Dünya'nın Sıcaklığı
Atmosfer olmasaydı, Dünya'da tıpkı Ay'da olduğu gibi gece ve gündüz arasında büyük sıcaklık dalgalanmaları olurdu. Gündüz sıcaklıkları normalin yüzlerce santigrat derece üzerinde, gece sıcaklıkları ise normalin yüzlerce derece altında olurdu. Ay'ın fazla bir atmosferi olmadığı için gündüz sıcaklıkları yaklaşık 106°C (224℉), gece sıcaklıkları ise yaklaşık -183°C (-298℉) civarındadır. Bu, Ay'ın aydınlık tarafı ile karanlık tarafı arasında şaşırtıcı bir 272°C (522°F) derece aralığıdır. Bu bölümde Dünya'nın atmosferinin Dünya'nın sıcaklığını düzenlemede nasıl rol oynadığı anlatılmaktadır.
Atmosferin Bileşimi
Atmosferin bileşimi, gezegenin sıcaklığının düzenlenmesinde kilit bir bileşendir. Atmosferin yüzde 78'i azot (N2), yüzde 21'i oksijen (O2), yüzde biri argon (Ar) ve yüzde birden daha azı da diğer gazlar olan eser bileşenlerdir. Eser bileşenler arasında karbondioksit (CO2), su buharı (H2O), neon, helyum ve metan bulunur. Su buharı, çoğunlukla bölgeye bağlı olarak oldukça değişkendir ve atmosferin yaklaşık yüzde birini oluşturur. Eser bileşen gazlar, bitkinin ısınması ve soğumasından sorumlu gazlar olan birkaç önemli sera gazını içerir. Jeolojik ölçekte, CO2'yi tortulara gömen volkanlar ve ayrışma süreci atmosferin CO2 kaynaklarıdır. Biyolojik süreçler atmosfere hem CO2 ekler hem de atmosferden CO2 çıkarır.
Sera gazları ısıyı atmosferde hapseder ve Dünya'dan yayılan uzun dalgalı kızılötesi radyasyonun bir kısmını emerek gezegeni ısıtır, böylece ısının uzaya kaybolmasını önler. Atmosferdeki daha fazla sera gazı daha fazla uzun dalga ısısını emer ve gezegeni daha sıcak hale getirir. Sera gazlarının kısa dalgalı gelen güneş radyasyonu üzerinde çok az etkisi vardır.
En yaygın sera gazları su buharı (H2O), karbondioksit (CO2), metan (CH4) ve azot oksittir (N2O). Su buharı en bol bulunan sera gazıdır, ancak atmosferik bolluğu zaman içinde çok fazla değişmez. Karbondioksit su buharından çok daha az bulunur, ancak fosil yakıtların yakılması, arazi kullanımı değişiklikleri ve ormansızlaşma gibi insan faaliyetleri nedeniyle atmosfere karbondioksit eklenmektedir. Ayrıca, volkanik patlamalar gibi doğal süreçler karbondioksit ekler, ancak insan kaynaklı katkılara kıyasla önemsiz bir orandadır.
Karbondioksitin en önemli sera gazı olmasının iki önemli nedeni vardır. Birincisi, karbondioksit atmosferde kalır ve yüzlerce yıl boyunca yok olmaz. İkincisi, ilave karbondioksitin çoğu "fosil" kaynaklıdır, yani fosil yakıtların yakılmasıyla açığa çıkar. Örneğin, kömür ve petrol fosil yakıtlardır. Kömür ve petrol, milyonlarca yıl önce fotosentez yoluyla yaratılan ve toprakta depolanan uzun süre önce ölmüş bitki materyalinden yapılır. Fotosentez güneş ışığını ve karbondioksiti alır ve bitkilerin maddelerini oluşturur. Bu dönüşüm milyonlarca yıl boyunca yavaş bir süreç olarak gerçekleşir ve fosil karbon kayalarda ve tortularda birikir. Dolayısıyla, kömür ve petrolü yaktığımızda, depolanmış güneş enerjisini ve ilk etapta birikmesi milyonlarca yıl süren fosil karbondioksiti anında serbest bırakıyoruz. Salınım hızı, mevcut iklim değişikliğini anlamak için kritik öneme sahiptir.
