Atmosferin Yapısı

Atmosferdeki TabakalarRüzgarlar

Sıcaklık ve NemDünyanın Enerji Bütçesi Atmosferde Kalış Süreleri

Atmosferin Bileşimi

4.6 milyar yıl önce Bugün

CO2H2N2

H2O

N2O2Ar

H2OCO2 ve diğer Eser gazlar.

Volkanlardan çıkan gazlar

okyanuslar

Okyanuslardaki sediment kayaları oluşturdu

400 milyon yıl önce

Fotosentez

2H2O2H2 + O2 (mö ışınları ile)

H2O(~ %85) (yer altı sularından) , CO2 (~ %10),SO2,H2S,HCl, CO, CH4 NH3 , H2,

N2

Ozon tabakası

CaCO3 gibi karbonat türlerini

oluşturdu.

Atmosferin Bileşimi

• 0.1 -5% arasında H2O bulunur

Kuru Havanın Bileşimi (%)

N2; 78.08

O2; 20.95

Ar; 0.934CO2; 0.035

D.Asal Gazlar; 0.0019

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 Hacimce Yüzde

CH4 Metan 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 EtkileriGaz Kentsel Hava

KirliliğiAsit Yağmuru

Görüşü Zayıflatma

S.Ozon Kaybı

SG Etkisi

CO2 +/- +

CH4 +/- +

CO +

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

gdzzdP )(

RTPMA

MARTP

gRTPMA

dzzdP

)(

dzRTgMA

PzdP

)(

1/H: (H= ölçek yüksekliği

Basınç yoğunluk ve sıcaklığa bağlı olarak değişir.

z

zH dhzPzP

0

10 exp)()(

Atmosferin en üst noktası

Deniz Seviyesi

Atmosferde yükseğe çıkıldıkça yoğunluğa bağlı olarak basınç azalır.

Bu kanun basıncın yüksekliğe bağlı olarak üstel azalımını tanımlar. Ölçek yüksekliği H:

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.

Basıncın Yükseklikle Değişimi

z

zH dhzPzP

0

10 exp)()(

gMARTH

Tabakalar

Toplam 4 tabaka:TroposferStratosferMezosfer

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)

T

z (m)

Sıcaklık Azalma Hızı ve Inversiyon

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. İnversiyon olduğu takdirde

yükseklik arttıkça sıcaklık artar

T

z (m) İnversiyon

= 10 C km-1

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:

-1/ 9.8 K kmp

gdT dzC

Cp = Spesifik Isı Katsayısı (joule/gr-K)

T

z

= 9.8 K km-1

z

“Azalma hızı” = -dT/dz

GözlenenAtmosferSıcaklığı (TA)

-dTATM/dz > uyukarı doğru çıkan hava daha soğuk bir ortamla karşılaşıp daha da yükselir: atmosfer kararsız. • -dTATM/dz = 0 kaldırma kuvveti olduğundan atmosferde bir değişim olmaz. Atmosfer nötr durumda• -dTATM/dz < atmosfer kararlı: dTATM/dz > 0 (“inversiyon”): çok kararlı

kararsız

inversiyon

Kararsız/değişken

Kararlı

Dikey karışma adibiyatik azalma hızına bağlı olarak gerçekleşir.

Gözlemlenen atmosfer sıcaklığı

z (m)

= 9.8 K km-1

Kuru hava sıcaklık azalma hızı40 C

Kararsız Atmosfer

Yükselen hava çevresindeki havadan 2 C daha sıcak.

1000 28 C

2000 16 C

3000 4 C

Yüzey

40 C

30 C

20 C

Yükselen hava çevresindeki havadan 4 C daha sıcak.

Kararsız Atmosfer

0 10 20 30 40

(˚C )

= 10 C km-1

dT/dz=12 C km-1

Gözlemlenen atmosfer sıcaklığı

z (m)

= 10 K km-1

Kuru hava sıcaklık azalma hızı25 C

Kararlı Atmosfer

Yükselen hava çevresindeki havadan 5 C daha soğuk.

1000 20 C

2000 16 C

Yüzey

25 C

15 C

KararlıAtmosfer

0 10 20 30 40

(˚C )

= 10 C km-1

dT/dz=5 C km-1

Sıcaklık Azalma Hızı• Adibiyatik olarak bırakılmış bir atmosfer ilk durumu ne olursa olsun sonunda

dengede nötr hale (-dT/dz = gelmeye meyillidir. • Güneşten gelen ısı ulaşılan dengeyi bozar ve kararsız bir atmosfer yaratır.

Başlangıçtaki DengeHali: - dT/dz =

z

T

z

T

Yüzey ısınması: Kararsızatmosfer

ATM

ATM

z

Tbaşlangıç

son

Yükselme hareketleri atmosferi yeniden denge konumuna getirir:–dT/dz =

• Atmosferde dT/dz = gözlemleniyorsa, kesinlikle kararsız bir atmosfer var demektir.

Yer Yüzeyinin Günlük Isınma/Soğuma Döngüsü

z

T0

1 km

Günortası

Gece

Sabah

Karışma Yüksekliği

Çökme İnversiyonu

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

1 km

Gezegen Sınır Tabakası (PBL)

Taşınma ve dağılımının olduğu kısım

Dünya yüzeyinin etkisinin görüldüğü kısım

Serbest Atmosfer

Geostrofik Tabaka

Yatay düzlemdeki basınç farkı

Coriolis Kuvvetleri

Yatay düzlemdeki basınç farkı

Coriolis Kuvvetleri

Yüzey Sürtünmesi

Dünyanın dönmesinden kaynaklanan kuvvetler. Enleme

göre değişir. En fazla etki kutuplarda. Rüzgarın şiddetini değil

yönünü değiştirir. 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 DağılımıOcak

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.

