atmosferin yapısı
Post on 19-Mar-2016
100 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
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
top related