Ünite 1 - coĞrafya bİlİm · 5 atmosferin bile şimi bundan 300 y ıl öncesine kadar evreni...
TRANSCRIPT
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 AtmosferDünya 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.
64
ÜÜnite 3nite 3
Doç. Dr. Hasan TATLI
ISIISI
KonveksiyonKondüksiyon
RadyasyonRadyasyon
65
ENERJİ NE YARATILABİLİR NE DE YOK EDİLEBİLİR!
(Temel Fizik Yasa: Kütlenin Korumu Prensibi)
• Isı enerjinin bir şeklidir. Isının dünyaya girişinin ilk adımı, kısa-dalga boylu güneş radyasyonu ile atmosfere girmesidir.
• Atmosfere giren enerji hava olaylarını yönetimi esnasında çok defa şekil değiştirir.
• En son adımda ise uzun-dalgalı (karasal radyasyon) radyasyon şekline dönüşerek dünyayı terk eder.
66
HİSSEDİLEN ISI ve GİZLİ ISI• Hissedilen Isı ∆QH ile gösterilir birimi Joule dür.
İnsanlar tarafından his edilir, yani sıcaklık farkını ortaya çıkaran ısı miktarı olarak da tanımlanabilir.
Cp: sabit basınçta özgül ısı. Isıtılan maddenin bir özelliğidir.Kuru havanın özgül ısısı Cpd = 1004.67 J.kg-1 .K-1
Pratikte Cpd = 1005 alınabilir.Csu = 4200 J kg-1K-1
Nemli hava için Cp = Cpd (1 + 0.84 . r)r : karışma oranı birimi gsubuharı /gkuruhava dır.
∆∆∆∆QH = mhava Cp ∆∆∆∆T
67
Soru: 2 kg havanın sıcaklığını 5oC artırmak için ne kadar hissedilen ısı gerekir?
Çözüm:Verilenler: mhava = 2 kg; ∆T = 5oCİstenen: ∆QH = ? J
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Bu kadar hava yaklaşık 2.45 m3 hacme sahiptir – küçük bir küvet kadardır.
∆∆∆∆QH = mhava Cp ∆∆∆∆T = (2 kg) (1004.67 J kg-1K-1)(5oC)
= 10.046 kJ (kilo Joule)
68
Gizli Isı: Gizlenmiş veya depo edilmiş ısı enerjisidir, sadece suyun faz değişimi esnasında ortaya çıkar.
Buharlaşma esnasında her buharlaşan su damlacığı çevresinden hissedilen ısı enerjiyidepolayarak gizler havayı soğutur.
Havayı soğutan faz değişimlerii) Buharlaşma: sıvı su buharıii) Erime: katı (buz) sıvıiii) süblimleşme: katı su buharı
69
Havayı ısıtan faz değişimleriYoğunlaşma su buharı sıvı
Donma: sıvı katı (buz)
Depozisyon: su buharı katı
Faz değişim ısı miktarı: ∆QE = msu. L
L = gizli ısı
70
L değerleriLv = +- 2.5 x 106J.kg-1 = yoğunlaşma veya buharlaşma.
Lf = +- 3.34 x 105J.kg-1 = donma veya erime.
Ld = +- 2.83 x 106J.kg-1 = depozisyon veya süblimleşme.
Soru: 2 kg su buharı yoğunlaştığında ne dar gizli ısıserbest kalır?Çözüm:Verilen: mbuhar = 2 kg, Lv = 2.5x106 J . kg-1.
İstenen: ∆QE = ? J ∆QE = (2.5x106 J kg-1)(2 kg) = 5000 kJ
71
Termodinamiğin 1. YasasıKütlesi mhava olan bir hava parseline ∆QH kadar ısıeklendiğinde ∆T kadar sıcaklığı değişmesinin yanısıra
parselin üzerinde veya parsel iş yapar. Bu bağıntıyıgösteren denkleme Termodinamiğin 1. yasası denir.
ρ
PTC
m
Qp
hava
H ∆−∆⋅=
∆
Eşitliğin sağ tarafındaki 1. terim hissedilen ısıyı ve son terim ise birim kütle için basıncın değişmesine bağlı olarak parselin büzüşmesi veya genleşmesi sonucu oluşan işi temsil etmektedir.
72
Termodinamiğin 1. yasasını anlamak
ρ
PTC
m
Qp
hava
H ∆−∆⋅=
∆
Eşitliğin sağ tarafındaki son terimi yakından inceleyelim.Basınç = F /A ve ρ = birim hacmin kütlesi olduğundan, bu 2 terimin oranı = (kuvvet x yol) /kütle = birim kütlenin işi
73
Termodinamiğin 1. yasasını hidrostatik denklemle birleştirirsek
phava
H
p Cm
Qz
C
gT
⋅
∆+∆⋅
=∆
Eşitliğin sağ tarafındaki son terim (∆QΗ/mhava) eklenen ısının nedeni;i) Radyatif ısınmaii) Yoğunlaşırken gizli ısı,iii)Azalan (dispatif)Türbülans enerjisiiv)Kimyasal reaksiyonlardan olan ısı,v) Hava veya parsel içindeki konvektif veya advektif etkileşim
Dikkat: Konveksiyon ve adveksiyon enerji taşımaz, ancak hava parselini taşır.
74
z
x
Adveksiyon
Konveksiyon
Genişleme
Akılar
75
Soru: 10 kg kütleli bir hava parseli 10 dakika boyunca H = 100 W ısı oranıyla ısıtıldığında, parselin sıcaklığı ne kadar değişir? r = 0.001 gsubuharı/ghava
Çözüm:Verilenler: H = 100 W; mhava = 10 kg; ∆z = 0; ∆t = 10 dak. r = 0.001 gsubuharı/ghava
İstenen: ∆Τ = ? K1. adım özgül ısıyı hesaplayalım;Cp = (1004.67 J kg-1K-1)(1+0.84. 0.01) = 1013.11 J kg-1 K-1
2. Adım eklenen ısıyı bulalım;∆QH=H.∆t = (100 W) (600 s) = 6x104 J.3. Ve son adımda sıcaklık farkını bulalım;
∆T = (6x104J)/[(10kg).(1013.11 J kg-1K-1)] = 5.92 KKontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.
phava
H
p Cm
Qz
C
gT
⋅
∆+∆⋅
=∆
76
Düşey Sıcaklık Gradyanı (Lapse Rate)Γ = -∆T /∆z1. Sürecin kendisinin düşey sıcaklık gradyanı2. Sürecin çevresinin sıcaklık gradyanı
Adyabatik Düşey Sıcaklık GradyanıAdyabatik: Süreç ne dışarıdan ısı alır ne de verir.
∆∆∆∆QH = 0 => süreç adyabatiktir.Eğer bir hava parseli adyabatik olarak yükseltilirse, içinde nem
olmadığını varsayarsak;
Kuru hava düşey sıcaklık gradyanı: Γd = 9.8K/km
kmKmKC
g
z
T
p
/8.9100/98.0 −=−=
−=
∆
∆
77
1. Kuru hava düşey sıcaklık gradyanı (ΓΓΓΓd) nemli hava içinde uygulanabilir, ancak yükselen havanın doymamış olmasıgerekir. Yani bulut ve yoğunlaşma olmaması durumunda geçerlidir. Aksi durumda nemli hava düşey hava sıcaklık gradyanı kullanılır.
2. Adyabatik düşey sıcaklık gradyanı, basınç terimleri kullanılarak da elde edilir. Eğer İdeal gaz denklemini Termodinamiğin 1. yasasına yerleştirirsek,
Rd/Cp=0.28571 (boyutsuz bir sabit) kuru hava için geçerlidir. Ancak sıcaklık Kelvin dir.
CpRd
CpRd
P
P
T
T
veyaP
P
T
T
/
1
2
1
2
/
=
∆=
∆
78
Soru: Yerde 15oC olan doymamış bir hava parseli, 2km yüksekliğe adyabatik olarak yükseltilirse sıcaklığı ne olur?
Çözüm:Verilenler: T1=15oC ; ∆z = 2 kmİstenen: T2 = ?oC
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Suyun donması için yeterince soğumuştur.
C
kmCkmCzTT
kmCzz
TT
z
T
o
oo
o
6.4
)/8.9)(2(15)8.9(
/98
12
12
12
−=
−+=−∆+=⇒
−=−
−=
∆
∆
79
Potansiyel Sıcaklık
• Tanım: Bir hava parseli üzerindeki kuru adyabatik sıcaklık değişimlerini çıkardığımızda, elde edilen sıcaklığa denir.
θ(z)=T(z) + Γd. z (Birimi oC veya K olabilir)
pd CR
P
PT
/
0
⋅=θ
P0 : referans seviye basıncı = 100 kPa alınır.
T : Kelvin olmak zorundadır
Potansiyel sıcaklık kuru adyabatik süreç için korunurdur.
