlar da, çoğunlukla süperhücre fırtınaları ile bağlantılı olarak gelişir. Prof. Dr. Hasan TATLI 7

Tek Hücreli Gökgürültülü Fırtınalar (Hava Kütlesi Orajları)_1 Hava kütlesi orajları, küçük ölçekli ve fazla şiddetli olmayan tek başına gelişen Cb bulutlarını tanımlamak ve açıklamak için kullanılan bir terimdir. Hava kütlesi orajı, orta enlem siklonları ve sağanak ya da kararsızlık çizgilerinden çok, genellikle yüzey ısınmasıyla bağlantılı yerel konveksiyonlarca oluşturulur. Bu şiddetli hava sistemleri, genellikle yalnız bir adet sağanağın gelişmesini sağlar; basınç dağılışı, tümüyle, yükselen sıcak hava parselinin denge (kararlılık) durumunca belirlenir. Hava kütlesi orajları, her birisinin yaklaşık yarım saatlik bir ömrü bulunan (a) kümülüs, (b) olgunluk ve (c) dağılma evrelerini içerir Prof. Dr. Hasan TATLI 8

Hava Kütlesi Orajları_2 İyi gelişen bir tek hücreli orajın yaşam döngüsü: (a) kümülüs (gelişme), (b) olgunluk ve (c) dağılma (yaşlılık) evreleri. Prof. Dr. Hasan TATLI 9

(a) Kümülüs Evresi Kümülüs evresi ya da gelişme evresi olarak adlandırılan bu evrede, tümüyle sıcak ve yükselen kararsız havada bir kümülüs bulutu gelişir. Kümülüs bulutunun içerisinde, dikine hareketin hızı yükseltiyle hızla artar ve bulut tavanı yaklaşık 10 m/s hızla yukarıya doğru hareket eder. Yukarı yönlü büyük hızlar nedeniyle, aşırı soğumuş su damlaları donma düzeyinin oldukça üzerinde oluşabilir. Bu durum, bu yükseltide uçan uçaklar için potansiyel bir buzlanma tehlikesi oluşturabilir. Prof. Dr. Hasan TATLI 10

(b) Olgunluk Evresi (Tam Gelişmiş Oraj Bulutu) Olgunluk Evresi, yukarı yönlü dikine akımların yanı sıra, aşağı yönlü çok kuvvetli hava hareketlerinin gelişmesiyle tanımlanır. Alçalıcı hava akımlarının etkin olduğu bu kuşak, aynı zamanda bulutun kuvvetli yağmur bölümüne karşılık gelir. Aşağı yönlü hava hareketlerine katılan kuru çevresel hava ve bulut tabanındaki doymamış hava, düşen yağmur damlacıklarının buharlaşması sonucunda soğur. Bazı durumlarda, buharlaşmayla ısı kaybı sonucundaki oluşan soğuma, alçalıcı havanın negatif dengesini büyük ölçüde kuvvetlendirir (kararlılık). Olgunluk evresinde, aşırı soğumuş yağmur damlaları, donma düzeyinin oldukça yukarısında varlığını sürdürür. Bu arada, kuşbaşı kar taneleri ya da yumuşak buz paletleri aşağıda donma düzeyinin altında bulunabilir. Bu evrede tropopoz düzeyinin üzerine çıkabilen oraj bulutunun örsü, fırtınanın hareket yönünü göstermek üzere buluttan dışarıya doğru uzanır. Prof. Dr. Hasan TATLI 11

Prof. Dr. Hasan TATLI Belirgin ve Çok İyi Gelişmiş Bir Tek Hücre Orajı 12

(c) Dağılma Evresi Dağılma evresinde, en yüksek yükselici dikine hava akımı hızları, Cb bulutunun ortasında gözlenir. Bulutun tavanı tropopoza yaklaşır ve bulutun örsü dağılma evresindeyken yatay olarak dışarıya doğru yayılır, ki bu havanın yukarıdaki diverjansını gösterir. Dağılma evresinde, bulutun her yerinde yağış geliştiği için, aşağı yönlü hava akımları daha da şiddetlenir ve bulutta yalnız alçalıcı hareketler egemen olur. Yukarı yönlü dikine havanın kaynağının zayıflaması ve konveksiyonun yerini alçalıcı hava akımlarının alması nedeniyle, bulut damlacıkları artık büyüyemez ve sonuç olarak yağış kısa sürede sona erer. Gerçekte bu evrede adyabatik olarak soğuyan havanın içinde yoğunlaşan su buharının ancak % 20 si, yüzeye yağmur biçiminde ulaşır. Kalan yağmur damlalarının çoğu aşağı yönlü havanın içinde buharlaşır ya da bulutun yukarı bölümlerinde kalarak zamanla buharlaşır. Bu bölüm, örsteki yaygın cirrus bulutlarını da içerir. 13 Prof. Dr. Hasan TATLI

Hava Kütlesi Orajları Tek hücre (hava kütlesi ) orajları kısa ömürlüdür ve ender olarak yıkıcı rüzgarlar ve dolu olaylarını üretebilir. Bunun nedeni, genel olarak aşağı yönlü hava akımlarıyla bağlantılı olarak düşen yağmur damlalarının adyabatik ısınması ve daha sıcak alt düzeylerdeki buharlaşma yüzünden, bu olağan konvektif fırtınaların bir çeşit kendi kendini yok etme düzeneğine sahip olmasıdır Prof. Dr. Hasan TATLI 14

Kuvvetli dikine rüzgar şirinin egemen olduğu koşullarda gelişen bir çok hücreli fırtınanın kesiti Prof. Dr. Hasan TATLI 15

