KONVEKSİYON
Konveksiyonu anlamak için bir tencerenin içindeki suyu ateşe koyup ısıtmak yeter. Bu olay, günlük yaşantımızın bir parçasını oluşturmanın ötesinde, termodinamiğin en önemli konularından biridir. Konveksiyon, laboratuvarlarda yaratılan mikroskobik simülasyonlardan, atmosferde gerçekleşen makroskobik hareketlere varıncaya kadar her ölçekte gerçekleşmektedir. Bazı düşünürler, Dünya üstündeki yaşamın ortaya çıkış nedenlerinden birinin de konveksiyon olduğunu ileri sürmüştür.
«Konveksiyon» sözcüğü, XIX. yy’da, akışkanlar içinde gerçekleşen ısı değişimini ifade etmek için ortaya atıldı. Bu terim tamamen teknik bir kavramı ifade etmekle birlikte bize hiç de yabancı olmayan bir mekanizmayı anlatmak için kullanılır: suyu on dakika süreyle kaynattığımızda veya bir yemeği gerektiği gibi pişirdiğimizde, bunu bize sağlayan konveksiyondur. Konveksiyon aynı zamanda büyük sistemlerin içinde gerçekleşen değişim mekanizmasıdır. Konveksiyon, (levha tektoniği sonucunda) kıtaların yeryüzünde devinmesinin nedenidir ve büyük bir olasılıkla başlangıçtaki oluşumu sırasında evrenin yapısının bir kısmını da o belirlemiştir. Latince cum, «ile» ve vectus, «taşınan» sözcüklerinden oluşan bu terim, sözcük anlamıyla «ile taşınan» demektir. Bu ilk anlam, bazı bilimsel tasvirlerde, hareket halindeki maddenin nasıl bir enerji biçiminin, yüklü parçacıkların, mıknatıslanmaların veya başka fiziksel özelliklerin taşıyıcısı haline gelebildiğini açıklamak için kullanılır. Bu olay, örneğin bir akışkanın elektrik yükünü veya mıknatıslanmayı taşıdığı durumda ortaya çıkar. Bu durumda, elektrik akımının konveksiyonundan veya manyetik alanın konveksiyonundan söz edilir. Bununla birlikte, sözcüğün kökeninden türetilmiş anlamıyla en yaygın biçimde kullanılışı özellikle, ismin, mekanik dengesizlik halindeki bir akışkan tarafından taşınması’m ifade eder. Bu dengesizlik, fiziksel iki nedenin bir araya gelmesiyle ortaya çıkar: sıvının bir bölümünün yerel olarak ısıtılması ve yerçekimi. Konveksiyondaki kararsızlık mekanizması söz konusu olduğunda, «konveksiyon» sözcüğü, durumlara göre ısı değişimlerini, akışkanın kendi hareketini veya hareketin dikey yönelimini ifade edebilir. Bu son biçi-
miyle, akışkanın yatay hareketini ifade eden «adveks: cüğüyle ters anlamda kullanılmış olur.
ISI NEDİR?
Bir cisme dokunduğumuz zaman hissettiğimiz sıc soğukluk izlenimi öncelikle şöyle ifade edilir: «Bu cisi çünkü sıcaklığı benim parmaklarımın sıcaklığından sektir, o yüzden de sıcaklığını bana aktarıyor» (cisin bunun tersini söyleriz). Bu durum, nitelik düzeyindi sürece doğrudur, ama ısının mikroskobik ölçekte gösfc sini sağlamaz. Bu konuda bilim adamları tarafmdaı boyunca basit, sezgisel (dolayısıyla da sınırlı) bir ima gelmiştir. Buna göre ısı, bir akışkana benzer, sanki o c kandır. Bu akışkan, iki malzeme temas haline geldiği şik kaplarda suyun bir kaptan ötekine akması gibi, bu lerin içinde birinden ötekine geçebilir. Carnot’un. Boltzman’ın ve daha başka bilim adamlarının yaptıkla lar sonucu bu düşünce XIX. yy’da yerini daha soyut b bıraktı: termodinamik tanımlamaya göre ısı, iki cisi: olası enerji değişimi türlerinden biridir. Bu değişim sır; konusu iki cisim arasındaki sıcaklıklar dışında, hiçbir i yüklük (hacim, kütle, mıknatıslık…) değişime uğrama
ISI TAŞIMA MEKANİZMALARI
Isı, konveksiyon akımları tarafından taşınabilir, a: manın tek yolu bu değildir. Isı, ışıma veya iletim (ko: yollarıyla da taşınabilir; ne var ki bu ısı taşıma türler rak, konveksiyona oranla çok daha etkisizdir.