80
Virtuel Potansiyel Sıcaklık
Eğer ortamda sadece subuharı varsa,
θv = θ.(1 + 0.61.r)
Ortamda hem subuharı hem de sıvı su varsa,
θv = θ.(1 + 0.61. (rs – rL))
r : karışma oranı
rs : doyma karışma oranı
rL: Sıvı su karışma oranı (bulutlar ve yağmur damlaları)
81
Soru: 500 m yükseklikte ve sıcaklığı T = 10oC olan havanın potansiyel sıcaklığı nedir?
Çözüm:Verilenler: z = 500m ; T = 10oCİstenen: θ = ? oCOrtamda sıvı su olmadığını farz edersek,θ(z)=T(z) + Γd . z =>
θ (0.5 km) = 10oC + (9.8 oC/km) (0.5 km) = 14.9 oC
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Bu sıcaklık, 500 m yükseklikteki havanın, kuru adyabatik olarak yeryüzüne indirilmesiyle elde edilen sıcaklığıdır. Diğer bir deyişle, referans seviyesi yeryüzü seçilmiştir.
82
Termodinamik Diyagramlar
• Pratikte sıklıkla, çevre havanın düşey değişimi ile hava parselinin karşılaştırmasına gerek vardır.
• Çünkü, hava parselin yükselmesi, bulutluluk ve fırtına gelişimleri için bu gereklidir.
Her adımda termodinamik hesaplar yerine, termodinamik ilişkileri gösteren basit bir diyagram çizilir. Bunlar termodinamik diyagramlar olarak adlandırılır.
Termodinamik diyagramlarda:
a) Yatay eksen sıcaklığı
b) Düşey eksen ise genelde basıncı gösterir.
83
Bir Termodinamik Diyagramda Bulunan
Değişkenler:
1. Basınç
2. Sıcaklık
3. Kuru adyabatik sıcaklık oranı (lapse rate)
4. Doymuş (veya nem) adyabatik karışma oranı
5. Doymuş karışma oranı
84
Skew-T log-P diagramı
Yük
sekl
ik (
km)
Bas
ınç
(mb)
Sıcaklık (oC)
85
Kırmızı çizgiler : izotermleriDüz yeşil çizgiler : Potansiyel sıcaklıkKesikli yeşil çizgiler: Eş değer potansiyel sıcaklığı(Bu 3 büyüklük 1000 mb seviyesinde başlar)
Mavi çizgiler: izobarları
Kesikli mor çizgiler : nem karışma oranı(birimi diyagramın sağ alt köşesinde g/kg verilmiştir)
86
Skew diyagramıB
asın
ç(m
b)
Sıcaklık (oC)
87
Excel kullanarak diyagramın hazırlanışı
=((B$4+273.15)*($A5/$A$4)^0.28571)-273.15
pd CR
P
PTT
/
1
012
⋅=
-100.69-88.06-75.43-62.8020.0011
-79.50-65.32-51.15-36.9730.0010
-62.91-47.52-32.13-16.7340.009
-49.07-32.67-16.260.1550.008
-37.09-19.81-2.5214.7660.007
-26.46-8.409.6627.7270.006
-16.871.8920.6639.4280.005
-8.1011.3130.7150.1290.004
0.0020.0040.0060.00100.003
T (oC)T (oC)T (oC)T (oC)P(kPa)2
Kuru Adyabatik Örnek1
EDCBA
88
EULER ISI BÜTÇESİTermodinamiğin 1. Yasası (Gözden Geçirme)
Eğer şekilde görülen sabit bir hacimden giren ısı akısı çıkan ısıakısından az ise, ∆Q kadar ısı dışarıya atılıyordur. Dolayısıyla, Termodinamğin 1. yasası gereği, ısı kaybı sıcaklığın düşmesine neden olur. ∆x boyunca akının kendisi değil, ancak akı gradyanı (∆I veya ∆F) sıcaklığın değişmesine neden olur. Akı gradyanına, akı diverjansıdenir.1. ∆Fx / ∆x > 0 ise pozitif akı diverjansı (Çıkan akı girenden fazladır).1. ∆Fx / ∆x < 0 ise akı konverjansı (Çıkan akı girenden azdır).
AI veya FGiren Akı
I veya FÇıkan Akı
x
89
Eğer Giren ve Çıkan akıları tüm 3-boyut için yazarsak; Isı
Bütçesi, Isı Dengesi veya Isı Korunum Denklemi elde edilir.
• Sabit hacim = A. ∆∆∆∆x için, ısı dengesi denklemi;
tC
S
z
I
y
I
x
I
Ct
T
p
zyx
p ∆⋅
∆+
∆
∆+
∆
∆+
∆
∆
⋅−=
∆
∆ 01
ρ
∆So : birim kütle için (Jkg-1) iç ısı enerjisi. Örn, Gizli ısı v.b.
• Kinematik-Akı (F) için ısı dengesi denklemi;
tC
S
z
F
y
F
x
F
t
T
p
zyx
∆⋅
∆+
∆
∆+
∆
∆+
∆
∆−=
∆
∆ 0
tC
S
z
F
y
F
x
F
t p
zyx
∆⋅
∆+
∆
∆+
∆
∆+
∆
∆−=
∆
∆ 0θ
90
Soru: Deniz seviyesinde, her bir kenarı 20 m olan bir küp hava olduğunu varsayınız. Bu küpün solundan doğu yönlü 3 Wm-2 bir ısı akısının ve sağından ise batılı 4Wm-2 bir ısı akısının girdiğini varsayınız. İç ısı kaynağı ve başka diğer akılar mevcut değildir. Her bir kenardaki kinematik ısı akısını ve hangi oranda sıcaklığın değiştiğini hesaplayınız?
Çözüm:Verilenler: Ixsağ = -4Wm-2 ; Ixsol=3Wm-2; ∆x = 20 mİstenen: Fxsağ = ? K.m/s ; Fx sol = ? K.m/s; ∆T/∆t = ?K/s
Fx sol = (3 Wm-2)/(1231) = 2.437x10-3K.m/sFx sağ = (-4 Wm-2)/(1231)= -3.249x10-3K.m/s
AIx sol veya (+)Fx sol
Ix sağ veya (-)Fx sağ
x
91
Akı gradyanı:
Kontrol: Birimler tamam. Serbest cisim diyagramı uygun. Tartışma: Isınma oranı yaklaşık 1 K /saat dır.
[ ][ ]
sKx
FtT
sK
xx
FF
x
F
x
solsağ
solsağx
/10843.2
/10-2.843
020
)10437.2()10249.3(
4
4-
33
−
−−
×+=∆
∆−=∆∆⇒
×=
−
×−×−=
−
−=
∆
∆
92
Akı Gradyanlarının Bileşenleri
rad
z
türb
z
kond
z
adv
zz
rad
y
türb
y
kond
y
adv
yy
rad
x
türb
x
kond
x
adv
xx
z
F
z
F
z
F
z
F
z
F
y
F
y
F
y
F
y
F
y
F
x
F
x
F
x
F
x
F
x
F
∆
∆+
∆
∆+
∆
∆+
∆
∆=
∆
∆
∆
∆+
∆
∆+
∆
∆+
∆
∆=
∆
∆
∆
∆+
∆
∆+
∆
∆+
∆
∆=
∆
∆
93
1. Adveksiyon:
• Adeveksiyon: rüzgar ile taşınan anlamına gelir.
• Sıcaklık adveksiyonu: Bir bölgeye veya bir bölgeden rüzgarla taşınan ısı anlamına gelir.
Fx adv = U . T
Fy adv = V . T
Fz adv = W . T
• Düşey harekete ortalama rüzgarla ise adveksiyondenir; yok eğer kaldırma kuvvetindense konveksiyonolarak adlandırılır.
94
Adveksiyon (devamı)
• Isı bütçesi denklemi ham akıları değil, akıgradyanlarını kullanmaktadır. Dolayısıyla;
Γ+
∆
∆⋅=
∆
∆
∆
∆⋅=
∆
∆
∆
∆⋅=
−
−=
∆
∆
dz
y
solsa ğ
solsa ğx
z
TW
z
advF
y
TV
y
advF
x
TU
xx
TTU
x
advF )(
95
Soru: Farz edelim ki ortalama hava sıcaklığı yükseklikle soğumaktadır; öyle ki z = 200 m de T = 15oC ve z = 1000 m de T = 10oC olacak şekilde lineer değiştiğini düşünelim. Eğer ortalama düşey rüzgar hızı soğuk havayı yukarıdan aşağıya doğru itiyorsa, o zaman z = 600 m de Adveksiyon ile soğuma oranı ne olur? W = - 0.1 m/s ve diğer ısıma süreçlerini yok kabul ediniz.
Çözüm:Verilenler: W= -0.1 m/s; z = 600 m; ∆T/∆z = (10-15)/(1000-200) = - 0.00625 oC/mİstenen: ∆T/∆t = ?oC/s
∆T/∆t = - ∆Fz adv/∆z = -W(∆T/∆z + Γd) = - (-0.1 m/s).(-0.00625 + 0.0098 oC/m)= + 3.55x 10-4 oC/s = 1.28 oC /saat
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Pozitif işaret soğumayı değil ısınmayı gösterir.
