Bu bölümde:

• Hava Kirliliği

• Biyogeokimyasal Döngüler

• Kuru Birikme

• Yaş Birikme

• Atmosferde Kalma Süresi

• Karakteristik Karışma Zamanı

Atmosferde Biyogeokimyasal Döngüler, Taşınma Süreçleri ve

Atmosferde Kalma Süreleri

Geçen Yüzyılda Yaşanan Önemli Hava Kirliliği Olayları

1960-70ler - Los Angeles – araba kullanımındaki artış ve sanayinin neden olduğu bir çok kirlilik olayları

Hava Kirliliği

• “İnsan faaliyetlerinden kaynaklanan maddelerin normalden yeterince fazla miktarlarda bulunması sonucu insan hayvan bitki ve diğer malzemede ölçülebilir bir etkiye neden olan durum”

Biyogeo-kimyasal Döngü

Atmosfer

ToprakOkyanuslar

Volkanlar

Tatlı ve yer altı suları, göller,

ırmaklar

Kayalar

Atmosfer

ToprakOkyanuslar

Volkanlar

Tatlı ve yer altı suları, göller,

ırmaklar

Kayalar

atmosfer

Döngü Modellemesi: Döngü yaklaşımı kimyasal bütçeleri ve atmosferde kalış sürelerini hesaplamada büyük kolaylık sağlar.

Döngü Terimleri:

AKI: Birim zamanda, birim alanda taşınan madde miktarı

Kaynak: Rezervuara giren akı

Rezervuar: Homojen sayılabilecek

herhangi bir medyum

Alıcı (Havuz) Rezervuardan çıkan akı

Terimler (Devam)• Bütçe: kaynaklar-alıcılar = 0 (Eğer birikme olmuyorsa)• Devir Zamanı: Rezervuar içeriğinin (M) toplam alıcılara

bölünmesi, veya, M’in toplam kaynaklara oranı. Her bir molekülün rezervuarda geçirdikleri ortalama zamanın bir ölçütü.

• Döngü: İki ya da daha fazla rezervuardan oluşan sistem• Biyogeokimyasal Döngü: Yaşamsal Elementlerin

(C,N,P,O,S) atmosfer, okyanus, sedimentler ve yaşayan canlılar gibi rezervuarlardaki döngüsü

• Uzamsal Ölçekler: Çeşitli uzamsal ölçekler seçilebilmekle birlikte daha çok bölgesel ve küresel ölçekler göz önüne alınır

• Zaman Ölçekleri: Bir sezondan daha uzun zaman ölçekleri dikkate alınır, kullanılan nicelikler seçilen dönem için ortalama değerlerdir.

Döngüler

• Modelleme yapılırken atmosferdeki önemli eser elementlerin yaklaşık kararlı halde olduğu varsayılır

• Atmosferdeki konsantrasyonlar kimyasal bütçe ya da döngülerle hesaplanır.

• Döngü modellemesiyle– Akıların büyüklüğü– Rezervuarların büyüklüğü– Atmosferde kalma süreleri elde edilir. Dezavantaj: Rezervuarda ne olduğu, nasıl olduğu,

konumsal dağılım gibi diğer detaylar bilinmez.

Kaynak Çeşitleri

Yüzey Emisyonları

Rezervuar içinde, yerinde oluşma

Stratosferden Giriş

Kaynaklar

Alıcı Havuzlar

• 1. Yaş Birikme (partikül madde* ve gazların yağmur ve karla dönem dönem atmosferden atılması)

• 2.Kuru Birikme (partikül ve gazların karaların ve denizlerin yüzeyine ulaşarak atılması)

• 3.Yerinde Çıkarılma (Atmosferdeki tepkimelerle dönüşümlere uğrayıp çıkarılma)

* Sıvı ya da katı saf su dışındaki herhangi bir madde

Yaş Çıkarılma Süreçleri

• Yaş birikme süreçlerinde havadaki partikül ve gaz maddelerin atmosferden çıkışı farklı şekillerde olabilir. – Yağmur Yağışı– Kar Yağışı– Sis yığılması – Bulut Kesişimi (Bulutun dağın zirvesiyle

temasta olması)

Çözünebilir ve tepkisellik çıkarılma hızını etkiler.

