İklim : yeryüzünün herhangi bir noktasında atmosferin ortalama halini karakterize eden meteorolojik olayların tümüdür

2.1 Alt Atmosfer Tabakasında Oluşan Değişimler

Güneşten gelen radyasyon, alt atmosfer tabakası dediğimiz 20 km’lik kısımda birçok değişikliğe uğramaktadır. Meydana gelen bu değişiklikler, absorbsiyon, refleksiyon ve difüzyon olarak adlandırılır. Bu olaylara göre güneş radyasyonu; gelen ışınların açısına, dalga uzunluğuna ve geldikleri zeminin özelliklerine bağlı olarak yansıtılır, yayılır ya da emilir (Şekil 4). Bunların sonucunda da, yeryüzüne ulaşan güneş radyasyonunda önemli değişiklikler meydana gelir.

Şekil 4.Güneş enerjisinin uğradığı değişiklikler

a) Yansıma (Refleksiyon) : Bir yüzey üzerine düşen ışınların geriye dönmesine yansıma denir. Yansımanın çok ya da az olması ışınların geldiği açıya, dalga uzunluğuna ve yüzeyin özelliklerine bağlıdır. Cisimlerin yada yüzeylerin, gelen bu güneş ışınlarını yansıtma özelliğine albedo denir. Bir cisim, aldığı 100 birimlik ışığın örneğin %20’sini yansıtıyorsa albedosu 20’dir. Dünyanın albedosu 37 dir. Bunun anlamı, güneşten gelen ışığın %37’sinin yeniden uzaya yansıtılıyor olmasıdır. Dünyanın albedosu kara ve deniz yüzeylerinde farklıdır. Deniz yüzeylerinde daha çok güneşten gelen ışınların dalga boyuna bağlı olarak değişim gösteren albedo değerleri karalar üzerindeki farklı özelliklere bağlı olarak değişimler göstermektedir (Şekil 5). Karalar ve denizler arasındaki bu albedo farkı, önemli klimatolojik değişikliklere neden olarak kara ve deniz iklimleri adı ile tanınan iki zıt iklim tipini ortaya çıkarmaktadır.

Şekil 5. Dünyadaki karalar üzerinde albedo farklılıkları

Suların albedosu ise %2-78 arasında değişir. Güneş 90^o lik açı ile geldiğinde albedo %2, 2^o lik açı ile geldiğinde albedo %78 dir. Kara yüzeylerinde ise farklı yüzeylerin farklı albedoları vardır. Örneğin, taze kar örtüsünün albedosu %85-95, bir tarlanın %10-25, iğne yapraklı ormanın %6-19 arasındadır. Albedo değerlerindeki bu farklılık, yeryüzünün ısınmasında önemli rol oynar (Şekil 6).

Şekil 6. Farklı zeminlerin albedo değerleri

b) Yayılma (Difüzyon): Atmosferin alt tabakasından geçerken güneşten gelen ışında oluşan değişimlerden biri de yayılmadır. Bir ışın hüzmesinin küçük zerrelerden ve moleküllerden oluşmuş bir ortamdan geçtiği sırada, dik bir doğrultuda ayrılarak kırılmak ve çevreye yayılmak sureti ile maruz kaldığı değişikliğe yayılma denir. Gelen güneş ışınlarının bir kısmı atmosfer içindeki gazlar nedeniyle yayılır.
c) Emilme (Absorbsiyon) : Güneşten gelen radyasyon, dalga uzunluğuna göre seçici olarak meydana gelir. Atmosferde absorbsiyon yolu ile en fazla kayba uğrayan ışınlar, kısa dalgalı ışınlardır. Isı enerjisine sahip dalgalar bakımından ise atmosfer hemen hemen tamamen geçirgendir. Atmosfer gazları tarafından tutulan radyasyon enerjisi, atmosferin üst sınırına ulaşan miktarının %6’sıdır. Bulutlar tarafından absorbe edilen miktar ise %12-20’dir. Cisimlerin bu gelen enerjiyi tutma ya da emme özelliğine absortivite denir.

