Ünite 2: Dünya ve Atmosfer, Standart Atmosfer ve ICAO Atmosferi

Giriş

Genel olarak meteoroloji “atmosfer bilimi” diyerek tanımlanmaktadır. Dünyayı saran ve yaşamın temel kaynaklarından olan atmosferdeki olaylarla ilgilenen meteoroloji insan yaşamı için vazgeçilmezdir.

Bu ünitede meteoroloji konularına temel oluşturacak Dünya ve Atmosfer hakkında bilgiler verildikten sonra havacılıkta sıklıkla kullanılacak olan standart atmosfer tanımları ve daha sonrasında da ICAO atmosferi anlatılacaktır.

Güneş, Güneş Sistemi ve Dünya

Güneş, Dünya atmosferi ve Güneş sistemindeki tüm gök cisimleri için enerji sağlayan ve bu gün yaşı 4x105 milyar olan orta yaşlı bir yıldızdır. Güneş kendi enerjisini kendisi üretmektedir ve bu enerjinin en büyük kaynağı çekirdek kısmındaki bu çok yüksek sıcaklığın yanı sıra, kompozisyonun en büyük kısmını oluşturan hidrojen atomudur. Güneş’in bu şekilde uzaya yaydığı toplam enerji yaklaşık olarak 4x10 ²⁶ Watt’dır ve bugünkü şartlar altında sabittir. Dünyamız bu enerjinin sadece 1368 Watt’lık kısmını alır. Bu 1368 Watt’lık enerji, Dünya atmosferinin tepesindeki bir birim alana birim zamanda gelen toplam enerjidir ve Güneş Sabiti olarak adlandırılır. Dünya atmosferini ve içindeki hava olaylarını kontrol eden bu enerjidir.

Güneş sistemi 8 gezegen ve asteroid kuşaklarından oluşmaktadır. Dünyamız güneş sisteminde Güneş’e uzaklık açısından üçüncü sırada yer alır. Güneş-Dünya arasındaki mesafe Astronomik Mesafe olarak adlandırılır ve kısaca 1 AU olarak gösterilir. 1AU=1,5x108 km’ye eşittir. Dünya kendi etrafında dönüşünü 24 saat, Güneş etrafındaki yörüngesini ise ortalamada 1 yılda (365 gün) tamamlar. Dünya’nın yarıçapı 6371 km olup, dönüş ekseni Güneş ve gezegenlerin içinde bulunduğu ekliptik düzlemden yaklaşık olarak 23 ^o eğiktir.

Dünya Atmosferi

Atmosfer kısaca bir gezegeni saran gaz tabakası olarak tanımlanır. Atmosferin kütlesinin yaklaşık %99’u ilk 30 km içinde bulunur. Atmosfer Dünya yüzeyini ve canlıları Güneş’in zararlı ışınlarından ve Güneş’ten gelen güneş rüzgârı parçacıklarından korur.

Dünya atmosferi bugünkü durumuna ulaşıncaya kadar pek çok değişim geçirmiştir. İlk atmosfer hidrojen ve helyum olmak üzere, metan, neon, argon ve ksenon gazlarından oluşmuştur. İlk atmosfer daha sonraları, Güneş’ten gelen sıcak rüzgârlar, gezegene çarpan meteor ve asteroidler ile etkileşim sonucunda değişmiştir. Bu etkileşim sonucunda hafif gazlar tamamen veya kısmen gezegenden uzaya kaçmışlardır. Daha sonraları volkanlar, yeraltından gaz çıkışları sonucunda ilk atmosfer tamamen yenilenmiştir. Daha sonra yüzmilyonlarca yıl süren çeşitli etkileşimlerle dünya atmosferi canlıların yaşamı için uygun yaşam koşullarının gelişmesine uygun olan bugünkü halini almıştır.

Atmosferde miktarı %1’in altında olan gazlara iz elementleri adı verilir. Bu nitrojen ve oksijenin dışındaki diğer bütün gazları içerir. Bunların bazıları argon, karbondioksit, metan ve benzeri diğer gazlardır. Tablo 2.1 (S:19) Dünya atmosferinin bugünkü kompozisyonunu oluşturan gazları ve rölatif (%) miktarlarını vermektedir. Tabloda yer almayan su buharı gazı ile beraber, bu gazların miktarları az olmasına rağmen, küresel iklim değişimi açısından etkileri çok büyüktür.

Atmosferin Tabakaları

Atmosferin tabakalaşması atomların nötral veya elektriksel açıdan yüklü oluşuna göre farklıdır. Nötral atmosferin yapısı sıcaklıktaki değişimlere göre tanımlanır. Şekil 2.3 sıcaklığın yükseklikle değişimine göre atmosferin tabakalarını göstermektedir. Sıcaklık yeryüzeyinden yükseldikçe 10 km’ye kadar azalmakta, 10- 50 km arasında artmakta, 50 km ile 85 km arasında tekrar azalmakta ve 85-150 km arasında çok hızlı bir şekilde artmakta ve 150 km’nin üzerinde sabit bir şekilde kalmaktadır. En alt tabakadan başlayarak bu tabakalar troposfer, stratosfer, mezosfer ve termosferdir. Ayrıca her tabaka arasında sıcaklığın sabit kaldığı ve kalınlığı 5-10 km arasında değişen bir geçiş tabakası bulunur. Geçiş tabakaları tropopoz, stratopoz, mezopoz ve termopoz şeklindedir.

