HAVA KİRLENMESİ VE KONTROLÜ DERS NOTLARI Prof. Dr. CUMA BAYAT T.C. İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
Ders Programı 1) Hava Kirliliği Tarihsel Gelişimi 2) Hava Kirliliği Çeşitleri, Etki ve Kaynakları 3) Ölçüm Birimleri 4) Çeşitli Hava Kirleticiler 5) Hava Kirlenmesinin Etkileri 6) Meteoroloji, Duman Davranışı ve Dispersiyon 7) Bacalar ve Hava Kirlenmesi Kontrolu 8) Kirletici Kaynak ve Envanteri 9) Partikül Madde (Toz) Kontrolu 10) Gaz ve Buharların Kontrolunde Genel İlkeler
2
TARİHSEL GELİŞİM Atmosferdeki ilk kirlilik doğal bir kökene dayanır. -
Volkanlardan ya da orman yangınlarından çıkan duman,
-
Kül ve gazlar,
-
Kurak havzalardaki fırtınalardan çıkan kum ve tozlar,
-
Rutubetli ve düşük katmanlardaki sis,
-
Dağlık havzalardaki çam ağaçlarından sızan doğal reçineler
Hava kirlenmesi, atmosferin doğal bileşimini değiştiren herhangi bir kirleticinin (örneğin; toz, duman, gaz, sis ya da buhar vb.) belirli miktar ve sürede havada bulunması halinde, insana, bitkiye ve
hayvanlara
zarar
vermesi
ya
da
bu
canlıların
yaşamını
engellenmesi şeklinde tanımlanabilir. Volkanik patlamalar gibi özel koşullar dışında, doğal kaynakların kirlilikleri genel olarak kendi başına, yaşam ve yapılar için ciddi tehlikeler yaratmazlar. Ateşin keşfedilmesiyle hava kirlenmesi sorunları başlamıştır.
3
Milat'dan önce 61 yılında filozof Seneca Roma’nın ağır havasını ve yanan şöminelerden yayılan pis kokuyu tanımlamıştı. 1273’de ise kral I. Edward, Londra üzerinde yayılan duman ve is karışımından rahatsız olarak deniz kömürü yakılmasını yasaklamıştır. Kral Edward’ın bu emrinden sonra ormanların yağmalanması başlamıştır. Kraliçe Elizabeth I zamanında şikâyetler Kraliyete kadar yükselmiş ve şehrin sabahları oluşan doğal sisi şikâyet konusu olmuştur. Şehrin yoğun sisi ile smogun birbirine karışması sonucu meydana gelen kirlilik asırlar sonra bile anılır olmuştur. Türklerde çevre bilincini gösteren belgelere 15. yy.’dan itibaren Osmanlı arşivlerinde
rastlanmaktadır.
Osmanlı
padişahlarından
Fatih
Sultan
Mehmet, İstanbul’un genel temizliği için bir ferman yayınlatmıştır. 1539’da
Kanuni
Sultan
Süleyman
tarafından
yayınlanan
Osmanlı
kanunnamelerinde çevre temizliği ile ilgili 12 maddelik bir ferman yazılmıştır. Bu maddelerin tümü su kirlenmesi ve şehir temizliği ile ilgilidir. 1661’de bir İngiliz bilim adamı J.Evelyn bir broşür yayınladı. John Evelyn’in bu broşüründe önerilen koşullara hala tam olarak uyulmamıştır. Bu broşürde, bugün de hala önerilmekte olduğu gibi; Londra’dan tüm duman üreten ünitelerin uzaklaştırılması ve şehrin çevresinde bir yeşil kuşağın sağlanması gibi radikal bir önemi bulunmaktadır. Tablo 1’de görüldüğü gibi, hava kirliliği problemleri sonucu meydana gelen olayların kayıtları 1873 yıllarına ulaşmaktadır Ancak, tüm dünyada endüstrileşmenin yoğunlaştığı 1890’lı yıllardan sonra zehirlenme ve ölüm olayları hız kazanmıştır.
4
Hava kirlenmesinin üstesinden gelebilmek için, duman kontrol kanunları da dahil olmak üzere benzer açıklamalar 1881’de Chicago ve Cincinnati’de yapılmıştır. Tablo-1.1. Hava Kirliliği Sürelerinde Kayıtlara Geçmiş Hastalık Oranı ve Ölümler Yıl ve Ay 1873, 911Aralık 1880, 26-29 Ocak 1892, 28-30 Aralık 1948, Ekim
Yer
Ölüm Kayıtları Yalnızca geçmiştir Yalnızca geçmiştir Valley, 63
Londra, İngiltere Londra, İngiltere Mense Belçika Donora, Pennsylvania 1948, 26 Kasım- Londra, 1Ar. İngiltere 1952, 5-9Aralık Londra, İngiltere 1953, Kasım Newyork, Newyork 1956, 3-6 Ocak Londra, İngiltere 1957, 2-5Aralık Londra, İngiltere 1958 Newyork,Newy ork 1959, 26-31 Londra, Ocak İngiltere 1962, 5-10 Londra İngiltere Aralık 1963, 7-22 LondraOcak İngiltere 1963, Ocak, 12 Newyork, Şub Newyork
17
Hastalık Kayıtları kirlenme kayıtlara kirlenme
kayıtlara 6000 6000
700-800 4000 17 1000 700-800
200-250 700 700 200-400
Bugüne kadar bu ve benzer grupların çabalarına rağmen atmosferdeki kirliliğin önlenebilmesi için dünyada bir ortak hareket sağlanamamıştır. 1930’da Belçika’nın oldukça büyük endüstri havzası olan Mense vadisinde duman ortalığı alt üst etmiş ve 63 kişi hayatın kaybetmiş, binlerce kişi hastalanmıştır.
5
Aradan geçen 18 yıl sonra benzer koşullar, yani diğer bir hava kirlenmesi Birleşik
Amerika’da
yaşanmış,
17
kişi
ölmüş
ve
Pennsylvania’nın
Donora’sındaki insanların % 43’ ü hastalanmıştır. İngiltere’de 1948 yılında hava kirlenmesinden Londra’da 700-800 kişinin öldüğü kayıtlara geçmiştir. Londra’daki bu smog felaketinden yaklaşık dört yıl sonra hava kirliliğinin sonuçlarına daha uzun süre katlanabilmek imkansızlaştır. 1952 yılının 4 Aralık
perşembe
günü
yüksek
sıcaklıktaki
bir
hava
kütlesi
kuzey
İngiltere’ye doğru hareket etmiştir. Sıcaklıktaki bu değişim, Londra’nın üstünde beyaz bir dumanın yerleşmesine neden olmuştur. Kömürle yapılan ısıtma ve enerji üretim sistemleri nedeni ile aşırı kömürün kullanılması partikül ve kükürtdioksit seviyelerinde artma meydana getirmiştir ve birikim başlamıştır. Yüksek basınçlı hava saplanıp kalmış ve smog’u dağıtacak
bir
hava
akımı
olmadığından
kirliliğin
artmasının
önüne
geçilememiştir. Ertesi sabah görüş sıfıra düşmüş ve bir gözlemci beyaz bir tişörtün 20 dakika içinde karardığını tespit etmiştir. Smog şiddetli bir şekilde insanların solunum sistemini tahriş ederken insanların çoğunun gözleri kızarmaya, boğazları yanmaya ve öksürmeye başlamıştır. Peşi sıra smog’a bağlanan ölümler gelmeye başlamıştır. Yaşlı ve kronik solunum problemleri olanların ölümüyle başlayan felaket, işlerini smog içinde yapmaya çalışan genç ve normalde sağlıklı olanlarda da sağlık sorunlarına sebep olmuştur. Bu sırada, duman yükselmeye başlamadan önce nedeni hava kirliliği olan 4000 ölüm kayda geçmiştir. Bu çevre felaketinden sonra Britanyalılar 1956 yılına kadar temiz hava için mücadele etmişler ve 1956 yılında
sorunlarını
kısmen
de
olsa
çözmüşlerdir.
1955’de
Birleşik
Amerika’da yaşanan problemleri çözebilmek için Hava Kirliliği Kontrol Kanunu kabul edildi. Ancak, fazla başarılı olamayan bu ilk kanunun yerine 1963’de Temiz Hava Kanunu çıkartıldı. Bu yeni kanun, bir yandan belediye, bölge,
mevzi
programlarını
teşvik
ederken
bir
yandan da
federal
hükümetin üstünlüğünü koruyarak gerektiğinde bir şehirde yaşayanların diğer bir şehrin kirliliğinden zarar görmesinin önüne geçilmesine hizmet etmiştir. Bu kanun, aynı zamanda 1970'in hava kalitesi ve emisyon standartlarının çıkarılmasında önemli rol oynamıştır. 1970’te çıkarılan
6
Temiz Hava Kanunu yeni kurulacak olan Çevre Koruma Kurumuna (EPA) yürütme hakkını tanımıştır. Kanun birinci ve ikinci derece dış ortam hava kalite standartlarına da açıklık getirmiştir. Amerika Birleşik Devletleri 1977'deki Temiz Hava
Kanununda yapılan bazı değişikliklerle var olan
yasaları daha da güçlendirirken, atmosferin temizlenmesi doğrultusunda ulusal bir hedefte birleşmiş oldular. Bu değişiklikler enerjinin korunumunu hiçe sayan eksiklikleri de gidermiştir. Cumhuriyetin kurulmasıyla yoğun bir şehirleşme ve kalkınma hamlesinin başlaması sonucu Türkiye’de çevre sorunları kendini hissettirmiştir. Bunun sonucu, önce su kaynaklarına yönelik, daha sonraki yıllarda ise kentlerdeki altyapıya
yatırımlar
yapılmaya
başlanmıştır.
Son
yirmi
yılda
çevre
sorunlarını çözmeye yönelik ciddi adımlar atılmıştır. Türkiye’de hava kirliliğinin yoğun bir şekilde hissedilmesine, 1973 enerji krizi neden olmuştur.
1973 ve 1976 yıllarındaki iki petrol krizinden
sonra, Türkiye’de enerji ihtiyacını karşılayabilmek için pahalıya mal olan ithal sıvı yakıt yerine linyit kullanılmaya başlanmıştır. Kalori değeri düşük ve kirlilik potansiyeli yüksek olan bu kömürler beraberinde şehirlerimize hava kirliliğini getirmiştir. Cumhuriyet tarihimizde çevre sorunlarına ilk işaret eden 1982 Anayasasıdır. Bu Anayasaya bağlı olarak 9 Ağustos 1983 yılında 2872 sayılı Çevre Kanunu yürürlüğe girmiştir. Bu kanun bir çerceve kanunu olduğundan su, katı atık, hava kirlenmesi ile ilgili Yönetmeliklerle desteklenmiştir. 2 Kasım 1986 yılında Hava Kalitesinin Korunması Yönetmeliği Resmi gazetede yayınlanarak yürürlüğe girmiştir.
7
HAVA KİRLENMESİNİN DÜNYADAKİ ÖNEMLİ SONUÇLARI Hava kirliliğini ve kontrolünü anlamada gerekli ilk adım atmosferin bileşim ve yapısını anlamaktır. Atmosferdeki her bir gazın toplam listesi Tablo da verilmiştir. Tablo. Dünya atmosferindeki değişik gazların kütleleri Kütlesel debileri verilen atmosferdeki gazların hacimsel yüzdeleri yere yakın bölgeler için hacimsel % olarak Tablo da verilmiştir. Soluduğumuz havanın bulunduğu troposfer hacimsel olarak %78 Azot (N2), %21 Oksijen (O2), %1 Argon (Ar) ve %0.03 Karbondioksit (CO2) içermektedir. Tablo. Troposfer Tabakasındaki Gazın Bileşimi Gaz Azot (N2) Oksijen (O2) Argon (Ar) Karbondioksit (CO2) Neon
Konsantrasyon(p pm) 780.000 209.500 9.300 320 18 8
Konsantrasyon Hacim) 78.09 20.95 0.93 0.032 0.0018
(%
Helyum (He) Metan (CH4) Kripton (Kr) Hidrojen (H2) Diazotmonoksit (N2O) Karbonmonoksit (CO) Ksenon (Xe) Ozon (O3) Amonyak (NH3) Azotdioksit (NO2) Azotmonoksid (NO) Kükürtdioksit (SO2) Hidrojensülfür (H2S)
5.2 1.5 1.0 0.5 0.2
0.00052 0.00015 0.0001 0.00005 0.00002
0.1 0.08 0.02 006 0.001 0.0006 0.0002 0.0002
0.00001 0.000008 0.000002 0.0000001 0.0000001 0.00000006 0.00000002 0.00000002
Bu gazların değişik miktarları atmosferin dört temel katmanı olan troposfer, stratosfer, mezosfer ve termosferde yer alır. Kirlilik
kontrolü
açısından
ilgilenen
en
önemli
çoğunluğunu içinde barındıran tabaka olan troposferdir.
9
tabaka
canlıların
Şekil Atmosferin Sıcaklık Profili
Hava Kirlenmesine global bakıldığında kirlenme sonuçları olarak ortak birkaç önemli olay göze çarpmaktadır. Bunların başında asit yağmuru gelmektedir. Asit yağmuru ya da asit birikimi kükürt oksit (SOX) ve azot oksitlerin (NOx) gaz emisyonlarının güneş ışığının etkisi altında su buharı
10
ile reaksiyona girerek kimyasal olarak sülfürik asit (H2SO4) ve nitrik asit (HNO3) gibi kuvvetli asidik bileşiklere dönüşmesidir. Bu bileşikler, diğer organik ve inorganik kimyasallarla birlikte aerosoller ya da partiküller şeklinde yer yüzeyinin üzerinde toplanırlar ya da yağmur damlaları, kar taneleri, sis ve çiğ şeklinde yer yüzeyine taşınırlar. Asit birikimlerinin etkisi birikimlerin yağışla düşen miktarına bağımlı olan ekosistemin hassaslığına göre değişir. Tampon özelliği büyük olan çevrelerde, asit bileşikleri toprak ve yüzeysel suların asiditesinde belirli bir artış göstermeden yıllarca birikmeye devam ederken, tampon özelliği zayıf olan çevrelerde ise aynı birikimler asiditede önemli artışlar gösterir. Asit yağmurları endüstrileşmiş çevrelerde, bina ve yapılarda önemli hasarlara neden olur. Yüksek yapılar, kirliliği troposferin üstlerine doğru saçar ve oralarda günlerce bekledikten sonra çok uzak mesafelere taşınırlar. Amerika’nın orta batısının endüstrileşmiş bölgelerden çıkan önemli miktardaki SO2 ve NO2 emisyonları buralardan New England ve Kanada topraklarına asit yağmuru şeklinde taşındığı tespit edilmiştir. Kirliliklerin bir memlekette meydana gelip diğer yerde birikmesi olaya uluslararası bir yapı ve enternasyonal kurallar getirmektedir. Asit yağmurlarında olduğu gibi hava kirlenmesinin etkilerini açıklamak her zaman
kolay
olmamaktadır.
Örneğin
yirminci
yüzyılda
radyoaktif
materyallerin çok yaygın olarak kullanılması ve bu maddelerin atmosfere bırakılmasının uzun ömürlü etkileri kolayca tahmin edilemez. Ancak, güvenilir bir atık sürecinin tespiti atmosfer yerine ancak toprağın ya da denizlerin derinliklerinde biriken atıklarda yapılan araştırmalarla sağlanabilmektedir.
11
II. Ders
• floroklorokarbonlar Dünya için önemli bir problem olan diğer bir örnek florokloro karbonların yarattıkları kirletici etkilerdir. Troposfer ve Strotosfer arasındaki sınır tabaka olan Ozon
(O3),
aerosol
florokarbonlardan radikal
spreyler
atmosferik
florürlerle
şeklinde
etkiler
reaksiyona
kullanılan
sonucu
girerek
oluşan
tükenmekte
olduğu belirlenmiştir. Atmosferdeki ozon (O3) yeryüzüne ulaşan bitki ve hayvan hayatına zararlı yüksek seviyedeki ultraviyole radyasyonları
azaltmaktadır.
florokarbonların
Bu
tehlike
kullanılması
tüm
karşısında dünyada
yasaklamıştır. • Global ısınma Hava kirlenmesinin dünya boyutu açısından bir diğer örneği karbondioksit artışının sebep olduğu Global ısınmadır. Troposferdeki karbondioksit miktarının her yıl büyük bir hızla ve geri dönüşü olmayan bir prosesle arttığı bilinmektedir. miktardaki
Aynı
atmosferik
zamanda oksijende
12
bu
artmanın
azalma
eşit
meydana
getirmekte. Halen atmosferde CO2 formunda 700 milyar ton’dan fazla karbon bulunmaktadır. Bu rakam her yıl 2.3 milyon ton artmakta olup her on yıl %03’lük bir artış anlamına gelmektedir. Petrol ve kömür tüketimi tarım, orman ve her çeşit arazi çalışması CO2 birikimine sebep olmaktadır. CO2
yer
yüzeyinden
yansıyan
uzun
dalga
boylu
(infrared) radyasyonları çok kuvvetli olarak absorbe etmektedir.
CO2
birikimi
artmaya
devam
ederse,
yansıyan kızılötesi ışınların tutulma oranı yükselir ve buna bağlı olarak troposferde ısınma (sera etkisi) olur. Bu olayın sonucu iklim değişikleri meydana gelir. CO2 bitkiler için vazgeçilemeyen besin maddesi olup özellikle ağaçlar tarafından tüketilirler. CO2 artışından meydana
gelen
ormanlaştırma
kirlenmenin tarzındaki
önlenmesi
uygulamalar
atmosferden uzaklaştırılmasında etkili olmaktadır.
