3. Atmosferin Yapısı
advertisement
Atmosferin Yapısı Atmosferdeki Tabakalar Rüzgarlar Sıcaklık ve Nem Dünyanın Enerji Bütçesi Atmosferde Kalış Süreleri Atmosferin Bileşimi Volkanlardan çıkan gazlar H2O(~ %85) (yer altı sularından) , CO2 (~ %10),SO2,H2S,HCl, CO, CH4 NH3 , H2, N2 Okyanuslardaki sediment kayaları oluşturdu CO2 H2 N2 H2O Fotosentez 2H2O2H2 + O2 (mö ışınları ile) okyanuslar 4.6 milyar yıl önce CaCO3 gibi karbonat türlerini oluşturdu. 400 milyon yıl önce N2 O2 Ar H2O CO2 ve diğer Eser gazlar. Bugün Ozon tabakası Atmosferin Bileşimi Ar; 0.934 O2; 20.95 CO2; 0.035 D.Asal Gazlar; 0.0019 N2; 78.08 Kuru Havanın Bileşimi (%) • 0.1 -5% arasında H2O bulunur Eser Türler • Eser gazlar ise daha çok insan yapımı aktiviteler sonucu atmosfere verilmiştir ve hacimce 10000’de birinden az bir kısmını oluştururlar. • Buna rağmen iklim ve sağlık açısından etkileri “Eser Miktarda” değildir: – CFC’lerin ozon tabakasına verdikleri zarar – CH4 ve CO2’nun sera gazı etkisi – NOx ve SOx türlerinin asit yağmurları oluşturması – Troposferdeki Ozonun bitkilere, yapılara ve insan sağlığına olumsuz etkileri – Asıltı parçacıkların (aerosol) sağlığa, iklime ve görüş mesafesine etkisi – Toksik gazların sağlığa etkileri Eser Gazların Konsantrasyonları Tür Adı CH4 Metan Hacimce Yüzde 1.6x10-4 CO Karbon Monoksit 1.2x10-5 NOx Azot Oksitler 10-10-10-6 SO2 Kükürt Dioksit 2x10-8 H2O2 Hidrojen Peroksit 10-8-10-6 HNO3 Nitrik Asit 10-9-10-7 HCHO Formaldehit 10-8-10-7 Eser Gazların Etkileri Gaz Asit Yağmuru Görüşü Zayıflatma S.Ozon Kaybı SG Etkisi CO2 +/- + CH4 +/- + +/- + CO Kentsel Hava Kirliliği + N2O NOx + + + SO2 + + + CFC O3 +/+ + + + + Atmosferin Dikey Yapısı • Atmosferdeki sıcaklık, basınç ve yoğunluk yüksekliğe bağlı olarak değişim gösterir ve bu değişim atmosferde tabakalaşmaya neden olur. • Atmosfer basıncı: Yukarıdaki havanın ağırlığı. Deniz seviyesinde 1 kg/cm2, 1000 milibar • Atmosferin toplam kütlesinin yarısı 5.6 km’nin altında, % 90’u da 16 km’nin altında. Everest 8.5 km’de. • Toplam kütle: 5.14x1015 ton. Basıncın Yükseklikle Değişimi Basıncın Yükseklikle Değişimi P Atmosferin en üst noktası RT MA PMA RT dP( z ) g dz dP( z ) PMA g dz RT Basınç yoğunluk ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Atmosferde yükseğe çıkıldıkça yoğunluğa bağlı olarak basınç azalır. 1/H: (H= ölçek yüksekliği dP ( z ) gMA dz P RT Deniz Seviyesi z P( z ) P( z0 ) exp H1 dh z0 Basıncın Yükseklikle Değişimi z P( z ) P( z0 ) exp H1 dh z0 Bu kanun basıncın yüksekliğe bağlı olarak üstel azalımını tanımlar. Ölçek yüksekliği H: RT H gMA ise basıncın 1/e kat düştüğü yüksekliğin göstergesidir. Sıcaklık ve molekül ağırlığına bağlı olarak değişir. Atmosferin ortalama sıcaklığını -23 C alırsak H = 7,4 km. Tabakalar Toplam 4 