96
Tanım: Moleküller birbiriyle temas halindeyken, ısıtaşımasına denir. Kondüksiyon süreci maddenin 3 hali içinde geçerlidir. Yani katılar, sıvılar ve gazlar için ortamda rüzgar olsun veya olmasın geçerlidir. Bu tür ısı, genelde yerden atmosfere veya yeryüzünden yerin içlerine doğru görülür.
Düşeyli taşınan dokunmatik (kondüksiyon) ısı miktarı:
2. Kondüksiyon ve Yüzey Akıları
z
TkkondI z
∆
∆⋅−=.
k: moleküler ısı iletkenlik katsayısıDeniz seviyesinde standart koşullarda,k= 2.53x10-2 W.m-1.K-1
97
Atmosferde, gerek x (batı-doğu) ve gerekse y (güney-kuzey)
yönlerinde, ısı iletkenliği ihmal edilecek kadar küçüktür.
0x
kond.
x
kond. ≈
∆
∆≈
∆
∆ yxFF
98
Soru: 300 W m-2 ısı akısının, yerden 1 mm yukarıdaki atmosfere iletilmesi için ne kadar sıcaklık farkı gereklidir?
Çözüm:Verilenler: Iz kond. = 300 W m-2 , ∆z = 1 mm = 0.001 m; k= 2.53x10-2 W.m-1.K-1
İstenen: ∆T = ? oC
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Havanın temasta olduğu yerden, aşağı yukarı 12oC daha soğuk olmalı ki bu kadar ısı iletilebilsin. Gerçek atmosferde bu sıcaklık farkı genel gözlemlenebilir bir durumdur.
CT
KWmmWmT
kzITz
TkkondI zz
o9.11
1053.2/)001.0)(300(
/.
1122
−=∆
×−=∆
∆−=∆⇒∆
∆⋅−=
−−−−
99
Efektif Isı AkısıGenelde, atmosferde çalkantı (türbülans) ve kondüksiyon birlikte
hareket eder. Çoğunlukla kondüksiyonla ısı taşınımı önemliyse türbülans önemsiz, tersi türbülans önemliyse kondüksiyonönemsizdir. Ancak, ikisi de önemliyse, yani birleştirilirse;
Efektif yüzey türbülans ısı akısı elde edilir.FH = CH
. M . (θyer - θhava) veyaFH = CH
. M . (Τyer - Τhava)
M : 10 m’deki ortalama rüzgar hızı büyüklüğü,Thava : 10 m’deki hava sıcaklığı,Tyer : yeryüzü sıcaklığıdır.CH : boyutsuz, yığınsal (bulk) ısı iletim katsayısı
Düzgün yüzeyler üzerinde: 2x10-3
Orman ve düzgün-olmayan yüzeyler üzerinde: 2x10-2
100
Yerden 1-2 km yukarıdaki atmosfer (troposfer) tabakasına,atmosferik sınır tabaka denir (ABL).
Kuvvetli güneş ışınımın ve konveksiyonun olduğu sakin havalı bir günde, yükselen hava parselleri (termalleri) bu tabakada meydana gelir. Bu tür ABL tabakaya karışım tabakası (ML) denir. Bu durumda, yüzey akılar:
FH = bH. wB
. (θyer – θML) veya
FH = aH. w* . (θyer – θML)
θML: 500 m’deki (ML’nin ortasında) potansiyel sıcaklığı,aH : 0.0063 : karışım-tabaka taşınım katsayısıdır.wb : yükselen parsel (konvektif) hız ölçeği
w*: Deardorff hızı (bir başka konvektif hız ölçeği)
101
Türbülans Isı Akısı
i
Hz
i
zzz
z
F
z
türbF
z
altFüstF
z
türbF
2.1.
.
−≈
∆
∆
−=
∆
∆
zi : ABL derinliğidir (200 m ile 2 km arasında değişir)
102
Radyatif Isı Akısı
saatKz
radF
y
F
x
radF
z
yx
/ 2.0 ile 1.0.
0.
−−≈∆
∆
≈∆
∆≈
∆
∆
NET ISI BÜTÇESİ
Isı Gizlihava
yoğuş.
m t
m
C
L
z
FsaK
y
TV
x
TU
z
T
p
v
Türb
z
Rad
Advekzyx ∆
+∆
∆−−−
∆
∆⋅+
∆
∆⋅−=
∆
∆
..
.,,
./1.0
103
GÖRÜNEN SICAKLIK TÜRLERİ1. Rüzgar Soğuğu:
( )havaderiderirüz TTM
MMTT −
+−=
21.0
0
0
Tderi: Vücut derisi sıcaklığı = 33oCMo: Ortalama bir insanın yürüme hızı = 2 m /s
2. Hissedilen Sıcaklık veya Isı İndeksi
HI = -42.379 + 2.04901523T + 10.14333127.RH - 0.22475541.T.RH -0.00683783T2 - 0.05481717.RH2 + 0.00122874.T2.RH + 0.00085282.T.RH2
-0.00000199.(T.RH)2
RH: Bağıl nemT > -57 °F ve T < 57 °F için geçerlidir
104
ÜÜnite 4nite 4
Doç. Dr. Hasan TATLI
NEMNEM
105
DOYMUŞ BUHAR BASINCI
Buhar Basıncı: Hava bir gaz karışımı olduğundan, her bir gazın toplam basınca olan katkısına kısmi basıncı denir. Su buharı da bir gaz olduğundan, onun da kısmi basıncına buhar basıncı denir. e sembolü buhar basıncı temsil eder ve birimi Pa veya hPa, mb veya kPa dır.
Doyma: Hava su buharını belli oranda kapsar, ancak belli bir eşik değerden büyük olan neme doymuş nem denir. Su buharının hava içindeki yoğunlaşması, sıvısudan buhar fazına geçmesinden daha hızlıdır. Bu yoğunlaşma süreci, dengede seviyesindeki nemi (doyma noktası) daha aşağı bir seviyeye düşürmesini sağlar. Denge durumundan daha düşük seviyedeki nem oranlı havaya doymamış havadenir.
Düz yüzeyler üzerindeki denge (doymuş) buhar basıncı değeri es sembolü ile gösterilir.
Doymamış hava için daima e < es dir.
Çok nadiren de olsa hava süper doymuş olabilir e > es (ortam çok temiz, ortamda yağmur çekirdekleri, sıvı veya buz partikülleri yoktur).
106
Buharlaşma oranı, sıvı suyun sıcaklığına bağlıdır.
Yoğunlaşma oranı ise havada bulunan neme bağlıdır.
Denge durumunda ise bu 2 oran bir birine eşittir.
Eğer sıvı suyun sıcaklığı artırılırsa, zamanla buharlaşma yoğunlaşmayı aşar ve havadaki su moleküllerin sayısı yeni bir denge noktasına ulaşıncaya dek artmaya devam eder. Böylece, denge nem miktarı sıcaklıkla artar.
Sonuçta sıcak hava, soğuk havaya göre, denge noktasında, çok daha fazla su buharı içerir.
Clausius-Clapeyron (klaysius-kleypiron diye okunur) denklemi sıcaklık ile doymuş buhar basıncı arasındaki bağıntıyı açıklar:
−⋅⋅=
TTR
Lee
v
os
11exp
0
eo = 0.611 kPa
To = 273 K
Rv = 461 J.K-1. kg-1
Lv/Rv = 5423 K: su yüzeyleri üzerinde,Ld/Rv = 6139 K: buz yüzeyleri üzerinde.
107
Soru: T = 21 oC deki doymuş buhar basıncını bulunuz?
Çözüm:Verilenler: T = 21 oC = 294K T > 0 oC su yüzeyindedir.İstenen: es = ? kPa
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Deniz seviyesinde havanın ortalama basıncı = 101.3 kPa dır. Dolayısıyla, bu hava basıncının kabaca %2.5’inin su buharı basıncıolduğu söylenebilir.
kPae
KKKkPae
TTR
Lee
s
s
v
os
525.2
294
1
273
1)5423(exp)611.0(
11exp
0
=
−⋅⋅=
⇒
−⋅⋅=
108
Su ve buz yüzeylerinde doymuş buhar basıncı (es)
0
2
4
6
8
10
12
14
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
T( oC )
es(
kPa
)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
-50 -40 -30 -20 -10 0
T( oC )
es(
kPa
)
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
-50 -40 -30 -20 -10 0
T( oC )
es(
kPa
)
Su yüzeyinde
Su ve buz yüzeyinde
Su ve buz farkı
109
Nem Değişkenleri
1. Karışma Oranı:Su buharı kütlesinin kuru hava kütlesine oranıdır.
havakuru buharısu ggRR
eP
er
vd /622.0/ ==
−
⋅=
ε
ε
r : kısmi su buharı basıncı oranın, havada geriye kalan diğer gazlaraoranı olduğunu gösterir. Genelde birimi g/g olmasına karşın, g/kg
gösterilmesi adettendir.
