IARS İKLİM FİZİǦİ KIŞ OKULU DERS NOTLARI 2-6 ŞUBAT 2009 Feza Gürsey Enstitüsü İKLİM FİZİǦİ Prof. Dr. Levent KURNAZ BOǦAZİÇİ ÜNİVERSİTESİ DERS ASİSTANI : Şükrü Murat CEBECİ (Boğaziçi Üniversitesi) DERS NOTU ASİSTANLARI : Tuğba ÖZTÜRK GÖKGÖL (Boğaziçi Üniversitesi) Hamza ALTINSOY (Boğaziçi Üniversitesi )
İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER.............................. ii BÖLÜM BİR - İKLİM DEǦİŞİKLİǦİNE GENEL BAKIŞ.... 1 1.1 İklim nedir?.............................. 1 1.2 Güneşin Işınımı............................ 5 1.3 Atmosfer................................ 6 1.4 Okyanuslar.............................. 8 1.5 Atmosferdeki Işınımsal Transfer................... 10 1.6 Sera Etkisi............................... 11 1.7 Ozon Tabakası............................ 12 1.8 İklim gözlemleri............................ 13 1.9 İklimin Dengesi............................ 15 1.10 İklim Modellemesi........................... 16 BÖLÜM İKİ - DÜNYANIN ENERJİ MUHASEBESİ....... 20 2.1 Güneşin ışınımı ve dünyanın enerji muhasebesi........... 20 2.2 Güneşin genel özellikleri....................... 20 2.3 Işınım Yasaları............................ 22 2.4 Güneş Sabiti.............................. 25 2.5 Güneşin Tayfı............................. 25 2.6 Güneş Işınımının Atmosferdeki Emilimi............... 26 2.7 Gelen Güneş ve Giden Termal Işınım Arasındaki Denge...... 27 BÖLÜM ÜÇ - ATMOSFER...................... 32 3.1 Atmosfer................................ 32 3.2 Atmosferin bileşimi.......................... 33 3.3 Basıncın yükseklikle değişimi..................... 33 3.4 Dikey yöndeki sıcaklık profili..................... 36 3.4.1 Troposferdeki sıcaklık profili................. 36 3.4.2 Stratosferdeki sıcaklık profili................. 39 3.4.3 Gözlemlenen sıcaklık profili................. 40 ii
3.5 Atmosferin genel dolaşımı...................... 41 BÖLÜM DÖRT - BULUTLAR VE TOZLAR............ 46 4.1 Bulutlar ve Tozlar........................... 46 4.2 Potansiyel sıcaklık ve entropi..................... 47 4.3 Potansiyel enerji........................... 49 4.4 Nem.................................. 51 4.5 Nemli havanın termodinamiği.................... 52 4.6 Yoğunlaşma süreçleri ve bulut oluşumu............... 54 4.7 Yağmur damlalarının büyümesi................... 57 4.8 Aerosoller............................... 60 BÖLÜM BEŞ- OKYANUSLAR.................... 63 5.1 Okyanuslar.............................. 63 5.2 Okyanus ölçümleri.......................... 64 5.3 Tuzluluk................................ 66 5.4 Okyanusların Dikey ve Meridyonal Yapısı.............. 66 5.5 Okyanusların Durum Denklemi................... 69 5.6 Okyanusların Genel Döngüsü.................... 70 5.7 Coriolis Kuvveti............................ 70 5.8 Derin Okyanus Dinamikleri: Termohalin Döngü.......... 73 5.9 Yüzey Dinamikleri: Ekman Taşınımı ve Sverdrup Dengesi..... 77 BÖLÜM ALTI - IŞINIMSAL TRANSFER............. 82 6.1 Işınımsal transfer........................... 82 6.2 Siyah cisim ışıması.......................... 82 6.3 Atmosferin emilimi ve yayımı.................... 83 6.4 Atmosferik ışınımsal transfer..................... 85 6.5 Işınımsal transfer denklemi...................... 85 6.6 Işınımsal denge modelleri....................... 89 BÖLÜM YEDİ - SERA ETKİSİ................... 91 7.1 Sera Etkisi............................... 91 7.2 Şüpheler ve kesinlikler........................ 93 iii
7.3 Sera gazları.............................. 93 7.4 Enerji dengesi............................. 96 7.5 Basit bir sera modeli......................... 97 7.6 Daha iyi bir sera modeli....................... 98 BÖLÜM SEKİZ - OZON TABAKASI................ 103 8.1 Ozon tabakası............................. 103 8.2 Atmosferdeki UV ışıması....................... 103 8.3 Ozon üretimi............................. 104 8.4 Atmosferdeki ozon dağılımı...................... 106 BÖLÜM DOKUZ - İKLİME DUYARLILIK............ 109 9.1 İklime duyarlılık ve iklim değişikliği................. 109 9.2 Dünyanın yörüngesiyle ilgili değişiklikler.............. 110 9.3 Güneşin enerji çıktısındaki değişiklikler............... 113 9.4 Atmosferin bileşimindeki değişiklikler................ 114 9.5 Okyanus akıntılarındaki değişiklikler................ 116 9.6 Doğal sıcaklık salınımları....................... 119 BÖLÜM ON - İKLİM MODELLEMESİ............... 121 10.1 İklim modellemesi ve iklim tahminleri................ 121 10.2 Modeller ve tahminleri........................ 122 10.3 Değişik iklim dengeleri ve ani iklim değişiklikleri.......... 131 10.4 Algılama, dayandırma ve tahmin etme problemleri......... 132 iv
BÖLÜM BİR İKLİM DEǦİŞİKLİǦİNE GENEL BAKIŞ 1.1 İklim nedir? İklim bugün evden çıkarken ne beklediğimiz, hava durumu ise gerçekte ne olduğudur. Örneğin; bugün evden çıkarken hiç hava durumuna bakmayacak olsak, şubat ayında yağmur yağma ihtimali yüzde 50 civarında, kar yağma ihtimali yüzde 10 civarındadır, sıcaklığın da 7-8 derece olmasını bekleriz. Bu saydığımız şeyler esasında iklimle ilgilidir. Hepimizin en temel sorunlarından biri hiç kuşkusuz iklim değişikliğidir. İklim değişiyor ve bu iklim değişikliğinin bizi nereye götürdüğünü bilebilmemiz gerekiyor. Bir jeofiziksel sistemin günden güne, mevsimden mevsime, yıldan yıla olan değişikliklerinin ortalamasını aldığımızda iklimi elde ediyoruz. İklim çok fazla değişkene bağlıdır. İlkokulda öğrendiğimiz iklim tanımlarında bile iki tane parametreden bahsediyoruz. Örneğin; İstanbul un iklimi Akdeniz iklimi, yazları sıcak ve kurak, kışları ılık ve yağışlıdır. Bu iki parametreden biri ne kadar yağış aldığı, ikincisi de ne kadar sıcak olduğudur. Hatta iklimi gruplandırmamız gerekiyorsa en az üç parametre kullanmak zorundayız. İklimi belirlemekte sıcaklık ve yağışa ek olarak kullanılan diğer bir parametre de suyun ne kadar zamanda buharlaşacağıdır. Eğer tüm iklimi bir tek değişken ile ifade etmek istersek bu değişken sıcaklık olur. Sıcaklığın yanı sıra nem, yağış miktarı ve çeşidi, bulut miktarı ve rüzgarın yönü gibi verilerin ortalamaları da bize yardımcı olur. Örneğin; İstanbul da çoğu zaman lodos ve poyraz olmak üzere iki tane ana rüzgar vardır. İstanbul un günlük yaşamındaki iklimi belirleyen bu iki rüzgar yönüdür. Ancak aynı zamanda bizde ender görülen olayların (fırtınalar, kuraklıklar gibi) frekansları da gereklidir. 1
