Not Defteri
Vural Altın
Atmosfer ve İklim
Önce, Dünya'yı durduralım. Sonra atmosfe­riyle birlikte alıp, içinde eser miktarlarda hidro­jen ve helyum barındıran bir boşluğa koyalım. Etrafında, Güneş veya benzeri ışıyan bir gök cis­mi bulunmasın. Bu durumda boşluk, evrenin or­talama 2,73 K civarındaki sıcaklığında olacağın­dan, halbuki yerkürenin içi çok daha sıcak ve hatta radyoaktivite kaynaklı ısı üretiyor olduğun­dan, Dünya hızla soğumaya başlar...
Katı kabuğunun dış yüzeyi, temasa geldiği ha­va moleküllerine kinetik enerji aktarmakta, ile­tim ('kondüksiyon') yoluyla soğumaktadır. Isınan moleküller, havanın genleşmesiyle birlikte yükse­lir ve kazandıkları kinetik enerjiyi üst katmanla­ra iletirler. Yerkabuğu ayrıca, her sıcak cisim gi­bi ışımakta, 'radyasyon' yoluyla da soğumakta­dır. Işıdığı fotonlardan bazıları, atmosferdeki mo­lekül ya da atomlar tarafından soğurulur. Bunun sonucunda ya da birbirleriyle çarpışmaları sıra­sında, bazen bazı atomlar iyonlaşırken, bazen de molekül bağlarından bazıları kırılmaktadır. Diğer yandan, iyonların bir araya gelip nötr atomlara, atomların bağ kurup tekrar moleküllere vücut verdiği de olur. Bu birleşmeler sırasında açığa çı­kan enerji, çoğunlukla ışıma şeklindedir. Dolayı­sıyla, atmosferde; foton soğurmaları eşliğinde atom iyonlaşmaları ve molekül parçalanmaları, birleşmeler sonucunda tekrar foton ışımaları, her birim hacim içerisinde trilyonlarcasıyla sürüp git­mekte, fakat atmosferden çıkan fotonlar geri dönmemektedir. Sonuçta soğumayı sağlayan da zaten, boşluğa sızan bu fotonlardır.
Atmosferdeki nem yoğuşmaya ve okyanuslar­la göller, suyun özgün cilvesi gereği üstten alta doğru donmaya başlar. Zaman geçtikçe, atmos­ferdeki diğer gazlar (sırasıyla karbondioksit, me­tan, oksijen, nitrojen) önce sıvılaşıp, sonra do­nar. İç ısı azaldıkça, litosfer kalınlaşmakta, yer­kabuğu plakaları birbirine kaynamaktadır. Tek­tonik hareketler azalırken, deprem etkinlikleri son bulur. Dış çekirdek katılaştığında, yerin manyetik alanı yok olmuştur. Bu arada hayat da çoktan... Sonunda geriye, en dışta helyum gazı ve biraz hidrojenle, altta kaskatı bir küre kalır. Karanlığın ortasında...
Şimdi Güneş'i alıp, dünyanın karşısına koya­lım. Dünya hâlâ durağan. "Ama bu nasıl olur, kütleçekimi nedeniyle Güneş'in içine düşmez mi?" derseniz, haklısınız. Diyelim, uygun kütlele­re sahip birkaç karadelik alıp, uygun yörüngele­re yerleştirdik. Öyle ki; Dünya ile Güneş, bu ka-radeliklerin uyguladığı kütleçekimi kuvvetlerinin toplamının sıfır olduğu noktalardan ('Lagrange noktaları') ikisinde duruyor ve birbirine bakıyor olsunlar. Bu durumda; Dünya'nın 'ön' yarısı hep aydınlık, arkası hep karanlıktır. Aydınlıkla ka­ranlığın buluşma hattına, ki bu, merkezden ge­çen bir 'büyük daire' oluşturur; 'solar termina­tor' denir...
