ATMOSFER VE GAZ KANUNLARI

Yeryüzü ve denizlerin üzerini kaplayan atmosfer basit bir gaz karışımı değildir. Denizden gökyüzüne yükselen su buharı bazen büyük kitlelere ulaşarak yağış olarak yeryüzüne döner. Bu hareketler dünyada yaşamın sürdürülmesinde temel desteği sağlar. Oksijen molekülleri gibi temel elementler enerji kaynağı olarak yaşamı destekler. Dünyanın doğal yaşamın sürdürülmesini sağlayan kısmı, biyosfer olarak adlandırılır. Atmosfer kozmik radyasyon ve termal etkilere karşı da koruyucudur. Bu koruyucu özelliğin kaybı durumunda dünyada yaşam büyük tehlike altına girer. Atmosferin yapısı: dünyanın dönüşü esnasında yerçekiminin etkisiyle, atmosferin içerdiği gazların sıcaklık, pozisyon ve basınçları korunur, atmosfer de dünya ile birlikte hareket eder. Atmosfer kalınlık, derinlik ve en önemlisi sıcaklık varyasyonlarına göre katmanlara ayrılmıştır. Troposfer: · Her 1000 feet irtifa çıkıldıkça sıcaklık 1,98 C derece düşer. · Su buharından yoğundur. · Havanın türbülans ve akımı geniş bir skalada olur. Yükseldikçe sıcaklığın düşmesi temperature lapse rate teorisi ile açıklanır. · Sıcaklık düşüşü tropopoz da sonlanır. Sıcaklık düşüşleri enlemlere ve yılın belli zamanlarına göre değişiklik gösterir. Bu değişiklikler solar ısınma ve atmosferik gazlar sayesinde olur. · Tropopoz tabakası ekvatorda 58.000 feet de iken, kutuplarda 26.000 feet irtifadadır. Deniz seviyesi sıcaklık +15 C derece kabul edildiğinde ekvatorda tropopoz -83 C, kutuplarda -53 C derecedir. · Meteorolojik olaylar bu katmanda oluşur. Stratosfer: · İzotermal mesafe olarak adlandırılan kısmında sıcaklık -56 C derecede sabitlenir. · Su buharı yok kabul edilir. · Tropopozdan itibaren 158.000 feet irtifaya (stratopoz) kadar olan mesafe yüksek statik özellik gösterir. · İzotermal alandan itibaren yükseldikçe sıcaklık artar. 90.000 feet irtifa boyunca artış sürer ve stratopoz tabakasında -3 C derecede artış sona erer. Stratosferin 40.000–140.000 feet mesafeleri ozon içermektedir ve ozonosfer olarak adlandırılır. Ozonosfer güneşin UV ışınlarından yeryüzünü korumaktadır · Sıcaklık sayesinde bu bölgede serbest iyonlar ve oksijen molekülleri atmosfere salınır. Mezosfer: · Hızlı sıcaklık düşüşüyle karakterizedir.Özellikle kutuplarda etkilidir. · Sıcaklık -3 C den -110 C dereceye düşer. (290.000 feet’de) Termosfer: · Atmosferin en üst bölgesidir. Güneş hareketlerine bağlı sıcaklığın artması ile karakterizedir. Gece 227 C olan sıcaklık, güneşle birlikte 1700 C dereceye ulaşır. Fakat bu sıcaklık etkin değildir, rahatsızlık vermez. · Termosferin üst limiti 600 km dir. · İonosfer bir bölümünü oluşturur. Uzun dalga boylu elektromanyetik dalgalar ionosferdedir ve radyo dalgalarının iletiminde bu katman görevlidir. İonosfer güneşin 11 yıl süren siklik hareketleri ile oluşmuştur. Exosfer: Dünyanın en dış bölgesidir, gerçek uzay olarak adlandırılır. Gezegenler arası gazlardan kompozisyonu ayırt edilemez.Helyum ve hidrojen iyonlarından oluşur. Derin uzayın izotermal tabakası olarak nitelendirilebilir. Atmosferin içeriği: Deniz seviyesinden 300.000 feet irtifaya kadar atmosferin içeriği gösterilebilmektedir. Nitrojen, oksijen, argon, karbondioksit, neon ve helyum karışımından oluşmuştur. 