Sınıfta iklim değişikliği modellemesi Teach article

Çeviri: Zeynep Gençyiğit, Hayrünisa Dere, Yusufcan Irmak, Canbolat Gürses, Hikmet Geçkil (Department of Molecular Biology and Genetics, Inonu University). İngiltere Bristol Üniversitesi’nden Dudley Shallcros ve Tim Harrison’un yardımıyla, öğrencileriniz iklim değişikliği ile…

İklim değişikliği ve küresel ısınma günümüzün ‘sıcak’ konularıdır ve bu nedenle iki konu da okuldaki fen dersi müfredatında önemli bir yerde olmayı hakediyor. Ancak iklimin değişeceğini nasıl tahmin ederiz? Basit iklim modellemesini öğrencilere tanıtmanın tam zamanı. Bu makalede, öğrencilerin dünya iklimini etkileyen ana faktörleri inceleyebilmeleri için basit bir çizelgenin nasıl kullanılabileceğini göstereceğiz.

İklim modellemesi için ilk adım

İklimin en basit modellemesi, gelen güneş enerjisi ile gezegen tarafından yayılan yani uzaklaşan karasal enerjinin birbirine eşit olduğudur. Yani ‘giren enerji çıkan enerjiye eşittir’. Bu makalede, ‘enerji’ terimi gerçekte enerji akışı anlamına gelmektedir (örn. Bir saniyedeki enerji). Ölçümlerden bildiğimiz üzere, güneşten gelen ve bir saniyede atmosferin en üst noktasına ulaşan enerji, güneş sabiti S olarak bilinen 1370 Wm^-2’dir.

Dünyanın ortalama yüzey sıcaklığını (T_E) hesaplayarak başlayalım. Eğer kusursuz küresel biçimdeki Dünya’nın yarıçapını R_E olarak (yani atmosferik düz bir disk) kabul edersek, bu basit modelde Dünya’nın, bir πR_E² alanı üzerindeki güneş radyasyonunu emdiği görülebilir ama enerjiyi 4πR_E² gibi bir alandan (yani tüm yüzeyden) yayar.

(a) Alınan enerji= Verilen enerji

ve Stefan-Boltzmann Yasasını kullanarak (kutuya bakınız)

(b) Birim zamanda birim alandaki enerji x toplam alan_(disk) = birim zamandaki birim alandaki enerji x toplam alan_(küre)  

(c) 1370 x πR_E² = σT_E⁴ x 4πR_E²

Yeniden düzenlenmiş denkleme göre:

σT_E⁴ = 1370/4 = S/4

T_E⁴ = 1370/(4 x 5.67 x 10^-8)

T_E = 279 K (6 °C)

Burada σ, Stefan-Boltzmann sabitidir (5.67 x 10^-8 Wm^-2K^-4).

İlk bakışta, böylesine kaba bir model için anlamlı bir şekil gibi görünse de,  Dünya’nın gerçek ortalama yüzey sıcaklığının 16°C derece olduğu bilinmektedir (Bunu anlamamızı kolaylaştıracak birkaç yöntem bulunmaktadır. Dünyanın enlem kuşaklarına bölünmesi, kuşak başına ortalama sıcaklığın hesaplanması ve hepsinin toplanıp ortalamasının alınması örnek olarak verilebilir). Bu basit modeldeki sorun, güneş enerjisinin bir kısmının bulutlar ve buz tarafından geri yansıtılması sonucu Yer Küre tarafından absorbe edilmemesidir.

Gelen enerjinin yaklaşık olarak %24’ü bulutlar tarafından yansıtılırken, diğer bir %6’sı da yüzey (örneğin buz) tarafından yansıtılmaktadır. Bu durum albedo (A) olarak bilinir ve dünyanın toplam %30 veya 0.3 yansıtma özelliğini belirtir. Bundan dolayı, denklemin sol tarafı (c) 0.7 x 1370 x πR_E² şeklinde yeniden yazılmalıdır ve T_E’nin hesaplanması şu hale gelir:

T_E⁴ = (1370 x 0.7) / (4 x 5.67 x 10^-8)

T_E = 255 K (-18 °C)

Bu değer açıkça çok düşüktür ve doğal olarak şu soruya cevap aramaya yöneltmektedir: Neden Dünya bu kadar sıcak? Bu soruyu cevaplamak için biraz daha karmaşık bir modele ihtiyacımız vardır.

Dünya’nın tek katmanlı atmosfer modeli

Atmosfer tabakasını birbiri içinde karışabilen gazlardan oluşan tek tabakalı olarak varsayarsak, öğrencilerin grafik şeklinde kullanabileceği daha doğru bir model oluşturabiliriz. Bu modelde, Güneşten gelen görünür ışığın atmosferi ve Dünyadan yayılan kızılötesi ışığın absorbsiyonu hesaba katılır.

