HİŞ231U-METEOROLOJİ
Ünite 1: Atmosferimizi Tanıyalım
Giriş
Atmosfer, gezegenlere çekim kuvveti ile bağlı ve gezegenlerle birlikte hareket eden gaz tabakasıdır. Uzaydan bakıldığında çok ince, kırılgan bir gaz tabakası olarak görünen atmosferimiz gerçekte Dünya üzerindeki yaşamı güneş radyasyonu ve güneş rüzgârının zararlı etkilerinden korur ve yaşamın sürdürülebilirliği için en uygun koşulların oluşmasını sağlar.
Atmosferin Bileşenleri
Temel atmosferik bileşenler basınç, sıcaklık ve nemdir.
Atmosferin Kompozisyonu
Dünya atmosferinde azot ve oksijen gazları miktarları zamanla değişmeyen temel gazlardır ve yaklaşık olarak azot %78, oksijen %21 ve argon gazı %0.9 oranında bulunur. Geri kalan %1’lik kısmını ise hidrojen, helyum, neon, su buharı, karbondioksit, nitrikoksitler, sülfürdioksit, metan, ozon vb. gibi gazlar oluşturur. Bu gazlara miktarlarından ötürü iz elementler denilir. Su buharı (H2O), karbondioksit, metan gibi çok atomlu gazlar sera gazları olarak bilinirler ve miktarları çok az olmasına rağmen küresel ısınmadan sorumlu gazlardır.
“Atmosferik Basınç” atmosferi oluşturan gazlar yükseklikle homojen dağılmamışlardır ve atmosfer kütlesinin %99’u ilk 30 km’nin altında bulunur.
Atmosferik gazlar içerisinde, su buharı miktarı %0-4 oranında değişken olup bulunulan enleme, yılın zamanına ve günün saatine göre farklılıklar gösterir. Miktarı ekvator enlemlerinde %4’e kadar çıkarken kutup enlemlerinde yok denecek kadar azdır.
Atmosferik Basınç
Atmosfer basıncı atmosferin yeryüzeyinde birim alana uyguladığı ağırlık kuvvetidir. Atmosfer sütununun içindeki moleküllerin sayısı ile orantılıdır. Atmosferdeki moleküllerin sayısı, yer çekiminin etkisi ile yer seviyesine doğru daha fazladır ve yükseklik arttıkça azalmaktadır.
Atmosferin ağırlığı (W) atmosferin kütlesi ile yer çekimi kuvvetinin çarpımına eşittir (W=M.g). Basınç ise birim alana düşen kuvvettir. Buna göre atmosferik basınç (P) ise atmosferin birim alandaki ağırlık kuvvetidir (P=W/A). Atmosferin yer seviyesindeki yoğunluğunu ise ideal gaz kanununu kullanarak (P.V = n.R.T) hesaplanabilir. Deniz seviyesindeki hava sıcaklığı 288K ve basınç değeri 101325 [Pa] kullanılarak atmosferin deniz seviyesindeki yoğunluğunu ρ=1.24 [kg/m3] olarak bulunur.
Atmosferik Basıncın Yükseklikle Değişimi
Atmosferik basınç ve yoğunluk sıcaklığın sabit ve azalan sıcaklık gradyanı olduğu durumlarda yükseklikle iki türlü incelenir:
• İzotermal atmosferde basıncın yükseklikle değişimi • İzotermal olmayan atmosferde basıncın yükseklikle değişimi
Atmosferik Basınç Değişimleri
Yeryüzeyinde herhangi bir noktadaki atmosferik basıncın değişimine neden olan etkenleri aşağıdaki şekilde sıralayabiliriz. Bunlar:
1. Göz önüne alınan noktanın deniz seviyesinden olan yüksekliği: Bir önceki bölümde gördüğümüz üzere sabit bir enlemde basınç yükseklikle eksponansiyel olarak azalmaktadır. Bulunulan bölge ne kadar yüksekte ise basınç o kadar düşüktür. 2. Sıcaklıktaki değişimler: Belli bir bölge üzerindeki sıcaklık değişimleri o bölge üzerinde atmosfer basıncını iki şekilde etkileyebilir. Bunlardan bir tanesi basıncın zamansal, yani günlük, mevsimlik ve yıllık değişimine neden olurlar. İkincisi ise düşey yöndeki sıcaklık farklılıkları hava kütlelerinin bir bölge üzerinde yukarı-aşağı hareketine neden olurken yatay yöndeki sıcaklık farklılıkları ise hava kütlelerinin bir bölgeden diğerine hareketine sebep olurlar.
