Slayt 1 - Denizcilik Bilgi Bankası

ISI
ATMOSFERİN ISI DENGESİ
YERYÜZÜ VE ATMOSFERİN DÜZENSİZ ISINMASI
ISI
Isı, cisimlerin arasında sıcaklık farklılıkları nedeniyle iletilen
enerjidir. Isı enerjisi daima yüksek sıcaklıktaki bir cisimden, düşük
sıcaklıktaki bir cisme doğru kendiliğinden iletilir.
Enerjinin iletilmesi için cisimlerin temas etmesi gerekmez. Şayet
iki cisim temas halinde ise enerjinin bu şekilde iletilmesine
kondüksiyon yoluyla iletim denir.bu işlemde, ortamdaki atom veya
moleküllerin hareketlerinin cisme iletilmesi söz konusudur. Örneğin bir
metal çubuğun bir ucu ısıtılırsa biraz sonra çubuğun diğer ucu da
ısınır.
Şayet madde taşınımı söz konusu ise, hareket eden madde
kendisiyle birlikte gittiği yere enerji taşır.Taşınan maddelerin
hareketleriyle ısı enerjisinin taşınımına da enerjinin konveksiyon
yoluyla iletimi denir.Örneğin, bir radyatör civarında ısınan havanın
hareketiyle odanın diğer yerlerinin ısınması bu yolla olur.
Kondüksiyonla ısı iletimi daha çok katılarda olur. Konveksiyon ise
daha çok sıvı ve gazlarda söz konusudur. Konveksiyonla ısı iletimi
gazlarda sıvalardan daha iyidir. Konveksiyon atmosferdeki en önemli
ve temel ısı iletim işlemidir.
Enerjinin diğer bir iletim şekli de radyasyon yoluyla olur.
Radyasyon yoluyla olan iletimde, enerjiyi veren cisim ile enerjiyi alan
cisim arasında bir maddesel ortama gerek yoktur. Enerjinin radyasyon
yoluyla iletilmesi elektromanyetik dalgalarla olur.Örneğin, güneşten
dünyaya iletilen ısı enerjisi, radyasyon yoluyla uzay boşluğundan
geçerek dünyaya ulaşır. Bir cisim tarafından yayınlanan radyasyon
miktarı Stefan - Boltzman kanununa göre cismin sıcaklığına bağlı
olup,sıcaklığın dördüncü kuvvetiyle doğru orantılıdır. Stefan–Boltzman
radyasyon kanunu aşağıdaki gibidir.
I=KT4
Burada, I:cisim tarafından yayınlanan enerji miktarı, K: StefanBoltzman sabiti(8.128x10 -11 cal\cm2 K4 dak), T:Kelvin cinsinden
cismim sıcaklığıdır.
ATMOSFERİN ISI DENGESİ
0,15um-4um dalga boyları arasında, güneşten gelen kısa dalga
boylu enerjinin aşağı yukarı %30’u bulutlar tarafından ve kısmen de
(değişken yapıya sahip) yeryüzü tarafından uzaya geri yansıtılır.Ayrıca
çok küçük bir miktar enerji de atmosferdeki hava molekülleri ve çeşitli
parçacıklar tarafından yansıtılır (veya saçılır). Böylece güneşlenmenin
yaklaşık %70’i yer ve atmosfer tarafından yutulur.%30’luk yansımaya
(uzaya kaçan enerji miktarına) dünya-atmosfer sisteminin albedosu
denir. Diğer bir deyişle albedo yansıyan güneş radyasyonunun, gelen
toplam güneş radyasyonuna oranıdır.
Gelen güneş radyasyonunun yansıtılmayan %70’inin yaklaşık
dörtte biri atmosferdeki çeşitli gazlar tarafından ve dörtte üçü de
yeryüzü tarafından yutulur. Atmosferdeki gazlar görünür güneş
radyasyonuna karşı oldukça geçirgendir. Morötesi radyasyonun bir
kısmı yukarı atmosferde ozon tarafından yutulur. Kızılötesi
radyasyonun bir kısmı da aşağı atmosferdeki karbondioksit ve su
buharı tarafından az miktarda yutulur. Sonuç olarak toplam güneş
radyasyonunun çoğu atmosferde yutulmadan yeryüzüne ulaşır. Bu
durumda acaba atmosfer nasıl ısınır?