Çok Hücreli Gökgürültülü Fırtınalar Rüzgar şiri kuvvetli olduğunda, tek hücreler daha sıkıca bütünleşir ve kendi kimliklerini belirgin olarak kaybederek, tek başlarına yaşama olanaklarını kaybeder. Konveksiyon kuvvetli ve yükselici hareket şiddetli ise, çok hücre fırtınası da şiddetlenebilir. Gerçekte, şiddetli orajlardaki yükselici hareketler, bulut tavanının görece kararlı alt stratosfere sokulabilmesini sağlayacak kadar kuvvetli olabilir. Bazı durumlarda, bulut tavanı 16-17 km yükseltiye kadar çıkabilir. Kuvvetli yükselici akımlar, dolu tanelerini bulutun içinde daha büyük boyuta ulaşmaya yetecek kadar asılı tutar ve onların daha fazla irileşmesini sağlar. Bu çeşit oraj bulutlarının örsü içindeki ya da örse doğru uzanan bölümlerindeki alçalıcı akımlar, çok güzel görünümlü mammatus bulutlarını oluşturur Prof. Dr. Hasan TATLI 16

Çok Hücreli Gökgürültülü Fırtınalar Çok hücre orajlarının gelişme evresi, dikine rüzgar bileşenleri arasındaki rüzgar şirinin dağılışıyla yakından ilişkilidir. Çok hücreli konvektif fırtınaların birçoğunun en önemli özelliği, yükselme eğilimindeki sıcak ve nemli yüzey katmanı havası ile soğuyarak alçalan ve içersindeki buharlaşma yoğunlaşma ısısına bağlı olarak daha da soğuyan hava arasında gelişen hamle cephesidir. Yeni konvektif fırtına hücreleri, yaklaşmakta olan hamle cepheleri boyunca oluşma eğiliminde olduğu için, hamle cepheleri çok hücre fırtınalarının oluşumunda da rol oynayan önemli bir etmendir. Yaşlı hücreler ise, hamle cephesinin arkasında kaldıklarında ortadan kalkar ve burası kısa sürede soğuk ve yoğun aşağı yönlü hava akımlarıyla çevrelenir. Prof. Dr. Hasan TATLI 17

Çok Hücreli Gökgürültülü Fırtınalar Çok hücre orajında yeni gelişen konvektif hücreler, yaklaşan hamle cephesince yükselmeye zorlanan görece sıcak ve nemli hava içerisinde oluşur. Hamle cephesi tarafından yükselmeye zorlanan nemli ve sıcak hava FCL ye ulaştığında, kararsızlığına bağlı olarak kendiliğinden yükselmeye başlar. Adyabatik soğuma sonucunda, havanın içerdiği su buharı bulut damlacıkları ve yukarıdaki buz kristalleri üzerinde yoğunlaşır. Bu parçacıklar düşmeye yetecek düzeyde büyüdükleri ve ağırlaştıkları zaman, düşme hızları yukarı yönlü hareketin hızını aşar ve düşmeye başlar. Prof. Dr. Hasan TATLI 18

Çok Hücreli Gökgürültülü Fırtınalar Radyosonde ölçümlerine göre, bu sırada görece kuru çevresel hava orta yükseklik düzeylerinden konvektif fırtınaya girer. Yağış damlacıkları, yükselen havadan bu kuru havanın içerisine düştüğünde, kısmen buharlaşır ve yaklaşık olarak ıslak hazne sıcaklığında soğur. Hava soğuduğunda, yoğunluk artışına bağlı olarak ağırlaşır ve alçalmaya başlar. Ayrıca, düşen yağış damlalarının sürtünme direnci ek bir aşağı yönlü hareketin doğmasına neden olarak, alçalıcı hava hareketlerini kuvvetlendirir. Prof. Dr. Hasan TATLI 19

Çok Hücreli Gökgürültülü Fırtınalar Yukarıya tırmanan hava parselleri, oraj bulutunun yaklaşık 100 km kadar önünde ya da daha uzağında uzanan bir örsün oluşmasına neden olur. Bu yüzden, yüzeydeki bir gözlemcinin bakış açısından, bu fırtınanın geçişi önce yüksek bulutların kalınlaşması ile belirlenir ve bunu daha alçak ve daha karanlık bir bulut tabanının yaklaşması izler. Bu sırada, aynı zamanda, ani bir rüzgar değişikliği (hız ve yön açısından) ve sıcaklık düşüşü gerçekleşir. Bu ani rüzgar şiri ve soğuma, etkin bir hamle cephesinin yaklaştığını gösteren en önemli belirtidir. Hamle cephesinin geçişinden birkaç dakika sonra, kuvvetli bir sağanak yağış ve dolu başlar. Hamle cephesinin bir yerden geçişi, yüzeyde bir soğuk cephenin geçişini andırır. Prof. Dr. Hasan TATLI 20

Çok Hücreli Gökgürültülü Fırtınalar Orajlardaki kuvvetli yağışlardan önce yeryüzüne ulaşan soğuk hava ve hamleli rüzgarlar, o yerden hamle cephesinin geçmekte olduğunu ve kısa süre içerisinde kuvvetli sağanak yağışların; uygun atmosfer koşullarında ise, etkili dolu bir yağışının oluşabileceğinin önemli bir göstergesi olarak kabul edilmelidir. Konvektif fırtınanın sol arkasında kalan serin-soğuk ve az da olsa görece nem kazanmış sığ alçalıcı hava, saatlerce etkili olabilir ve başka bir konveksiyon hücresinin oluşumuna da katkı sağlayabilir. Prof. Dr. Hasan TATLI 21