350.000 feet irtifa altında ozonun UV ışınlardan koruyucu etkisi vardır ve oksijen molekülleri yoğundur. Ozon 100.000 feet de en yüksek değerine ulaşır. Deniz seviyesinde 0,3 ppmv, 100.000 feet de 10 ppmv değerindedir. Mavi unstabil bir gazdır ve atmosfer üst kısımlarında güneşin kısa dalga boylu ultraviyole ışınlarıyla (200 nm) moleküler oksijenin irradiasyonu sonucunda oluşur. Ozon özellikle respiratuar sistem üzerine yüksek toksik etkilidir. 20.yüzyılın başlarında ozona 0,6-0,8 ppmv dozda 2 saatlik maruziyetin vital kapasite ve zorlu ekspiratuar volümü düşürdüğü, CO difüzyon kapasitesi kaybına ve alveoler ödeme neden olduğu varsayılmaktaydı. 1 ppmv nin akciğer irritasyonu, 10 ppmv nin fatal pulmoner ödem yaptığı savunulmaktaydı. Kabin havalandırma sistemlerinden ozon geçişinin engellenemediği uçaklarda ozonosfer altı irtifalara inilerek toksik etkilere karşı tedbir alınması gerekmektedir. Atmosfer fiziği: · Atmosferik basınç dünya yüzeyinden irtifa aldıkça düşmektedir. · Gazlar sıkıştırılabilir özellikte olduğundan basınç düşmesi ile birlikte dansiteleri de düşmektedir. · Lokal basınç değişiklikleri sıcaklık ile birlikte gerçek değerlerinden sapmalar gösterebilmektedir. · İrtifa fizyolojisinin değerlendirilmesinde dansiteden ziyade basınç önemlidir. · Deniz seviyesi basınç 760 mmHg iken, 18.000 feet de 380 mmHg, 33.700 feet de 190 mmHg dır. · Atmosferin üst kısımlarına doğru gazlar genişler ve moleküllerin kendi aralarında çarpışma frekansları azalır. 262.000 feet de( von Karmen Line) basınç düşmesine bağlı gazların aerodinamik güçleri azalır. Bu mesafede hava araçlarının manevra kabiliyetlerini sürdürebilmeleri için ilave roket ve reaksiyon jetleri gerekir. · Exosfer üzerinde ışık partikülleri yüksek bir hızla uzay boşluğuna doğru hareket eder. · 1700 mil.de ( 2735 km) dünyanın çekim kuvveti yarıya düşmektedir. · Normalde irtifaya çıkıldıkça sıcaklık düşmelidir. Fakat bu durum varyasyonlar göstermektedir. (tropopozda olduğu gibi) · İyonize radyasyon uzaydan dünya yüzeyine doğru oluşan devamlı akımlar nedeniyle giderek azalır. Solar kozmik radyasyon ve galaktik kozmik radyasyon gibi örneklerle, subatomik yüksek enerjili partiküler radyasyon kendi güneşimiz harici yıldızlar kaynaklı da olabilir. %79 proton, %20 alfa partikülleri ve %1 ağır atomların nükleuslarından oluşur. İlk iyonize radyasyon atmosferin üst kısımlarından hızlı bir şekilde ışıkla girer. Atomların partiküllerinden primer radyasyon oluşur. 60.000-120.000 feet irtifalarda ise proton, nötron, elektron, meson ve gamma ışınlarının neden olduğu sekonder radyasyon meydana gelir. Sekonder radyasyon atmosferin alt bölgelerine penetre olur ama dünya yüzeyine çok azı ulaşır. · Sekonder radyasyon düşük enerjili olmasına karşın daha kuvvetli iyonizandır. · Yüksek doz iyonize radyasyona maruziyet riski uzay araçlarında ve yüksek irtifa uçaklarında artmaktadır. Mars görevi ve uzay istasyonu gibi çalışmalar nedeniyle astronotlar iyonize radyasyona karşı dikkatli olmalıdır. Standard atmosfer: Birinci Dünya savaşı sonrası 1924 yılında uluslar arası hava navigasyon komitesi tarafından ilk kez standard atmosfer kabul edilmiştir. Basınç ve irtifa arasındaki basit kanunlar bu standartta kullanılmıştır. Askeri ve sivil havacılıkta 1964 yılında ICAO tarafında kabul edilen Standard kullanılmaktadır. 