1. Özgül Nem: Su buharı kütlesinin nemli hava kütlesine oranıdır.
P
eq
⋅=
ε
110
Nem Değişkenleri (devamı)
1. Mutlak Nem: Su buharının hava içindeki yoğunluğuna (ρv) denir. İdeal gaz denkleminde, hava basıncı P yerine su buharı basıncı ekonulduğunda;
)(g/m 3d
v
vP
e
TR
eρερ ⋅⋅=
⋅=
ρd : Kuru havanın yoğunluğu = 1.225 kg/m3 dir (deniz seviyesinde) ve ideal gaz denklemine göre yükseklikle, basınç ve sıcaklıkla değişir.
1. Bağıl Nem:
ssss r
r
q
q
e
eRH ====
ρ
ρ%
111
Çiğ Noktası SıcaklılığıTanım: Sabit basınçta, havanın soğutularak (sıcaklığı düşültülerek) doymuş hale
geldiğindeki sahip olduğu sıcaklığa denir, Td ile gösterilir. Ya Tablolardan veya es eşitliğinde, e yerine es konarak bulunur.
T0=273K; e0=0.611; Rv/Lv= 0.0001844K-1
Eğer eşitlikte L = Ld alınırsa; Td: donma-noktası sıcaklığıdır.
Eğer T = Td ise hava doymuştur denir.Td genelde T den küçüktür.Td : Çiğ-noktası higrometresi veya Sling Psikometre ile ölçülürler.
1
00
ln1
−
⋅−=
e
e
L
R
TTd v
112
Sling Psikometresi
113
NEM DEĞİŞKENLERİ TABLOSU
114
Soru: Sıcaklığı 30oC, basıncı 100 kPa ve bağıl-nemi %20 olan havanın çiğ-noktası sıcaklığını bulunuz.Çözüm:Verilenler: T = 30oC; P = 100 kPa; RH = %20 = 0.2 İstenen: Td = ? oC
Nem Değişkenleri Tablosundan, es = 4.367 kPa okunur. RH/100% = e/es e =RH.es = (0.2)(4.367) = 0.8734 kPaTd eşitliğinden veya Tablo’dan, Td = 5oC bulunur.
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.Tartışma: Görüldüğü gibi, sonuç P bağlı değildir. Bu oldukça kuru olan havanın sıcaklığı 25oC azaltılırsa, yoğunlaşma başlayabilir.
115
Doyma Yüksekliği veya Yoğunlaşma Seviyesi Yüksekliği
(LCL) Tanım: Doymamış bir hava parseli kuru-adyabatik olarak yükseltilirse, T = Td
olduğu seviyeye LCL seviyesi denir. Bu seviyede bulutlar oluşmaya başlar.
ZLCL = a(T-Td)a = 0.125 km/oC
116
Islak Hazne Sıcaklığı (Tw)Tanım: Eğer termometre haznesi, ıslak bir bez ile sarılırsa; sıcaklık kuru
termometrye göre daha hızlı düşer. Çünkü soğumanın yanısıra, Gizli Buharlaşma ısısından dolayı sıcaklık düşüşü daha fazla olur.
Islak-hazne depresyonu: Kuru-hazne termometre sıcaklığı ile ıslak-hazne termometre sıcaklıkları arasındaki farka denir (T-Tw).
Nem Değişkenleri Ve Bağıntıları
d
Pr
re
r
rq
ρρ
ρ
ρ
ρ
ε
+==
⋅+
=+
=
v
v
d
v q r
;
;1
117
ÜÜnite 5nite 5
Doç. Dr. Hasan TATLI
DDİİNAMNAMİİKK
118
BAZI KUVVETLER
Kuvvetler ile rüzgarlar arasındaki bağıntılar, Atmosfer Dinamiği olarak adlandırılır.
Basınç, sürtünme ve adveksiyon yatayda etkili olan belli başlı kuvvetlerdir. Diğer tarafta, görünen (hayali) kuvvetler dünyanın dönüşü ve rüzgarın bir eğri etrafında dönüşünden meydana gelirler.
119
Newton’un İkinci Hareket Yasası1. Lagrange Momentum Bütçesi2. Euler Momentum Bütçesi
Newton’un 2. yasası Bir m kütleli hava parseli üzerine etki eden vektörel bir F kuvveti, cisme uygulanan kuvvet yönünde a büyüklüğünde ivme kazandırır.
t
vm
t
vmamF
∆
⋅∆=
∆
∆⋅=⋅=
)(v
rr
mv = momentum denir. Böylece, momentumun zamanla değişimine Lagrange momentum bütçesi
denir.
120
Soru: Duran bir 1500 kg kütleli araba, 9 saniye içinde güney yönünde 27 m/s hıza kavuşuyor.
a) Ortalama ivmeyi,b) Araba etki eden kuvveti bulunuz.
Çözüm:Verilenler: V1 = 0 m/s; V2 = 27 m/s tbaşlangıç = 0, tson = 9 s; yön Güney ve m = 1500 kg. İstenen: a = ? ms-2 ve F = ? N.
İvme ve kuvvet tanımından; a = ∆v / ∆t ve F = ∆(mv)/∆ta) a = (V2 – V1 )/∆t) = (27 -0) /9 = 3 m s-2 Güneye
b) F = ma = (1500 kg)(3 ms-2) = 4500 N
Hatırlatma 1 N = 1kg m s-2 dir.
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.
121
EULER Momentum BütçesiBir kasaba veya göl üzerinde rüzgar
tahmin edilmek istenirse; sabit bir nokta için; doğusu x-ekseni, kuzeyi y-eksenive yukarısı z-ekseni olmak üzere bir kartezyen koordinat tanımlanır. Bu durumda; yatay rüzgar hızları (U ve V olarak adlandıracağız) verilen denklemler ile tahmin edilirler.
m
F
t
V
m
F
t
U
x
x
net
net
=∆
∆
=∆
∆
tm
FtVttV
tm
FtUttU
y
x
∆+=∆+
∆+=∆+
)()(
)()(HAREKET DENKLEMLERİ
122
KUVVETLER
Adveksion : ADBasınç Gradyan Kuvvet : PG
Coriolis kuvvet: CF Turbülans-sürükleme (sürtünme) kuvvet: TD
TDCFPGAD
TDCFPGAD
yyyyy
xxxxx
FFFFF
FFFFF
+++=
+++=
123
Adveksiyon Terimi
y
VV
x
VU
F
y
UV
x
UU
F
y
x
∆
∆−
∆
∆⋅−=
∆
∆−
∆
∆⋅−=
m
m
AD
AD
124
Basınç Gradyanı Kuvveti
uzaklık
m
m
PG
PG
alçakyüksek
y
x
PPPG
y
PF
x
PF
−=
∆
∆⋅−=
∆
∆⋅−=
ρ
ρ
1
1
PG
Y A
125
İzobarlar birbirinden ne kadar uzaksa PG o oranda küçük; Birbirine ne kadar yakın ise PG o oranda büyük olur.
PG
PG
Y
Y
A
A
126
Aşağıdaki yüzey basınç haritasında basınç gradyanıkuvvetlerini verilen noktalarda inceleyiniz.
127
Coriolis Kuvveti
Derecesi Enlem
hızı) açısalDünyanın
:
2(10458.12
)sin(214
ϕ
ϕ
××=Ω
⋅Ω⋅=
−− s
fc
Coriolis kuvveti, hayali bir kuvvettir. Rüzgar hızına dik etki eder. Kuzey Yarıkürede sağ tarafta, ancak Güney Yarıkürede sol taraftadır.
RüzgarFCF
Kuzey Yarıküre
Güney Yarıküre
Rüzgar
FCF
Doğu
128
Uçağın Rotası
129
Rüzgar
Rüzgar
Rüzgar
Parsel başlangıçta hareketsiz
Bir Hava Parselin Yönü
130
Coriolis Kuvvetin Hesabı
UfF
VfF
c
y
cx
⋅−=
⋅=
m
m
CF
CF
Rüzgar yoksa FCF olmaz. Ekvatorda FCF = 0 çünkü fC =0 dır.Coriolis kuvveti rüzgarın hızına etki etmez, sadece yönünü değiştirir.
131
Soru: U = 10 m/s ve φ = 35.2 oN olan yerdeki Coriolis kuvvetini bulunuz.
Çözüm:Verilenler: U = 10 m/s; φ = 35.2 oN İstenen: Fy CF/m = ? ms-2
Önce Coriolis parametresi fC yi bulalım.
fC = (1.458x10-4 s-1).sin(35.2o) = 8.4x10-5 s-1
Fy CF / m = -(8.4x10-5 s-1)(10 m/s) = -8.4x10-4 m s-2
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. İşaretin (-) eksi olması, kuvvetin kuzeyden güneye olduğunu gösterir.
