İklim Sistemi Nedir? İklim Sisteminin Bileşenleri ve Değişkenleri Nelerdir?

İklim sistemi, atmosfer, hidrosfer, kriyosfer, litosfer ve biyosferden oluşan beş ana bileşeni ve bu bileşenlerin birbirleriyle etkileşimlerini kapsayan küresel sistemdir.^[1] Dar anlamda iklim ise bu sistemde ölçülen niceliklerin ortalamasının ve değişkenliğinin istatistiksel tanımıdır. İklim elemanları olarak da anılan bu niceliklerin en sık kullanılanları, sıcaklık, yağış ve rüzgar gibi yüzey değişkenleridir. Bu iki tanım, üç temel soruyu da birbirine bağlamaktadır. İklim nedir, iklim elemanları nelerdir ve iklim sistemi hangi bileşenlerden oluşmaktadır? Aslında bu üç soru aynı yapının farklı katlarına aittir. Bileşenler sistemin parçalarıdır. Değişkenler ise bu parçaların etkileşiminden doğan ölçülebilir sonuçlardır ve iklim de bu sonuçların uzun dönemli istatistiğidir. Biz de üç soruyu tek bir çerçevede ele alacak ve değişkenlerin nasıl ölçüldüğünü birkaç çözümlü hesapla göstereceğiz.

İklim ve Hava Durumu Arasındaki Fark Nedir?

Hava durumu, çevremizdeki atmosferin sıcaklık, rüzgar, yağış, bulutlar ve diğer hava elemanlarıyla nitelenen, sürekli dalgalanan halidir.^[2] Bir sabahın serinliği ya da öğleden sonra bastıran bir sağanak bu dalgalanmanın parçalarıdır. İklim de büyük ölçüde aynı elemanlarla ilgilenmektedir. Ancak iklim tek bir anın değerini kaydetmekle yetinmemekte, bu elemanların uzun bir dönemdeki ortalamasını ve bu ortalama çevresindeki dağılımını istatistiksel olarak betimlemektedir. Bu istatistiğin hangi zaman aralığında hesaplanacağı da tanımın bir parçasıdır. İklim değişkenlerinin ortalamasını almak için kullanılan klasik dönem, Dünya Meteoroloji Örgütünün (İng: "World Meteorological Organization") tanımladığı 30 yıldır.^[1] Örneğin bir yerin iklimi anlatılırken tek bir yılın sıcaklığı değil, otuz yıllık bir dönemin ortalaması ve bu ortalamanın çevresindeki dalgalanmalar esas alınmaktadır.

İklim çalışmalarında hangi niceliklerin izlendiği de bellidir. Bunlar ortalama, en yüksek ve en düşük sıcaklık, yer yüzeyine yakın rüzgar, çeşitli biçimleriyle yağış, nem, bulut türü ve miktarı ile Güneş ışınımıdır. Bu listenin hava durumunu nitelendiren elemanlarla büyük ölçüde örtüşmesi tesadüf değildir, çünkü iklim, aynı elemanların uzun dönemli kaydından elde edilmektedir. İklim değişkenliği (İng: "climate variability") ise ortalamanın etrafındaki dalgalanmayı adlandırmakta, yani iklim değişkenlerinin belirli bir ortalama durumdan sapmalarını ifade etmektedir. Söz konusu sapmalar aşırı olayların ortaya çıkışını da kapsamaktadır ve tekil hava olaylarının ötesindeki bütün zaman ve mekan ölçeklerinde ele alınmaktadır. Başka bir deyişle tek bir fırtına hava durumuna aittir. Buna karşılık bir bölgede bazı yılların olağandan çok daha fırtınalı geçmesi, iklim değişkenliğinin konusudur.

Cjp24, CC BY-SA 4.0

İklim Sisteminin Beş Ana Bileşeni Nelerdir?

İklim sisteminin tanımında bileşenlerin kendisi kadar aralarındaki etkileşimler de yer almaktadır. Beş bileşen birbirine kütle, ısı ve momentum akılarıyla bağlıdır. Hiçbir alt sistem kendi içine kapalı değildir. Aksine hepsi açıktır ve birbiriyle ilişkilidir. Dolayısıyla bir bileşende başlayan bir değişim, akılar yoluyla ötekilere de taşınabilir. Bileşenlerin tepki hızları ise birbirinden çok farklıdır. Örneğin atmosfer sistemin en hızlı değişen bölümüdür. Buna karşılık okyanuslar, büyük ısıl ataletleri nedeniyle güçlü sıcaklık değişimlerini yumuşatmaktadır.

Bu akıların her biri farklı bir alışverişi temsil etmektedir. Kütle akısı, maddenin bir bileşenden ötekine geçmesidir. Isı akısı enerjinin bileşenler arasında el değiştirmesini, momentum akısı ise hareketin bir ortamdan ötekine aktarılmasını ifade etmektedir. Örneğin okyanustan buharlaşan su atmosfere kütle taşımakta, bu buharın yoğuştuğu yerde ise gizli ısı çevredeki havaya salınmaktadır.^[4] Aşağıdaki alt başlıklarda her bileşen sırayla ele alınırken bu üç akının nerede devreye girdiği de görünür hale gelmektedir.

Atmosfer: Sistemin En Hızlı Değişen Gaz Örtüsü

Atmosfer, Dünya'yı çevreleyen gaz örtüsüdür ve aynı zamanda iklim sisteminin en kararsız, en hızlı değişen bölümünü oluşturmaktadır. Atmosferin iklimdeki rolü ise içindeki bazı gazların ışınımla etkileşmesinden gelmektedir. Sera gazları, Dünya'nın yaydığı kızılötesi ışınımı soğurmakta ve hem yukarı hem aşağı yönde yeniden kızılötesi ışınım yaymaktadır. Böylece yüzeye yakın sıcaklığı yükseltme eğilimi göstermektedir. Burada söz konusu olan, yüzeyin ısıl kızılötesi ışınım olarak yaydığı enerjidir. Bu süreç, ilerleyen bölümlerde ele alınan doğal sera etkisinin temelidir.

