Bulut Nasıl Oluşur?


Nem Teorisi

Bir hava dolu kap (örneğin, yüksek basınç kazanı) var ve bu kaba bir vana ile su buharı ekleyebildiğinizi düşünün. Eğer sürekli olarak kazandan su buharı verdiğiniz hava kabını izlerseniz, fark edeceksiniz ki bir noktadan sonra minik damlacıklar ve kabın duvarlarında nemlenme oluşmaya başlar.Önemli nokta bu yoğunlasmanın havanın su buharı için doyum noktasında, ki bu noktadan sonra hava kütlesi daha fazla su buharı alamaz, oluşmaya başlamasıdır. Bu, doyma noktası dediğimiz noktada, hava kütlesi tuttuğu su buharının bir kısmını bırakmak zorunda kalır, bunu minik damlacıklar yapısında veya duvarlarda nemlenme olarak yapar. Bu noktada hava kütlesi içindeki su buharı topluluğuna rsatdiyelim.
Eğer bu deneyi, farklı sıcaklıklarda, yeniden yaparsanız, göreceksiniz ki hava kütlesinin su buharını saklaması sıcaklıkla birlikte yüksek bir artış gösterir. Başka bir deyişle sıcak hava soğuk havadan daha çok su buharı taşır. Biz bunu rsat(yüksek sıcaklık) > rsat(düşük sıcaklık) olarak belirtebiliriz.
Deneyimizde doyma noktasına ulaştığımızda buna bağıl nem** -RH- denir, 100%'dür. Doyma noktasına ulaşmadan önce, RH 100%'den azdır.100%'e ulaştığımızda, bizim deneyimizde damlacık yapısı oluşuyor. Atmosferdeki bulut oluşumuyla bu durum benzerdir.


kaynak: ESPERE - eu


Su Buharı Deneyi

Animasyon, deneyi şematik olarak sunuyor. Biraz su buharını kazandan (yeşil), nemsiz hava ile dolu olan tepkime bölümüne (siyah) bırakırız. Milyarlarca noktayı hesaplayabildiğimizi varsayalım ve bu azınlığın büyük rakamları temsil ettiğini düşünelim.

a) Doyuma yol gösteren maksimum konsantrasyonun 50 molekül olduğu varsayılır (maksimum rsat). İlk 25 parçacığın toplanmasından sonra bağıl nem 50%'dir. Ama biraz daha ekleriz. Sayı 50'yi geçtiğinde (RH > 100%) bölümün duvarlarında damlacıklar oluşur.

b) Şimdi ısıyı arttırırız (kirmızıyla gösterilen). Havanın, su moleküllerini alabilme oranı 90'a (maksimum= rsat) çıkar. Kabın duvarında yoğunlaştırılmış olan moleküller yeniden buharlaştırılır.

c) Daha da ısıtmaktansa, başlangıçtaki değerinin çok daha altına kadar soğutacağız (açık mavi renkli bölüm). Şimdi soğuk hava, buğu olmadan, sadece 30 molekül tutabilir. 95 molekül taşıyan hava şimdi aşırı doymuştur. Su buğulanır ve bölümün tabanında küçük bir birikinti oluşturur. Bir bakıma yağmur yağmış gibi olur.


(**) Bir hava kütlesindeki su buharı miktarını hesaplamak için bağıl nem kavramını açıklayabiliriz. Bağıl nem serbest su buharının r "yogunluguyla", doymus su buharinin rsat "yoğunluğu"arasindaki orandır.


Eğer RH=100% ise yoğunlaşma ile buharlaşma arasında bir denge vardır.
Eğer RH < 100% ise buhar kıtlığı vardır, buharlaşma baskındır.
Eğer RH > 100% ise buhar fazladır ve yoğunluk baskındır.

Uyarı! İsimden de anlaşıldığı gibi, bağıl nem göreceli bir değerdir. Eğer r yogunluğundaki su buharını taşıyan havayı 10o C soğutursanız, bağıl nem artar çünkü doymuş rsat yoğunluğu düşer. Bu yüzden RH aslında su buharının yoğunluğuna değil ısıya bağlıdır.