132
RÜZGARLAR
Jeostrofik Rüzgar
Tanım: Eğer izobarlar paralel doğrular şeklindeyseler ve sadece 2 kuvvet etkiliyse (yani, FPG ve FCF) oluşan rüzgara denir.
FGF ve FCF bu şartlarda: büyüklükleri aynı fakat zıt yönlü kuvvetler olurlar.
Jeostrofik rüzgar, her zaman izobarlara (izobarikharita yükseklik çizgileri) paralel eser.
133
500 mb kartını inceleyerek, haritanın hangi bölgelerinde
akışların Jeostrofik olduğunu belirleyiniz.
Ne zaman ki akışyaklaşık olarak düz çizgiler boyunca paralel akıyorsa, bu akışa Jeostrofikrüzgar denir.
Soru: Jeostrofikrüzgarın büyüklüğününe belirler?
134
Jeostrofik akışın büyüklüğü
Jeostrofik
Rüzgar
x
P
fV
y
P
fU
y
PUf
x
PVf
c
g
c
g
c
c
∆
∆+=
∆
∆−=
∆
∆−=
∆
∆−=
ρ
ρ
ρ
ρ
1
1
1
1
Gradyanı BasınçCoriolis
135
Soru: Eğer basınç 500 km’lik bir mesafede doğuya doğru 1 kPaartıyorsa, Jeostrofik rüzgarları bulunuz? (ρ = 1kg/m3 ve
fc = 10-4 s-1 alınız).
Çözüm:Verilenler: ∆P = 1 kPa, ∆x = 500 kmİstenen: Ug = ? m/s ve Vg = ? m/s
Basınç değişimi yatay ve sadece doğu yönünde (x-ekseni boyunca) olduğundan, ∆P /∆y = 0 => Ug = 0 m/s
Vg = 1/[(1 kg/m3).(10-4s-1)].[(1 kPa)/(500 km)] = 20 m/s
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Pay ve paydada bulunan “kilo” birbirini götürür. Yani kPa/km = ∆P /∆x = 0.002.
136
Önemli Not: Eğer yeryüzünde değil de, yükseklik haritalarında Jeostrofik rüzgar değerleri bulunmak isteniyorsa; bu durumda
∆z: basınç seviyesinde, yükseklik kontur farklarını, g : yerçekimi ivmesini (9.8 m s-2) ve
gz : φ Jeopotansiyel yüksekliği temsil etmek üzere,Jeostrofik rüzgar bileşenleri aşağıdaki denklemler ile hesaplanır.
xfx
z
f
gV
yfy
z
f
gU
cc
g
cc
g
∆
∆+=
∆
∆+=
∆
∆−=
∆
∆−=
φ
φ
1
1
137
Buy Ballot Kuralı: Kuzey yarkürede sırtımızı, rüzgarın estiği yönde olacak duracak olursak, solumuzda alçak basınç
sağımızda ise yüksek basınç bulunur.
Alçak Basınç
Yüksek Basınç
Jeostrofik rüzgar
FPG
FPG
138
Gradyan Rüzgar
139
Yüksek ve alçak basınç merkezleri civarında, daimi rüzgar kuzey-yarıkürede, solunda alçak basınç kalacak şekilde, eğrisel izobarları takip eder.
1)Alçak basınç civarında, rüzgar Jeostrofik rüzgardan daha yavaş eser,
2)Yüksek basınç civarında ise, rüzgar Jeostrofikrüzgardan daha hızlı eser.
Bu eğrisel daimi rüzgara gradyan rüzgar denir.
140
Gradyan rüzgarın hesabı
akış)(Siklonik
⋅
⋅++−⋅⋅⋅=
Rf
GRfM
c
cr
4115.0
akış)Siklonik -(Anti
⋅
⋅−−⋅⋅⋅=
Rf
GRfM
c
cr
4115.0
[ ] büyüklüğü)rüzgarın (Gradyan 2/122
rrr VUM +=
141
Gradyan rüzgarın Rossby Sayısı İle Bağlantısı
[ ] akış)(Siklonik eğ
eğ
r RoRo
GM ⋅++−⋅
⋅= 411
2
Sayısı)Rossby Eğrisel(Rf
GRo
c
eğ⋅
=
[ ] akış)Siklonik -(Anti eğ
eğ
r RoRo
GM ⋅−−⋅
⋅= 411
2
142
Gradyan Rüzgarın Önemli Özellikleri
4
1≤> eğRo -- civarında Merkez BasınçYüksek
Kısıt 1: Anti-siklonlar (yüksek basınç) civarında, basınç merkezin dışına doğru hızlı bir şekilde düşmez.
Kısıt 2: Siklonlar (alçak basınç) civarında, bu tür bir kısıt gereksizdir. Rossby sayısının herhangi değeri için gradyan rüzgar geçerlidir.
Sonuç Basınç gradyanı ve rüzgar yüksekler civarında hafif-yavaş veizobarlar ani kırıklar şeklinde değişmezlerken; alçaklar civarında çok daha kuvvetli-hızlıdır.
143
Soru: Bir alçak basınç merkezi civarındaki jeostrofik rüzgar hızı10 m/s, fc = 10-4s-1 ve R = 500 km eğrilik yarıçapı için gradyant rüzgarı ve Roeğ değerini hesaplayınız.
Çözüm:Verilenler: G = 10 m/s, R = 500 km, fc = 10-4s-1
İstenen: Mr = ? m/s ve Roeğ = ? (boyutsuz)
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı. Tartışma: Küçük rossby sayısı, akışın jeostrofik dengede olduğunu gösterir. Gradyant rüzgar ise, buradaki alçakta, jeostrofik rüzgardan daha yavaş esmektedir.
2.0)105()10(
)/10(
/54.8)500000)(10(
)/10(411)500000()10(5.0
4115.0
514
14
14
=×⋅
=⇒⋅
=
=
⋅++−⋅⋅⋅=
⇒
++−=
−−
−−
−−
ms
smRo
Rf
GRo
smms
smmsM
Rf
GRfM
eğ
c
eğ
r
c
cr
144
HAREKETİN TAM DENKLEMLERİ
fark)k (JeostrofiRüzgar k Ajeostrofi
Türbülans Fark Jeos. Adveksiyon Tandans
−=
−=
−−+∆
∆−
∆
∆−=
∆
∆
−−+∆
∆−
∆
∆−=
∆
∆
gag
gag
i
Tgc
i
Tgc
VVV
UUU
z
VwUUf
y
VV
x
VU
t
V
z
UwVVf
y
UV
x
UU
t
U
48476484764847648476
)(
)(
145
KÜTLENİN KORUNUMU DENKLEMİ
Euler yaklaşımına göre, sabit bir hava hacimine giren moleküllerden, bu sabit hacimden çıkan moleküllerin farkı, bize bu sabit hacimde kütlenin değişimini anlatır. Kütlenin dengesini açıklayan denkleme SÜREKLİLİK DENKLEMİ(kütlenin korunum denklemi) denir.
Süreklilik denklemi, birim hacmin kütlesi (yoğunluk) ρ kg/m3 cinsinden aşağıdaki gibi yazılabilir.
∆
∆+
∆
∆+
∆
∆−=
∆
∆
z
W
y
V
x
U
tρ
ρ
146
SIKIŞTIRILAMAZ SÜREKLİLİK DENKLEMİ
Süreklilik denkleminde, akışkan sıkıştıralamaz ise, yoğunluğun zamanla değişimi sıfır olur.
∆ρ/∆t = 0
olur. 0=∆
∆+
∆
∆+
∆
∆
z
W
y
V
x
U
147
ÜÜnite 6nite 6
Doç. Dr. Hasan TATLI
GENEL DOLAGENEL DOLAŞŞIMIM
148
ATMOSFERİK SİRKÜLASYON (DOLAŞIM)Uzun bir periyod içerisinde atmosferin ortalama hareketine atmosferik
sirkülasyon denir.
Atmosferdeki bu hareketin en önemli sebebi, Ekvator bölgesinin aşırıderecede ısınması ile kutup bölgelerinin aşırı derecede soğumasıdır. Bu iki
bölge arasındaki sıcaklık farkından dolayı, atmosferik sirkülasyon
oluşmaktadır. Atmosferik sirkülasyon her ne kadar termik nedenlerle
doğmuş olsa da, Dünyanın dönmesi ve yer yüzeyinin homojen olmaması
nedeniyle, birçok dinamik faktörlerin ve diğer bazı faktörlerin bir araya
gelmesiyle çok daha karışık bir durum arz ermektedir.
Atmosferdeki hava hareketleri devamlılık yönünden iki bölüme ayrılır.
Bazı hava hareketleri gelip-geçicidir. Uzun süre devam etmezler. Bu tür
hava hareketlerine tali veya geçici sirkülasyon sistemleri denmektedir. Bazı
hava hareketleri de belirli yerlerde ve yönlerde hemen hemen devamlı olarak
bulunurlar. Bu tür hava hareketlerine de atmosferin genel sirkülasyonu denir.