Atmosferde ışınımla etkileşen tek katman yüzeye yakın hava değildir. Daha yukarıda, stratosferde, ozon derişiminin yüksek olduğu doğal bir katman bulunmaktadır ve bu ozon tabakası Güneş'ten gelen morötesi ışınımı soğurmaktadır. Ayrıca atmosferde gazların yanında aerosol (İng: "aerosol") adı verilen katı ve sıvı parçacıklar ile bulutlar da yer almaktadır ve hem aerosoller hem de bulutlar, Dünya'ya gelen ve Dünya'dan giden ışınımla etkileşmektedir. Örneğin büyük volkanik patlamalar, ışığı yansıtan parçacıkları stratosfere kadar taşıyabilir.

Hidrosfer: Su Döngüsü ve Okyanus Akıntıları

Hidrosfer, yer yüzeyindeki ve yer altındaki bütün sıvı suları kapsamaktadır. Akarsulardaki, göllerdeki ve yer altındaki tatlı sular ile okyanus ve denizlerdeki tuzlu sular bu kapsama girmektedir. Toprağın içindeki sıvı su toprak nemi olarak depolanmaktadır ve daha derinde ise su, akifer adı verilen yer altı katmanlarında yer altı suyu olarak tutulmaktadır. Ancak bu depolar durağan değildir. Su döngüsü (İng: "water cycle"), suyun Dünya'da nerede bulunduğunu ve nasıl hareket ettiğini açıklamaktadır. Buna göre su atmosferde, kara yüzeyinde ve yer altında depolanmaktadır ve sıvı, katı ya da gaz halinde bulunabilir. Su, atmosfer ile yüzey arasında buharlaşma ve yağış yoluyla taşınmaktadır. Yüzeyde kar erimesi, yüzey akışı ve akarsu akışıyla hareket etmekte, sızma yoluyla toprağa, yer altı suyu beslenmesiyle de akiferlere girmektedir. Depolar arasındaki bu sürekli hareketi Güneş enerjisi ile yer çekimi sürdürmektedir.

Okyanuslar hidrosferin iklim açısından önemli bir parçasıdır. Büyük miktarda enerji depolayıp taşımakta, ayrıca önemli miktarda karbondioksit çözüp depolamaktadır. Okyanusların asıl düzenleyici etkisi ise ısıl ataletlerinden gelmektedir. Isıl atalet, bir kütlenin sıcaklığının ne kadar yavaş değiştiğini anlatan bir kavramdır. Bu yüzden okyanuslar geniş çaplı ve güçlü sıcaklık değişimlerini yumuşatmakta ve Dünya ikliminin düzenleyicisi olarak işlev görmektedir.

Okyanustaki enerji yerinde kalmamakta, akıntılarla taşınmaktadır. Okyanus akıntısı, suyun bir yerden başka bir yere hareketidir ve bu hareketi rüzgar, suyun yoğunluk farkları ve gelgitler harekete geçirmektedir. Yoğunluk farklarıyla işleyen dolaşıma termohalin dolaşım (İng: "thermohaline circulation") adı verilmektedir ve adındaki "termo" sıcaklığa, "halin" ise tuzluluğa işaret etmektedir. Okyanusun farklı bölümlerindeki sıcaklık ve tuzluluk farkları suyun yoğunluğunu değiştirmekte ve bu dolaşımı işletmektedir. Akıntılar, ekvatordan gelen sıcak suyu ve kutuplardan gelen soğuk suyu Dünya çevresinde taşıyarak iklimi etkilemektedir. Bunun çarpıcı bir örneği Norveç kıyısındadır. Sıcak Körfez Akıntısı (İng: "Gulf Stream"), Norveç'teki Bergen'e, çok daha güneyde yer alan New York'a göre daha ılıman bir kış havası getirmektedir.

Kriyosfer: Yeryüzünün Donmuş Suları ve Yalıtım Etkisi

Kriyosfer, yeryüzündeki donmuş su bileşenlerinin bütününe verilen addır ve bu bileşenler arasında kar örtüsü, buzullar, buz tabakaları, buz sahanlıkları, buzdağları ve deniz buzu bulunmaktadır. Göl ve akarsu buzları, permafrost (kalıcı donmuş zemin) ve mevsimsel olarak donan zemin de kriyosferin parçalarıdır. Yani kriyosfer kutuplardaki dev buz kütlelerinin yanında, kışın donan bir gölün yüzeyini de kapsamaktadır. Ayrıca su döngüsü açısından bakıldığında kriyosfer, suyun katı halde depolandığı yerlerin toplamıdır ve soğurulan Güneş ışığının kar ve buzu eritmesi de bu depoları Dünya'nın enerji bütçesine doğrudan bağlamaktadır.

Kriyosferin iklimdeki rollerinden biri yalıtımdır. Deniz buzu, atmosfer ile okyanus arasındaki alışverişleri sınırlamaktadır. Buzun bu yalıtıcı etkisi, buz eridiğinde neyin değişeceğini anlamak için de önemlidir, çünkü buz çekildiğinde okyanus ile atmosfer arasındaki alışveriş yeniden açılmaktadır. Ayrıca buzun yerini alan açık su, Güneş enerjisini buzdan çok daha fazla soğurmaktadır.

AWeith, CC BY-SA 4.0

Litosfer: Yer Kabuğu ve Toprak Nemi

Litosfer, yer kabuğunu ve mantonun üst katmanını kapsayan, Dünya'nın katı dış bölümüdür.^[3] İklim sistemindeki etkisi ilk bakışta dolaylı görünebilir, oysa kara yüzeyi, hem içinde tuttuğu su hem de dokusu üzerinden atmosferle sürekli etkileşmektedir. Ayrıca çok daha uzun zaman ölçeklerinde levha tektoniği, kıtaların konumunu ve çarpışmalarını değiştirerek iklim zorlamasına katkıda bulunmaktadır ve bu son etki, iklimin neden değiştiğini anlatan bölümde ayrıntılı olarak ele alınmaktadır.