tabaka: Troposfer Stratosfer Mezosfer Termosfer (İyonosferli) http://www.teslasociety.com/ Tabakalar Troposfer • Sıcaklık yükseklikle azalır. Neden? • Önemli tüm meteorolojik olaylar bu tabakada olur • Türbülans ve karışma azami derecede bu tabakada olur (%80’i) z (m) T Sıcaklık Azalma Hızı ve Inversiyon z yüksekliğindeki bir hava kitlesinin z+dz’ye yükseltilip bırakıldığını varsayın. Yükselen hava soğur. Bu soğumanın adibiyatik (ısı alışverişsiz) olduğunu var sayarsak soğuma adiyabatik azalma hızını izler. Г: z (m) G = 10 C km-1 İnversiyon T İnversiyon olduğu takdirde yükseklik arttıkça sıcaklık artar g G dT / dz 9.8 K km-1 Cp Cp = Spesifik Isı Katsayısı (joule/gr-K) İnversiyon konvektif hareketlerin atmosferin alt kısımlarda kalmasına, yere yakın bulunan kirleticilerin uzun süre bu tabakada durmasına ve bu nedenle ciddi hava kirliliği dönemlerinin yaşanmasına neden olur. “Azalma hızı” = -dT/dz z Kararlı G = 9.8 K km-1 z Kararsız/değişken inversiyon kararsız -dTATM/dz > G e uyukarı doğru çıkan hava daha soğuk bir ortamla karşılaşıp daha da yükselir: atmosfer kararsız. • -dTATM/dz = G e 0 kaldırma kuvveti olduğundan atmosferde bir değişim olmaz. Atmosfer nötr durumda • -dTATM/dz < G e atmosfer kararlı: dTATM/dz > 0 (“inversiyon”): çok kararlı Gözlenen Atmosfer Sıcaklığı (TA) T Dikey karışma adibiyatik azalma hızına bağlı olarak gerçekleşir. Kararsız Atmosfer z (m) 3000 Gözlemlenen atmosfer sıcaklığı Kararsız Atmosfer 4C 2000 16 C 1000 28 C 20 C 30 C 40 C Yüzey 40 C Yükselen hava çevresindeki havadan 4 C daha sıcak. Yükselen hava çevresindeki havadan 2 C daha sıcak. G= 10 C km-1 dT/dz= 12 C km-1 G= 9.8 K km-1 Kuru hava sıcaklık azalma hızı 0 10 20 (˚C ) 30 40 Kararlı Atmosfer z (m) Gözlemlenen atmosfer sıcaklığı 2000 dT/dz= 5 C km-1 16 C KararlıAtmosfer 1000 20 C 15 C 25 C Yüzey 25 C Yükselen hava çevresindeki havadan 5 C daha soğuk. G= 10 C km-1 G= 10 K km-1 Kuru hava sıcaklık azalma hızı 0 10 20 (˚C ) 30 40 Sıcaklık Azalma Hızı • • Adibiyatik olarak bırakılmış bir atmosfer ilk durumu ne olursa olsun sonunda dengede nötr hale (-dT/dz = G ) gelmeye meyillidir. Güneşten gelen ısı ulaşılan dengeyi bozar ve kararsız bir atmosfer yaratır. z z ATM G z G son G başlangıç ATM T Başlangıçtaki Denge Hali: - dT/dz = G T T Yüzey ısınması: Kararsız Yükselme hareketleri atmosfer atmosferi yeniden denge konumuna getirir:–dT/dz = G • Atmosferde dT/dz = G gözlemleniyorsa, kesinlikle kararsız bir atmosfer var demektir. Yer Yüzeyinin Günlük Isınma/Soğuma Döngüsü z Çökme İnversiyonu Günortası 1 km Karışma Yüksekliği Gece 0 Sabah T Gece Sabah Öğledensonra Tropopoz • Troposferin en üstü, stratosferin hemen altındaki soğuk geçiş tabakası • “Tropopoz Katlanması”: Normal tabakalar yerinden oynayıp stratosferik