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
2H2O2H2 + 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  107 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
Download
Random flashcards
canlılar ve enrji ilişkileri

2 Cards oauth2_google_d3979ca9-59f8-451c-9cf7-08c5056d5753

qweeqwqwe

5 Cards oauth2_google_78146396-8b44-4532-a806-7e25cc078908

En Mimar Architecture LTD ŞTİ XD

2 Cards asilyasar069

KIRIHAN GÜMÜŞ DEDEKTÖR

6 Cards oauth2_google_49cd8e53-7096-4be6-ba73-4ff7e4195b4b

Create flashcards