Atmosferin Yapısı Atmosferdeki Tabakalar Rüzgarlar Sıcaklık ve Nem Dünyanın Enerji Bütçesi Atmosferde Kalış Süreleri

CaCO3 gibi karbonat türlerini oluşturdu. 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 N2 O2 Ar H2O CO2 ve diğer Eser gazlar. Ozon tabakası Fotosentez 2H2O2H2 + O2 (mö ışınları ile) CaCO3 gibi karbonat türlerini oluşturdu. okyanuslar 400 milyon yıl önce Bugün 4.6 milyar yıl önce

Atmosferin 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 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 Etkileri Kentsel Hava Kirliliği Asit 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 Basınç yoğunluk ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Atmosferin en üst noktası Atmosferde yükseğe çıkıldıkça yoğunluğa bağlı olarak basınç azalır. 1/H: (H= ölçek yüksekliği Deniz Seviyesi

Basıncın Yükseklikle Değişimi 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.

Termosfer (İyonosferli) 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: Cp = Spesifik Isı Katsayısı (joule/gr-K) T z (m) G = 10 C km-1 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 İnversiyon olduğu takdirde yükseklik arttıkça sıcaklık artar

“Azalma hızı” = -dT/dz z -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 G = 9.8 K km-1 Kararlı z Kararsız/değişken inversiyon Gözlenen Atmosfer Sıcaklığı (TA) kararsız T Dikey karışma adibiyatik azalma hızına bağlı olarak gerçekleşir.

Kararsız Atmosfer Gözlemlenen atmosfer sıcaklığı z (m) Yükselen hava çevresindeki havadan 4 C daha sıcak. 2000 16 C = 10 C km-1 1000 28 C 30 C Yükselen hava çevresindeki havadan 2 C daha sıcak. dT/dz= 12 C km-1 = 9.8 K km-1 Kuru hava sıcaklık azalma hızı 40 C 40 C Yüzey 0 10 20 30 40 (˚C )

Kararlı Atmosfer z (m) Gözlemlenen atmosfer sıcaklığı 2000 16 C dT/dz= 5 C km-1 2000 16 C KararlıAtmosfer = 10 C km-1 1000 20 C 15 C Yükselen hava çevresindeki havadan 5 C daha soğuk. = 10 K km-1 Kuru hava sıcaklık azalma hızı 25 C 25 C Yüzey 0 10 20 30 40 (˚C )

Sıcaklık Azalma Hızı z z z T T T G son ATM G G ATM başlangıç 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 z G ATM G son G ATM başlangıç T T T Başlangıçtaki Denge Hali: - dT/dz = G Yüzey ısınması: Kararsız atmosfer Yükselme hareketleri 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 Çökme İnversiyonu Günortası 1 km Karışma Yüksekliği Gece 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 Yatay düzlemdeki basınç farkı Serbest Atmosfer Coriolis Kuvvetleri Serbest Atmosfer Geostrofik Tabaka Gezegen Sınır Tabakası (PBL) Yatay düzlemdeki basınç farkı Coriolis Kuvvetleri Yüzey Sürtünmesi Taşınma ve dağılımının olduğu kısım Dünya yüzeyinin etkisinin görüldüğü kısım 1 km 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.

Güney kutbu neden Ocak’ta bile 0’ın altında? 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 0 30 60 90 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.

Güneşin yaydığı ışınım 0.4-0.7 mm arasında yoğunlaşmıştır 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) Güneş Dünya (240 W/m2)

Wiens Kanunu: En fazla ışımanın yayıldığı dalga boyunu verir. Kara Cisim Işımaları Planck Kanunu: Verilen dalga boyundaki ışıma miktarını verir (w/m2/mm) 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) Stefan Boltzman Kanunu: Bir cisim tarafından yayılan toplam ışıma miktarını verir E* : W/ m2 σ : 5.6703x10-8 watt/m2 K Wiens Kanunu: En fazla ışımanın yayıldığı dalga boyunu verir.

Ortalama Yeryüzü Sıcaklığı Ty=? Atmosferin Olmadığı Durum Dünyaca soğrulan Kısa dalga Işıması Dünyadan yayılan Uzun-dalga Işıması: 240 W/m2

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) = aklık derecesi (dünyanın yansıtıcılığı) (~30%) pr2 S (1- a) = 4pr2 sTe4 S/4 (1- a) = 240 =sTe4 Te için çözersek: Te = 255°K (-18°C) Atmosferin varlığında ise ortalama yeryüzü sıcaklığı 288 K. lmaksimum (mm) = 2897/255 = 11 mm Dünyanın yaydığı enerji kızılötesi dalga boylarında maksimum yapar

Dünya atmosferinin en uç noktasına gelen Eo= 1370 W/m2 (Solar Sabit) 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 . Kızıl Ötesi Isı Kaybı 70 Küresel Aklık Derecesi, 30 100 7 17 6 34 36 168+67 = 235 Dünyaca toplam soğrulan +4 Soğrulan 20 Gizli Isı (H2O buharlaşma) Sensible Isı 168-66-78-24 =0 +23 +5 +22 -6 Yeryüzünün soğurduğu,44 +33 -115 +67 -6 -23 Yeryüzünün Kaybettiği, 44

Atmosferik Süreçlerin Zamansal ve Uzamsal Ölçeği Sinoptik ve Küresel ölçek Küçükölçek Ortaölçek CFC 100yıl 10yıl 1yıl 1gün 1saat 100sn 1sn Uzun Ömürlü Türler N2O CH4 CH3CCl3 CH3Br Kısmen Uzun Ömürlü Türler CO Asıltılar T. O3 SO2 NOx H2O2 C3H6 DMS C5H8 Kısa Ömürlü Türler CH3O2 HO2 NO3 OH 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 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 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 Yüzeye yakın atmosferde N = 2.6x1019, yaşam süresi 105 yıl düzeyinde olacaktır. N: Hava Moleküllerinin sayısal yoğunluğu (Molekül/cm3)

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) 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 Ortalama [OH] = 1x106 molekül/cm3, t=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 B. Basınç yokken C. Sıcaklık yükseklikle azalırken 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