Aşağıdaki şekil modelin unsurlarını özetlemektedir. F_S, bir disk üzerinde (πr²) dağılmış olan gelen enerji ile bir kürenin yüzeyinden (4πr²) (ilk modelde yapılan varsayımdan yola çıkarak) yayılan enerji arasındaki farktan kaynaklanan güneş sabitinin 4’e bölümüdür (S/4). Güneşten gelen enerji F_S(1-A)’dır, burada A albedo’dur (yani uzaya geri yansıtılan kısım). Bu gelen enerji UV’de ve görünür bölgelerdedir. τ_VIS, bu gelen enerjinin atmosfer tarafından soğurulmayan kısmıdır. Eğer atmosfer hepsini soğurursa, τ_VIS  sıfır olur. Atmosfer hiçbirini soğurmaz ise, τ_VIS  bir olur. Bundan dolayı, gezegenin yüzeyine ulaşan enerji F_S(1-A) x τ_VIS’dir.

Yerküre, kara maddeye benzer davranacaktır ve yüzeyinden Fg olarak gösterilen enerjiyi yayacaktır. Bu karasal radyasyon, spektrumun (şua) kızılötesi bölgesinin merkezindedir. Atmosferdeki belirli gazlar (sera gazları) kızılötesi enerjiyi soğurur. τ_VIS’a benzer bir şekilde τ_IR atmosferde bu gazlar tarafından soğurulmayan kızılötesi enerjinin bir ksımıdır ve böylece dışarı salınan enerji F_g x τ_IR’dir.

Earth will behave similarly to a black body and will emit the energy denoted as F_g from its surface. This terrestrial radiation is centred in the infra-red region of the spectrum. Certain gases in the atmosphere absorb the infra-red energy (greenhouse gases). Similar to τ_VIS, τ_IR is the proportion of infra-red energy not absorbed by these gases in the atmosphere, and so the outgoing energy is F_g x τ_IR.

Atmosferin enerjisini F_a olarak gösterir ve dünyanın iç ve dış yüzeyindeki enerji ve atmosferin üstündeki bu enerjinin ikisinde de dengede olduğunu varsayarsak:

Dünyanın yüzeyinde:

F_S(1-A) x τ_VIS + F_a = F_g                                                         (Denklem 2)

ve atmosferin üzerinde:

F_g x τ_IR + F_a = F_S(1-A)                                              (Denklem 3)

2 ve 3. Denklemlerin birleşimi sonuçta şunu verir:

F_g = (F_S(1-A)(1 + τ_VIS)) / (1 + τ_IR)

Sonuç olarak,

F_g = σT_E⁴ = (F_S(1-A)(1 + τ_VIS)) / (1 + t_IR)

T_E = [(F_S(1-A)(1 + τ_VIS)) / σ(1 + τIR)]^0.25               (Denklem 4)

Aşağıdaki değerleri alırsak:

F_S = 1370/4 = 342.5 Wm^-2 (güneş sabiti 4’e bölünmüş)

A = 0.3

τ_VIS = 0.8

τ_IR = 0.1

Denklem 4 bize şunu verir:

T_E = 288.5 K (15.5 °C),

Bu, Dünya’nın şu andaki ortalama yüzey sıcaklığına yakın bir tahmindir.

Denklem 4 Microsoft Excel gibi bir programa koyulabilinir böylece öğrenciler denklemdeki parametreleri değiştirdikçe küresel ısınmadaki değişimleri görebilir. Bunun interaktif (etkileşimli) versiyonu çevrimiçi olarak Bristol Üniversitesinin internet sitesinden^w1 indirilebilir.

Değişkenler A, τ_VIS  ve  τ_IR  değiştirilirse, Tablo 1 çıktı örneklerini gösterir. Birinci örnekte atmsoferin giren ve çıkan hiçbir enerji akışını soğurmadığını (yani hem τ_VIS hem de τ_IR 1.0’a eşittir) farzediyoruz ve albedo 0.3 olup 255 K’lik bir sıcaklık verir. Ikinci örnekte, hiçbir buz veya bulutun olmadığını varsayıyoruz (yani, A=0.0). Bu, dünyanın sıcaklığını 279 K’e çıkarmakta ve albedo’nun önemini göstermektedir. Üçüncü örnekte, yine hiçbir buz veya bulut yok fakat atmosfer bu defa tüm giden kızılötesi radyasyonları absorbe ediyor (yani, τ_IR = 0.0) ve dünya 331 K’ne ısınıyor. Şimdi Dördüncü örnek (A = 0.3), bulut ve buzları yeniden devreye sokarsak sıcaklık 303 K’e düşer.

