ATMOSFERN KISA TARH. Doç.Dr. Kasım KOÇAK 1. GÜNE SSTEMNN OLUUMU
Download "ATMOSFERN KISA TARH. Doç.Dr. Kasım KOÇAK 1. GÜNE SSTEMNN OLUUMU"
1 ATMOSFERN KISA TARH Doç.Dr. Kasım KOÇAK. GÜNE SSTEMNN OLUUMU Güne sistemi, yaklaık 4.6 milyar yıl önce çounluu hidrojen olmak üzere geni bir gaz, toz ve buz bulutu halinde baladı. Kütlesi Güne inkinden birkaç kat fazlaydı ve sıcaklı da, atom ve molekülerin geliigüzel ısıl devinimlerinin durduu mutlak sıfırın yaklaık on derece üzerinde, -63 o C civarındaydı. Bu gaz ve toz bulutunun deiik bölümleri, kütle çekim kuvvetiyle birbirlerine doru çekildi ve bulut büzüldü. Kütlesel çekim gücü, balangıçta yani bulutun deiik kısımları birbirinden geni çapta ayrıyken çok güçlü deildi. Ancak bulut büzülürken kütlesel çekim gücü de hızla arttı. Bu nedenle büzülme çöküntüye dönüene kadar bulutun hacmi küçüldükçe, büzülme hızı da arttı. Açısal momentum, Güne nebulası adını alan bu maddelerin tümünün daha sonra Günee dönüecek merkezi bir yıldız olarak çökmesini önledi. lk bataki gaz ve toz bulutu Galaksi'deki dier maddelere göre daha yava bir biçimde dönüyordu. Büzülme sırasında açısal momentum korundu. Açısal momentum M = mvr eitlii ile verilir. Bu eitlikte m kütleyi, v dönme hızını, r ise dönme eksenine olan uzaklıı gösterir. Açısal momentumun korunumu ilkesine göre (tıpkı bir buz patencisinin kollarını iki yana bititirdiinde daha hızlı dönmesi gibi), yarıçapı küçüldükçe bulutun dönme hızı arttı, (ekil ). Artan dönme hızı Nebulayı oluturan maddelerin hareketlerini etkileyecek bir baka kuvveti de ortaya çıkardı. Bu kuvvet arabada keskin bir virajı alırken hissettiimiz merkezkaç kuvvetidir. Bir gezegen, gezegenle Güne arasındaki kütle çekim kuvveti ve gezegenin Güne çevresindeki dönüünün neden olduu merkezkaç kuvveti sayesinde yörüngede kalır (ekil ). Nebulanın büzülmesi sırasında açısal momentumun korunması, nebulayı oluturan maddelerin bir kısmının açısal hızlarının merkezkaç kuvvetin çekim kuvvetiyle dengelenecek kadar artmasına neden oldu. Bu durumdaki maddeler, Nebulanın merkezi çevresinde dönen en yakındaki dairesel yörüngelere yerleerek, büzülen
2 ekil ekil bulutun gerisinde kaldılar. Bunun sonucunda balangıçta daınık olan bulut neredeyse bir bisiklet tekerlei gibi dönen ve merkezinde daha sonra Güne in atası haline gelecek youn bir gaz topu bulunduran bir diske dönütü (ekil 3). Gezegenlerin hareketiyle ilgili 6. yy verileri ııında Sir Isaac Newton, iki cisim arasında, bu cisimlerin kütlelerinin çarpımıyla doru, aralarındaki uzaklıın karesiyle ters orantılı bir çekim kuvveti (F) bulunduu sonucunu çıkardı. m m F = G r
3 ekil 3. Bu formülde G evrensel çekim sabitini, m ve m aralarındaki mesafe r olan cisimlerin kütlesini göstermektedir. Çekim kuvveti Galaksideki yıldızların uzaya yayılmalarını ve gezegenlerin Güne in çevresindeki yörüngelerinde kalmalarını salar. Çekim kuvveti aynı zamanda bizi ve denizleri dünya üzerinde tutar ve atmosferimizdeki gazları yere yakın düzeyde younlatırır. Nebulanın hacmi küçülürken içerdii gaz sıkıır. Sıkıma, gazın sıcaklıının yükselmesine neden olur. Bisiklet pompasının çalıırken ısınmasının nedeni de budur. Bunun tersi yani, sıcaklıın dümesi gazın genlemesiyle meydana gelir. Subabı açılan bir lastikten çıkan bava bu nedenle souk olur. En çok basınca maruz kalan ve bu nedenle de en fazla