2 Şekil 1.1: İklim elemanları Hava durumu, yani yarın havanın nasıl olacağı bizim açımızdan önemli bir konudur. Günümüzde teknoloji o kadar ilerledi ki parametreleri uzaydan yapılan ölçümlerle elde edebiliyoruz. Meteoroloji esasında istatistiki bilgilerin toplamıdır ve o istatistiki bilgilerin birbirleriyle olan alakasıdır. Örneğin; Amerika da 2 Şubat günü Groundhog Day diye bilinir. Bu günde sabah güneş doğarken insanlar toplanarak Phil adı verilen bir porsuğun yuvasından çıkmasını gözlerler, Phil yuvasından çıktığında güneş doğarken çevresinde güneş ışığı görecek olursa bu 5 hafta daha kış olacak demek oluyor, eğer güneş ışığı görmeyecek olursa kış daha kısa sürecek demek oluyor. Bu tarihsel istatistik mekanizmasının basit bir örneğidir. Aslında bu da şu demek olur: Bu sabah İstanbul da hava güneşliyse bundan birkaç zaman sonra ne olacağını tahmin edebiliriz, diye istatistiki bir bilgi vardır. Hava durumu tahmini sadece birkaç gün sonrası için mümkündür, süre
3 yaklaşık olarak üç haftanın üzerine çıktığında iklime dayalı tahminlerle ölçümlere dayalı hava durumu tahminlerinin başarı şansı eşittir. Dolayısıyla insanlığın çalışmakta olduğu önemli bir alan o hava durumlarını geliştirmektir; ama hava durumu tahminleri bir noktada tıkanan bir konu. Ne kadar iyi tahminde bulunursanız bulunun, ne kadar iyi bilgisayarlarınız olursa olsun, bunun dayandığı yer yaklaşık üç haftadır. Yani şu anda olan bilgisayar sistemleri 10 kat daha iyi olacak olsa, bu süre iki gün daha artar. Üç haftayı arttırmak gerçekten çok kolay değildir. Fakat örneğin; İstanbul da 2 Şubat tan üç hafta sonra 23 Şubat ta sabah dokuzla on arasında yağmur yağacak, dersek bu epey iddialı bir tahmin olur. Bunun yerine 23 Şubat ta İstanbul da yağmur yağma ihtimali yüzde 50 dir, dersek bu epey daha kuvvetli bir tahmin olur. Buna karşılık Marmara bölgesinde 23 Şubat ta yağmur yağma ihtimali yüzde 90 dır, desek çok daha iyi bir tahmindir; hatta daha da geliştirip 23 Şubat haftası Türkiye de bir yerde yağmur yağıyor olacak, dersek bu artık neredeyse kesindir. Dolayısıyla baktığımız alanı ve ortalama aldığımız süreyi genişletecek olursak tahmindeki başarı şansımız artar. Bunun için ilk yapılması gereken bugünü anlatan modeller kurmaktır, bu modeller eğer geçmişten bugüne nasıl geldiğimizi başarı ile açıklayacak olurlarsa ilerleme şansımız olabilir. Eğer hava durumu tahminlerinde zorlanıyorsak bu bizim iklim tahminlerinde de zorlanacağımız anlamına gelmez, iklim tahminleri çok çok daha sağlıklı yapılan tahminler olabilir; ama iklim tahminleri hiçbir zaman 23 Şubat ta yağmur yağacak diyemez. İklim tahminleri, daha büyük zaman ve mekanların ortalamalarında tahminler verir. Bilimin değişik alanlarından destek olan bu çalışmalar için iki temel unsur önemlidir: Temelinde yatan fiziği anlamak ve sağlıklı ölçümler yapabilmek. Bütün dünyanın iklimine baktığımızda pek çok faktör var. Bu faktörlerin en önemlisi güneş ve güneşten ne kadar ışık geldiğidir. Bunun dışındaki her faktör ikincildir. Bundan sonra söyleyebileceğimiz faktör de dünya yüzeyinin güneş ışığını ne kadar yansıttığıdır. Bu yansıtma zamanla değişebilen bitki ve kar örtüsüne bağlıdır. Orman arazisi ile tahıl ekili arazinin ya da kayalık bir bölgenin ışığı yansıtması farklı oranlardadır. İklim sistemi kaotiktir ve birbiri ile etkileşen pek çok iç içe döngüden oluştuğu için
4 kaotik davranış göstermesi doğaldır. Burada sistemin kaotikliğinden anladığımız, başlangıç parametreleri ne derece iyi ölçülürse ölçülsün davranışının belirli bir süre önceden kesinlikle tahmin edilememesidir. Yani sisteme bir başlangıç parametresi seti verildiğinde sistemin nasıl davranacağı kesinlikle bilinebiliyorsa bu sistem kaotik değildir; ama o başlangıç parametresi setindeki ufak bir değişiklik bile bizi daha değişik bir sonuca yönlendiriyorsa bu sistem kaotiktir. Bu ufak değişikliğin ölçüsünü bilemeyiz. İlk anda aklımıza kelebek etkisi gelebilir; ancak kelebek etkisi iklimle değil, daha çok hava durumuyla ilgili bir konudur. Yani, teoride Amazon da bir kelebeğin kanat çırpması, bundan birkaç hafta sonra New York ta kar veya yağmur yağması arasındaki farkı yaratabilir. Bu kabul edilebilir; fakat bir kelebeğin kanat çırpmasının bundan 100 sene sonra deniz seviyesindeki değişikliğe yapacağı etki çok daha zor hesaplanabilen bir olgudur. Dolayısıyla iklim değişikliği ile ilgili başlangıç noktamız da temelde budur: Bireysel olarak kişilerin davranışları iklimi etkiler mi? Başlangıç durumlarında yaptığımız ufak bir değişikliğin sonucunda büyük etkileri olabiliyor. Ancak zaman içerisinde iklim sisteminin yarı-dengeli yapı gösterdiği görülmüştür. Yarı-dengeliden kasıt mümkün düzensizliklerde sistemi denge noktasına getiren kuvvetlerin aşılarak yeni ve farklı bir denge noktasına gidilebilmesidir. Bu zorlukların aşılması için problemin çok iyi tanımlanması, matematiksel formüllerle tanımlanan bir fiziksel problem haline getirilmesi ve sonunda da geleceği tahmin etmek için kullanılabilmesi gerekmektedir. Ayrıca modellemelerin üstünde sağlıklı ölçümler gerekiyor. Dolayısıyla bu konuda birçok bilim dalının ortak çalışması gerekiyor. Ölçümlerin daha sağlıklı olabilmesi için elektronik cihazlar ve bu cihazların herhangi bir insana gerek duymadan direkt olarak uydu haberleşmesiyle çalışması gerekiyor.