13
için CO2‘in
DÜNYADA UYGULANAN HAVA KİRLİLİĞİ KONTROL PROGRAMLARI 1970’li yıllarda atmosferdeki kirliliğin ciddi boyutlarda olduğunun belirlenmesi ile • Dünya Sağlık Teşkilatı (WHO) (kentsel ve endüstriyel alanlarda) • Dünya Meteoroloji Organizasyonunun (kıtasal ve global) (WMO) hava ile ilgili kayıtları tutmasına sebep oldu. • WHO’nun temel hedefi kentte yaşayan halkın sağlığını korumaktır. • WMO; Hava kirliliğini oluşturan nedenleri belirlemek için, hava kirliliği konsantrasyonlarını ölçmekte ve bunların iklim üzerindeki etkilerini kıtalar ve dünyanın
14
tümünü kapsayacak şekilde araştırmakta aynı zamanda süreli özelliklerini tahmin etmeye çalışmaktadır. • Birleşmiş Milletler Çevre Programı (UNEP), Dünya Çevre İzleme Sistemi (GEMS); WHO ve WMO’nun yürütme kurallarına daha ileri bir destek sağladılar. • GEMS; - erken uyarı sistemlerinin yaygınlaştırılması, - dünya çapında atmosferik kirliliği tayin etmek ve bunun iklim üzerine etkisini değerlendirmek, -arazi
kullanımı
ve
tarımla
ilgili
olan
kritik
problemleri ortaya çıkarmak. • WHO projeleri mikro düzeyde (kentsel) ölçümler yapar. * WMO şebekesi ise makro düzeyde (kıtasal ve dünya boyutunda) ölçümler yapar ve bunları karşılaştırır. GEMS, WHO projelerine ve WMO kayıtlarına sıkı olarak bağımlıdır. Örnek; lokal ve kentsel boyutta SO2’nin tipik aylık ortalaması 20-100 µg/m3 sınırları arasındayken, kıtasal boyutta 10-40 µg/m3 değerleri arasında ve dünyasal boyutta ise bu 5 µg/m3 ‘den aşağı düşmektedir. Yalnızca bu kurumların dünya çapındaki işbirliği, hava kirliliği 15
araştırmalarına böylesine önemli verilerin bir araya getirilmesi olanağını sağlar. Aynı şekilde, yine ancak kirlilikler lokal, havzasal, kıtasal ve dünya çapında gözlenirse, o zaman hava kirliliği problemlerinin boyutu ve çözümü mümkün olabilir.
ÖLÇÜM BİRİMLERİ Partiküller ve gaz kirleticilerin miktarlarının ortak bir ifade ile tanımlanabilmesi için belirlenmiş birimlerin kullanılması gerekmektedir. •
Partiküller
ve
çökelebilen
tozlar,
birim
zaman
aralığında santimetrekareye düşen miligram olarak. (mg/cm2.ay veya mg/cm2.yıl)
16
• Partikül sayımı ise, 1 m3 gazdaki partikül sayısı ya da her m3 teki milyon partikül
(106 cm3 )
şeklinde
öngörülmüştür. • Süspansiyon partiküller ve gaz kirleticilerin ölçümleri ise, m3 ün mikro gramı (µg/m3), birim hacmin kütlesi şeklinde verilmiştir. • Önceleri gaz kirleticilerin konsantrasyonları hacimsel olarak milyondaki parçası
(ppm), yüz milyondaki
parçası (pphm) ya da milyardaki parçası (ppb) şeklinde verilmesi yaygındı. Bu nedenle metreküpteki mikrogram biriminin milyondaki parça (ppm) temeline göre eşdeğer konsantrasyonunun ne olacağı da belirlenmelidir. Gaz kirleticilerin ppm ve µg/m3 konsantrasyonları arasında aşağıda verilen dönüşüm eşitliği kullanılmaktadır.
ppm ⋅ Mw ⋅ 10 3 µg / m = Vw 3
(1)
Mw = Mol ağırlığı (g/mol), Vw = Deney şartlarındaki moleküler hacimdir. (L/mol).
17
Avagadro kanunu uyarınca herhangi bir gazın bir molü aynı basınç ve sıcaklıktaki herhangi bir gazla aynı hacmi kaplar. Standart 273°K (0°C) ve 1 atm basınç (760 mm Hg) altında kimyasal reaksiyonlar için bu hacim 22.4 L/mol dür. Ancak
hava
kalitesinin
saptanması
ile
ilgili
yönetmeliklerin çoğunda bu değer standart şart olan 250 C da ve 760 mm Hg basınç için ve bazı kaynaklarda ise 21.10C ve 760 mm Hg basınç için verilmiştir. Bunları ve diğer koşulları standart koşullara dönüştürmek için aşağıda verilen formül kullanılır. V1 P1 V2 P2 = T1 T2
(2)
Burada V1, P1 ve T1 yukarıda anılan koşullarda 22.4 L'yi, 760 mm Hg ve 2730 K' de tanımlamakta V2, P2 ve T2 ise var olan gerçek koşulları göstermektedir. R= 8.205 x 10-2 L. Atm. K-1. mol-1
Örnek
1:
Hacim,
sıcaklık
hesaplanması :
18
ve
basınç
bağıntısının,
250 C ve 820 mm Hg daki 2 mol
gazın kapladığı
hacmi hesaplayınız. Çözüm V1 P1 V2 P2 = T1 T2
(2) eşitliği kullanılırsa,
2mol x 22.4L / mol x 760mmHg V2 x 820mmHg = 273o K (273 + 25) o K
Buradan V2 = 45.32 L elde edilir. II. yol: PV = n RT V=
2 x 0.082 x 298 = 45.32L 820 / 760
Örnek
2:
Milyondaki
parça
(ppm)'nın
hacimdeki
kütleye, (µg/m3 ) dönüştürülmesi: 00 C de 1 atm basınç altında analizi yapılan bir hava örneğinin 9 ppm CO içerdiği belirlenmiştir. Ekivalent
CO
mikrogram
konsantrasyonunun ve
metreküpte
miligram
hesaplayınız. Çözüm 1. Kullanılacak formül: µg / m 3 =
ppm x Mw x 10 3 Vw
eşitliğinde verilen değerler yerine konursa
19
metreküpte olarak
µg/m 3 =
9 x 28 gmol x 10 3 L / m 3 22.4 L/mol
, CO= 11250 µg/m3= 11.25mg/m3
Örnek 3: 27°C ve 740 mmHg basıncındaki bir hava örneğinde
yapılan
edilmiştir.
Bu
analizde
sonucu
200
ppm
mg/m3 olarak
SO2
tespit
hesaplayınız.
(SO2=64) Çözüm ppm x Mw x 10 3 µg/m = Vw 3
formülünde Vw deney şartlarında
hesaplanırsa V1 P1 V2 P2 = T1 T2
(1),
22.4 x 760 V2 x 740 = 273 300 Vw =
PV = nRT (n =1) (2) V=
RT P
0.082 x 300 = 25.28 L elde 740 / 760
edilir.
V2=25.28 L µgSO 2 / m 3 =
200 x 64 x 10 3 = 506329 µg/m 3 = 506.32 mg/m 3 25.28
Örnek 4: Bir gaz örneği içerisindeki CO2 miktarı 2000 C ve
1
atm.
basınç
şartlarında
8000
µg/m3
olarak
ölçülmüştür. Bu gazın ; a)Deney şartlarında b)Standart şartlarda konsantrasyonunu ppm olarak hesaplayınız. Çözüm
20
a)1 mol gazın hacmi (deney şartlarında) (200 0C ve 1 atm basınç) Vw =
RT 0.082 x 473 = = 38.78L P 1
ppm x 44 x 10 3 µg / m = Vw 3
ppm = 7
,
V1 x P1/T1= V2 x P2/T2
ppm x 44 x 10 3 8000 = 38.78
1 mol gazın standart şartlarda (250C, 1 atm’da)
b)
hacmi V=
RT 0.082 x 298 = = 24.43 L P 1
aynı formülden ppm bulunursa 8000 =
ppm x 44 x 10 3 24.43
ppm = 4,44 Hava kirliliği raporlarının anlaşılması ve analizindeki karışıklığın
azaltılması,
raporlardaki
uyumluluğuna bağlıdır.
21
birimlerin
KİRLETİCİLERİN KAYNAKLARI • Doğal
Kirleticiler;
polenler,
mantar sporları,
tuz
spreyleri ve orman yangınları ile volkanik patlamalardan oluşan duman ve toz partikülleri metanın (CH4) doğal oksitlenmesinden meydana gelen karbonmonoksit (CO), çam
ağaçlarından
hidrokarbonlar, parçalanması
çıkan
organik
terpen maddelerin
ile meydana
formundaki anaerobik
gelen metan (CH4) ve
hidrojen sülfür (H2S) de içermektedir. • Yapay (Antropojen) Kirleticiler; Fosil yakıtların ısıtma, ulaştırma, endüstri ve enerji üretimi için kullanılması atmosferik kirliliğe sebep olmaktadır. Dört ana başlıkta tanımlanır • Hareket halindeki kirleticiler (çizgisel kaynak); motorlu araçlar, uçaklar, trenler, gemiler
22
• Noktasal Kaynak; Birim zamanda yaptığı kirletici yayın miktarı keyfi bir referans değerin üzerinde olan önemli sabit kaynaklardır fabrikalar, termik santraller, kimyasal metalürjik ve kağıt endüstrileri ile petrol rafineleri. • Alansal Kaynak; Noktasal kaynaklar gibi ancak bireysel olarak çok küçük yayın merkezlerinin bir arada bulunmasından oluşur, yerleşim alanları Dünyada sanayileşmenin hız kazandığı 1930’lu yıllardan sonra yukarıdaki ana kaynaktan yayılan kirleticiler üzerinde ABD’de yapılan araştırmanın ilginç sonuçları tablo ’da gösterilmiştir. Bu tabloda 1940-1980 yılları arasındaki emisyonlar 1974 yılı ile mukayeseli periyodundaki
verilmiştir. kirleticilerin
ABD’deki emisyon
1940-1980 miktarları
incelendiğinde insan aktiviteleri artmasına karşın kirleticilerin emisyonları partikülde % 56, kükürt oksitlerde % 15, hidrokarbonlarda % 20, karbon monoksitte %23’lük bir azalma göstermiştir. Azot Oksitlerde ise % 12’lik bir artış gözlenmektedir. Bunun nedeni ise kirletici kontrolleri ile birlikte, yakıt cinsindeki değişiklikler gösterilebilir. 19401980 yıllarında çevre kirliliğinin yoğun hissedilmesi sonucu ABD’deki kirleticilerin kontrol ekipmanları geliştirilmiş ve partikül kirletici kaynakları olan fosil 23
yakıtlar
yerine
gaz
yakıtlar
kullanılmaya
başlanmıştır. Bu nedenle kirletici emisyonları hem cins hem de miktar olarak değişikliklere uğramıştır. Tablo . A.B.D. Hava Kirliliği Emisyonları (1940-1980)* Yıl
Askıda
Kükürt
Azot Oksit
Hidrokarbo
Toplam
Part.
Oksit
%
n
CO
%
%
1974
1974
1974
%
%
1974
1974
194
21.
181
17.
64
6.5
32
13.
58
74.
73
0 195
9 22
192
4 19.
73
9.3
46
9 17.
74
7 32.
81
167
6 19.
63
5 21.
91
8 90.
89
92
6 27.
11
8 110 108
95
1 25.
4 11
.9 110 108
1 11
.5 109 107
0 196
20.
0 197
2 17.
0 197
6 16.
1 197
4 14.
2 197
71
12.
145
2 27.
10
7 18.
136
9 26.
3 98
5 19.
123
5 27.
10
0 20.
10
4 26.
9 13.
115
3 28.
1 10
1 20.
0 10
7 26.
2 11
.7 107 105
3 197
9 12.
100
4 27.
5 10
4 20.
1 10
2 23.
0 10
.4 102 100
4 197
1 10.
83
0 25.
0 95
1 19.
0 98
8 22.
0 96
.5 98.
5 197
1 9.4
78
6 26.
98
6 20.
10
8 23.
10
1 100 98
70
4 26.
98
9 21.
4 10
7 23.
0 10
.4 97.
95
71
4 24.
92
3 21.
6 10
8 24.
0 10
8 96.
94
70
8 25.
94
5 21.
7 10
4 23.
3 98
7 92.
90
64
3 23.
88
5 20.
7 10
4 21.
92
6 85.
83
6 197 7 197 8 197 9 198
8.5 8.6 8.5 7.8
0 Değişim
7 % - 56
7 % -15
3
8 %+12
24
96
4 % -20
% -23
* Yılda milyon ton olarak 1980 yı1ında A.B.D.'deki hava kirleticilerinin
nedeni
olan aktiviteler Tablo’da verilmiştir. Önem verilmesi gereken hava kirleticilerinden karbon monoksitin en büyük
kaynağı
tek
başına
hareketli
kaynaklarken
yerleşik durağan kaynaklardaki yakıtın yakılması (güç ve ısınma amacı) ise Enerji
üretimi
ve
en
ısıtma
önemli amacı
ikinci kirleticidir. ile
fosil
yakıtlar
kullanıldığında meydana gelen kirletici gazlardan SO2 ve NOx atmosfere bırakılan toplam sülfür oksitlerinin yüzde 50 sini Azot oksitlerinin yüzde 51'ini teşkil etmektedir. Bu arada endüstriyel prosesler hidrokarbonların sinin
yayılmasına
sebep
olmaktadır.
%50
Tablo 'da
hidrokarbonlar ve azot oksitlerine güneş ışığının etkisi ile atmosferde meydana
gelen ikincil kirleticiler dahil
değildir. Tablo. Hava Kirlenmesinin Kaynakları 1980 * Kaynaklar
CO
ulastirma 69.1 Yerleşik 2.1 yakma (enerji, ısıtma) Endüstriyel 5.8 prosesler Katı atık 2.7
Part.
SOx
HC
NOx
Topla
1.4 1.4
0.9 19.0
7.8 0.2
9.1 10.6
m 88.3 33.3
3.7
3.8
10.8
0.7
24.8
0.4
0.0
0.6
0.1
3.3
0.9
0.0
2.4
0.2
9.7
uzaklaştırılma sı Diğer(orman
6.2
yangını
25
tarımsal yakmalar) Toplam 85.4 * Yılda milyon ton olarak
7.8
23.7
21.8
20.7
159.4
1977 yılında A.B.D.'deki en önemli beş ana
kirliliğin
toplam emisyonları (yılda milyon ton olarak) Grafik'de verilmiştir.
Bu
kirliliklerden
hareketli
(transportasyon) toplam karbonmonoksitin ünü
hidrokarbonların yüzde 41’ ini
yüzde 4’ atmosfere
ünü
partiküllerin ABD’de
yüzde 83’
Azot oksitlerin
yüzde
salınan kükürt oksitlerin
içermektedir.
kaynak
9’
unu
ve
yüzde 3’ ünü
uygulanan
çevre
koruma
yöntemleri sonucu 1980 yılından sonra aktivite artışına rağmen,
CO
ve
HC
partikül
transportasyon
alanından
transportasyon
hala
yüzdeleri
azalmıştır.
atmosfere
Buna
bırakılan
kirliliklerin yüzde 56’ sının sorumlusudur.
26
özellikle rağmen tüm
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Transpor. Diðer
SOx
CO
Part.
HC
NOx
Şekil A.B.D.'deki 1977 yılının Emisyonları (Yılda milyon ton olarak)
27
HAVA KİRLETİCİLERİNİN SINIFLANDIRILMASI Kirleticilerin tümü, orijinine, kimyasal kompozisyonuna ve madde yapısına bağlı olarak sınıflandırılabilir. Bu sınıflandırmalar,
hava
kirlenmesi
parametrelerinin
seçimine bir temel kazandırması için kullanılır. İnsan
Aktivitelerine
Göre
Sınıflandırma:
İnsan
aktivitelerine göre sınıflandırmada aslında kirleticiler kaynaklarına göre sınıflandırılmış olmaktadır. Atmosfere değişik özellikte olmalarına karşın, dört ana kaynaktan kirletici atıldığını daha önce belirtmiştik, bu nedenle insan aktiviteleri sonucu, ulastirma emisyonu, yerleşik yakma
emisyonu,
endüstriyel
emisyon,
katı
atık
emisyonu şeklinde dört çeşit kirletici grubunun ortaya çıktığı görülmektedir. Orijine Göre Sınıflandırma: Orijinine bakarak ya primer ya da sekonder kirleticiler olarak göz önüne alınabilir. Primer (Birincil) kirlilikler; Kükürt oksitler (SOx), Azot oksitler
(NOx),
hidrokarbonlar
(HC)
gibi
atmosfere
doğrudan bırakılan ve orada bırakıldıkları formda kalan kirliliklerdir. Sekonder
(ikincil)
kirlilikler;
Ozon
(O3)
ve
peroksiasetilnitrat (PAN) gibi atmosferde fotokimyasal
28
reaksiyonlarla yahut hidroliz ya da oksidasyonla bu formlarına dönüşen kirliliklerdir. Kimyasal
Kompozisyona
Göre
Sınıflandırma:
Kirlilikler ister primer ister sekonder olsunlar, kimyasal kompozisyonların organik ya da inorganik oluşuna göre tekrar sınıflandırılırlar. Organik bileşikler karbon ve hidrojen içerirler ve çoğu aynı zamanda oksijen, azot, fosfor ve sülfür gibi elementler de içermektedir. Hidrokarbonlar, yalnız karbon ve hidrojen içeren organik bileşiklerdir. Aldehitler ve ketonlar karbon ve hidrojen yanında oksijen içermektedirler. Hava kirliliği alanında etkili olan diğer organik bileşikler karboksilik asitler, alkoller, eterler, esterler, amidler ve organik sülfür bileşiklerdir. İnorganik
materyaller,
karbonmonoksit
(CO),
karbondioksit (CO2), karbonatlar, sülfüroksitler, Azot oksitler, ozon, hidrojenflorür ve hidrojen klorür içeren kirleticiler atmosferde bulunur. Fizik
Hallerine
Göre
Sınıflandırma:
Tablo’ dan
görüleceği gibi kirleticiler ayrıca partikül ya da gaz olarak da sınıflandırılırlar. Partikül yapısında kirleticiler esas
olarak, toz, duman, sis, uçuşan kül, kimyasal 29
buhar ve sprey içeren çok ufak parçalara bölünmüş katı ve sıvılardır.
Tablo Fizik Hallerine Göre Kirleticilerin Sınıflandırılması Temel Sınıflar Partiküller Organik
Gazla r
Anorgan ik
Alt Sınıflar
Alt Sınıfın Tipik Üyeleri
katı
Toz, duman, sis, uçuşan kül, kimyasal duman Likit Kimyasal buhar, sprey, Hidrokarbonlar Hegzan, benzen, etilen, metan bütan, Aldehidler ve Ketonlar bütadin,asetilen Diğer organikler Formaldehit, asetaldehit aseton, metil etil keton klorlanmış hidrokarbonlar alkoller, fenoller Karbon oksitler, Karbon monoksit, Kükürt oksitler, Karbondioksit Azotoksitler Kükürt dioksit, Kükürt diğer inorganikler trioksit Azotdioksit, Azotmonoksit Hidrojen sülfür, Hidrojen florür, Hidrojen Klorür
Uygun koşullar altında partikül halinde ki kirleticiler atmosferde çökelirler. Gaz kirleticiler şekilsiz akışkanlar olup içine bırakıldıkları boşluğu tamamen doldururlar, daha çok hava gibi 30
davranır
ve
atmosferde
çökelmezler.