149
Atmosferin Genel Sirkülasyonunu Etkileyen Faktörlera) Dünyanın dönmesi: Dünyanın dönmesinden dolayı koriyolis
kuvveti denen bir kuvvet meydana gelmektedir. Bu koriyolis kuvveti
hava hareketlerine etki ederek onları saptırmaya çalışmaktadır. Bu
yüzden kuzey yarım kürede, ekvatordan kutuplara doğru giden hava
akımları sağa doğru saparlar. Güney yarım kürede ise hava akımları
sola doğru saparlar.
b) Mevsimlerin etkisi: Yer yüzeyindeki basınç ve rüzgar kuşakları
mevsimlik değişikliklere uyarak, yaz aylarında kuzeye, kış aylarında
ise güneye doğru kaymaktadır. Böylece kuşaklar arasında kalan bazı
bölgeler, yazın bir rüzgar ve basınç sisteminin kışın ise başka bir
rüzgar ve basınç sisteminin etkisi altında kalır. Basınç ve rüzgar
kuşaklarının bu mevsimlik kayması, güneşin görünüşteki hareketini
yaklaşık olarak bir-iki aylık bir gecikmeyle takip eder.
150
c) Kara ve denizlerin etkisi: Karalar ve denizlerin farklı ısınması
yüzünden basınç ve rüzgar kuşaklarında önemli değişmeler meydana
gelmektedir. Güney yarım kürede karalar az olduğu için basınç ve
rüzgar kuşakları pek değişime uğramazlar. Kuzey yarım kürede orta
enlemlerinde ise bu kuşaklar düzenini kaybederler.
Denizler yazın karalara göre daha serindir. Bu termik nedenle,
yüksek basınç kuşaklarının denizler üstündeki bölümü yazın daha
güçlü ve geniş antisiklon çekirdeklerini oluştururlar. Karalar ise yazın
fazla ısındığından, termik alçak basınç merkezleri haline gelirler.
Kışın ise durum bunun tam tersidir.
151
Genel Sirkülasyon Teorileri (EK’te verilen Ders notunda okuyunuz)
152
Meridiyonal Sıcaklık GradyanıYer seviyesinde, Ekvatordaki hava sıcaklığı kutup bölgelerine
göre sıcaktır. Bu durumu, yıllık olarak, her enlem dairesi boyunca sıcaklıkların ortlamasını alırsak daha net görebiliriz. Böylece, enlem-derecesine bağlı meridiyonal sıcaklık değişimini elde etmek mümkün olabilir.
CC
baT
oo 40b -12a derecesi; enlem
seviyesi deniz
==
⋅
+⋅⋅+≈
;:
cossin3
2
2
3 32
ϕ
ϕϕ
b: Ekvator ile kutuplar arasındaki sıcaklık farkını gösterir,
dolayısıyla b = 40 K de yazılabilir.
153
[ ]13
23
1018.1;40:
cossin
−−×==
⋅⋅⋅−≈∆
∆
kmcK
cby
T
b derecesi; enlemϕ
ϕϕ
Eğe yukarı atmosferdeki sıcaklık hesaplanması istenirse,
Denklemlerde biraz önce verilen b’lere b1 dersek, yeni b :
ır.kalınlığıd troposferortalama km 11z
yükseklik;olan yerden ve
T =
==
−⋅≈
zCb
z
zbb
T
o401
11
154
Soru: 45oN enleminde ve yer seviyesindeki sıcaklık ve sıcaklık
gradyanını hesaplayınız.
Çözüm:
Verilenler: Enlem = 45oN
İstenen: T = ? oC ve ∆T/∆y = ? oC /km
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.
Tartışma: Kuzey yarı kürede sıcaklık kuzeye doğru (kutuplara) azalır;
gradyanın (-) negatif işaretli olması bu durumu gösterir.
[ ]
kmC
Cy
T
C
CCTyer
/0083.0
45cos45sin)1018.1()40(
75.12
45cos45sin3
2
2
3)40(12
233
32
o
ooo
o
oooo
−=
⋅⋅×⋅−=∆
∆
=
⋅
+⋅+−=
−
155
Termal Rüzgar2 farklı seviyedeki Jeostrofik rüzgar arasındaki farka Termal
Rüzgar denir.
kalınlık. :21
12
12
pp
c
ggT
c
ggT
zzz
x
z
f
gVVV
y
z
f
gUUU
−=∆
∆
∆+=−=
∆
∆−=−=
156
Soru: Bir noktadaki 100-70 kPa tabakanın kalınlığın 2.9 km ve
aynı noktanın 500 km doğusunda ise 3km olduğunu varsayarak;
termal rüzgar bileşenleri bulunuz (fc = 10 -4 s-1 alınız).
Çözüm:
Verilenler: Güney-kuzey kalınlık gradyanını yok kabul ediyoruz.
∆z1= 2.9 km, ∆z2 = 3km, ∆x = 500 km, fc = 10-4s-1
İstenen: UT = ? m/s ve VT = ? m/s
Kontrol: Birimler tamam. Fizik anlamlı.
Tartışma:Termal rüzgarın (+) pozitif olması, güneyden-kuzeye
olduğunu gösterir.
sm
km
km
s
ms
x
Ka
f
gV
smU
c
T
T
/6.19
)500(
)9.23(
10
8.9
/0
14
2
=
−=
∆
∆=
=
−−
−
an,olmadığınd gradyanıgüney -Kuzey
157
JET AKIMLARIBaroklinite (yani, küzey-güney sıcaklık gradyanı) atmosferin
tepesindeki, batıdan-doğuya olan rüzgarları yönetir.
Kutuplar üzerinde tropozun ekvatora göre daha sığ seviyede olması, ekvator üzerindeki stratosferde sıcaklıkların kutuplara göre daha soğuk olmasını doğurur. Bu duruma sıcaklık alanı denir. Eğer termal rüzgar eşitlikleri aynıbölgelere uygulanırsa, basınç alanları oluşur. Ekvator ve kutuplar üzerindeki farklı kalınlıktan dolayı, basınçyüzeylerinin orta enlemlerde fazlaca eğilmesine neden olur. Tropozun yukarısında ise bu eğilme tersine döner, çünkü kuzey-güney sıcaklık gradyanı tersine çalışır.
Eğimlerin fazla olması, çok daha fazla basınç gradyanıkuvvetine işaret eder. Dolayısıyla, jeostrofik rüzgarların kuvvetlenmesi demektir. Orta-enlemlerde oluşan- çok kuvvetli- tropopoz seviyesindeki bu batılı rüzgarlara Jet Akımları denir.
158
İzotermİzobar
İzotah (eş hız)
Kuzey Yarıkürede
Atmosferin Düşey Kesiti:
Koyu noktalı çizgiler
Tropopozu ve cephesel
bir bölgeyi temsil eder.
c şeklindeki rüzgar yönü
sayfa içerisine doğrudur.
159
Vortisiti (Çevrinti)Bağıl Vortisiti ( ζr ) (ksi okunur): Düşey bir eksen etrafında, bağıl olarak dünyanın dönüşüne göre dönen bir akışkanın dönüşünün
ölçüsüdür. Dönüş saat ibreleri tersi yönünde ise ζr pozitiftir.
Vortsitinin birimi saniyenin tersidir.
Aşağıda verilen 2 tanım eşdeğerdedir:
R
M
n
M
y
U
x
V
r
r
+∆
∆−=
∆
∆−
∆
∆=
ξ
ξU ve V: sırasıyla batılı ve güneyli
rüzgar bileşenleri,
R: Yörüngenin eğrisel yarıçapı,
M: Rüzgar hızının büyüklüğü,
n: Eğrilik merkezine yönelmişyöndür.
160
Vortisitinin anlamı:
Rüzgar kayması bağıl vortisitiye neden olur. Saat ibresinin tersi
yönde bir dönüş pozitif vortisitiye işaret eder.
(a) ∆U/∆y negatiftir. (b) ∆V/∆x pozitiftir.
Rn
161
Mutlak VortisitiSabit bir yıldıza göre Voritisiti hesaplanırsa, yani bağıl vortisitiye dünyanın dönüşü de eklendiğinde mutlak vorstisiti elde edilir.
ζa = ζr + fc
fc = 2Ωsinϕ : dünyanın vortisitisi
2Ω : 1.458 x 10-4s-1
Potansiyel VortisitiMutlak vortisitin dönen hava sütunun derinliğine bölünmesiyle elde edilir.
)11 −−=∆
+= sm
z
fcrp :(birimisabit
ξξ
162
ÜÜnite 7nite 7
Doç. Dr. Hasan TATLI
OPTOPTİİKK
163
IŞIN GEOMETRİSİ
Işınların buz kristalleri veya havadaki yağmur damlalarıile olan etkileşemineatmosferik optik denir.
Işınlar, tek tür olmayan bir ortam içinde, düz doğrular şeklinde hareket ederken; yansıma ve kırılma ve saçılma optik olaylarımeydana gelir.
