1

Ünite 1Ünite 1

Atmosferin Bileşimi ve YapısıAtmosferin Bileşimi ve Yapısı

Doç. Dr. Hasan TATLI

2

Atmosfer: yer küresinin etrafını çepeçevre kuşatan. kalınlığı tam olarak bilinmemekle beraber 1000 km'nin

üzerinde olduğu tahmin edilen ve yükseklikle yoğunluğu azalan bir gaz karışımıdır.

Atmosfer, eski Yunanca'da nefes anlamına gelen Atmosile küre anlamına gelen Sphere kelimelerinin

birleşmesinden meydana gelmiştir. Atmosferin üst sınırı tam olarak bilinmemektedir.

3

Atmosferin ÖnemiAtmosferin hayatımızdaki önemi çok büyüktür. Her şeyden önce

atmosfer olmasaydı hayat olamazdı. Çünkü canlıların yaşaması için gerekli olan Oksijen, Karbondioksit ve Azot gibi gazlar bulunamayacaktı.

Atmosfer ���� Dünyamıza koruyucu bir siper görevi de yapmakta olup, güneşten gelen zararlı ışınları (Ultraviole) emerek yeryüzüne kadar ulaşmalarını engeller

Atmosfer ���� Uzaydan gelen göktaşlarını (Meteorlar) sürtünmeden dolayı parçalayarak yer yüzeyine düşmelerini. güneşten dünyamızagelen ışınların hızla uzaya dönmesini, ışınları yansıtıp dağıtarak gölge yerlerin karanlık olmasını, dolayısıyla güneş alan yerlerin çok sıcak, almayan yerlerin çok soğuk olmasını önlemektedir.

Atmosferik hareketlerle ���� yer yüzeyindeki büyük sıcaklık farklılıkları bir ölçüde giderilmektedir.

Atmosfer olmasaydı ���� gündüzleri sıcaklık 130°C kadar yükselecek, ve geceleri ise –150°C ye kadar düşecekti

Yine atmosfer olmasaydı ���� ses iletimi ve yanma olayı meydana gelmeyecekti.

4

Atmosferik Havza

Atmosferik Havza

Eğer atmosferi, gazların bir havzası olarak düşünürsek,

havzaya giren-çıkan gazların eşitliğinden dolayı, gazların konsantrasyonu hep sabit kalır. Bu kısıtlar altında, gazlar

daimi (steady state) durumdadır denir.

5

Atmosferin BileşimiBundan 300 yıl öncesine kadar evreni meydana getiren

maddelerin sadece katı ve sıvı olduğu sanılıyordu. 17'nci yüzyılın ortalarına doğru tabiattaki maddelerden birinin de gaz halinde olduğu anlaşıldı. 18’nci yüzyılın sonlarında Lavoisier adındaki bir Fransız bilgini havanın bir gaz karışımı olduğunu yaptığı deneyler sonunda ortaya koydu. Bu karışımın sadece oksijen ve azot olduğu sanılıyordu. 1892'de İngiliz Fizikçisi Rayleigh'la birlikte çalışan Lavoisier, Argon,Neon, Kripton ve Ksenon gibi gazların da havanın içinde olduklarınıbuldular.

Her zaman bulunamayan gazlar (Tozlar, kirleticiler)

Devamlı bulunan fakat miktarları azalıp çoğalan gazlar (Karbondioksit, su buharı, ozon)

Her zaman bulunan ve miktarları değişmeyen gazlar (azot, oksijen, asal gazlar)

Atmosferde Bulunan Gazlar

628.96100Hava

Ortalama Hava

46.010.000005NO2Azot dioksit

480.000012O3Ozon

64.060.000014SO2Kükürt dioksit

28.010.0035COKarbon monoksit

EPA (ABD Çevre Koruma) Kalite Standartı

44.010.00003N2OAzot Oksit

16.040.00017CH4Metan

44.010.035CO2Karbon dioksit

18.020 - 4H2OSu buharı

Değişken Gazlar

131.30.000009XeKsenon

2.020.00005H2Hidrojen

40.0005HeHelyum

20.180.0018NeNeon

39.950.93ArArgon

3220.95O2Oksijen

28.0178.08N2Azot (Nitrojen)