Bu etkileşimin bir yolu toprak nemidir. Toprak neminin buharlaşması enerji gerektirmektedir ve bu nedenle toprak nemi yüzey sıcaklığını güçlü biçimde etkilemektedir. Yani nemli bir toprak, aldığı enerjinin bir kısmını suyu buharlaştırmaya harcamaktadır. İkinci yol dinamiktir. Kara yüzeyinin dokusu, yani pürüzlülüğü, rüzgarlar karanın üzerinden eserken atmosferi dinamik olarak etkilemektedir ve bu pürüzlülüğü hem yer şekilleri hem de bitki örtüsü belirlemektedir. Böylece bir dağ sırası ya da sık bir orman, üzerinden geçen havanın hareketini etkilemektedir. Yüzeydeki bu sürtünmenin rüzgarı yavaşlattığı, rüzgar bölümünde de görülmektedir.^[6]

Biyosfer: Karbon Döngüsü, Evapotranspirasyon ve Yüzey Yansıtıcılığı

Biyosfer, atmosferdeki, karadaki ve okyanuslardaki bütün ekosistemleri ve canlıları kapsayan Dünya sistemi bölümüdür ve bunun karadaki kısmı karasal biyosfer, okyanuslardaki kısmı ise denizel biyosfer olarak adlandırılmaktadır. Canlılar iklimin pasif tanıkları gibi görünebilir, halbuki biyosfer, iklim sistemini en az üç yoldan etkilemektedir. Birinci yol karbondur. Deniz ve kara bitkileri, özellikle de ormanlar, fotosentez yoluyla karbondioksitten önemli miktarda karbon depolamaktadır ve bu nedenle biyosfer karbon döngüsünde merkezi bir rol oynamaktadır. Fotosentezi besleyen enerji de soğurulan Güneş ışığından gelmektedir.

İkinci yol sudur. Biyosfer, evapotranspirasyon (İng: "evapotranspiration") yoluyla atmosfere giren su miktarını etkilemektedir. Evapotranspirasyon, yüzeyden buharlaşma ile bitkilerin terlemesini birlikte adlandıran bir terimdir ve atmosfer ile yüzey arasındaki su akılarından biridir. Üçüncü yol ise ışınımdır. Biyosfer, gökyüzüne geri yansıtılan Güneş ışığının miktarını değiştirerek atmosferin ışınım dengesini etkilemektedir. Bir yüzeyin yansıtıcılığının ölçüsüne albedo (İng: "albedo") denmektedir. Albedo, yüzeye gelen ışığın yansıyan yüzdesiyle ifade edilmektedir ve yüzeyden yüzeye büyük ölçüde değişmektedir.

Enerji Bütçesi ve Doğal Sera Etkisi

Dünya'nın iklimi Güneş enerjisiyle işlemektedir. Soğurulan Güneş ışığı fotosentezi ve buharlaşmayı beslemekte, kar ve buzu eritmekte ve Dünya sistemini ısıtmaktadır. Ne var ki bu enerji yeryüzüne eşit dağılmamaktadır. Dünya küre biçiminde olduğu için Güneş, ekvator çevresini kutuplardan daha çok ısıtmaktadır.

Bu eşitsizlik iklim sistemini sürekli hareket halinde tutmaktadır. Atmosfer ve okyanus, yüzey suyunun buharlaşması, konveksiyon, yağış, rüzgarlar ve okyanus dolaşımı yoluyla Güneş kaynaklı ısınma eşitsizliklerini durmaksızın gidermeye çalışmaktadır. Konveksiyon, ısının akışkanın kendi hareketiyle taşınmasıdır. Okyanus tarafında bu işi akıntılar üstlenmekte, ekvatorun sıcak suyunu ve kutupların soğuk suyunu Dünya çevresinde dolaştırmaktadır. Böylece enerji, ekvatordan kutuplara doğru sürekli taşınmaktadır.^[10]

Evrim Ağacı

Gelen ve Giden Enerji: Işınımsal Denge Nasıl Kurulur?

Dünya'nın sıcaklığının uzun dönemler boyunca kararlı kalabilmesi için gelen enerji ile giden enerjinin eşit olması gerekmektedir ve bu denge durumuna ışınımsal denge (İng: "radiative equilibrium") denmektedir. İklim bilimciler bu yüzden gelen ve giden enerjinin dökümünü bir bütçe gibi tutmaktadır. Örneğin NASA'nın küresel ortalamaya dayalı enerji bütçesinde atmosferin tepesine ulaşan ortalama Güneş enerjisi metrekare başına 340 watttır (340 W/m²). Bu enerjinin %29'u uzaya geri yansıtılmaktadır. Yaklaşık %23'ü atmosferdeki gazlar, toz ve diğer parçacıklar tarafından soğurulmaktadır. Geriye kalan %48 ise yüzeyde soğurulmaktadır.^[4]

Çözümlü örnek 1: Uzaya geri yansıtılan enerji metrekare başına kaç watttır?

Verilenler: Atmosferin tepesine ulaşan ortalama Güneş enerjisi 340 W/m². Bu enerjinin %29'u uzaya yansıtılmakta, %23'ü atmosferde, %48'i ise yüzeyde soğurulmaktadır.

İstenen: Geri yansıtılan enerjinin watt cinsinden değeri ve üç payın toplamı.

1. adım: Yansıtılan pay gelen enerjinin bir yüzdesi olduğu için 340 W/m² bu oranla çarpılmaktadır:

2. adım: Gelen enerjinin tamamının hesaba katılıp katılmadığını görmek için üç pay toplanmaktadır:

Sonuç: Uzaya geri yansıtılan enerji metrekare başına yaklaşık 99 watta karşılık gelmektedir. Üç payın toplamı %100 olduğu için gelen enerjinin tamamı bu üç kalemde hesaba katılmaktadır.

Yüzeyin soğurduğu enerji orada birikip kalmamakta, buharlaşma, konveksiyon ve ısıl kızılötesi enerjinin yayımı olmak üzere üç süreçle yüzeyden ayrılmaktadır. Buharlaşmanın enerji taşıması dolaylı bir yoldan gerçekleşmektedir. Gizli ısı, suyun hal değiştirirken sıcaklığını değiştirmeden aldığı ya da verdiği enerjiye verilen addır. Su buharı molekülleri yeniden yağmur damlalarına yoğuştuğunda, bu gizli ısı çevredeki atmosfere salınmaktadır ve böylece yüzeyde buharlaşan su, enerjiyi atmosfere taşımaktadır.

Bu sayıları kesin değerler olarak okumamak gerekmektedir, çünkü Dünya sistemindeki enerji akılarının kesin değerlerini belirlemek, iklim araştırmalarının halen süren bir alanıdır. Nitekim farklı tahminler bulunmaktadır ve bütün tahminler bir miktar belirsizlik içermektedir. Dolayısıyla %29 ya da %48 gibi oranlar, enerjinin nereye gittiğini gösteren yaklaşık bir küresel ortalama olarak değerlendirilmelidir.