Işıma
Işıma, ısının elektromanyetik dalgalar aracılığıyla \ rüdür. Bunların dalga boylan, görünen ışığın dalga t olabilir veya olmayabilir. Güneş, enerjisini bu şek Dünya bu enerjinin çok küçük bir bölümünü alır. Taı ışıma en hızlı yayılma türüdür, çünkü görelelik kuran diği en yüksek hızda gerçekleşir. Bu en yüksek hız, : Her cisim, ışıma şeklinde enerji yayar. Bu enerji, söz simlerin mutlak sıcaklıklarının 4. kuvvetiyle orantıln Boltzman yasası). Sıcaklığı 1 000 °C’ye ulaşan, yanı caklığı 1 273 K olan bir ateşin ışıma yoluyla yaydığ odayı kısa sürede ısıtmaya yeterlidir; fakat sıcaklığı ( mutlak sıcaklığı 333 K olan bir radyatör, öncekinin y katı daha az enerji yayar! Bu enerji üstelik, odanır doğru kısmen ışımasının da etkisinde kalır, ki bu da caklığı hatırı sayılır ölçüde düşürür. Sonuç olarak bu ; rü gerçek olarak ancak 500 °C’nin üstünde bir ısı kayr nusu olduğu zaman etkili olur. Daha düşük kaynak ğında, yayılan enerji dalgası çok zayıf kalır.
İletim
Isı, bir katı içinde veya denge halindeki bir akış atomların ve moleküllerin kendi çevrelerinde yaptıkl, ler sonucu derece derece yayılır. Katı bir cisim içinde nellikle düzenli biçimde dizilmiştir. Bu durumda, cis: leştiği söylenir. Atomların titreşimleri, gergin bir teldi bi, çok çabuk yayılır. Isının yayılması, bir otoyolda g
BİR KATMANLAŞMA DENEYİ
Özdeş üç buz parçası aynı anda, içinde sırasıyla su, alkol bulunan üç bardağın içine konur. Bu buz parçaiannın erin de bulundukları sıvı etkileyecek midir? Bu sorunun kesin o vabı evettir! Burada temel £aktör, buzun erimesiyle ortay; yun 0 derecedeki yoğunluğundan farklı yoğunluğun yol veksiyon akımlannın varlığıdır.
İçinde tatlı su bulunan bardakta, yalnızca sıcaklık far! gelen bu yoğunluk farkı bir mekanik dengesizlik yaratır: < yoğunluğa sahip sıvının üstünde bulunan daha yüksek yo( hip sıvı, konveksiyonun meydana gelmesine yol açar.
İçinde alkol bulunan bardakta bu dengesizlik esas ole düşük yoğunlukta olmasından ileri gelir. Bu sıvının içind< yon akımlan çok şiddetlidir ve etkin bir kanşma meydar hızlı bir erimeye yol açar.
içinde tuzlu su bulunan bardakta, önceki durumların te korunur. Bu sıvının içinde akışkanların katmanlaştığı gözl erimesiyle ortaya çıkan su, sıvının yüzeyinde birikir ve ke yan bir zar oluşturur. Bu zarın kalınlığı zamanla artar. Do buz daha yavaş erir ve soğuk tatlı su tabakasının oluştun bölgenin varlığını uzun süre korur.
Bu deney çok anlamlıdır: erime hızları çok değişik olan larının aldığı son biçim, süreçlerin geometrisini gözler önı
Mantodaki konveksiyon hareketlerinin simiiiasyonu.
Bu model, Yerküre’yi saran mantonun davranışının tutarlı ve gerçekçi biçimde incelenmesini sağlar.