Normal
gaz
kirleticiler arasında karbonoksit, kükürt oksitler, azot oksitler, hidrokarbonlar ve bazı oksidanlar sayılabilir.
KİRLETİCİ TÜRLERİ Kirleticiler: • partiküller • gaz kirleticiler olarak gruplandırılır. hava kalite parametreleri temelde iki ana kategoriye ayrılır: • Sivi • kati haldeki partikül maddeler ve gaz maddeler. PARTIKULLER
31
Tane iriligi araliginda
<
0.002µm cesitli
partikul madde>
yogunluklardaki
kati
500 µm veya
sivi
zerreleridir. Partiküller
Fiziksel
biyolojik
kimyasal
inorganik organik Boyut şekil yapısı çökelme özellikleri optik kalite Fiziksel Özellikler a) Boyut: Partiküllerin en önemli fiziksel özelliklerinden birisi boyuttur. Doğal ya da kaynağı insan olan ve atmosferde bulunabilen
partiküllerin boyut
sınırları
sekil’de görülmektedir.
Çökebilen Tozlar Askıda Tozlar (İnce Spray
Kimyasal Yanma Kimyasal Buhar 32
Gaz
1000
100
10
1.0
0.1
0.01
0.001
0 .0001
Grafik Mikrometre Olarak Partiküllerin Boyutları
50
µm
den
büyük
olan
partiküller
çıplak
gözle
görülebilirlerken 0.005µm den küçük olanları ise ancak elektron mikroskobu ile gözlenebilirler. 1µm
den
daha
ufak
olan
partiküller
kolayca
çökelemezler. Metalürjik dumanlar, çimento tozları, uçucu kül, karbon isi ve kimyasal duman 0.01 ila 100 µm sınırları arasındadır. b) Şekil Yapısı: Partiküller;
toz, duman, uçuşan kül,
kimyasal duman, kimyasal buhar, sis ya da sprey gibi şekil yapısına göre de sınıflandırılabilirler. Bunlardan ilk dördü kati
son üçü ise sivi
partiküllerdir. Toz, küçük kati partiküller olup ya kömür, çimento ve hububat gibi materyallerin kullanılması sırasında ya da bunların üretimi sırasında ezilme, yakılma ve öğütülme gibi süreçlerle büyük kütlelerin ufak parçalara ayrılması işlemi ile ortaya çıkmaktadır. Odunun biçilmesi mekanik
işlemlerin
yan 33
ürünleri
olarak
gibi
ortaya
çıkabileceği gibi taşın erozyonu gibi doğal nedenlerin artık maddesi de olabilir. Toz, hava ya da diğer gazların içinde yayılmadan geçici olarak askıda kalabilir. Yer çekimi ivmesinin etkisi altında çökelir. Sekil‘den de görüleceği gibi boyutu 1.0 ile 1000 µm arasında değişmektedir. Duman, organik partiküllerin tam yanamaması sonucu ortaya
çıkan
dağılmasından
küçük
kati
meydana
partiküllerin
gelir.
Duman
havada içindeki
partiküllerin çapları 0.5 ile 1µm arasında değişmektedir. Kimyasal
duman,
kati
bir
maddenin
atmosferde yoğunlaşması sonucunda
buharının
oluşan küçük
partiküllerin havada dağılmış halidir. Çinko ve kurşun gibi metal oksitlerin
oluşturduğu kimyasal duman,
metallerin sublimasyon, distilasyon, kalsinasyon, döküm işlemleri sonucu meydana gelir ve sınır değer boyutları 0.03 ile 0.3 µm arasında değişir. Kimyasal dumanı oluşturan
partiküller,
flokülasyon
ve
koogülasyonla
çökeltilebilir. Askıda Toz, kömürün yakılması ile yükselen gazların içindeki, çok küçük parçalara bölünmüş yanamayan partiküllerdir. Askıda tozun, partikül boyutu 1.0 ile 1000 µm arasında değişir, duman gibi yanma sonucu oluşur
34
ve kimyasal duman gibi inorganik metalik ya da mineral maddelerden ibarettir. Kimyasal
Buhar:
Normal
şartlarda
bir
sıvının
buharlarının yoğunlaşması, bir sıvının ortaya saçılması (köpürme ya da yüksekten dökülme sırasında bir yerlere çarpma sırasında), bir kimyasal reaksiyonun sonunda havada sıvının oluşması ile (Havada sülfürik asidin oluşması gibi) meydana gelen sıvı partiküller ya da damlalardan ibarettir. Kimyasal buharların genel olarak çapı 10 µm’den ufaktır. Eğer kimyasal buhar konsantrasyonu
yeterince
yüksek
olursa
görüşü
engeller buna kimyasal sis anlamına gelen “fog” adı verilir. Kimyasal buharların en çarpıcı örneği fosil yakıtların yanması sonucu içinde bulunan kükürdün SO2 şeklinde havaya karışması sonucunda sülfürik asit oluşumudur. Havaya yanma sonucu karışan SO2 havanın oksijeni ve nemi etkisinde SO3 dönüşür. SO3 ise havadaki nemi kendine bağlayarak gaz halinden sıvı partiküller yani H2SO4
‘e
dönüşür.
Buda
havada
kimyasal
buhar
dediğimiz fog olayını meydana getirir. Bu örnekteki reaksiyonlar aşağıdaki gibi oluşur. C (Kömür) + S + Hava SO2 + ½ O2
CO2 + SO2
SO3 (Gaz) 35
SO3 + H2 O
H2 SO4 (Sıvı)
Sprey: Pestisid ve parfüm gibi likitlerin hava ortamına atomizasyonu ile meydana gelen sıvı partiküllerdir. Sprey partiküllerinin boyutu 10 ile 1000 µm arasında değişir. c) Çökelme Özellikleri Partiküller, çökelerek atmosferden ayrılırlar, çökelme doğada kendi kendine temizleme prosesi olduğundan, çökelme
özellikleri
partiküllerin
en
önde
gelen
karakteristik bir özelliğidir.
Partiküller
Askida
cokelebilir
1 µm < askida >20 µm' d)
Optik
Özellikler:
cokelebilir >10 µm Hava
kirlenmesinin
önemli
etkenlerinden birisi de görüş mesafesindeki azalmadır. Işığın ve
partikül
maddelere çarpması sonucu dağılarak
absorblanarak
azaldığı
bilinmektedir.
Işığın
dağılmasına sebep olan en etkin partikül boyutu 0.38 -
36
0.76
µm
çapındadır. Boyut dışında yüzeysel yapı,
görüş mesafesinin azalmasına en
çok etki eden
parametredir. Görüş mesafesinin azalmasına etki eden faktörler çok sayıda olduğundan bu konuda kesin bir formül vermek oldukça zordur. Çok özel koşullarda, partikül maddelerle görüş mesafesindeki azalma arasındaki ilişki aşağıdaki gibi verilmiştir. Her sene en az 15- 20 uçak kazasının nedeni sis ve toz sonucu yetersiz görünürlüğe yüklenmektedir.
KİMYASAL ÖZELLİKLER Atmosferdeki
partiküllerin
kimyasal
yapısı
büyük
değişiklikler göstermektedir. Atmosferik partiküller hem organik hem inorganik bileşikler içerirler. organik partikuller; fenoller, organik asitler ve alkoller inorganikler partikuller; nitratlar, sülfatlar ve demir, kurşun, mangan, çinko ve vanadyum gibi metallerin oksitleridir. 37
BİYOLOJİK ÖZELLİKLER biyolojik
partiküller;
protozoa,
bakteriler,
virüsler,
mantarlar, sporlar, polenler ve algler Genel olarak mikroorganizmalar, besleyicilerin eksikliği ve
güneşten
yayılan
ultraviyole
ışınlar
sebebiyle
atmosferde uzun süre yaşayamazlar. Ancak bazı bakteri mantarlar sporlanarak uzun süre yaşayabilirler. Bir sürü spor ve polenler hava içindeki saçılmaya uyum sağlarlar ve yerden
300
m'
nin
üzerinde
bulunurlar.
Bazı
partiküller ve özellikle mavi-yeşil algler 2000 m'ye kadar olan yüksekliklerde bulunabilirler.
PARTİKÜLLERİN ETKİLERİ İnsan sağlığına etkisi : Yüksek konsantrasyonlarda süspansiyon partikül maddeler özellikle solunum yolu hastalıklarına karşı hassas olanlarda sağlık tehlikesi yaratırlar. Tablo da verildiği gibi süspansiyon partiküllere bağlanan hastalık etkisinin yapısı ve
38
yaygınlığı partiküllerin konsantrasyona, diğer atmosferik kirleticilere ve bunların havada kalmış oldukları sürelere bağlıdır. Tablo 4.11.Sağlığa Etki Eden Partiküler Maddeler P.M. Konsantras. µg/m3 750 300 200 100-130
100 80-100
Beraberind Süre e bulundurdu ğu SO2 miktarı Ortalama 24 715 µg/m3 saat SO2 3 “ “ 630 µg/m SO2 250 µg/m3 SO2 120 µg/m3 SO2 Sulf.hızı 30 mg/cm2/ay Sulf.hızı 30 mg/cm2/ay
“
“
Ortalama yıllık Yıllık geom. Ort. 2 Yıllık geom. Ort.
Etki
Hastalıklarda gözle görülür bir artma Kronik bronşit hastalık-larında hızlı artışlar Hastalık izinlerinde artış Çocuk nefes yolları hastalıklarında tekerrür sayısında artma Ölüm oranında yaşı 50’ nin üzerinde olanlarda artış Ölüm oranında yaş 50 den 63’e kadar olanlarda artış
Boyutu 1 ve 2 µm arasındaki partiküllerin yaklaşık 40’ı alveoline bronşiollerinde kalırlar.
39
%
Şekil Solunum sistemi (a) İnsan solunum sisteminin temel anatomik özellikleri (b) insan akciğerinin ve bronşial ve alveolanın yapısı Tablo
Partikül
boyutları
ve
solunum
savunma
mekanizması Partikül
Tanıtım
Mekanizma
boyutu 10 µm’den İri toz, uçucu kül (çıplak Burnun ön ucundaki büyük gözle görülebilen) kıllar 10 µm’den büyük olan tüm partikülleri tutarlar 2 ile 10 µm arası Sis,toz,duman Kılların hareketleri partikülleri sümüğü yukarı doğru süpürürken partikülleri soluk borusundan ağız boşluğuna sürükler ve yutulmasını sağlar. 2 µm’den küçük Aerosoller ve sis Akciğerdeki lenfosit ve fagositler bazı mikron 40
altı partiküllere ederler
etki
Partikül boyutu 0.25 ile 1µm arasında olan partiküller hava ile birlikte solunum sistemine tekrar tekrar girip çıkma özelliğine sahiptirler. Bu nedenle insanlar bu partiküllerle daha çok temas ederler. Akciğerlerde birikme riski 0.25- 1 µm arasındaki partiküllerde daha büyüktür. 0.25 µm’dan küçük partiküller ise Brownian hareketleri nedeni ile akciğerlerde birikmeden tekrar hava ile dışarı atılırlar. Kurşun
partikülleri
nedeni
ile
ortaya
çıkan
sağlık
problemine son yıllarda özel bir önem verilmektedir. Çünkü çok zehirli olan kurşun tozları solunum sırasında veya
yiyeceklerle
insan
vücuduna
çok
kolay
girmektedir. Bitki ve Hayvanlara etkisi: Partikül maddelerin ekinlere olan yok edici etkisi hakkında pek az bilgiler bulunmaktadır. Kum çimento tuğla tozunun yaprak yüzeylerinde toplanması çok az hasar meydana getirmektedir. Ancak rutubetin olması halinde aynı tozlar bitki
dokusunun
daha çok hasara neden olurlar ve gelişmesinde 41
önemli
engeller
oluştururlar. Doğaldır ki yaprakların tozla
kaplanması
fotosentezi azaltır dolayısıyla bitki gelişimini engeller. Florür,
arsenik
ya
da
kurşun
içeren
partiküllerle
kaplanmış bitkileri yiyen hayvanlarda bazı hastalık belirtileri görülür. Materyallere Etkisi: Partikül maddeler toz şeklindeki eşyaları kaplayarak materyallere
ve
tekstil
ürünlerine
Materyalleri özellikle bağıl nemin %
zarar
verirler.
75 in üstünde
olması halinde korozyona uğratırlar bina
yüzeylerini
aşındırırlar, boyalı yüzeylerin boyasını bozarlar harap
ederler.
Örneğin
partikül
ve
madde
konsantrasyonlarının 130 ile 180 µm/m olduğu hallerde SO2 ile rutubet varsa çelik
ve çinko panellerinin
korozyonu üç dört defa daha fazla olur.
42
III. Ders GAZ KİRLETİCİLER Atmosferik koşullarda, moleküler boyutta ve gaz halinde olan
kirleticilere
kirlenmesinde
gaz
kirleticiler
hidrokarbonlar,
adı
verilir.
Hava
karbonoksitler,
kükürtoksitler, azotoksitler ve oksidanlar en önemli gaz kirleticilerdir. Hidrokarbonlar: Yalnız karbon ve hidrojen içeren organik bileşikler hidrokarbonlar olarak adlandırılırlar. Hidrokarbonların kendileri zararlı değildir. Ancak, fotokimyasal reaksiyonlarla kirletici ve zehirli
43
maddelere dönüşerek smog denilen olayı meydana getirirler. Hidrokarbonların karbon sayısı 1- 4 normal şartlarda gaz, < 4 Sıvı Atmosfer kirlenmesine, gaz formdaki ve buhar basıncı düşük kolay buharlaşabilen hidrokarbonlar sebep olmaktadır. Benzin ve diğer petrol ürünlerinin en önemli kimyasalları olan hidrokarbonlar, alifatik ve aromatik olmak üzere iki temel sınıfa ayrılırlar. Alifatik hidrokarbonlar: Alifatik hidrokarbon grubu, alkanlar, alkenler ve alkinleri içermektedir. Alkanlar; doymuş hidrokarbonlar (örneğin; metan) olup, oldukça inert ve genel olarak atmosferik fotokimyasal reaksiyonlarda aktif değildirler. Alkenlere daha çok olefinler denilmektedir, doymamıştırlar ve atmosferik fotokimyasal olaylarda oldukça fazla reaktiftirler. Güneş
ışığının
az
olması
halinde
Azot
oksitle
yüksek
konsantrasyonlarda reaksiyona girerek peroksiasetil nitrat (PAN) gibi ikincil derece kirliliği oluşturur. Bu arada ozon da (O3) oluşur. Aromatik hidrokarbonlar: Aromatik hidrokarbonlar biyokimyasal ve
biyolojik olarak aktiftirler ve bazıları oldukça
Yerleşim bölgelerindeki akciğer kanserindeki
kanserojendir.
artışın en önemli
sebebinin otomotiv egzos emisyonunda aromatik hidrokarbonların bazı gruplarının olduğu ileri sürülmektedir.
44
Hidrokarbonların
Kaynakları:
Atmosferde
bulunan
hidrokarbonların kaynakları hem doğal hem de insan faaliyetleri nedeniyle oluşmaktadır. Atmosferde bulunan hidrokarbonların büyük miktarı doğal kaynaklıdır. • Bu kaynakların en önemlisi mikrobiyal bozunmalarda oluşan biyolojik reaksiyonlardır. • Hidrokarbonların az bir kısmı jeotermal alanlardan, • kömür yataklarından, • petrol tesislerindeki doğal gazlardan ve • doğal yangınlardan kaynaklanmaktadır. Tablo Hidrokarbon emisyonlarının kaynak ve miktarları (milyon ton/yıl) Kaynak Ulaştırma
1968 16.6 Sabit kaynaklardaki sıvı yakıt 0.7
1970 16.8 0.5
1975 10.4 1.3
1977 11.5 1.5
1980 7.8 0.2
Endüstriyel prosesler 4.6 Katı atık düzenlenmesi ve 10.1 diğerleri Toplam 32.0
4.8 7.9
2.7 14.6
10.1 5.2
10.8 3.0
30.0
27.0
28.3
21.8
yanması (enerji ve ısınma)
Tablo dan da görüldüğü gibi, endüstriyel kaynakların (özellikle rafineriler) neden olduğu hidrokarbon emisyonu insan aktiviteleri sonucu meydana getirilen HC arasında en önemli olanıdır. Ulaştırma alanında hidrokarbonlardaki azalma, otomotiv emisyon kontrol cihazlarının geliştirilmesinin bir sonucudur. Katalizörlü yakıcı ile tekrar yakma sonunda dışarı atılan hidrokarbonlar azalmakta ve ayrıca aynı anda karbonmonoksiti yakarak dışarıya CO2 olarak çıkartması kirliliği azaltmaktadır.
