Ünite 1 Atmosferin Bileşimi ve Yapısı Doç. Dr. Hasan TATLI 1
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
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
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
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
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 0.000009 131.3 Değişken Gazlar Su buharı H 2 O 0-4 18.02 Karbon dioksit CO 2 0.035 44.01 Metan CH 4 0.00017 16.04 Azot Oksit N 2 O 0.00003 44.01 EPA (ABD Çevre Koruma) Kalite Standartı Karbon monoksit CO Kükürt dioksit SO 2 Ozon N 2 O 2 H 2 O 3 Sabit Gazlar 78.08 28.01 20.95 32 0.93 39.95 0.0018 20.18 0.0005 4 0.00005 2.02 0.0035 28.01 0.000014 64.06 0.000012 48 Azot dioksit NO 2 0.000005 46.01 Ortalama Hava Hava 100 28.96 6
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
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
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
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
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
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 19-45 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
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
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
Sıcaklığa göre atmosferin katmanları TERMOSFER Mezopoz 80-90 km MEZOSFER Stratopoz 45 km STRATOSFER Tropopoz 12 km TROPOSFER YERYÜZÜ 15
Fiziksel ve Kimyasal Özelliklerine göre atmosferin katmanları EKZOSFER 300-325 km İYONOSFER 80-90 km KEMOSFER 45 km OZONOSFER 12 km TROPOSFER YERYÜZÜ 16
Kimyasal Özelliğine Göre Atmosferin Katmanları HETEROSFER 90 km HOMOSFER YERYÜZÜ 17
Atmosferde Sıcaklık Profili Yükseklik (km) Sıcaklık 18
Atmosferin Genel Özellikleri Bakımından Katmanları İyonosfer 19
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
Basıncın yükseklikle değişimi P = P e 0 ( a a = 0.0342 K / m (bir sabit) P 0 := 101.325 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
(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 = (101.325) e (0.0342/ 4 250)10 (b) P = (101.325) exp[( 0.0342 )(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
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 3 = 1.225gr / Litre ( yer seviyesinde) a = 0.04 K/m ve H ρ = 8.55 km yoğunluk ölçek yüksekliği 23
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 = 1.225 kg/m 3 T=15 o C = 288.15 K İstenen: ρ =? kg/m 3 ρ = ρ ο e -(a/t)z = 1.225e -(0.04/288.15)2000 = 0.928 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
Hava molekülleri Yükseklik (km) Hava basıncı Hava yoğunluğu Düşük Artım yönü Yüksek 25
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
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 + 273.15 Standart (ortalama) deniz-seviyesinde Hava sıcaklığı: T = 15 o C =288K=59 o F 27
Soru: 20 o C de bulunan Azot molekülünün rastsal hızı nedir? Çözüm: Verilenler: T = 20 + 273.15 = 293.15 K İstenen: v =? m/s v = [ T / a mw 1/ 2 ] v = [293.15 /(4 10 5 28.01)] 1/ 2 = 511.5m / s Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Tabancının mermisinden çok daha hızlı. 28
Hal denklemi- İDEAL GAZ DENKLEMİ P = ρ R d T (Kuru hava için) T v = T ( 1+ 0.61 r) (Virtüel sıcaklık) P = ρ R d T v (Nemli hava için) R d 1 = 287.053J K kg 1 r: karışma oranı [g su buharı /g kuru hava ] 29
Eğer hava içinde hem sıvı hem de su buharı ikisi birden varsa Virtüel sıcaklık T v = T ( 1+ 0.61 r rl ) r L : sıvı-su karışma oranı [g sıvı su /g kuru hava ] 30
Soru: Ortalama (standart) basınç ve yoğunluk kısıtında, yer seviyesinde kuru hava sıcaklığı ne olur? Çözüm: Verilenler: P = 101.325 kpa, ρ = 1.225 kg/m 3 İstenen: T =? K T P= ρ R T (1.225 288.2 d kg K m 15 o C T = P 101325 Pa ) (287 Pa /( ρ R d = 3 1 3 1 = = Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Daha önce üzerinde durulan standart atmosfer sıcaklığı ile uyuşmaktadır. K m ) kg ) 31
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 = 273.15 + 35 = 308.15 K r = (30 g subuharı /kg hava )(0.001kg/g) = 0.03 g subuharı /g hava T v = T (1 + = 313.6K 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 = 308.15(1 + 0.61 0.03) 32
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
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
Soru: Yere yakın seviyede, 100 m lik yüksekliğe çıkmakla ne kadarlık basınç düşer? Çözüm: Verilenler: ρ = 1.225 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) = -1200 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
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.
Soru: Aşağıda verilen sıcaklıklara göre, 100 kpa ile 90 kpa arasındaki kalınlık ne kadardır? P (kpa) T (K) 90 275 100 285 Çözüm: Verilenler: Tabakanın üst ve tabanındaki gözlemler. İstenen: z = z 2 - z 1 m? Havanın kuru olduğuna varsayarak, T v = (275 + 285) /2 ve hipsometrik denklemde yerleştirirsek, z = z 2 z 1 = (29.3)(280)ln(100/90) = 856.7 m Kontrol: Birimler tamam. Fizik uygun. Tartışma: Böylece, bir uçakla 856.7 m yükseğe çıkmakla, yukarıda verilen sıcaklıklara göre 10 kpa basınç azalmasını ölçeriz. 37
Ünite 2 Radyasyon Doç. Dr. Hasan TATLI Konveksiyon Kondüksiyon Radyasyon Radyasyon 38
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
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 ) = 12.31 mb K -1 40 = 1.231 kpa K -1
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 = 1.225 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
RADYASYON İLKELERİ Radyasyon - Dalgalar Radyasyon nedir elektromagnetik dalgalar? Bir dalganın karakteristikleri -->> Dalga boyu Soru: Radyasyonun tipik dalga boyları nedir? Genlik 42
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
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
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
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 = 5.67 10 8 Wm -2 K -4 (Stefan-Boltzman katsayısı) T: Kelvin olarak cismin sıcaklığıdır. 47
Dünya ile Güneşi ele alalım. Güneşin dış çevresinde T = 6000 K dır. E = 5.67 x 10-8 Wm -2 K -4 (6000 K) 4 = 7.3 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) 4 = 390 Wm -2 Soru: Bir cismin sıcaklığı 2 katına çıkartılacak olursa, kaç kat fazla enerji yayar? Yanıt:? 48
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
Dalga boyu 50
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
Güneşin radyasyon eğrisini yakından inceleyelim Her dalga boyu bant içindeki yüzdelerine dikkat ediniz. 52
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
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
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
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
Solar Radyasyonun Dünya İle Etkileşimi 57
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
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
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
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
Bu resimde meteorolojik açıdan ne oluyor? Açıklayınız. 63