Atmosferik Basıncın Ölçülmesi
Atmosferik basıncı ölçen aletlere barometre adı verilir. Barometrelerin çalışma prensibi barometre sıvısının atmosferik basıncın etkisi ile barometre tüpü içerisinde yükselmesi prensibine dayanır.
Altimetre ise uçaklarda atmosferik basınca göre uçuş yüksekliğini gösteren aletlere verilen isimdir.
Atmosferik Sıcaklık
Sıcaklık hava moleküllerinin ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Isı enerjisinin birimi MKS sisteminde Joule’dür. Buna karşılık sıcaklık birimi, kullanılan ölçüm sistemine göre Santigrat (Centigrade) derece (ºC), Kelvin (K) ve Fahrenheit derece (ºF) olarak değişir.
Santigrat sisteminden Kelvin sistemine dönüşüm K = ºC + 273
Santigrat sisteminden Fahrenheit sistemine dönüşüm ºF = 32 + (9/5) ºC formülleriyle gerçekleştirilir.
Sıcaklık ölçümü, atmosferik sıcaklık veya hava sıcaklığı veya kısaca sıcaklık meteoroloji istasyonlarında bir siper içerisine yerleştirilen termometre adı verilen cihazlarla ölçülür.
Sıcaklık değişimleri, hava sıcaklığı yer yüzeyine gelen güneş radyasyonunun miktarına bağlıdır. Bu miktar enleme, yılın gününe ve günün saatine göre değişir. Buna paralel olarak sıcaklık da günlük, mevsimlik ve enleme göre değişkenlik gösterir. Bu değişimlerin ana kaynağını Dünya’nın kendi ekseni, Güneş’in etrafında dönüşü ve Dünya’nın eksen eğikliği olarak sıralayabiliriz.
Atmosferdeki Nem
Bir hava parseli temel atmosferik gazlara ilaveten hem sıvı su damlacıklarını hem de su buharını içerir. Nem havadaki su buharı miktarını ifade etmek için kullanılan terimdir.
Nemi belirleme yöntemleri,
• Su buharı basıncı ve doymuş su buharı basıncı • Mutlak nem • Özgül nem • Karışma oranı • Bağıl nem • Çiy noktası sıcaklığıdır.
Su Buharı Basıncı ve Doymuş Su Buharı Basıncı, havanın nemini, yani su buharının miktarını, su buharı moleküllerinin hava parseline uyguladığı basıncı kullanarak bulabiliriz. Hava parseli içerisinde ne kadar çok su buharı var ise su buharı basıncı da o kadar fazladır. Buna gerçek su buharı basıncı da denilir. Havadaki nemin belirlenmesinde su buharı basıncının yanı sıra, doymuş su buharı basıncı da önemlidir. Doymuş su buharı basıncı, belirli bir sıcaklıkta hava parselinin tutabileceği maksimum su buharı miktarını gösterir. Bir hava parseli içerisindeki sıvı su miktarı ile su buharı miktarının eşit olduğu durumda hava parseline doymuştur denilir. Yani yoğunlaşmış su buharı miktarı ile buhar hâlindeki su miktarı aynıdır. Bu durumda su buharı moleküllerinin hava parselinin cidarlarına uygulayacağı basınca da doymuş su buharı basıncı veya doymuş buhar basıncı adı verilir.
Mutlak nem, hava parseli içerisindeki su buharı miktarının parselin hacmine oranıdır.
Özgül nem, hava parseli içerisindeki su buharı miktarının hava parselinin toplam kütlesine oranıdır.
Karışma oranı, hava parseli içerisindeki su buharı miktarının parseldeki kuru havanın kütlesine oranıdır.
Bağıl nem, belirli bir sıcaklıkta hava içerisinde bulunan gerçek su buharı miktarının, o sıcaklıkta parselin tutabileceği maksimum su buharı miktarına oranıdır.
Çiy noktası sıcaklığı, havanın doymaya ulaşabilmesi için soğuması gereken sıcaklık olarak tanımlanır.