2.2 Yüksek Atmosfer Tabakalarında Oluşan Değişimler

Yüksek atmosfer tabakaları iyonosfer ve ozonosferdir. Daha önce de bahsedildiği gibi bu tabakalardan geçerek zararlı ışınlardan arınan güneş radyasyonunun geri kalan kısmı alt atmosfer tabakasına sokulur ve bu sırada radyasyonun uğradığı enerji kaybı, toplam radyasyon enerjisinin 1/3’ü kadardır. X ve γ ışınları iyonosfer katmanında tutulduktan sonra güneş radyasyonu ozonun bulunduğu stratosfer tabakasından geçer ve çeşitli reaksiyonlar sonucu değişime uğrar.

Ozon gazı, mavi, patlayıcı ve zehirli bir gazdır. Bir elektrik motorunun çalışmaya başlamasından veya yıldırım olayından sonra duyulan keskin koku, ozon gazına aittir. Doğal olarak, stratosferde ve yeryüzünden 25-30 km yükseltide bulunan ozon tabakası, oksijenin güneş ışığının etkisinde kalması sonucunda oluşmaktadır. Ozon, yeryüzeyinden başlayarak 60 km’lik bir tabakada bulunur. Bu tabakadaki ozon, yeryüzeyinde sıkıştırıldığında 3mm kalınlığında ve 3 milyar ton ağırlığında bir tabaka oluşturacak miktardadır. Troposfer katında az miktarda (0.02 ppm’den daha az) bulunan troposferik ozon tazelik ve ferahlık etkisi yaratmakla beraber derişimi artığında tüm canlılar için zararlıdır. Ömrü çok kısa olduğundan derişimi yerel olarak geniş aralıkta değişkendir ve bu değişimin gidişatını belirlemek zordur.
Atmosferdeki toplam ozonun %90’nının bulunduğu strotosferdeki ozon, güneşin canlılar için zararlı olan ultraviyole ışınlarını yutarak yeryüzündeki canlıları korur. Strotosferik ozon tabakasının, güneşten gelen toplam radyasyon miktarı üzerinde önemli etkileri bulunmaktadır. Güneşin yaydığı ultraviyole (UV) ışınları, yeryüzüne farklı dalga boylarında ulaşır. Bunların en kısa dalga boylusu olan UV-C, canlılar için çok tehlikelidir ve ozon tabakası tarafından tamamen yutulur. UV-B, daha az zararlı olduğu halde yine atmosferde tutulur. Uzun dalga boyuna sahip olan UV-A ise daha da az zararlıdır ve ozon tabakasından geçişine izin verilir. Ozon tabakası UV radyasyonunu absorbe ederek infrared (IR) enerjisi yaymaktadır. Böylece yeryüzüne ulaşan radyasyon enerjisi azalmaktadır. Bu olay iki aşamada oluşmaktadır. Birinci aşamada, stratosferik ozon tabakasında bulunan ozon molekülü UV’nin etkisi ile bir oksijen atomuna dönüşmektedir (formül 1).

O₃+UV O₂+O (formül1)
İkinci aşamada ise ozonun parçalanması ile oluşan ürünler yeniden birleşmekte ve IR radyasyonu meydana gelmektedir (formül 2).
O₂+ O O₃+ IR (formül 2)
Her iki aşamadaki tepkimeleri toplarsak (formül 3),

O₃+UV + O₂+O O₂+ O + O₃+ IR (formül 3)

gibi bir eşitlik ortaya çıkmaktadır ve sadeleştirme ile (formül 4)

UV IR (formül 4)

dönüşümünün sağlandığı kolaylıkla anlaşılabilir.