Fourier'den Arrhenius'a Sera Etkisi

Atmosferdeki gazların yer yüzeyinin sıcaklığını etkileyip etkilemediği sorusu yeni değildir. İsveçli kimyager Svante Arrhenius, Nisan 1896'da yayımlanan makalesinde bu soruyu açıkça sormuştur:

Yerin ortalama sıcaklığı, atmosferde ısı soğuran gazların varlığından herhangi bir şekilde etkilenmekte midir?^[16]

Bu sorunun kökü daha eski bir görüşe uzanmaktadır. Arrhenius, atmosferin bir seranın camı gibi davrandığı düşüncesini Joseph Fourier'ye atfetmektedir.^[16] Bu görüşe göre atmosfer, Güneş'in ışık ışınlarını geçirmekte, yerden yükselen karanlık ışınları ise tutmaktadır. Benzetme, atmosferin gelen ve giden ışınıma farklı davrandığını iyi yakalamaktadır, ancak bugünkü açıklama camın resmine değil, sera gazlarının kızılötesi ışınımı soğurup yeniden yaymasına dayanmaktadır. Arrhenius'un makalesi de bu tartışmanın tarihsel birincil kaynaklarından biridir.

Doğal sera etkisi, Dünya'nın ortalama yüzey sıcaklığını yaklaşık 15 °C düzeyine çıkarmaktadır ve bu değer, atmosferi olmayan bir Dünya'da beklenecek sıcaklıktan 30 dereceden fazla yüksektir. Başka bir deyişle sera etkisi olmasaydı ortalama yüzey sıcaklığı suyun donma noktasının çok altında, −15 °C'nin de aşağısında kalacaktı. Bu etkinin işleyişi enerji bütçesindeki ısıl akılarla sayısal olarak da izlenebilir, çünkü NASA'nın bütçesinde bu akılar, gelen Güneş enerjisine oranla yüzde olarak ifade edilmektedir. Yukarı yönlü ısıl akı, gelen Güneş enerjisinin %117'sine ulaşmaktadır. Sera gazları kızılötesi ışınımı yukarı ve aşağı yönde yeniden yaymakta, bu da yüzeye yakın sıcaklığı yükseltmektedir.^[2] Net akının hesabı aşağıda adım adım verilmektedir.

Çözümlü örnek 2: Net yukarı yönlü ısıl akı ne kadardır?

Verilenler: Yukarı yönlü ısıl akı gelen Güneş enerjisinin %117'si, aşağı yönlü ısıl akı ise %100'ü.

İstenen: Net yukarı yönlü ısıl akının gelen Güneş enerjisine oranı.

1. adım: Net akı iki yöndeki akının farkı olduğu için aşağı yönlü akı yukarı yönlü akıdan çıkarılmaktadır:

Sonuç: Net yukarı yönlü ısıl akı, gelen Güneş ışığının %17'sine eşittir.

Evrim Ağacı

İklim Değişkenleri Nelerdir ve Nasıl Ölçülür?

Küresel enerji bütçesi ve bileşenler arasındaki akılar, yerel ölçekte ölçülebilir sayılara dönüşmektedir. Örneğin bir şehrin termometresi, bir barometre ya da bir yağışölçer, ışınımsal dengenin ve bu akıların bir noktadaki izini kaydetmektedir. Aşağıda sıcaklık, basınç, rüzgar, nem ve yağış sırayla ele alınmaktadır.

Her değişken için iki soru sormak gerekmektedir ve bunların birincisi değişkenin neden bir yerden ötekine farklılaştığı, ikincisi ise nasıl ölçüldüğüdür. Ölçüm sorusu önemsiz bir ayrıntı değildir. Çünkü tek bir yağışölçer sadece bulunduğu küçük noktadaki yağışı ölçmektedir.^[8] Benzer biçimde hava basıncında istasyonun yükseltisi okunan değeri doğrudan etkilemektedir.^[5]

Hava Sıcaklığı ve Adveksiyon

Bir yerin ortalama yüzey hava sıcaklığını konuma bağlı olarak belirleyen başlıca üç etken vardır ve bunlar enlem, büyük su kütlelerine yakınlık ve yükseltidir. Enlemin etkisi, Güneş'in ekvatoru kutuplardan daha çok ısıtmasının doğrudan sonucudur. Diğer koşullar eşitken bir yerin enlemi büyüdükçe ortalama sıcaklığı düşmekte, yaz ile kış arasındaki sıcaklık farkı ise artmaktadır. Büyük su kütleleri ise sıcaklığın mevsimlik salınımını törpülemektedir. Suyun yüksek ısı kapasitesi nedeniyle bu kütlelerin yakınındaki yerlerde mevsimlik sıcaklık değişimleri daha küçük olma eğilimindedir. Dolayısıyla bu yerlerde kışlar daha ılıman, yazlar daha serin geçebilir. Örneğin yaklaşık aynı enlemdeki iki Amerikan şehri bu farkı açıkça göstermektedir. San Francisco'da en yüksek sıcaklıkların ortalamasının yıl içindeki değişimi, St. Louis'dekinden daha küçüktür ve aradaki farkı Pasifik Okyanusu'nun ılımanlaştırıcı etkisi yaratmaktadır.

Yükselti arttıkça sıcaklık genellikle düşmektedir. Atmosferin yaklaşık en alt 10 kilometresinde ortalama çevresel sıcaklık azalma hızı kilometre başına 6,5 °C'dir. Ancak bu hız zamandan zamana ve yerden yere değişmektedir. Hatta bazı durumlarda sıcaklık yükseltiyle birlikte artmaktadır. Sıcaklık terselmesi (İng: "temperature inversion") adı verilen bu durum, sıcaklığın her koşulda yükseltiyle azalacağı genellemesinin sınırını göstermektedir. Bunun yanı sıra yerel koşullar da sıcaklığı değiştirmektedir. Diğer koşullar eşitken bulutlar gündüzü açık havaya göre serinletmekte, geceyi ise daha sıcak tutmaktadır ve bu yüzden bulutlu koşullarda günlük sıcaklık aralığı, yani en yüksek ve en düşük sıcaklık arasındaki fark, küçülmektedir. Kentleşme de bir başka yerel etkendir. Kentlerin çevrelerindeki banliyö ve kırsal alanlardan daha sıcak olma eğilimine kentsel ısı adası etkisi (İng: "urban heat-island effect") denmektedir.