Gelişen Etkin Bir Çok Hücreli Fırtına Çok hücre orajları, farklı ardışık büyüme evrelerini yaşayan bir hücreler dizisinden oluşur. Arka bölümdeki oraj bulutu, sola doğru uzanan belirgin bir örsle birlikte olgunluk evresindedir. Bu bölümden kuvvetli sağanak yağışları oluşur. Çok hücre orajının sol arkasındaki bulut bölümü, orajın dağılma evresine karşılık gelirken; ön sağda ve solda bir oraj bulutuna dönüşebilecek olan cumulus congestus bulutları, önde ortada ise henüz gelişmekte olan bir cumulus bulutu görülüyor. 22

Bir Çok Hücreli Fırtınanın Uçaktan (11300 m, -54 o C) Görünümü Prof. Dr. Hasan TATLI 23

Bir çok hücre orajının oluşturduğu kuvvetli sağanak yağış Prof. Dr. Hasan TATLI 24

Süper hücre Gökgürültülü Fırtınaları Bir konvektif fırtınanın yukarısındaki rüzgarlar daha da kuvvetlenirse (kuvvetli rüzgar şiri) ve rüzgarın yönü yükseklikle değişiyorsa (örneğin, yüzeyde daha güneyli olan rüzgarların yukarıda daha batılıya dönmesi vb.), çok hücre fırtınaları, alçalıcı akımlarla bağlantılı soğuk havanın dışa akışının yükselici akımları parçalamasına engel olmayacak bir biçimde yol alabilir. Prof. Dr. Hasan TATLI 25

Süper-hücre Gökgürültülü Fırtınaları Ayrıca, rüzgar şiri, havada horizontal bir bükülme yaratacak kadar kuvvetli olabilir ve bükülen hava yükselici akımlara doğru yöneldiğinde havanın dönmesine neden olabilir. Bu durumda, oraj daha fazla büyür ve bir saatten daha uzun süre etkili olabilir. Belirli atmosfer koşullarında daha fazla büyüme olanağını bulan ve uzun süreli etkili olan şiddetli orajlara, süperhücre adı verilir. Süperhücre orajlarının dönme özelliği ve genellikle tabanlarının yeryüzüne çok yakın olması, hortum oluşumuna da neden olabilir. Prof. Dr. Hasan TATLI 26

Bir Süper Hücre Gökgürültülü Fırtınasının Kesitsel Gösterimi Prof. Dr. Hasan TATLI 27

Duvar Bulutu Etkili bir gökgürültülü sağanak yağmur ve dolu yağışı oluşturan bir süper hücre fırtınasının aynı zamanda zayıf bir siklonik dönüş gösteren duvar bulutunun yerden yağış anındaki görünüşü 28

Siklonik Dönen Bir Süper Hücre Fırtınası Prof. Dr. Hasan TATLI 29

Süperhücre Gökgürültülü Fırtınaları Süperhücre fırtınası, oldukça hızlı bir biçimde dönen olağanüstü bir orajdır ve içyapısı, varlığını saatlerce tek başına sürdürebilecek özelliktedir. Süperhücre orajları, hızları 90 knot ı geçen kuvvetli yükselici akımları, çok iri dolu taneleri ve hasara neden olan yüzey rüzgarları ile geniş ve uzun süreli hortumları oluşturabilecek bir kuvvete sahiptir. Hortumları ve iri doluları üretebilen süperhücre orajları, dönme özellikleri nedeniyle dik ve geniş bir kule görünümündedir. Prof. Dr. Hasan TATLI 30

Süperhücre Gökgürültülü Fırtınaları Kuvvetli ve etkili yağış üreten süperhücreye, yüksek yağış orajı adı verilir. Bu süperhücreler, çok hızlı alçalıcı akımların (İng.: downbursts), sellerin ve çok iri dolu yağışlarının oluşmasına yol açar. Eğer, süperhücreye bir hortum eşlik ediyorsa, hortumlar kuvvetli yağış alanında oluşma eğiliminde oldukları için, süperhücreyi açık bir biçimde görmek kolay olmayabilir. Hafif yağış üreten süperhücrelere ise, düşük yağış orajı denir. Prof. Dr. Hasan TATLI 31

Cepheler ve Oraj Çizgileri Çok hücre orajları, kilometrelerce boyunca uzanan bir oraj çizgisi boyunca da oluşabilir. Bir hat boyunca kilometrelerce uzanan bu çeşit oraj oluşum kuşaklarına, sağanak çizgisi adı verilir. Oraj hücrelerinin, rasgele olmayıp kilometrelerce uzanan bir çizgi boyunca gelişmesinin başlıca nedeni, genellikle bir orta enlem siklonuyla bağlantılı bir soğuk cephedeki yükselme düzeneğidir. Çoğunlukla soğuk cephe yüzeyleri boyunca ve ender olarak da sıcak sektörde kararsız ya da koşullu kararsız sıcak havanın bulunduğu durumlarda sıcak cephe yüzeyleri boyunca gelişen orajlar, cephesel oraj olarak adlandırılır. Prof. Dr. Hasan TATLI 32

Soğuk cephe önü oraj çizgilerinin oluşumuna neden olan iki atmosfer düzeneğinin kesitsel gösterimi (a) Yüksek düzey kuvvetli rüzgarlar, soğuk cephe yüzeyi boyunca gelişmiş olan orajları soğuk cephenin önüne taşır ve bir sağanak çizgisi oluşur. (b) Soğuk cephenin üzerindeki yüksek düzey rüzgar akışlarında, özellikle jet akımlarındaki olukların önündeki diverjans ve onun tetiklediği yükselici hava hareketleri, bu yükselme nedeniyle oraj gelişimini başlatabilir. Prof. Dr. Hasan TATLI 33