45
İnsan aktiviteleri sonucu oluşan hidrokarbonlar, atmosfere yayılan toplam hidrokarbonların yaklaşık % 10’u kadardır. Bu miktarın kendi arasındaki payı ise Tablo ’da görülmektedir. Tablo İnsan Faaliyetleri Sonucu Oluşan HC Kaynakları
Faaliyet Alanı Motorlu taşıtlar Yerleşik Yakma Endüstriyel Faaliyet Katı Atıklardan
HC Miktarındaki Payı (%) 55 3 15 27
Hidrokarbonların Etkileri: Atmosferik koşullarda hidrokarbonların canlılar ve eşyalar üzerinde her hangi bir toksik etkisi doğrudan saptanamamıştır. • hidrokarbon üretilen ve kullanan endüstrilerde yapılan araştırmalarda 25 ppm Hidrokarbon bulunan bir hava ortamında her hangi etki saptanmazken, 500 ppm benzen bulunan bir çalışma ortamında insanlar ancak 1 saat dayanabilmektedir. • 600 ppm toluen bulunan bir atmosferde ise insan 8 saatte zehirlenmektedir. • 7500 ppm benzen bulunan bir atmosferde insanların 1 saat içinde, 20000 ppm Benzen konsantrasyonunda ise 10-15 dakikada öldüğü tespit edilmiştir. Diğer taraftan, hidrokarbonların atmosferde oluşturdukları oksidanlar hem eşyalara, hem de canlılara doğrudan etki etmektedir. Karbon Monoksit: Normal koşullar altında Karbonmonoksit gazı renksiz, tatsız, kokusuz ve kimyasal olarak inert olup ortalama atmosferik ömrü tahminen 2.5 aydır. 46
Karbonmonoksitin yapılar, bitkiler ya da eşyalar üzerindeki etkisi çok azdır. 100 ppm konsantrasyonda bile CO’in bitkilere ve eşyalara her hangi bir zararlı etkisi tespit edilememiştir. Ancak kandaki oksijen transferinden sorumlu bileşik olan hemoglobinle kolay reaksiyon vermesi nedeni ile yüksek konsantrasyonlarda insanın aerobik metabolizmasına ciddi olarak etki yapar. Karbonmonoksit, kandaki hemoglobin (Hb) ile reaksiyona girerek onu kanın oksijen taşıma kapasitesi çok daha düşük olan karboksi hemoglobin (COHb) şekline dönüştürür. Hemoglobinin karbonmonoksit ile olan afinitesi oksijenle olandan 200 defa daha fazla olduğundan, CO’in varlığı çok düşük konsantrasyonlarda bile olsa oksijenin kan içindeki iletimi önemli bir şekilde azalır. CO’e insan sağlığına etkileri tablo ’da verilmiştir. Tablo dan görüleceği gibi kandaki COHb seviyesi arttıkça etkileri çok daha önem kazanmaktadır. Tablo Kandaki Değişik Düzeylerdeki COHb'nin Sağlığa Olan Etkisi COHb seviyesi % Gösterdiği etki 1.0 den az . Görülen bir etki yoktur 1.0 ile 2.0 Davranış performansı üzerinde bazı belirtili etki 2.0 ile 5.0 Merkezi sinir sistemi üzerinde etki; zaman aralıklarını ayırt etme yeteneğinde, net görme, muhakeme ve belli başlı diğer istem dışı kendiliğinden işleyen (terleme gibi) fonksiyonlarda 5.0 dan büyük 10 ile 80.0
bozulma Kalp ve akciğerle ilgili fonksiyonlarda değişme Baş ağrıları, yorgunluk, uyuşukluk, koma, solunum zorlukları, ölüm
47
% C O H b
Ölüm
Bilinç Kaybı
Gözlenen Etki
İstirahat Ağır İş Maruz Kalma Süresi, h
Şekil Kandaki COHb seviyesi: Atmosferik CO, temas süresi ve fiziksel aktivitenin tipi ile korelasyonu
Şekil ’de gösterildiği gibi vücut tarafından CO'in absorbe edilmesi, CO konsantrasyonuyla, maruz bırakılma süresi ve yürütülen aktivite ile artar. Karbonmonoksit konsantrasyonu, trafiğin yoğun olduğu ve yolları tıkanık olan kentlerde özellikle yüksektir. Kandaki
CO
konsantrasyonu
teneffüs
edilen
havadaki
CO
konsantrasyonuna bağlıdır. CO soluyan bir insanın kanında meydana gelen COHb konsantrasyonu; kanda, % COHb= 0.16 x Havadaki CO kons. + 0.5
48
eşitliği ile bulunabilir. Bu denklemin geçerli olabilmesi için insanın zehirlenmeden durabileceği CO konsantrasyonu olan 100 ppm altında hava ortamı olmalıdır. COHb’nin kanda yarılanma süresi 5 saattir. Yukarıdaki denklem uygulandığında 10 ppm CO bulunan bir havayı soluyan bir insanın kanında COHb
% 2.1’e ulaşırken, 50 ppm
soluyanda ise % 8,5’e ulaşmaktadır. 750 ppm CO’e maruz kalan bir insan 5 dakikada, 2000 ppm CO’e maruz kalan bir insan 1 dakikada ölmektedir. İstanbul Boğaziçi Köprüsü çalışanlarında, CO ve COHb seviyeleri sigara içen ve içmeyenler olarak ölçülmüştür. Vardiye girişi ölçülen COHb seviyeleri ortalaması sigara içmeyenlerde %0.67, sigara içenlerde % 1.99, vardiye çıkışı ölçülen COHb seviyeleri ortalaması sigara içmeyenlerde % 1.25, sigara içenlerde %
3.23 olarak
bulunmuştur. İstanbul’da yapılan araştırmalarda bazı cadde kavşak noktalarında CO konsantrasyonunun bir saatlik sürede 55 ppm’ e kadar çıkabileceği görülmüştür. Böyle bir
yerde bir saat trafiğe takılan bir kişinin
kanındaki COHb seviyesinin %2.3 e ulaşacağı hesaplanmaktadır. Bu temas, merkezi sinir sistemine etki ederek insanın zaman aralıklarını ve ışık parlaklığını ayırt edebilme yeteneğini bozar. Karbonmonoksitin Kaynakları: Karbonmonoksitin kaynakları doğal ve yapay olarak iki grupta toplanır. Her yıl bitkilerin çürümesi sonucu
49
meydana gelen metan gazının oksidasyonundan 3.5 trilyon ton CO oluştuğu hesaplanmaktadır. Metanın doğal şartlarda oksidasyonu en büyük karbonmonoksit kaynağıdır. Bir yılda atmosfere karışan tüm CO’nin % 75 ‘i Metanın oksidasyonu sonucu meydana gelmektedir. İnsan aktiviteleri sonucunda oluşan CO toplamın ancak % 10’u kadardır. Her yıl atmosfere yayılan CO miktarı kaynaklarına göre Tablo ’da görülmektedir. Tablo Atmosfere Yayılan CO Kaynak ve Miktarları Kaynak Metan Oksidasyonu Deniz ve Göller Ormanlardan İnsan Faaliyetlerinden Diğer Doğal Kaynaklar
Miktar (milyon ton/yıl) 3.500 170 100 400 300
CO diğer kaynağı sigaradır. Sigara dumanı 400-500 ppm CO içermektedir. • Sigara içmeyenlerde COHb % 1.5 seviyelerinde • Günde bir paket içenlerde % 6.3 • İki paket içenlerde % 7.7 COHb belirlenmiştir. Kentsel alanlarda yapılan ölçümlerde 8 saatlik ortalama maksimum konsantrasyon 53 ppm olarak belirlenmiştir. Pik konsantrasyonlar trafiğin yoğun olduğu sabah ve akşam saatlerinde gözlenmektedir. Özellikle çok yoğun karbon monoksit konsantrasyonları hareket halindeki taşıtların içinde, garajlarda ve trafik akışının fazla olduğu bölgelerde tespit edilmektedir. Dolayıyla yoğun CO maruziyetinin; özellikle şoförler, garajlarda çalışan kişiler ve trafik polislerinde 50
gözlenmesi beklenilmelidir. Örneğin yapılan ölçümlerde araba içinde maksimum
36
ppm,
garajlarda
500
ppm
karbon
monoksit
konsantrasyonu tespit edilmiştir. Atmosferdeki ortalama CO konsantrasyonu 0.1-0.5 ppm dir. Her yıl atmosfere yayılan CO miktarı göz önüne alındığında, atmosferdeki CO konsantrasyonunun her yıl % 50 oranında artması beklenir. Aksine, bazı yıllarda azalmalar da tespit edilmektedir. Bu olay aşağıdaki gibi açıklanabilmektedir; İlk akla gelen atmosferdeki karbonmonoksitin CO + ½ O2 + ışık
CO2
şeklinde dönüşüm reaksiyonudur. Ancak, atmosferik şartlarda bu reaksiyonun
atmosfere
karışan
karbonmonoksitin
tümünü
dönüştürecek hızda olmadığı tespit edilmiştir. Yapılan hesaplamalarda toplam karbonmonoksitin ancak % 0.1’i CO2’ye dönüşebilmektedir. Biyosferde su yatakları, bitki örtüleri, insan aktiviteleri CO üreten bölgeler olduğuna göre, geriye toprağın CO ile ilişkisi kalır. Son yıllarda yapılan araştırmalarda tropikal toprakların en çok CO yakalayıcısı olduğunu ortaya koymuştur. Tropikal bir toprağın saatte 7-10 mg/m2 CO absorpladığı gözlenmiştir. Topraktaki biyolojik aktivite azaldıkça, CO üretme hızı azalmakta, buna karşılık CO absorplama hızı artmaktadır. ABD’de yapılan bir araştırmada ABD toprakları yılda ortalama 500 milyon ton CO yakalamaktadır. Karbon Dioksit (CO2)
51
Karbondioksit (CO2) atmosferde çok düşük konsantrasyonda bulunan bir gazdır. Çevrede önemli bir anahtar görevi yapar. Örneğin, bitkiler karbon dioksit alırlar ve bunu fotosentezlerinde kullanarak yaşamlarını sürdürürler. güneş ışığı CO (gaz) + H2O
Karbonhidrat + O2 (gaz)
Karbon dioksitin diğer bir özelliği de güneşten gelen ışınların değişmeden
yeryüzüne
ulaşmasını
sağlar.
Ancak
bu
sırada
yeryüzünden gelen uzun dalga radyasyonunun bir kısmını absorblar. Uzun yıllar önce, karbon dioksitin yeryüzünde meydana getirdiği sera (greenhouse) etkisi ve buna bağlı olarak gelişen iklim değişikliklerine neden olduğu tespit edilmiştir. Atmosferde daha önceden 280 ppm olarak tespit edilen karbon dioksit miktarı, fosil kökenli yakıtların kullanımının artması ile bugün 350 ppm’e kadar yükselmiştir. Karbon dioksit doğal veya yapay olarak yanma veya oksidasyon sonucunda
oluşur.
Ortama
verilen
karbonmonoksit,
hidroksit
radikalleri ile oksitlenerek karbon dioksite dönüşür. Ancak bu oksitlenme uzun zaman aralığında gerçekleşen bir reaksiyonla olur. Karbondioksitin kendisi toksik bir gaz değildir. Normal atmosfer şartlarında %0.03 - %0.06 arasında değişen konsantrasyonlarda, ayrıca kaynak sularında da çözünmüş halde bulunur. Atmosferdeki karbondioksit ile çözünmüş karbondioksit arasında çeşitli doğal dönüşümlerin olması söz konusudur. Aradaki denge,
52
mevcut konsantrasyonun karışım zamanına bağlıdır. Bu dönüşüm aşağıda şematik olarak gösterilmektedir.
Atmosferde bulunan karbon dioksit konsantrasyonu fosil kaynaklı yakıtların yanması sonucunda her yıl 2.3 ppm kadar artmaktadır. Bunun üçte biri okyanus veya derin su kaynaklarınca ve bitkiler tarafından alınarak atmosferden uzaklaştırılmaktadır. Geri kalan 1.5 ppm ise atmosferdeki karbon dioksit konsantrasyonuna eklenmektedir. Bu miktar da atmosferin tedrici olarak ısınmasına neden olarak sera (greenhouse) etkisini her geçen gün biraz daha arttırmaktadır. Atmosferde biriken karbondioksit adeta bir cam fanus görevini yapar. Güneşten
gelen
kısa
dalga
boylu
ışınlar
içeriye
kolaylıkla
geçmektedir. Ancak, içeride oluşan ısı enerjisinin çıkması karbon dioksit tarafından engellendiğinden içteki ısı dışarıdan daha yüksek olmaktadır. Karbon dioksitin bu etkileşimi sonucunda; dünya ortalama
53
ısısında meydana gelen yükselme doğadaki denge ve dönüşümler üzerinde de etkisini göstermektedir. 1880-1940 yılları arasındaki sıcaklık artışının 0.5 °C olduğu belirlenmiştir. Günümüzde olduğu gibi, atmosfere yayılmakta olan karbondioksit miktarının hızla artması durumunda, önümüzdeki yüzyılın yarısında global ısınmanın l.5 °C - 5 °C arasında bir artış göstereceği tahmin edilmektedir. Kükürt
Oksitler: Kükürt oksitleri (SOx), doğal afetler ve insan
faaliyetleri sonucunda ortaya çıkan hava kirleticileri arasında kuşkusuz en yaygın ve en çok üzerinde durulanıdır. Bu oksitlerin en yaygın olanları, kükürtdioksit (SO2), kükürttrioksit (SO3), ve kükürt heptoksit (S2O7)tir. Kükürtdioksit renksiz, yanmaz ve patlamaz bir gaz olup boğucu bir kokusu vardır. Kükürtdioksit su içinde oldukça fazla çözünür (11.3 g/100 ml, 20 oC de), moleküler ağırlığı 64.06 gr.dır ve yaklaşık olarak havadan iki kat daha ağırdır. SO2 nin havada kalış süresinin 2 ile 4 gün olabileceği ve bu sürede 1000 km yol alabileceği bilinmektedir. Bu nedenle SO2 kirliliği, uluslarası bir boyut kazanır. Atmosferdeki
diğer bileşiklerle
reaksiyonlara
giren SO2, SO3, H2SO4 damlaları ve sülfürik asit
tuzlarını meydana getirir.
54
fotokimyasal ya da katalitik
Kükürt Oksitlerin Etkisi İnsan Sağlığına Etkisi: Sülfürik asit (H2SO4), sülfürdioksit (SO2) ve sülfat tuzları solunum sisteminin mukozasını tahriş etme özelliğine sahiptir ve özellikle kronik solunum hastalıklarına neden olur (tablo) Genel olarak laboratuarda deney koşullarında, erişkin sağlıklı kişiler üzerinde yapılan deneylerle sağlanan veriler ile dış hava koşullarında diğer kirliliklerin birbirini destekleyen etkisi
ile temel değişik
reaksiyonlara neden olur.
Tablo SO2 nin İnsanlara Etkileri Konsantrasyon ppm 0-0.06 0.15-0.25 1.0-2.0
Temas Süresi
5.0
1 saat
10.0 20 den büyük
1 saat 30 sn
400-500
Ani
1-4 gün 3-10 dak
Etkileri Etkisi bilinmiyor Kalp-solunum tepkiler Sağlıklı kişilerde kalp-solunum tepkiler sezilebilir tepkiler,göğüs kafesinde sıkışma Hava akımları karşısında nefesin kesilmesi ve artan akciğer direnci Ciddi sıkıntılar, bazı burun kanamaları Sindirim sisteminin etkilenmesi ve aynı zamanda göz iltihapları Ölüm, boğulma tehlikesi
EPA verilerine göre Chicago'nun 470 µg/m3 lük (0.18 ppm) SO2 konsantrasyonları aşırı ölümlerle sonuçlanmış durumdadır. Tozlu bir atmosferde SO2 özellikle zararlıdır. Çünkü hem SO2 ve hem de 55
sülfürik asit molekülleri, solunum sistemini yönlendiren ve saça benzeyen tüycükleri felce uğratırlar. Tüycüklerin doğal süpürme eylemi olmazsa partiküller içlerine girerek orada çökelebilirler. Bu partiküller genel olarak kendileri ile birlikte oldukça yüksek bir konsantrasyonda SO2 yi de taşırlar, böylece doğrudan ve uzatılmış süreli temas akciğerin hassas yapısını tahriş eder. Dış havadaki SO2 konsantrasyonunun, temas süresine bağlı olarak etkisi Şekil’de özetlenmiştir. Z a m a n
A B C D
SO2, ppm A Beklenenden daha fazla ölüm olaylarının gözlendiği konsantrasyon sınırları ve temas süreleri B Önemli sağlık etkilerinin gözlendiği konsantrasyon sınırları ve temas süreleri C Sağlık etkilerinin beklenebileceği konsantrasyon sınırları ve temas süreleri D Önemli problemlerin olmadığı konsantrasyon sınırları ve temas süreleri Şekil Kükürt Oksitlerin İnsan Sağlığına Etkisi
Bitkilere Etkisi: Dış havadaki SO2 konsantrasyonu ile temas süresi ve bitkiler üzerindeki etki arasındaki ilişkisi Şekil de gösterilmiştir. 56
Gölgelenmiş olan bölge zarara neden olan temas süresini temsil ederken, gölgelenmemiş olan bölge önemi olmayan temas süresini temsil etmektedir. Bitkilere olan zarar akut ve kronik olmak üzere sınıflandırılabilir. Akut durumlara kısa periyotlarda SO2 konsantrasyonunun yüksek olduğu koşullarda rastlanır. Sonuçta damarlar arasında ya da yaprakların kenarlarında açıkça kendisini gösteren ölü bölgeler belirgin
durumda
görülür.