5 1.2 Güneşin Işınımı Dünyanın iklimini belirleyen ana kaynak güneşin yaydığı ışınımdır. Güneşin yaydığı ışınım yüzde 1 değişecek olsa hepimiz farklı bir dünyada yaşıyor olurduk. Dolayısıyla güneşteki değişikliklerin çok büyük bir kısmı yüzde birin altındaki değişikliklerdir. Güneşten dünyaya 1.37 kw/m 2 enerji ulaşır. Dünyanın ortalama sıcaklığı yaklaşık 15-16 derecedir ve bu ortalama sıcaklık 4 milyar yıldır 6 ile 26 derece arasındadır. Bu bilgimizin temel kaynağı yaşamın varlığıdır. Yaşamın olması için yeryüzünün ne çok fazla sıcak ne de çok fazla soğuk olmaması gerekiyor, aksi halde yaşam mümkün olmazdı. Atmosferin bundan çok daha sıcak olduğu zamanlar da olmuştur, çok daha soğuk olduğu zamanlar da. Ancak güneşin verdiği enerji yüzde 3 artacak olsaydı, ortalama sıcaklık 16 derece değil 36 derece olurdu. Peki, iklim nereden çıkıyor? Güneşin yaydığı enerji uzun zaman birimlerinde değişse de iklimi ilgilendirdiği kadarı ile bu enerji sabittir. Güneşin ışınım miktarındaki tek basit değişim, 11 yıllık bir devire sahip olan güneş lekeleridir. Dünyanın güneş etrafındaki yörüngesinin tam olarak yuvarlak olmaması dünyanın değişik mevsimlerde farklı miktarlarda enerji almasına sebep olur; ancak bu fark mevsimleri yaratan ana olgu olan dünyanın eksen eğikliği ile kıyaslandığında çok daha küçük bir etkiye sahiptir. Dünyanın Güneş etrafındaki yörüngesi eliptiktir ve bu elipsin eliptikliği zaman içersinde değişir. Dünyanın eksen eğikliği de 22.1 derece ile 24.5 derece arasında değişir. Eliptikliğin değişme periyodu 100, 000 sene, eksen eğikliğinin değişme periyodu da 41, 000 senedir. Dönen topacın yalpalamasında olduğu gibi dünya da kendi etrafında ve güneş etrafında dönerken yalpalar. Yani dünyanın ekseninin uzayda baktığı nokta 19, 000 ve 23, 000 senelik periyotlarla değişir. Bütün bunları hesaba kattığımızda mevsimlerin şu anda gördüğümüz halleri oluşuyor ama mevsimlerden daha öteye bir iklim değişikliğinin hangi durumlardan hangi durumlara geldiği dünyanın hareketleriyle belirleniyor. İklimleri belirleyen bir diğer önemli faktör de dünyanın aklığıdır (albedo). Dünya ortalama olarak kendisine ulaşan ışınımın yüzde 30 unu uzaya geri yansıtır, yaklaşık olarak yüzde 20 si bulutlar tarafından emilir, geri
6 kalan yüzde 50 si de toprağa gider. Aklık dünyanın ne kadarının bulutlarla kaplı olduğunun bir fonksiyonu olduğu için ölçülmesi çok zordur ve uzaya pek çok ölçüm aletleri konulmasını gerektirir. Sene boyunca %20 ye yakın değişiklik gösteren aklığın uzun dönümlerle de değişiyor olması olasıdır. Şekil 1.2: Dünyaya ulaşan ışınım Sonuç olarak dünyanın sıcaklığı uzun vadelerde bile değişmediğine göre dünyaya düşen enerji miktarı ile dünyanın saldığı enerji miktarı birbirine eşit olmalıdır. Güneşin yaydığı ışınım sabit olduğu sürece iklim değişikliği söz konusu olsa bile bu kaçınılmaz bir gerçekliktir. 1.3 Atmosfer Dünya atmosferinin nereden geldiği ciddi önemli bir sorudur; çünkü nereden geldiği bize biraz nereye gideceği konusunda da bilgi verecektir. Dünya atmosferi temelde yanardağlardan püsküren gazlardan oluşmuştur ve ilkel karışımı bugün de yanardağlardan püsküren gaz karışımının benzeridir. İlkel atmosfer H 2 O, CO 2, SO 2 ve uzayda bol bulunan NH 3 ve CH 4 den oluşmuştur. Fotosentez yapan canlıların üremesiyle O 2 açığa çıkmış ve atmosfer günümüzdeki halini almıştır. Şu anda atmosferin yaklaşık olarak beşte dördü azot, beşte biri oksijendir. Geri kalan kısmında bol miktarda argon ve diğer gazlar vardır. Mesela 2008 yılı itibariyle
7 atmosferdeki karbondioksit miktarı 385 ppm ve her sene insanlar yüzünden karbondioksit miktarı 2 ppm artıyor. Dünyanın atmosferi H 2 O, CH 4 ve daha ağır gazları rahatça tutabilir; ama H 2 ve He gibi hafif gazlar uzaya kaçarlar. Dolayısıyla bizim atmosferimizde H 2 ve He gazı yoktur. Atmosferin en alt tabakası 10 km kalınlığındaki troposferdir. Burada ısı konveksiyon ile yayılır, yani ısınan hava yükselir. Her kilometrede sıcaklık 8 derece azalır. Troposferin sonunda sıcaklığın değişmediği tropopoz isimli bir katman vardır. Atmosferde ısınan gazlar tropopoza kadar yükselirler, tropopozun üstünde o bölgeden itibaren ısı transferi ışımayla olur. Yani tropopoza kadar ısınan gazlar yükselirler, buradan sonra gazlar eğer yukarı çıkıyorlarsa, difüzyonla çıkarlar. Örneğin; bardaktaki çaydan buhar yükselmesi konveksiyon, bardağa mürekkep damlatacak olsak mürekkebin yayılması difüzyondur. Daha yükseklerde sıcaklık artmaya başlar, bunun da temel sebebi ozon gibi güneşin morötesi ışınlarını emen gazların çokluğudur. Ozon, güneşin mor ötesi ışınlarını emdiği için kendisi ısınır ve atmosferi ısıtır. Dolayısıyla o bölge nerdeyse yaklaşık yüzey sıcaklığına yakın bir sıcaklıktadır. Bu bölgeye stratosfer denir. Yerden 50 km yükseklikte ısınma sona erer ve sıcaklık gene sabitlenir, bu bölgeye de stratopoz adı verilir. Bunun üzerinde gazların yoğunluğu azaldığı için güneşten gelen enerjinin de emilimi azalır ve sıcaklık -100 C civarına kadar düşer, bu bölgeye de mezopoz diyoruz. Daha sonra da ısınmaya başlar, bu ısınma güneşe kadar devam eder. Bildiğimiz atmosferik olayların pek çoğu sadece atmosferin en alt tabakalarında gerçekleşse de hem alt hem de orta tabakaları iklim açısından önem taşır. Atmosferin ana ortakları N 2 ve O 2 miktarları genelde sabittir. Ancak azınlıkta olan gazların oranları değişebilir ve bu değişiklikler iklim fiziğinde önemli rol oynarlar. Azınlıktaki gazların başında H 2 O gelir. Su buharı iklimde en önemli gazdır, hatta sera etkisi açısından karbondioksitten üç kat daha önemlidir ve kızılötesi ışınımı engellediği için sera gazlarının en önemlisidir. Atmosferdeki su buharı miktarına insanoğlu hiçbir şey yapamaz. Atmosferin sıcaklığı ve basıncı ne kadar su buharı tutabileceğini belirler. İnsanoğlu atmosferin basıncını değiştiremeyeceğinden sadece
8 Şekil 1.3: Atmosferdeki sıcaklık profili sıcaklığını değiştirebilir. Sıcaklığını değiştirildiği zaman su buharı miktarı da sıcaklıkla beraber değişir. Bu açıdan bakıldığında, atmosferde önemli iki tane sera gazı vardır, karbondioksit ve metan. Atmosferin sıcaklığı sadece yükseklikle değil, aynı zamanda mevsimlerle ve enlemlerle de değişir. Stratosferin ve tropopozun sıcaklığı çeşitli yerlerde dünya üzerinde çeşitli mevsimlerde farklı olabilir. 1.4 Okyanuslar Dünyanın %71 i sularla kaplıdır. Buna %6 buzlarla kaplı olan kısmı da dahildir. Suyun ısı sığası atmosferin ısı sığasından çok çok yüksek olduğu için okyanuslarda atmosferden çok daha fazla enerji depolanır. Bunun sonucu olarak bizim yaptığımız herhangi bir değişiklik dünya tarafından çok daha yavaş algılanır. Bu aslında dünya için iyi bir şeydir; çünkü eğer biz şu anda gerçekleştirmekte olduğumuz iklim değişikliğini dünya yüzeyinde hiç su olmadan gerçekleştirseydik yaklaşık olarak dünyanın sıcaklığı ortalama 3 derece artmış olurdu. Bu kadar artmamasının temel sebebi çıkan fazla ısıyı okyanusların yavaş yavaş emmesidir.