Bu etkinin çarpıcı bir örneği 5 Ağustos 2015 sabahı Philadelphia'da kaydedilmiştir. Şehir merkezinde ve havaalanında sıcaklık 76 °F iken banliyölerde sıcaklıklar 50'li ve 60'lı Fahrenhayt derecelerinde kalmıştır. Celsius'a çevrildiğinde bu değerler merkez için yaklaşık 24 °C, banliyöler için ise yaklaşık 10 ile 21 °C arasına karşılık gelmektedir. Elbette bu tür karşılaştırmaların güvenilirliği ölçüm koşullarına bağlıdır. Sıcaklık termometreyle ölçülmektedir ve hava sıcaklığının doğru ölçülmesi için termometre doğrudan Güneş ışığına maruz bırakılmamalıdır.

Sıcaklığı değiştiren bir başka süreç, soğuk ya da sıcak havanın rüzgarla yatay yönde taşınmasıdır. Meteorologlar bu sürece sıcaklık adveksiyonu (İng: "temperature advection") adını vermektedir. Adveksiyon saat başına bir sıcaklık değişimi olarak verildiğinde basit bir hesap yapılabilir. Bu durumda toplam değişim, saatlik adveksiyonun geçen saat sayısıyla çarpılmasıyla bulunmakta ve başlangıç sıcaklığına eklenmektedir.

Çözümlü örnek 3: Soğuk hava taşınımında iki saat sonraki sıcaklık kaçtır?

Verilenler: Başlangıç sıcaklığı 45 °F, sıcaklık adveksiyonu saatte −3 °F, süre ise 2 saattir. Rüzgar soğuk hava taşıdığı için adveksiyonun işareti eksidir.

İstenen: İki saat sonraki sıcaklık.

1. adım: Toplam değişim saatlik adveksiyon ile saat sayısının çarpımı olduğu için iki değer çarpılmaktadır:

2. adım: Bu değişim başlangıç sıcaklığına eklenmektedir:

Sonuç: Başka bir etken yoksa iki saat sonraki sıcaklık 39 °F, yani yaklaşık 4 °C'dir.^[13]

Çözümlü örnek 4: Sıcak hava taşınımında dört saat sonraki sıcaklık kaçtır?

Verilenler: Başlangıç sıcaklığı 60 °F, sıcaklık adveksiyonu saatte +2 °F, süre ise 4 saattir. Rüzgar sıcak hava taşıdığı için işaret artıdır.

İstenen: Dört saat sonraki sıcaklık.

1. adım: Toplam değişim yine saatlik adveksiyon ile saat sayısının çarpımıdır:

2. adım: Bu değişim başlangıç sıcaklığına eklenmektedir:

Sonuç: Başka bir etken yoksa dört saat sonraki sıcaklık 68 °F, yani yaklaşık 20 °C'dir.

Evrim Ağacı

İki hesapta da gizli bir varsayım bulunmaktadır. Sıcaklığı sadece adveksiyonun kontrol ettiği kabul edilmiştir, oysa gerçekte bir yerdeki sıcaklık değişimini enerji bütçesi gibi pek çok etken birlikte belirlemektedir. Bu nedenle hesaplanan değerler, adveksiyonun tek başına yaratacağı değişimin ölçüsüdür ve gerçek sıcaklık bundan sapabilir.

Hava Basıncı ve Rüzgar

Atmosferdeki atom ve moleküller bir yüzeye çarptıklarında bu yüzeye bir kuvvet uygulamaktadır ve birim alana düşen bu kuvvet, hava basıncı olarak gözlenmektedir. Basıncın bilimsel birimi paskaldır (Pa). Bir hektopaskal (hPa), 100 Pa'ya ve 1 milibara eşittir. Deniz seviyesindeki standart hava basıncı hem milibar hem de hektopaskal cinsinden 1.013,25'tir.

Çözümlü örnek 5: Standart hava basıncı kaç paskaldır?

Verilenler: Deniz seviyesindeki standart hava basıncı 1.013,25 hPa ve 1 hPa 100 Pa'ya eşittir.

İstenen: Aynı basıncın paskal cinsinden değeri.

1. adım: Bir hektopaskal 100 paskal ettiği için değer bu dönüşüm çarpanıyla çarpılmaktadır:

Sonuç: Deniz seviyesindeki standart hava basıncı 101.325 Pa etmektedir.

Yükselti arttıkça havadaki molekül sayısı ve dolayısıyla havanın yoğunluğu azalmaktadır. Bu nedenle hava basıncı da yükseltiyle birlikte düşmektedir. Ancak bu durum, farklı yükseltilerdeki istasyonları karşılaştırmayı zorlaştırmaktadır ve çözüm olarak her istasyonun basınç okuması, ölçüm aracı deniz seviyesinde olsaydı gözlenecek değere dönüştürülmektedir. Böylece bir dağ istasyonu ile bir kıyı istasyonu aynı ölçek üzerinde karşılaştırılabilir.

Rüzgar, hareket halindeki havadır. Meteorolojide rüzgardan söz edilirken çoğunlukla bu hareketin yatay hızı ve yönü kastedilmektedir. Burada önemli bir ayrıntı vardır. Rüzgarın yönü, havanın gittiği yeri değil, geldiği yeri belirtmektedir. Örneğin saatte 24 kilometre hızla esen bir batı rüzgarı, havanın bu hızla batıdan geldiği anlamına gelmektedir.^[6] Yön rüzgar gülüyle, hız ise anemometreyle ölçülmektedir.

Havayı harekete geçiren kuvvetlerin başında basınç gradyanı kuvveti gelmektedir. Gradyan, basıncın mesafe boyunca ne kadar değiştiğini anlatan bir terimdir. Bu kuvvet basınç farklarını gidermeye çalışmakta ve havayı yüksek basınçtan alçak basınca doğru itmektedir. Fakat hareket eden hava düz bir çizgi izlememektedir, çünkü Dünya'nın dönüşünden kaynaklanan Coriolis etkisi, hareket eden cisimleri Kuzey Yarım Küre'de sağa, Güney Yarım Küre'de sola saptırmaktadır. Üçüncü etken sürtünmedir. Yer yüzeyi pürüzlüdür ve bu pürüzlülük rüzgarı yavaşlatmaktadır.