Buraya kadar bir hava kütlesine bir vana yardımıyla su buharı ekleyerek bulut parçacıkları oluşturabileceğimizi gördük. Ama zeki bir okuyucu parçacıkların vana kapalı durumdayken havayı soğutarak da oluşturulabileceğini anlar. Bu durumda havanın buhar taşıma kapasitesini parçacıklar oluşana kadar basitçe düsürebiliriz.

Doğadaki Oluşum Tekniği

Doğada her iki tipte bulut oluşum örnekleri vardır:
  -havaya buhar ekleme: soğuk havadaki nefesiniz, havada giden bir aracın arkasında bıraktığı buhar
  -hava kütlesini soğutma: Sonbaharda ve kışın soğuk toprağa yakın sis.

Genellikle doğa, bulut oluşturmak için ikinci yolu kullanır; bir hava kütlesini yükseltip daha soğuk bir ortama yükselterek soğutmak. Havayı yükseltmek için çeşitli yollar vardır:


Konveksyon:

Toprak ısınması (örneğin sabah güneşiyle birlikte), havayı sıcak toprağa yakınlaştırır, ve buna bagli olarak atmosferde dolaşan havadan daha az yoğun hale gelir, ve yükselir. Yükeldikçe etrafındaki hava tarafından soğutulmasına rağmen, hala belli bir noktaya kadar olan alanı çevreleyen havadan daha sıcak ve açıktır. Bu noktaya ulaşana kadar soğuma, yayılma ve yükselme işlemleri devam eder.

Orografi:

(Orografi yeryüzü yükseltilerinin yada kabarıklıklarının tanımıdır. Orografi yeryüzü şeklinin dağlar, tepeler, ormanlar, düzlükler vb. tarafından nasıl oluşturululduğunu tanımlar.
Önemli süreçlerden biri havanın dağın rüzgarlı tarafında yükseltilmesidir:

kaynak: ESPERE - eu

Animasyon: Bu olgu eğer nem sıcak yaz günlerinde dağın yamacını aşıp yükseklere ulaşıp tekrar soğur ve gök gürültülü yağmur oluştuğunda sona erer.

Cepheler:

İki hava kütlesini birbirinden ayıran yüzeye "cephe" denir. Farklı cephe oluşumları vardır, örneğin alçak basınç sistemlerinin bir özelliği olarak. Daha önce var olan soğuk hava tarafından (sıcak cephe) yada soğuk havanın yükseklere itmesiyle (soğuk cephe) sıcak hava yükselir. Bu cepheler boyunca bulutlar oluşur ve genellikle yağışlar oluşturur.

Sıcak cephe (warm front):


Soğuk cephe (cold front):


Bulut Yoğunlaşma Çekirdekleri

Aerosol parçacıkları bulut yoğunlaşma çekirdekleri olarak davranırlar.
Son bölümde yoğunlaşma için neler gerektiğini tartıştık. Yoğunlaşmanın olması ve su buharının difüzyonuyla damlacıkların büyümesi için bir şekilde damlacık oluşumu gereklidir!
Teorik olarak, damlacık oluşumunun başlangıcında bir yada iki su molekülü çarpışmalı ve birbirlerine yapışmalıdırlar. Diğerleri onlara katılır ve büyüklüğü yaklaşık 1 µm olan damlacık oluşur. Böylece bulutlar oluşur, doğrumu? Tam olarak değil. Aşağıdaki ufak deneyi göz önüne alın:

Çok güçlü bir mikroskop altında bir miktar havayı gözlemliyelim. Yukarıdaki buhar tankı deneyini şimdi gerçek havada yürütelim ve molekülleri sayabildiğimizi düşünelim ve elimizdeki hava kütlesinden 60 tane molekülü seçelim.

Hava kolonunda, yoğunlaşmanın olmadığı en yüksek noktaya yakın duran resim gösterilmiştir. Dah yüksekteki hava, daha soğuktur ve rsat değeri küçüktür. Ve görüyoruz ki....

Hayır bir şey göremiyoruz.

Neler oluyor? Neden yoğunlaşma yok?