Kronik
zararlarsa,
düşük
konsantrasyonlarda uzun süreli temasların sonucu oluşur. Bitkilerin yapraklarında kahverengi, kırmızı ya da beyaz lekeler görülür. Z a m a n
A
B
SO2, ppm
A Bitkilerin zarar gördüğü konsantrasyon sınırları ve temas süreleri B Bitkilerin zarar görmediği konsantrasyon sınırları ve temas süreleri Şekil SO2 nin bitkilere etkisi
57
Materyaller üzerine etkisi: Sülfürik asit aerosolleri mermer, kireçtaşı, ve kireç harcı (martar) gibi karbonat içeren inşaat materyallerine rahatça etki eder. Aşağıdaki eşitlikte gösterildiği gibi, suda çözünür olan sülfatlarla karbonatlar yer değiştirir. CaCO3+H2SO4 → CaSO4+CO2+H2O (Kireçtaşı) Kalsiyumsülfat ya da jips (CaSO4) bu süreç sırasında meydana gelir ve suyla yıkanıp giderken geriye rengi atmış gözenekli formunda bir yüzey kalır. Tarihi binalar, ulusal yapılar, katedraller ve heykeller hep kükürt oksitlerin yan ürünleri ile temasa geçerek harap olurlar. Sülfürik asit pusu, aynı şekilde pamuk, keten ve naylonu da tahrip eder. SO2, bağıl nem oranı %70 in üzerinde ise demir, çelik çinko, bakır ve nikel gibi metallerin korozyon hızını arttırır. Kükürt Oksitlerin Kaynakları: Katı yakıtların ve fosil yağlarının (sıvı yakıt) yakılması insan faaliyetlerinin bir sonucudur. Bu faaliyetler SO2 emisyonlarının yüzde 80 den fazlasını oluşturur. İstanbul’da yapılan bir araştırmada 1990-1995 yıllarında yaklaşık 2 milyon ton kömür (% 1-3 Kükürt) yılda tüketilmektedir ve aynı zamanda 950-1000 araç trafikte seyretmektedir. Bir yılda fosil yakıtlardan İstanbul atmosferine yanma sonucu verilen SO2 yaklaşık 40.000 ton olup, bu vasıtalardan yayılan (yaklaşık 36 ton) SO2’nin 1000 katına ulaşmaktadır. 58
Tablo 5.8. Sülfür oksitlerin kaynak ve miktarları Emisyon, milyon ton/yıl Kaynak Ulaştırma Yerleşik kaynaklardaki sıvı yakıt yakılması (güç ve ısıtma) Endüstriyel süreçler Katı atık düzenlemeleri ve diğerleri Toplam
1968 0.7 20.6
1970 0.9 23.5
1975 1.1 22.0
1977 0.8 22.4
1980 0.9 19.0
6.1 0.6
5.3 0.3
2.9 -
4.2 -
3.8 -
28.0
30.0
26.0
27.4
23.7
Benzinin kükürt miktarı düşük olduğundan (kütlesel olarak yüzde 0.03) ulaştırma nedeni ile atmosferdeki insan kaynaklı SOx kirlenmesi oldukça azdır. Son zamanlarda SO2 nin otomotiv sektöründe kullanılan katalitik konventörler vasıtasıyla SO3 e dönüşmesi endişesi, karbon monoksit ve hidrokarbon emisyonlarının azaltılmasının getireceği faydalar yanında fazla önemsenmemektedir. Kükürtoksit emisyonların kontrol altına alınabilmesini sağlayan ana temel yöntemler; daha az kükürt içeren yakıtların yakılmasından başlayarak, yakıttan kükürdün alınması, kömürün sıvılaştırılması ya da gazlaştırılması, diğer enerji kaynakları ile yer değiştirilmesi, yanma ürünlerinin temizlenmesi ya da uzun bacalarla yayılmasıdır. Azot
Oksitler:
Azot
oksitleri
(NOx),
Azot
ve
Oksijenin
oluşturabileceği bir çok bileşikten meydana gelmektedir. Bunlar azotmonoksit (NO), azotdioksit (NO2), diazotmonoksit (N2O), diazot trioksit (N2O3), diazot tetraoksit (N2O4) ve diazot pentoksit (N2O5)
59
tir. Hava kirliliğinde en fazla üzerinde durulanlar azotmonoksit (NO) ve azotdioksit (NO2) tir. Havadan ağır olan azotdioksit (NO2) aşağıdaki eşitlikte gösterildiği gibi nitrat asidi ve diğer nitroz asitleri ya da azot oksidi yapacak şekilde suda çok miktarda çözünür. 2NO2+H2O → HNO3+HNO2 (nitrozasit) 3NO2+H2O → 2HNO3+NO Nitrik ve nitrozasitlerin her ikisi de yağmurla havadan sulara geçer ya da atmosferde amonyak ile (NH3) birleşerek amonyum nitrat (NH4NO3) oluşturup, yer yüzüne iner. Bu durumda NO2 bitkiler için besin maddesidir. Ultraviyole sınırları içinde enerjiyi çok iyi absorbe eder. NO2 Ozon (O3) gibi ikinci derece hava kirlilikleri üzerinde önemli bir rol oynar. Azotmonoksit (NO) atmosfere NO2 den çok daha fazla miktarlarda yayılır. Yere yakın atmosferde fotokimyasal ve kimyasal reaksiyonlar NO2+hν O + O2 +M NO + O3 NO2+hν + O2
NO + O O3 + M NO2 + O2 NO + O3
Şeklinde meydana gelmektedir. NO nun NO2 ye dönüşümü çok hızlıdır. Sonuçta NO2, güneş radyasyonu ve O2 ile birlikte NO ve O3 oluşturmaktadır. O3 ile olan hızlı reaksiyon sebebiyle NO güneş 60
battıktan sonra NO2 e dönüşemez. Be nedenle karanlık saatlerde NO pek çok ölçümde belirlenmiştir. Azot Oksitlerin Etkileri: Canlılara etkisi: Azotmonoksit (NO) oldukça inert bir gazdır ve yalnızca orta derecede toksiktir. Her ne kadar NO, CO gibi hemoglobinle birleşerek kanın oksijen taşıma kapasitesini azaltırsa da, dış havada genel olarak NO konsantrasyonu 1.22 mg/m3 (1 ppm) den küçük olduğundan, NO sağlığa zararlı olarak düşünülemez. Ancak NO kolayca oksitlenek biyolojik açıdan önemi olan NO2 ye dönüşür. NO+ 1/2 O2 ⇔NO2 NO2 akciğerlerin alveollerini tahriş eder; insan solunum sisteminin azotdioksitle kısa süreli temasına karşı davranışı aşağıdaki tablo ’da verilmiştir. Sekonder Kirlenme ve NO: NOx, fotokimyasal sisin (smog) üretilmesi için gerekli iki kimyasal bileşen gruptan biridir. Güneş Işını
Hidrokarbonlar + NOx
Smog
Gerçekte, bu olay sırasında bir sürü kompleks reaksiyonlar vardır ve sisin oluşumuna neden olan reaksiyonlar henüz kesin olarak bilinmemektedir. NOx’in en önemli fonksiyonunun ışık enerjisini absorbe etmek olduğu bilinmekte ve sis içinde değişik seviyelerde oksidanlar bulunmaktadır. Atmosferde NO2 nin meydana geldiği temel proses aşağıdaki gibidir.
61
O3 + NO → O2+NO2 Hidroperoksit köklerde NO ile reaksiyona girerek NO2 ve Hidroksil kökleri oluşturur. •HO2 + NO
•HO+NO2
Ayrıca alkilperoksil kökleri NO yu okside ederek alkiloksil kökleri ile NO2 meydana getirir. •RO2 + NO
•RO+NO2
Bu şekilde, Hidrokarbon, NOx ve Ozon arasında atmosferik şartların etkisiyle zincir reaksiyonları oluşur ve devam eder. Reaksiyonlar çok hızlı olup NO2 dönüşümü ani olmaktadır Bu fotokimyasal reaksiyonların son ürünleri ; O3, PAN, aldehitler, ketonlar, alkilnitratlar ve karbonmonoksit gibi hava kirleticilerinden ibaret olan fotokimyasal sis (smog) tir. Smog: Insan faaliyetleri sonucu yapay sis oluşumuna SMOG denir Kirlenme
nedeniyle görüş mesafesi azalması,
diğer ifadeyle
bulanıklık; renkli gazlar ve ince aerosoller nedeniyle olmaktadır. Ayrıca ince aerosollerin çekirdek görevi üstlenmesiyle yoğuşaan hava nemi de doğal olmayan sislerin oluşumuna neden olmaktadır. BU iki etkinin birleşmesiyle oluşan SMOG kendisini oluşturan etkinin atmosferde oksitleyici maddelerle hidrokarbonlar arasında meydana gelen ve gün ışığıyla ilişkili fotokimyasal reaksiyonlar olması halinde FOTOKİMYASAL SMOG adını alır. Atmosferdeki oksitleyicilerin en önemlisi OZON dur. Ozon kirletici kaynaklardan atmosfere atılan bir kirletici olmayıp, atmosferde çeşitli
62
kirleticilerin yan etkileriyle güneşin mor ötesi ışınlarının yardımıyla meydana gelen reaksiyonların ürünüdür. Bu reaksiyonlar esnasında aktif atomik Oksijenler açığa çıkmaktadır. Aktif atomik oksijenler atmosferde bulunan çeşitli organik veya anorganik
kimyasal
reaksiyonların,
kirleticileri
benzinli
oksitleyerek
araçlardan
tüketilirler.
kaynaklanan
Bu
yanmamış
hidrokarbonlarla devam etmesi sonucu R herhangi bir alkil grubu HC hidrokarbon olmak üzere R- + RCO-
HC + O R- +O2
RO2-
RO2- + HC
RO- +HCO-
RO- +NO + O2
RO2- +NO2
RCO- + O2
RCO3-
RCO3- + NO
RCO2- +NO2
RO2- + NO
RO- +NO2
RCO2- + NO
RCO- +NO2
RCO2- + O2
RCO- + O3
Reaksiyonun bu şekilde meydana geldiği düşünülmektedir. reaksiyonlarda NO
NO2 ye
O
O3 dönüşmektedir
Atmosferde NO2 ve O3 konsantrasyonunda artış meydana gelmektedir. Serbest HC buharları ise organik peroksitlere, aldehit, keton ve nitratlara dönüşerek çok zararlı ve aktif ikincil hava kirleticilerine dönüşmektedir. Bunlardan RCO2- + NO2
RCO2NO2
63
RCO3- + NO2
RCO3NO2
Olarak gösterilen sırasıyla asil ve peroksiasil nitrat maddeleri kanser yapıcı olarak bilinirler. (R) yerine asetil grupları girdiğinde PEROKSİASETİL NİTRAT (PAN) meydana gelmektedir. PAN göz yaşartıcı, bitki örtüsünü tahrip eden ve kanser yapıcı olduğu kuvvetle tahmin edilen bir maddedir. R yerine benzoil grubu girmesi ile PEROKSİBENZOİLNİTRAT (PBzN) oluşur. PBzN, havada PAN dan daha az bulunan ancak daha aktif ve tehlikeli bir kirleticidir. Ozon / PAN oranı sabit olmayıp, mevsimlere göre değişim gösterir. Avrupa’nın bazı kesimlerinde yapılan ölçümlerde maksimum PAN konsantrasyonu 80-90 µg/m3 olarak tesbit edilmiştir. Çok kuvvetli bir oksitleyici olan ozon, her türlü biyolojik materyalle reaksiyona girmektedir. Ozonun özellikle akciğer fonksiyonları üzerinde önemli ölçüde zararlı olduğu tesbit edilmiştir. Genelde, ozon maruziyeti 1-3 saatlik süreyi kapsamaktadır. 200 µg/m3 oksitleyici konsantrasyonuna maruziyet; göz,burun ve boğaz tahrişine, göğüs sıkışması, öksürük ve baş ağrısına neden olmaktadır. Çocuk ve gençlerde
akciğer
fonksiyonlarının
azalmasına
sebep
olan
konsantrasyon ise 160-300 µg/m3 tür. Dünya Sağlık Örgütü tarafından insan sağlığının korunması için maruziyet sürelerine göre aşılmaması
64
gereken sınır değerler ; 1 saat için 150 µg/m3 8 saat için 100-120 µg/m3 olarak önerilmektedir. Yerleşim alanlarındaki NOx konsantrasyonları kırsal alanlara göre 1000 defa daha büyük olabilir. NO ve NO2 nin her ikisi de solar radyasyona, meteorolojik olaylara ve trafik hacmine bağlı olarak gün boyunca belirli değişik konsantrasyonlar göstermektedir. NO, NO2 ve O3 ün 1965 de Los Angeles'ta gösterdiği günlük konsantrasyon değişiklikleri Şekilde verilmiştir. Günün ışımasından önce NO ve NO2 oldukça düşük ve değişmez bir konsantrasyon gösterir. Sabah aktivitelerinin
başlaması
ile
birlikte
(özellikle
otomobillerin
kullanılması ile) NO konsantrasyonları hızla artar. Daha sonra artan solar aktivite ile aşağıdaki reaksiyonlar oluşmaya başlar. NO2 + UV ⇔ NO + O O + O2 + M ⇔ O3 + M O3 + NO ⇔ O2 + NO2
NO2 konsantrasyonları yükselir ve bir pike ulaşır. Fotokimyasal oksidanların birikmesi ile azalmaya başlar. Fotokimyasal oksidanlar (temel olarak O3) öğle sıralarında bir pike erişirler. Biriken NO ve O3 atmosferde kolayca reaksiyona girerek tamamen O2 ve NO2 ye dönüşür. Her ne kadar öğleden sonraları solar radyasyon oksidanları üretmek için yeterli değilse de daha önce üretilmiş olan O3 akşam trafiği ile yayılan NO ile reaksiyona girerek bu sıralarda NO2 miktarında az da olsa bir artma meydana getirir.
65
pp m
Azot Monoksit Azot Dioksit Ozon
K o n s a n t r a s y
Öğleden Önce
Öğleden Sonra
Şekil Los Angeles'ta 19 Temmuz 1965 te NO, NO2 ve O3 teki günlük
değişimler
Maksimum NO konsantrasyonları çoğunlukla sonbaharın sonlarında ve kış aylarında oluşur. Bu aylar ısınma enerjisinin maksimum ihtiyaç duyulduğu, rüzgar hızlarının düşük olduğu ve solar radyasyonların en az olduğu aylar olarak tanımlanır. NO2, NO gibi mevsimsel değişiklikler göstermez.
66
Azot Oksitlerin Kaynakları: Azotun bazı oksitleri doğal olarak meydana gelirken bazıları ise insan faaliyetleri sonucu oluşur. Atmosferin üst tabakalarında solar radyasyon yardımıyla üretilen düşük konsantrasyonlardaki NOx aşağı doğru difüzyonla atmosferin alt tabakalarına erişir. NOx in az bir miktarı da şimşekler ve orman yangınları
sırasında
oluşur.
Organik
maddelerin
bakteriyel
parçalanması da atmosfere NOx lerin bırakılmasına neden olur. Doğal olarak meydana gelen NOx, insan faaliyetleri sonucu oluşan NOx 'in yaklaşık 10 katıdır. İnsanın katkısıyla oluşan NOx in temel çıkış noktası yerleşik kaynaklarda sıvı yakıtın yakılması ve ulaşımdır. İnsan faaliyetleri sonucu atmosfere yayılan NOx in tahmini miktarları aşağıdaki tabloda görülmektedir. Ulaşım nedeniyle ilk yıldaki NOx emisyonundaki artış (7.5 milyon ton dan 10.1 milyon tona) yalnızca artan trafik araçları ve trafiğe açılan yollar nedeniyle değildir. CO ve hidrokarbonların kontrolü için daha önce kullanılan cihazlar NOx emisyonlarında
önemli
bir
artma
meydana
getirdiğinden
ve
karbonmonoksit (CO) ile hidrokarbonlar (HC)ın çok daha sıkı bir şekilde kontrol edilmesinden bu artış meydana gelmiştir. Elektrik hizmet kurumlarından meydana gelen NOx emisyonlarındaki artış ise elektrik ihtiyacının artması nedeniyledir. 1968 - 1980 yıllarında ABD’de yapılan NOx kaynak ve miktar araştırmalarının sonuçları tablo 5.12'de verilmiştir. Tablo zotoksitlerin kaynak ve miktarları
Kaynak Ulaştırma
1968 7.5
67
(Emisyon, milyon ton/yıl)
1970 10.1
1975 9.2
1977 9.2
1980 9.1
Yerleşik kaynaklardaki sıvı yakıt yakılması (güç ve ısıtma) Endüstriyel süreçler Katı atık düzenlemeleri ve diğerleri Toplam
9.2
8.6
11.8
13.0
10.6
0.2 2.1
0.2 0.7
-
0.7 -
0.7 0.3
19.0
19.6
21.0
23.1
20.7
HAVA KALİTESİNİN VE ATIK GAZLARIN ÖLÇÜMÜ Hava kalitesi ölçümü başlıca üç ana sınıfta ele alınabilir 1) Yayınlanan kirli gaz akımında yapılan ölçümler. Baca şeklindeki sabit kaynaklardan delik açılarak gaz örneği emilir ve analizlenir. 2) Meteorolojik ölçümler: kaynaktan çıkan kirleticilerin alıcıya nasıl ulaştığını belirlemek için bazı yapılan meteorolojik ölçümler 3) Dış hava kalitesi ölçümleri: kirlenme miktarıyla sağlık ve benzeri etkiler arasında ilişkiler bu ölçümle belirlenir. Havada bulunan kirletici maddelerin ölçümü için geliştirilmiş çok farklı yöntemler mevcuttur. Tozluluk ölçümü için uygulanan en basit ve sık kullanılan yöntem; • Toz Çökeltme (Dustfall) Yöntemi: tozlar ağzı açık kavanozlarda veya kavanoz çevresine sarılmış yapışkan yüzeylerde toplanır. Boş kavanozlar genellikle 30 gün süreyle açık havada tutulur, yapışkan 68
yüzeyde ise haftada bir kez kağıt değiştirilir. Sonuçlar toplanan tozların tartımı sonunda çökelme veya yapışma alanına göre ton/km2.ay birimiyle ifade edilir. • Yüksek Hacimli Numune Alıcı (Hi-Vol) Temiz bir cam elyafı veya analitik saflıkta filtre yüzeyinden 24 saat süresince yaklaşık 1500-2000 m3 hava emerek çalışır. Filtrede toplanan toz uygun tartım odalarında tartılır ve geçen hava hacmine bölünerek o günkü tozluluk konsatrasyonu belirlenir.
Şekil Hi-Vol Cihazı
• Çok ince tozları belirlemek amacıyla termal çöktürücüler, atalet ayırıcılar… Gaz ölçümü için uygulanan en basit ve sık kullanılan yöntem; Baca gazı numunesi alınırken, numunenin alınacağı yer çalışma amacına göre seçilir. Çok büyük gaz kütlesini en iyi temsil eden örneğin alınabilmesi için kural olarak kazan çıkışından iki boru çapı uzaklıktan ve baca ağzına yakın çalışılır. 69
Gazların havadan absorbsiyon veya adsorpsiyon yöntemlerinden biriyle tutularak ayrılmasından sonra bazı fiziksel ve kimyasal yollarla analizlenmesi mümkündür. • Son yıllarda geliştirilen bazı hava ölçüm cihazları ile yerinde ölçüm yapabilmek bazı kirleticiler için mümkün olabilmektedir.
O2 ve CO ölçümü • Bazı durumlarda ise numunelerin kaynaktan alınıp laboratuarda Gaz Kromotografisi ile ölçülmesi gerekebilir. • Hava Yıkama Şişesi (Bubbler): Gaz bileşenini sıvıda tercihli olarak çözme veya kimyasal bileşik teşkili ile tutulması
70
Yıkama Şişesi yönteminde analizin türüne göre özel bazı yapılar geliştirilebilir. Örneğin Şekilde görülen hava dağıtıcı azot oksit ve ozon tayinlerinde kullanılırken, kükürt oksit tayinlerinde gerekmez. SO2 ölçümü; Yıkama şişesine hidrojen peroksit çözeltisi konulur. Böylece SO2 + H2O2
H2SO4
Reaksiyonu ile oluşan H2SO4 miktarı, uygun indikatörlerle asidimetri ile bulunur.