Paralel gelen ışın Açıyla gelen ışın
Dik gelen ışın
Açıyla gelen ışın Paralel gelen ışın
Sağ elimizin parmaklarını Güneş'in yörünge ha­reketi doğrultusunda kıvırdıktan sonra başpar­mağımızı dikleştirdiğimizde, bu parmağın işaret ettiği yöne kuzey, ona zıt yöne de güney diyelim. Yani öyle ki, kuzeyden aşağıya doğru bakıldığın­da, Güneş Dünya'nın etrafında saatin tersi yön­de dolaşıyor olsun. Dünyanın kutup eksenine dik olan en büyük dairesi ekvator, bunu İçeren düz­lem de ekvator düzlemi... Ekvator düzlemi bu hayali durumda, Güneş'in yörünge düzlemiyle çakışmaktadır vs. Neyse...
Dünya ısınmaya başlamıştır. Atmosfer bile­şenleri zamanla, önceki durumun tersi sırayla; önce sıvılaşıp, sonra gaz haline geçer. Ancak, ısınma her yerde aynı değildir. Yukarıdaki şekil­de görüldüğü gibi; aydınlık yarının göbeğine (A) düşen ışınlar yüzeye dik gelmekte, halbuki ter-minatöre ulaşanlar yere paralel seyretmektedir. Arka yarıysa, hiç ışın almaz. Dolayısıyla, birim alan başına soğurma miktarı; A noktasında en fazlayken, bu noktadan uzaklaştıkça azalıp ter-minatörde sıfıra yaklaşır. Isınmadaki bu farklı­lık, oluşmakta olan atmosferde sıcaklık gradi-yentlerine; bu da, termodinamiğin ikinci yasası gereği "her nerede gradiyent, orada hareket" ol­duğuna göre; hava hareketlerine yol açar. Şöyle ki; A noktasında ısınıp genleşen hava yükselir ve giderek büyüyen dairesel cepheler halinde, üst katmanlarda yayılır. Karşılaştığı havayı ısıtırken, kendisi soğumaktadır. Terminatöre doğru yol al­dıkça, soğuyup ağırlaşır ve yerçekiminin etkisiy­le bir yerlerde, dairesel bir cephe halinde dibe dalar. Geride A noktasındaysa, bir alçak basınç merkezi oluşmuştur. Komşu yüzey bölgelerin, görece soğuk olan basıncı yüksek havası, bu noktaya doğru akmaya başlar. Dolayısıyla, üst katmanlarda; A noktasından dışarıya doğru yayı­lırken soğuyan görece sıcak bir hava akımı ya­şanmakta, yere yakın yüzeydeyse; yukarıdaki so­ğuk havanın dibe daldığı dairenin çevresinden başlayarak, A noktasına doğru süzülürken ısı­nan, görece soğuk bir hava hareketi yer almak­tadır. Döngü kapanmıştır ve bir 'konveksiyon hücresi'nin oluştuğu söylenir. Hücre zamanla ge-nişleyip, terminatörü geçer ve arka yüzeyin en soğuk noktası olan B'ye kadar ulaşır. Hücre akı­mı sayesinde, arka yüz de ısınmaktadır.
Hal böyleyken, şimdi de tutup Güneş'i, Dün-ya'yı merkez alan dairesel bir yörünge üzerinde dolaştırmaya başlayalım, Kütleçekiminin l/r2 ni­teliği nedeniyle, hareket düzlemsel olacak ve yö­rünge düzlemi Dünya'nın merkezinden geçecek­tir. Yeryüzündeki herhangi bir nokta için, Güneş artık doğup batmakta olduğundan ve hem de bu­nu, ufkun hep aynı noktasında belirip hep aynı noktasında kaybolarak yaptığından, şimdi artık bir 'doğu' ile 'batı' yönleri vardır. Dolayısıyla, bir de 'kuzey' ve 'güney' yönleriyle kutupları olacaktır. "Hangisi kuzey, hangisi güney?..."