Ruth Hartnup from Vancouver, Canada, CC BY 2.0

Basınç merkezleri dikey hareketlerle de ilişkilidir. Alçak basınç çevresinde bir araya gelen hava gidecek başka bir yer bulamadığı için yükselmeye zorlanmaktadır. Yükselen hava soğudukça görünmez su buharı yoğuşmakta, önce bulut, ardından yağış oluşabilir. Buna karşılık yüksek basınç çevresinde hava alçalmakta ve alçalan hava ısınmaktadır. Bulutlar bu koşullarda buharlaşma eğiliminde olduğundan yüksek basınç çoğu zaman açık havayla ilişkilendirilmektedir.

Nem, Yoğuşma ve Çiy Noktası

Nem, havadaki su buharının bir ölçüsüdür.^[7] Bu ölçü iki farklı biçimde ifade edilebilir. Mutlak nem, havadaki gerçek su buharı miktarıdır. Bağıl nem ise havadaki su buharını, havanın mevcut sıcaklığında bulunabilecek en yüksek su buharı miktarıyla karşılaştırmaktadır ve yüzde olarak yazılmaktadır. İki ölçü farklı sonuçlar verebilir, çünkü mutlak nem aynı kaldığında soğuk havanın bağıl nemi daha yüksek, sıcak havanın bağıl nemi daha düşük olmaktadır. Dolayısıyla bağıl nem yüzdesi tek başına havadaki su buharı miktarını anlatmaya yetmemektedir. Çiy noktası ise ayrı bir ölçüdür. Çiy noktası, su buharının sıvı damlacıklara dönüşeceği sıcaklıktır ve bu dönüşüme yoğuşma denmektedir. Bu sıcaklık her zaman gerçek hava sıcaklığına eşit ya da ondan düşüktür.

Bir karşılaştırma bu noktayı somutlaştırmaktadır. Sıcaklığın 80 °F (yaklaşık 27 °C) ve bağıl nemin %50 olduğu bir gün, sıcaklığın 30 °F (yaklaşık −1 °C) ve bağıl nemin %100 olduğu bir günden çok daha nemli hissettirmektedir. Bu nedenle bağıl nemin yüzde değeri, hissedilen nemi tek başına açıklamaya yetmemektedir. Öte yandan nem yağışa da doğrudan bağlıdır. Yağmur oluşumunda küçük damlacıklar çarpışıp birleşerek daha büyük damlalar oluşturabilir ve bu sürece çarpışma-birleşme (İng: "collision-coalescence") adı verilmektedir. Damlacıkların doğduğu bulutun kendisi de nemle ilgilidir. Soğuyan havanın bağıl nemi yükselmekte ve %100'e ulaştığında bulut oluşmaktadır.^[12]

Yağış: Orografik Etki, Yağışölçer Matematiği ve Radar Gözlemleri

Yağışın coğrafi dağılımını yer şekilleri güçlü biçimde etkilemektedir ve bu etkinin temelinde basit bir fizik ilkesi vardır. Yükselen hava, basınç azaldığı için genleşmekte ve soğumaktadır. Orografik etki (İng: "orographic effect"), hava kütleleri yüksek yer şekillerini aşmaya zorlandığında ortaya çıkmaktadır ve dağın üzerinde yükselen hava soğumakta, içindeki su buharı da yoğuşmaktadır. Bu nedenle dağların rüzgara bakan yamaçlarında yağışın yoğunlaşması ve fırtınaların izlediği yönde yükseltiyle birlikte artması yaygındır. Dağı aşan hava ise rüzgar altındaki yamaçta alçalıp ısınmaktadır ve ısınan havanın bağıl nemi azalmaktadır. Yağış gölgesi adı verilen bu alanlar çoğu zaman çöldür.

Yükselen havanın ne kadar hızlı soğuduğu, yoğuşmanın başlayıp başlamadığına bağlıdır. Adyabatik sözcüğü, havanın çevresiyle ısı alışverişi yapmadan sadece genleşme nedeniyle soğuduğunu anlatmaktadır. Yoğuşmanın henüz başlamadığı yükseltilerde kuru adyabatik soğuma hızı 100 metrede yaklaşık 1 °C'dir. Hava doyup yoğuşma başladığında açığa çıkan gizli ısı soğumayı kısmen dengelemektedir ve bu yüzden doymuş havanın yükseltiyle soğuma hızı azalmaktadır. Nemli adyabatik soğuma hızı adı verilen bu yavaş soğuma için 100 metrede yaklaşık 0,6 °C değeri kullanılmaktadır.

Batı Kuzey Amerika'dan bir örnek bu adımları bir arada göstermektedir. Deniz üzerindeki hava yaklaşık 23 °C sıcaklık ve yaklaşık %80 bağıl nemle yola çıkmaktadır ve California Kıyı Sıradağları (İng: "California Coast Range") üzerine tırmandığında yaklaşık 17 °C'ye soğumaktadır. Bu noktada bağıl nemi %100'e ulaşmakta, bulutlar oluşmakta ve yağmur yağmaktadır. İki soğuma hızı arasındaki fark önemlidir, çünkü tek bir hız bütün yükseltiye uygulandığında sonuç sapmaktadır. Aşağıdaki girdi açıklama amacıyla kurgulanmıştır, soğuma hızları ise yukarıdaki değerlerdir.

Çözümlü örnek 6: Dağ yamacında 3.000 metreye yükselen havanın sıcaklığı kaçtır?

Verilenler: Deniz seviyesinde 20 °C sıcaklıktaki hava bir dağ yamacı boyunca 3.000 metreye yükselmektedir. Yoğuşma 2.000 metrede başlamaktadır.

İstenen: Havanın 3.000 metredeki sıcaklığı.

1. adım: 0 ile 2.000 metre arasında hava doymamış olduğu için soğuma 100 metrede 1 °C hızla hesaplanmaktadır:

2. adım: 2.000 metredeki sıcaklık, başlangıç sıcaklığından bu soğuma çıkarılarak bulunmaktadır:

3. adım: 2.000 ile 3.000 metre arasında hava doymuş olduğu için soğuma 100 metrede yaklaşık 0,6 °C hızla hesaplanmaktadır:

4. adım: 3.000 metredeki sıcaklık, 2.000 metredeki sıcaklıktan bu soğuma çıkarılarak bulunmaktadır:

Sonuç: Havanın 3.000 metredeki sıcaklığı yaklaşık −6 °C'dir. Kuru hız bütün yükseltiye uygulansaydı sıcaklık −10 °C bulunacaktı. Bu değer 4 derece daha soğuktur ve hatalıdır.