71
METEOROLOJİ VE HAVA KİRLENMESİ Hava kirliliği problemi, meteorolojik ve topoğrafik koşullara bağlı olarak atmosferik kirleticilerin havadaki miktarının artmasından oluşur. Hava kirlenmesi, meteorolojik koşullar gereğince, kirleticilerin yayılmasının (dispersiyon) sınırlanması sonucu zararlı seviyelerdeki birikme nedeniyle meydana gelir. Havası kirli olan yerleşim bölgelerinde yapılan tüm araştırmalarda meteorolojik, topografik ve hava kirliliği arasında etki - tepki ilişkisinin önemli olduğu belirlenmiştir.
72
Şekil Atmosferin Genel Sirkülasyon Şeması Atmosferik Hareket Ölçekleri: Atmosferin temel dört elemanı olan sıcaklık, basınç, nem ve rüzgar arasındaki etkileşimler, birçok farklı seviyede ya da ölçekte ele alınır. Bu hareket ölçüleri global, kıtasal, bölgesel ya da lokal boyutta olabilecek hava kütlelerinin hareketine bağlıdır. Bu coğrafik etkilenme boyutlarına göre hava hareketinin ölçüsü
Makro,
Sinoptik
Mezo,
incelenmektedir.
73
Mikro
model
ölçeklerde
Makro Ölçek: Binlerce kilometrelik boyutlarda oluşur. Okyanus ve karalar üzerindeki alçak ve yüksek basınç buna örnek teşkil gösterilebilir. * Ekvatorda ısınan ve yükselen havanın yerini, kutuplardan akan soğuk hava kütlesinin almasıyla oluşan hava hareketleri * Ancak, dünyanın batıdan doğuya dönüşü, hava akımı üzerinde büyük bir etkiye sahip olduğu (kuzey yarımkürede aşağı doğru esen rüzgarı saptırır) için bu dönüş hesaba alınmalıdır. Dünyanın dönüşünün rüzgar hızı ve yönü üzerindeki etkisine " Coriolis Kuvveti " denir ve bu kuvvet hava koşullarının oluşumunda çok önemli bir faktördür. Termal ısı naklinin bu çift etkileşimi, alçak- yüksek basınç alanlarında soğuk ya da sıcak cepheler, kasırgalar ve kış fırtınaları oluşturur. * Bu ölçekte, hava kütlesi hareketini etkileyen en önemli elemanlardan diğeri yeryüzündeki karalar ve suların dağılımıdır. Okyanus kütleleri ile büyük kara parçalarının ısı taşıma kapasiteleri arasındaki farklılık, global hava hareketlerini yönlendiren üçüncü önemli faktördür. Karasal kütleler üzerinde atmosferik sıcaklık, solar radyasyonun varlığında çok çabuk yükselir (gündüz), daha sonra solar radyasyon yokluğunda (gece) yükselmesine eş bir hızla düşer. Bunun aksine, su ısıyı daha derinlere yayarak geniş kütlenin ısınmasına sebep olur. Dolayısıyla gündüz gece ısı farkı fazla olmaz. Bu nedenle ısının yön değiştirme hızı kara parçalarına oranla daha yavaştır.
74
Sinoptik Ölçek: Kıtasal boyutta ortaya çıkan hava hareketleridir. Yüksek ve alçak basınçlı, sıcak veya soğuk hava kütlelerinin birbirini izlemesi. Mezo Ölçek: Kentsel ölçekte imbat-poyraz şeklindeki hava hareketleri, yamaç/vadi akımları, kentsel ısı adaları mezoölçekte hava hareketleridir. Mikro Ölçek: Binalar veya orman park alanları gibi yer örtüsünün türüne göre değişen radyasyon bilançoları nedeniyle oluşan yerel türbülanslar Mikroölçekli hava hareketleridir. Bazı yerleşimlerde hava kirlenmesinin güneş radyasyonunun yüzeye ulaşabilen kısmını %10-15 kadar azalttığı belirlenmiştir. Bu kaybolan enerjinin bir kısmı kent üzerindeki atmosfer tabakası tarafından soğurulduğu, bunun sonucunda kent üzerindeki hava kütlesinin çevreye kıyasla daha sıcak olduğu ortaya çıkmıştır. Ayrıca kentlerdeki beton, asfalt gibi yapıların toprak ve yeşil örtüye göre daha fazla ısı soğururlar. Bu nedenle kentlerin çevrelerine kıyasla daha sıcak oluşu ISI ADASI olarak tanımlanır. Bu ölçek modellerde atmosferin 4 temel elemanı olan ısı, basınç, rüzgar ve nem’in hava kirlenmesi üzerine olan etkileri daha da önem kazanmaktadır. Bu etkiyi açıklayabilmek için her bir elemanın atmosfer üzerindeki etkisinin ayrı ayrı incelenmesi gerekmektedir. ISI ETKİSİ Isı önemli bir atmosferik değişkendir, iklimsel şartların temelini oluşturur. Atmosfere ısı enerjisi kısa dalga boylu ( yaklaşık 0.5 µm) ve 75
tümüyle görünen (visible) ışık formunda radyasyonlar halinde güneşten gelir. Dünya bu ışınların bir kısmını absorplar, bir kısmını ise, daha uzun dalga boylarına (ortalama 10 µm) dönüştürerek yansıtır yansıyan
bu
ışınlar,
genellikle
görülmeyen
(nonvisible)
ısı
radyasyonlarıdır. Solar ışınların bazıları yeryüzüne ulaşamazlar, bunlar, bulutlar ya da havada asılı partiküller uzaya geri gönderilirler. Solar ışınların bir kısmı ise yeryüzü tarafından uzaya geri yansıtılır. Yer yüzeyi şekli bu yansımanın
gerçekleşmesinde
ve
hızında
önemli
bir
faktör
oluşturmaktadır. Örneğin; çöller, buzlu ve karlı bölgeler yüksek yansıtma özelliğine sahiptirler, ormanlık ya da bitki örtüsü ile kaplı bölgelerin ise yansıtma yeteneği düşüktür. Güneş ışınlarının bir kısmı ise, ozon, su buharı, CO2, toz ve bulutlarca absorblanırlar, ancak, yeryüzü, solar enerjiyi absorblayan en önemli elemandır. Nitekim, troposfer güneşten önce yeryüzü tarafından ısıtılır. Topografik Isınma: Troposferde ısı transferi dört önemli yolla gerçekleşir: Sera etkisi, yoğunlaşma-buharlaşma dönüşümü, ısı iletimi ve ısı nakli. Sera Etkisi: Yeryüzünce absorbe edilen solar enerji, ısı enerjisine dönüştürülerek uzun dalga boylu radyasyonlar olarak atmosfere verilir. Bunlar hemen hemen ışık geçirimi olmayan uzun dalga radyasyonlarıdır. Nitekim, dünyanın geri yolladığı (yansıttığı) radyasyonlar atmosferin sıcaklığını yükseltirler. Sera etkisi olarak
76
bilinen bu oluşum adını, içlerinde CO2 ve su buharının hakim olduğu cam yapılardaki (seralardan) ısınma şekline benzemesinden almıştır. Buharlaşma - Yoğunlaşma Döngüsü: Suyun buharlaşması enerji harcar ve atmosferde absorblanmış ve su buharında depolanmış enerjiye ihtiyaç vardır. Yoğunlaşmada, bu ısı enerjisi açığa çıkar. Çünkü, buharlaşma genellikle yer yüzeyine yakın ya da yer yüzeyinde gerçekleşirken, yoğunlaşma normalde, traposferin üst bölgelerinde gelişir, buharlaşma - yoğunlaşma prosesi, ısının yer yüzeyinden daha yüksek bölgelere hareketine neden olur. Isı Taşınımı (Kondüksiyon): Isının atmosferden yeryüzüne geçişi, nakil işleminin katkısı ile de gerçekleşir, bu yolla ısı transferi hava ve yeryüzü arasındaki doğrudan temas ile sağlanır. Bir kısım havanın aşağıya doğru hareket ederek, ısınmış olan yeryüzü ile teması sonucu, atmosfer yeryüzünden bir miktar ısı alır. Bu ısı nakline " konduksiyon" yolu ile ısı nakli adı verilir. Isı İletimi (Konveksiyon): Atmosferde oluşan farklı ısıdaki tabakalar arasındaki ısı transferi tabakalar ara yüzeyleri vasıtasıyla sağlanabilir. Buna konveksiyon yoluyla ısı iletimi adı verilir. Sıcak havanın yükselmesi ve soğuk havanın alçalması ile başlayan proses, dünyadan troposfere ısı transferini sağlayan en büyük güçtür. Yer yüzüne yakın olan havanın ısınarak üst tabakalara yükselmesi sonucu farklı ısıdaki hava tabakaları oluşur. Bu şekilde sıcak tabakadan soğuk olana kontakt ile ısı nakli başlar. BASINÇ ETKİSİ
77
Basınç, meteorolojik olayların oluşumunda, sıcaklık gibi önemli bir faktördür. Havanın kütlesi olduğu için, atmosferin tümü yeryüzüne bir basınç uygular. Bu basınç genel olarak, bir bölge üzerinde havanın ağırlığının, bir cıva sütunundaki civanın yükselme miktarı ile belirlenen bir barometre kullanılarak ölçülür. Ortalama olarak, 45o boylam ve 0oC `de (32oF) cıva kolonu 760mm (29.9in.) `e eşittir. Bu değer uluslararası bir düzenleme olup, "Standart Atmosfer " ya da "Bar " olarak adlandırılır. Meteorologlar basıncı genelde "Millibar" olarak ifade ederler ve 1 atmosfer 1033 millibara eşittir. Basınç Sistemleri: Dünya üzerindeki basınç modelleri, hava basıncı bazı bölgelerde yüksek bazı bölgelerde ise düşük olacak şekilde sabit bir akış gösterir. Yüzeylerdeki engebeler ve radyasyon, rüzgar enerjisi gibi farklı yapılardan dolayı, kıtasal lokasyonlarda global sirkülasyon modelleri, yüksek - alçak basınç sistemleri ya da çekirdeklerin gelişmesi ile etkileşim içindedir. Bu yüksek ve alçak basınç sistemlerinin hareketleri ya da sirkülasyonları, birçok farklı hava koşullunu temsil edici özelliktedir. Yüksek Basınç Sistemleri (Antisiklon): Yüksek basınç sistemleri açık hava, ışık, rüzgar ve atmosferik stabiliteyi temsil eder. Kuzey yarım kürede, yüksek basınç tipi bir sistemde, havanın dikey doğrultudaki hareketi aşağıya doğru ve yataydaki hareketi ise saat yönündedir. Yüksek basınç sistemleri hava kütlelerinin rölatif olarak kararlı (stabil) oldukları anı temsil eder. Geniş bölgeler söz konusu olduğunda ise, bu gibi koşullar altında sıcaklık ve nemlilikte küçük değişmeler olur ve hava koşulları kademe kademe değişim gösterir. 78
Dispersiyon
kısıtlanır,
kirletici
konsantrasyonları
istenmeyen
seviyelere ulaşır.
Alçak Basınç Sistemleri (Siklon): Kuzey yarım kürede tipik bir alçak basınç sisteminde, yatay doğrultuda hava hareketi, saat yönünün tersine olacak şekilde, düşey hareket yukarı doğrudur. Alçak basınç sistemleri genellikle kapalı gökyüzü, fırtına, kararsız bir atmosfer ve cephe oluşumlarını temsil eder. Bu gibi stabil olmayan koşullar altında, kirleticilerin dispersiyonu mümkündür, öyle ki, hava kirliliği problemi en aza inmiş haldedir. Troposferde düşük basınç şartları altında, sıcaklık yükseklikle azalır. Böyle durumlarda yer seviyesindeki hava kütlesi ve bacalardan atılan gazlar yükselir ve dağılır. Sıcaklık genelde yerden yükseklikle 0,65 (≅ 1 oC) oC/100 metre oranında azalır. Hava yerden yukarı doğru yükselirken genişler ve soğur. Hava içindeki nem, bulut oluşturmak üzere yoğunlaşır. Bu şartlar altında troposferde hava kirliliği ile ilgili sorun olmaz ve gazlarda çökme meydana gelmez.
79
Kararsız ve nötr şartlarda, yere yakın hava, üstteki havadan daha hızlı olarak ısınır. Isınan hava soğuk tabakaya doğru yükselir. Sıcaklığın yerden yükseklikle azalması, havayı karıştırarak bacalardan ve egzozlardan atılan kirleticilerin dağılmasına ve seyrelmesine yardımcı olur. Bir parsel hava, çevre havasından daha sıcaksa bu hava atmosferde kendi sıcaklığına, yoğunluğuna ve basıncına ulaşıncaya kadar yükselir. Böylece kararsız ve nötr şartlarda bacadan ve egzozdan atılan gazların atmosferde yükselmesi ve dağılması hızlı bir şekilde gerçekleşir. Cepheler: Çoğunlukla, atmosferde sıcaklık bakımından birbirlerinden kesin bir sınır ile ayrılan iki hava kütlesi oluşmaktadır. Hava kütleleri farklı
özelliklerinden
dolayı
bir
araya
geldiklerinde
hemen
karışamazlar. Daha sıcak olan hava kütlesi daha az yoğun olduğundan, yoğun olan soğuk hava kütlesi karşısında baskın olma eğilimindedir. Farklı yoğunluktaki iki hava kütlesi arasındaki kama şeklindeki eğimli bölgeye "cephe" denir. Bir cephe ne soğuk ne de sıcaktır, tipik olarak, 80
alçak basınç çekirdeğinin çevresinde saat yönünün tersine doğrultuda hareket eder. Sıcak Cepheler: Sıcak cepheler, soğuk hava geri çekilirken sıcak havanın ilerlemesi ile oluşur. Sıcak hava aydınlık yapıcıdır, soğuk havanın üstüne yükselir ve soğuk bir yağış kuşağı sonrası gelişir. Yağış yükselme başlangıcında şiddetlidir, fakat sıcak hava genişken hafifler.
Soğuk Cepheler: Soğuk hava, bir sıcak hava çekirdeğinde ilerlerken, hava sistemi soğuk havaya geçiş yapar. Buradaki soğuk ve yoğun hava sıcak havanın altına girer. Soğuk ve sıcak hava kütlesi arasındaki geçiş bölgesi tek bir yönde hareket ediyorsa, bu tip cephelere "istasyon cephesi" denir. RÜZGAR ETKİSİ Rüzgarlar
81
Global sıcaklık, basınc farklılığı ile oluşan rüzgarlar
Rüzgar basit bir hava hareketidir. Makro ölçekte ele alındığında, rüzgar,
yeryüzü
dağılımlarının, dönüşünden
üzerindeki
eşit
önemli
basınç
olmamasından derecede
ve
atmosferik
kaynaklanır
etkilenir.
Rüzgarın
ve
sıcaklık dünyanın
akış
yönü,
karakteristik olarak, yüksek basınçtan alçak basınca doğru olmasına rağmen, Coriolis Kuvveti hava akımını, tariflenen bu modelin dışına çıkarma eğiliminde etki eder. Meso ölçek ve mikro ölçekte, topografik özellikler, rüzgar akışına önemli derecede etki eder. Yüzeysel farklılıklar, hava hareketinin hızı
82
ve yönünde izlenebilir bir etkiye sahiptir. Deniz ve kara meltemler, dağ ve vadi rüzgarları, sahil sisi, rüzgar sonrası yağış sistemleri, "kentsel ısı adaları" , vb. oluşumlar lokal ve bölgesel topografik özelliklerin, atmosfer koşulları üzerindeki etkisine örnek verilebilir. Akarsu vadilerinde oluşan rüzgar kanalları, birçok büyük kentsel bölgeyi etkisi altına alan bir olaydır. Günün sıcak saatlerinde baskın olan yamaç yukarı ya da yamaç aşağı meltemleri ve geceye özgü aşağı çekilme dağ vadilerinde gözlenen karakteristik atmosfer olaylarıdır. Su
ve
karaların
kondüktivite
kapasitelerindeki
değişmeler,
topografyanın, rüzgar yönü üzerinde diğer bir önemli etkisidir. Karalar suya
yakın
bölgelerde
(sahil
kesimleri)
daha
çabuk
soğuyabildiklerinden, karakteristik kıyı rüzgarları da, deniz ve kara meltemleri modelindedirler. Yer yüzeyi ve atmosfer arasındaki sürtünme tabakasında gelişen mekanik ya da termal türbülanslardan dolayı, rüzgarlar kesik kesik ve değişkendir. Sürtünme tabakasındaki engebeler nedeniyle, hava karakterinin
hızı
genellikle
artar,
rüzgarlar
alçak
bölgelerde
gelişenlerden çok daha stabil ve izobarlara çok daha paralel eserler. Sürtünme tabakasında, rüzgar hızı ve yükseklik arasındaki ampirik formül aşağıda verilmiştir. bu ampirik ifade 700 - 1000 m (2000 3000 feet) için geçerlidir.
U1 Z1 = U 2 Z2 U1 = Z1 yüksekliğinde rüzgar hızı, m/sn. 83
k
U2 = Z2 yüksekliğinde anemometre ile ölçülen rüzgar hızı, m/sn. k = katsayı, yaklaşık 1/7 olarak alınabilir. (0.14) Rüzgar hızı ve yönü ile ilgili verilerin toplanmasında "Rüzgar gülleri" önemli rol oynar, bu cihazlar genelde, rüzgarın yön ve hızının özel bir bölge için ölçümünde kullanılır. Örneğin, Şekil 'de gösterilen rüzgar gülü, güneybatıdan esen ve hızları 8 m/sn 'nin üstünde olan rüzgarların aylık yüzdelerini vermektedir.
Rüzgar hızı, m/sn
0-1
2-3
4-5
6-8
9-11
Şekil Rüzgar Gülü
Meltem: Genel hava basıncının etkisiz olduğu, durgun olduğu zamanlarda gece ve gündüz arası sıcaklık farklarının yaptığı basınç farklarından oluşan rüzgarlardır. 84
Gündüzleri karalar, denizlerden daha çabuk ısınırlar. Dolayısıyla deniz üzerinde yüksek, kara üzerinde de bir alçak basınç alanı oluşur. Bunun sonucunda denizden karaya doğru bir rüzgar başlar. Bu rüzgara deniz meltemi denir. Bu rüzgar hızı, sıcaklık arttıkça artar ve öğlen saatlerinde en yüksek hızına ulaşır. hava karardığında ve güneş battığında ise tüm bunların tam tersi yaşanır. Kara daha çabuk soğuduğu için bu seferde karadan denize bir rüzgar esmeye başlar. Buna da kara meltemi denir.
