Hidroloji ve oşinografi — Coğrafya

Bu derste öğreneceklerin

Su depolarını, akılarını ve kalış sürelerini hesaplamak
Akarsu akımını hız–alan yöntemi ve Manning denklemiyle bulmak
Okyanus akıntılarının ve gel-gitlerin nedenlerini açıklamak

Bugün içtiğin bir su molekülü birkaç gün önce okyanus yüzeyinden buharlaşmış, belki binlerce yıl önce de bir buzulda donmuş olabilir. Hidroloji karalardaki suyun hareketini, oşinografi ise Dünya okyanusunu inceler. İkisinin de temel aracı kütlenin korunumudur: su yok olmaz, yalnızca bir depodan diğerine geçer.

Su döngüsünün dengesi

Depo	Hacim, km³ (yaklaşık)	Pay	Kalış süresi
Okyanuslar	1.338.000.000	%96,5	binlerce yıl
Buzullar ve kar	24.000.000	%1,7	yüzyıllardan yüz binlerce yıla
Yeraltı suları	23.400.000	%1,7	haftalardan on binlerce yıla
Atmosfer	12.900	%0,001	≈ 9 gün
Akarsular	2.100	%0,0002	haftalar–aylar

Dünya'daki başlıca su depoları (toplam ≈ 1,39 milyar km³)

τ = V / Fτ = V / F

burada:

τortalama kalış süresi, yıl (veya gün)
Vdeponun hacmi, km³
Fdepoya giren (= çıkan) akı, km³/yıl

Durağan bir depo için kalış süresi.

Örnek 1: kalış süresi

Atmosferde ≈ 13.000 km³ su vardır ve Dünya'ya yılda ≈ 500.000 km³ yağış düşer. Okyanusta ≈ 1,338 milyar km³ su vardır ve yılda ≈ 413.000 km³ buharlaşır. Her iki depo için τ'yu bul.

Çözümü göster

Atmosfer: τ = 13.000 / 500.000 = 0,026 yıl ≈ 0,026 × 365 ≈ 9,5 gün.
Okyanus: τ = 1.338.000.000 / 413.000 ≈ 3200 yıl.
Sonuç: atmosferdeki su ayda birkaç kez yenilenir, okyanus suyu ise binlerce yılda.

Küresel denge (yaklaşık, bin km³/yıl): okyanustan 413 buharlaşır, üzerine 373 yağış düşer; karalara 113 yağış düşer, 73'ü buharlaşır, 40'ı akarsular ve yeraltı sularıyla okyanusa döner. Her akarsu havzası için aynı fikir su dengesi denklemiyle yazılır.

P = ET + R + ΔS, C = R / PP = ET + R + ΔS, C = R / P

burada:

Pyağış, mm/yıl (veya km³/yıl)
ETbuharlaşma ve terleme (evapotranspirasyon)
Rakış (akarsu ve yeraltı akışı)
ΔShavzadaki depo değişimi (toprak, yeraltı suyu, kar); uzun yıllık ortalamada ≈ 0
Cakış katsayısı (birimsiz); tüm karalar için 40/113 ≈ 0,35

Akarsu akımı

Akım (debi) Q, bir akarsuyun kesitinden her saniye geçen su hacmidir. Hız–alan yöntemiyle ölçülür: kesit dikey şeritlere ayrılır, her şeritte derinlik ve ortalama hız (genellikle derinliğin 0,6'sında) ölçülür ve şerit akımları toplanır.

Q = A · v̄ = Σ bᵢ · hᵢ · vᵢ

burada:

Qakım, m³/s
Aakış kesit alanı, m²
v̄kesitteki ortalama hız, m/s
bᵢ, hᵢ, vᵢi. şeridin genişliği (m), ortalama derinliği (m) ve ortalama hızı (m/s)

Örnek 2: hız–alan yöntemi

15 m genişliğindeki bir akarsu kesiti 5'er metrelik üç şeride ayrılmıştır. Ortalama derinlikler: 0,8; 1,6; 1,0 m. Ortalama hızlar: 0,4; 0,9; 0,5 m/s. Q'yu ve ortalama hızı bul.

