Bu bölümde: Hava Kirliliği Biyogeokimyasal Döngüler Kuru Birikme Yaş Birikme Atmosferde Kalma Süresi Karakteristik Karışma Zamanı

Atmosferde Biyogeokimyasal Döngüler, Taşınma Süreçleri ve Atmosferde Kalma Süreleri

Geçen Yüzyılda Yaşanan Önemli Hava Kirliliği Olayları 1960-70ler - Los Angeles – araba kullanımındaki artış ve sanayinin neden olduğu bir çok kirlilik olayları

Hava Kirliliği “İnsan faaliyetlerinden kaynaklanan maddelerin normalden yeterince fazla miktarlarda bulunması sonucu insan hayvan bitki ve diğer malzemede ölçülebilir bir etkiye neden olan durum”

Biyogeo-kimyasal Döngü Atmosfer Toprak Okyanuslar Volkanlar Tatlı ve yer altı suları, göller, ırmaklar Kayalar Biyogeo-kimyasal Döngü

Atmosfer Toprak Okyanuslar Volkanlar Tatlı ve yer altı suları, göller, ırmaklar Kayalar Döngü Modellemesi: Döngü yaklaşımı kimyasal bütçeleri ve atmosferde kalış sürelerini hesaplamada büyük kolaylık sağlar. Döngü Terimleri: atmosfer Rezervuar: Homojen sayılabilecek herhangi bir medyum Kaynak: Rezervuara giren akı AKI: Birim zamanda, birim alanda taşınan madde miktarı Alıcı (Havuz) Rezervuardan çıkan akı

Terimler (Devam) Bütçe: Skaynaklar-Salıcılar = 0 (Eğer birikme olmuyorsa) Devir Zamanı: Rezervuar içeriğinin (M) toplam alıcılara bölünmesi, veya, M’in toplam kaynaklara oranı. Her bir molekülün rezervuarda geçirdikleri ortalama zamanın bir ölçütü. Döngü: İki ya da daha fazla rezervuardan oluşan sistem Biyogeokimyasal Döngü: Yaşamsal Elementlerin (C,N,P,O,S) atmosfer, okyanus, sedimentler ve yaşayan canlılar gibi rezervuarlardaki döngüsü Uzamsal Ölçekler: Çeşitli uzamsal ölçekler seçilebilmekle birlikte daha çok bölgesel ve küresel ölçekler göz önüne alınır Zaman Ölçekleri: Bir sezondan daha uzun zaman ölçekleri dikkate alınır, kullanılan nicelikler seçilen dönem için ortalama değerlerdir.

Döngüler Modelleme yapılırken atmosferdeki önemli eser elementlerin yaklaşık kararlı halde olduğu varsayılır Atmosferdeki konsantrasyonlar kimyasal bütçe ya da döngülerle hesaplanır. Döngü modellemesiyle Akıların büyüklüğü Rezervuarların büyüklüğü Atmosferde kalma süreleri elde edilir. Dezavantaj: Rezervuarda ne olduğu, nasıl olduğu, konumsal dağılım gibi diğer detaylar bilinmez.

Rezervuar içinde, yerinde oluşma Kaynak Çeşitleri Yüzey Emisyonları Rezervuar içinde, yerinde oluşma Stratosferden Giriş

Kaynaklar

Alıcı Havuzlar 1. Yaş Birikme (partikül madde* ve gazların yağmur ve karla dönem dönem atmosferden atılması) 2.Kuru Birikme (partikül ve gazların karaların ve denizlerin yüzeyine ulaşarak atılması) 3.Yerinde Çıkarılma (Atmosferdeki tepkimelerle dönüşümlere uğrayıp çıkarılma) * Sıvı ya da katı saf su dışındaki herhangi bir madde

Yaş Çıkarılma Süreçleri Yaş birikme süreçlerinde havadaki partikül ve gaz maddelerin atmosferden çıkışı farklı şekillerde olabilir. Yağmur Yağışı Kar Yağışı Sis yığılması Bulut Kesişimi (Bulutun dağın zirvesiyle temasta olması) Çözünebilir ve tepkisellik çıkarılma hızını etkiler.

Yaş Çıkarılma Süreçleri Yaş Çıkarılma Hızı(vyç) : yıkanma oranıyla (yo) tanımlanır. Yıkanma Oranı: türlerin yüzey tabakasındaki yağıştaki derişimlerinin yüzey-tabakasında bulunan havadaki derişimlerine oranıdır. = yağış şiddeti: 0.5 mm/sa (çiseleyen yağmur için) 25 mm/sa (sağnak yağmur için) Çözünebilen gazların yaş birikme hızları daha az çözünen gazlara göre daha büyük olur.

Kuru Birikme Süreçleri Atmosferik türbülans, maddenin kimyasal özellikleri ve yüzeyin yapısına bağlıdır Birikme bitki, toprak, okyanus vd. yüzeylerine olabilir Gazlar için türün çözünürlüğü ve kimyasal olarak tepkiselliği (reactivity) yüzeyde kalmayı etkiler. Partiküller içinse partikülün boyutu, şekli ve yoğunluğu önemlidir. R >= 20 mm 2 < R < 20 Etkili bir mekanizma yok. R <= 2 mm Difüzyon Yerçekimi

Kuru Birikme Süreçleri F = - vkCa  vk = F/Ca Yüzeydeki konsantrasyon Kuru Birikme Hızı Aerodinamik tabaka (türbülent difüzyon, rüzgar hızı, atmosfer kararlılığı vd.) Yüzey Laminar ara tabaka 1 3 2 Paralel bağlanmış elektrik devrelerindeki gibi her tabakadaki direncin toplamının tersi birikme hızını verir. Partikül maddeler için kuru birikme hızına yerçekimi etkisinde yere çökelme hızı (vç) da dahil edilir.