ısınan maddeler Güne in atasının merkezindeki maddelerdi. Bu maddeler öylesine yüksek bir sıcaklıa ulatı ki sıcaklıı ile orantılı olan dıa doru basınç, Güne'in atasındaki dier maddelerin aırlıını kaldıracak duruma geldi. Böylece gaz topunun çekimsel çöküü, dıa doru basınçla, içe doru çekim kuvveti eitlendii zaman duraksamaya uradı. Bununla birlikte, daha çok Nebula maddesi çekim kuvvetiyle içeri emildikçe, Güne'in atasının merkezindeki gaz sıkıması devam etti. Bu nedenle basınç, Güne'i oluturan maddelerin üst tabakalarının artan aırlıını kaldıracak ekilde artarken sıcaklık da yükseldi. Bir gazın molekülleri sıcaklık yükseldikçe daha hızlı hareket ederler. Bununla birlikte moleküller arasındaki çarpımanın iddeti de artar. Artan sıcaklıın Güne'in atasında bulunan hidrojen gazı üzerindeki ilk etkisi, çarpımalar sonucunda hidrojen moleküllerinin (H ) ayrı ayrı hidrojen atomlarından oluan bir gaz (H) üretmek üzere
4 parçalanması oldu. Hidrojen atomu pozitif yüklü bir proton çevresinde salınım gösteren negatif yüklü elektrondan oluur. Yüksek sıcaklıklar atomlar arasındaki çarpımaların, elektronları protonlardan ayıracak kadar iddetli olmasına yol açtı ve Güne'in iç bölgesi proton ve elektronlardan oluan bir gaza dönütü. Aynı iaretli yükler birbirlerini iterler, bu nedenle çarpımaların protonların birbirleriyle tepkimeye girmesine yol açacak denli iddetlenmesinden önce son derece yüksek sıcaklıklara (yaklaık 0 milyon K) gereksinim vardı. Sonuç olarak sıkıma Güne'in atasının merkezinde böylesine yüksek bir sıcaklık oluturdu ve protonlar, dört protonu helyum atomunun çekirdeine dönütüren bir nükleer tepkime içinde birlemeye baladılar, (ekil 4). Bu çekirdein kütlesi kendisini oluturmak üzere tepkimeye giren dört protonun kütlesinden daha azdır. Einstein'ın ünlü denklemi E = mc eitlii ile verilir. Bu denklemde E enerji, m kütle ve c=3x0 0 cm/s'ye eit olan ıık hızını göstermektedir. Buna göre kaybolan kütle enerjiye dönüür Kontrollü nükleer füzyon aratırmaları, bu nükleer tepkimenin olumasına yetecek sıcaklık derecelerini laboratuvarda elde etmenin ve sürdürmenin yollarını arıyor. Gerekli olan bu sıcaklık, Güne'in atasında dev bir gaz kütlesinin aırlııyla oluan sıkıtırma sonucunda meydana geldi. Güne'in bir yıldız olarak domasına, içindeki nükleer tepkime neden oldu. Güne i oluturan maddelerin baında gelen protonların helyum çekirdekleri oluturmak üzere tepkimeye girmesi Güne'in sürekliliini salamaktadır. H H 3 4 H He He H Moleküler hidrojen Atomik hidrojen Döteryum Helyum - 3 Helyum Nükleer füzyon (proton - proton zinciri) ekil 4. ATMOSFERN GEÇRM OLDUU EVRELER Göktaı parçalarından elde edilen fiziksel ve kimyasal kanıtlar, Yer dahil olmak üzere Güne sisteminin yaklaık 4.6 milyar yıl önce olutuunu göstermektedir. Bununla
5 birlikte Dünya üzerinde imdiye kadar bulunan en eski kayaçlar yaklaık 3.8 milyar yıl öncesine tarihlenmektedir. Bu nedenle Yer in tarihinin ilk 0.8 milyar yılı hakkında dorudan bir kayıt bulunmamaktadır. Dünya atmosferinin bugüne kadar geçirmi olduu evreler dört ana balık altında incelenebilir.. Astronomik Atmosfer Dünyamızın bundan 4.6 milyar yıl önceki ilk atmosferi evrende en bol bulunan hidrojen (H) ve helyumdan (He) oluuyordu. Ayrıca bu elementlerin yanında metan (CH 4 ) ve amonyak (NH 3 ) gibi hidrojen bileikleri de ilk atmosferin