MET201 Atmosfer Termodinamiği Final için Çalışma Soruları 1. Nemli bir hava kütlesi bir dağ sırası ile karşılaşıyor ve yükselişi sırasında tersinemez (irreversible), güya adyabatik (pseudoadiabatic) bir süreç geçiriyor. Hava kütlesinin, dağın görece nemli tarafında yükselmeye başladığı noktada basıncı 800 hpa, sıcaklığı 20,6 o C, çiğlenme sıcaklığı ise 15,7 o C dir. Dağ sırasının zirvesindeki basıncı 610 hpa, dağın görece kuru tarafında indiği yerdeki basıncı ise 830 hpa dır. Bu süreci önce, en sondaki Skew T diyagramı üzerinde gösteriniz. a daki değişkenlerden, soruda değeri verilmemiş olanların değerlerini; süreç başlangıcı, ilk LCL, dağ zirvesi, yeni LCL ve iniş noktası için ayrı ayrı olmak üzere, Skew T diyagramı üzerinde bulunuz. Herhangi bir denklem kullanarak hesaplamanız gereken değişkenler varsa bunları da derste üzerinden geçtiğimiz denklemler yardımıyla hesaplayınız. a) Basınç, sıcaklık, çiğlenme sıcaklığı, çiğlenme depresyonu, ıslak hazne sıcaklığı, karışım oranı, doyma karışım oranı, bağıl nem oranı, potansiyel sıcaklık, denk potansiyel sıcaklık, ıslak hazne potansiyel sıcaklığı. Bakınız: Skew T no.1 1 ile gösterilen nokta sürecin başlangıç noktasıdır (hava kütlesinin dağa doğru yükselmeye başladığı nokta). 2 LCL, 3 dağ zirvesi, 4 yeni LCL, 5 hava kütlesinin indiği yerdir. 3 ile 4 aynı yerdedir çünkü süreç güya adyabatiktir, yani hava kütlesi yükseldikçe yoğuşan tüm su yağmur olarak (veya çevreye karışarak) hava kütlesini terk etmiştir, böylece hava kütlesi tekrar aşağıya inmeye başladığında içinde, buhar haline geçip onu doymuş halde tutacak sıvı su kalmamıştır... Hava kütlesinin aşağıya inmeye başladığı nokta yeni LCL seviyesidir, aşağıya inmeye başladığı anda bağıl nem oranı %100 den aşağı düşmeye, çiğlenme depresyonu artmaya başlar. 1 için: P = 800 hpa T = 20,6 o C T d = 15,7 o C, Çiğlenme depresyonu = T T d = (20,6 15,7) o C = 4,9 o C T w = 17 o C (yaklaşık, Normand yasasından) w = 14 g/kg w s = 19,5 g/kg RH = w/w s = 14/19,5 = %72 θ = 40 o C θ e = 84 o C θ w = 25 o C
2 için: P = 740 hpa T = 14,3 o C (yaklaşık) T d = T = T w = 14,3 o C w = w s = 14 g/kg RH = w/w s = %100 θ = 40 o C θ e = 84 o C θ w = 25 o C 3 ve 4 için: P = 610 hpa T = 7 o C (yaklaşık) T d = T = T w = 7 o C w = w s = 10,5 g/kg RH = w/w s = %100 θ = 49,5 o C (yaklaşık) θ e = 84 o C θ w = 25 o C 5 için: P = 830 hpa T = 33 o C T d = 12 o C, Çiğlenme depresyonu = T T d = (33 12) o C = 25 o C T w = 18,2 o C (yaklaşık, Normand yasasından) w = 10,5 g/kg w s = 40 g/kg RH = w/w s = 10,5/40 = %26 θ = 49,5 o C θ e = 84 o C θ w = 25 o C b) Dağ zirvesindeki bulut su içeriği ne kadardır (g/kg, yani sıvı suyun hava içindeki karışım oranı olarak ifade edilecek)? Neden? Süreç tam olarak güya adyabatik olduğu için tüm bulut suyu yağmur olarak düşmüş veya çevreye karışmıştır, dolayısıyla bulut su içeriği dağ zirvesinde sıfırdır. c) Dağ zirvesine kadar yağmış olan yağmur ne kadardır (g/kg, yani sıvı suyun hava içindeki karışım oranı olarak ifade edilecek)? Hava kütlesini terk eden sıvı suyun hepsinin yağmur olarak düştüğünü varsayınız. Adyabatik bulut su içeriğinin hepsi yağmur olarak yağmış olduğu için düşen yağmur g/kg (kg havada g su) olarak adyabatik bulut su içeriğine eşittir. Yani w 2 w 3 = (14 10,5) g/kg = 3,5 g/kg d) Hava kütlesinin yeni LCL si nerededir? Neden? Yeni LCL dağ zirvesindedir (3 ve 4 aynı) çünkü süreç güya adyabatiktir, yani hava kütlesi yükseldikçe yoğuşan tüm su yağmur olarak (veya çevreye karışarak) hava kütlesini terk etmiştir, böylece hava kütlesi tekrar aşağıya inmeye başladığında içinde, buhar haline geçip onu doymuş halde tutacak sıvı su kalmamıştır... Hava kütlesinin