NEM ETKİSİ Buharlaşma - yoğunlaşma - yağış, çevremizde kesintisiz tekrarlanan bir çevrimdir. Nem ilk olarak dünya yüzeyinden atmosfere taşınır. Bu su buharı daha sonra, yoğunlaşarak bulutları oluşturur. Çevrim, yoğunlaşan buhar yer yüzüne yağmur, dolu, kar, sulusepken şeklinde yağış olarak geri döndüğünde tamamlanmış olur. Topografya, nemin dağılımında önemli bir rol oynar. Dağlar nem yüklü havanın yükselmesi yönünde etkili olurlar, sonuçta rüzgar yönünde şiddetli yağışlar oluşur. Atmosferde bulunan su buharı miktarı, nemlilik terimi ile tanımlanır. Havanın sıcaklığı ne kadar fazla olursa, o kadar çok su buharı tutar. Yer seviyesinde, 11.10C 'lik bir sıcaklık artışı ile, atmosferin nem kapasitesi ikiye katlanır. 160C 'de neme doygun olan hava, 50C 'de doygun olandan yaklaşık iki kat daha fazla su buharı içerir. Nemlilik "piknometre" adlı bir cihazla ölçülür.
85
Hava içinde bulunan nem genellikle rölatif nem olarak ifade edilir. Rölatif nem, belirli bir sıcaklıkta havadaki nemin, aynı sıcaklıkta neme doymuş hava içindeki nem miktarına oranı olarak ifade edilir. SAPMA ORANI VE STABİLİTE Traposferde, ortam sıcaklığı genellikle yükseklikle ters orantılıdır. Bu sıcaklık değişim oranına "Sapma Oranı" denir. Bu oran belirli bir bölge ve belirli bir zaman için termometreli bir balondan oluşan balonun
atmosfere
gönderilmesi
ile
saptanır.
Balon
havada
yükselirken, bulunduğu yükseltideki sicaklığı gösterir. Bu değerlere "Ortam Sapma Oranı" ya da "Çevresel Sapma Oranı" denir. Sıcaklığının ortam havasından daha yüksek olduğu özel bir bölgedeki hava, çevresini kuşatacak havanın kendi sıcaklık ve yoğunluğuna eşit olana kadar yükselme eğilimindedir. Böylelikle, sonuçta yapay şekilde ısınan hava (Baca gazı, otomobil egzozları, v.b.) hafifler, yükselir, genleşir ve soğur. Hava kütlesi yükselirken sapma oranı artar, bu artış ortam sapma oranından dikkate değer şekilde farklı olabilir. Bu nedenle, ortam sapma oranı ile sıcaklığın artışı ve giriş sıcaklığı (Hava kütlesi ya da bir gazın yükselmeye başlamadan önceki sıcaklığı) arasında bir kıyaslama yapmak gereklidir. Yükselen bir hava parçasının sapma oranı teorik olarak belirlenebilir. Bu hesaplamada, yükselen bir hava parçasında gelişen soğuma prosesi "adyabatik" (ısı kaybı ya da eklemesi olmaksızın oluşan) olarak kabul edilir. Adyabatik koşullar altında, yükselen bir hava parçası, yükselen bir balon gibi davranır. Çevresindeki atmosferin kendi sıcaklık ve
86
yoğunluğuna eşit olduğu noktaya kadar yükselir ve o andan sonra soğumaya başlar. Bu yükselen kütle ve ortam havası arasında ısı alışverişinin olmadığı kabul edilen bir prosestir. Çevresine rağmen havanın genleşmesi, diğer tüm işlemlerde olduğu gibi enerjiyi gerektirir. Hava parçası yeryüzüne çok yakınken, bir kısım enerjiyi yeryüzünden geri alabilir. Hava kütlesi enerji kaynağından uzaklaşınca kendi depoladığı ısıyı kullanmak zorunda kalacaktır. Ele alınan hava kütlesi içindeki sıcaklık, kütle genişlerken azalır. Bu proses, yükselen hava kütlesinden çevresini saran atmosfere ısı transferinin olmadığı hallerde "Adyabatik Soğuma" adı alır. Fiziğin temel iki kanunu olan "ideal gaz kanunu" ve "enerjinin dönüşümü kanunu" kullanılarak, adyabatik koşullar altında yükseklik kazanma ile sıcaklığın değişmesini matematiksel bir form olarak tanımlamak mümkündür. Bu azalış, oranı "Adyabatik Sapma Oranı" olarak tanımlanır. Kuru hava adyabatik olarak km. başına 9. 80C soğur, bu kuru adyabatik sapma oranıdır. Nemli hava da, kuru hava gibi yükselirken soğur. Ancak sapma oranına, hava içindeki nemin haldeğiştirmesi ikinci bir faktör olarak etki eder. Buharlaşma - yoğunlaşma ısısı yükselen doygun hava içinde su buharı olarak yoğunlaşarak açığa çıkar. Hava kütlesinin sıcaklık değişimi kondensasyon ısısının genleşen havadan ayrılması ile olur. Islak adyabatik sapma oranı (60C) bu nedenle kuru adyabatik sapma oranından daha azdır. Yükselen bir atık gaz, nadiren tamamiyle doygun ya da tamamiyle kuru olduğu için, adyabatik sapma oranı bazı yerlerde bu iki ekstrem değer arasında kalır. 87
Ortam ve adyabatik sapma oranları, atmosferik stabilitenin bir ölçüsüdür. Isınan hava parçası dikey doğrultuda yukarı doğru yükseliyorsa, bu hal havanın atmosferik olarak "stabil" olduğunu gösterir. Tsistem > Tçevre olduğu sürece bu yükselme devam eder ve Tsistem = Tçevre olduğunda hareket son bulur. Yükselen bir hava parçası, çevresindeki havadan daha soğuk oluyorsa, yani Tsistem =Tçevre eşitliğinde yükselen hava durmuyorsa ve Tsistem < Tçevre oluyorsa atmosfer kararsız duruma geçer. Yükselen bir hava parçası, çevresini saran havadan daha soğuk ve yoğun olan bir yüksekliğe ulaştığı zaman, hava parçası statik taşıma kuvvetince aşağıya doğru itilir ve yönü değiştirilir. Bu duruma atmosfer stabil oldu denir. Bu hareket, fiziksel şartların aynı olduğu yüksekliğe kadar devam eder ve hareket son bulur. Stabilite, atmosferik sıcaklığın düşey doğrultudaki dağılımının bir fonksiyonudur ve ortam sapma oranına karşı, adyabatik sapma oranı noktalanarak atmosferin stabilitesi belirlenebilir. Kuru, nemli ya da yaş adyabatik sapma oranı bir karşılaştırma olarak kullanılabilir; kuru adyabatik sapma oranı (9.8oC) Şekilde görüldüğü gibi, birçok ortam sapma oranına karşı noktalanabilir. Böylelikle Şekil-6.7' de stabil ve stabil olmayan bölgeleri ayıran sınır çizgisine "kuru adyabatik sapma oranı" denir.
88
Ortam sapma oranı, adyabatik sapma oranını aştığı zaman, ortam sapma oranına "Superadyabatik" denir ve bu esnada atmosfer oldukça kararsız haldedir.
(T-9.8
12.20C
220C
T 0C
22-9.8=12.2 0C Şekil Ortam Sapma Oranı ve Kuru Adyabatik Sapma Oranı Arasındaki İlişki
89
Bu iki sapma oranı tam olarak birbirine eşit olduğu zamanlar, atmosfer "nötral" denir. Ortam sapma oranı kuru adyabatik sapma oranından daha küçük ise, ortam sapma oranı "subadyabatik" olarak adlandırılır ve atmosfer o anda stabildir. Hava sıcaklığı atmosferin bir tabakasında boydan boya sabit ise, ortam sapma oranı "sıfır" ve atmosferik tabaka "izotermal" dir. Böyle hallerde,atmosfer stabildir.
Ortam havası
sıcaklığı yükseklik ile azalacağına artarsa, sapma oranı negatif ya da alışılmış halin tam tersidir. Negatif sapma oranı genellikle "inversiyon" şartları altında oluşur. İnversiyon hali, soğuk havanın üstünü sıcak hava tabakasının kaplaması sonucu, meydana gelir. Termal ya da sıcaklık inversiyonları, yüksek derecede atmosferik stabilitenin göstergesidir.
HAVA KİRLİLİĞİNİ ARTIRAN SICAKLIK İNVERSİYON Kararsız (stabil olmayan) ve nötr şartlarda, yere yakın hava, üstteki havadan daha hızlı olarak ısınır. Isınan hava soğuk tabakaya doğru yükselir. Sıcaklığın yerden yükseklikle azalması, havayı karıştırarak bacalardan ve egzozlardan atılan kirleticilerin dağılmasına ve seyrelmesine yardımcı olur. Bir parsel hava, çevre havasından daha sıcaksa bu hava atmosferde kendi sıcaklığına, yoğunluğuna ve basıncına ulaşıncaya kadar yükselir. Böylece kararsız ve nötr şartlarda bacadan ve egzozdan atılan gazların atmosferde yükselmesi ve dağılması hızlı bir şekilde gerçekleşir. 90
91
Sıcaklık İnversiyonu Sıcaklık inversiyonu, yüksek basınç şartlarının hakim olduğu günlerde, açık hava ve sakin rüzgar şartlarında meydana gelir. Özellikle açık hava (bulutsuz) ve sakin rüzgarlı (hızı düşük) gecelerde, yer hızlı şekilde soğur. Böylece yer ve yere yakın yüzey, yukarıdaki yüzeyden daha soğuk olur. Bu duruma sıcaklık inversiyonu denir. Böyle zamanlarda hava kütlesi yukarı doğru değil daha soğuk ortam olan aşağı doğru hareket etme meylindedir. İnversiyon, atmosferik şartların en muhtemel sonucunda meydana gelir. Sıcaklık inversiyonu, bacadan veya egzozdan atılan kirleticiler olmazsa, genel olarak zararlı sonuçlar oluşturmayan normal bir meteorolojik olaydır. Sanayi bölgeleri ile şehir içi bölgelerde inversiyon olayı hava kalitesi üzerinde olumsuz etki oluşturabilir. Bacadan atılan sıcak ve hafif gazlar yükselir, genleşir ve sonra soğur. İnversiyonlu günlerde bacadan atılan sıcak kirleticiler yer seviyesinde tutulabilir ve birikebilir. Bu durumda bacalardan ve egzozlardan atılan kirleticiler inversiyon tabakası içinde veya altında tutulur ve birikmeye başlar. Bacadan atılan kirletici miktarı azaltılmıyorsa ve inversiyon süresi de uzuyorsa o bölgede ciddi hava kirliliği problemi yaşanabilir. Çünkü inversiyonlu şartlarda gazların birikmesi söz konusudur. Ayrıca soğuk hava, sıcak havadan daha yoğundur. Bu 92
durum yer seviyesindeki havanın ve kirleticilerin yükselmesini ve seyrelmesini önler. Üç temel inversiyon vardır. Bunlar; radyasyon inversiyonu, çökme inversiyonu ve adveksiyon inversiyonudur. Radyasyon İnversiyonu Yüksek basınç şartları altında bulutsuz ve sakin rüzgarlı günlerde radyasyon inversiyonu gerçekleşir. Radyasyon inversiyonu genel olarak geceleri başlar. Bulutsuz gecelerde yer ısısını hızlı şekilde yayar. Sonuç olarak hem yer ve hem de yere yakın hava tabakası hızlı şekilde soğur. Üst tabakadaki hava tabakası ise daha sıcak hale geçer. Böylece radyasyon inversiyonu oluşur. Bu durumda yer daha soğuktur. Radyasyon inversiyonu havada sis oluşumunu başlatır, aynı zamanda gazları ve partikülleri içinde tutar. Güneş ışınları sabahleyin soğuk yer tabakasına nüfuz ederek inversiyonu kırmaya çalışır. Isınan hava ile sis tabakası ortadan kalkar. Eğer hava çok sakin ve aşırı nemli ise güneş ışınlarının radyasyon inversiyonunu ortadan kaldırması zaman alabilir. Bu süre birkaç saatten birkaç güne kadar sürebilir. Radyasyon inversiyonu sonbahar ve ilkbahar aylarında sık aralıklarla olmakla birlikte kış ve yaz aylarında da meydana gelir. Radyasyon inversiyonu genellikle gece saatlerinde başlar ve sabah saatlerinde etkisini devam ettirir. İnversiyon, hava kirliliğinin yoğun olduğu il ve ilçelerde daha uzun süre devam etmektedir. Londra’da 1952 yılında gerçekleşen ve binlerce kişinin ölümüne neden olan inversiyon, radyasyon inversiyonudur. Yer seviyesinde 93
ciddi sis oluşmuştur. Yüksek basınclı, sakin havada bacadan atılan kirleticiler sis tabakası içinde tutulmuştu. Radyasyon inversiyon 5 Aralıkta başlamış 10 Aralığa kadar devam etmiştir. Güneş ışınları sis tabakasını
ısıtıp
ortadan
kaldıramamıştı.
İngiltere’de
yaşanan
radyasyon inversiyonu görüntüleri Şekil’de verilmiştir.
Şekil İngiltere’de Yaşanan Radyasyon İnversiyonu Görüntüleri Çökme İnversiyonu Dağ eteği bölgeleri ile vadilerde çökme inversiyonu sık aralıklarla meydana gelmektedir. Yüksek basınç şartları altında açık havalar (bulutsuz havalarda) ile sakin rüzgarlı hallerde, bir tepe, dağ bölgesi, engel gibi yüksek bölge üzerinden dağ eteği veya vadi üzerine gelen soğuk hava tabakası yüksek bölgeden aşağı doğru inerken sıkışır. Sıkışan hava kütlesi ısınır. Böylece yerden belli bir yükseklikte sıcak 94
hava tabakası oluşur. Yer seviyesindeki hava kütlesi inversiyon tabakasına kadar yükselir. İnversiyon tabakası bir kapak gibi hareket ederek hava kütlesinin ve kirleticilerin daha fazla yükselmesini ve dağılmasını engeller. Los Angeles’de bu tür inversiyon sık aralıklarla meydana gelir. Doğudan gelen sıcak çöl havası dağ üzerinden şehir üzerine eser. Pasifikten (denizden) gelen soğuk hava ise yere yakın bölgeye yerleşir. Böylece yüksekten gelen sıcak hava tabakası denizden gelen soğuk hava tabakası üzerine yerleşerek bir tabakalaşma oluşur. Çökme inversiyonu, radyasyon inversiyonuna göre daha etkilidir. Etki süresi daha uzundur. Bu tür inversiyonlar genel olarak ilkbahar ve sonbahar aylarında daha sık aralıklarla meydana gelir. Atmosferde bir kaç km. içinde çökme inversiyonu meydana gelir. İnversiyon
tabakasının
yerden
yüksekliği
oldukça
önemlidir.
İnversiyon tabakası yerden ne kadar yüksekte oluşmuşsa bacadan ve egzozdan atılan kirleticilerin atmosferde seyrelmesi o kadar yüksek olur. İnversiyon tabakası yere ne kadar yakın ve ortamdan kalkma süresi uzun ise hava kirliliği bakımından etkisi o kadar şiddetlidir. Dağlarla veya yüksek tepelerle çevrili şehirlerimizde yüksek basınç şartlarının hakim olduğu açık hava ve sakin kış aylarında bu tür inversiyon sık aralıklarla meydana gelebilir. Eğer bu tür bölgelerde kış aylarında kalitesiz yakıtlar (kükürdü, külü ve nemi yüksek, kalorisi düşük) ısınma amaçlı olarak kullanılıyorsa bacadan atılan kirleticilerin çevre üzerinde etkisi inversiyonlu günlerde ölümcül olabilir.
95
Yüksek tepe veya dağlarla çevrili bölgelerde oluşan çökme inversiyonuna ait detaylar Şekil’de verilmiştir. Şekil’de görüldüğü gibi yerden belli yüksekliğe kadar sıcaklık yerden yükseklikle azalmaktadır.
Belli
bir
yükseklikte
ise
sıcaklık
yükseklikle
artmaktadır. Bu tabakanın üzerinde de sıcaklık yine yükseklikle azalmaktadır. İnversiyon tabakası bir kapak gibi hareket ederek yer seviyesindeki gazların daha fazla yükselmesini ve dağılmasını engellemektedir. Çökelme inversiyonu kalitesiz yakıt ve yakma sistemlerinin kullanıldığı il ve ilçelerde daha etkili olmaktadır.
96
Şekil Çökme İnversiyonunda Sıcaklığın Yükseklikle Değişimi
Şekil Vadide Gerçekleşen Çökelme İnversiyonun Etkileri Adveksiyon İnversiyonu Yüksek basınçlı günlerde, sakin ve açık atmosferik şartlarda, sıcak deniz esintileri, karaya ulaşmadan önce soğuk hava akımları üzerinden geçtiği sahillerde (şehirlerde) bu tür adveksiyon inversiyonu meydana gelir. Bu durumlarda yer seviyesindeki soğuk hava tabakası üzerine sıcak hava tabakası yerleşir. Kararlı (stabil) tabaka olarak adlandırılan 97
inversiyon tabakası bir kapak gibi hareket ederek tabaka altında bacadan veya egzozdan atılan kirleticilerin tutulmasına ve birikmesine neden olur. Bu tür inversiyon oluşumu ile ilgili örnekler Şekil’de verilmiştir. Adveksiyon inversiyonu, genel olarak arkasında yüksek tepe veya dağ olan sahil bölgelerinde kurulan şehirlerde meydana gelmektedir.
