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 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 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: Stefan-Boltzman 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 dünya-atmosfer 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) dünya-güneş 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 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.