Bundan çıkan sonuç şudur: Stratosferdeki ozon, kimyasal tepkimeye girerek güneşten kaynaklanan UV radyasyonun bir kısmını IR enerjisi şekline çevirmekte, sonuçta ozon molekülünün kendisi yeniden oluşmaktadır. Ozon burada, bir katalizör görevi üstlenmektedir. Bu tepkimede tutulan UV, sadece canlılara zararlı olan kısa dalga boylu ışınlardır.
İnsan faliyetlerinden kaynaklanan olumsuz etkiler sonucu meydana gelen ozon katmanı tahribatı ile ilgili ilk bilgiler, 1974 yılında California Üniversitesi’ndeki bilim adamlarının atmosfere salınan bazı gazların ozon tabakasına zarar verdiğini ortaya çıkarmaları ile başlamıştır. Özellikle 1980’li yıllarda, önce güney sonra kuzey kutbunda belirlenen önemli incelme (ozon deliği olarak adlandırılmaktadır), ozon katmanının karşılaştığı tehlikeyi ortaya çıkarmıştır. Stratosferde azot oksitler, klor, hidrojen ve brom gibi maddelerin artması ozon miktarını azaltmaktadır. Tek bir klor ve brom atomu, yüzlerce ozon molekülünü yok edebilmektedir. Bu maddeler nükleer patlamalar, süpersonik uçaklar, güneşteki proton olayları, kloroflorokarbonların (CFC) kullanımı, volkanlar ve uzaya fırlatılan roketlerin çıkardıkları gazlar sonucunda ortaya çıkarlar. CFC gazının atmosfer içinde kalma süresi uzundur. Örneğin, CFC 113’ün atmosferik ömrü 90 yıldır. Bunun anlamı, bu molekülün 90 yıl boyunca ozon ile sayısız kez etkileşime girerek katmanın incelmesine neden olmasıdır. Yeryüzünde ne kadar CFC gazının üretildiği ve bunun ne kadarının stratosfere ulaştığı tam olarak bilinmediği için ozon tabakasının parçalanma ve incelme sürecinin matematiksel olarak tahmini konusunda zorluklar yaşanmaktadır. Ayrıca, bazı tarımsal ilaçların da ozon tabakasına zarar verdiği tespit edilmiştir. Özellikle, içlerinde bulunan metil bromid adlı kimyasal maddenin, ozon tabakasının zarar görmesinde %10 oranında sorumlu olduğu bilinmektedir.
Ozon katmandaki incelme, insanların özellikle CFC gazlarını kullanmaya başlaması ile gündeme gelmiştir. Önce soğutucu üretiminde kullanılan bu gazlar günümüzde; aerosollerde, poliüretan üretiminde, elektronik ve askeri amaçlarla çözücü ve temizleyici olarak kullanılmaktadır. Stratosfere ulaştıktan sonra yoğun UV enerjisinin etkisi altında kalan CFC gazları parçalanarak ozon molekülü ile etkileşime girmektedirler. CFC gazlarının UV radyasyonu etkisi altında kalarak parçalanması, C-Cl bağlarının kopması ile gerçekleşmektedir. Bunun sonucunda da klor atomu serbestlenmektedir. CFC gazları ile ozon molekülü arasında meydana gelen tepkimenin ilk aşamasında serbestlenen klor atomu, ozon ile tepkimeye girerek klormonoksit ve oksijen oluşumuna neden olmaktadır (formül 5). Sadece bir klor atomu, seri kimyasal reaksiyonlar sonucu stratosferden çıkartılmadan önce 100000 kadar ozon molekülünü yok edebilir. İkinci aşamada ise oluşan klormonooksit, yeniden bir seri tepkime sonucunda oksijen atomu ile birleşerek tekrar klor atomu ve oksijen gazı açığa çıkarmaktadır (formül 6). UV radyasyonun etkisinde kalan CFC gazların yapısında bulunan flor molekülü, oluşturduğu kuvvetli bağ nedeni ile klor molekülü gibi açığa çıkmamaktadır.
Cl + O₃ ClO + O₂ (formül 5)

ClO + O Cl + O₂ (formül 6)

Tepkimede kullanılan oksijen atomu da UV radyasyonunun oksijen gazı üzerindeki etkisi sonucu oluşmaktadır. Burada klor atomu, katalizör konumundadır (Şekil 7).

Şekil 7. Ozon molekülünün parçalanma süreci
Stratosferik ozon miktarındaki değişimler sonucunda:

1. 
   Stratosferik ozonun azalması ile büyük miktarda UV-B radyasyonu yeryüzüne ulaşır. Bu durum deniz yüzeylerindeki plankton ve benzeri mikroorganizmaları büyük ölçüde tahrip eder. Bunun sonucunda bozulan besin zinciri balıklardan insanlara kadar etkili olur.
   
2. 
   Ultraviyolenin artması nedeniyle azalan deniz fitoplanktonlarının CO_2’i tutmak işlevi azalacağından atmosferde CO₂ oranı artmaktadır.
   
3. 
   Ozon, yeterli miktarda alındığında, derideki ergosterolün D vitamini haline dönüşmesini sağlarken yüksek dozda alındığında güneş yanıkları ve deri kanserine neden olabilmektedir. Ozon miktarlarındaki %1’lik azalmanın deri kanserlerinde %2’lik artışa neden olacağı hesaplanmaktadır.
   