hava daha alt atmosfere doğru giriyor. Stratosferle troposfer arasındaki önemli bir değiş tokuş mekanizması Stratosfer • 20 km’ye kadar sabit sıcaklık • Yükseklikle artan sıcaklık, ozon • Ozon konsantrasyonu 15-30 km arası maksimum Mezosfer ve Termosfer • Mezosfer: T -90°C • Yükseklik arttıkça sıcaklık azalıyor. • Termosfer: Oksijen ve Nitrojen atomları yüksek enerjili güneş ışınlarını emer • Yükseklik arttıkça sıcaklık artar. • Yaklaşık 1000°C. – Astronot bu tabakadan geçerken elini dışarı uzatsa eli yanar mı? İyonosfer • Termosferin 80 km ile 400 km’ye kadar olan kısmı • Yoğunlaşmış pozitif yüklü N2 ve O2 ve negatif elektronlar. Rüzgarlar Serbest Atmosfer Geostrofik Tabaka Yatay düzlemdeki basınç farkı Coriolis Kuvvetleri Gezegen Sınır Tabakası (PBL) 1 km Taşınma ve dağılımının olduğu kısım Dünya yüzeyinin etkisinin görüldüğü kısım Dünyanın dönmesinden kaynaklanan kuvvetler. Enleme göre değişir. En fazla etki kutuplarda. Rüzgarın şiddetini değil yönünü değiştirir. Yatay düzlemdeki basınç farkı Coriolis Kuvvetleri Yüzey Sürtünmesi http://www.globalchange.umich.edu/globalchange1/current/lectures/samson/weather_patterns/Coriolis.html Sıcaklık ve Su Buharı • Sıcaklık yeryüzünden olan yüksekliğe ve yere göre farklılık gösterir • En yüksek sıcaklık tropiklerde görülür. • Tropiklerle kutuplar arasındaki sıcaklık farkı 35C. Sıcaklık Dağılımı Ocak Güney kutbu neden Ocak’ta bile 0’ın altında? Küresel Yıllık Yüzey Sıcaklıkları Su buharı • Alt troposferde dağılmış olup çok değişkendir. • Çeşitli şekillerde ifade edilir: – Spesifik nem: su buharı miktarının toplam hava kütlesine oranı (gH2O/kghava) – Bağıl nem: Spesifik nemin mümkün olan maksimum spesifik neme (f(P ve T) oranı (%) – Kütle derişimi: gH2O/m3hava – Kütle karışım oranı: gH2O/ghava – Mol karışım oranı (hacim): Her bir hava molündeki su buharı molü • Tropiklerde en yüksek, 16g/kg • 500 mbar seviyesinde 2g/kg. Yükseklikle azalır. Yükseklik 5 16 90 60 30 Enlem 0 30 60 90 Enleme Göre Nemin Değişimi Dünyanın Enerji Bütçesi • -Işıyan enerjinin dünya ve atmosfer tarafından soğrulması ya da kaybedilmesi neredeyse tüm hava durumunun yaratılmasına neden olur. • Gelen ve giden enerjinin hesabı dünyanın enerji bütçesini oluşturur. • Atmosfer dünyaya ulaşan ve dünyadan uzaya giden ışımayı kontrol eder. Dalga boyu (l) Her cisim ışıma yayar. Güneşin yaydığı ışınım 0.4-0.7 mm arasında yoğunlaşmıştır Güneş ve Dünya Kara Cisim Olarak Yayılım Her dalga boyu için mümkün olan en yüksek şiddette ışıyan cisim. Bir kara cisimden yayılan ışınım = f(l,T ve Yüzey Alanı) Dünya (240 W/m2) Güneş Kara Cisim Işımaları Planck Kanunu: Verilen dalga boyundaki ışıma miktarını verir Bλ= Dalgaboyuna Düşen Işıma (w/m2/mm) λ = Dalga boyu h= Planck Sabiti (6.6238x10-34 