İÇİNDEKİLER
ISI NEDİR? ISI TAŞIMA MEKANİZMALARI GÜNLÜK YAŞAMDA KONVEKSİYON ATMOSFER DOLAŞIMI KITALARIN YER DEĞİŞTİRMESİ AÇIK SİSTEMLERİN KENDİLİĞİNDEN YAPILANMASI MIKROÇEKIM DENEYLERİ
lduğu gibi, hiçbir engelle karşılaşmadan gerçekleşir. Buna : bir sıvının içinde moleküller düzensizdir, bu nedenle de ‘ayılması, moleküllerin düzensizliği nedeniyle sürekli ola-jellerle karşılaşır. Otoyolda giden araba örneğine dönecek :, bir sıvının içinde gerçekleşen ısı iletim mekanizması, /ıda kavşak noktasıyla ve trafik lambalarıyla kesilen bo-
• yolda giden arabaya benzetilebilir. Demek ki, denge ha-bir sıvının içinde ısının iletim yoluyla yayılması özellikle gerçekleşir. Isının 10 m’lik bir yol alabilmesi için, ısı için madde için olsun yaklaşık on günlük bir süre gerekir. Böy-kışkamn içinde karışımlar, dolayısıyla da değişimler çok ürelerde gerçekleşir.
nveksiyonun kararsızlığı ilkesi
teşin dumanı neden yükselir? Bu bize çok doğal gelir, oy-nal olarak yerçekiminin etkisinde kalması gerektiği düşü-:, ters bir durum söz konusudur. Normal olarak dumanın :i parçacıkların yere düşmesi gerekirdi. Gerçekte bu par-rın yukarı doğru çıkmasına neden olan, dumanın içinde yönelen bir gaz akımının meydana gelmesidir. Isınan gaz niş durumdadır, dolayısıyla yoğunluğu çevresindeki at-den daha düşüktür, bunun sonucu olarak da Arhimedes ıvvetinin etkisi altındadır. Bu kuvvetin etkisi, sıvının içine mış bir katı cismin etkisinde kaldığı kuvvede aynıdır: gaz doğru itilir. «Konveksiyonun kararsızlığı» denen bu ola-ydana gelmesi için bazı koşulların yerine gelmesi gerekir: ;anın yerçekiminin etkisinde olması gerekir; canın iki noktası arasında sıcaklık farkı olması gerekir; :aklık farkının doğru yönde gerçekleşmesi gerekir (akışka-bölümünün daha sıcak, dolayısıyla yoğunluğunun daha ası gerekir; yoksa, durum kararlılığım korur ve hiçbir ha-ıeydana gelmez);
caklık farkının aynı zamanda en düşük değerde olması ge-i bu değere kritik değer adı verilir. Bu değerin altında, akış-iskozitesi her türlü hareketin gerçekleşmesini engeller, oşullardan ilk üçü, uygulamadan kaynaklanan nitel tes-r. Niceliksel olan dördüncü koşul ise, akışkanın içinde rıa gelen hareketler hakkında daha kesin açıklayıcı özel-sahiptir. Mesela, bir sıcaklık farkının etkisinde kalan bir un içinde genel olarak birbirinden farklı üç hidrodinamik iş grubu gözlenir.
klik farkı az olduğunda. Bu durumda, akışkanın içinde-üksek sıcaklık ile en düşük sıcaklık arasındaki fark kritik in, yani konveksiyonun ortaya çıkmasına neden olan eşi-ndadır. Dolayısıyla bu farkın altında kalan değerlerde l hareketsiz kalacaktır. Bu rejimde ısı, ışıma veya ısı ileti-ıyla yayılır ve ısı değişimleri çok yavaş gerçekleşir. Akış-;u zaman «katmanlaşmış» durumdadır: akışkanın içinde, eri (sıcaklık, farklı elemenderin yoğunluğu…) aym olma-:ay katmanlar meydana gelir ve bunlar birbirine çok ya-ışır.
Sıcaklık farkının orta değerde olması durumunda. Konveksiyon, akışkanın içinde çok düzenli hareketlerde meydana gelir. Bu duruma katmanlı konveksiyon denir. Bu durumda konveksiyon akımları hücreler halinde yapılanmıştır. Bu yapıların biçimleri, sıvının içindeki sıcaklık farkına ve sıvının geometrisine göre değişir. Bu rejime «Rayleigh-Benard kararsızlığı» adı verilir. Bu ad, bu olayı ilk kez gözleyen (Benard) ve ilk kez kuramsal olarak açıklayan (lord Rayleigh) fizikçilerin adlarından gelir.