Bu durumda, zaman üzerinden ortalama ola­rak, herhangi bir enlemdeki noktaların hepsi ay­nı miktarda ışın soğurmakta ve soğurma mikta­rı, ekvatorda en fazla olup, kutuplara doğru azalmaktadır. Ekvatorda ısınıp genleşen hava yükselip, üst katmanların üzerinden kutuplara doğru akacak ve yüksek enlemlerin birinde yete­rince soğuyarak dibe dalacaktır. Ekvator civarın­daki yeryüzeyinde bıraktığı alçak basınç şeri-diyse; kuzey ve güney komşu enlemlerden ge­len, görece soğuk ve yoğun havanın, yüzeysel akımına uğrar. Kısacası, yukarıdaki şekilde gö­rüldüğü gibi, kuzey ve güney yarımkürelerde, birbirinin ayna simetriği birer konveksiyon hüc­resi oluşmuştur.
Eğer bu arada, "Güneş'i Dünya etrafında na­sıl dolaştırırız" dediyseniz, haklı olarak; bu soru­nun yanıtı için, başlangıçta kullandığımız ka-radeliklerin özelliklerini listeleyen bir belgeyle birlikte, iyi bir 'yörünge mühendisi'ne başvur­mak lazım. Ama hadi ondan vazgeçelim ve Gü­neş'i (yaklaşık) sabit tutup, Dünya'yı onun etra­fında dolaştıralım. Bu durumda, karadelikleri de kaldırıp atabiliriz. Peki, bir önceki durumdaki kuzey ve güney yönlerinin hâlâ geçerli olması için, Dünya'yı yörüngesinde hangi yönde dolaştı­racağız? Demin kuzeyden bakıldığında Güneş Dünya'nın etrafında saatin tersi yönde dolaştığı­na göre, şimdi de Dünya'nın, aynı kuzeyden ba­kıldığında, Güneş etrafında yine saatin tersi yön­de dolaşması gerekir; ki, kuzeyle güneyi belirle­mekte kullanmış olduğumuz sağ el kuralı geçer­liliğini korusun. Peki, yörünge periyodu ne ol­sun? Bildiğimiz yıl... Gece gündüz? Dünya kendi
BİLİM ve TEKNİK 92 Eylül 2005
Not Defteri
etrafında dönmüyorsa eğer, yani günün uzunlu­ğu sonsuzsa: 6 ay gece olur, 6 ay da gündüz. Gece-gündüz döngüsü bir yıl sürer: fazla uzun. Döndürelim, yılda bir tur: O zaman, günü bir yıl olur. Hem de şöyle: Dünya bu sefer, Güneş'e hep aynı yüzünü gösterir, ya da arkasını. Ay'ın bize yaptığı gibi: Hoş değil. İlginç ama: Güneş'in etrafında yılda bir tur atan Dünya'nın; spini yok­sa, günü sonsuz, gece-gündüz döngüsü bir yıl... Bir yıl periyotlu bir spini varsa; o zaman da gü­nü bir yıl, gece-gündüz döngüsü sonsuz. Birinci­sinde gece-gündüz döngüsü var, ikincisinde yok. O halde bu ikincisi, yani Güneş'e hep aynı yüzü göstereni; atmosfer hareketleri açısından; en başta irdelediğimiz, durağan Dünya'nın karşısın­da durağan Güneş incelemesine eşdeğer. Yani, aynı durumu karadelik kullanmaksızın elde et­menin bir yolu. Neyse: Gece-gündüz?...