4. 
   UV-B, gözlerde problemlere, özellikle katarakt olaylarında artışa neden olacaktır.
   
5. 
   İnsan bağışıklık sisteminde meydana gelecek değişiklikler enfeksiyon hastalıklarında artışa neden olacaktır. Troposferik ozonun artması insanlarda astım gibi solunum hastalıklarına neden olabilecektir.
   
6. 
   UV-B miktarının artması tarımı da olumsuz etkileyecek, bitki büyümesi yavaşlayacak ve ürün rekoltesi düşecektir.
   
7. 
   Bazı yararlı mikroorganizmaların yok olmasına neden olacaktır.
   
8. 
   Troposferik ozon derişiminin artması, bu gazın aynı zamanda sera gazı olması nedeniyle atmosferin daha fazla ısınmasına neden olacaktır.
   

Ozon tabakasında incelmenin önlenmesi için alınması gereken önlemler arasında, bu katman için zararlı olan kimyasalların kullanımının yasaklanması ilk sırayı almaktadır. Birleşmiş Milletler Çevre Programı (UNEP) öncülüğünde 1992 yılında Montreal’de toplanan ve aralarında Türkiye’nin de bulunduğu 92 ülke ozon katmanının incelmesine neden olan gazların tüketimlerinin 2005 yılına kadar kademeli bir geçişten sonra tamamen durdurulmasını kararlaştırmışlardır. Gelişme sürecinde bulunan ülkelere ayrıca 10 yıllık ek bir süre tanınmıştır. 1985 yılında yaklaşık 650 000 ton/yıl düzeyine ulaşan CFC kullanımı, 1995 yılından sonra önemli oranda azalmıştır. Günümüzde Almanya, İsveç gibi ülkeler, ayrıca IBM, Toyota gibi büyük kuruluşlar CFC kullanmama kararı almışlardır. Yine de birçok ülkede bu gazların üretim ve tüketimi devam etmektedir. Bunun yanında, UNEP tarafından CFC gazlarının yerine kullanılacak sulu çözeltiler, hidrokloroflorokarbon, petrol türevleri gibi bazı alternatif maddeler de önerilmektedir.

2.3 Atmosferin Genel Enerji Blançosu
Güneşten gelen toplam enerjiyi, atmosfer ve yerküre üzerinde meydana gelen değişikliklere bağlı olarak, gelir-gider haneleri olan ve bir enerji blançosu şeklinde ifade etmek mümkündür. Küresel olarak denk kapanan bu blanço dünyanın farklı bölgelerinde, fiziki koşullar nedeniyle denk olarak kapanmayabilir. Atmosferin üst katmanlarında en fazla enerji kaybı yansıma ile, yeryüzüne ulaşan ışınlarda ise karşı radyasyonla atmosfere geri gönderilen uzun dalgalı radyasyonda olmaktadır (Tablo 2).

Atmosferin üst sınırı	Gelen ışınlar	Geri verilen ışınlar
Güneşten gelen ışınlar	100
Uzaya refleksiyonla verilen ışınlar (kısa dalga)		30
Uzaya difüz refleksiyonla verilen ışınlar (kısa dalga)		7
Yeryüzünden refleksiyonla verilen ışınlar (uzun dalga)		3
Yeryüzeyinden uzun dalga ışınlar (ışıma)		8
Atmosferden verilen uzun dalgalı ışınlar		50
Toplam	100	100
Atmosfer
Absorbe edilen güneş ışınları	15
Yeryüzünden gelen ısı ışınları	112
Yoğunlaşma ısısı (gizli ısı)	23
Karşı ışınlar (yeryüzüne doğru)		96
Uzaya giden ısı ışınları		50
Hissedilen ısı nakli		4
Toplam	150	150
Yeryüzü
Direk güneş ışınları (kısa dalga)	27
Difüz ışınlar (kısa dalga)	16
Karşı ışınlar (uzun dalgalı)	96
Hissedilen ısı nakli	4
Uzaya verilen ısı ışınları (uzun dalgalı)		8
Atmosfere verilen ısı ışınları (uzun dalgalı)		112
Buharlaşma sonucu ısı kaybı		23
Toplam	143	143

Tablo 2. Atmosfer ve yeryüzünün enerji blançosu