aşağıya inmeye başladığı nokta yeni LCL seviyesidir, aşağıya inmeye başladığı anda bağıl nem oranı %100 den aşağı düşmeye, çiğlenme depresyonu artmaya başlar. e) Bu sürecin hangi aşamalarında hangi değişkenlerin korunduğunu belirtiniz (ve iyice öğreniniz). θ e ve θ w nın tüm süreç boyunca değişmediğini görüyoruz. 2. Bir hava parselinin sıcaklığı 23 o C, bağıl nem oranı %78, basıncı da 1000 hpa dır. Bu hava parseli önce kuru, sonra nemli adyabatik bir süreç sonunda 3000 metrelik bir dağın tepesine çıkıyor ve basıncı 700 hpa oluyor. Bu noktaya kadar yoğuşarak sıvı faza geçmiş suyun sadece 0,3 g/kg ı parsel içinde kalıyor (bulut su içeriği), geri kalan sıvı su yağmur olarak parseli terk ediyor. Parsel daha sonra dağ sırasının öteki tarafına, ilk baştaki basınç seviyesine iniyor. Bu süreci önce, en sondaki Skew T diyagramı üzerinde gösteriniz. a daki değişkenlerden, soruda değeri verilmemiş olanların değerlerini; süreç başlangıcı, ilk LCL, dağ zirvesi, yeni LCL ve iniş noktası için ayrı ayrı olmak üzere, Skew T diyagramı üzerinde bulunuz. Herhangi bir denklem kullanarak hesaplamanız gereken değişkenler varsa bunları da derste üzerinden geçtiğimiz denklemler yardımıyla hesaplayınız. a) Basınç, sıcaklık, çiğlenme sıcaklığı, çiğlenme depresyonu, ıslak hazne sıcaklığı, karışım oranı, doyma karışım oranı, bağıl nem oranı, potansiyel sıcaklık, denk potansiyel sıcaklık, ıslak hazne potansiyel sıcaklığı. Bakınız: Skew T no.2 1 ile gösterilen nokta sürecin başlangıç noktasıdır (hava kütlesinin dağa doğru yükselmeye başladığı nokta). 2 LCL, 3 dağ zirvesi, 4 yeni LCL, 5 hava kütlesinin indiği yerdir. 3 ile 4 aynı yerde değildir çünkü süreç tam olarak güya adyabatik değildir, hava kütlesi yükseldikçe yoğuşan tüm su yağmur olarak (veya çevreye karışarak) hava kütlesini terk etmemiştir, böylece hava kütlesi tekrar aşağıya inmeye başladığında içinde, buhar haline geçip onu doymuş halde tutacak sıvı su kalmıştır... Hava kütlesinin aşağıya inmeye başladıktan sonra içindeki sıvı suyun tamamının tekrar buhar haline geldiği nokta yeni LCL seviyesidir, bu noktadan itibaren bağıl nem oranı %100 den aşağı düşmeye, çiğlenme depresyonu artmaya başlar.
1 için: P = 1000 hpa T = 23 o C RH=%78 (bunlar verilmiş) w s = 18 g/kg (bunu Skew T den buluruz, T ye karşılık geliyor) RH = w/w s w = ws * RH = 18 * 0,78 = 14 g/kg (yaklaşık) O halde Skew T den T d = 19 o C Çiğlenme depresyonu = T T d = (23 19) o C = 4 o C T w = 20,5 o C (yaklaşık, Normand yasasından) θ = 23 o C θ e = 64 o C θ w = 20,5 o C 2 için: P = 940 hpa T = 18 o C T d = T = T w = 18 o C w = w s = 14 g/kg RH = w/w s = %100 θ = 23 o C θ e = 64 o C θ w = 20,5 o C 3 için: P = 700 hpa T = 7 o C T d = T = T w = 7 o C w = w s = 9 g/kg RH = w/w s = %100 θ = 37 o C (yaklaşık) θ e = 64 o C θ w = 20,5 o C 4 için: 3 ten 4 e (yeni LCL ye) inerken hava kütlesinin içinde yağmura dönüşmeden kalan suyun hepsi buharlaşarak hava kütlesini doymuş halde tutar, bu yüzden hava kütlesi, içindeki sıvı suyun hepsi buhara dönene kadar ıslak adyabatı takip eder. Hava kütlesinin karışım oranı 3 te 9 g/kg idi. Bunun üzerine 0,3 g/kg daha [soruda verilmiş] buhar gelecek (hava kütlesi aşağı inip adyabatik olarak ısınırken sıvı su buhara dönecek). Dolayısıyla karışım oranı 9,3 g/kg olana kadar ıslak adyabat takip edilir. w = w s = 9,3 g/kg. Buna karşılık gelen basınç seviyesi P = 720 hpa T = 8 o C T d = T = T w = 8 o C RH = w/w s = %100 θ = 36 o C θ e = 64 o C θ w = 20,5 o C