• Yaş Çıkarılma Hızı(vyç) : yıkanma oranıyla (yo) tanımlanır.

• Yıkanma Oranı: türlerin yüzey tabakasındaki yağıştaki derişimlerinin yüzey-tabakasında bulunan havadaki derişimlerine oranıdır.

Yaş Çıkarılma Süreçleri

ooyç yv = yağış şiddeti:

0.5 mm/sa (çiseleyen yağmur için)

25 mm/sa (sağnak yağmur için)

Çözünebilen gazların yaş birikme hızları daha az çözünen gazlara göre daha büyük olur.

Kuru Birikme Süreçleri• Atmosferik türbülans, maddenin kimyasal

özellikleri ve yüzeyin yapısına bağlıdır• Birikme bitki, toprak, okyanus vd.

yüzeylerine olabilir• Gazlar için türün çözünürlüğü ve kimyasal

olarak tepkiselliği (reactivity) yüzeyde kalmayı etkiler.

• Partiküller içinse partikülün boyutu, şekli ve yoğunluğu önemlidir.

R <= 2 m

Difüzyon

R >= 20 m

Yerçekimi

2 < R < 20

Etkili bir mekanizma yok.

F = - vkCa 

vk = F/Ca

1)( yltak rrrv

Kuru Birikme SüreçleriKuru Birikme

Hızı

Yüzeydeki konsantrasyon

Aerodinamik tabaka (türbülent difüzyon, rüzgar hızı, atmosfer

kararlılığı vd.)

Yüzey

Laminar ara tabaka

1

32

ççltaltapk vvrrrrv 1)(Partikül maddeler için kuru birikme hızına

yerçekimi etkisinde yere çökelme hızı (vç) da

dahil edilir.

Paralel bağlanmış elektrik devrelerindeki gibi her tabakadaki direncin toplamının tersi birikme hızını verir.

Küresel Troposfer Kimyasal Modelde Kullanılan Birikme Hızları

Tür Kuru Birikme Hızı (cm/s)

Yaş Birikme Hızı(cm/sa)

O3 0.6 (kara)

0.06 (okyanus)

0.0

NO 0.1 0.0

NO2 0.5 (kara)

0.1 (okyanus)

0.0

HNO3 1.0 2.4

SO2 0.8 0.8

SO4 1.0 5.0

Atmosferde Kalma Süresi

Fgiren Fdışarı giden

EmisyonlarE

ÇıkanlarÇ

M = toplam kütle

ÇEFFdt

dMdıışgidegir

Atmosferde kalma süresi () belli bir molekül ya da atomun bir rezervuarda geçirdiği zaman demektir. Kalma sürelerinin olasılık yoğunluk fonkisyonu (), ()d da kalma süresi ile +d arasında olan moleküllerin oranı olsun, ortalama kalma süresi:

0

)( dkKararlı haldeki bir

rezervuar için devir süresi kalma süresine

eşit olur.

Atmosferde Kalma Süresi

girdıışgide

dıışgidegir

FE

M

FÇ

M

ÇFEFdt

dM

0Fgiren Fdışarı giden

EmisyonlarE

ÇıkanlarÇ

M = toplam kütle

Tüm atmosferi göz önüne aldığımızda ise,

E

M

Ç

M

FF dıışgidegir

0

Örnek• Dünyadaki sülfür içerikli bileşiklerin

konsantrasyonu 1 ppb’dir. (kütlece) . Toplam sülfür kaynaklarının yılda 200x1012 g/yıl olduğu bilindiğine göre sülfür bileşiklerinin atmosferde ortalama kalış süresi ne kadardır?