En iyisi; bildiğimiz mevcut duruma benzer şe­kilde, Dünya Güneş'in etrafında yılda bir kez do­lanıyor, kendi etrafında da yılda 365 küsur kez dönüyor olsun. Dönme hangi eksen etrafında? Bir önceki durumdaki doğu ve batı yönlerinin hâlâ geçerli olması için, Dünya'nın kuzey-güney ekseni etrafında dönüyor olması lazım. Hem de; sağ elin başparmağı kuzey yönüne doğru dikleş-tirilmişken, diğer parmaklarının işaret ettiği yön­de dönmesi... Yani batıdan doğuya doğru; ki Gü­neş doğudan doğup batıdan batsın. Yani kuzey­den bakıldığında, Dünya saatin tersi yönde dön­meli, yörüngesinde dolaştığı gibi. Raslantı bu ya; her iki hareket için de, kuzey yönü'yle ilintili ola­rak, sağ el kuralı geçerli. Böyle olmayabilirdi ta­bii ve Dünya, kuzeyden bakıldığında, Güneş'in etrafında saatin tersi yönde dolanırken, kendi et­rafında saat yönünde dönüyor olabilirdi; veya tersi. O zaman; Güneş şimdiki batıdan doğup, şimdiki doğudan batardı. Ama o durumda da biz, doğuyla batıyı tersine tanımlamış olurduk herhalde: Yüzümüzü kuzeye çevirdiğimizde sol kolumuzun işaret ettiği yöne, batı yerine doğu, sağ kolumuzun işaret ettiği yöne de, doğu yeri­ne batı demiş olurduk. Neyse, dönelim atmosfer hareketlerine...
Dikkat edilecek olursa, Dünya için betimle­mekte olduğumuz bu hareket düzeninde; spin ekseni, Güneşin etrafındaki yörüngesinin, 'ek-liptik' de denilen düzlemine dik. Halbuki aslında eğik... Dolayısıyla, gerçek durumla arada bir fark var ve bu yüzden, incelediğimiz durumda mevsimler oluşamayacak. E, o zaman bir önceki incelediğimiz; Güneş'in durağan bir Dünya'nın etrafında dolaştığı durumla bunun arasında ne fark var? Ekvator yine en fazla ısınacak ve gen-leşip yükselen hava kutuplara doğru akıp arada dibe dalarken, ekvatorda kalan alçak basınç merkezi, komşu enlemlerden gelen yüzey akıntı­larının hücumuna uğrayacak?... Bir önceki şekil­de gördüğümüz konveksiyon hücrelerinin aynısı mı oluşur? Hayır: Çünkü, bu yeni durumda spin var ve spinin, serbest uçan cisimler üzerinde et­ki ettirdiği, yani hava hareketlerini etkileyen sa­nal bir 'Coriolis kuvveti...' Ne menem şey o?
Biz yerde sabit dururken, Dünya ile birlikte dönüyor olduğumuza göre, atmosferde serbest
uçuş halindeki havanın hareketinin bize nasıl gö­ründüğünü anlayabilmemiz için; bizim gibi yere çakılı olup, Dünya ile birlikte dönen bir koordi­nat sistemine başvurmamız gerekir. Başlangıcı Dünya'nın merkezinde, z ekseni kuzey yönünde olsun. Sistem bu eksen etrafında, Dünya'nın sa­bit açısal hızıyla (w) dönmektedir. Yeryüzündeki herhangi bir konumdan (r) baktığımızda, bize göre sabit bir hızla (v) hareket etmekte olan bir cisim veya molekül, gerçekte sahip olduğu yer­çekimi ivmesine ek olarak, yine bize göre, haya­li iki ivme bileşenine daha sahipmiş gibi görü­nür. Bunlardan birincisi, hayli tanışık olduğumuz ve bulunduğumuz enlemin düzleminde yatıyor olup dönme ekseninden dışarıya doğru bakan merkezkaç ivmesi (wxrxw), diğeri ise pek tanı­şık olmadığımız Coriolis ivmesidir (vxw). Bu ikinci bileşenin kaynağına atfedilen hayali kuvve­te 'Coriolis kuvveti' denir. Coriolis kuvveti nede­niyle, bize göre v hızıyla serbest hareket halin­deki her cisim, v'nin işaret ettiği rotadan sapar; kuzey yarımkürede sağa, güneyde sola... Bunu görebilmek için; yeryüzünün çeşitli noktalarında durduğumuzu varsayarak, değişik yönlerde v hızları alıp, vxw'nin o noktadaki yeryüzüne teğet olan bileşenlerine bakmak yeterlidir. Şimdi bu verilerin ışığında, hızlı bir özet: Yarımkürelerde-ki akımlar birbirinin ayna simetriği olduğundan, sadece kuzey yarımküre için...