Havadaki nemin ölçümü, için kullanılan cihazlar şunlardır:
• Psikrometre • Saç higrometresi • Elektrik higrometresi
Atmosferin Katmanları
Bu bölümde atmosferin temel bileşenlerinden sıcaklık, basınç, yoğunluk ve nem gibi değişkenleri kullanarak atmosferin katmanlarını (tabakalarını) anlamaya çalışacağız.
Atmosferin Sıcaklık Değişimine Göre Sınıflandırılması
Troposfer, atmosferin en alt tabakasını oluşturur ve yerden yaklaşık olarak 11 km’ye kadar uzanır. Troposferde sıcaklık yerden yükseldikçe lineer olarak azalır. Tropopoz seviyesi troposferin bittiği sınır tabakasıdır ve troposferin yüksekliğini belirler.
Stratosfer, atmosferin troposferin üzerinde bulunan ikinci tabakasıdır ve yaklaşık olarak 15-50 km arasında yer alır. Basınç troposferdekinden çok daha düşüktür. Sıcaklık ise troposferdekinin tersine bu bölgede lineer olarak artmaya başlar. Bu artış yaklaşık 50 km’ye kadar devam eder. Sıcaklık artışının ana nedeni stratosferik yüksekliklerde bulunan ozon (O3) gazıdır.
Mezosfer, atmosferin yerden itibaren üçüncü tabakasıdır. Aynı zamanda atmosferin en soğuk tabakasıdır. Yoğunluk ve basınç çok düşük olup 1 mb civarındadır. Bu mezosfer üzerinde çok az sayıda molekül bulunduğunu söyler. Mezosferin en soğuk olmasının en önemli nedeni bu bölgede güneş radyasyonunu absorblayacak molekül sayısının yetersiz olmasıdır.
Termosfer, atmosferin en üst tabakası olup, mezopozun üzerinde yaklaşık 100 km’den başlar. Atmosferde en yüksek sıcaklıkların görüldüğü bölgedir. Termosferdeki sıcaklıklar güneş aktiviteleri ile çok yakından ilişkilidir. Termosferdeki sıcaklıklarının en yüksek olmasının nedeni, termosferi oluşturan oksijen atomu ve molekülleridir. Bu yüksekliklerde bulunan oksijen atomu ve molekülleri güneş radyasyonunun en kısa dalga boyunu taşıyan x-ışınları, çok kısa UV ve kısa UV aralığındaki güneş radyasyonunu absorblarlar. Termosfer eksozfer ve iyonosfer, manyetosfer ve hetereosfer tabakaları ile aynı yüksekliklerde bulunur. Termosferdeki ısı kaynaklarını şu şekilde sıralayabiliriz:
• Güneş’in çok kısa dalga boylu (X-ışınları, EUV) radyasyonunun absorbsiyonu • Manyetosferde meydana gelen manyetik fırtınalar sonucunda termosfere yağan Aurora parçacıkları • Manyetosferik parçacıkların termosferde oluşturdukları Joule ısınması • Aşağı seviyelerden termosfere kadar ilerleyen gravite dalgalarının kırılması
Atmosferin Karışıma Göre Sınıflandırılması
Homosfer, atmosferin çok iyi karışan kısmını oluşturur. Atmosfer 100 km’ye kadar rüzgar ve türbülans nedeni ile çok iyi karışmıştır. Bu yüzden bazen literatürde homosfere turbosfer adı da verilir. Bu çok iyi karışım nedeni ile homosferin kompozisyonu üniformdur. Yani yer seviyesinde azot ve oksijenin % oranı ne ise, homosfer içinde her yerde bu oran aynıdır. Bu yüzden tek bir kütleden ve gazdan bahsedebiliriz.
Heterosfer, homopoz sınır tabakasının üzerinde yer alır. Heterosferde yoğunluk düşük, gaz moleküllerinin birbirleri ile çarpışmaları çok düşüktür ve gazların karışımı yoktur. Onun yerine difüzyon ile gazlar kütlelerine göre yavaş yavaş aşağı seviyelere çökelerek tabakalaşma oluştururlar. Bu olaya gravitasyonel ayrışma denilir.