Js) c= Işık Hızı (3 x108 m/s) k= Boltzmann Sabiti (1.3807x10-23 J/K) Stefan Boltzman Kanunu: Bir cisim tarafından yayılan toplam ışıma miktarını verir E* : W/ m2 : 5.6703x10-8 Wiens Kanunu: En fazla ışımanın yayıldığı dalga boyunu verir. watt/m2 K Ortalama Yeryüzü Sıcaklığı Atmosferin Olmadığı Durum Dünyaca soğrulan Kısa dalga Işıması Dünyadan yayılan Uzun-dalga Işıması: 240 W/m2 Ty=? Ortalama Yeryüzü Sıcaklığı Güneşten gelen ışıma dünyayı bir disk olarak keser. (pr2) •Enerjigiren =Güneşten Gelen Enerjigiren (S) – Yansıtılan Güneş Enerjisi = pr2 S - pr2 Sa = pr2 S (1- a) r = Dünyanın yarıçapı (6360 km) S = Güneş sabiti (1370 W/m2) a= aklık derecesi (dünyanın yansıtıcılığı) (~30%) pr2 S (1- a) 4pr2 sTe4 S/4 (1- a) 240 sTe4 Te için çözersek: lmaksimum (mm) = 2897/255 = 11 mm Dünyanın yaydığı enerji kızılötesi dalga boylarında maksimum yapar Te = 255°K (-18°C) Atmosferin varlığında ise ortalama yeryüzü sıcaklığı 288 K. Earth's Annual Global Mean Energy Budget, Kiehl, J. T. and Trenberth, K. E., 1997 Bull. Amer. Meteor. Soc., 78, 197-208. • Dünya atmosferinin en uç noktasına gelen Eo= 1370 W/m2 (Solar Sabit) • Atmosferin üstüne gelen ortalama güneş enerji akısı 342 W/m2 . 100 7 Küresel Aklık Derecesi, 30 17 6 34 Kızıl Ötesi Isı Kaybı 70 36 168+67 = 235 Dünyaca toplam soğrulan 20 +4 Soğrula n Gizli Isı (H2O buharlaş Sensible ma) Isı 168-66-78-24 =0 +23 +5 +22 Yeryüzünün soğurduğu,44 -6 +33 -115 +67 -6 -23 Yeryüzünün Kaybettiği, 44 Atmosferik Süreçlerin Zamansal ve Uzamsal Ölçeği Küçükölçek Sinoptik ve Küresel ölçek Ortaölçek CFC Uzun Ömürlü Türler 100yıl N2O CH4 10yıl CH3CCl3 CH3Br 1yıl Kısmen Uzun Ömürlü Türler CO Asıltılar T. O3 SO2 NOx H2O2 C3H6 DMS 1gün 1saat C5H8 Kısa Ömürlü Türler CH3O2 HO2 NO3 OH 100sn 1sn 1m 10m 100m 1km 10km 100km 1000km 10000km Atmosferik Hareketlerin Ölçekleri • Küçükölçek: 0-100m ölçeğinde olan olayları kapsar. Örnek: bacadan çıkan dumannın dağılımı • Ortaölçek: Birkaç yüz kilometrede olan olayları kapsar. (Kara-deniz meltemi,dağ-vadi rüzgarları) • Sinoptik Ölçek: Yüz kilometre seviyesinden 1000 km seviyesine ait tüm hava durumu sisteminin hareketleri • Küresel Ölçek: 5000km’nin üstünde bir ölçekte olan olayları kapsar Atmosferdeki Belli Başlı Olayların Ölçekleri Olay Ölçek (km) Kentsel Hava Kirliliği 1-100 Bölgesel Hava Kirliliği 10-1000 Asit Yağmurları 100-2000 Toksik Hava Kirliliği 0.1-100 Stratosferdeki Ozon Kaybı 1000-40,000 Sera Gazları Artışı 1000-40,000 Asıltı Madde-İklim Etkileşimleri 100-40,000 Troposferdeki Taşınma ve Yükseltgenme Süreçleri 1-40,000 Atmosferde Dağılım ve Kalış Süresi Dikey Eddy Karışımı Difüzyon Kimyasal Yaşam Süresi • Atmosferdeki gazların karışımı difüzyon ve dikey Eddi Karışması ile olur. • Gazların yerçekimi etkisi altında