Cepheler ve Oraj Çizgileri Cephelerin dışındaki etmenler de, oraj çizgilerini oluşturabilir. Örneğin, oraj çizgileri, sıradağlar, deniz kıyıları ve rüzgar şiri çizgileri gibi dar kuşaklar boyunca yükselmenin etkili olduğu yerlerde de oluşabilir. Bunlardan en belirgin olanlar, dağ sıraları ve yüksek kıyılar boyunca öğleden sonra yüzey ısınmasının da katkısıyla gelişen yükselici akımların oluşturduğu sağanak çizgileridir. Hava yeterli düzeyde kararsız değilse ve yüzey ısınması zayıf ve/ya da yüksek hava koşulları uygun değilse, sağanak çizgileri boyunca gelişen kümülüs bulutları oraj evresine ulaşamayabilir. Bu durumda, sağanak çizgileri boyunca, cumulus ve cumulus congestus bulutlarının oluştuğu gözlenir. Prof. Dr. Hasan TATLI 34

Çanakkale de Etkili Olan Bir Soğuk Cephe Önü Orajı Prof. Dr. Hasan TATLI 35

Dağ sıraları boyunca öğleden sonra yüzey ısınmasının da katkısıyla gelişen yükselici akımların oluşturduğu oraj çizgileri Prof. Dr. Hasan TATLI 36

Yüksek kıyılar boyunca öğleden sonra yüzey ısınmasının da katkısıyla gelişen yükselici akımların oluşturduğu oraj çizgileri Prof. Dr. Hasan TATLI 37

Gökgürültüsü, Şimşek ve Yıldırım Prof. Dr. Hasan TATLI 38

Maddenin Elektriksel Özellikleri Elektrik Yükleri Bir maddenin ya da atomun elektrik yükü, onun temel özelliklerinden birisidir. Elektrik yükleri kaybolmaz ve konumludur. Elektrik yükleri birbirlerine bir itme ya da çekme kuvveti uygular; aynı cins elektrik yükleri birbirini iter, zıt yükler ise birbirini çeker. Her elektron bir birim negatif elektrik yüküne, her proton ise bir birim pozitif elektrik yüküne sahiptir. Eşit sayıda proton ve elektronla yüklü olan bir molekülün sahip olduğu net yük sıfırdır ve bu molekül elektriksel olarak nötrdür (yüksüzdür). Herhangi bir atom elektronlarından birisi uzaklaştırılarak iyonlaştırılırsa, iki küçük yük merkezi oluşur. Bunlardan biri, elektrona yerleşen negatif yüktür; ikincisi ise, iyonize molekülü çevreleyen pozitif yüktür. Moleküllerin iyonlaşması, elektrik yük merkezlerinin oluşmasının temel yoludur. Prof. Dr. Hasan TATLI 39

Yüklerin Ayrılması ve Elektrik Kuvvetleri Yük ayrımı ya da iyonlaşma, bir örnek verilerek açıklanabilir: Temiz ve kuru bir saç kuru bir havada taranırsa, hem elektrik yük ayrımı (iyonlaşma) hem de elektrik kuvvetleri ortaya çıkar. Tarama eylemi, bazı molekülleri tarakta iyonlaştırırken (protonlar), elektronların saçta birikmesine neden olur. Sonuçta, tarak, bazı elektronlarını kaybederek net bir pozitif yükle, saç ise elektron kazanarak net bir negatif yükle yüklenecektir ve saçla tarak arasında bir çekim kuvveti oluşacaktır. Bu çekim kuvvetinin nedeni, zıt yüklü kutupların birbirine bir çekme kuvveti, aynı yüklü kutupların ise birbirine bir itme kuvveti uygulamasıdır. Bu kuvvetlerin büyüklüğü, yüklerin tutarına (örneğin, iyonlarına ayrılmış parçacık sayısına) ve yükler arasındaki uzaklığa göre değişiklik gösterir: yük merkezleri birbirlerinden ayrıldıkça, yük kuvvetleri de o derecede azalır. Prof. Dr. Hasan TATLI 40

İndüksiyon Bir tarağı elektrik yükleyerek, küçük kağıt parçacıklarını çekmek için kullanabiliriz. Burada, kağıt parçacıklarının net bir elektrik yüküne sahip olmadığı hatırlanmalıdır. Öyleyse, kağıt parçacıkları tarak tarafından neden çekilir? Tarak kağıda yakın hareket ettirilirse, tarağın pozitif yükleri (protonlar) tarağa yakın kağıt yüzeyinde negatif yük merkezleri (elektronlar) oluştururken, pozitif yükleri iter. Sonuç olarak, kağıdın tarağa yakın bölümü negatif yükle yüklenir. Bir bütün olarak bakıldığında, kağıdın elektriksel olarak nötr kalışına dikkat etmek gerekir: kağıda ne bir yeni yük eklenmiş ya da ondan bir yük uzaklaştırılmıştır. Ancak, burada olan, kağıdın yük dağılışının, yaklaştırılan pozitif yüklü tarağa karşı yeniden düzenlenmiş oluşudur. Yüklü bir cismin başka bir cisme yaklaştırılması yoluyla ortaya çıkan yüklenme olayına, indüksiyon adı verilir. İndüksiyon yoluyla yüklenme, yıldırım oluşumunda önemli bir rol oynar. Prof. Dr. Hasan TATLI 41

Oraj Bulutunun Elektriksel Özellikleri Oraj bulutlarında zıt elektrik yükü bölgelerinin oluşumu, yıldırım gelişmesinin ilk aşamasıdır. Hava, başlangıçta, çok iyi bir elektrik yalıtkanı olarak, yük merkezlerinden yayılan elektrik akımlarını engeller. Ancak, eğer yükler belirli değerlerin ötesinde artış gösterirse ya da bir yük merkezi başka bir yük merkezine etki alanına girecek kadar yaklaşırsa, ya da atmosferdeki iletkenlik artarsa, kısa bir elektrik boşalma akımı hava içinde akma olanağını bulur. Prof. Dr. Hasan TATLI 42