Atmosferin yerle 10 km arasında yer alan ve sıcaklığın yerden yükseldikçe lineer olarak azaldığı tabakası troposfer olarak adlandırılır. Sıcaklığın düşme oranı havanın nemli veya kuru olması durumuna göre değişir. Kuru havada sıcaklık 1 km’de 9,8° , nemli havada ise 1 km’de 6,5° düşer. Troposfer atmosferin yere en yakın tabakasıdır ve özellikle yeryüzeyi ile temas hâlinde olan en alt tabakaları olmak üzere yeryüzeyinden ısınır. Gelen güneş radyasyonu yeryüzeyini ısıtır ve onunla temas eden yere yakın hava da bu temas sonucu yerden ısınır.

Troposfer hava olaylarının oluştuğu bölgedir. Konvektif hareketler yükselici hareketlerdir. Bulutlar bu yükselici hareketlerin sonucunda troposferik yüksekliklerde oluşur.

Troposfer ile bir sonraki tabaka arasında yer alan geçiş tabakası tropopoz adını alır. Troposfer ve troposferde meydana gelen hava olayları havacılık açısından çok büyük önem arz eder. Uçuşlar genellikle tropopoz yüksekliği civarında yapılmaktadır. Tropopozun yüksekliği ortalama troposferik sıcaklık ile doğru orantılıdır. Buna göre ekvatorda 10 km olan tropopoz yüksekliği kuzey kutbunda 3-4 km’ye kadar azalmaktadır.

Ortalama olarak 10-50 km arasında Stratosfer yer alır. Bu bölgede sıcaklık stratosferin tabanından tepesine (50 km) doğru yükseklikle lineer olarak artar ve 50 km’de maksimuma ulaşır. Sıcaklığın artışının en önemli nedeni bu bölgede bulunan ozon gazı molekülleridir. Şekil 2.5’in sol panelinde stratosferi de içine alacak şekilde 60 km’ye kadar olan sıcaklık profili ve stratosferik sağ panelinde ise ozon gazı miktarının yükseklikle değişimi gösterilmektedir.

Ozon gazı stratosfere gelen güneş radyasyonunun UV dalga boyu aralığına düşen, yaklaşık 0,1-0,3 mm, arasındaki kısa dalga boylu radyasyonu (UV-C ve UV-B) absorblar. Çok az bir kısım UV-B ve UV-A radyasyonun tümü yeryüzeyine kadar absorblanmadan iner. UV-A radyasyonu insanlar için gerekli olan radyasyondur ve zararsızdır. Ancak yeryüzeyine kadar inen bu UV-B ışınlarından korunmak gereklidir. Bu aralıktaki radyasyonun yeryüzeyine inmesi durumunda hücrelere gireceğinden birçok ölümcül sağlık problemlerine neden olur. 0,1-0,3 mm dalga boyu aralığındaki elektromanyetik radyasyon canlı hücreler için tehlike arz eder. Ultraviyole Radyasyon ile Stratosferik Ozon Arasındaki İlişki Şekil 2.7’de (S:23) verilmiştir. Şekilde Yatay Eksende, % Olarak, Stratosferik Ozon Gazı Miktarında Meydana Gelen Azalma Miktarı, Düşey Eksende ise Yine % Olarak Yeryüzeyinde Ölçülen UV Radyasyon Miktarında Meydana Gelen Artış Miktarı Verilmiştir. Şekil Stratosferik Ozon Miktarı Ne Kadar Azalırsa Yere İnen UV Radyasyon Miktarının da O Kadar Çok Arttığını Göstermektedir.

Stratosferin giderek artan sıcaklık yapısı bu tabakada troposferik seviyelerdeki gibi bulutların oluşmasına izin vermez. Stratosferde bulunan bulutlara Kutupsal Stratosferik Bulutlar (PSC: Polar Stratospheric Clouds) adı verilir. Stratosferik seviyelerde bulut mevcuttur fakat bunlar troposferik seviyelerde oluşan bulutlardan farklıdır. Bu bulutlar sıcaklığın çok düşük olmasından dolayı o bölgede bulunan ve su, amonyak, sülfürik asit vb. bileşikleri ile diğer minor gazların donması sonucu oluşan ve genelde de sadece kış aylarında görülen bulutlardır.