Çözümü göster

Alanlar: 5 × 0,8 = 4; 5 × 1,6 = 8; 5 × 1,0 = 5 → A = 17 m².
Akımlar: 4 × 0,4 = 1,6; 8 × 0,9 = 7,2; 5 × 0,5 = 2,5 → Q = 11,3 m³/s.
v̄ = Q / A = 11,3 / 17 ≈ 0,66 m/s.

v̄ = (1/n) · R^(2/3) · S^(1/2), R = A / Pv̄ = (1/n) · R^(2/3) · S^(1/2), R = A / P

burada:

nManning pürüzlülük katsayısı (doğal akarsular için ≈ 0,025–0,05)
Rhidrolik yarıçap, m
Pıslak çevre (suyla temas eden yatak ve kıyı uzunluğu), m
Seğim (birimsiz)

Manning denklemi (SI birimleriyle): ölçüm yokken hızı yatağın biçiminden tahmin eder.

Örnek 3: Manning denklemi

Dikdörtgen bir kanalın genişliği 20 m, su derinliği 2 m, eğimi 0,0005 ve n = 0,03'tür. Ortalama hızı ve akımı bul.

Çözümü göster

A = 20 × 2 = 40 m²; P = 20 + 2 × 2 = 24 m; R = 40 / 24 ≈ 1,667 m.
R^(2/3) ≈ 1,406; S^(1/2) ≈ 0,0224.
v̄ = (1 / 0,03) × 1,406 × 0,0224 ≈ 1,05 m/s.
Q = 40 × 1,05 ≈ 42 m³/s.

Akımın yıl içindeki değişimi akarsuyun rejimidir. Kura ve Aras gibi Kafkas akarsularında yüksek sular ilkbaharda ve yaz başında kar erimesi ve yağmurlarla gelir; Mingeçevir gibi barajlar akışı düzenler. Bir sağanaktan sonra akımın nasıl yükselip düştüğünü hidrograf gösterir: havza ne kadar küçük, dik ve kentleşmişse doruk o kadar erken ve yüksek gelir.

Okyanus akıntıları

Yüzey akıntılarını çoğunlukla rüzgârlar oluşturur. Coriolis etkisi nedeniyle suyun net taşınımı (Ekman taşınımı) Kuzey Yarım Küre'de rüzgâr yönünün 90° sağına doğrudur. Sonuçta okyanuslarda dev dairesel akıntılar, yani girdaplar (jirler) oluşur: Kuzey Yarım Küre'de saat yönünde, Güney'de ters yönde. Okyanusların batı kenarlarında akıntılar dar, hızlı ve sıcaktır (Golf Akıntısı, Kuroşio); doğu kenarlarında ise soğuktur (Kanarya, Kaliforniya, Peru, Benguela). Buralarda kıyıdan uzaklaşan su, besince zengin derin suyun yükselmesine (upwelling) yol açar ve zengin balıkçılık alanları oluşur.

Etkileşimli

Simülasyon yükleniyor…

Kırmızı oklar sıcak, mavi oklar soğuk akıntılardır (şematik). Subtropikal girdaplarda okyanusların batı kenarlarında sıcak akıntılar (Golf Akıntısı, Brezilya Akıntısı; Büyük Okyanus’ta Japonya kıyılarında Kuroşio), doğu kenarlarında ise soğuk akıntılar (Kanarya, Kaliforniya, Peru, Benguela) akar. Kuzey Atlantik Akıntısı, Golf Akıntısı’nın sıcaklığını Avrupa’ya taşır.