bileiminde yer almaktaydı. Bugün pek çok bilim adamı ilk atmosferin dünyanın çok sıcak olan yüzeyinden uzaya kaçtıını tahmin etmektedir.. Jeolojik Atmosfer Dünyanın ikinci ve daha youn atmosferi dünyanın iç kısımlarındaki erimi kayalardan volkanik aktiviteler yoluyla yüzeye çıkan gazlar tarafından oluturulmutur. Volkanların o zamanlarda çıkardıı gazların bileimi ile bugünkü bileiminin aynı olduu varsayılmaktadır. Bu gazlar %80 subuharı (H O), %0 karbondioksit (CO ) ve yüzde bir kaç azottur (N). Aradan geçen milyonlarca yıl içerisinde, dünyanın sıcak iç kısmından dıarıya doru fıkıran gazlar, bulut oluumuna izin verecek kadar zengin bir subuharı içeriinin olumasını saladı. Binlerce yıl yeryüzüne düen yamurlar akarsuları, gölleri ve okyanusları oluturdu. Bu peryot boyunca önemli miktarda CO okyanuslarda çözündü. CO nin dier önemli bir kısmı da karbonatlı tortul kayaçlar (kireçtaı, CaCO 3 ) içerisine hapsedildi. Subuharının önemli bir kısmının younlaması ve CO nin azalması sonucu atmosfer azot bakımından daha zengin bir hale geldi. Sayısal modeller ikinci atmosferin balangıçtaki ortalama sıcaklıının 85-0 arasında bir sıcaklıkta olduunu göstermektedir. o C
6 .3 Biyolojik Atmosfer Yeryüzünde canlı yaamının ne zaman baladıı, bunun anaerobik mi, aerobik mi olduu vb sorular atmosferin evriminde son derece önemlidir. Bilimsel bulgular biyolojik dönem öncesinde Dünya atmosferinde serbest oksijenin olmadıını ortaya koymaktadır. Yaamın temel organik yapı talarının kimyasal sentezi hakkındaki laboratuvar çalımaları, bu yapıların oksijenin varlıında oluamayacaklarını göstermektedir. lkel atmosferlerin oluumuyla ilgili kuramsal çalımalarda, oksijenin o kuullarda bulunmaması gerektii ortaya çıkmaktadır. Yaamın ilk oluumlarına benzedikleri düünülen günümüzün en basit mikropları üzerinde yapılan çalımalar ise oksijen içeren bir atmosferde bu mikropların yaayamayacaklarına iaret etmektedir. Günümüz atmosferinde azottan sonra en bol bulunan oksijenin (O ) bugünkü düzeyine ulaması oldukça yava gelien bir sürecin sonunda gerçeklemitir. Bu süreçte subuharı güneten gelen yüksek enerjili ıınlar tarafından hidrojen ve oksijene ayrılmıtır (fotodissosiyasyon). Bunlardan oksijen dünya atmosferinde kalırken, daha hafif bir gaz olan hidrojen uzaya kaçmıtır ( H nin günümüz atmosferindeki hacimsel oranı % kadardır). Bundan -3 milyar yıl önce, mevcut O oldukça düük bir düzeyde olmasına karın, bazı ilkel bitkilerin geliimi için yeterli olmu olmalıdır. Belki de ilk bitkiler tamamen oksijensiz (anaerobik) bir ortamda gelimilerdir. Çevremizde gördüümüz organizmalar, hayvanlar, bitkiler ve mantarlar, organizmanın bütünlüü içinde farklı ilevler görmek üzere özellemi hücrelerden oluur. Çok hücreli organizmalarda bulunan bu hücrelere ökaryot hücreler adı verilir. Ökaryot hücrenin genetik malzemesi bir çekirdek içindedir. Bu hücrelerde organel adnı alan, zarlarla çevrili, özellemi iç organlar bulunur. Genellikle her organel türünün ayrı bir biyokimyasal ilevi vardır. Bakterilerde bulunan prokaryot hücre, ökaryot hücrenin tersine, ondan belirgin ekilde daha küçüktür. Bu hücre çekirdeksiz olup az sayıda organel içerir. Genetik malzemesi bir zarla çevrili deildir ve hücre protoplazması içine daılmı durumdadır. Biyokimyasal ilevlerin çou hücre çeperinin iç zarında gerçekleir. Basit yapısı, prokaryot hücrenin ökaryot hücreye gö-