Küresel Troposfer Kimyasal Modelde Kullanılan Birikme Hızları Kuru Birikme Hızı (cm/s) Yaş Birikme Hızı(cm/sa) O3 0.6 (kara) 0.06 (okyanus) 0.0 NO 0.1 NO2 0.5 (kara) 0.1 (okyanus) HNO3 1.0 2.4 SO2 0.8 SO4 5.0

Atmosferde Kalma Süresi Atmosferde kalma süresi (t) belli bir molekül ya da atomun bir rezervuarda geçirdiği zaman demektir. Kalma sürelerinin olasılık yoğunluk fonkisyonu f(t), f(t)dt da kalma süresi t ile t+dt arasında olan moleküllerin oranı olsun, ortalama kalma süresi: Kararlı haldeki bir rezervuar için devir süresi kalma süresine eşit olur. M = toplam kütle Fgiren Fdışarı giden Emisyonlar E Çıkanlar Ç

Atmosferde Kalma Süresi Fgiren Fdışarı giden Emisyonlar E Çıkanlar Ç M = toplam kütle Tüm atmosferi göz önüne aldığımızda ise,

Örnek Dünyadaki sülfür içerikli bileşiklerin konsantrasyonu 1 ppb’dir. (kütlece) . Toplam sülfür kaynaklarının yılda 200x1012 g/yıl olduğu bilindiğine göre sülfür bileşiklerinin atmosferde ortalama kalış süresi ne kadardır? Çözüm: Troposferin kütlesi: 4x1021 g

II. Örnek M1 T E1 Ç1 M2 Ç2 1 2 1 nolu Rezervuarda Kalma Süresi:

II. Örnek 2 M2 1 M1 T Ç2 Ç1 E1 1 nolu Rezervuarda Kalma Süresi: Toplamda Kalma Süresi

II. Örnek a = 1 tüm maddeler 2 nolu rezervuara transfer edilmiş olur. Ç1 M2 Ç2 1 2 a = 1 tüm maddeler 2 nolu rezervuara transfer edilmiş olur. a = 0 t = t1 Bu tip modeller atmosferik S (kükürt) sistemine uygulanmıştır. (Kitapta, sayfa 655-657). 1 nolu rezervuar SO2, 2 nolu rezervuar ise troposferdeki SO4’u temsil eder. Atmosferde kalma sürelerinin bilinmesi, belli bir maddenin kaynaktan ne kadar uzağa taşınacağının ölçüsünü verir.

Karakteristik Karışma Süresi (tk) Belli bir bölgeyi ele aldığımız takdirde (örneğin Kuzey yarımküre), tk o maddenin verilen bölgede ne kadar sürede karışacağını verir. tk>t İyi karışmamış tk<t İyi karışmış Karışma süresi yöne göre değişir. Dikey doğrultuda (dikey eddy karışımı ve difüzyon) troposferde hızlı bir karışım (≈1 hafta-1ay )söz konusuyken, yatayda bir türün homojen karışması için gereken süre 1 yıl olabilir.

Dikey Karışım İçin Tipik Karışma Süreleri Kz = 105 cm2 s-1 tropopoz (10 km) 10 yıl 5 km 1 ay 1 hafta 2 km “Gezegen Sınır Tabakası” 1 gün 0 km

tk SORU: 85Kr için atmosferde kalma süresi:10 yıl Troposferde 85Kr homojen bir şekilde dağılmış mıdır? SORU: t sülfür = birkaç hafta. Troposferde sülfürlü bileşikler iyi karışmış mıdır?

tk tk<t İyi karışmış tk>t İyi karışmamış SORU: 85Kr için atmosferde kalma süresi:10 yıl Troposferde 85Kr homojen bir şekilde dağılmış mıdır? tk<t İyi karışmış SORU: t sülfür = birkaç hafta. Troposferde sülfürlü bileşikler iyi karışmış mıdır? tk>t İyi karışmamış

Notlar Genellikle bir türün atmosferden çıkma hızı türün atmosferdeki konsantrasyonuyla doğru orantılıdır. Kuru ve bulut damlasıyla olan yaş yığılma hızı için bu durum geçerlidir. (Ne kadar çok bulunuyor, o kadar hızlı çıkarılma hızı) 85Kr için atmosferden en önemli çıkış mekanizması radyoaktif bozunmadır. k=radyoaktif bozunma sabiti. Kalma süresi madde konsantrasyonunu bilmeyi gerektirmez, sadece bozunma sabitinin bilinmesi yeterli olur.

Eğer bir madde iki ayrı çıkarılma mekanizmasına sahipse: Eğer tek çıkarma süreci k1’li tepkime ise gereken zaman t1>>t2 ise, k2 daha etkili bir mekanizma. t=t2 Toplam Süre Eğer tek çıkarma süreci k2’li tepkime ise gereken zaman

ÖZET Hangisini kullanmalı? i maddesini ele alalım. Çiky Kuru yığılma Çiyy Yaş yığılma Çik Kimyasal Tepkimeler Çit Stratosfere Taşınma Eiik İnsan kökenli emisyonlar Eid Doğal emisyonlar Eik Kimyasal Tepkimeler Hangisini kullanmalı?