Oraj Bulutunun Elektriksel Özellikleri Kısa mesafelerde gerçekleşen elektrik boşalmasına, çakım (kıvılcım) adı verilir. Bulut tabanından yeryüzüne, bulut içinde ya da bir buluttan bir başka buluta yönelik elektrik boşalması ise yıldırım olarak adlandırılır. Yıldırım, 100 milyon volta ulaşan büyüklükteki voltaj farklılıklarınca oluşturulan enerjik bir elektrik akımıdır ve yaklaşık 30 km uzaklığa kadar birkaç cm çapındaki dar bir yol boyunca atmosferin içinde akabilir. Prof. Dr. Hasan TATLI 43

Prof. Dr. Hasan TATLI 44 Oraj Bulutu İçinde ve Çevresindeki Elektrik Yük Alanlarının Dağılımı Atmosferdeki elektrik yük dağılımı ölçümlerine dayanarak tasarlanan bir oraj bulutunda, negatif elektrik yüklerinin bulutun orta ve alt bölümlerinde, pozitif yüklerin ise yukarı bölümünde yer aldığı dikkat çekicidir. En yoğun negatif yük bölümü, birçok oraj bulutunda etkin bir yağış oluşum alanına karşılık gelen, yaklaşık olarak -15 C düzeyinin yakınında gerçekleşmiştir. Bulut tabanının yakınında, elektrik yük dağılımı genellikle negatif iken, pozitif yük çoğunlukla yağış oluşum alanının çevresinde toplanma eğilimindedir. Atmosferin yüzeye yakın en alt düzeyleri ve yeryüzü ise, genellikle pozitif yüklüdür.

Oraj Bulutunda Yük Alanlarının Oluşumu Oraj bulutlarındaki yük dağılımı konusunda atmosfer bilimciler arasında bir uzlaşma bulunmasına karşın, yük alanlarının nasıl oluştuğu sorusunun yanıtı konusunda henüz tam bir uzlaşma yoktur. Konuya ilişkin hipotezler (önsavlar), iki başlıkta toplanarak açıklanabilir: (1) Konveksiyon Önsavı. (2) Yağış Önsavı. Prof. Dr. Hasan TATLI 45

Prof. Dr. Hasan TATLI 46 (1) Konveksiyon Önsavı Konveksiyon önsavına göre, elektriksel yük alanlarının oluşumu ve şimşek olayı şu sırayı izler: (i) İyi hava koşullarında, alt atmosfer ve yeryüzünde zayıf da olsa bir pozitif yük fazlalığı vardır. (ii) Bu alanda gelişen şiddetli bir oraj bulutundaki konveksiyon akımları, alt düzeylerdeki pozitif iyonların bir bölümünü bulutun yüksek bölümlerine taşır. (iii) Yukarıda gelişen pozitif yük merkezi, bulutun üzerinde yüksek atmosferdeki negatif iyonları, bulutun sınırlarına ve kenarlarına doğru çeker. (iv) Aşağıya doğru hareket eden negatif iyonlar, bulutun çevresindeki alçalıcı akımlarla karşılaşır ve bu alçalıcı akımlar negatif yükleri oraj bulutunun orta ve alt düzeylerine taşır.

Konveksiyon Önsavı Konveksiyon önsavı, genel olarak oraj bulutlarında pozitif yükün yukarıda, negatif yükün alt yüzeylerde toplandığını açıklar. Ancak, konveksiyon önsavı, negatif iyonların, yağışın bulutta oluşmaya başladığı aynı yerde ve zamanda toplandığı gerçeğini açıklamaz. Ayrıca, bu varsayım, negatif yükün bulutun 15 C izotermi çevresinde toplanma eğiliminde olması gerçeğinin açıklanması açısından da başarısızdır. Prof. Dr. Hasan TATLI 47

(2) Yağış Önsavı Yağış hipotezi için bir tek hücre oraj bulutu örnek alındığında, yük bölgelerinin oluşumu aşağıdaki şekilde gelişir: (i) Kar Paletleri ve buz kristalleri bulutun içinde çarpışır ve bu çarpışma elektrik yüklerinin ayrılmasına neden olur. Bu durumda, buz kristalleri pozitif iyonları çeker ve bir pozitif yük alanı oluşur. Kar paletleri ise, eşit sayıda ama negatif iyonları çektiği için, bir negatif yük alanı oluşur. (ii) Yükselici dikine hava akımları, negatif yüklü kar paletlerinden daha hafif olan pozitif yüklü buz parçacıklarını bulutun yukarı düzeylerine taşır. Bu yolla, oraj bulutunun yukarı düzeylerinde genellikle pozitif iyonlar, alt yüzeylerinde ise negatif iyonlar toplanır. (iii) Ölçüm sonuçlarının gösterdiği gibi, negatif yük bölgesi 15 C sıcaklık düzeyinin çevresinde toplanma eğilimindedir. Prof. Dr. Hasan TATLI 48

Yağış Önsavı Birçok laboratuar deneyleri yük gruplaşmasının buz kristalleri ve kar paletleri çarpıştığında oluştuğunu doğrulamıştır. Genel olarak, düşük sıcaklıklarda olmak koşuluyla, daha küçük parçacıklar pozitif iyonları çekme eğilimindedir. Bilimsel olarak tam anlamıyla yanıtları alınamamış olan bazı sorular: - Neden kar paletleri düşük sıcaklıklarda negatif yükleri çekerken, donma noktasına yakın görece daha yüksek sıcaklıklarda pozitif yükleri çekme eğilimindedir? - Elektrik yük dağılımı, neden havanın nemine bağlıdır?, vb. Tüm bu önemli sorular bilimsel olarak kanıtlanıncaya kadar, yağış hipotezi de sahip olduğu bu belirsizlikler nedeniyle kesin bir doğrulukla kabul edilmeyecektir. Prof. Dr. Hasan TATLI 49