7 re daha ilkel olduunu göstermektedir. Fosil kayıtları da bu düünceyi desteklemektedir. Kayaçlarda bulunan ve görünüe göre prokaryot olan mikropların fosilleri 3.5 milyar yıl yaındadır. Oysa imdiye kadar bulunan ve deneysel olarak büyüklüklerine göre tanımlanan en eski ökaryotlar, sadece milyar 400 milyon yaındadır. Bilindii gibi, ökaryot hücrelerden oluan bütün organizmalar zorunlu olarak aerobiktir (havacıl); yani yalnızca serbest oksijen bakımından zengin ortamlarda yaayabilirler. Prokaryotlar ise bunun tersine oksijene tam bir tepki çeitlilii gösterirler. Bazıları zorunlu anaerobiktir (havasız yaar). Oksijene maruz kaldıklarında ölürler. Dierleri de zorunlu aerobiktir. Bazıları çevrelerinde bir miktar oksijene gerek duyabilir ya da bunu tolere edebilirse de bu miktar, günümüzde havada bulunan oksijen kadar çok deildir. Maruz kaldıkları oksijen miktarından etkilenmeyen prokaryotlar da vardır. Kimi prokaryotlar oksijensiz bir ortamda evrilmi ve bu ortama uyum salamıken, ökaryotlar aerobik koullarda ortaya çıkmı ve evrilmilerdir. Ökaryot hücrenin ortaya çıktıı sırada, Yer üzerinde bol miktarda oksijen olması gerekir. 3.5 milyar yıldan önce yani yaamın baladıı sıralarda ise oksijen yoktu. Bu tarihler arasında bir yerde atmosfer aerobik hale geldi, (ekil 5). ekil 5. Atmosferin bugünkü O düzeyine ulaması bitki geliiminin bir sonucudur. Bilindii gibi bitkiler fotosentez esnasında CO ve suyu kullanarak kendi besinlerini yaparken çevreye de O verirler. Bu nedenle bitki geliiminden sonra atmosferik oksijen miktarı hızla artarak bundan bir kaç yüz milyon yıl önce bugünkü düzeyine ulamıtır. Bilimsel çalımalar baka hiçbir gezegende aerobik atmosfer bulunmadıını göstermektedir. Yaam dier özelliklerinin yanında bu yönüyle de dünyayı benzersiz kılmaktadır.
8 .4 Sosyo-ekonomik Atmosfer Endüstri devrimiyle birlikte gündeme gelen hava kirlilii, atmosferin doal bileiminde önemli deiikliklere neden olmutur. Fosil kökenli (petrol, kömür vb.) yakıtların endüstride ve konutlarda yaygın bir ekilde kullanılmaya balamasıyla CO ve subuharı gibi önemli sera gazlarının atmosferdeki konsantrasyonları artmıtır. Bu yüzyılın balarında 90 ppm olan CO konsantrasyonu, 987 yılında 345 ppm e çıkmıtır. Bilim adamları bu miktarın izleyen 00 yıl içerisinde 600 ppm e çıkacaını tahmin etmektedir. Pek çok karmaık fiziksel ve kimyasal atmosferik süreçleri dikkate alan matematik modeller kullanılarak yapılan öngörüler, CO konsantrasyonunun ikiye katlanmasının, yüzey hava sıcaklıında -4 o C lık bir sıcaklık artıına neden olacaını ortaya koymaktadır. Ayrıca otomobillerin atmosfere bıraktıı gazlar, soutma ve kozmetik endüstrisinde kullanılan CFC (kloroflorokarbon) vb gazlar da atmosferin doal bileimini bozmaktadır. Günümüz atmosferinin %78 i azot, % i oksijen, %0.93 ü argon ve geri kalanı da çeitli eser gazlardan olumaktadır. Konuyla ilgili daha ayrıntılı bilgi için:. Yerin Tarihi, J.C.G. Walker (Çev:E. Uluhan), Nar Yayınları, The Chemical Evolution of the Atmosphere and Oceans, H.D. Holland, Princeton Uni. Press, Origin of the Solar System, R. Jastrow, A.G.W. Cameron, New York: Charles s Sons, Handbook of Atmospheric Science, C.N. Hewitt, A.V. Jackson, Blackwell Publishing, Universe: An Evolutionary Approach to Astronomy, E. Chaisson, New Jersey, 988.