Sabit Gazlar

Moleküler Ağırlık (g/Mol)

Hacimsel Yüzde %

SembolüGazın İsmi

Yeryüzüne yakın seviyedeki atmosferin gaz bileşimleri

28.96100Hava

Ortalama Hava

46.010.000005NO2Azot dioksit

480.000012O3Ozon

64.060.000014SO2Kükürt dioksit

28.010.0035COKarbon monoksit

EPA (ABD Çevre Koruma) Kalite Standartı

44.010.00003N2OAzot Oksit

16.040.00017CH4Metan

44.010.035CO2Karbon dioksit

18.020 - 4H2OSu buharı

Değişken Gazlar

131.30.000009XeKsenon

2.020.00005H2Hidrojen

40.0005HeHelyum

20.180.0018NeNeon

39.950.93ArArgon

3220.95O2Oksijen

28.0178.08N2Azot (Nitrojen)

Sabit Gazlar

Moleküler Ağırlık (g/Mol)

Hacimsel Yüzde %

SembolüGazın İsmi

Yeryüzüne yakın seviyedeki atmosferin gaz bileşimleri

7

Havada Bulunan Gazların Özellikleri Ve Önemi

Oksijen (O2) ���� Atmosfer içerisindeki oksijen, canlıların solunumu ve yanma olayı için çok önemlidir. Havadan biraz daha ağır olup, sularda erime özelliği vardır. Soğuk suda oksijenin erime oranı daha fazladır. Hava ısındıkça suda erimiş olan bu oksijen havaya verilir. Bu yüzden yaz aylarında havadaki oksijen miktarı az da olsa artar. Havadaki en az oksijen miktarı ise kış aylarında olmaktadır. Yerleşim bölgelerinde, havadaki oksijen miktarı daha az olmakta, ormanlık bölgelerde, kırlarda, denizlerde ve yükseklerde ise biraz daha fazla olmaktadır. Normal bir insan, oksijenin kısmi basıncı 200mb olan bir havayı teneffüs etmeye alışmıştır. Şayet bu kısmi basınç düşecek olursa, yani havadaki oksijen miktarı azalacak olursa insanlarda; yorgunluk, uyku basması, görüş zayıflığı ve kendinden geçme gibi haller görülür.

8

Karbondioksit (CO2) ���� Havada çok az miktarda olmasına karşın (%0.035) miktarının değişken olması, Klimatolojik koşullara önemli derecede etki yapar. Bu gazın fazla oluşu havanın kirliliğini, tersi ise havanın temizliğini ifade eder. Havadaki karbondioksit miktarı karalar üzerinde, denizlerden daha fazladır. Karalar üzerinde ise özellikle yerleşim bölgelerinde fazladır. Çünkü şehirlerde, fabrika ve ev bacalarından çok miktarda karbondioksit havaya verilir.

Karbondioksitin başlıca kaynakları: çeşitli fosil yakıt temelli yanma olayları, volkanlar, maden ocakları, maden suları, canlıların teneffüsü ve bakteri artıklarıdır. Bütün bu karbondioksit kaynaklarına rağmen atmosferdeki miktarı çok fazla artmaz. Çünkü denizler, havada fazla miktarda bulunan karbondioksiti eritirler.

9

Yapılan aletsel ölçümlere göre, 1950’den beri karbon dioksit konsantrasyon artış oranı 1.8 ppm/yıl civarındadır. Bu artışın

temel nedeni, fosil yakıtlar ve ormansızlaştırmadır.

yıl

10

Su buharı� Havanın tabii şartlarda hiç bir zaman kuru olmadığı ve daima içinde su buharı bulunduğu görülmüştür. Su buharı, yere vezamana göre hava içerisindeki miktarı en fazla değişen bir gazdır. Hava içerisindeki su buharı miktarıyla hava sıcaklığı arasında çok yakın bir ilgi vardır. Sıcaklık arttıkça havadaki, su buharı miktarı da artar.