İki Önsava İlişkin Sonuç Sonuç olarak, günümüzde yağış önsavı, çoğu bilimci tarafından orajlardaki elektrik yük dağılımlarını açıklamada daha başarılı bulunmasına karşın, her iki düzenek de, oraj bulutundaki egemen atmosfer ve yüzey koşullarına yakından bağlı olarak, gerçeklenen yük dağılımında olasılıkla önemli bir rol oynamış olmalıdır. Ayrıca, yağış ve konveksiyon hipotezlerindeki belirsizlikler, gerçek bir oraj bulutundaki elektrik yük alanlarının gözlenmesinin ve belirlenmesinin ne kadar zor olduğunu gösterir. Prof. Dr. Hasan TATLI 50

Şimşek, Yıldırım ve Gökgürültüsü Yıldırım, atmosferdeki dar bir yol boyunca, bulut içinde, bulut tabanından yeryüzüne ya da bir buluttan bir başka buluta yönelik ani ve yoğun bir elektrik akışı şeklinde gerçekleşen kuvvetli bir statik elektrik boşalmasıdır. Tüm konvektif fırtınalar, hem tanımları gereğince, hem de gökgürültüsünün oluşumu bulutun içerisindeki elektrik boşalmasıyla ilişkili olduğu için, şimşek ve yıldırımı da içerir. Şimşek çaktığında (enerji boşaldığında), birkaç cm çapındaki küçük iletim kanalında bulunan hava aşırı derecede ısınır. Enerjinin boşalması sırasında, kanaldaki havanın sıcaklığı yaklaşık 30,000 K kadardır. Prof. Dr. Hasan TATLI 51

Şimşek, Yıldırım ve Gökgürültüsü Statik elektrik boşalması sırasında açığa çıkan yüksek ısı enerjisinin, havanın aşırı ısınarak çok hızlı olarak genişlemesine neden olması ve boşalma kanalından dışarıya doğru yayılan şok dalgalarını üretmesi sonucunda ortaya çıkan çok kuvvetli patlama sesine gökgürültüsü adı verilir. Işık, Güneş ten Yerküre ye 300,000 km/s hızla 8 dakika gibi kısa bir sürede ulaşır; ses dalgaları ise, havada ışıktan çok daha yavaş bir hızla yayılır. Ses dalgalarının yayılma hızı, 1 km/3s dir. Işık sesten yaklaşık bir milyon kat daha hızlı yol aldığı için, iyi gelişmiş bir oraj bulutuna baktığımızda, gökgürültüsünü işitmeden önce şimşeğin çakışını ve yıldırımı görürüz. Şimşeğin çakışı ile gökgürültüsü arasında geçen saniyeleri sayar ve beşe bölersek, yıldırıma olan uzaklığı mil cinsinden yaklaşık olarak belirleyebiliriz. Prof. Dr. Hasan TATLI 52

Bir Gece Orajı Sırasında Şimşek ve Yıldırım Prof. Dr. Hasan TATLI 53

Buluttan yeryüzüne gelişen yıldırım olayı: Bir oraj bulutunun tabanına yakın bölümde gelişen bir negatif yük alanı, yeryüzünde kuvvetli bir pozitif yük alanının oluşmasına neden olur. Yük alanları arasındaki elektrik yük farklıkları yeteri kadar büyük olduğunda, negatif ve pozitif yük alanları arasındaki elektriksel çekim kuvveti havanın elektriksel direncini yener. Bunun sonucunda, bulutun tabanındaki negatif yük alanından yeryüzüne doğru uzanan bir elektron akışı başlar; oluşan bu çok büyük tutarlardaki elektrik boşalmasına yıldırım adı verilir. Prof. Dr. Hasan TATLI 54 Yıldırımın Oluşumu

Yıldırımın Oluşumu Yıldırım yere ulaştığında, ona doğru elektrik akımını taşıyan, geri dönen bir elektrik boşalma oku ya da bir ters yıldırım tarafından karşılanır. Ters yıldırım, buluttan yeryüzüne düşen bir yıldırım tarafından hazırlanmış olan elektron akış kanalı boyunca yerden buluta yönelik bir pozitif yük akımı taşınmasıdır. Genel olarak, her biri bir saniyenin onda birinden yüzde birine geçen sürede gelişen, 2-4 adet dolayındaki ters yıldırım bu kanal boyunca oluşur. Bu olaylar dizisi, şimşek çakması ve yıldırım olarak adlandırılır. Prof. Dr. Hasan TATLI 55

Çeşitli Oraj Bulutlarının İçinde ve Çevresine Doğru Gerçekleşen Şimşek ve Yıldırım Olayları Prof. Dr. Hasan TATLI 56