θ1 θ3
θ2
Su
Hava
Geliş Yansıma
Kırılma
Normal
Yansıma θ1
= θ3
skmc
cn
n
n
c
c
i
i /103: 50
1
2
2
1
×==
==Θ
Θ
0
2
1
c indisi, Kırılma
Yasası) (Snell sin
sin
:Kırılma
164
Atmosferde çok sayıda optik olay meydana gelir. Açık havada gökyüzümavi, ufuk ise süt beyazdır.
Gündoğumu ve günbatımında göyüzü pembe, kırmızı, turuncu ve morun parlak renklerini içeren bir görünüm kazanır.
Gece, yıldızlardan, gezegenlerden ve aydan gelen ışık dışında göyüzükaranlıktır. Gece boyunca ayın büyüklüğü ve renkleri değişir. Gece yıldızlar sürekli olarak göz kırpıyormuş gibi görünürler. Tüm bunlarıanlayabilmek için güneş ışığının atmosferle olan etkileşiminin yakından incelenmesi gerekmektedir.
RENKLERAtmosfere ulaşan güneş radyasyonunun yaklaşık yarısı görünür ışık formundadır. Güneş ışığı atmosfere girdiğinde absorbsiyon, yansıma ve saçılmaya uğrar ya da her hangi bir engelle karşılaşmaksızın yoluna devam eder. Yeryüzündeki cisimlerin gelen güneş enerjisine karşıdavranışları, gelen ışığın dalga boyuna ve bu cisimlerin renk, yoğunluk, bileşim vb. özelliklerine bağlıdır.
165
Görme olayı: Elektromanyetik dalgaların gözümüzün retina tabakasındaki sinir uçlarını uyarması sonucu gerçekleşir. Çünkü retina gözün ışığa duyarlı tabakasıdır. Retina görme alıcılarına sahiptir. Bu alıcılar iki tip olup koni ve basil olarak adlandırılır.
Basil (Çomak veya Çubuk) alıcılar cismin şeklinin algılanmasınısağlar ve görünür ışığın tüm dalga boylarına duyarlıdırlar; aydınlığıkaranlıktan ayırmamızı sağlar. Eğer retina yalnızca basil tipi alıcılara sahip olsaydı doğayı yalnızca siyah ve beyaz olarak algılayacaktık.
Koni tipi alıcılar da (basiller gibi) görünür ışığın tüm dalga boylarına karşı duyarlıdır. 0.4-0.7 µm arasındaki dalga boylarına karşı gelen güneş radyasyonu koni tipi alıcılar tarafından sinir sistemi yoluyla bir impuls şeklinde beyne iletilir. Bu impulsu renk duyusu olarak algılarız. 0.4 µm’den daha kısa veya 0.7 µm’den daha uzun dalga boyları insan gözü için renkli görme yetisini harekete geçiremez.
166
BULUTLAR VE SAÇILMAGelen güneş ışınlarının bir yüzeye çarptıktan sonra, geliş açısına eşit bir açıyla yüzeyden uzaklaşması yansıma olarak adlandırılır. Çeşitli atmosferik elemanlar (hava molekülleri, bulutlar vb.) güneşradyasyonunu ilerleme doğrultusundan saptırır ve bütün yönlerde yansımasına neden olurlar. Bu olay saçılma olarak adlandırılır. Saçılma süreci, ortamda her hangi bir enerji kaybı ya da kazanımına neden olmaz. Dolayısı ile saçılma süreci esnasında sıcaklık değişmez. Saçılmaya genellikle hava molekülleri, küçük toz parçacıkları, su molekülleri ve çeşitli kirleticiler gibi çok küçük boyutlu maddeler neden olur.
Çok küçük de olsalar bulutlar optik olarak kalındır. Bu, bulutların önemli miktarda güneş ışığını saçılmaya uğratacağı; diğer bir deyişle güneş ışınlarının saçılmaya uğramadan bulutu geçmesi olasılığının çok zayıf olduğu anlamındadır. Bulutlar aynı zamanda güneş ışığının zayıf absorblayıcısıdırlar. Dolayısı ile bir buluta baktığımızda, sayısız bulut damlacıklarının görünür güneş ışığını bütün dalga boylarında her yönde saçılmaya uğratması nedeniyle beyaz olarak görünürler.
167
168
Bir bulut büyüdükçe yansıttığı güneş ışığının yüzdesi artarken, geçirdiği güneş ışığının yüzdesi azalır. Bulutun tabanına çok az güneşışığı ulaştığından, saçılma da çok az olacak ve bulut tabanı karanlık görünecektir.
Bulut tabanına ulaşan az miktardaki görünür ışık saçılmaktan ziyade absorblanır ve bulut tabanının daha karanlık görünmesine neden olur. Bu, halk arasında kara bulut olarak adlandırılan bulutların neden genellikle yağışa yol açtığını da açıklamaktadır.
169
PUS VE GÖKYÜZÜMavi renk duyusunu yaratan ışığın retinaya ulaşması sonucu gökyüzünü mavi olarak görürüz. Hava moleküllerinin büyüklüğü, bulut damlacıklarından ve görünür ışığın dalga boyundan çok daha küçüktür. Her bir O2 ve N2 molekülü seçici saçıcıdırlar. Bu moleküller görünür ışığın kısa dalga boylarını, uzun dalga boylarına göre daha etkin olarak saçılmaya uğratırlar. Bu seçici saçılma olayı Rayleigh saçılması olarak adlandırılır. Değişik saçılma tipleri aşağıdaki Tablo’da verilmiştir.
Parçacık Tipi Parçacık Çapı (µm) Saçılmanın Tipi Gözlenen Olay
Hava molekülleri 0.0001-0.001 Rayleigh Mavi gökyüzü, kırmızı günbatımı
Kirleticiler 0.01-1.0 Mie Kahverengimsi smog
Bulut damlacıkları 10-100 Geometrik Beyaz bulutlar
170
Güneş ışığı atmosfere girdiğinde mor, mavi ve yeşil gibi görünür ışığın kısa dalga boyları, sarı, turuncu ve özellikle kırmızı gibi uzun dalga boyundaki ışığa göre daha fazla saçılmaya uğrarlar.
Rayleigh saçılmasının şiddeti, λ dalga boyu olmak üzere 1/λ4 şeklinde değişir.
Dolayısı ile mor ışık kırmızı ışıktan 16 kat daha fazla saçılır. Gökyüzüne baktığımız zaman, görünür ışığın mor, mavi ve yeşil dalga boylarındaki saçılmış ışık bütün yönlerde gözümüze ulaşır. Bu dalga boylarındaki saçılmış ışığın birlikte oluşturduğu etki mavi ışık olarak algılanır. Bu nedenle gökyüzü mavi olarak görünür.
Dünyamız renkli gökyüzüne sahip tek gezegen değildir. Örneğin toz fırtınaları nedeniyle Mars, öğle vakti kırmızı, günbatımında ise mor bir renk alır.
171
Hava molekülleri ve çok küçük parçacıklar tarafından mavi ışığın seçici saçılımı, uzaktaki dağların mavi görünmesine neden olabilir. Bazı yerler (bu yerler insan kaynaklı hava kirliliğinden uzak yerlerde olabilir) mavi pus ile örtülmüş olabilir. Mavi pus bazı özel süreçlerin sonucu olarak meydana gelmektedir. Bitkiler tarafından ozonla etkileşebilen son derece küçük partiküller (hidrokarbonlar) atmosfere bırakılır. Bu etkileşim, mavi ışığı seçici olarak saçan küçük parçacıkların (0.2 µm çapında) oluşmasına neden olur.
Atmosferde asılı haldeki toz ve tuz gibi küçük parçacıkların konsantrasyonu arttıkça gökyüzünün rengi de maviden süt beyaza doğru değişir. Bu parçacıklar boyutça çok küçük olmalarına karşın, görünür ışığın bütün dalga boylarını her yönde ve eşit bir şekilde saçılmaya uğratacak kadar büyüktürler (geometrik saçılma).
Görünür ışığın bütün dalga boyları gözümüze ulaştığı için gökyüzübeyaz görünür, görüş uzaklığı düşer. Bu olay pus olarak adlandırılır.
172
Eğer nem yeterince yüksek ise çözünebilir parçacıklar (çekirdekler) gittikçe büyüyecek ve pus partikülleri haline gelecektir. Bu nedenle gökyüzünün rengi, atmosferde ne kadar asılı madde olduğu hakkında bir fikir verir.
Örneğin, ne kadar çok asılı madde varsa, saçılma da o kadar fazla olacak ve gökyüzü daha beyaz görünecektir.
Asılı parçacıkların önemli bir kısmı yere yakın olduğundan, ufuk beyaz renkte görünür. Eğer bir dağın tepesinde isek, asılıparçacıkların önemli bir kısmı, bulunduğumuz seviyenin altında kalacağı için gökyüzü koyu mavi bir renkte görünür. Pus, güneşdoğarken veya batarken ışığı saçar. Bunun sonucunda güneş ışığınıdaha parlak bir renkte görürüz (crepuscular rays). Benzer görüntügüneş ışınlarının bulutların arasında kalan açıklıklardan geçmesidurumunda da ortaya çıkar.