Atmosfer güneş ışınları tarafından ısıtılan alttaki yer yüzeyi
tarafından ısıtılır. Bu ısınma, yukarıda sözü edilen üç enerji iletim şekli
ile dördüncü olarak da buharlaşma gizli ısısı taşınımı ile olur. Yer
yüzünün kazandığı güneşten gelen enerji, kızılötesi radyasyon,
kondüksiyon, türbülanslı ısı alışverişi (konveksiyon) ve buharlaşma
(veya yoğunlaşma) gizli ısısı taşınımı vasıtasıyla atmosferin
ısıtılmasında kullanılır. Yeryüzü, atmosferden de kızılötesi radyasyon
şeklinde küçük bir miktar enerji alır. Fakat atmosfer, kızılötesi
enerjisinin büyük bir kısmını uzaya yayınlar. Uzaya kaçan bu
radyasyona, yeryüzünden uzaya kaçan radyasyonda eklendiğinde elde
edilecek miktar, dünya–atmosfer sistemi tarafından yutulan
güneşlenmeye eşittir. Bu, atmosferin ısı dengesini meydana getirir.
Eğer atmosferde ısı kazanç ve kayıp miktarları dengede olmasaydı net
bir ısınma ve soğuma meydana gelecekti. Gözlemlerimize göre , böyle
bir ısınma veya soğuma olmadığı saptanmıştır. Bu yüzden dünyaatmosfer sisteminde ısı enerjisi dengesinin mevcut olduğu görülür.
YERDEN YAYINLANAN RADYASYON
Yer yüzeyi, atmosferde az miktarda
yutularak yere ulaşan güneş radyasyonunu
yutarak ısınır. Yer yüzeyi güneşe nazaran daha
düşük sıcaklıkta olduğundan kızılötesi dalga
boylarında (4-80 um dalga boylarında uzun
dalga boylu) radyasyon yayınlar. Atmosferdeki
su buharı ve karbondioksit yeryüzünden
yayınlanan kızılötesi radyasyonu yutar.
Atmosferin ısınmasında su buharı ve
karbondioksit önemi büyüktür. Bulutlar
içindeki sıvı su damlacıkları da kızılötesi
radyasyonu kuvvetle yutarlar. Bulut tarafından
yutulan radyasyon da bulut tabanından tekrar
yeryüzüne yayınlanır. Bunun sonucu olarak
bulutlu geceler, daima açık gecelerden daha
sıcaktır.
KONDÜKSİYONLA İLETİLEN ENERJİ
Bu ısınma işlemi, yeryüzü ile ona bitişik
(çok sığ) atmosfer tabakası arasındaki
yerden atmosfere doğru olan enerji iletimidir.
Hava, ısı enerjisini kondüksiyonla iletme
bakımından çok zayıf bir iletkendir. Bu
nedenle, bu yolla atmosferin sadece alt kısmı
ısınır.
KONVEKSİYONLA İLETİLEN ENERJİ
Yere bitişik hava ısınarak genişler,
yoğunluğu azalır ve yükselir. Böylece ısı
enerjisi yukarı seviyelere konveksiyon
işlemi ile iletilir.
Havanın ısınmasında, konveksiyon
işlemlerinin sebep olduğu ısı taşımınına
türbülanslı ısı taşınımı da denir.
GİZLİ ISI
Okyanuslar ve su kütleleri üzerinden büyük çapta buharlaşma olur.
Bir gram suyun buharlaşması için 540-600 kalorilik enerjiye ihtiyaç
vardır. Bu ısı enerjisi sadece suyun buharlaşması için kullanılıp, suyun
sıcaklığında bir değişim meydana getirmez. Birim kütledeki (1 gram)
suyun buharlaşması için gerekli ısı enerjisine buharlaşma gizli ısısı
denir. Bilindiği gibi, 1 gram suyun sıcaklığı 1 C yükseltmek için sadece
1 kalorilik enerji gereklidir. Oysa buharlaşma gizli ısısı, buna göre çok
büyüktür.