Sıcaklık farkı kuvvetli olduğunda. Burgaçlarıma ortaya çıktığında akışkanın içindeki hareketler çok karmaşık hale gelir, daha sonra, sıcaklığın yükselmesi oranında da çok düzensizleşir. Bu, burgaçtı konveksiyon rejimidir.
GÜNLÜK YAŞAMDA KONVEKSİYON
Konutların ısıtılması, konveksiyonun temel rol oynadığı, alışılagelmiş bir olaydır. Ne var ki bu olay, işin içine bir sıvının girdiği her durumda söz konusudur. Çevremizde çok sayıda akışkan bulunur ve günlük yaşamımızda konveksiyon olayı önemli bir yer tutar, ama biz çoğu zaman bunun farkına varmayız. Atmosferde olduğu gibi, evimizin içindeki hava, çaydanlığın içindeki veya banyo küvetindeki su, akarsular ve deniz suyu çevremizde sık rastladığımız akışkanlardır. Bunların karışımı ve ısı değişimleri çoğu zaman konveksiyonla gerçekleşir. Mesela uyuduğumuz sırada, dışarı soluduğumuz hava çok kısa süre içinde konveksiyon hareketleri (ve soluk alışımızın oluşturduğu hareketler) sayesinde taze havayla karışmasaydı, boğulmamız kaçınılmaz olurdu.
Bu durumda, bir başka ölçekte, bir şehrin «soluk alması» için de geçerlidir. Arabalardan çıkan egzoz gazları ve sanayinin yol açtığı kirliliklerin, atmosfer hareketleri aracılığıyla kısa sürede boşaltılması gerekir; bu olmadığı takdirde hava solunmaz hale gelir. Genel olarak doğa her şeyi ayarlamaktadır: sıcaklık, alçak kesimlerde daha yüksek olduğundan, söz konusu boşaltmayı konveksiyon akımları sağlar. Bazen bu durumun tersi de gerçekleşebilir. Özellikle yerleşme bölgelerinin üstünde meteorolojik koşullar ters termik gradyan denen durumu yaratır. Atmosferin sıcaklığı, yerden birkaç yüz metrelik bir yükselti içinde ısınabilir. Toprak yüzeyindeki havanın yoğunluğu yükseklerdeki havanın yoğunluğundan daha yüksektir, bu da hava katmanlarında bir hareketsizlik yaratır ve havada kirliliğe yol açan etkenlerin o yöreden boşaltılmasını engeller. Kirli hava tabakaları şehrin üstünde asılı kalır. Şehrin üzerinde birikip katmanlaşarak bazen (Meksiko şehrinde görüldüğü gibi) şehirde yaşayanlar için tehlikeli bir durum alabilir.
Şayiam bir kap içinde ısıtılan renkli iki sıvı, konveksiyon akımlannın görülür hale gelmesine olanak sağlar. Sıvılann birbirine kanşmasmı bu sayede izleyebiliriz.
Bulut sistemlerinin oluşması
sıcaklık ve basınçla yakından ilgilidir. Dolayısıyla da bu oluşumlarda önemli konveksiyon hareketlerine tanık oluruz.
Bir okyanusun lallı sularla kirlenmesi. Okyanuslarda katmanlaşma genel bir olgudur, çünkü yüzeye yakın kesimdeki termik gradyan tersine dönmüş durumdadır: bu kesimdeki su, derinlerdeki sudan daha sıcaktır. Katmanlaşmanın bir başka nedeni de tuzlu suyun yoğunluğudur. Tuzlu suyun yoğunluğu, aynı sıcaklıktaki tatlı suyun yoğunluğundan daha yüksektir. Bir nehir suyuyla bir okyanusun suyu, konveksiyon veya mekanik bir hareket meydana gelmeksizin çok uzun bir sürede birbirine kanşabilir.