Yağışın kendisi ise yerde yağışölçerle ölçülmektedir. Yağışölçerde toplanan suyun seviyesi okunarak, örneğin 24 saatlik bir gün boyunca ne kadar yağış düştüğü belirlenmektedir. Sonuç, inç ya da milimetre cinsinden bir su yüksekliği olarak verilmektedir. Yağış neden litre gibi bir hacim birimiyle değil de bir yükseklikle ifade edilmektedir? Yanıt, kabın boyutundan bağımsız kalan niceliktedir. Dikdörtgen bir kapta biriken suyun hacmi uzunluk × genişlik × su yüksekliği çarpımıyla bulunmaktadır. Söz gelimi aynı yağışın altındaki bir havuz ile bir yağışölçer farklı hacimlerde su toplamaktadır, fakat iki kapta da suyun yükseldiği yükseklik aynıdır.

Çözümlü örnek 7: Havuzda ve yağışölçerde kaç litre su birikir?

Verilenler: Aynı yağmurun altında 5 metreye 4 metrelik bir havuz ile 10 santimetreye 10 santimetrelik bir yağışölçer durmaktadır. Yağmur bittiğinde iki kapta da su 10 milimetre (0,01 metre) yükselmiştir.

İstenen: İki kaptaki su hacmi ve yağışın bildirilme biçimi.

1. adım: Dikdörtgen bir kapta hacim uzunluk, genişlik ve su yüksekliğinin çarpımı olduğu için havuzun hacmi şöyle bulunmaktadır:

2. adım: Aynı hesap, kenarları 0,1 metre olan yağışölçere uygulanmaktadır:

Sonuç: Hacimler arasında 2.000 kat fark vardır, oysa su yüksekliği iki kapta da 10 milimetredir. Bu nedenle yağış miktarı 10 milimetre olarak bildirilmektedir.

Yağışölçerin bir sınırı da bulunmaktadır. Tek bir ölçer küçük bir noktada veri toplamaktadır ve bu veri geniş bir alanı temsil etmek için kullanılmaktadır, oysa yağış başka yerlerde daha şiddetli olabilir ya da fırtına ölçerin bulunduğu noktaya hiç uğramayabilir. Yer tabanlı radarlar da yağışı incelemektedir. Bu araçlar bir radar sinyali göndermekte ve yağış parçacıklarına çarpıp geri dönen sinyali kullanmaktadır.

İklim Sistemi Neden Değişir?

İklim sistemi zaman içinde değişmektedir ve bu değişimin iki ayrı kaynağı bulunmaktadır. Birincisi sistemin kendi iç dinamikleridir, yani iklim, dışarıdan bir etki gelmese bile bileşenlerinin kendi aralarındaki etkileşimler yüzünden dalgalanabilir. İkincisi ise sistemin dışından gelen ve dış zorlama (İng: "external forcing") adı verilen etkilerdir ve bu ikinci grubun başlıcaları aşağıda ayrıca sıralanmaktadır.

İki kaynağın zaman ölçekleri de çok farklı olabilir. Örneğin El Niño ve La Niña ortalama iki ila yedi yılda bir ortaya çıkmaktadır.^[11] Levha tektoniğinin iklime etkisi ise on milyonlarca ila yüz milyonlarca yıllık ölçeklere yayılmaktadır.^[14] Dolayısıyla bir iklim değişiminin nedenini ararken önce hangi zaman ölçeğine bakıldığını belirlemek gerekmektedir.

Evrim Ağacı

İç Dinamikler: El Niño ve La Niña Salınımları

El Niño ve La Niña, Pasifik Okyanusu'nda ortaya çıkan ve dünya genelinde hava koşullarını etkileyebilen iklim örüntüleridir. İkisini anlamak için önce olağan koşullara bakmak gerekmektedir. Olağan Pasifik koşullarında alize rüzgarları (İng: "trade winds") ekvator boyunca batıya esmekte ve sıcak suyu Güney Amerika'dan Asya'ya doğru taşımaktadır. Taşınan sıcak suyun yerini derinlerden yükselen soğuk su almaktadır ve bu sürece yükselim (İng: "upwelling") denmektedir.

El Niño sırasında alizeler zayıflamakta ve sıcak su doğuya, Amerika kıtalarının batı kıyısına doğru geri itilmektedir. La Niña ise bunun tersidir. Alizeler olağandan da güçlü esmekte ve daha fazla sıcak suyu Asya'ya doğru itmektedir. Bu sırada Amerika'nın batı kıyısı açıklarında yükselim artmakta, yüzeye soğuk ve besince zengin su çıkmaktadır. Bu olaylar ortalama iki ila yedi yılda bir yaşanmaktadır, ancak düzenli bir takvime uymamaktadır.

Dış Zorlamalar, Geri Besleme Döngüleri ve İklim Projeksiyonları

İklimi dışarıdan etkileyen zorlamalar farklı kaynaklardan gelmektedir. Başlıcaları aşağıda sıralanmaktadır.

• Büyük volkanik patlamalar, ışığı yansıtan parçacıkları stratosfere kadar taşıyarak doğal bir iklim zorlaması oluşturabilir.
• Güneş'in kendisindeki değişimler, iklim sistemini dışarıdan etkileyen zorlamalar arasında sayılmaktadır.
• Dünya'nın yörüngesine bağlı değişimlerden doğan yörüngesel zorlama da dış zorlamalardandır.
• İnsan etkinliklerinden kaynaklanan zorlamalar da iklim sistemini değiştiren dış etkenler arasındadır.
• Levha hareketleri, kıtaların konumunu ve çarpışmalarını değiştirerek iklim zorlamasına katkıda bulunmaktadır.