9 Ayrıca okyanuslar sadece ısıyı değil karbondioksiti de emerler. Bu depoladığı enerjiye ek olarak denizlerin üst 3.2 m derinliğindeki ısı miktarı atmosferin tüm enerjisi kadardır. Güneşin yaydığı ısının çoğu ekvator bölgesine, azı da kutuplara varır. Eğer ekvatordan kutuplara hiçbir şekilde ısı yayılımı olmayacak olsa ekvator olduğundan daha sıcak, kutuplar da olduklarından çok daha soğuk olurdu. Dolayısıyla ekvatordan kutuplara doğru olan ısı transferinin yarısı atmosfer yarısı da okyanuslar vasıtasıyla olur. Okyanuslardaki bu dolaşım sadece sıcaklığın değil aynı zamanda tuzluluk oranının da bir fonksiyonudur. Okyanuslardaki büyük dolaşım sıcaklık ve tuzluluğun ortak çalışmasıyla oluşmaktadır. Örneğin; İstanbul Boğazı ndaki net akıntı sıfırdır, sıfır olmayacak olsa Karadeniz yükselir. Yaklaşık 11, 000 sene önce göl olan Karadeniz, boğazların açılması ile şimdiki halini almıştır. Boğazda yüzey akıntısı Karadeniz den Marmara ya doğrudur. Marmara Denizi daha sıcak olduğu için Marmara nın sularının daha üstte olmasını bekleriz. Ama tersi gerçekleşir; çünkü bu olay sadece sıcaklığa bağlı değildir, tuzlulukla sıcaklığın bir dengesi sonucu oluşur. Bir zaman sıcaklık dengesi ya da özellikle tuzluluk dengesi hafif bozulacak olursa, iki deniz kafa kafaya gelir ve İstanbul Boğazı akıntı olmayacağından çöplüğe döner. Boğazın temiz olmasının sebebi bu akıntının olmasıdır. Bu tür dolaşımların bozulması geçmişte görülen buz çağlarına neden olabilir. Denizler hidrolojik döngünün de merkezinde yer alırlar. Mesela dünyaya senede düşen 500 trilyon ton yağmurun %80 i denizlere düşer. Atmosferdeki su buharı miktarı bulutların oluşmasını, bulutların oluşması yağmuru, yağmur akarsularla denize ulaşan tuzsuz su miktarını, denizlere ulaşan tuzsuz su miktarı da okyanuslardaki döngü ile atmosferin sıcaklığını ve dolayısıyla ne kadar su tutacağını belirleyerek bulutları oluşturur. Bunların hepsi esasında çok önemli bir döngüdür, dolayısıyla dünya ikliminin herhangi bir değişkeninden bir tanesidir. Dünyada başka çevrimler de vardır, bunlardan bir tanesi El Nino çevrimidir. El Nino çevrimi Pasifik Okyanusu nun güneydoğusundaki yani Güney Amerika nın kıyısındaki bir deniz akıntısının değişmesine verilen isimdir. Bu tür çevrimler dünyanın iklimini belirlemenin yanı sıra uzun süreli hava tahminlerinin de temelini oluştururlar. Üç beş ay önceden yapılan birtakım tahminlerin
10 yapılabiliyor olması ve doğruluğu bu büyük okyanus akıntılarındaki değişikliklere bağlıdır. Kuzey Atlantik te de El Nino ya benzer bir döngü vardır, o bizim açımızdan daha önemlidir, çünkü Türkiye de yazların ne derece yağışlı geçeceğini belirleyen Kuzey Atlantik deki döngüdür. Aynı zamanda dünyada salınan CO 2 miktarının yaklaşık olarak 1/3 ü okyanuslar tarafından emilir. Suyun ne kadar karbondioksit emdiği sıcaklığın bir fonksiyonudur. Ancak suda çözünen CO 2 miktarı artan sıcaklıkla azaldığı için gelecekte bu davranış biçiminin ne derece süreceği belirsizdir. Atmosferdeki karbondioksit miktarı ile sudaki karbondioksit miktarı dengededir ve bu dengeyi sağlayan şey suyun yüzey sıcaklığıdır. Fakat belirli bir sıcaklık limitinin üstüne çıktığımızda okyanuslar tuttuğu karbondioksiti de dışarı vermeye başlayacaktır. 1.5 Atmosferdeki Işınımsal Transfer Atmosfer ve okyanuslar dünyaya güneşten ulaşan enerjinin transferi için gördüğümüz ilk yoldur. Işınımsal transfer de dünyadaki enerji transferi için ikinci önemli yoldur. Troposferin üstüne çıktığımızda sıcaklık ışınımsal transfer ile iletilir. Işınımsal transferi güneş ve dünya diye ikiye ayırabiliriz. Güneşin ışınımı kısa (0.2-5 mm) dalga boylarındadır (UV mor ötesi, görünür ve yakın IR), dünyanın ışınımı da uzun (5-100 mm) dalga boylarındadır (termal IR). Bütün cisimler ışıma yaparlar ve yaptıkları ışıma sıcaklıklarının bir fonksiyonudur. N 2 ve O 2 dışında atmosferi oluşturan gazlar genelde kısa dalga boylarında geçirgendir, uzun dalga boylarında ise pek çok dalga boyu aralığında ışınımı geçirmezler. N 2 ve O 2 neredeyse güneşten gelen bütün ışıma için geçirgendir. Hatta dünyadan çıkan ışımaya da hiçbir etki yapmazlar. Ama ona karşılık karbondioksit, su buharı, metan, azot oksitler, CF C dediğimiz ozonu bozan gazlar güneşten gelen ışıma için geçirgendirler; ama dünyadan çıkan ışıma için geçirgen değildirler.
11 Şekil 1.4: Işınımsal Transfer 1.6 Sera Etkisi Sera etkisi atmosferin dünyanın enerji dengesini değiştirmesine verilen popüler isimdir. Sera etkisi aslında iyi bir şeydir. Eğer dünyanın sadece azot ve oksijenden oluşan bir atmosferi olsaydı, dünyada ortalama sıcaklık -15 derece olurdu. Cam veya ışığı geçiren bir plastikle kaplı olan bir sera nasıl içeri giren ışınımın dışarıya termal IR olarak çıkmasına izin vermezse atmosfer de içeriye giren güneş ışınımının dışarıya kaçmasına engel olur. Yazın güneşte bırakılan arabanın içinin daha sıcak olmasının ana sebebi güneş ışığının camdan içeri girip, içeriyi ısıtıp, ısınan yüzeyin termal kızılötesi ışıma yaptığında bu ışımanın dışarı çıkamamasıdır. Bizim atmosferde sera etkisi dediğimiz bu olaydır. Yani güneşin ışınımı atmosferden içeriye giriyor, dünya yüzeyini ısıtıyor ve termal kızılötesi olarak dışarı çıkmaya çalıştığı ana yüzeyin üstündeki karbondioksit, su buharı, metan gibi gazlardan oluşan tabaka ışınımın dışarı çıkmasını zorlaştırıyor. Ancak buna ek olarak doğadaki seralar konvektif ve iletimsel ısı transferine de izin vermezler; ama bu atmosfer için söz konusu değildir, çünkü atmosferde ısınan hava yükselebiliyor, sadece bazı gazlar atmosferin ışımayla ısı transferini engelliyor. Dünyaya gelen ışınımla dünyanın yaydığı ışınım eşit olacağı için (dengede bir dünya düşünürsek),
12 dünya güneşten aldığı UV, görünür ve yakın IR ışınımı ya yansıtmak ya da emdikten sonra termal IR olarak yaymak zorundadır. Dünya, üzerine düşen ışınımın yaklaşık %30 unu geri yansıtır, %70 ini ise termal IR olarak yayar. N 2 ve O 2 termal ışınımı tamamen geçirseler de atmosferdeki H 2 O, CO 2, SO 2, O 3 ve CH 4 gibi gazlar atmosferde bulunma oranlarına bağlı olarak termal ışınımı geçirmezler. Şu anda dünyaya giren enerji miktarıyla çıkan enerji miktarı arasındaki fark her metre kareye 0.8 watt tır. Bu gazların atmosferdeki varlıkları dünya sıcaklığının şu andaki değerinde olmasında başrolü oynarlar. Eğer bu gazlar atmosferde hiç bulunmayacak olsalar, atmosferin sıcaklığı şu anda olduğundan 30-35 K daha soğuk olurdu. Bu da dünyanın tamamının buzlarla kaplanması anlamına gelir. Ancak benzer şekilde atmosferdeki miktarı endüstriyel devrim öncesinde 270 ppm (milyonda tane) olan CO 2 miktarının iki katına çıkmasının o zamanki miktarın sebep olduğu 30-35 K ısınma ile kıyaslanması, sera etkisinin günümüz atmosferindeki önemini gözler önüne sermeye yeterlidir. Burada lineer bir ilişki kurmak sakıncalıdır, çünkü iklim sisteminde hiçbişey lineer değildir ve atmosferin sıcaklığını belirleyen tek faktör CO 2 miktarı değildir. 1.7 Ozon Tabakası Diğer konularla kıyaslandığında ozon tabakası ve ozon tabakasındaki incelme iklimi daha az etkileyen konulardan biridir. Ancak ozon, hem dünyadaki canlıları güneşin zararlı UV ışınlarından koruduğu için, hem stratosferde güneşten gelen UV ışınlarını emerek stratosferin sıcaklığını belirlediği için, hem de hızlı kimyasal reaksiyona girdiğinden atmosferdeki miktarı pek çok faktöre bağlı olarak değiştiği için atmosfer fiziği açısından önemlidir. Atmosferdeki ozon miktarının %90 ı stratosferde bulunur ve ozon miktarı yerden 25 km yükseklikte en yüksek değerine ulaşır; çünkü ozonun oluşmasıyla yok olması arasında bir denge vardır ve ışımadan dolayı en fazla o noktada üretilebilir. Ozonun %10 luk kısmı yer yüzeyinde bulunur ve bu aslında insanlar için zehirli bir gaz olduğundan kötü ozon diye ad-