Karbon Döngüsü
Küresel iklim değişikliğini anlamak için kritik olan, karbon döngüsünü ve Dünya'nın kendi karbon dengeleme sisteminin insan kaynaklı faaliyetler nedeniyle nasıl hızla dengeden çıktığını anlamaktır. Dünya iki önemli karbon döngüsüne sahiptir: biyolojik ve jeolojik. Biyolojik döngüde, canlı organizmalar -çoğunlukla bitkiler- fotosentez yoluyla dokularını ve maddelerini oluşturmak için atmosferden karbondioksit tüketirler. Daha sonra, organizmalar öldükten sonra ve yıllar ya da on yıllar içinde çürüdüklerinde, bu karbon atmosfere geri salınır. Fotosentez için genel denklem aşağıda verilmiştir.
CO2 + H2O + gün ışığı → şekerler + O2
Jeolojik karbon döngüsünde, biyolojik döngü karbonunun bir kısmı jeolojik karbon döngüsünün bir parçası haline gelir: bitki materyalleri kömür ve petrole, küçük parçalar ve moleküller organik açıdan zengin şeyle ve karbonat taşıyan kalkerli kabuklar ve deniz organizmalarının diğer parçaları kireçtaşına dönüşür. Bu tür malzemeler gömülür ve kömür ve diğer tortul malzemelerin yavaş jeolojik oluşumunun bir parçası haline gelir. Bu döngü aslında Dünya'daki karbonun çoğunu içerir ve çok yavaş işler.
Aşağıdakiler jeolojik karbon döngüsü depolama rezervuarlarıdır:
- Bitkilerden elde edilen organik madde turba, kömür ve donmuş toprakta binlerce ila milyonlarca yıl boyunca depolanır.
- Silikat-mineral ayrışması atmosferik karbondioksiti çözünmüş bikarbonata dönüştürür ve bu da binlerce ila on binlerce yıl boyunca okyanuslarda depolanır.
- Deniz organizmaları çözünmüş bikarbonatı on ila yüz milyonlarca yıl boyunca karbonat kayalarında depolanan kalsit formlarına dönüştürür.
- Karbon bileşikleri on ila yüz milyonlarca yıl boyunca doğrudan tortularda depolanır; bazıları petrol yataklarında son bulur.
- Karbon içeren çökeltiler, karbonun on milyonlarca ila milyarlarca yıl boyunca depolanabileceği mantoya dalma yoluyla aktarılır.
- Dünya'nın içindeki karbondioksit, volkanik patlamalar sırasında atmosfere geri salınır ve burada yıllarca veya on yıllarca depolanır.
Dünya tarihinin büyük bir bölümünde jeolojik karbon döngüsü, karbonun diğer süreçler tarafından depolanmasıyla yaklaşık aynı oranda karbon salan volkanlarla dengelenmiştir. Bu koşullar altında, Dünya'nın iklimi nispeten istikrarlı kalmıştır. Ancak, Dünya tarihinde bu dengenin bozulduğu zamanlar olmuştur. Bu durum, ortalamanın üzerinde volkanik faaliyetlerin uzun süre devam ettiği zamanlarda meydana gelebilir. Bunun bir örneği, yaklaşık 250 milyon yıl önce meydana gelen ve birkaç milyon yıl boyunca iklimin güçlü bir şekilde ısınmasına katkıda bulunan Sibirya Kapanı patlamasıdır.
Karbon dengesizliği aynı zamanda önemli dağ oluşumu olaylarıyla da ilişkilidir. Örneğin, Himalaya Sıradağları yaklaşık 40 milyon yıldır oluşuyor ve bu süre zarfında -ve bugün hala- Dünya'daki ayrışma oranı artmıştır çünkü bu dağlar çok büyüktür ve sıradağlar o kadar geniştir ki ayrışmanın gerçekleştiği daha büyük bir yüzey alanı sunarlar. Bu kayaların ayrışması - en önemlisi feldispatın hidrolizi - atmosferik karbondioksitin tüketilmesine ve karbonun okyanuslara ve okyanus tabanındaki karbonat bakımından zengin tortulara aktarılmasına neden olmuştur. Pliyosen-Pleistosen buzullaşmalarına katkıda bulunan karbondioksit seviyelerindeki son 40 milyon yıldaki istikrarlı düşüş, kısmen Himalaya Sıradağları'nın oluşumuna bağlanabilir.
Karbon döngüsü dengesizliğinin jeolojik olmayan bir başka biçimi bugün çok hızlı bir zaman ölçeğinde gerçekleşmektedir. Sadece birkaç on yıl içinde insanlar, son birkaç yüz milyon yıl boyunca kayalarda depolanmış olan kömür, petrol ve gaz gibi fosil yakıtları çıkarmış ve bu yakıtları enerji ve karbondioksite dönüştürmüştür. Bunu yaparak, iklimi geçmişte hiç olmadığı kadar hızlı değiştiriyoruz. Unutmayın, karbondioksit atmosferde kalır ve yüzlerce yıl boyunca yok olmaz. Atmosferde ne kadar fazla sera gazı olursa, o kadar fazla ısı hapsolur ve gezegen o kadar ısınır.