Doğrusu bu gözlem gerçekle uyuşuyor. Ufak molekül kümelerinin oluşumundan sonra diğer moleküller ufak 1 µm büyüklüğünde damlacıklar oluşturmak için bu yapıya katılır. Bununla birlikte bir avuç su molekülünü bir arada tutabilmek için yüksek bir hava basıncı gerekirdi. Bu basınç için gerekli olan çevresel gaz, bağıl neme denk olan buhar konsantrasyonu %100'den çok fazladır, yaklaşık %200-300'dür. İşte bu yüzden, hava kolonunun en yüksek noktasındakendiliğinden bir çekirdekleşmenin olabilmesi için 60 tane molekül yerine 150-200 tane molekül gerekirdi. Fakat bu değerler doğada gözlemlenmez (havada bulutları hafif bir aşırı doygunlukla gözlemlememize rağmen, galiba çok azı %100'ün üzerindedir). Teoride bir hata yada atladığımız önemli bir noktamı var?
Tahminde edebileceğininz gibi, damlacık oluşumunu sağlayan bir süreçi atladık. Damlacıkların oluşabileceği bir yüzeye ihtiyacımız var (birinci paragraftaki deneyde bu yüzey, yüksek basınç kazanının duvarlarıydı). Atmosferde bu işlemi yerine getiren yüzeylere aerosol yada ufak katı tanecikler (toz, deniz suyu tanecikleri (sea spray), sülfat tuzları vb. gibi) olarak adllandırılırlar. Bu parçacıklar göreceli olarak geniş bir yüzey sundukları için, atmosferdeki bağıl nemi %100'ün birazcık üzerinde olan tanecikler yoğunlaşır. Atmosferde asılı halde bu taneciklerden, mikron ve mikron altı boyutta, çok miktarda vardır ve bunlardan bazılarının suyu sever ve yoğunlaşma merkezi olarak davranırlar. Bu tanecikler, su damlaları için bulut yoğunlaşma çekirdekleri olarak adlandırılırlar (buz kristalleri için "buz oluşum çekirdekleri" denir).


Elimizdeki bir miktar havayı tekrar inceleyelim fakat şimdi işin içinde aerosol tanecikleride (resimdeki kahverengi parçacıklar) var ve bu tanecikler su moleküllerinin yoğunlaşacağı yüzeyleri oluşturmaktadırlar. Doygunluğa ulaştıklarında ufak damlacıklar oluşturacaklar.

En sonunda! Teori ve gözlem birbirine uyuştu.


Bulut - Bir Kimyasal Reaktör

Atmosferde büyük miktarlarda gaz, sıvı ve katılar vardır ve bulutlar bu parçacıkların çok yüksek bir yüzdesini oluştururlar. Bulutların parçacıkları havada nasıl tuttuğuna dair 3 temel süreç vardır. Birincisi, bu çok sayıdaki tanecikler bulutn yoğunlaşma aşamasında, bulut yoğunlaşma çekirdekleri yada buz oluşum çakirdekleri olarak, birleşirler. İkincisi, aerosol parçacıkları damlacıklar ve kristallerle çarpışarak atmosferden uzaklaştırılır. Ve son olarak, suda çözünen bir çok gaz bulutların yoğunlaşmış aşamasında tutulur.
İşte bu 3 süreç sayesinde bulutlar atmosferdeki kirliliği temizler. Böylece, yağmur yağdığında atmosfer bir süreliğine temizlenmiş olur. Havada kalan damlalar tekrar buharlaşarak içindeki kimyasal maddeleri bırakacak ve döngü böyle devam eder.


ÖZET:
Bulular havadaki bağıl nem %100'den fazla olduğunda oluşur. Hafif bir aşırı doygunluk yeterlidir böylece havada hazır bulunan aerosol tanecikleri etrafında yoğunlaşma gerçekleşir. Bir çok durumda aşırı doygunluk sıcak havanın yükseltilip soğutulmasıyla oluşur. Bu 3 yollagerçekleşir; konveksyon, orografi ve cepheler.



Text: Marie Monier - Université Blaise Pascal de Clermont Ferrand / France
Supported by: Klaus Gierens from DLR, who wrote a big part of the humidity paragraph
Reviewing and corrections: Prof. Andrea Flossmann - Clermont Ferrand; Stephen Gawtry - University of Virginia
Animations and their description: Elmar Uherek - MPI Mainz
Çeviri ve Türkçe WEB sayfaları: Aydın Borazan - A.I.B.U. Bolu, Turkey.

GERİ