Muhtemel sorular

Sorulabilecek ve öğrencilerin bu modeli kullanmasını gerektiren tipik sorular şunlardır:

1. Ortalama küresel sıcaklığın üzerinde en büyük etkiye sahip değişkenler hangileridir?
2. Dünya ile Güneş arasındaki ortalama mesafenin mevcut değeri %1 artsaydı, güneş sabiti 1.0201 faktör kadar azaltılacak, yani 1343 Wm^-2 olacaktı. Sıcaklık ne olurdu? (bir albedo’yu 0.3, τ_IR 0.3 ve τ_VIS 0.6 varsayınız).

(Güneş sabiti, mesafenin karesi ile ölçeklenecek, yani Dünya’nın Güneş’e %10 daha yakın hareket etmesi anlamına gelecektir; S = 1370 / (0.9)² = 1691 Wm^-2  ve Dünya’nın %1 daha uzaklaşması demek; S = 1370 / (1.01)² = 1343 Wm^-2)

Elbette, çok daha zorlayıcı sorular sorulabilir.

3. Sahra Çölü’ndeki tüm kumla bir cam ayna yapılsa (kum, cama eritilebilir),

1. Gezegeni 1°C soğutmak için aynanın ne kadar büyük olması gerekir?
2. Bu, Sahra Çölü’nün ne kadarlık bir parçası olurdu?

Daha sofistike bir model

Basit bir model, daha karmaşık olan Birleşik Krallık Meteroloji Ofisindeki (aşağıdaki resimlere bakınız) Hadley Merkezi iklim modeli ile kıyaslanabilir? Aslında, bir şey hariç olmak üzere iki model birbirine çok benzerdir; Hadley merkezi modelinde atmosfer tek katmanlı olarak kabul edilmemekte ve enlem, boylam ve rakıma dayalı bir dizi kutucuğa ayrmaktadır. Her bir kutu için, gelen UV/görünür radyasyondan iletilen ve kutu içerisinde saçılan miktarını ve giden kızılötesi radyasyonun bu kutu tarafından iletilen miktarını sera gazlarının yoğunluğuna, bulut ve buzun yüzey alanına dayanarak doğrudan hesaplar. Hadley Merkezi modelinin en gelişmiş versiyonları okyanusa giren ve çıkan ısı akışını ve bitki örtüsü tarafından CO₂ alımını da göz önüne alır. Fakat basit modelin ilkelerini anlarsanız, daha karmaşık gerçek iklim modelini anlamada iyi yolda ilerliyorsunuz demektir.

Gerçek iklim simülasyonuna katılmak

Climateprediction.net^w2, 21. yüzyılda iklim tahmini yapmak için geliştirilmiş en büyük deneydir. Bu proje, bilgisayarlarının kapasitelerini tamamen kullanmayan dünyanın dört bir yanında gönüllünün bilgisayarlarını açık bırakıp bu hesaplamalara yardımcı olmaları yürütülmektedir. Tam iklim modelinde ayarlanabilen birçok parametre vardır. Bu parametrelerin hepsini keşfetmek için olağanüstü sayıda simülasyon yapılmalıdır. Climateprediction.net ekibi için bilgisayar kaynakları uygun olsa bile, böyle çok sayıda simülasyon uzun zaman alacaktır. Climateprediction.net’in arkasındaki fikir, herhangi birinin bu belirli parametrelerden birini keşfedecek bir modelin sürümünü indirebilmesidir. Modelin bilgisayarın hızından ödün vermeden, siz çalışırken arka planda çalışmaya devam etmesi yaklaşık üç ayı bulacaktır.

Hesaplamalar üç aşamada gerçekleştirilmektedir. İlk aşamada, 1850-1900 yılları arasındaki verileri kullanarak tahmin sonuçlarını sıcaklık kayıtlarına karşı kontrol edip hesaplamaları yapar: bu süreç, kalibrasyon çalışması olarak bilinir. İkinci aşama, 1901’den günümüze kadar bir simülasyon çalıştırmaktadır. Daha sonra üçüncü aşama ise bir parametrenin değiştirilmesiyle, örneğin kükürt döngüsündeki belirsizliklere iklimin duyarlılığı, gelecekteki iklimin (2000-2100) simülasyonunu gerçekleştirir. Hesaplamalar tamamlandıktan sonra veri, Birleşik Krallık Meteoroloji Bürosu’nun bilgisayarı çevrimiçi olduğunda otomatik olarak yüklenir. Simülasyon ile sağlanan arayüz yazılımı (ücretsiz) bilgisayar kullanıcısına, iklimin hesaplanmasıyla ortaya çıkan değişiklikler grafiğini verir. Mevsime göre sıcaklık değişimleri enlem, boylam ve rakımla görselleştirilebilen bazı değişkenlerdir. Bu özellikler, coğrafya ve fiziksel bilimler arasında bağlantı kurarak bir çapraz müfredatlı okul projesini mümkün kılar.

Science in School‘un sonraki sayısında, çeşitli yazarlar iklim değişikliği ile ilgili bazı kimya deneyleri önermektedirler.

Download

Download this article as a PDF