Havadaki su buharının yaşam ve iklimler üzerinde çok önemli etkileri vardır. Havadaki su buharı, yağışların oluşmasını sağlamakla kalmayıp atmosferde koruyucu bir örtü vazifesi de görerek dünyanın çabuk soğumasını önler. Havayı yumuşatarak nefes almamıza ve cildin çatlamamasına yardım eder. Hava içindeki bakterilerin yaşamasını sağlar. Fakat hava içinde fazla oluşu, sıcaklık duygumuz bakımından sıkıntı verdiği gibi bazı salgın hastalıkların yayılmasını da kolaylaştırır.

11

Aerosoller (küçük katı partiküller)� Havadaki bulut damlaları

ve yağış dışındaki partiküllere aerosoller denir. Aerosoller

bulut oluşumu açısından büyük öneme sahiptirler. Tüm bulut damlaları yoğunlaşma çekirdekleri denen havada asılı

durumda bulunan aerosoller üzerinde yoğunlaşarak meydana gelirler.

12

Ozon (O3) � Hava içerisinde bulunan oksijen molekülleri, ultraviyole ışınlarının etkisi altında birbirleriyle birleşerek Ozon gazını meydana getirirler. Ozon, üç oksijen atomunun birleşmesinden meydana gelir. Soluk renkli bir gaz olan ozonun çok keskin bir kokusu vardır. Yıldırımlı havalarda, atmosferin yere yakın kısımlarında az miktarda ozon meydana gelir. Yere yakın hava katmanlarında ozon, yok denecek kadar azdır. Fakat yerden 19 - 45 km. yükseklikler arasında bir ozon katmanı vardır. Bu yükselliklerdeki ozon miktarı, ekvatordan kutba doğru artar. Ozon katının ortalama yüksekliği ise ekvatorda 29 km ve orta enlemlerde ise 22 km civarındadır.

Ozon, gaz olarak içinde hayatın gelişmesine olanak vermez. Ancak dünyamıza güneşten gelen ultraviyole ışınlarını emerek hayatın devamım sağlar. Ultraviyoleışınları, vücutta D vitamininin oluşumunu sağlar, fakat gereğinden fazla olursa hayatı yok edici bir etki yapar. Ozon tabakası olmasaydı yer yüzeyine gelen Ultraviyole ışınları 50 kat daha fazla olacaktı. Atmosferin alt tabakalarında ozonun fazlalığı, havanın temiz oluşunu ifade etmektedir. Dağ, orman, ve deniz havalarında oldukça boldur. Şehir havasında ise bulunmadığı bile söylenebilir. Mevsimlere ve hava şartlarına göre de ozon miktarının değiştiği görülür.

13

Azot (N2) ���� Havanın 4/5’ni meydana getiren bu gazın rengi, kokusu ve tadı yoktur. Azot tek başına canlıların yaşamasına imkan vermez.

Hava içerisinde Azot'un iki önemli rolü vardır:1) Oksijenle birleşerek onun yakma özelliğini hafifletir. Şayet

sadece oksijenle solunum yapmak zorunda kalsaydık bütün organlarımız yanardı.

2) Azot bitkilerle birleşerek endüstride ve tarımda büyük faydalar sağlayan nitrat ve nitritleri meydana getirir (Sodyum nitrat, potasyum nitrat gibi). Bitkiler, havadaki azot gazını doğrudan doğruya alamazlar. Azot İhtiyaçlarını topraktaki azot bileşiklerinden karşılarlar. Bundan dolayı bitkilerin köklerini azot bileşikleriyle beslemek gerekir (gübre ile).

14

Bilim insanları, atmosferin kimyasal bileşiminden

çok, ortalama atmosfer sıcaklığının yükseklikle

değişim özelliklerine göre atmosferi tabakalara bölerler.