ci konveksiyon hücresinin (Hadley hücresi) ka­panmasını sağlayacaktır. Kuzeye yönelen yüzey akımıysa, yine kuzeye doğru yoluna devam et­mekte olan üst katmandaki akımla birlikte, ikin­ci bir hücre oluşturur. Bu ikinci hücre, 60° en­lemi civarında, daha soğuk olan kuzey cephesiy­le buluşur. Hücreler arasındaki sıcaklık farkları, yükseklerde Jet Stream gibi hava akımlarını oluşturur. Yüksek ya da yüzeysel, tüm hava akımları, Coriolis kuvvetinin etkisiyle hep, rota­larından sağa doğru sapmaktadırlar. Dolayısıyla, sıcak yüzey rüzgarlarından, kuzeye doğru esen­ler sağa, yani doğuya; güneye doğru esenlerse, yine sağa, yani batıya doğru saparak, sırasıyla; kuzeydoğu ve güneybatı rüzgarlarını oluşturur. 30° enlemi civarında dalan ve 'tropik altı' ('sub-tropik) yüksek basınç kuşağını oluşturan hava­nın, haftalar boyunca hız kazanamadığı olur. Es­ki İspanyol denizci-fetihçiler bu durumu bildikle­rinden, sözkonusu enleme 'At Dönencesi' derlerdi. Çünkü buralarda rüzgarsız yakalandık­larında, rüzgarın tekrar ne zaman eseceğini kes-tiremediklerinden ve gemideki suyu paylaşmak istemediklerinden, atlarını denize dökerlerdi. Ayrıca, sıkışırken ısınan havadaki nem oranı gö­rece azaldığından, bu enlem kuşağı pek fazla ya­ğış almaz. Nitekim, Sahra gibi büyük çöller bu enlem civarına denk gelmektedir. Öte yandan, kuzey yarımküredeki herhangi bir yüksek basınç merkezinden (antisiklon) dışarıya doğru dağılan hava, merkezden uzaklaşırken hep sağa doğru saparak, saat yönünde ıraksayan bir anafor oluş­turur. Tersine, bir alçak basınç merkezine (sik­lon) doğru akan havaysa, merkeze doğru yakla­şırken, keza hep sağa doğru sapmakta ve saat yönünde yakınsayan bir anafora yol açmaktadır. Tıpkı, kuzey yarımkürede boşalmakta olan bir la­vabodaki suyun, delikten aşağı giderken oluştur­duğu anafordaki gibi. En güçlü anaforlar, Corio­lis ivmesinin tümüyle yere paralel olduğu kutup­ta, kutuplarda yer alır.
Ekvatorda ısınan hava yükselip, kuzey kutbu­na doğru yönelir. Soğuyup ağırlaşmakta, yerçe­kiminin etkisiyle alçalmaktadır. Öte yandan, boy­lamlar birbirine yaklaştığından sıkışır ve 30° en­lemi civarında, kısmen dalıp, kısmen de yoluna devam eder. Dalan kısım yere çarptığında, iki kısma ayrılır. Güneye yönelen kütle, ekvator ci­varındaki alçak basınç şeridine akacak ve birin-
Yüzeysel hava akımları tabii, topografyanın sunduğu girinti ve çıkıntılardan, sürtünme kuv­vetlerinden ve okyanuslarla karaların sıcaklıkları arasındaki farklardan da etkilenirler. Diğer yan­dan, okyanus sularını kendi doğrultularında ha­rekete zorlarlar. Örneğin Gulf Stream. Bir de spin ekseninin, aslında yörünge düzlemine dik olmayıp, 23,5° eğik olmasından kaynaklanan mevsimler var. Bunlar, İşleri biraz daha karma-şıkiaştırıyor.
Bunlar altatmosferde yer alan bazı fiziksel olaylar. Ama iklimin belirlenmesinde kimyasal olayların da rolü var...
Yakınsama                                         Iraksama
Kuzey yarımkürede anaforlar
Eylül 2005 93 BİLİM ve TEKNİK