Sera Etkisi
Küresel sıcaklığımızın artmasının nedeni sera etkisidir, ancak bu etkinin ne olduğunu ve nasıl meydana geldiğini anlamak önemlidir. Sera etkisi, atmosferde sera gazları bulunduğu için ortaya çıkar. Sera etkisi adını, sıcak bir yaz gününde bir serayı ya da arabayı ısıtan benzer bir süreçten alır. Güneş ışığı seranın ya da arabanın camından geçerek içeriye ulaşır ve ısıya dönüşür. Isı yukarı doğru yayılır ve cam pencereler tarafından hapsedilir. Dünya için sera etkisi üç adımda açıklanabilir.
Adım 1: Güneşten gelen solar radyasyon çoğunlukla ultraviyole (UV), görünür ışık ve kızılötesi (IR) radyasyondan oluşur. Güneş radyasyonunun bileşenleri, ultraviyole ışık gibi görünür ışıktan daha kısa dalga boyuna sahip kısımları ve IR ve diğerleri gibi daha uzun dalga boylarına sahip spektrum kısımlarını içerir. Radyasyonun bir kısmı atmosferik gazlar tarafından emilir, saçılır veya yansıtılır, ancak güneş radyasyonunun yaklaşık yarısı sonunda Dünya yüzeyine ulaşır.
Adım 2: Yüzeye ulaşan görünür, UV ve IR radyasyon ısı enerjisine dönüşür. Çoğu öğrenci güneş ışığının kaldırım, veranda veya güverte gibi bir yüzeyi ısıttığını deneyimlemiştir. Bu gerçekleştiğinde, daha sıcak olan yüzey bir tür IR radyasyonu olan termal radyasyon yayar. Yani, görünür, UV ve IR'den sadece termal IR'ye bir dönüşüm vardır. Bu termal IR, ısı olarak deneyimlediğimiz şeydir. Eğer bir ateşten ya da sıcak bir ocaktan yayılan ısıyı hissettiyseniz, termal IR'yi deneyimlemişsiniz demektir.
Adım 3: Termal IR dünya yüzeyinden atmosfere geri yayılır. Ancak UV, görünür veya normal IR yerine termal IR olduğu için, bu termal IR sera gazları tarafından hapsedilir. Başka bir deyişle, güneş enerjisi Dünya'yı girdiğinden farklı bir dalga boyunda terk eder, bu nedenle güneş enerjisi alt atmosferde enerji gelirken değil, enerji dışarı çıkarken emilir. Dünya üzerindeki bu enerji engellemesinden en çok sorumlu olan gazlar karbondioksit, su buharı, metan ve azot oksittir. Atmosferdeki daha fazla sera gazı, daha fazla termal IR'nin hapsedilmesine neden olur. Ulusal Bilimler Akademisi'nin sera etkisi üzerine interaktif bir animasyonuna giden bu harici bağlantıyı inceleyin.
Dünya'nın Enerji Bütçesi
Dünya'ya ulaşan güneş radyasyonu zaman içinde nispeten eşittir. Dünya ısınır ve enerji ya da ısı Dünya yüzeyinden ve alt atmosferden uzaya geri yayılır. Bu gelen ve giden enerji akışı Dünya'nın enerji bütçesidir. Dünya'nın sıcaklığının uzun süreler boyunca sabit kalabilmesi için, gelen enerji ile giden enerjinin ortalama olarak eşit olması gerekir, böylece atmosferin üst kısmındaki enerji bütçesi dengelenir. Atmosferin tepesine gelen güneş enerjisinin yaklaşık yüzde 29'u bulutlar, atmosferik partiküller veya deniz buzu ve kar gibi yansıtıcı yer yüzeyleri tarafından uzaya geri yansıtılır. Gelen güneş enerjisinin yaklaşık yüzde 23'ü atmosferde su buharı, toz ve ozon tarafından emilir. Geri kalan yüzde 48'i atmosferden geçer ve yüzeyde emilir. Böylece, gelen toplam güneş enerjisinin yaklaşık yüzde 71'i Dünya sistemi tarafından emilir.