Temelde atmosfer 4 tabakaya bölünür;

1) Troposfer2) Stratosfer

3) Mezosfer

4) Termosfer

15

TROPOSFER

STRATOSFER

YERYÜZÜ

MEZOSFER

TERMOSFER

12 km

45 km

80-90 km

Tropopoz

Stratopoz

Mezopoz

Sıcaklığa göre atmosferin katmanları

16

Fiziksel ve Kimyasal Özelliklerine göre atmosferin katmanları

TROPOSFER

OZONOSFER

YERYÜZÜ

KEMOSFER

İYONOSFER

EKZOSFER

12 km

45 km

80-90 km

300-325 km

17

90 kmHETEROSFER

HOMOSFER

YERYÜZÜ

Kimyasal Özelliğine Göre Atmosferin Katmanları

18

Atmosferde Sıcaklık Profili

Yükse

klik

(km

)

Sıcaklık

19

Atmosferin Genel Özellikleri Bakımından Katmanları

İyonosfer

20

Termodinamik Hal

Havanın termodinamik durumu 3 değişken ile ölçülür

• basınç

• yoğunluk

• sıcaklık

BasınçBasınç P = birim alan A üzerine normali

doğrultusunda etkiyen F kuvvetidir.P = F /A

21

Basıncın yükseklikle değişimi

pHzePP

/

0

−=

a = 0.0342 K / m (bir sabit)P0 := 101.325 kPa: Ortalama deniz seviyesindeki basınçT : Sıcaklık (Kelvin): sabit kabul ediliyor.z: Yükseklik

zTaePP

)/(0

−=

Hp = 7.29 km : Basıncın ölçek yüksekliği

22

Soru: Deniz seviyesinden 10 km yükseklikte, sıcaklığın 250 ve 300K olduğu durumlardaki basınçları karşılaştırınız.

Çözüm:Verilenler: z = 10 km, (a) T= 250 K, (b) T = 300 Kİstenenler: (a) P = ? kPa, (b) P = ? kPa

kPaP

P

4.32

]300/)10)(0342.0exp[()325.101( 4

=

−=

kPaP

ePePPzTa

8.25

)325.101(410)250/0342.0()/(

0

=

=⇒= −−(a)

(b)

Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Basınç yükseklikle, sıcak havada soğuk havaya nazaran çok daha yavaş düşer. Çünkü moleküller birbirinden çok daha uzakta bulunurlar.

23

Yoğunluğun yükseklikle değişimi

Vm /=ρ

zTae

)/(0

−= ρρ ρρρHz

e/

0

−=

ρ = birim hacimin (V) kütlesi (m) olarak tanımlanır.

Eğer hacim içindeki moleküllerin ağırlıklarıartarsa yoğunluk da artar. Standart atmosfer, yani havanın sıcaklığı T = 15oC olarak değerlendirilir.

veya

e)seviyesinder yLitregrmkg (/225.1225.1 3 =⋅= −ρ

a = 0.04 K/m ve Hρ = 8.55 km yoğunluk ölçek yüksekliği

24

Soru: Havanın tek-düze (uniform), yani T = 15oC olduğu

durumda, 2 km yükseklikteki havanın yoğunluğu nedir?

Çözüm:Verilenler: z = 2000 m

ρο = 1.225 kg/m3

T=15oC = 288.15 Kİstenen: ρ = ? kg/m3

ρ = ροe-(a/T)z = 1.225e-(0.04/288.15)2000 = 0.928 kg/m3

Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Hava yoğunluğunun düşmesinden dolayı, uçakların kanatları %24 daha az kaldıracağından, motorlarlara %24 daha az güvenmek gerekir.

25

Yükse

klik

(km

)

Artım yönüDüşük Yüksek

Hava yoğunluğu

Hava molekülleri

Hava basıncı

26

SICAKLIKEğer bir grup molekül (mikroskopik) daimi olarak aynı yönde hareket ederse, harekete rüzgar denir.

Eğer moleküller rasgele yönlerde hareket ederlerse, hareket sıcaklıkla ilgilidir.

Sıcaklığın yükselmesiyle, ortalama molekül hızı da artacağından:

2vmaT w ⋅⋅=

Eşitliği yazılabilir. a = 4x10-5 K. m-2 . s2 bir sabit,mw: ilgili gazın moleküler ağırlığı,v : ortalama molekül hızıdır.

T : Sıcaklık, Kelvin olarak tüm denklemlerde kullanılmak zorundadır.