Buharlaşan su, su damlacıkları şeklinde yoğunlaştığında,
buharlaşma işleminde kazanılan ısı serbest kalır. Yani 1 gram su
buharı yoğunlaştığında 540-600 kalorilik ısı enerjisi açığa çıkar. İşte bu
şekilde, birim kütledeki su buharının yoğunlaşması esnasında serbest
kalan ısı enerjisine de yoğunlaşma gizli ısısı denir. Yağmur veya kar
yağışından sonra atmosferde yoğunlaşmadan dolayı serbest kalan ısı
atmosferi ısıtır.
SERA ETKİSİ
Tarımda kullanılan seraların
camları güneşten gelen kısa dalga
boylu radyasyonu geçirirler. Buna
karşın sera içindeki yerin ve
havanın yaydığı uzun dalga boylu
radyasyonu radyasyonu geçirmez.
Böylece içerdeki hava ısınır.
Atmosferdeki su buharı,
karbondioksit ve bulutlar da
seraların camları gibi benzer etki
yaparlar. Böylece aşağı atmosferin
sıcaklığı olması gerekenden daha
yüksek olur. İşte bu olaya sera etkisi
denir.
YERYÜZEYİ VE ATMOSFERİN DÜZENSİZ ISINMASI
Atmosferdeki hava olaylarının ve değişimlerin çoğu yer
yüzeyinin ve onun üzerindeki atmosferin düzensiz ısınmasından
meydana gelir. Düzensiz ısınma ise yoğunluk farkları meydana
getirir. Yoğunluğu azalan (hafif) hava yükselir, yoğunluğu artan
(ağır) hava da çöker. Böylece atmosferik hareket başlar. Bu
düzensiz ısınma başlıca iki nedenle olur:
1.Gelen güneş enerjisi miktarını etkileyen sistematik faktörler
2.Yutulan ısı miktarının farklı olmasına sebep olan yer
yüzeyinin kendi yapısındaki değişimler
1. GÜNEŞ ENERJİSİ MİKTARINI ETKİLEYEN SİSTEMATİK
FAKTÖRLER
1. Dünyanın eğriliği
2. Güneş radyasyonunun geliş açısındaki değişikler
3. Atmosferde bulunan toz, yabancı parçacıklar ve bulutlar
4. Belirli bir bölgedeki güneşlenme süresi
5. Dünyanın güneş etrafındaki yörüngesinin elips şeklinde olması
6. Dünya ekseninin yörünge düzlemine göre eğik oluşu
1.DÜNYANIN EĞRİLİĞİ
Dünya küre şeklinde olduğundan
enleme bağlı olarak güneş ışınları
dünyanın farklı yerlerine farklı açılarla
gelir. Aynı kesit içinden gelen ışınlar
yukarı enlemlerde, ekvatora nazaran
daha geniş bir alana yayılır. Bu
nedenle birim alana düşen enerji
miktarı ekvator yakınlarında kutuplara
göre daha büyüktür.
2.GÜNEŞ RADYASYONUN GELİŞ AÇISINDAKİ DEĞİŞİMLER
Yeryüzünde belirli bir bölgeye gelen enerji gün boyunca ışınların geliş
açısına bağlı olarak değişir.
3.ATMOSFERDE BULUNAN TOZ, YABANCI PARÇACIKLAR VE
BULUTLAR
Atmosferdeki tozlar, kirleticiler
ve ve bulutlar da gelen güneş
radyasyonunu yutarak veya
yansıtarak yere daha az enerji
gelmesine neden olurlar. Bunların
yerden yere farklılık göstermesi
yerin farklı miktarlarda enerji
almasına sebep olur.
4.GÜNEŞLENME SÜRESİ
Yeryüzüne gelen enerji
güneşlenme süresiyle de
ilgilidir. Bu da gün uzunluğu
bağlıdır. Gün uzunluğu ise
dünyanın yörünge üzerindeki
yerine bağlıdır. Örneğin, kuzey
yarım kürede orta enlemlerde
(yengeç dönencesi ile arktik
dairesi arasında) 21 Aralıkta en
kısa gündüzler, 21 Haziranda da
en uzun gündüzler yaşanır. Bu
nedenle orta enlemlerdeki belirli
bir yer 21 Aralıkta en az enerji,
21 Haziranda en fazla enerji alır.
5.YÖRÜNGENİN ELİPS ŞEKLİNDE OLUŞU
Dünyanın güneş etrafındaki
yörüngesi elips şeklinde
olduğundan ve güneş bu elipsin
odaklarından birinde
bulunduğundan, Ocak ayının ilk
günlerinde (Perhelion’da) dünyagüneş mesafesi en az
olduğundan dünya toplam olarak
en çok enerji alacak, temmuz
ayının ilk günlerinde
(Aphelion’da) ise dünya güneş
mesafesi en büyük olduğundan
dünya toplam olarak en az enerji
alacaktır. Perhelion ve
Aphelion’da alınan enerjiler %7
kadar farklıdır.