ABD den yıkıcı bir hortum örneği Prof. Dr. Hasan TATLI 57

ABD den yıkıcı bir hortum örneği Prof. Dr. Hasan TATLI 58

Tropikal Siklonlar Prof. Dr. Hasan TATLI 59

Fujita (F) tornado şiddet ölçeği. Rüzgar hızı Hortum km/saat F-Ölçeği şiddeti (mil/saat) Hasar düzeyi ve çeşidi F0 Fırtına düzeyinde tornado 64-116 (40-72) Bacalar ve işaret levhaları hasar görür; ağaçların dalları kırılır. F1 Orta kuvvette tornado 117-180 (73-112) Kasırga başlangıç rüzgarının alt sınırı; çatılar yere uçar; tekerlekli taşınabilir evler temellerinden ayrılır ya da ters döner; hareket eden otomobiller yolun dışına savrulur; garaj eklentileri hasar görebilir. F2 Önemli tornado 181-253 (113-157) Önemli hasar gerçekleşir: çatılar uçar ve ters döner; taşınabilir evler yıkılır; yük vagonları savrulur; büyük ağaçlar köklerinden kopar ya da devrilir, vb. F3 Şiddetli tornado 254-332 (158-206) Sağlam yapılı evlerin çatıları uçar ve duvarları devrilir; trenler devrilir; ormandaki ağaçların çoğunun kökleri kopar, vb.. F4 Yıkıcı tornado 333-419 (207-260) Sağlam yapılı evler yıkılır; zayıf temelli yapılar havada belirli bir uzaklığa kadar taşınır; otomobiller uzağa fırlatılır, vb.. F5 Çok yıkıcı tornado 420-512 (261-318) Sağlam ahşap evler temellerinden ayrılır ve oldukça uzağa kadar taşınır ve parçalanır; otomobil büyüklüğündeki ağır cisimler havada 100 metreden daha fazla uçar; ağaçlar savrulur, uçar; betonarme yapılar ciddi hasar görür, vb. F6 Düşük olasılıklı - olağandış ı tornado < 512 (< 318) Bu hızdaki hortumlar ender olarak oluşabilir. Oluştuğunda ise, F-4 ve F-5 için tanımlanan hasarlardan çok daha yıkıcıları oluşur. Prof. Dr. Hasan TATLI 60

Tropikal fırtınalar, Tropikal Siklonlar Orta ve Kuzey Amerika da kasırga (hurricane), Doğu Asya ve Kuzeybatı Pasifik te tayfun (typhoon), Hint Okyanusu ve Avustralya da siklon (cyclone), Güney Çin Denizi ve Filipinlerde bajyo (baguio) olarak adlandırılır. Tropikal fırtınalar, en yaygın olarak tropikal siklon ya da kasırga ismiyle anılır. Bu derste, genel kullanım için tropikal fırtına ve tropikal siklon terimleri benimsenmiştir. Prof. Dr. Hasan TATLI 61

Tropikal fırtınaların yeryüzündeki oluşma mevsimleri, coğrafi dağılışları ve başlıca siklon yolları Prof. Dr. Hasan TATLI 62

Kuzey Atlantik te Karayipler Denizi ve Meksika Körfezine doğru hareket eden bir doğulu dalgadaki konverjans ve konveksiyon kuşağında tropikal siklon oluşumunun depresyon ya da TrFr evresi Prof. Dr. Hasan TATLI 63

Prof. Dr. Hasan TATLI 64 Tropikal Siklon Gelişimin Başlıca Evreleri 1. Tropikal karışıklık 2. Tropikal depresyon 3. Tropikal fırtına 4. Tropikal siklon Göz

Tropikal Siklon Sınıflandırması Alize rüzgarlarındaki atmosferik sarsımlar, ABD Ulusal Hava Servisi tarafından tropikal karışıklık olarak adlandırılır. Her yıl tropikal kuzey Atlantik te yaklaşık 100 kadar tropikal karışıklık tanımlanmasına karşın, bunların çok azı bir kasırgaya dönüşür. Tropikal karışıklıklar, rüzgar hızları dikkate alınarak üçe ayrılır: Tropikal depresyon (alçak basınç): Tropikal depresyonlar, 33 knot (61 km/saat) ya da daha az bir rüzgar hızına sahiptir (Bofor ölçeğine göre 7 kuvvetinde). Tropikal fırtına: Tropikal fırtınalar, 34-63 knot (63 117 km/saat) arasında bir rüzgara sahiptir (Bofor ölçeğine göre, 8-11 kuvvetinde). Tropikal siklon ya da kasırga: Tropikal kasırgalar, 64 knot (119 km/saat) ya da daha fazla bir rüzgar hızına sahiptir (Bofor ölçeğine göre 12 kuvvetinde). Bir tropikal depresyon 34 knot rüzgar hızına ulaştığı zaman (tropikal fırtına), önceden hazırlanmış olan bir alfabetik sıraya göre isimlendirilir. Prof. Dr. Hasan TATLI 65

Tipik bir kasırganın oluşumunun ve içerisindeki hava hareketlerinin şematik bir kesit yardımıyla gösterimi Prof. Dr. Hasan TATLI 66

Tropikal siklonlarda basınç ve rüzgar hızı arasındaki ilişki ve başlıca tanıtıcı özelliklerinin şematik gösterimi 67 Prof. Dr. Hasan TATLI

(a) (b) 68 Prof. Dr. Hasan TATLI

Katrina kasırgasının karaya ulaşmadan 24 saat önce en kuvvetli olduğu 28.08.2005 teki uydu görüntüsü Prof. Dr. Hasan TATLI 69

Tropikal Siklonların Başlıca Özellikleri Tropikal siklonlar, - çoğunlukla deniz yüzeyi sıcaklığının yaklaşık 27 C dolayında olduğu sıcak tropikal okyanuslar üzerinde oluşan, - kuvvetli konverjansın ve siklonik dönüşün egemen olduğu, - geniş ölçekli oraj hücrelerinin bir araya gelmesiyle gelişen, - derin alçak basınç merkezleridir. - Tropikal siklonlarda basınç gradyanı çok kuvvetlidir. - Kuvvetli basınç gradyanı nedeniyle, siklonlarda çevreden merkeze yönelen çok kuvvetli rüzgarlar egemendir. - Bir tropikal fırtınanın, tropikal siklon ya da kasırga olarak adlandırılabilmesi için, rüzgar hızının 64 knot a (119 km/saat) ulaşması gerekir. 70 Prof. Dr. Hasan TATLI