Atmosferin 50-85 km arasındaki bölgesini Mezosfer oluşturur. Atmosferin en düşük sıcaklıklı bölgesidir. Mezosferi oluşturan ana gazlar su buharı, karbondioksit, metan ve hidroksil (OH) gazıdır. Ayrıca çok az miktarda ozon gazı da bulunur. Mezosferin en önemli özelliklerinden bir tanesi, daha çok yukarı enlemlerde bu bölgede geceleri görülen ve gece bulutları olarak adlandırılan bulutlardır.

Yaklaşık olarak 100-200 km arasında Termosfer yer alır. Dünya atmosferinin en sıcak bölgesidir. Bu bölgeyi oluşturan hâkim gazlar oksijen atomu ile oksijen molekülüdür.

200 km’nin üzerindeki geçiş bölgesi Termopozdur ve sonunda uzaya karışır. Atmosferin bu kısmında sıcaklık, güneş aktivitelerinin durumuna göre 500-1500° K civarında değişim gösterir. Güneş aktivitelerindeki herhangi bir değişiklik, artış veya azalma, termosfer ve termopozun sıcaklığını değiştirir. Şekil 2.8’de (S:24) bunu görebiliriz

Atmosferik Basıncın Yükseklikle Değişimi

Atmosferik basınç atmosferdeki gazların birim alana uyguladıkları kuvveti ifade eder. Bu kısımda atmosferik basınç matematiksel olarak incenmiş, yükseklikle değişimini irdelenmiştir. Atmosferik basıncın yükseklikle değişimiyle ilgili formüllere kitabın bu bölümünün 25-29 arası sayfalarından bakılabilir.

Eşitlik atmosferik basıncın yükseklik arttıkça exponansiyel olarak azaldığını göstermektedir (S:26, Eşitlik 2.6). Şekil 2.10 (S:26) basıncın yükseklikle değişimini veren bu eşitliğin sonucunu göstermektedir.

Eşitlik 2.6’da (S:26) görülen H sabiti ölçek yüksekliği olarak adlandırılır. Bu yükseklikten sonra basınçtaki değişimler çok küçüktür ve basıncın etkileri ihmal edilebilir.

Ölçek yüksekliği özellikle yukarı atmosferde, 100 km’nin üzerindeki yüksekliklerde, gazların gravitasyonel ayrışmaya başladıkları yüksekliklerde önem arz eder. Şöyle ki; bu yüksekliklerde hangi gazın hangi yüksekliğe kadar hâkim olduğunu ve etkisinin hangi yüksekliğe kadar sürdüğünü gösterir. Bu seviyelerde hareket eden alçak yörüngeli uydular açısından önemli bir parametredir.

Şekil 2.11 (S:28), 100 km’ye kadar sıcaklık ve basıncın yükseklikle değişimini birlikte göstermektedir.

İzotermal bir atmosferde yoğunluk da yükseklik arttıkça eksponansiyel olarak azalmaktadır. Atmosferde 500 Km’ye Kadar Basınç (Soldaki Koyu Renkli Eğri) ve Yoğunluğun (Sağdaki Açık Renkli Eğri) Yükseklikle Değişimi verilmiştir (S:29, Şekil 2.12). Yukarı Doğru Çıkıldıkça Hava Moleküllerinin Sayısı Azaldığından Yoğunluk ve Basınç Azalmaktadır.

Uluslararası Standart Atmosfer (ISA) ve Uluslararası Sivil Havacılık Atmosferi (ICAO)

Standart Atmosfer uluslararası anlaşmalara göre atmosferik değişkenlerin yıl boyunca, orta enlem şartları altındaki düşey dağılımını göz önüne alan kuramsal bir referans atmosfer modelidir. Atmosferik sıcaklık ve basıncın farklı yükseklik seviyelerindeki değerleri için ortak bir referans oluşturmak için ortaya sürülmüştür.

Standart Atmosfer, Uluslararası Standart Atmosfer Organizasyonu (ISA: International Standard Atmosphere) tarafından oluşturulmuştur. En son tanımı “US Standard Atmosphere, 1976” NOAA, NASA ve USAF’ın iş birliği ile hazırlanmıştır. Tablo 2.2, (S:30) 86 km’e kadar ISA Standart Atmosfer modelinde kullanılan ve her biri lineer sıcaklık gradyanı (Lapse Rate) ile tanımlanan 6 tabakayı ve başlangıç koşullarını vermektedir.

Diğer taraftan Uluslararası Sivil Havacılık Organizasyonu (ICAO: International Civil Aviation Organization) ISA ile aynı modeli kullanarak kendi standartlarına göre 32 km’ye kadar sıcaklık ve basınç dağılımı verir. Tablo 2.3’te (S:31) ICAO Standart atmosferinin değerleri verilmektedir.

Havacılık standartları ve uçuş kuralları ISA’a dayanmaktadır. Uçuş hızları, uçuşların, yoğunluğun 1,225 kg/m3 olduğu ortalama deniz seviyesi üzerinde ISA’a uygun olduğu varsayımına göre kalibre edilmektedir.