27

Yaygın kullanılan sıcaklık birimleri

]32[)9/5( −⋅=FC

TT oo

32)5/9( +⋅=C

TTF oo

15.273+=CK TT o

Standart (ortalama) deniz-seviyesinde Hava sıcaklığı: T = 15oC =288K=59oF

28

Soru: 20oC’de bulunan Azot molekülünün rastsal hızı nedir?

Çözüm:Verilenler: T = 20 + 273.15 = 293.15 Kİstenen: v = ? m/s

⇒⋅= 2/1]/[ wmaTv

smv /5.511)]01.28104/(15.293[ 2/15 =⋅×= −

Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Tabancının mermisinden çok daha hızlı.

29

Hal denklemi-İDEAL GAZ DENKLEMİ

TRP d ⋅⋅= ρ

11053.287 −− ⋅⋅= kgKJRd

vd TRP ⋅⋅= ρ

)61.01( rTTv ⋅+=

(Kuru hava için)

(Nemli hava için)

(Virtüel sıcaklık)

r: karışma oranı [gsu buharı/gkuru hava]

30

Eğer hava içinde hem sıvı hem de su buharı ikisi birden varsa

• Virtüel sıcaklık

)61.01( Lv rrTT −⋅+=

rL: sıvı-su karışma oranı [gsıvı su/gkuru hava]

31

Soru: Ortalama (standart) basınç ve yoğunluk kısıtında, yer seviyesinde kuru hava sıcaklığı ne olur?

Çözüm:Verilenler: P = 101.325 kPa, ρ = 1.225 kg/m3

İstenen: T = ? K)/( dRPT ρ=⇒⋅⋅= TRP dρ

Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Daha önce üzerinde durulan standart atmosfer sıcaklığı ile uyuşmaktadır.

CK

kgmKPamkg

PaT

o15 2.288

)287()225.1(

1013251313

==

⋅⋅⋅⋅⋅=

−−−

32

Soru: Sıcaklığın 35oC ve karışma oranın 30 gsubuharı /kgkuruhava

olduğu havanın Virtüel sıcaklığı nedir?

Çözüm:Verilenler: T = 35oC, r = 30 g/kgİstenen: Tv = ? oC

Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Böylece, yüksek nem havanın yoğunluğunu çok daha fazla azaltmakta, ki bu durum yaklaşık 5oC daha sıcak olan kuru havaya etki eder gibidir.

Önce sıcaklığı ve karışma oranını uygun birimlere dönüştürürüz.T = 273.15 + 35 = 308.15 Kr = (30 gsubuharı/kghava)(0.001kg/g) = 0.03 gsubuharı/ghava

C

TrTT vv

o40.6313.6K

)03.061.01(15.308)61.01(

==

⋅+=⇒⋅+=

33

HİDROSTATİK DENGE

Daha önce tartışıldığı üzere, basınç yükseklikle azalır.

Hipotetik bir hava parseli

P (üst) = düşük

P (taban) = büyük

Yer çekimi = F = m g

Basınç gradyanı = F = ∆P A

A : yatay kesit alanıg = -9.8 m/s2: yerçekimi ivmesi

∆z

34

HİDROSTATİK DENGE DENKLEMİ

∆z

A

)denklemi dengek hidrostati(||

||lim0

gz

p

gz

p

z

pg

z

p

veya

zgP

z

ρ

ρρ

ρ

−=∂

∂

−=∂

∂=

∆

∆⇒−=

∆

∆

∆⋅⋅=∆

→∆

35

Soru: Yere yakın seviyede, 100 m’lik yüksekliğe çıkmakla ne kadarlık basınç düşer?

Çözüm:Verilenler: ρ = 1.225 kg/m3 (deniz seviyesinde)

∆z = 100 m İstenen: ∆P = ? kPa

Kontrol: Birimler tamam. Şekil uygun. Fizik anlamlı.Tartışma: Bu durum büyük kalınlıklara genelleştirilemez.

Hidrostatik denge denkleminden,∆P = ρ g ∆z∆P = (1.225kg/m3)(-9.8m/s2)(100 m)

= -1200 Pa = -1.2 kPa = -12 hPa = -12 mb

∆z

P (üst)

P (alt)

36

HİPSOMETRİK DENKLEMİdeal gaz denklemi ile hidrostatik denklemi birleştirirsek, hipsometrik denklemini elde ederiz.