90 60 30 0 30 60 90

16

Yükseklik 5

Enlem

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.

Her cisim ışıma yayar.

Güneşin yaydığı ışınım 0.4-0.7 m arasında yoğunlaşmıştır

Dalga boyu ()

Güneş ve Dünya Kara Cisim Olarak Yayılım

Dünya (240 W/m2) Güneş

Her dalga boyu için mümkün olan en yüksek şiddette ışıyan cisim. Bir kara cisimden yayılan

ışınım = f(,T ve Yüzey Alanı)

Kara Cisim Işımaları

(w/m2/m)Bλ= Dalgaboyuna Düşen Işıma

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)

Planck Kanunu: Verilen dalga boyundaki ışıma miktarını verir

Stefan Boltzman Kanunu: Bir cisim tarafından yayılan toplam ışıma miktarını verir

Wiens Kanunu: En fazla ışımanın yayıldığı dalga boyunu verir.

E* : W/ m2

σ : 5.6703x10-8 watt/m2 K

Ortalama Yeryüzü SıcaklığıAtmosferin Olmadığı Durum

Dünyaca soğrulan

Kısa dalga IşımasıDünyadan yayılan Uzun-dalga Işıması: 240 W/m2

Ty=?

Güneşten gelen ışıma dünyayı bir disk olarak keser. (r2) •Enerjigiren =Güneşten Gelen Enerjigiren (S) – Yansıtılan Güneş Enerjisi

= r2 S - r2 S

r = Dünyanın yarıçapı (6360 km) S = Güneş sabiti (1370 W/m2) = aklık derecesi (dünyanın yansıtıcılığı) (~30%)

= r2 S (1-

r2 S (1- 4r2 σTe4

S/4 (1- σTe

4 Te için çözersek: Te = 255°K (-18°C)

maksimum (m) = 2897/255 = 11 m Dünyanın yaydığı enerji kızılötesi dalga boylarında maksimum yapar

Atmosferin varlığında ise

ortalama yeryüzü sıcaklığı 288 K.

Ortalama Yeryüzü Sıcaklığı

• Dünya atmosferinin en uç noktasına gelen Eo= 1370 W/m2 (Solar Sabit)

• Atmosferin üstüne gelen ortalama güneş enerji akısı 342 W/m2 .

+4 Soğrula

n

+23 +5 +22 -6 Yeryüzünün soğurduğu,44

7 17 6

Küresel Aklık Derecesi, 30

+33 -115 +67 -6 -23 Yeryüzünün Kaybettiği, 44

34 36

Kızıl Ötesi Isı Kaybı 70

Gizli Isı (H2O

buharlaşma)Sensible

Isı

Earth's Annual Global Mean Energy Budget, Kiehl, J. T. and Trenberth, K. E., 1997 Bull. Amer. Meteor. Soc., 78, 197-208.

20

100

168+67 = 235 Dünyaca toplam soğrulan

168-66-78-24 =0

Atmosferik Süreçlerin Zamansal ve Uzamsal Ölçeği

1m 10m 100m 1km 10km 100km 1000km 10000km

100yıl

10yıl

1yıl

1gün

1saat

100sn

1sn

Kısa Ömürlü Türler

Kısmen Uzun Ömürlü Türler

Uzun Ömürlü Türler

OH

HO2CH3O2

NO3

C5H8

C3H6 DMS

NOxSO2

H2O2

COT. O3 Asıltılar

CH3BrCH3CCl3

CH4N2O

CFCKüçükölçek Ortaölçek

Sinoptik ve Küresel ölçek

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

• Atmosferdeki gazların karışımı difüzyon ve dikey Eddi Karışması ile olur.

• Gazların yerçekimi etkisi altında yeniden difüzyonla dağılımı için gereken zaman

• Yüzeye yakın atmosferde N = 2.6x1019, yaşam süresi 105 yıl düzeyinde olacaktır.

)(10 7 saniyeND N: Hava Moleküllerinin sayısal yoğunluğu

(Molekül/cm3)

Dikey Eddy Karışımı

Difüzyon

Kimyasal Yaşam Süresi

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

zHii dhzPzPi

0

10 exp)()(

Pi: i. Gazın kısmi basıncı

gMARTHi

i 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

kim

OHkdtCOd

CO

COOHkdtCOd

1][][1

]][[][

Ortalama [OH] = 1x106

molekül/cm3,

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.

Sorular1. Sıcaklık inversiyonu olduğunu ne zaman söyleriz?

A. Hiç nem yokken B. Basınç yokkenC. Sıcaklık yükseklikle azalırken D. Sıcaklık yükseklikle artarken

2. Wien Kanununu kısaca açıklayın3. İki önemli sera gazının adını yazın4. Neden Sera gazı dendiğini kısaca açıklayın. 5. Yoğunlaşan su buharı ısı(yı) _________ , bu nedenle atmosferi ___________ A. soğurur, ısıtır B. Açığa çıkarır, ısıtırC. soğurur, soğutur D. Açığa çıkarır, soğutur6. Deniz seviyesinden itibaren başlayan bir dikey kolonda aşağıdaki basınç

seviyelerinin hangisinde nem içeriği en fazladır? A. 250 mb B. 500 mbC. 800 mb D. 1000 mb