RAYLEİGH SAYISI
Birbirinden çok farklı iki fiziksel sistem içinde meydana gelen bir olayı incelemek için fizikçiler boyutsuz sayılar oluştururlar. Bu sayılar, ele alınan sistemin ayrıntılarından bağımsız sayılardır. Konveksiyon olayının söz konusu olduğu durumda, sistemin davranışı Ray-leigh sayısıyla açıklanır:
– L, karakteristik boyuttur (örneğin sıcak ve soğuk noktalar arasındaki mesafe);
– dT, sıcak ve soğuk noktalar arasındaki sıcaklık farkıdır;
– b, k, Cp ve v, sırasıyla hacim genleşme katsayısı, ısıl iletkenlik, özgül ısı ve akışkanın viskozitesidir;
– Fg, yerçekimi ivmesidir. Rayleigh sayısı (Ra), bu büyüklüklerin aşağıda görüldüğü biçimde bağıntı oluşturmasıyla elde edilir:
gbi3 c/r
a kv Konveksiyonun kuramsal incelemesi, minimal bir değerin ortaya çıkmasına yol açar. ile ifade edilen bu kritik Rayleigh sayısı’run değeri 1 700’dür. Bu değerin üstünde, konveksiyonun gerçekleşmesi gerekir.
ATMOSFER DOLAŞIMI
Konveksiyon, farklı hava tabakaları arasında ısı değişimiyle madde değişimini (su buharı, nadir gazlar…) gerçekleştirerek atmosferde önemli bir rol oynar. Atmosfer içindeki basınç, yüksekliğe göre değişir (bu basınç her 6 km’de yarıya düşer), bu da konveksiyonun oluşum koşullarım değiştirir.
Küçük hacimli bir hava küdesi yerden 100 m yükseldiğinde basıncı yüzde 1,6 değerinde düşer. Çevresiyle ısı değişimi gerçekleştirirse (bu durumda bu hava küdesinin adiyabatik dönüşüme uğradığı söylenir, ki bu genel olarak olumlu kabul edilir), hacmi yaklaşık olarak yüzde 1,2 oranında artar, sıcaklığı da bu genleşme dolayısıyla yaklaşık 1 °C düşer. Bu hava kidesi daha soğuk bir çevreyle karşılaşacak olursa, daha da yükselme eğilimi gösterir; bir başka deyişle, bu küde içinde konveksiyon hareketleri meydana gelmeye başlar. Bunun tersine çevre, bu hava kütlesinden daha sıcaksa, daha yoğun olan hava küdesi, ilk durumuna dönme eğilimine girer. Dolayısıyla, konveksiyonun belirli eşiği, doğal olarak yükseklikle değişen basınç farkıyla bağlantılı olarak sıcaklık değişimine bağlıdır. Bu değer (yaklaşık 100 m için 1 °C), bu koşullarda bir anlam ifade etmeyen Rayleigh ölçeğiyle hesaplayabileceğimiz değerden çok daha yüksektir.
Hücre, kabarcık ve sütun halinde konveksiyon. Atmosfer, Benard hücrelerinin oluşmasına elverişli sıcaklık farklarının etkisinde kalan bu akışkan tabakasının geometrik koşullarını a priori bir araya getirir. Pratikte, konveksiyon yapıları çoğu zaman düzensizdir. Bu düzensizlik, iki temel nedene dayanır. Birincisi, havanın çok düşük hızda hareket etmesi durumunda, saniyede birkaç milimetre dolayında burgaçlarıma rejimlerinin ortaya çıkmasıdır. ikinci neden de yeryüzeyinin, konveksiyon akımlarının geometrisini belirleyen engebeleridir. Ama düzenli hücreler halindeki konveksiyon rejimleri, yaygın veya rulolar halindeki bu-luüar, ancak bazı çok özel koşullarda, mesela yüksekliklerde gözlenebilir.
Atmosferin genellikle dengeden çok uzak olması, konveksiyon yapılarının karmaşık biçimler almasına, zaman zaman çok farklı dinamik rejimlerde ortaya çıkmasına yol açar. Arazilerin yüzey yapısındaki farklar (kaya, göl, bitki örtüsü), bunların Güneş ışınları altında ısınma koşullarını farklı kılar. En çok ısınan yerler, ısı kaynağı gibi davranır ve aslında yükselen akımlar oluşturur. Bu akımlar, mesela planör pilotları tarafından yükselmek için kullanılır. Isınmanın şiddetine göre, bu yükselen akımlar düzenli olabildiği gibi (sütunlar halinde oluşan konveksiyon akımları), sıcak hava dalgaları şeklinde de olabilir. Bu dalgalar bu durumda, zeminden yükselmeden önce, sıvının içindeki kabarcıklar gibi şişer (kabarcık halinde konveksiyon).