⋅⋅=−=∆

2

112 ln

P

PTazzz v

vT : ortalama Virtüel sıcaklık

a : Rd / |g| = 29.3 m/K (bir sabit)

∆z : P2 ile P1 basınç seviyeleri arasında kalan kalınlık

Ev Ödevi: Birinci derece lineer diferansiyel Denk. çözüm yöntemlerinden yararlanarak hipsometrik denklemi elde ediniz.

37

Soru: Aşağıda verilen sıcaklıklara göre, 100 kPa ile 90 kPa arasındaki kalınlık ne kadardır? P (kPa) T (K)

90 275100 285

Çözüm:Verilenler: Tabakanın üst ve tabanındaki gözlemler.İstenen: ∆z = z2 - z1 m ?

Kontrol: Birimler tamam. Fizik uygun.Tartışma: Böylece, bir uçakla 856.7 m yükseğe çıkmakla, yukarıda verilen sıcaklıklara göre 10 kPa basınç azalmasını ölçeriz.

Havanın kuru olduğuna varsayarak, Tv = (275 + 285) /2 ve hipsometrik denklemde yerleştirirsek,

∆z = z2 –z1 = (29.3)(280)ln(100/90) = 856.7 m

38

Ünite 2Ünite 2Doç. Dr. Hasan TATLI

RadyasyonRadyasyon

KonveksiyonKondüksiyon

RadyasyonRadyasyon

39

AKI (Flux)Tanım: Birim alanda, birim zamanda taşınan büyüklük (fiziksel büyüklük). Ancak ele alınan alanın, akının hareketine dik (normal) olması gerekir.

Ι = (kg m-2 s-1): Kütle akısı,I = (J m-2 s-1): Isı akısı,1 W = 1 J s-1 olduğundan, Isı Akısı = W m-2 olur.

I veya F

40

Kinematik AKI ∆t zaman aralığında, A alanından geçen toplam ısı veya kütle miktarı,Miktar = I A ∆t

Isı miktarı = ∆Q ile sembolize edilir.Eğer Akı hava yoğunluğuna bölünürse, Akının kinematik şekli elde edilir.

F = I /ρhava (kinematik akı) Kinematik kütle akısı = rüzgar sürati (hız değil)

Sadece Isı akısı kinematik şekle, Isı akısının hem hava yoğunluğuna hem de havanın özgül ısısı Cp (K m s-1) bölünmesiyle elde edilir. Kuru hava için = ρhavaCp = 1231 (W m-2)/(Kms-1) = 12.31 mb K-1

= 1.231 kPa K-1

41

Soru: 1 m enli ve 2.5 m yüksekli bir kapıdan geçen kütle akısı = 1 kg m-2 s-1’dir. 1 dakikada kapıdan geçen kütle akısı miktarını ve kinematik akıyıhesaplayınız.

Çözüm:Verilenler: A = (1m) (2.5 m) = 2.5 m2, I = 1 kg m-2s-1

∆t = 1 dk = 60 sİstenenler: a) Miktar = ? Kg

b) F = ? ms-1

Kontrol: Birimler tamam. Fizik uygun.Tartışma: Kinematik akı, 1 m/s ‘den de küçük bir süratle esen, çok yavaş rüzgar mertebesinde olmasına karşın, dakikada oldukça büyük bir kütleyi taşımaktadır.

a) Miktar = I A ∆t = (1 kg m-2s-1)(2.5 m2) (60 s) = 150 kgb) ρ = 1.225 kg/m3 deniz seviyesinde varsayalım, bu durumda

kinematik akı F,F = (1kg m-2 s-1)/(1.225 kg/m3) = 0.82 m/s.

42

RADYASYON İLKELERİ

Radyasyon - DalgalarRadyasyon nedir –

elektromagnetik dalgalar?Bir dalganın

karakteristikleri -->>

Soru: Radyasyonun tipik dalga boyları nedir?

Dalga boyu

Gen

lik

43

Radyasyon dalgaları – dalga boyları

Soru: Radyasyon dalgalarının tipik dalga boyu nedir?