173
GÜNEŞ VE AYIN RENKLERİGüneş öğle vakti parlak beyaz, oysa günbatımında
sarı, turuncu veya kırmızı bir renkte görünür.
174
GECE YILDIZLARIN GÖRÜNÜŞÜ
Bilindiği gibi daha yoğun bir ortama giren ışığın hızı azalır. Eğer ışık ortama bir açıyla girerse, ilerleme doğrultusunu değiştirir, bu olaya kırılma denir. Kırılma miktarı iki faktöre bağlıdır: Ortamın yoğunluğu ve ışığın bu ortama giriş açısı. Az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama giren ışığın hızı azalır ve normale yaklaşır; tersi durumda ise hızı artar ve normalden uzaklaşır.
175
SERAP OLAYIAtmosferde bir nesnenin gerçek konumuna göre yer değiştirmiş gibi
görünmesine serap denir. Serap, bir hayal ürünü değildir. Bu olayda bizi yanıltan zihnimiz değil, atmosferdir.
Atmosferdeki seraplara ışığın farklı yoğunluktaki hava katmanlarından geçmesi ve kırılması neden olur. Bu tür belirgin yoğunluk değişimleri hava sıcaklığındaki belirgin değişimlerin bir sonucudur. Sıcaklıktaki değişim ne kadar fazla ise ışığın kırılması da o kadar fazla olur.
Örneğin sıcak ve güneşli bir günde, asfalt yollar önemli miktarda güneş enerjisi absorblar ve aşırı derecede ısınırlar ve yol yüzeyi ile temas halindeki havayı kondüksiyonla ısıtırlar. Ancak hava zayıf bir termal iletken olduğu için, bu yolla ısı iletimi yüzeye yakın bir tabaka ile sınırlı kalır. Dolayısı ile daha serin hava yerden biraz daha yukarıdadır. Sıcak günlerde bu yollar ıslakmış gibi görünür
176
Yer yakınıdaki havanın yukarı seviyedeki havadan daha sıcak olması durumunda, cisimler bulundukları konumdan daha aşağıda ve (sıklıkla) ters dönmüş olarak görünürler. Bu tür seraplar alçak seraplar
olarak adlandırılır. Aşağıdaki verilen şekildeki ağacı dikkate alalım ve bu ağacı neden ters dönmüş olarak gördüğümüzü açıklamaya çalışalım. Yüzey üzerindeki sıcak ve az yoğun havaya giren ışık ışınları yukarıdoğru kırılır ve gözümüze aşağı seviyelerden (yer seviyesinden) gelerek ulaşırlar.
177
Serap olayları yalnızca çok sıcak bölgelerde değil, çok soğuk bölgelerde de meydana gelir. Kutup bölgelerinde, karla örtülü alanların üzerindeki hava, daha yukarılardaki havaya göre çok soğuktur. Soğuk hava çok daha yoğundur dolayısı ile uzaktaki nesnelerden gelen ışık normale yaklaşarak kırılır. Bunun sonucunda uzaktaki nesne gerçek konumundan daha yukarıda görünür. Bu tip seraplar yüksek seraplar
olarak adlandırılır
178
HALE, PARHELIA VE IŞIKLI KOLONGüneş veya ayın etrafında görülen dairesel ışıklar hale olarak adlandırılır. Bu görüntü, güneş ya da ay ışıklarının buz kristalleri içinden geçerken kırılmasınedeniyle oluşur. Bundan dolayı halenin görülmesi sirüs türünden bulutların varlığına işaret eder. En yaygın görülen hale, 22o yarıçaplı haledir, buna küçük hale denir. Bu haleler, çok küçük buz kristallerinin (çapı 20 µm’den küçük) varlığında meydana gelirler. 46o yarıçaplı hale (büyük hale) durumunda da kolon tipindeki buz kristalleri sözkonusudur. Ancak bu durumda buz kristallerinin çapı 15-25 µm arasında değişir.
179
Eğer güneş ufka yakın bir konumda ise gözlemci ve buz kristalleri aynıyatay düzlemde bulunurlar. Böyle bir durumda gözlemci, güneşin her iki tarafında dışa doğru incelen, parlak renklerden oluşmuş bir ışık demeti görür. Bu optik oluşum parhelia (sundog) olarak adlandırılır. Parheliada güneşe yakın renk (en az bükülen) kırmızı; uzak olan renk ise (daha fazla bükülen) mavidir.
180
GÖKKUŞAĞIGökkuşağı, gökyüzünün bir kısmında yağmur, diğer kısmında güneşvarken görülen yaygın bir optik olaydır. Bu olay havaya püskürtülen spreylerde, su fıskiyelerinde ve çağlayanlarda sıklıkla görülür. Gökkuşağını görebilmek için, güneş arkamızda olacak şekilde yağışın olduğu tarafa bakmamız gerekir.
181
KORONA, GLORİ VE HEILIGENSCHEINKüresel su damlacıklarından oluşmuş ince bulutların arkasında ayıçevreleyen ışıklı görünüm korona olarak adlandırılır. Korona güneşin etrafında da oluşur, ancak güneşin parlak ışıklarından dolayıfarkedilmesi zordur.
Korona: Işığın difraksiyonu sonucu oluşur.
Difraksiyon: Işığın bir engelin etrafından geçerken bükülmesi şeklinde tanımlanır.
Su dalgalarının küçük bir havuza bırakılan taşın etrafındaki davranışınıdikkate alalım. Dalgalar taşın etrafında yayılırken, birinin çukuru diğerinin tepesi ile üst üste gelebilir. Bu durumuda dalgalar birbirlerini sönümlendirir, dolayısı ile bu kısımlarda su yüzeyi sakindir. Dalgaların bu türden girişimi sönümlendirici girişim olarak adlandırılır. Diğer taraftan iki dalga tepesinin üst üste binmesi durumunda daha büyük bir dalga meydana gelir, bu da şiddetlendirici girişim olarak adlandırılır.
182
Işık küçük su damlacıklarının etrafından geçerken benzer olaylar meydana gelir. Işık ışınlarının şiddetlendirici girişiminde daha parlak ışık, sönümlendirici girişiminde ise ortam karanlıktır. Korona bazıdurumlarda beyaz, bazı durumlarda ise renkli görünebilir.
Bulut damlacıkları üniform boyutta olduğu zaman korona renkli görünür. Difraksiyon nedeniyle olan bükülme ışığın dalga boyuna bağlıolduğu için, kısa dalga boylu ışık (mavi) koronanın iç kısmında, uzun dalga boylu ışık (kırmızı) ise dış kısmında yer alır. Yeni oluşmuşbulutlar, örneğin ince As (Alto-stratus) ve Ac (alto-kümülüs) korona oluşumu için en uygun bulutlardır.
Bulut damlacıklarının üniform olmaması durumunda koronanın görünüşü oldukça düzensizdir. Bulutun görünüşü pembe, mavi veya yeşilin pastel tonlarından oluşmuş renkli yamalar şeklindedir. Işığın difraksiyonu sonucu oluşan bu parlak görünüm sedeflenme olarak adlandırılır.
183
Korona gibi glori’de difraksiyon olayının bir sonucudur. Bir uçağın, 50 µm’den daha küçük damlacıklardan oluşan bir bulut tabakasının üzerinde uçarken, uçağın gölgesinin etrafında oluşan renkli halkalar glori olarak adlandırılır. Sırtımız güneşe dönükken bir bulut ya da sis tabakasına baktığımızda, su damlalarının gölgesi etrafında parlak ışık halkaları görülebilir. Glori oluşumunda ışık aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi damlaya üst kısımdan girerek, önce kırılmaya daha sonra da damlanın (ışığın geliş yönüne göre) arka kısmı tarafından yansımaya uğratılır. Damlanın alt kımından çıkan ışık bir kez daha kırılmaya uğrar. Bununla birlikte ışığın gözlerimize ulaşması için, çok kısa bir mesafe boyunca yüzey dalgası şeklinde damlanın kenarından bükülmesi gerekir. Damlaların kenarlarından gelen ışığın difraksiyonu glori olarak görmüş olduğumuz ışık halkalarını meydana getirir.
184
Çimenler üzerinde eğer çiğ oluşmuş ise güneşli sabah saatlerinde ilginçbir optik olayı gözlemek mümkündür. Sırtı güneşe dönük olan gözlemcinin başının gölgesi etrafında heiligenschein olarak adlandırılan ışıklı bir alan oluşur.
Heiligenschein, hemen hemen küresel çiğ damlaları üzerine gelen güneş ışınlarının odaklanması ve gelen ışınlarla yaklaşık aynıdoğrultuda tekrar yansıtılması sonucu meydana gelir.