Bir hava kargaşası örneği olarak konveksiyon. Meteorolojik tahminler günümüzde çok derin incelemelere konu olmak-
tadır. Atmosferde meydana gelebilecek değişmeler vadeli, mesela altı aylık bir tahminin yapılmasına < mamasına ve hiçbir zaman sağlamayacak olmasın; incelemeler sürdürülmektedir. Peki, bu sınırlama r naklanmaktadır? Bunun nedeni, bir akışkanın akış denklemlerin doğrusal özellik göstermemesi, dolayısı konveksiyonun da akışkanlar içinde doğrusal özelli’ sidir. Doğrusal özellik göstermemenin anlamı, bas: akışkanın hareketlerinin doğurduğu etkileri ortaya denlerle orantılı olmaması şeklinde açıklanabilir. Bı hareket denklemlerinin çözümleri çok kesin biçime ayrıntılar söz konusu olduğunda bunların önceden yecek davranış farklılıkları gösterme olasılığı vard durumları birbirine çok yakın iki sistem, belirli bir si sonra birbirinden bütünüyle farklı davranışlar gös başlangıç koşullarına duyarlılık «kelebek etkisi»yle a nadarını çırparak Paris’te bir çiçeğin üstüne konan kuramsal olarak, birkaç ay sonra bu noktanın karşıt yerde bir hava dalgalanması oluşturur. Bu kargaşam yon davranışları bir bakıma, doğanın sonsuz «yarat larının bir yansıması olarak kabul edilebilir.
KITALARIN YER DEĞİŞTİRME
Kıtaların hareket halinde oluşu düşüncesi yeni dı yy’da Francis Bacon, Avrupa kıtasının Amerika kıtas değiştirdiğini düşünüyordu. Ne var ki bu alanda an Alfred Wegener, kanıdara dayalı gerçek bir kuram il* zamana kadar fantezi gözüyle bakılan bu kuramın, rin büyük çoğunluğu tarafından birdenbire kabul e 1960’ları beklemek gerekti. Yapılan birçok gözlem doğrulanan bu kuramın geçerliliğinden bugün artık k muyor. Jeofizikteki bu yeni araştırma alanında, böyl da gelenek olduğu üzere, bir ad değişikliğine gidildi; anlam ifade eden «levha» terimi kıta sözcüğünün yı «kıtaların yer değiştirmesi» deyiminin yerine de «le\ ği» terimi kullanmaya başladı. Bu kurama göre, bel levhaları, Pangea adı verilen tek bir kıtanın parçalanr ortaya çıktı. Pangea kıtası yaklaşık 200 milyon yıl örn maya başlamıştı.
Bununla birlikte, bu kıta hareketlerinin fiziksel kol seçik ortaya konması gerekmektedir. Yerkürenin ve y de meydana gelen harekederin incelenmesi 1940’lard sayıda araştırmacı grubunun sürdürdüğü çalışmalanı oluşturmuştur. Bu çalışmalar esas olarak üç farklı yak ne temellenmiştir: gezegenimizin üstünde ve içind gelen mekanik dalgaların yayılmasını inceleyen sisnı zam bir manyetik kuşak olarak kabul edilen okyanu tarihini ortaya çıkarmayı hedefleyen manyetizma; y içindeki küdelerin dağılımı hakkında bilgi sağlayan gr alanda özellikle güçlü bir inceleme yöntemi olan sis» fi sayesinde, yeryüzünü bir kabuk gibi saran ve deri, kilometre ile 3 000 kilometre arasında değişen maı yerindeki fiziksel özellikler uzaktan ölçülüp belirler dir. Bunun dışında, mantonun soğuk ve sıcak bölgeleı yutlu temsil görüntüleri elde edilebilmektedir. Bugı lemleri temel alan açıklamalarda, mantonun içinde kc hareketlerinin varlığı ileri sürülmektedir.