Levha tektoniğinin etkisine somut bir örnek Antarktika çevresinden gelmektedir. Güney Amerika ile Antarktika'nın levha hareketleriyle birbirinden ayrılması Drake Geçidi'nin açılmasına yol açmıştır ve bu açılım Antarktika Çevresel Akıntısı'nın gelişmesini sağlamış, Antarktika'yı da daha sıcak sulardan yalıtmıştır. Böylece levha hareketleri, bir okyanus akıntısı üzerinden Antarktika'nın daha sıcak sulardan yalıtılmasına yol açmıştır.

Bir zorlamanın yarattığı ilk değişim, sistemin kendi tepkileriyle büyüyebilir ya da küçülebilir ve bu tepkilere geri besleme denmektedir. Pozitif geri besleme başlangıçtaki değişimi güçlendirmekte, negatif geri besleme ise bastırmaktadır. Pozitif geri beslemenin açık bir örneği deniz buzunda görülmektedir. Deniz buzu eridiğinde etkilenen alanın albedosu yaklaşık %80'den %10'un altına düşebilir.^[14] Ortaya çıkan açık su, daha önce yerinde duran buzdan çok daha fazla Güneş enerjisi soğurmakta ve bu nedenle sıcaklık artışı büyümektedir.

Permafrost da benzer bir döngüye girebilir. Donmuş zemin, içinde hapsolmuş organik madde barındırmaktadır. Zemin çözüldüğünde bu madde ayrışarak karbondioksit (CO₂) ve metan (CH₄) açığa çıkarmaktadır ve her iki gaz da atmosferde birikerek ısınma etkisine katkıda bulunmaktadır. Bitki örtüsünün etkisi ise iki yönlüdür. Bitkiler büyüdükçe atmosferden daha fazla CO₂ almakta ve bu durum negatif bir geri besleme oluşturabilir. Öte yandan daha gürbüz büyüyen ormanlar koyulaşmakta, albedoları düşmekte ve daha fazla ısı soğurmaktadır.

Bu kadar çok bileşeni ve geri beslemeyi birlikte temsil etmek için iklim modelleri kullanılmaktadır. İklim modeli, iklim sisteminin bileşenlerinin fiziksel, kimyasal ve biyolojik özelliklerine, etkileşimlerine ve geri besleme süreçlerine dayanan nitel ya da nicel bir temsildir. İklim projeksiyonu ise sistemin, gelecekteki sera gazı ve aerosol salımlarına ya da derişimlerine ve arazi kullanımındaki değişikliklere ilişkin bir senaryoya verdiği benzetilmiş yanıttır. Dolayısıyla bir projeksiyonun sonucu, varsayılan senaryonun gerçekleşmesi koşuluna bağlı kalmaktadır. Değişimin sonuçlarından biri su döngüsünde görülmektedir, çünkü iklim değişikliği suyun miktarını ve zamanlamasını etkilemektedir. Örneğin yağış düzenleri değişmektedir. Sel ve kuraklık gibi aşırı hava olaylarının sıklığı, şiddeti ve süresi de değişmektedir.

İklim Sistemi Hakkında Sık Karşılaşılan Yanılgılar

Yaygın yanılgılardan biri, küresel ısınmayı ozon deliğine bağlamaktır.^[15] Ozonun azalması, yüzeye gerçekten daha fazla morötesi ışık ulaşmasına izin vermektedir. Ancak bu durum Dünya'daki sıcaklık artışının önemli bir nedeni değildir. Ozon tabakasının morötesi ışınımı soğurması ile sera gazlarının kızılötesi ışınımı soğurup yeniden yayması iki ayrı süreçtir. Yani iki olgu aynı atmosferde yaşansa da farklı ışınım türleriyle ilgilidir.

İkinci yanılgı karbondioksitin atmosferdeki payıyla ilgilidir. Atmosferin küçük bir yüzdesini oluşturan bir gazın iklimi etkileyemeyeceği düşüncesi yaygındır. Oysa sera gazlarının ısıyı tutma biçimi, atmosferdeki payları görece küçük olsa da toplamda büyük bir etki yaratmaktadır. Dolayısıyla küçük bir pay, büyük bir etkiyi dışlamamaktadır.

Üçüncü yanılgı hava durumu ile iklim arasındaki ayrımın gözden kaçmasından doğmaktadır. Örneğin olağan dışı soğuk bir kış ya da kavurucu bir yaz, iklim değişikliği lehinde ya da aleyhinde kanıt olarak sunulmaktadır. Ancak tek bir hava olayı, iklim değişikliğinin gerçekleştiğini kanıtlamaya yetmemektedir. Yine de aşırı olaylar iklim açısından önemsiz değildir, çünkü bu olayların uzun dönemli sıklığındaki değişim, iklim değişkenliğinin kapsamına girmektedir. Bu ayrım, yazının başında yapılan hava durumu ve iklim tanımlarının doğrudan bir sonucudur.

Evrim Ağacı

Sonuç

Kısacası atmosfer, hidrosfer, kriyosfer, litosfer ve biyosfer, kütle, ısı ve momentum akılarıyla birbirine bağlanarak iklim sistemi adını verdiğimiz küresel ağı oluşturmaktadır. Bir termometrede okunan sıcaklık, bir yağışölçerde biriken birkaç milimetre su ya da bir rüzgar gülünün gösterdiği yön, bu ağın yerel izleridir. İklim ise bu izlerin, klasik olarak otuz yıllık bir dönemdeki ortalaması ve değişkenliğidir.

Bu kavrayışın asıl değeri geleceğe bakarken ortaya çıkmaktadır, çünkü iklim projeksiyonları, bileşenlerin özelliklerini, etkileşimlerini ve geri beslemelerini temsil eden modellere dayanmaktadır. Dolayısıyla projeksiyonlar, bileşenlerin ve geri beslemelerin ne kadar iyi temsil edildiğine dayanmaktadır. Örneğin bir model deniz buzu ile albedo arasındaki bağı ya da permafrostun karbon salımını eksik temsil ederse, değişimin büyüklüğünü de eksik hesaplayabilir.

Bu durum, yağış düzenlerinin değiştiği ve sel ile kuraklıkların sıklığının, şiddetinin ve süresinin değiştiği bir dönemde özel bir önem taşımaktadır.^[9] Yine de hiçbir projeksiyon kesin bir kehanet değildir, çünkü her biri bir salım senaryosuna verilen benzetilmiş bir yanıttır. Hangi senaryonun gerçekleşeceği ise gelecekteki salımlara bağlıdır.