1986 yılında geliştirilmiştir. Sıcaklık irtifa ilişkisi de göz önünde bulundurulmuştur. Gerçek atmosferin sıcaklık ve basınç karakteristikleri 45. Kuzey enlemi üzerinde gösterilmiştir; · Hava kurudur, irtifalarda yerçekimi sabittir. Atmosfer basıncı deniz seviyesinde 760 mmHg, atmosferik dansite 1.225 kg/m3 , atmosferik moleküler hava kitlesi 28.9644, yerçekimi akselerasyonu 9.80665 m/ s2.dir sıcaklık deniz seviyesinde +15 C,36.089 feete kadar ısı lapse değeri her 1000 feet için +1.98 C derecedir.Tropopozunun yüksekliği deniz seviyesinden 36.089 feettir.Stratosferin izotermal mesafesi 36.089-65616 feet arasıdır ve sıcaklık -56.5 C derecedir.Gerçekte sıcaklık ve irtifa arası ilişki mevsimlere ve enleme göre değişiklik göstermektedir. İrtifaların ölçülmesi: 1- Basınç İrtifası : Standart düzlem üzerindeki irtifadır. Amerikan Standart Atmosfer tablosunda gösterilen basınçlar basınç irtifalarıdır. İnsan vücudu fizyolojik olarak basınç irtifasına cevap verir. Deniz seviyesi değerleri ısı +15 0 C ( +59 ° F ) ve basınç 760 mmHg veya 29.92 in / Hg Standart düzlem deniz seviyesi üzerindedir. 2- Gerçek İrtifa ( True Altitude ): Bir nesnenin ortalama deniz seviyesine (MSL) göre olan yüksekliğidir. Genellikle 18.000 feet altındaki uçuşlar için kullanılır Standart bir günde basınç irtifası ile gerçek irtifa birbirine eşittir. 3- Mutlak İrtifa ( Absolute Altitude ): Hava aracının direkt altındaki yere olan mesafesidir. Yeryüzü şekli,arazi değiştikçe bu değer değişir. Yeryüzü seviyesinin üzerindeki irtifa (AGL) olarak ifade edilen mutlak irtifa atlama ve kurtulma için gerekli minimum uçak irtifasını göstermek için kullanılır. 4- Standart olmayan günler için hakiki irtifa düzeltilemez. Atmosferin fizyolojik bölgeleri: 1-Fizyolojik bölge (0-10.000 feet): · İnsan vücudu fizyolojik olarak adaptedir. · Barometrik değişikliklere bağlı şikayetler olur. · Solunum yetersizliği, baş dönmesi, bulantı şikayetleri görülür. · Barometrik basınç 760 - 523 mmHg arasındadır. 2 - Fizyolojik olarak yetmezlik çekilen bölge (10.000-50.000 feet): · Oksijen eksikliği dolayısıyla oksijen kullanma zorunludur. · Dekompresyon problemleri (18-30 bin feette özellikle) oluşur. · 40.000 feet % 100 oksijenle uçulabilecek azami irtifadır. · Hava sıcaklığındaki düşüşe karşı tedbir alınmalıdır. · Barometrik basınç 523 - 87 mmHg arasındadır. 3 - Uzay-Eşdeğer Bölge (50.000 feet-120 mil): · Sealed kabinler veya basınçlı elbiseyle korunma gereksinimi doğar. · % 100 basınçlı O2 solunması uzun süre hipoksiden koruyamaz. · Amstrong hattı (63500 feet) vücut sıvıları kaynamaya başlar, vücutta basınçlı elbise yoksa yanıklar oluşur, su buharını alamaz ve veremez. · Atmosfer basıncı 46mmHg’dır. · 80.000 feet üzeri sealed kabin kullanılır. Gaz kanunları: Gazların davranış özelliklerini ele alan fizik kanunları basınç ve sıcaklık değişikliklerine karşı gazın hacminde oluşan değişiklikleri, çözelti içindeki davranışını ve difüzyon yeteneğini tanımlar. Hava bir karışım olduğundan her bir gaz bağımsız hareket eder. Gaz kanunları hem karışıma hem de tek başına gazlara etki eder. Boyle kanunu: Sabit sıcaklıktaki bir gazın hacmi maruz kaldığı basınçla ters orantılıdır.
P1 . V1 = P2 . V2
P1 = Gazın başlangıçtaki basıncı (mmHg,PSI) V1 = Gazın başlangıçtaki hacmi lt. - cm3 P2 = Gazın sonuçtaki basıncı V2 = Gazın sonuçtaki hacmi Boyle Kanunu vücuttaki gaz genişlemelerini izah eder. Vücudun içi boş organlarındaki gaz genişlemesi hesaplanırken vücut sıcaklığında mevcut su buharı basıncı olan 47 mmHg için bir düzeltme yapılmalıdır. Dalton kanunu: Bir gaz karışımında her bir gazın basıncı karışımdaki diğer gazlardan bağımsızdır ve karışımınn toplam basıncı , karışımdaki her bir gazın parsiyel basınçlarının toplamına eşittir .