Bu yaklaşım a priori olarak konveksiyon kavram içinde görülebilir, çünkü şimdiye kadar konveksiyom sıvılar ve gazlar içinde meydana geldiği düşüncesi ağ taydı. Oysa manto gerçek katı maddelerden oluşmuşt nun katı maddeden oluştuğu, gönderilen sismik dalga masıyla kanıtlanmıştır. Bu dalgalar, bir engelle kan mantonun içinde tam bir tur atmaktadır; oysa bir sıvı bir şekilde yayılmaz). Bu çelişki nasıl açıklanabilir? j konudaki görüş açısı değiştirilerek: mantonun pratikte bi davrandığı düşünülmektedir, ne var ki bu davranış sürelere (milyonlarca yıl) ve büyük mesafelere (yüzlere re) yayılmıştır. Viskozitesi suyunkinden 10 000 milya yar kat daha büyük olan bu «sıvı», böylelikle çok yav mekte» ve konveksiyon harekederinin etkisinde kalab
AÇIK SİSTEMLERİN KENDİLİĞİNDEN YAPILANMAS
Enerji değişimlerini inceleyen termodinamik bilimi, keyi temel alır. Bunlardan birincisi Evren’in tüm enerji
YERKÜRENİN ŞEMATİK KESİTİ
KONVEKSİYON
Kabuk
Manto
Sımr katman
Çekirdek
r^mı yasasıdır: Evren’in bir bölümünde («bir sistemde») bu enerinin bir miktarı kaybolursa, söz konusu bu enerji bütünüyle Ev-ren’in geri kalan bölümüne aktarılır. Daha karmaşık olan ikinci Jke de bir sistemin içindeki düzenin gelişmesiyle ilgilidir. Bütünüyle yalıtılmış bir sistem, ki buna «kapalı sistem»de denir, anlak bu sistemin içindeki düzensizlik artarsa gelişebilir. Zaman, -u sistemin yapılarını, dalgaların kumdan yapılmış bir şatoyu vavaş yavaş bozduğu gibi, ortadan kaldırır.
Peki, bir «açık sistem» içinde, yani çevresiyle enerji ve madde iişverişinde bulunan bir sistem içindeki düzenin gelişmesi ne .-önde olur? Bu sorunun genel cevabında son zamanlarda büyük çelişmeler kaydedilmiştir. Bu gelişmeler özellikle Nobel Kimya 3dülü’nü kazanan Uya Prirogin sayesinde gerçekleşmiştir. Priro-gn’in kuramsal yaklaşımına göre, termodinamiğin ikinci ilkesi içık sistemlerin bazı durumlarda kendiliğinden düzene girmesi–i sağlar. Ortaya çıkan yapılar gelişir ve Prirogin’e göre bu gelişme Dünya üstünde yaşamın, termodinamiğin temel ilkelerine rağlı olarak ortaya çıkmasının olası bir açıklamasıdır.
Bu durumda, bu tür kendiliğinden yapılanma davranışlarının rratikte gerçekten gözlenip gözlenemeyeceği sorulabilir: mesela j\ayleigh-Benard deneyinde konveksiyon hücrelerinin ortaya ;Janasmın, Prirogin’in sezgilerini doğrulayan bir göstergedir. Yüzyılın başında gerçekleştirilmiş olan bu deney, bir açık siste-•nin kendiliğinden yapılanma olasılığını ortaya koyan ilk deneyciden biri olmuştur. Bu deneyde, başlangıçta hareketsiz olan, iolayısıyla hiçbir özel yapıya sahip olmayan bir akışkanın iç yü-
zeyinin ısıtılmasıyla gerçekleştirilmişti (çok ağdalı balina yağının bir ocak içinde ısıtılışı). Deney koşullan doğru seçilirse, altıgen biçiminde hücrelerin ortaya çıktığı ve bu hücrelerin, bal peteklerine benzeyen düzenli bir demet biçiminde düzenlenebildiği görülür. Akışkan, altıgenlerin ortasından yükselir ve kenarlarından aşağı iner. Konveksiyon mekanizması burada, iç yüzünden enerji aldığı sürece açık sistem özelliği gösteren bu sistemin «seçtiği» bir yapılanma aracıdır. Bu enerji dalgası kesilir kesilmez, sistem yeniden kapalı hale döner, altıgenler, bütün kapalı sistemlerdeki yapılarda görüldüğü gibi giderek kaybolur. Akışkan tabakasının geometrik yapısına ve sıcaklık farkının değerine bağlı olarak ortaya çıkan yapılar mesela rulolar, titreşimli yapılar veya bütünüyle düzensiz hareketler biçiminde olabilir.