13 landırılır. Ozon 0.24 mm den küçük dalga boyuna sahip olan, yüksek enerjili UV ışınımın O 2 moleküllerine çarpması sonucu oluşur. Benzer dalga boyları aynı zamanda ozonun bozunmasına da sebep olduklarından ozon sadece yerden belirli bir yükseklikte yoğunlaşır. Ozonla reaksiyona girip ozonun bozunmasına sebep olan maddelerin endüstri devrimi ile artması ozon tabakasında incelmeye sebep olmuştur. Bu maddelerin başında kloroflorokarbonlar (CF C) ve hidrokloroflorokarbonlar (HCF C) gelir. Bu gazlar endüstrinin pek çok alanında kullanılmaktadırlar. 1970 lerin sonunda insanlar ozon tabakasındaki incelmenin kötü olduğuna ve bunu durdurmak gerektiğine karar verdiler. 1982 yılında Montreal Protokolü imzalandı. Neredeyse bütün dünya ülkeleri tarafından bu protokol imzalandı, Türkiye de yaklaşık 2008 in sonuna kadar atmosfere saldığı bütün CF C miktarını sıfırlayacağına dair taahhüt verdi. CF C lerin kullanımı Montreal Protokolü ile yasaklanmış olmasına rağmen ozona daha az zarar veren ama çok daha güçlü sera gazları olan HCF C lerin kullanımı serbestçe sürmektedir. 1 tane HCF C molekülü 1 karbondioksit molekülü ile kıyaslandığında 23, 000 kat daha fazla zararlı sera gazıdır. Karbondioksit gazının üretilmesi de tüketilmesi de çok kolaydır. Karbondioksit molekülü atmosfere çıktığı anda fotosentezle emilmekte veya daha da önemlisi yağmur yağdığı zaman karbonik asit olarak yere geri inmektedir. Yani karbondioksit atmosferde sonsuza kadar kalamaz. Ama CF C ler yağmurla hatta fırtına bile olsa, suyla etkileşimleri olmadığı için o kadar kolay yere inemiyorlar. Dolayısıyla bu moleküllerin sera etkisi karbondioksitten çok daha fazladır. 1.8 İklim gözlemleri İklim konusunda doğru sonuçlara ulaşabilmek için her zaman doğru ölçümler yapmak gereklidir. Ancak söz konusu olan dünya atmosferinin tümü ise bu ölçümleri yapabilmek bile fizikte yeni ve zorlu bir alan yaratmıştır. Bu alan bir yandan kompleks, zamana bağımlı ve değişik boyutlarda çalışma gereksiniminin
14 Şekil 1.5: Ozon Tabakası yanı sıra çok kısa ve çok uzun zaman birimlerinde eş zamanlı ölçümler yapabilme zorunluluğunu da birlikte getirmiştir. Dünyasal büyüklükle çalışma gereği bu ölçümlerin pek çoğunun uzaydaki uydular aracılığıyla yapılmasını mecbur kılmıştır. Mesela iklim modellemesinde kilit konulardan biri olan bulutların etkisi ancak bu yolla araştırılabilir. Bulutlar sadece belirli sürelerde aynı şekli korudukları için uzaydan şekli belirlenen bulutların altından ve üstünden uçurulacak olan uçakların her iki yönde de alacakları ölçümler bulutların gerçekçi bir şekilde modellenmesine katkıda bulunurlar. Öte yandan uzaydan yapılan ölçümler başka sorunlar çıkarıyor karşımıza, sıcaklığa yukarıdan baktığımızda sadece bir noktadan bakabiliyoruz ama orada bir atmosfer kalınlığı var, bu atmosfer kalınlığında da ölçüm yapabilmemiz gerekiyor. Ayrıca iklim açısından büyük önem taşıyan denizlerin sıcaklığını uzaydan ölçemiyoruz; çünkü uzaydan yapılan ölçümler bize denizin sadece en üst üç metresinin sıcaklığını veriyor. Dolayısıyla sağlıklı iklim modellemelerinin yapılabilmesi için bu ölçümlerin ve gözlemlerin çok daha
15 ilerlemesi gerekiyor. 1.9 İklimin Dengesi Yaşamın dünya üzerinde milyarlarca yıldır var olması dünya ikliminin dengeli olduğunun en önemli göstergesidir. Yaşam genelde çok küçük bir sıcaklık aralığında var olabildiğine göre dünyamız epey bir süredir ne şu andakinden çok daha fazla sıcak ne de çok daha fazla soğuk olmuştur. Uzaydan yapılan ölçümler son birkaç on yılda, yüzeyden yapılan ölçümler de son birkaç yüzyılda yapılabildikleri için daha önceki iklim tahminleri için dolaylı yollara başvurmak gerekir. Mesela Antarktika daki buzulu delip yaklaşık iki kilometrelik kalıp çıkardığımızda en alttaki yaklaşık 600, 000 sene önce yağan kara ulaşabiliyoruz. Onun içerisindeki karbondioksit miktarı bize 600, 000 sene önce atmosferdeki karbondioksit miktarını veriyor. Dolayısıyla gayet net olarak 600, 000 sene öncesinin sıcaklığını ölçebiliyoruz. Ağaç halkalarının kalınlıklarını ölçerek yaşlarını da tayin edebiliyoruz. Ancak bu değişik metotların tümü birbiri ile uyum sağlamaktadır; birlikte verdikleri sonuç da dünyanın sıcaklığındaki oynamanın geçtiğimiz bir milyon yılda bugünkünden 5 K den daha fazla farklı olmadığı yönündedir. Şu anda dünyanın iklimine baktığımızda üç tane denge noktası var. Bu üç denge noktasından biri dünyanın tamamen buzlarla kaplanmasıdır ve bu denge noktası kararlı olup gerçekleşmesi de gayet mümkündür. Dünya bu denge noktasına gittiği zaman bütün dünya buzlarla kaplanır ve öyle kalır. İkinci denge noktası dünyanın bütün buzlarının erimesidir, bu denge noktası da kararlıdır. İki denge noktasında da yaşam olması mümkündür ve dünyanın geçmişte bu iki denge noktasından da geçtiği görülmektedir. Kararlı dengeleri bozmak için katastrofik olaylar gerekir. Örneğin; gök cismi çarpması veya volkan patlaması gibi. Bizim şu anda bulunduğumuz nokta da üçüncü denge noktasıdır. Kısmi olarak buz vardır, ama bu kararlı bir denge noktası değildir. Dünya sıcaklığındaki 19, 000, 23, 000, 41, 000 ve 100, 000 yıllık periyotlara sahip bu salınımlar genelde dünyanın güneş