Pt = P1 + P2 + P3 +……..+ Pn
Pt = Gaz karışımının toplam basıncı P1 , P2 , …. = Karışımdaki her bir gazın parsiyel basıncı Bir gazın parsiyel basıncı , her bir gazın yüzdesinin ayrı ayrı toplam basınçla çarpımıyla bulunur . n = karışımı oluşturan gazların toplam sayısı Atmosferin temel olarak azot ve oksijen karışımından oluştuğu düşünülürse
Pt = PN2 + PO2
Pt = herhangi bir irtifadaki toplam atmosfer basıncı PN2 = o irtifadaki parsiyel azot basıncı (% 79 Pt) PO2 = o irtifadaki parsiyel oksijen gazı basıncı (% 21 Pt) Dalton Kanunu hipoksi olaylarını açıklar , irtifa arttıkça parsiyel oksijen basıncı düşer . Henry kanunu: Bir sıvının içinde kimyasal reaksiyona girmeden çözünmüş olan gazın miktarı , sıvının üzerindeki gazın parsiyel basıncı ile doğru orantılı olarak değişir .
P1 / P2 = A1 / A2
P1 = Gazın başlangıçtaki parsiyel basıncı A1 = Solüsyon içindeki gazın başlangıçtaki miktarı P2 = Gazın sonuçtaki parsiyel basıncı A2 = Solüsyon içindeki gazın sonuçtaki miktarı Çözünen gazın mutlak miktarı parsiyel basınca ve gazın o sıvıdaki çözünürlüğüne bağlıdır. Gazların çözelti içindeki mutlak miktarı çözünürlükleriyle doğru orantılı olarak farklılık gösterir. Henry Kanunu vücut sıvıları içinde erimiş halde bulunan gazların genişlemesiyle ortaya çıkan decompresyon hastalıklarını açıklar . Gazların difüzyonu kanunu: Yarı geçirgen bir zar arkasında bulunan bir gazın yüksek konsantrasyonda(parsiyel basınçta) olduğu bir taraftan daha az konsantrasyonda olduğu bir tarafa doğru hareket etmesi (difüze olması) olayıdır . Bir karışımın içindeki gazların her biri bağımsız hareket eder ve böylece aynı yerde bulunan farklı gazların parsiyel basınç gradiyentleri farklı yöndeyse zıt yönlere difüze olacaklardır. Vücuttaki gaz transferini (oksijen, karbondioksit) açıklar. Charles kanunu: Bir gazın basıncı, hacmi sabit kalmak koşuluyla ısısıyla doğru orantılı olarak değişir ; bir gazın hacmi , basıncı sabit kalmak koşuluyla ısısıyla doğru orantılı olarak değişir .
P1 / P2 = T1 / T2 veya P1 . T2 = P2 . T1 (Hacim sabitse)
P1 = Gazın başlangıçtaki basıncı T1 = Gazın başlangıçtaki mutlak ısısı P2 = Gazın sonuçtaki basıncı T2 = Gazın sonuçtaki mutlak ısısı Mutlak Isı hesaplanırken Kelvin tablosundan yararlanılır,celcius ( C ) derecesi kelvin (K) birimine çevrilir. K = C +273,18 Charles Kanunu oksijen tanklarındaki durumu açıklar. Avogadro kanunu: Eşit sıcaklık ve hacimdeki gazlar eşit sayıda sayıda molekül içerirler. 760 mmHg ve 20 0C’da 1 litre 02 aynı şartlarda 1 litre CO2 ile tam olarak eşit sayıda molekül içerecektir. Fick’s kanunu: Gazların dokulara difüzyonunu açıklar, sıvı membranlardan gaz geçişi; · İki ortam arası basınç farkıyla doğru, · Difüzyon alanıyla doğru, · Membranın kalınlığıyla ters orantılıdır. Graham’s kanunu: Gazlar iki ortam arasında farklı konsantrasyonlarda, tek başlarına ya da karışım halinde bulunduklarında, parsiyel basınçları ile doğru, molekül ağırlıkları ile ters orantılı olarak diffuzyona uğrarlar. Çözünebilirliği iyi olan gaz, daha hızlı diffüze olur.