Bu enerji Dünya'ya ulaştığında, atmosferi ve yüzeyi oluşturan atomlar ve moleküller enerjiyi emer ve Dünya'nın sıcaklığı artar. Eğer bu malzeme sadece enerjiyi emseydi, Dünya'nın sıcaklığı artmaya devam edecek ve sonunda aşırı ısınacaktı. Örneğin, tıkanmış bir lavabonun musluğunu sürekli olarak çalıştırırsanız, su seviyesi yükselir ve sonunda taşar. Ancak, sıcaklık sonsuza kadar yükselmez çünkü Dünya sadece güneş ışığını emmez; aynı zamanda termal enerjiyi veya ısıyı atmosfere geri yayar. Dünya'nın sıcaklığı artarsa, gezegen uzaya artan miktarda ısı yayar ve bu, Dünya'nın sürekli olarak ısınmasını önleyen birincil mekanizmadır.
Yüzeyden yayılan termal kızılötesi ısının bir kısmı, atmosferdeki sera gazları tarafından emilir ve hapsedilir; bu gazlar Dünya üzerinde dev bir gölgelik gibi hareket eder. Atmosferde ne kadar çok sera gazı varsa, Dünya o kadar çok dışarı çıkan ısıyı tutar ve uzaya o kadar az termal kızılötesi ısı yayılır.
Dünya'nın enerji bütçesini etkileyebilecek faktörler sera gazlarıyla sınırlı değildir. Artan güneş enerjisi Dünya'nın aldığı enerjiyi artırabilir. Ancak bu artışlar zaman içinde çok küçüktür. Buna ek olarak, güneş ışığını atmosfere geri yansıtacak daha az buz ve kar olduğunda kara ve su daha fazla güneş ışığı emecektir. Örneğin, Kuzey Buz Denizi'ni kaplayan buz, güneş ışığını atmosfere geri yansıtır; bu yansıtma özelliğine albedo denir. Ayrıca, yanan kömür, dizel motorlar ve volkanik patlamalardan kaynaklanan aerosoller (toz parçacıkları) gelen güneş radyasyonunu yansıtabilir ve aslında gezegeni soğutabilir. Antropojenik aerosollerin iklim sistemi üzerindeki etkisi zayıfken, insan üretimi sera gazlarının etkisi zayıf değildir. Dolayısıyla, insan faaliyetlerinin net etkisi, fosil yakıt yanmasıyla ilişkili daha fazla insan kaynaklı sera gazı nedeniyle ısınmadır.
Gezegeni değiştiren bir etki, orijinal etkiyi güçlendiren veya bastıran geri besleme mekanizmalarını tetikleyebilir. Pozitif geri besleme mekanizması, bir sürecin çıktısı ya da etkisi orijinal uyarıcı ya da nedeni güçlendirdiğinde ortaya çıkar. Böylece süregelen etkiyi arttırır. Örneğin, Kuzey Kutbu'ndaki deniz buzunun kaybı, o bölgeyi daha az yansıtıcı hale getirerek albedoyu azaltır. Bu durum, bir zamanlar deniz buzuyla kaplı olan bir bölgede yüzey havasının ve okyanusun daha fazla enerji emmesini sağlar. Bir başka örnek de permafrostun erimesidir. Permafrost, çoğunlukla Kuzey Yarımküre'de, yüksek enlemlerde bulunan kalıcı olarak donmuş topraktır. İklim ısındıkça, daha fazla donmuş toprak çözülür ve kalın organik madde birikintileri oksijene maruz kalır ve çürümeye başlar. Bu oksidasyon süreci karbondioksit ve metan açığa çıkarır, bu da daha fazla ısınmaya neden olur, bu da daha fazla permafrostu eritir ve bu böyle devam eder.
Negatif bir geri besleme mekanizması, çıktı veya etki orijinal uyarıcı veya nedeni azalttığında ortaya çıkar. Örneğin, kısa vadede, daha fazla karbondioksitin (CO2), daha fazla CO2 emen orman kanopilerinin büyümesine neden olması beklenir. Uzun vadede bir başka örnek de atmosferdeki karbondioksit artışının daha fazla karbonik asit ve kimyasal ayrışmaya neden olması ve bunun sonucunda çözünmüş bikarbonat ve diğer iyonların okyanuslara taşınarak tortularda depolanmasıdır.
Küresel ısınma, Dünya'nın enerji bütçesinin dengede olmadığının kanıtıdır. Dünya'nın sıcaklığı üzerindeki olumlu etkiler artık olumsuz etkilerden daha fazladır.
Yorumlar
Yorum Gönder