6.DÜNYA EKSENİNİN EĞİK OLUŞU
Dünya ekseni yörünge
düzleminin normaliyle 23*27’lık bir açı
yaptığından ve dünya yörünge üzerinde
hareket ederken eksenin doğrultusu
değişmediğinden 21 Aralıkta güneş
ışınları oğlak dönencesine, 21 Haziranda
da yengeç dönencesine dik gelir. 21 mart
ve 23 eylül tarihlerinde de güneş ışınları
ekvatora dik gelmektedir. Bu nedenle
mevsimlere bağlı olarak yerkürenin farklı
yerleri farklı miktarlarda enerji alır.
Dünya-güneş mesafesinin
değişimiyle alınan enerjideki değişim,
dünyanın ekseninin eğik oluşundan
kaynaklanan değişim yanından küçültür.
Bu nedenle hava olaylarını doğuran en
önemli etken dünya ekseninin eğik
oluşudur.
2. YERYÜZEYİNİN YAPISINDAKİ DEĞİŞİMLER
Güneş radyasyonunun yer yüzeyi tarafından düzensiz olarak
yutulmasına etki eden ikinci ana faktör yer yüzeyi yapısının yerden yere
farklı olmasıdır. Yer yüzeyi tarafından güneş enerjisi eşit olarak alınsa bile,
yer yüzeyinin yapısındaki büyük değişimlerden dolayı, yutulan enerji
miktarında önemli farklar olacaktır.
En belirgin fark, karalar ve denizler arasındaki farklılıktır. Denizler (veya
büyük su kütleleri) termal olarak çok korunumludur. Denizler aniden ısınıp,
aniden soğuyamazlar. Yani, denizlerdeki sıcaklık değişimleri karalara
nazaran daha küçüktür. Bu nedenle denizler, yazın karalara nazaran daha
serin, kışın daha sıcaktır. Bunun çeşitli sebepleri vardır:
a. Su güneş ışınlarına karşı oldukça geçirgendir. Güneş ışınları
denizlerde yaklaşık 30m derinliğe kadar geçebilir. Halbuki karalar, yuttuğu
enerjiyi çok sığ bir tabaka içinde toplar ve bu tabakada oldukça büyük bir
sıcaklık artışına neden olur. Sularda ise aynı enerji büyük bir su kütlesine
yayıldığından sıcaklık değişimi daha az olur. İşlem tersine döndüğü zaman,
sığ kara tabakası aldığı ısıyı, su tabakasına göre daha hızlı geri verir.
b. Suyun özgül ısısı, karalara nazaran daha büyüktür. Bu nedenle, su
ısıtılırken sıcaklığı karalara nazaran daha yavaş yükselir ve soğurken daha
yavaş düşer. Çünkü suyun sıcaklığındaki belirli bir artma veya azalma için
daha büyük bir ısı kazancı veya kaybı gereklidir.
c. Su bir akışkan olduğundan, konveksiyonla ısıyı büyük derinliklere
kadar yayar ve böylece yüzey sıcaklığı karalara göre daha az değişir.
d. Sulardaki buharlaşma esnasında sudan büyük miktarda enerji kaybı
olur. Bunun sonucunda suyun sıcaklığının yükselişi yavaşlar.
e. Büyük okyanus akımları, ısı enerjisini başka bölgelere taşıyarak
sıcaklık farklılıklarını eşitlemeye çalışırlar. Gulf Stream ve Kuroshio gibi
akıntılar yukarı enlemlere büyük miktarda sıcak su kütleleri taşırlar. Buna
karşılık yukarı enlemlerden aşağı enlemlere doğru da soğuk su kütleleri
taşınır. Böylece okyanuslarda sıcaklık farkları azalır.
Karalarda ise durum denizlerden çok farklıdır. Karaların yüzey şekilleri
ve yapıları yerden yere büyük değişimler gösterir.