ICAO Standart Atmosferi
Gerçek atmosferde basınç zamanla ve bulunulan noktaya bağlı olarak yatay ve düşey olarak değişkenlik gösterir. Ayrıca hava olaylarına bağlı olarak lokal ölçekte de büyük değişiklikler arz eder. Meteorolojistlerden sonra atmosferik
basıncın en çok kullanıldığı sektör havacılıktır. ICAO standart atmosferi (ISA) Uluslararası Sivil Havacılık Organizasyonu’nun (ICAO) atmosferin basınç, sıcaklık ve yoğunluk bileşenlerinin yükseklikle değerlerinin elde edilmesinde, farklı ülkeler arasında birlikteliği sağlamak amacı ile oluşturduğu kuramsal bir atmosfer modelidir. ISA, ICAO tarafından ilk defa 1952 yılında kabul edilmiş ve günümüzde kullanılan referans atmosfer modelidir. Bugünkü kullanılan versiyon 1976’da kabul edilen versiyondur. ISA modeli oluşturulurken kullanılan parametrik varsayımlar ve fiziki sabitler şu şekildedir:
1. Havanın ideal gaz kanununa ve hidrostatik eşitliğe uygun davrandığı kabul edilir. 2. Atmosfer nemli kabul edilir. 3. Sıcaklık tropopoza kadar lineer olarak azalıyor kabul edilir. 4. Tropopoza kadar düşey sıcaklık gradyanı olarak -6.5 ºC/km alınır. 5. Tropopozun yüksekliği olarak 11 km alınır. 6. Tropopoz geçiş tabakasında eş sıcaklık varsayılarak -56 ºC alınır. 7. Yer çekiminin yükseklikle değişmediği kabul edilir ve 980.665 cm/sn2 alınır. Bu varsayım düşey
yükseklik olarak jeometrik yükseklik yerine jeopotansiyel yükseklik kullanımını mümkün kılar. 8. Donma noktası 273.16 K’dir. 9. Sıfır basınç yüksekliği 760 mmHg yüksekliğinin ölçüldüğü basınç değerine karşı gelen yüksekliktir. 10. Sıfır basınç yüksekliğinde sıcaklık 15 ºC (288.15) K’dir.
Uçuş Seviyesi ve Altimetrik Kodlar
Altimetreler atmosferik basıncı kullanarak hava aracının bulunduğu yüksekliği veren cihazlardır. Bu tür altimetrelere basınç altimetreleri denilir. Altimetrik değerler Q-kodu ile başlayan farklı referans yükseklikleridir. Q-kodlarında yükseklikler feet cinsinden ifade edilirler.
Uçuş Seviyesi (Flight Level, FL)
Hava araçlarının bulundukları yükseklikler sabit bir basınç seviyesine göre tanımlanır. Bir başka deyişle, uçuş seviyeleri standart bir basınç seviyesine göre tanımlanan sabit atmosferik basınç yüzeyleridir. Uçuş seviyesi (FL) ICAO standart atmosferinde 1013.25 hPa basınç seviyesi esas alınarak 500 feet aralıklarla verilir. FL00 deniz seviyesi basıncına (1013.25 hPa) karşı gelen yükseklikleri ifade eder. 10.000 feet’in altında FLXX, 10.000 feet’in üstünde ise FLXXX olarak verilir. Örneğin standart basınca göre 16.500 feet’de uçan bir taşıtın uçuş seviyesi FL165, 8000 feet’de uçan bir taşıtın ise uçuş seviyeleri FL80 şeklinde belirtilir. Üç tane barometrik referans basınç seviyesi tanımlanır. Bunlar:
• Meydan-pist Yüksekliği (Qualified Field Elevation, QFE)
• Doğal Ufuk İrtifası (Qualified Natural Horizon, QNH) • Standart Yükseklik ( Qualified Natural Earth, QNE)
Yerden Yükseklik (QFE)
Hava meydanındaki atmosfer basıncını gösterir. Hava meydanındaki basınç meydan meteoroloji istasyonunda bir barometre ile ölçülür.
Doğal Ufuk İrtifası (QNH)
Uçağın ortalama deniz seviyesinden olan irtifasını verir. Altimetre QNH değerine ayarlandığından uçağın meydanın bulunduğu yerdeki deniz seviyesinden olan yüksekliğini gösterir.
Standart Basınç Yüksekliği (QNE)
QNE standart basınç yüksekliği olarak bilinmektedir. ICAO standart atmosferinde standart basınç seviyesi 1013.25 hPa olarak tanımlanmıştır. QNE uçağın 1013.25 hPa basınç seviyesine göre olan yüksekliğini verir.