16 etrafındaki yörüngesindeki değişikliklerle açıklanabilirler. Dünyanın her noktasında aynı anda görülmemiş olan sıcaklık değişikliklerini de okyanus akıntılarındaki değişikliklere bağlamak mümkündür. 1.10 İklim Modellemesi Temelde dünya iklimi için iki kararlı durum mümkündür. Bunlardan biri dünyanın tamamen buzlarla kaplanması, diğeri de tüm suyun buharlaşarak dünyanın Venüs benzeri bir hal almasıdır. Venüs te sıvı su yoktur ve Venüs ün yüzey sıcaklığı yaklaşık 400 derecedir. Dünyayı bu iki durumdan birine gitmekten alıkoyan pek çok geri besleme döngüleri vardır. İklim modellemesi de temelde bu döngülerin iyi anlaşılabilmesi ile mümkün olabilir. Bu döngülerin anlaşılması günümüz fiziğinin en zor konularından birini oluşturmaktadır. Mesela bulut miktarındaki bir artış dünyanın aklığını arttıracağı için soğumasına neden olur, ama aynı zamanda sera gazlarının etkisini de arttıracağı için bir ısınma beklenebilir. Bu iki etkinin hangisinin üstün çıkacağı tüm dünyanın bulutlarına, bu da bulutları oluşturan parçacıkların büyüklük, şekil ve yapılarına bağlıdır. İklim modellemesinde basit modellerden başlamak gereklidir. Bu basit modeller iklimin genel hatlarını veren ve kişisel bilgisayarlarda veya elle bile hesaplanabilen modeller olabilirler. Bu modeller iklimin sadece bir değişkeni ile ilgileniyor olabilirler. Mesela dünyayı modellerken, dünya bir küredir, atmosferi yoktur, güneşten ışıma gelir dünya da ışır diyerek başlarız. Bu modelin başlangıç noktasıdır, daha sonra dünyanın yüzey sıcaklığı kaç derece bunu tahmin ederiz. Örneğin; Güneş ten Mars a ne kadar enerji geliyor, Mars ne kadar yansıtıyor, Mars ın yüzeyi ne kadar parlak gibi parametrelere bakıp bu kadar basit bir hesap yaparak Mars ın yüzey sıcaklığını tahmin edebiliriz. Modellemelerde bu şekilde gitmek zorundayız, başlangıç olarak elimizde yuvarlak bir küre şeklinde dünya vardır, ona gelen ışıma ve dünyanın yansıtması bellidir, buradan da dünyanın sıcaklığı hesaplanabilir. Daha sonra bu basit dünya modeline atmosferi ekleyip
17 ne olduğuna bakarız. Sonra sera gazlarını ekleriz ve daha neler olduğuna bakarız, bunların hepsi modellemeyi adım adım ileri taşıyan eklerdir. Ancak bu modellerin birleştirilmesi bizi süper-bilgisayarlarda aylarca çalıştırılan büyük modellere götürebilir. Bu büyük modeller genel dolaşım modelleri (General Circulation Models GCMs) diye bilinirler. Bunun sebebi de bu modellerin temelinde atmosfer ve okyanuslardaki dolaşım hareketlerini başarı ile modellemeleri gelmektedir. Ekvatora gelen güneş ışığının ya da ışımanın bir şekilde kutuplara taşınması gerekmektedir. Bu taşınma iki yolla olur. Bunlardan bir tanesi okyanuslar, diğeri atmosfer vasıtasıyla. Atmosfer büyük akımlarla değil, küçük hareketlerle, okyanuslar büyük akımlarla taşımaktadır. Bunların hepsi bir döngü olduğu için bu modellerin adı genel dolaşım modelleridir. Tüm modeller bazı varsayımlarda ve basitleştirmelerde bulunurlar. Örneğin; dünyayı mükemmel modellemek için dünyadaki bütün moleküllerin Heisenberg belirsizliği içerisinde herhangi bir andaki yerlerine ve hızlarına ihtiyaç vardır. Bunu yapamadığımız müddetçe birtakım basitleştirmeler, ortalamalar ve varsayımlar işin içine girmek zorundadır. Bu modellerin gelecekteki tahminlerinin başarısı varsayımların doğruluğu ile doğru orantılıdır. Dolayısıyla bizim sistemimizde önemli olan bu varsayımların ve basitleştirmelerin bizi ne kadar gerçeğe yaklaştırdığıdır. Ne kadar az basitleştirme kullanırsak, o kadar fazla hesaplama gücü gerekmektedir. Hesaplama gücü pahalı bir şeydir, pahalıdan kasıt dünyadaki her molekülün yerini ve pozisyonunu bilmek teknik olarak imkan dahilinde olsa bile bunun hesabını yapacak bilgisayar yetmemektedir. Bu işin ilk başındaki hava tahmininde bulunabilmek için temel sorun şuydu: bugünkü verileri alıp yarın akşamın sıcaklığının ne olduğunu hesaplamak için elle veya bilgisayarla bir hesap yapıldığında bu hesap yarın akşama kadar sürüyordu. O hesabın yapılıp yapılmamış olması bir şey fark ettirmiyordu; çünkü hesap bittiğinde doğru tahminde bulunuluyordu ama hava tahmini yapılan gün de gelmiş oluyordu. Şimdi bilgisayarlardaki gelişme tahmin süresini çok kısalttı, dolayısıyla artık bir gün sonrayı tahmin edebiliyorsak kara geçiyoruz. Bu süre daha da arttırılabilir; ama arttırıldıkça bilgisayar gücünü de arttırmamız gerekiyor. Fakat dünyadaki bütün moleküllerin nerede olduğunu
18 bilmek için dünyadan çok çok daha büyük bir bilgisayara ve onun da sonsuz sürede çalışmasına ihtiyaç var. Modeller gelecek için çalıştırılmadan geçmişin verileri kullanılarak parametreleri ayarlanmaya çalışılır. Geçmişi veri olarak alıp bugünü tahmin edemeyen bir modelin geleceği tahmin edebilmesi düşünülemez bile. Bir model yaptığımızda bu modeli ilk başta geçmişe uygulamamız gerekmektedir. Yani 1970 yılının verilerini alıp, modelin içine koyduğumuzda model 2000 yılını veriyor mu vermiyor mu, buna bakmak gerekiyor, çünkü modeli 1970 e uyguladığımızda 2000 yılını vermiyorsa, 2050 yılına uyguladığımızda 2060 yılını vermeyeceği kesindir. Dolayısıyla ilk denemenin bu şekilde olması gerekmektedir. Burada önemli olan nokta 2050 yılının iklimini bilebilmek için, şu andaki veriye ve iyi bir modele ihtiyaç vardır. Ancak gelecekle ilgili model sonuçlarına erişmek için en önemli bilgi elimizde yoktur, bu da gelecekte atmosferdeki CO 2 miktarının ne olacağıdır. Bu miktar pek çok faktöre bağlıdır. Mesela önümüzdeki sene Amerikan ekonomisi çökecek olsa 2040 yılındaki karbondioksit öngörülerimiz ciddi biçimde değişir. Dolayısıyla bir öngörüde bulunurken Amerikan ekonomisi çökecek veya çökmeyecek diye iki tane öngörüde bulunmak gerekir. Amerika nın çöküşüne diğer Avrupa Birliği üyeleri ortak olacak mı olmayacak mı bir model daha, bunlar olurken Çin ne yapacak bir model daha. Bunların hepsi senaryodur ve bu senaryolar ayrı ayrı insanlar tarafından çalışılıyor. Dünyada bu gelişmiş modelleme yedi ayrı merkezde yapılmaktadır. Bu modeller Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) tarafından toplanarak değerlendirilir. Bu değerlendirme sonucu öncelikle bu modellerin hepsinin üzerinde anlaştıkları değerler ve bu değerlerden sapmalar kullanılır. IPCC bu noktada tüm modellerde ortak kullanılmak üzere yukarıda anlatılan biçimde 35 değişik senaryo geliştirmiştir. Bu senaryolar fosil yakıtlarından tamamen vazgeçip hayatı bisikletle sürdürmekten, bu yakıtları olabildiğince fazla kullanmaya dayanan bir gelişim modeli barındırmaya kadar uzanmaktadır. Gelecekte ne olacağını bilmediğimiz için tüm modellerde bu senaryoların tümünün kullanılması gerekmektedir. Bu da modellerin en iyimser ve en kötümser tahminlerini bize verecektir. Aslında buradaki temel problem tamamen insanoğlunun nasıl davranacağıdır. Doğanın
19 nasıl davranacağı gayet belli çünkü dünya fizik kurallarına uygun davranır ama bizim nasıl davranacağımızı da modellerin içine koymamız gerekir. IPCC her ülkenin iklim konusunda çalışan önde gelen bilim adamları, bu konudaki sivil toplum örgütleri ve devlet yöneticilerinden oluşmaktadır. Bu insanlar bir araya gelip altı sene çalışıyorlar ve altı senenin sonunda geniş bir rapor ortaya çıkıyor. Dolayısıyla bu raporların tamamı o grubun görüşünü yansıtıyor. Bu saygın bilim insanlarından oluşan bir grup ve yazdıkları raporlar verilere dayanıyor. IPCC nin son raporuna göre iklim değişikliği en az yüzde 90 ihtimalle insan yapısıdır. Ancak tüm bu modellemeler temelde lineer davranışlar üzerine kuruluyor, yani modellerin içinde bugünden yarına olacak değişikliğin boyutu üzerine ciddi kısıtlamalar getiriliyor, yani bu modellerin tümü bizim iklim sistemini normal olarak algılamamıza ve her şeyin böyle gelişeceği inancına dayanmaktadır. Eğer bu dayanak çökecek olursa kurulan modellerin tamamından daha kötü bir gelecek bizi bekliyor olacaktır.