Derin dolaşımı suyun yoğunluk farkları, yani sıcaklık ve tuzluluk yönetir (termohalin dolaşım). Kuzey Atlantik'te ve Antarktika çevresinde soğuk, tuzlu ve ağır su dibe çöker ve okyanuslara yayılır; bu “konveyör bandın” tam turu bin yıl mertebesinde sürer. Okyanus akıntıları sverdrup ile ölçülür: 1 Sv = 10⁶ m³/s.

Örnek 4: Golf Akıntısı ve tüm akarsular

Dünyadaki tüm akarsular okyanusa yılda ≈ 40.000 km³ su taşır. Bunu sverdrup cinsinden ifade et ve Florida Boğazı'ndaki Golf Akıntısı (≈ 30 Sv) ile karşılaştır.

Çözümü göster

40.000 km³ = 4 × 10¹³ m³; 1 yıl ≈ 3,16 × 10⁷ s.
Q ≈ 4 × 10¹³ / 3,16 × 10⁷ ≈ 1,27 × 10⁶ m³/s ≈ 1,3 Sv.
30 / 1,3 ≈ 23; Florida Boğazı'nda Golf Akıntısı tüm akarsuların toplamından 20 kattan fazla su taşır.

Gel-git

Gel-gitlere, Ay'ın ve Güneş'in çekiminin Dünya'nın farklı noktalarında farklı olması yol açar. Gel-git oluşturan kuvvet uzaklığın küpüyle azalır; bu yüzden Güneş Ay'dan 27 milyon kat daha büyük kütleli olsa da Ay'ın etkisi yaklaşık 2,2 kat daha güçlüdür. Dünya'nın karşılıklı iki yüzünde iki su “kabarıklığı” oluşur; Ay günü 24 saat 50 dakika sürdüğü için kıyıların çoğunda her 12 saat 25 dakikada bir kabarma olur. Yeni ay ve dolunayda Güneş ile Ay aynı doğrultudayken gel-gitler en güçlü (büyük gel-git), dördünlerde ise en zayıftır (küçük gel-git). Fundy Körfezi'nde (Kanada) fark 16 m'ye ulaşır; Hazar gibi kapalı denizlerde ise yalnızca birkaç santimetredir.

Fₜ ≈ 2G·M·m·r / d³ ⇒ F(Ay) / F(Güneş) = [M(Ay) / M(Güneş)] · [d(Güneş) / d(Ay)]³Fₜ ≈ 2G·M·m·r / d³ ⇒ F(Ay) / F(Güneş) = [M(Ay) / M(Güneş)] · [d(Güneş) / d(Ay)]³

burada:

Fₜm kütlesine etki eden gel-git kuvveti, N
Gevrensel çekim sabiti = 6,67 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²
MAy'ın veya Güneş'in kütlesi, kg
rDünya'nın yarıçapı, m
dDünya'dan Ay'a veya Güneş'e uzaklık, m

(7,35 × 10²² / 1,99 × 10³⁰) × (1,496 × 10¹¹ / 3,84 × 10⁸)³ ≈ 2,2; gel-gitlerde Ay baskındır.

Önemli noktalar

Suyun %96,5'i okyanuslardadır; kalış süresi τ = V / F: atmosferde ≈ 9 gün, okyanusta ≈ 3000 yıl.
Havza su dengesi: P = ET + R + ΔS; akış katsayısı C = R / P.
Akım Q = A · v̄ (ortalama hızla); ölçüm yoksa Manning: v̄ = (1/n)·R^(2/3)·S^(1/2).
Yüzey akıntılarını rüzgârlar ve Coriolis etkisi, derin akıntıları yoğunluk farkları oluşturur; 1 Sv = 10⁶ m³/s.
Gel-git kuvveti ~M/d³; Ay'ın etkisi Güneş'inkinin ≈ 2,2 katıdır; kabarmalar her 12 saat 25 dakikada bir gelir.

Kendini test et

10 soru. Her doğru cevap XP kazandırır.

1 / 10

Bir gölde 5 km³ su var; yılda 0,5 km³ su girip çıkıyor. Ortalama kalış süresi nedir?