5 için: P = 1000 hpa T = 36 o C T d = 13 o C, Çiğlenme depresyonu = T T d = (36 13) o C = 23 o C T w = 20,5 o C (yaklaşık, Normand yasasından) w = 9,3 g/kg w s = 39 g/kg RH = w/w s = 9,3/39 = %24 θ = 36 o C θ e = 64 o C θ w = 20,5 o C b) Dağ zirvesindeki bulut su içeriği ne kadardır (g/kg, yani sıvı suyun hava içindeki karışım oranı olarak ifade edilecek)? 0,3 g/kg (soruda zaten verilmiş) c) Dağ zirvesine kadar yağmış olan yağmur ne kadardır (g/kg, yani sıvı suyun hava içindeki karışım oranı olarak ifade edilecek)? Hava kütlesini terk eden sıvı suyun hepsinin yağmur olarak düştüğünü varsayınız. Adyabatik bulut su içeriği = w 2 w 3 = (14 9) g/kg = 5 g/kg Eğer hiç yağmur yağmasaydı dağ zirvesinde (3 noktası) bu kadar bulut su içeriği olacaktı. Ama soruda sadece 0,3 g/kg bulut su içeriği kaldığı verilmiş. Dolayısıyla yağan yağmur 5 0,3 = 4,7 g/kg dır. d) Hava kütlesinin yeni LCL si nerededir? Neden? Yeni LCL 4 noktasındadır. e) Bu sürecin hangi aşamalarında hangi değişkenlerin korunduğunu belirtiniz (ve iyice öğreniniz). θ e ve θ w nın tüm süreç boyunca değişmediğini görüyoruz.
3. Görsel 3 te verilen sıcaklık profili üzerinde verilen noktaların hemen aşağısındaki ve hemen yukarısındaki tabakaların lokal kararlılık (duraylılık) durumunu belirtiniz. Nokta Aşağısı Yukarısı 1 Mutlak kararsız (süperadyabatik) Mutlak kararsız (süperadyabatik) 2 Mutlak kararlı Koşullu kararsız 3 Koşullu kararsız Doymuş nötr 4 Mutlak kararlı Doymuş nötr 5 Mutlak kararlı Doymamış nötr 4. Görsel 4 te verilen sıcaklık çiğlenme sıcaklığı profilini kullanarak, 850 830 hpa arasında kalan hava tabakasının potansiyel olarak kararsız olup olmadığını tespit ediniz. Eğer 850 den 830 a çıkıldığında denk potansiyel sıcaklık azalıyorsa bu hava tabakası potansiyel olarak kararsızdır. Artıyorsa, potansiyel olarak kararlıdır. Şekilde, bu tabakanın üst sınırının denk potansiyel sıcaklığının alt sınırından düşük olduğu, dolayısıyla tabakanın potansiyel olarak kararsız olduğu gösterilmiştir. (3 numaralı görseli kullanarak şekli orijinali ile karşılaştırabilirsiniz) 5. Görsel 5 te verilen sıcaklık çiğlenme sıcaklığı profiline sahip bir atmosferde yer seviyesinden (profillerin başladığı basınç seviyesi) kaldırılan bir hava parseli için konvektif yoğuşma seviyesini (CCL) ve konvektif sıcaklığı (T c ) bulunuz. CCL ve T c nin nasıl bulunacağı şekilde gösterilmiştir. (3 numaralı görseli kullanarak şekli orijinali ile karşılaştırabilirsiniz). CCL 780 hpa dadır, T c ise yaklaşık 27,5 o C dir. 6. Görsel 6 te verilen sıcaklık çiğlenme sıcaklığı profiline sahip bir atmosferde yer seviyesinde bulunan ve sıcaklığı yaklaşık 30,5 o C olan bir hava parselinin oluşturacağı bulut hangi seviyeler arasındadır? Şekilde gösterildiği gibi (3 numaralı görseli kullanarak şekli orijinali ile karşılaştırabilirsiniz) LCL ve EL (equilibrium level, denge seviyesi) arasındadır, yani yaklaşık 770 ve 175 hpa arasında. 7. Görsel 7 de verilen sıcaklık çiğlenme sıcaklığı profiline sahip bir atmosferde yer seviyesinde bulunan bir hava parseli yükselmeye zorlanıyor. Bu hava parseli için serbest konveksiyon seviyesi (LFC) ve EL nerededir? Bu hava parselinin LFC ye ulaşması için aşması gereken enerji bariyerine ve bu enerji bariyerini aştıktan sonra ortaya çıkarabileceği maksimum konvektif enerjiye denk alanları diyagram üzerinde gösteriniz.
Şekilde gösterildiği gibi (3 numaralı görseli kullanarak şekli orijinali ile karşılaştırabilirsiniz) LFC yaklaşık 750 hpa da, EL ise yaklaşık 193 hpa dadır. Aşılması gereken enerji bariyeri CIN (convective inhibition, konvektif kısıtlama), LFC den itibaren ortaya çıkacabilecek maksimum konvektif enerjiye de CAPE (convective available potential energy, mevcut konvektif potansiyel) denir. Bunlar da grafikte gösterilmiştir.