Deniz yüzeyi sıcaklıkları ile tropikal siklon oluşum alanları ve siklon yollarının ilişkisi 71 Prof. Dr. Hasan TATLI

Oluşum Düzeneği ve Alanları Tropikal siklonlar, deniz yüzeyindeki su sıcaklığının en az 27 C olduğu, ekvatordan en az 5º kuzey ve güneyden başlamak üzere sıcak okyanuslarda oluşabilir. Koriyolis eşitliği gereğince, KK = 2V sin Koriyolis kuvveti ekvator yakınında çok küçük, ekvatorda sıfır olduğu için, tropikal siklonlar ekvatorun yaklaşık 5º kuzey ve güneyi arasında kalan alanda hiç gözlenmez. Bugüne değin, hiçbir siklonun ekvatoru geçmediği bilinmektedir. Tropikal siklonların % 80 den fazlası, ITCZ nin içerisinde ya da onun kutup tarafında oluşmaktadır. Prof. Dr. Hasan TATLI 72

Oluşum Düzeneği ve Alanları_2 Kasırgaların şiddetlenmesi ve varlıklarını belli bir süre sürdürebilmesi için gerekli olan büyük enerji kaynağı, tropikal siklonun içerisinde yukarıya tırmanan sıcak ve nemli havada açığa çıkan yoğunlaşma gizli ısısından sağlanır. Gelişmiş bir siklon, bir yılda ABD deki tüm elektrik üretim santrallerinin ürettiği enerjiye eş değer enerjiyi bir günde üretebilir. Tropikal siklonların, temel olarak tropikal troposferde önceden bulunan atmosferik karışıklıklarla ilişkili olarak oluştukları kabul edilir. Örneğin, Karayipler, Meksika Körfezi ve ABD nin güneydoğu bölgelerinde etkili olan kasırgaların bir bölümü, alt ve orta troposferde etkili olan üst alizelerin içersinde gelişen doğulu dalgalar ile bağlantılı olarak oluşmaktadır. Prof. Dr. Hasan TATLI 73

Oluşum Düzeneği ve Alanları Doğulu dalgalar, tropikal Atlantik te sağlamış olduğu alçak-düzey konverjans ve konveksiyon süreçleriyle birçok kasırganın oluşumunu destekler. Ancak, tüm doğulu dalgaların % 10 undan azı kasırgalara dönüşebilir. Kasırgalar, yükseklikle önemli rüzgar değişiklikleri (rüzgar şiri) bulunmadığı zamanlar gelişebilir. Bu ise, alçak enlemlerdeki sıcaklık dağılışının geniş bir alan üzerinde oldukça tekdüze olmasını gerektirir. Prof. Dr. Hasan TATLI 74

Tropikal fırtınaların yeryüzündeki oluşma mevsimleri, coğrafi dağılışları ve başlıca siklon yolları Prof. Dr. Hasan TATLI 75

Atlas Okyanusu için 1851-2007 ve Büyük Okyanus un doğu bölümü için 1949-2007 dönemlerini kapsayan bilinen tüm Kuzey Atlantik ve doğu Kuzey Pasifik in büyük (majör) kasırgalarının izlediği siklon yolları. Büyük kasırga, Saffir-Simpson Kasırga Ölçeğine göre Kategori 3 (3. Sınıf) ya da daha yüksek bir tropikal siklondur. Büyük kasırganın yüzeyden 10 metre yüksekliğindeki 1 dakikalık ortalama maksimum rüzgar hızı en az saatte 111 mil olmalıdır. Kesiksiz sarı siklon yolları, tropikal siklonların büyük kasırga düzeyine ulaştıkları zaman izlemiş oldukları yolları temsil eder. Kesiksiz kırmızı siklon yolları, tropikal siklonların Kategori 3 ten daha küçük kuvvete ulaştıkları zaman izlemiş oldukları yolları gösterir. Kesikli kırmızıçizgi ile işaretlenen siklon yollarıysa, tropikal dalga, kalıntı alçak ya da tropiklerdışı alçak basınçlar gibi tropikal olmayan siklon evrelerindeki 76 fırtınaların yollarını temsil eder. Prof. Dr. Hasan TATLI

Yaşam Süreleri Tropikal siklonların yaşam süreleri uzun değildir. Normal bir siklon yaklaşık bir hafta süresince varlığını sürdürebilir; bu süre en fazla yaklaşık 4 haftaya çıkabilir. En uzun süreli tropikal siklon, tropikal okyanusların üzerinde kalandır. Tropikal siklonlar, karaya ulaşır ulaşmaz enerji kaynağı (sıcaknemli hava) kesileceği için ölmeye başlar. Okyanusların üzerinde kalarak orta enlemlere doğru hareket etmeleri durumunda ise, soğuk ortama geçtiklerinde ölürler. Yeryüzünün tropikal siklon oluşum bölgelerinin çoğunda, tropikal siklonlar belirgin bir mevsimsellik gösterir. Tropikal siklon mevsimi, Kuzey Yarımkürede genel olarak Haziran ayında başlayabilmesine karşın, temel olarak, yaz sonu ve sonbahar dönemi ile sınırlıdır. Bunu nedeni, bu dönemde okyanus suyu sıcaklıklarının en yüksek ve ITCZ nin kutba doğru daha fazla yaklaşmış olmasıdır. Prof. Dr. Hasan TATLI 77

4 Eylül 2008 Prof. Dr. Hasan TATLI 78

7Eylül 2008 Prof. Dr. Hasan TATLI 91

Ünite 10 nun Sonu Prof. Dr. Hasan TATLI 92