Genelde Mikrometre birimi radyasyon dalga boyunun ölçü birimi olarak kullanılır.

1 mikrometre (µm) = 10-6 metredir.

Tipik bir defter sayfasının kalınlığı 100 µm civarındadır.

44

45

Tüm Nesneler Radyasyon Yayar (Emisyon)

• 0 (sıfır) K den daha yüksek sıcaklığa sahip tüm nesneler radyasyon yayar.

• Sıcak nesneler soğuk nesnelerden daha fazla radyasyon yayar.

• Soru: Bir nesnenin yayabileceği radyasyon miktarı ne kadar ve hangi dalga boyundadır?

• Cevap: Yanıtı verebilmek için, önce siyah cisim radyasyonu tanımlamak gerekir.

46

• Siyah Cisim Radyasyonu

Siyah Cisim: emdiği tüm enerjiyi yayabilen cisimlere denir. ��

– Cismin kendisinin “siyah renkte” olduğu anlamına gelmez.

– Güneş ve dünya yaklaşık olarak siyah cisim gibi davranırlar.

Tüm gelen enerjiyi absorbe eder (emer)

Tüm enerjiyi yayar

Siyah cisimSiyah cisim

47

RADYASYON YASALARI (EŞİTLİKLERİ)Stefan-Boltzman Yasası: Sefan-Boltzman yasası, bir nesnenin yayabileceği radyasyon miktarının, sıcaklığıyla bağlantılı olduğunu söyler.

Ε = σ Τ4 W/m2 (Stefan- Boltzman yasası)

E: cisim tarafından salınan enerji,

σ = 5.67 10−8 Wm-2 K-4 (Stefan-Boltzman katsayısı)

T: Kelvin olarak cismin sıcaklığıdır.

48

Dünya ile Güneşi ele alalım.

Güneşin dış çevresinde T = 6000 K dır.

E = 5.67 x 10-8 Wm-2K-4 (6000 K)4 = 7.3 x 107 Wm-2

Soru: Bu miktar çok mu büyüktür?

Cevap: 100 Wattlık bir ampul ile kıyaslayarak yanıtını kendiniz bulunuz.

Dünyada, T = 288K

E = 5.67 x 10-8 Wm-2K-4(288 K)4 = 390 Wm-2

Soru: Bir cismin sıcaklığı 2 katına çıkartılacak olursa, kaç kat fazla enerji yayar?

Yanıt: ?

49

Wein YasasıCisimlerin çoğu radyasyonu birçok farklı dalga boyunda yayarlar, ancak öyle bir dalga boyu vardır ki en fazla enerjiyi bu dalga boyunda yayar. En fazla enerjinin yayınladığı dalga boyu Wein yasası ile bulunabilir.

λmax = 2897 µm / T(K) (Wein yasası)

Soru: Güneş hangi dalga boyunda en fazla radyasyon yayar? (0.5 mikrometre)

Soru: Dünya hangi dalga boyunda en fazla radyasyon yayar? (10 mikrometre)

EV ÖDEVİ:Farz edelim ki vücudunuzun ortalama sıcaklığı 90°F dır. Vücudunuz Wm-2 biriminde ne kadar radyant enerji yayar? Vücudunuzun toplam yayınladığı radyant enerji nedir? Hangi dalga boyunda bu radyant enerji yayınlanır?

50

Dalga boyu

51

Güneş ve Dünyanın Radyasyon Eğrileri Soru: Güneş ve dünya radyasyon eğrileri arasındaki fark ve

benzerlik nedir?R

adya

syonŞ

idde

ti (

W/m

2 /µ

m)

Güneş 6000 K

Dünya

Dalga boyu

Kısa dalga radyasyon Uzun dalga radyasyon

52

Güneşin radyasyon eğrisini yakından inceleyelimHer dalga boyu bant içindeki yüzdelerine dikkat ediniz.

53

Radyatif DengeEğer bir cismin sıcaklığı zamanla değişmiyorsa, o cisim kendi denge sıcaklığında (Te) ve radyatif dengededir denir. Soru: Giren enerji > çıkan enerji ise ne olur? Cisim ısınır.Soru: Dünya radyatif dengede midir? EVET, çünkü dünyanın küresel ortalama sıcaklığı zamanla sabit kalır.