BÖLÜM İKİ DÜNYANIN ENERJİ MUHASEBESİ 2.1 Güneşin ışınımı ve dünyanın enerji muhasebesi Dünya iklimine katkıda bulunan enerjinin %99.97 si güneşten gelir. Dolayısıyla iklim fiziğinin de başlangıç noktası güneş olmalıdır. Güneş sarı-beyaz renkte ışık veren ve yüzey sıcaklığı 5780K olan bir gaz küredir. Güneşin içerisinde nükleer reaksiyonlar vardır ve bu reaksiyonlar sonucu oluşan ısı dünyaya ışıma ile yayılır. Işıma ile yayılan ışık güneş sadece yüzeyinden değil tüm üst katmanlarından yayıldığı için 5780K lik bir gaz topuna kıyasla ışınım tayfının UV tarafında biraz daha az, yakın IR tarafında da biraz fazla ışınım yapar, ancak tüm etkileri topladığımızda güneşi 5780K lik bir küre olarak alabiliriz. 2.2 Güneşin genel özellikleri Güneş Hertzsprung-Russell diyagramında G2 sınıfında yer alan sıradan bir yıldızdır. Ağırlığı ortalamanın üzerindedir, çapı ise 696, 000km dir. Bu yaklaşık olarak dünyadan 100, Jüpiter den ise 10 kat daha büyüktür. 2 x 10 30 kg ağırlığı ise dünyanın 300, 000, 000 katıdır. Güneşin %91.2 si hidrojen ve %8.7 si helyumdan oluşur. Hidrojen yakma ömrü 10 milyar yıl, yaşı ise 4.5 milyar yıldır. Güneş hidrojeni yakar ve yakarken yavaş yavaş dışarıya ışıma miktarı artacaktır. Bunun sonucu olarak bundan 50 milyon sene sonra güneşin dünyaya verdiği ısı miktarı öylesine artacaktır ki dünyada 20
yaşamak mümkün olmayacaktır. Güneşin merkezindeki sıcaklık 15, 000, 000K, kendi etrafında dönüş hızı da ekvatorda 25, kutuplarda ise 35 gündür. 21 Hidrojen atomlarını çarpıştırarak helyum üretmek en ucuz enerji üretme metodudur. Dünyada bu teknoloji vardır fakat şu anki temel sorun hidrojeni 15 milyon dereceye çıkartıp orada tutabilmektir. Hidrojen bombası temelde hidrojen füzyonu yapan bir bombadır, ancak bu tür bir enerji çıktısını dizginleyecek teknoloji hali hazırda bulunmamaktadır. Dünyada güneşin enerjisini üretemeyebiliriz, ancak bu güneşten gelen bu enerjiyi elektrik enerjisine çevirmek mümkündür. Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmeye yarayan cihazlara güneş gözesi denir. Bunun dışında güneş pili diye yanlış kullanılan bir kavram vardır. Pil temelde enerji depolamaya yarar, güneş pili dediğimiz cihaz (doğrusu güneş gözesi) ise güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmeye yarar. Tüm Türkiye nin enerjisini güneş gözeleriyle sağlamaya çalışacak olursak yaklaşık Türkiye büyüklüğüyle kıyaslanabilir büyüklükte bir güneş gözesi gereklidir. Bu da pek mümkün olmadığı için enerji sorununa temel çözümlerin başında güneşin enerjisinin aynısını dünyada yaratabilmek gelir. Güneşin yüzey sıcaklığı yaklaşık 6000K de olsa yüzeyinde bazen güneş yüzeyinde sıcaklıkları bundan 1000K daha düşük olan küçük alanlar görülebilir. Bu alanlara güneş lekeleri denir. Güneş lekelerinin varoluş sebepleri tam olarak bilinmese de bunlar güneşin manyetik alanındaki değişikliklerle ilişkilendirilirler. Güneş lekelerini ilk gözlemleyen Galileo dur. Güneş lekeleri dünyanın sıcaklığını arttırıcı etki yaparlar, yani güneş lekelerinin sayısı arttığı zaman dünyanın yüzey sıcaklığı da artmaktadır. Bu bizim beklentimizin biraz tersidir, çünkü güneşin kendisi 6000K ve güneş lekeleri daha soğuk olmalarına rağmen daha fazla güneş lekesi olduğunda dünyanın sıcaklığı artar. Bunun da sebebi güneş lekelerinden sadece ışınım çıkmaması, aynı zamanda yüksek enerjili parçacıkların da çıkmasıdır. Bu parçacıklar dünyaya doğru gelip atmosferin sıcaklığını arttırmaktadırlar. Güneş lekelerinin sayısı zaman içerisinde periyodik diyebileceğimiz bir değişiklik gösterir. Son birkaç yüz senedir süreklilik gösteren bu değişikliğin periyodu 11 senedir. Güneş lekelerinin en fazla ve en az olduğu zaman arasında güneşten bize ulaşan
22 enerji, yani güneş sabiti %0.08 değişir. Biz bu 11 yıllık döngünün neresindeyiz diye bakacak olursak, yaklaşık güneş lekelerinin 2010-2011 yılları arasında tepe noktasını bulması gerekir. Yani 2005 yılında güneş lekeleri dip noktasına indi ve 2011 yılı civarı tekrar tepe noktasına çıkması gerekir. Dolayısıyla dünya iklimi şu anda ısınma bölgesindedir yani son yıllarda güneşin nispeten soğuk olduğu zamanlar yaşıyoruz. Daha da kötüsü 2006-2009 arasında güneş lekeleri dip noktasına indi ve güneş lekelerinin sayısı artmıyor. Yani şu anda gördüğümüz iklim değişiklikleri güneşteki lekelerden kaynaklanmıyor. Hatta tam tersi güneşe bakacak olursak güneş son 3 senedir ciddi miktarda soğudu, 2008 ve 2009 yıllarının kısmen serin geçmesinin temelinde yatan sebeplerden biri de budur. Güneşten gelen enerjideki küçük değişiklikler bile dünyanın iklimin ciddi biçimde etkileyeceği için dünyanın sabit sıcaklığından yola çıkarak güneşten gelen enerjinin uzun zaman birimlerinde %1 den fazla değişmemiş olduğunu söyleyebiliriz. Dolayısıyla yukarıda bahsettiğimiz güneş lekeleri döngüsünün yarattığı yaklaşık %0.08 fark çok büyük bir miktardır. Güneş enerjisini, 4( 1 H) 4 He + enerji + 2 nötrino denklemi ile gösterilen nükleer reaksiyon ile kazanır. Güneşte her saniye 630 milyon ton hidrojen 625 milyon ton helyuma dönüşür ve aradaki 5 milyon ton kütle farkı ise güneşin yaydığı 4 x 10 26 W gücün kaynağını oluşturur. 2.3 Işınım Yasaları Güneşin merkezinde füzyon ile elde edilen güç, güneşin sıcaklığı değişmediğine göre, güneşin yaydığı güce eşit olmalıdır çünkü güneşin sıcaklığı sabittir ve ürettiği verdiğinden fazla olacak olsa sıcaklığı artar, verdiği güç ürettiğinden çok olacak olsa soğur. Dolayısıyla bu ikisinin dengede kalabilmesi için ürettiği gücü dışarıya vermesi gerekir. Verdiği güce her dalga boyu ve sıcaklığın bir fonksiyonu olarak
23 bakarsak, her dalga boyunda ne kadar ışınım yaptığı Planck yasası ile belirlenir. Siyah cisimlerin hepsi ışınım yaparlar, yaptıkları ışınım siyah cisim yasasıyla belirlenir. Dünya ve güneş de dahil olmak üzere bütün cisimler Planck yasasına uyarlar. Klasik fizikden gelen Wien yasası ile sıcak bir cismin yaydığı ışımanın gösterildiği ışıma yoğunluğu dalga boyu grafiğinde tepe noktasının sadece sağ tarafını açıklayabiliriz. Wien yasasındaki sorun, dalga boyu sıfıra doğru gittiği zaman, ışımanın da sonsuza gitmesi gerektiğini göstermesidir. Ama ölçümler ışımanın bir dalgaboyunda maksimum değerine ulaşıp sonra azaldığını gösterir. Planck yasası bu eksikliği gidererek mükemmel bir siyah cisimden yayılan ışımanın dalgaboylarına düşen enerjisini sıcaklığın bir fonksiyonu olarak verir. R(λ, T ) = 2hc2 1 W λ 5 hc m 3 sr eλkt 1 (2.3.1) Siyah cisim üzerine düşen her fotonu soğurur. Siyah cismin yaydığı fotonlar yansıma nedeniyle değil termal uyarım nedeniyle oluşan fotonlardır. Planck yasası bir siyah cismin yaydığı gücü birim yayan yüzey alanı, birim katı açı ve birim yayım frekansı cinsinden bulmaya yarar. Bu anlamda Planck yasası hem güneşin hem de dünyanın termal olarak ışınımını hesaplamak için kullanılabilir. Dünyanın uzaydan görülen sıcaklığını ve atmosferin sıcaklık profilini ölçtüğümüzde dünyanın ışımasının yüzeyden yaklaşık 6-7 km yükseklikteki bir alandan çıktığını buluruz. Bir tarafta güneşten gelen ışıma, diğer taraftan dünyanın yaydığı ışıma ölçüldüğünde dünyanın sıcaklığı çıkartılabilir. Bu hesabı yapabilmek için Stefan- Boltzman yasasından yararlanırız. Planck yasasının dalga boyuna ve tüm katı açılara göre integralini almak bize bir siyah cismin yüzey alanı başına yaydığı gücü verir. Bu Stefan-Boltzmann yasasıdır. F = ɛσt 4 (2.3.2) Burada σ = 5.67 x 10 8 J/m 2 K 4 s Stefan sabiti olarak bilinir. ɛ ise cismin yayı gücünü, yani mükemmel bir siyah cisimden ne kadar farklı olduğunu, belirler.