yeniden difüzyonla dağılımı için gereken zaman D 107 N (saniye) N: Hava Moleküllerinin sayısal yoğunluğu (Molekül/cm3) • Yüzeye yakın atmosferde N = 2.6x1019, yaşam süresi 105 yıl düzeyinde olacaktır. Dikey Eddy Karışımı için Karakteristik Süre • Troposferde birkaç hafta olarak belirlenmiştir. (Dikey hareketliliğin azlığı göz önüne alınırsa, stratosferde bu süre daha uzun olacaktır. ) • Yükseldikçe dikey karışmanın etkisi azalır ve moleküler difüzyon yaklaşık 100 km yükseklikte göreceli olarak daha önemli hale gelir. Difüzyon • Difüzyonun etkili olduğu kısımda her gaz için daha önce basıncın yükseklikle değişim formülü kullanılabilir. (Eğer yerçekimi kuvveti farklı gazların dağılımını etkileyen tek etkense) z Pi ( z ) Pi ( z0 ) exp H1i dh z0 RT Hi MAi g Pi: i. Gazın kısmi basıncı Molekül ağırlığı arttıkça, 1/Hi artar, yükseklikle değişim keskinleşir. Molekül ağırlığı küçükse yükseklikle değişim çok küçük olur. Kimyasal Yaşam Süresi • Türlerin atmosferdeki dağılımını etkileyen diğer bir faktör de kimyasal yaşam süresidir. • Kimyasal yaşam süresi difüzyon ve dikey karışıma kıyasla çok uzun ise, o türün dağılımında kimyasal tepkimelerin etkisi çok azdır. • Fakat eğer kimyasal yaşam süresi çok kısa ise, yatay ve dikey dağılım bundan etkilenir. • Kimyasal Yaşam Süresi Türlerin bulunduğu yere bağlıdır. CFCler troposferde atıl (inert)ve çok iyi karışmışken stratosferde tepkimeye girerler. Çünkü bu tabakadaki MÖ ışınlarıyla etkileşimde bulunurlar. • Belli bir tür için kimyasal yaşam süresini hesaplamanın en basit yolu o türün birincil kimyasal kaybolma yolu göz önüne alınarak tepkimenin hızının incelenmesidir. • Örneğin CO + OH CO2 + HO2, k= 2.2x10-13 cm3molekül-1sn-1 d [CO] k[OH ][CO] dt 1 d [CO] 1 k[OH ] CO dt kim Ortalama [OH] = 1x106 molekül/cm3, 50 gün Kitapta CO’in yaşam süresi için Tablo 1.1’deki verilen değer 65 gün Bazı kolayca çözünebilen türler için, diğer atmosferden çıkma süreçleri kimyasal çıkarılmalardan daha hızlı olabilir ve asıl atmosferde kalış süresini bunlar belirler. Örneğin SO4 atmosferdeki kalış süresi, SO4’i atmosferden temizleyen yağışların sıklığı ile belirlenir. Sorular 1. Sıcaklık inversiyonu olduğunu ne zaman söyleriz? A. Hiç nem yokken C. Sıcaklık yükseklikle azalırken B. Basınç yokken D. Sıcaklık yükseklikle artarken 2. Wien Kanununu kısaca açıklayın 3. İki önemli sera gazının adını yazın 4. Neden Sera gazı dendiğini kısaca açıklayın. 5. Yoğunlaşan su buharı ısı(yı) _________ , bu nedenle atmosferi ___________ A. soğurur, ısıtır B. Açığa çıkarır, ısıtır C. soğurur, soğutur D. Açığa çıkarır, soğutur 6. Deniz seviyesinden itibaren başlayan bir dikey kolonda aşağıdaki basınç seviyelerinin hangisinde nem içeriği en fazladır? A. 250 mb B. 500 mb C. 800 mb D. 1000 mb