MİKROÇEKİM DENEYLERİ
Konveksiyon olayı, yerçekiminin etkisine dayanır. Bu etkiden Dünya üstünde kurtulmaya olanak yoktur. 1960’lardan bu yana, çekim etkisinin çok az olduğu füzelerde veya uydularda deneyler yapılmaktadır. Bu deneylerde, çekimin etkisi, uydunun Dünya çevresindeki hareketinin hızlanmasıyla telafi edilir; bu, mikroçe-kim koşullarıdır. Bir sonda füzesi olan Texus’un mayıs 1990’daki uçuşu sırasında bir Pransız araştırma ekibi, füzenin içinde bulunduğu koşullardan yararlanarak, ısının çekimsiz ortamda taşınmasını gözlemledi, incelenen akışkan, sıcaklığı kritik noktaya (bu noktanın altında sıvı ve gaz halinde ayrışır) çok yakın değere düşürülmüş karbon gazıydı. Bu düşük sıcaklık, akışkanın çekim kuvvetine karşı duyarlılığını artırıyordu. Gerçekten de kritik nokta dolayında akışkanın sıkış tırıla b ilirliği çok yüksektir.
Fizikçiler tarafından genel olarak kabul edilen açıklamaya göre ısı, çekimsiz bir mekân içinde özellikle yavaş hareket eder. Bu alanda rol oynayan yalnızca ışıma (düşük sıcaklıkta zayıftır) ve özünde çok daha yavaş olan ısı iletimidir. Gerçek daha da karmaşık gibi görünmektedir.
Karbon gazıyla yapılan bu deney, bilgisayarda elde edilen sayısal simülasyonlarm gösterdiği sonuçları doğrulamıştır: mikro-çekim ortamında ısının taşınması, konveksiyonun yerini alan bir mekanizma sayesinde hızla gerçekleştirilebilir. Bu mekanizma «piston mekanizmasıdır». Mikroçekim ortamında yapılan deneyde, akışkanın ısıtılan bölgeleri genleşir. Bu genleşmenin yol açtığı mekanik sarsılma, ses hızında yayılır. Böylece, ısının ses enerjisine dönüşmüş olan bir bölümü, daha sonra yeniden ısıya dönüşebilir. Bu mekanizma, ışıma ve iletim etkisiyle yer değiştirmesi haftalar sürecek miktarda enerjiyi birkaç saniye içinde taşıyabilir. □
Yeryüzü
Milyonlarsa yılıh »an 3i maırtoso. ,s*—ri =- -‘m mn/a’s’zs Z:’: .«
gibi dav,rs~r
suda gön, ıJgL Z- ^ akımlan gî’C
ÜÇ KONVEKSM DURUMU
İçinde * _ – 1
Rayleigh sav.;. ~
de bin kadar – ; .. meydana gere ulaşır
mm olduğ-jnfa :. olur. Bu Gur-rr. : : _~ nın içinde k;r.viî = :’ zaman var cld~_r-r–2 m Zi
ile odanın .
ki sıcaklık fark.* _ aşmaz, od2tk ‘ –
içinde konveks-: rr i • -dolaşmaya “cai-îr – – -İrmek o;ar.2.<s.;i – . nın bazı r.- – i*: ‘ : ^ zaman bir sı-Vs.’. : far-. : çaktır.
Yerküre’nm
nin mantosunu =__3t lann viskozitesi -e . rz ~-dadır. Bu vısksz-tj den yaklaşık 1C_ ^
yüktür! Bununla : Tj igh sayısında : < _
tinde etkiü
veksiyonun çıtaya :. ı’ j için, 100 km’iki-r;’_’ii<. 1 °C’lik bir
meydana gı’l.-rr.-; ,=zi-Yerküre’nin mar-tcs, :
dan ve kilometreîs rj recelik bir sıcakl.< hzs. duğundan rr.ar-::~ konveksiyon c.ayz^ leştiğinden ermn c.e r_
Planör, uçarken atmssfsrz=ı. yükselen ve alçalan hasa akımlanndan yararlanır konveksiyondan doğar
AYRICA BAKINIZ
► atmosfer
– EMİ denizler ve
okyanuslar
► İMiŞLİ enerji
► |B#şy levha tekten^:
► IŞjjSşy meteoroic;;
– Sahsii termodinasrk