24 Şekil 2.1: Kara cisim ışıması spektrumu Planck yasası bize bütün bu eğrinin ne olduğunu verir, ama o eğrinin altındaki alana bakacak olursak, o alan o cismin sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle artar. Yani biri diğerinden 2 kat daha sıcak bir cisim diğerine oranla 16 kat daha fazla enerji verir. Bir cismin yayımı ne kadar kuvvetliyse emilimi de o kadar kuvvetli olmak zorundadır. çünkü eğer cismin emilimi yüksekse cisim ısınır, tersi olursa soğur, dolayısıyla hiçbir cisim durduk yerde ısınmayacağı için ışımayla aldığı enerji verdiği enerjiye eşit olacaktır. Son olarak Wien yasası da cismin yaydığı ışınımın tepe dalga boyunu belirler: λ max = 2897 µm (2.3.3) T Güneş için bu tepe dalga boyu 0.5 µm (görünür ışık), dünya içinse 10 µm dir (termal IR).
25 2.4 Güneş Sabiti Güneş sabiti, temelde bize güneşten ne kadar ışık geldiğini verir. Eğer Stefan- Boltzmann yasasını kullanarak bulduğumuz güneşin yaydığı gücü, güneşin yayım alanı ile çarpıp, dünyanın soğurum alanına bölecek olursak güneş sabitine ulaşırız: S = σt 4 s ( R g R d ) 2 (2.4.1) Güneş sabitinin hesaplanan değeri S = 1362 W/m 2 ölçülen değer olan S = 1368 W/m 2 ye çok yakındır. Bu gelen gücü dünyanın güneşe bakan alanıyla çarparsak dünyanın güneşten aldığı gücü buluruz, 1.5 x 10 17 W (150 P W ). Yeryüzünün herhangi bir noktasına ulaşan güneş gücünü de F = S(1 R)T cos θ W m 2 (2.4.2) formülünü kullanarak buluruz. Burada R atmosferin ve bulutların güneş ışınımının ne kadarını yansıttıklarını, T ne kadarını geçirdiklerini, cos θ ise bu ışınımın yere dik gelen bileşenini gösterir. 2.5 Güneşin Tayfı Güneşten gelen ışıma Planck formülü ile verilen miktara çok yakındır. Güneşten gelen ışıma grafiğinde Planck yasasından beklediğimiz, dışarıdan çizilen çizgidir ama gerçekte güneşten geldiği ölçülen sarı renkte olan bölgedir. Planck ın öngördüğü ışıma sadece güneşin yüzeyinde olmadığı için UV bölgesinde de sapmalar gözlenir. Kızılötesi tarafta da tam tersi olarak Planck ın öngördüğü ışımadan daha az bir ışıma gözlenir. Bunun temel sebebi de güneşin mükemmel bir siyah cisim ol-
26 mayıp (aynı zamanda mükemmel bir küre olmayıp) çeşitli katmanlarından ışınım yapıyor olmasıdır. Güneş enerjisinin az bir kısmı %9 u U V (λ < 0.40µm), %38 i görünür ışık (0.40µm < λ < 0.70µm), %53 ü de yakın IR (0.70µm < λ < 4.0µm) bölgesindedir. Güneş bunun dışında daha kısa ve daha uzun dalga boylarında da ışıma yapar ancak bunların güneşin yaydığı toplam enerjiye etkileri ihmal edilebilir. Şekil 2.2: Güneş Işınımı spektrumu 2.6 Güneş Işınımının Atmosferdeki Emilimi Güneşin hangi dalga boyunda ışınım yaptığı önemlidir. Fakat iklim açısından bizi ilgilendiren atmosferdeki gazların hangi dalga boyundaki ışınımı emdikleridir. En altta gördüğümüz bütün atmosferin toplamıdır. Atmosfer tepe noktası 0.5 mikron
27 olan güneşin ışınımı gayet güzel geçirmektedir. Ama buna karşılık tepe noktası 10 mikron olan dünyanın ışımasına denk gelen bölgede bir tane ozon tepeciği vardır. Tek tek baktığımız zaman ise burada en önemli etken su buharıdır. Oksijenin sağ tarafındaki büyük bölge, iyonize olmuş oksijen atomlarından kaynaklanmaktadır. Bu bölge güneşten gelen düşük dalga boylarındaki yüksek enerjili fotonların oksijen atomlarını iyonize etmesiyle oluşur. Karbondioksite baktığımızda, karbondioksitin birkaç tane tepe noktasının dünya ışınımının kuvvetli noktalarına denk geldiği görülmektedir; özellikle 15 mikron en kritik noktadır, tehlikeli bir yerde olduğu için dünyanın yaydığı ışınımının önemli bir kısmını soğurmaktadır. Dünyanın sıcaklığı artarsa dünyanın ışınımı kısa dalgaboylarına doğru kayacak, karbon dioksitin etkisi azalmaya başlayacak ama buna karşılık su buharı biraz daha tehlikeli olmaya başlayacaktır. Sera gazlarının yaptığı etkiyi etraflıca anlayabilmek için sera gazlarının hangi dalgaboylarındaki ışınımı emdiğini ve dünyanın hangi dalga boyunda ışınım yaptığını bilmek önemlidir. Esas tehlike bu iki dalgaboyunun üst üste oturduğu zaman gerçekleşir. Metanın tepe noktasının karbondioksitle kıyaslandığında gayet ince olmasına rağmen, çok tehlikeli olmasının sebebi, üretildiği zaman atmosferde çok daha uzun süre kalmasıdır. Karbondioksit baktığımızda atmosfere çıktıktan kısa bir süre sonra ya yağmurla aşağı iner ya da bitkiler veya okyanuslar tarafından emilir. Ama buna karşılık metan, havadan hafif olduğu için yukarılara doğru çıktığından bozulması zorlaşmakta ve dolayısıyla atmosferde daha uzun süre kalmaktadır. 2.7 Gelen Güneş ve Giden Termal Işınım Arasındaki Denge Gelen güneş enerjisinin %4 ü dünya yüzeyi, %20 si bulutlar ve %6 sı atmosfer tarafından geri yansıtılır; %20 si atmosfer ve atmosferdeki parçacıklar tarafından emilir, %50 si de yüzeye ulaşarak yüzey tarafından emilir. Güneşten gelen gücü, tüm dünya yüzeyine eşit olarak dağıtacak olursak yüzey başına düşen birim güç 1368/4 = 342 W/m 2 olur. Yani dünyaya 342 W/m 2 geliyorsa dünyadan da 342