Ene

rji

çıkışı

Ene

rji

girişi

T =

sab

it =

Te

Ene

rji

girişi

= E

nerj

i çı

kışı

Rad

yati

f de

nge şa

rtı

54

Dünyanın Radyatif DengesiAldığı kısa dalga radyasyon miktarı yaydığı uzun dalgalı radyasyona eşittir.

Soru: Dünyanın radyatif denge sıcaklığı nedir?

Radyasyon Giriş

Radyasyon ÇıkışSolar (kısa dalga)

Radyasyonu

Karasal (Uzun dalga) Radyasyonu

55

Dünyanın Radyatif Denge SıcaklığıDünyanın yaydığı enerji = 240 Wm-2 biliyoruz.

Stefan-Boltzman eşitliğini kullanarak,E = σ Te

4

=> Te = (E/σ)1/4

Eğer dünyanın atmosferi olmazsa, Te = 255 K bulunur.

Atmosferin olmadığı durum

Kısa dalga radyasyonu Uzun dalga

radyasyonu

Kısa dalga radyasyon dünya tarafından emilir

Dünya tarafından yayılan enerji = 240 Wm-2

56

Dünyanın Radyatif Denge Sıcaklığı (devamı)

Atmosferin olmadığı durumda => Te = 255 K

Dünyanın donması gerekir!

Oysa aktüel (gözlemlenen) Te = 288 K dir.

Gözlenen sıcaklığın, Stefan-Boltzman yasası ile hesaplanandan büyük olmasının temel nedeni ne olabilir?

Yanıt: ATMOSFER

57

Solar Radyasyonun Dünya İle Etkileşimi

58

Solar Radyasyonun Etkileşimi Ve Atmosfer

Biraz önce verilen şekilde, gelen kısa dalgalı radyasyonun yaklaşık yarısı dünya tarafından emilir ve sadece %19 u atmosferdeki gazlar tarafından emilir. Böylece, atmosfer oldukça iyi bir kısa dalgalı radyasyon geçirgenidir sonucuna varırız.

Bu sonuca varmanın başka bir yolu daha vardır.

Soru: Atmosferin, dünyanın emdiği radyasyon ile bir etkileşimi var mıdır?

59

60

Uzun Dalga Radyasyon Etkileşimi Ve Atmosfer�Dünya tarafından yayınlanan radyasyonun bir kısmı uzaya kaçarken, bir kısmı da atmosferde bulunan gazlar tarafından emilir.

� Ve bu gazlar uzun-dalga radyasyonu dünyaya tekrar gönderirler.

�Bu EK uzun dalga radyasyondan dolayı, dünyanın biraz daha ısınması sağlanır.

�Bu olaya “SERA ETKİSİ” denir.

�Dünya tarafından yayınlanan uzun dalga radyasyonu emen gazlara, “SERA GAZLARI” denir?

Soru: Bu gazlar hangileridir?

61

Sera GazlarıMetan (CH4)

Karbon Dioksit (CO2) Ozon (O3)

Su Buharı (H2O) Azot Oksit (N2O)

Kısa dalga radyasyon

Uzun dalga radyasyon

Atmosfer var olduğunda

62

Sera gazları farklı dalgalardaki radyasyonu emerek, “Atmosferik Pencereyi” kapatarak “küresel ısınma” üzerinde yaşamsal etkileri vardır. İklim değişikliği konusu, sonraki sömestri derslerinizin konularından olduğundan bu derste üzerinde fazla durulmayacaktır.

EV ÖDEVİ SORULARI1.Neden açık geceler bulutlu gecelerden daha soğuk olurlar? 2.Atmosfer bir siyah cisim midir? (Neden veya neden değildir?)3. Sera gazlarından hangisinin sera etkisi en fazladır? Bu soruyu, atmosferdeki tüm CO2 yok sayarak veya tüm su buharını yok sayarak açıklayınız.

63

Bu resimde meteorolojik açıdan ne oluyor? Açıklayınız.