• Çözüm: Troposferin kütlesi: 4x1021 g

haftax

xx

E

M1

10200

)104)(101(12

219

II. Örnek

M1 T

E1 Ç1

M2

Ç2

1 2

1 nolu Rezervuarda Kalma Süresi:

1

1

1

11 E

M

TÇ

M

T

M

Ç

M 2

2

22

2 nolu Rezervuarda Kalma Süresi:

II. Örnek

M1 T

E1 Ç1

M2

Ç2

1 2

1 nolu Rezervuarda Kalma Süresi:

1

1

1

11 E

M

TÇ

M

T

M

Ç

M 2

2

22

Toplamda Kalma Süresi

121

1

21

21

21

E

T

E

MM

ÇÇ

MM

II. Örnek

M1 T

E1 Ç1

M2

Ç2

1 2

= 1 tüm maddeler 2 nolu rezervuara transfer edilmiş olur.

121

1

21

21

21

E

T

E

MM

ÇÇ

MM

= 0 = 1

Bu tip modeller atmosferik S (kükürt) sistemine uygulanmıştır. (Kitapta, sayfa 655-657). 1 nolu rezervuar SO2, 2 nolu rezervuar ise troposferdeki SO4’u temsil eder.

Atmosferde kalma sürelerinin bilinmesi, belli bir maddenin kaynaktan ne kadar uzağa taşınacağının ölçüsünü verir.

Karakteristik Karışma Süresi (k)

• Belli bir bölgeyi ele aldığımız takdirde (örneğin Kuzey yarımküre), k o maddenin verilen bölgede ne kadar sürede karışacağını verir.

k>İyi karışmamış

k<İyi karışmış

• Karışma süresi yöne göre değişir. Dikey doğrultuda (dikey eddy karışımı ve difüzyon) troposferde hızlı bir karışım (≈1 hafta-1ay )söz konusuyken, yatayda bir türün homojen karışması için gereken süre 1 yıl olabilir.

Dikey Karışım İçin Tipik Karışma Süreleri

0 km

2 km

1 gün“Gezegen Sınır Tabakası”

tropopoz

5 km

(10 km)

1 hafta

1 ay

10 yıl

z

k K

z

2

2 Kz = 105 cm2 s-1

k• SORU: 85Kr için atmosferde kalma süresi:10

yıl Troposferde 85Kr homojen bir şekilde dağılmış mıdır?

SORU: sülfür = birkaç hafta. Troposferde sülfürlü bileşikler iyi karışmış mıdır?

k• SORU: 85Kr için atmosferde kalma süresi:10 yıl

Troposferde 85Kr homojen bir şekilde dağılmış mıdır?

k<İyi karışmış

SORU: sülfür = birkaç hafta. Troposferde sülfürlü bileşikler iyi karışmış mıdır?

k>İyi karışmamış

Notlar• Genellikle bir türün atmosferden çıkma hızı türün

atmosferdeki konsantrasyonuyla doğru orantılıdır. • Kuru ve bulut damlasıyla olan yaş yığılma hızı için bu

durum geçerlidir. (Ne kadar çok bulunuyor, o kadar hızlı çıkarılma hızı)

• 85Kr için atmosferden en önemli çıkış mekanizması radyoaktif bozunmadır.

kkM

M

Ç

M 1 k=radyoaktif

bozunma sabiti.

Kalma süresi madde konsantrasyonunu bilmeyi gerektirmez, sadece bozunma sabitinin bilinmesi

yeterli olur.

Eğer bir madde iki ayrı çıkarılma mekanizmasına sahipse:

21

2121

1

1

)(

kk

kkMkk

M

22

11

1

1

k

k

k1

k2

21

21

21

111

Eğer tek çıkarma süreci k1’li tepkime ise gereken zaman

Eğer tek çıkarma süreci k2’li tepkime ise gereken zaman

Toplam Süre

1>>2 ise, k2 daha etkili bir mekanizma.

=2

ÖZET• i maddesini ele alalım.

iii ÇE

dt

dM

Eiik İnsan kökenli emisyonlar

Eid Doğal emisyonlar

Eik Kimyasal Tepkimeler

Çiky Kuru yığılma

Çiyy Yaş yığılma

Çik Kimyasal Tepkimeler

Çit Stratosfere Taşınma

itkyykykdiki MkkkkEEE

dt

dMiiiiiii)(

0dt

dM i

ki

di

iki

i

ti

yi

yyi

kyi

i

EEE

kkkk

1.2

1.1

Hangisini kullanmalı?