Şekil. Adveksiyon İnversiyonu Oluşumu
98
İNVERSİYON ETKİLERİ İnversiyonlu sonbahar, kış ve ilkbahar aylarında, şehir içi bölgelerinde ciddi hava kirlenmesi sonucu ölümcül atmosferik şartlar oluşmaktadır. Bazı şehirler dağ eteklerine veya vadide kurulmuştur. Ağaçlarla, tepelerle veya dağlarla çevrili şehirlerde hava hareketi çok yavaştır. Bu tür şehirlerde yüksek binaların bulunması da hava sirkülasyonunu ayrıca önemli ölçüde engellemektedir. Yüksek basınç şartlarının hüküm sürdüğü açık hava ve düşük rüzgarlı günlerde, bu tür şehirlerde rüzgar hızı durma noktasına gelmektedir. Özellikle ısınma amaçlı olarak kalitesiz katı ve sıvı yakıt kullanılan şehirlerde bacadan atılan kirleticiler havadan daha ağır olduklarından yere doğru çökme eğilimindedirler. Meteorolojik şartların katkılarıyla yere doğru çökelen ve biriken kirleticiler ölümcül etkilere sahiptirler. 1930’da Belçika’nın oldukça büyük endüstri havzası olan Mense vadisinde duman ortalığı alt üst etmiştir. Bunun sonucunda 63 kişi ölmüş ve binlerce kişi hastalanmıştır. 1948 yılında Pensilvanya Donarda yaşanan inversiyon olayında 6000 kişi solunum sistemi hastalığına maruz kalmış ve 20 kişi ölmüştür. 1948 yılında hava kirlenmesinden Londra’da 700-800 kişinin öldüğü kayıtlara geçmiştir. 1952 yılında Londra’da yaşanan inversiyon olayında 5000 kişi ölmüş binlerce kişi solunum sistemi hastalığına maruz kalmıştır. 1952 yılında
99
İngiltere’de inversiyonlu günlerde kükürt dioksit ve dumanın insan sağlığı üzerinde yaptığı olumsuz etki Şekil ’de verilmiştir.
Şekil . 1952 Yılında Londra Yaşan Hava Kirliliği Etkisi Şekilde ’de görüldüğü gibi bacadan atılan kirleticilerin ölümcül etkisi, inversiyonun başladığı gün değil de özellikle müteakip günlerde daha şiddetli olmuştur. Çünkü hem atmosferde inversiyon olayı hem de bacadan kirletici atılmaya devam ettiği için havada kirletici konsantrasyonu sürekli artmıştır. Belirli süreden sonra kirletici konsantrasyonu sınır değerlerinin üzerine çıkmıştır. Bu olay sonucu 5.000 kişi ölmüş ve 12.000 kişi hastalanmıştır. Bu olay sonucu İngiltere’de temiz hava kanunu düzenlemesi ile ısınmada kullanılan 100
yakıt özelliğinde ve yakma sistemlerinde ciddi düzenlemeler getirilmiştir.
1984 yılında Hindistan Bhopal’da endüstrinin oluşturduğu metil iso siyanat kirleticisi inversiyonlu şartların da etkisiyle 3.300 kişinin ölmesine ve 22.000 kişinin hastalanmasına neden olmuştur. 1970 ve 1980’li yıllarda Ankara’da hava kirliliği ciddi boyutlara ulaşmıştır. 1993 yılı kış ayında İstanbul Fatih ilçesinde kükürt dioksit değerinin birkaç günlük ortalaması 2.000 mg/Nm3 dır. Bu değer sağlık açısından oldukça yüksek değerdir. Önlemler İllerde ve ilçelerde hava kalitesinin iyileştirilmesinden sorumlu idareler şehirlerinin topografik özelliklerini inceletmeliler. Dağlar veya tepelerle çevrili veya vadide kurulmuş şehirlerde çökme inversiyonunun, deniz veya sahil kenarında kurulmuş olanlarda ise adveksiyon inversiyonu oluşması kuvvetle muhtemeldir. Radyasyon inversiyonu her yerleşim bölgesinde oluşmaktadır. İdareler ikinci olarak bölgelerinin meteorolojik özelliğini iyi bilmelidirler. Özellikle kış aylarında yüksek basınç şartlarının oluştuğu sıklığı, havanın bulutluluk durumunu ve rüzgar hızının ne aralıkta değiştiğini tespit ettirmeliler. Daha önceki yıllarda yüksek basınç şartlarında gerçekleşen gece saatlerindeki sakin ve açık hava sıklığı tespit edilmelidir.
101
Meteorolojik şartlar ile topografik özelliklerin bacadan veya egzozdan atılan kirleticilerin dağılımı için uygun olmadığı bölgelerde mutlaka kaliteli yakıt ve yakma sistemleri kullanılmalıdır. Isınma amacı ile kalitesiz yakıt ve yakma sistemleri kesinlikle kullanılmamalıdır. Hava kalitesi anlık ölçüm aletleri ile sürekli izlenmelidir. Hava kalitesi ölçüm değerleri halka duyurulmalıdır. Özellikle kış aylarında yüksek basınç şartlarının hüküm süreceği günler içinde rüzgar hızı ve açık hava durumu meteorolojiden alınmalıdır. Olumsuz meteorolojik şartların hüküm süreceği günler önceden tahmin edilerek ısınmada kullanılacak yakıtlar ve yakma sistemleri ile ilgili düzenlemeler yapılmalıdır. Hava kirliliğinin yoğun olduğu illerde yüksek basınçlı şartların hüküm sürdüğü günlerde sisin kalktığı saatlerde sadece ısıtma sistemlerinin yakılmasına izin verilmelidir. Halk bu konuda uyarılmalıdır. Böylece muhtemel hava kirliliğinin etkisi minimize edilmelidir. Kış aylarında inversiyonlu günlerde ısıtma sistemlerinin baca çekişlerinde ciddi düşüşler olur. Bu ise yakma sisteminde eksik yanmaya neden olur. Eksik yanma sonucu daha fazla zehirli ve zararlı kirletici bacadan atmosfere atılır. Bu durumda hava kirliliği daha fazla artar. Dolayısıyla inversiyonlu günlerde ısınmada kullanılan özellikle katı yakıt kullanımı ya azaltılmalı veya yasaklanmalıdır. Kış aylarında, inversiyonlu günlerin sık aralıklarla hüküm sürdüğü hava kirliliğinin yoğun olduğu il ve ilçelerde hava kalitesinin bozulmaması için kaliteli yakıt ve yakma sistemlerinin kullanılması zorunlu hale getirilmelidir. 102
SAPMA ORANI VE DİSPERSİYON Ortam sapma oranı ve adyabatik sapma oranı karşılaştırılırsa, bir bacadan yayılan gazların atmosferde nasıl davranacağını tahmin etmek mümkündür. Aşağdaki örneklerde kuru adyabatik sapma oranı kullanılmıştır,
fakat,
ortam
ve
adyabatik
sapma
oranı
karşılaştırıldığında, baca gazındaki nem ögesi hesaplanırsa, baca gazı şekli ile ilgili tahminler daha doğru olacaktır. Ortam sapma oranı superadyabatik olduğu zamanlar, havanın kendi türbilansı, atmosferin etkili bir dispersiyon aracı olarak çalışmasına neden olur. Şekil - 6.10a 'da görüldüğü gibi, oluşan baca gazı dağılımı Halkalı (looping) şekilde olur. Bu gibi oldukça kararsız atmosfer koşullarında, yayılan kirletici akımı, hızla karışır. Halkalı baca gazlarının oluşumu için elverişli koşulların bulunduğu bölgelerde, yüksek bacalar gazın yer ile erken temasını engellemek
yolunda
yararlı olabilir. Ortam sapma oranı, kuru adyabatik sapma oranına eşit ya da çok yakın olduğu zamanlar, tek bir bacadan ya da fabrika bacalarından çıkan baca gazları, ortam havasının yoğunluğuna ulaşana kadar atmosfer boyunca yükselir. Şekil 6.10b 'de, gösterilen bu tip baca gazı çıkışlarına Nötral baca gazı denir.
103
Ancak, bu tip nötral baca gazı çıkışları, rüzgar hızı 20 mil/h 'den büyük ve bulutların gündüz güneş radyasyonu, gece de yer radyasyonunu bloke etmesi ile, "koni" şeklini alma eğilimindedirler (Şekil -6.10c). Ortam sapma oranı subadyabatik olduğu zamanlar, atmosfer oldukça stabildir. Bu koşullar altında, sınırlı bir düşey karışım olur ve büyük bir olasılıkla, hava kirliliği problemi, ele alınan bölge için artış gösterir. Koni şekline benzediği için, bu tip baca gazlarına "Konik" baca gazları denir. Halkalı baca gazlarında, dispersiyon hızı daha yüksek olduğu için, konik baca gazının yere ilk ulaşacağı mesafe (X) daha büyüktür. (Şekil-6.10c) Sapma oranı negatif olduğu zaman, ortamda inversiyon olduğundan, baca gazı dispersiyonu, türbilans eksikliğinin bir sonucu olarak minimumdur. Çok stabil hava koşullarında, baca gazı yatay olarak dağılırken, dikey doğrultuda da az miktarda bir karışım olur ki, bu tür dağılımlara " Şerit" baca gazı dağılımı denir (Şekil - 6.10d). Bu tip baca gazı dağılımları düz (engebesiz) şehirlerde millerce öteden görülebilir. Radyasyon inversiyonunun sıkça görüldüğü bölgelerde, emisyon
deşarjının
inversiyon
tabakası
üstüne
yapılmasını
sağlayabilmek için, yeterince yüksek bacaların inşa edilmesi tavsiye edilmektedir. Ancak, bu çözüm yolu genellikle daha yüksek tabakalara yayıldığı için, çökelme inversiyonlarının görüldüğü bölgeler için uygun değildir. Negatif sapma oranının olduğu koşullar altında dağılma olayı, olası kirliliği azaltıcı ya da artırıcı yönde olabilir. Örneğin, inversiyon, 104
emisyon kaynağının altında superadyabatik
olduğu zaman,
baca
gazı dağılımına "yüksekte tutsaklama" (lofting) denir. Şekil -6.10e 'de görüldüğü gibi, bu tür baca gazları dağılımlarının aşağı yönde karışımı, çok azdır. Kirleticiler, dikkate değer bir yer seviyesi konsantrasyonu olmaksızın, aşağı doğru bir dispersiyon oluşur. Baca yüksekliği inversiyonu geçer geçmez yukarı doğru dağılım (lofting) sürecektir, fakat, lofting genelde bir geçiş hali olarak kabul edilir. Eğer inversiyon baca gazı yüksekliğini geçerse, lofting şerit baca gazı dağılımına dönüşür. Bir inversiyon tabakası, baca gazı kaynağının kısa bir mesafe üstünde oluştuğu ve baca aşağısında superadyabatik koşullar hakim olduğu zaman, baca gazı dağılımına Tütme (fumigating) denir (Şekil -6. 10f). Tütme olay, bir şerit baca gazının halkalı baca gazı dağılımına dönüşümü sırasında (sabah güneşi radyasyon inversiyonu oluşturduğunda ve superadyabatik koşullar altında) oluşmaya başlar. Tütme (fumigating), yer seviyesinde, hava kirletici konsantrasyonlarının yüksek seviyelere ulaşmasına neden olabilir, ancak, bu olay oldukça kısa bir periyot için geçerlidir.
Tütmeye neden olan benzer koşullar bir "Tutsaklanma" (trapping) etkisi de oluşturabilirler. Bu olayda, inversiyon tabakası, emisyon kaynağının hem üstünde hem de altında hakim olur. Bunun sonucunda Şekil -6.10g ' de gösterildiği gibi baca gazı dağılımı kaynağın altında, alçak inversiyonun üstünde kalır.
105
(b) Nötral kararlı , u<20 mil/h
(a) Süper Adyabatik
(c)
(d) Subadyabatik inversiyon
Nötral u>20 mil/h
(f) Subadyabatik, hinver>hbaca inversiyon altı
Subadyabatik, yüksek baca İnversiyon üstü hbaca
(e)
(g)
Şekil 6.10. Sapma Oranının Baca Gazı Dağılımına Etkisi (a) Halka Dağılım (looping), (b) Nötr Dağılım, (c) Konik, (d) Şerit (fanning) (e) Yukarda Tutsaklama ( lofting), (f) Tütme ( fumigating), (g) Tutsaklama (Trapping)
106
MODELLEME Atmosferik taşınımın matematiksel ifadelerle hesaplanmasında çeşitli formüller önerilmektedir.Tüm bu formüllerle yapılan çözümlere hava kirlenmesinde modelleme adı verilmektedir. Modelleme ile, meteorolojik olaylar hakkında bilgi edinmek, hava sistemlerini etkileyen değişik faktörlerin etkilerini anlamak, hava kirliliği
önleme
programları
geliştirmek,
emisyon
envanteri
hakkındaki verileri hesaplamak ve hava kirliliği tahminlerini daha gerçekçi yapmak, mümkün olmaktadır. Hava kirlenmesine uygulanan tüm modellerde kullanılan ortak bir terim maksimum karışma derinliğidir. (MKD) , Maksimum Karışma Derinliği,
kirletici
etkileri
çok
olan
bir
aktivitenin
yerinin
saptanmasında önemli bir rolü vardır. Atmosferik şartlara bağlı olarak her emisyonun bir maksimum karışma derinliği vardır. Bir kaynaktan yayılmakta olan kirleticinin MKD’ni hesaplamak için grafik yöntemlere başvurulabilir. Bunun için Araştırma yapılacak bölgenin sabah saatlerinde temperatür-yükseklik eğrisi çizilir.Daha sonra Max. yüzey sıcaklığı noktalarından kuru adyabatik sapma oranına paralel bir doğru çizilerek, temperatur-yükseklik değişim eğrisini kestiği nokta olan “max. karışma derinliği" (MKD) saptanabilir. Şekil – 6.10 ' da yaklaşık 600m .lik bir alan için MKD görülmektedir.
107
Maksimum Karışma Derinliği 800 Y ü k 600 s e k 400 l I k, m 200
Sabah T-h 5
10
15
20 Temperatür, 0C
25
Şekil – 6.10 Max. Karışma Yüksekliği
Gifford Dispersiyon Modeli Birçok sayıda ampirik dispersiyon modeli geliştirilmiştir. Bu modeller ya belirli bir bölgedeki hava kirleticilerinin dispersiyonu, veya meteorolojik taşınımın matematiksel eşitlikleri ve izin verilen kirletici konsantrasyonudur ya da yer seviyesindeki baca gazı dağılımlarını hesaplamak için geliştirilir. Bu konuda en çok kullanılan formüller Sutton, Bosanqet & Pearson grubu ve Pasquill & Gifford tarafından geliştirilmiştir. Günümüzde kullanılan eşitliklerin çoğu, Pasquill tarafından önerilen ve daha sonra Gifford tarafından modifiye edilen, aşağıda verilen eşitliğe dayanır. dC/dt = ∂/∂x ( Kx ∂x/∂x ) + ∂/∂y ( Ky ∂x/∂y ) + ∂/∂ z ( Kz ∂x/∂z ) dC/dt : Kirletici konsantrasyonunun zamanla değişimi 108
Kx ,Ky , Kz :Dispersiyon katsayıları Yukardaki eşitlik üç boyutlu bir uzayda, "x" doğrultusunun, değişken bir fonksiyon olan dispersiyonu temsil ettiği görülmektedir. Bir Gaussian konsantrasyon dağılımına sahip baca gazı, hem "z" hem de "y" doğrultusunda gelişir (Şekil – 6.11)
Şekil – 6.11 z ve y Doğrultularında Gaussian Dispersiyonu. Bir gaz ya da aerosolün ( < 20 µ) konsantrasyonu (C), Gifford modelinin özel bir çözümü kullanılarak rüzgar yönünde, yer seviyesinde bir x mesafesi için aşağıdaki gibi hesaplanabilir. Cx,y = ( Q / πuσzσy ) exp [ - 1/2 . ( H/σz )2 ] exp [ -1/2 . ( y/σy )2 C = Kirletici konsantrasyonu, g/m3 veya mg/m3 Q = Kirletici emisyon debisi, g/sn veya kg/saat π = 3.14159 u = Ana rüzgar hızı, m/sn σy = y doğrultusunda baca gazı konsantrasyonunun standart sapması, m σz = z doğrultusunda baca gazı konsantrasyonunun standart sapması, m 109
]
H = Etkin baca yüksekliği, m x = Noktasal kaynaktan baca gazı dağılımı orta çizgisi boyunca rüzgar yönü doğrusu arasındaki mesafe, m y = Noktasal kaynaktan baca gazı dağılımı orta çizgisi boyunca rüzgar yönüne dik doğrultu arasındaki mesafe, m Bu eşitlikte, kirletici konsantrasyonunun, yalnızca baca gazı orta çizgisi boyunca yayıldığı kabul edilirse, Y= 0 olur ve eşitlik aşağıdaki şekilde yazılabilir; Cx,y = ( Q / πuσzσy ) exp [ - 1/2 . ( H/σz )2 ] Bu eşitlik, etkin baca yüksekliği "sıfır" ise, örneğin, yer seviyesinde yakma işlemi halinde, bir adım daha basitleştirilebilir. Cx,0 = Q
/ π u σz σy
σz ve σy için değerler, yalnızca rüzgar hızı mesafesinin bir ölçüsü değil, aynı zamanda atmosferik stabilitenin de bir fonksiyonudur. Rüzgar yönünde (x) farklı mesafeler için σz ve σy 'nin değerleri ile farklı stabilite kategorileri Şekil – 6.12 'de gösterilmiştir.
110
Şekil 6. 12 . Stabilite kategorileri
111
Tablo –6. 2 Pasquill Stabilite Tipleri Yer seviyesinde Rüzgarhızı, m/sn <2
Kuvvetli
A
Gündüz (yere ulaşan güneş ışınları) Hafif Bulutlu
Orta
A-B
B
Gece Açık
2
A-B
B
C
E
F
4
B
B-C
C
D
E
6 >6
C C
C-D D
D D
D D
D D
A - Çok Kararsız B - Orta Derecede Kararsız C - Az Kararsız
D - Nötral E - Az Stabil F - Orta Stabil
Max. yer seviyesi konsantrasyonu, σz = 0.707 H olduğu yerlerde meydana gelir ve σz/σy rüzgar yönü (x) mesafesi ile sabittir.
112
Baca Dizaynı Bir bacanın etkin şekilde dizayn edilebilmesi için, meteorolojik veriler gereklidir. Bir emisyon kaynağından çıkacak kirleticilerin, ele alınan bölgedeki konsantrasyonları ve yağışlarla yeryüzüne indikleri andaki konsantrasyonlarının ne olacağı, gibi tüm veriler göz önüne alınmalıdır. Lokal birçok farklılıktan dolayı, formüller yetersiz kalmaktadır, bu yetersizlik, optimum baca yüksekliğinin hesaplanması ile giderilebilir. Bitişik bina lokasyonları mekanik türbilans oluşturarak, baca gazını yeryüzü seviyesine kadar taşıyabilirler. Özellikle, baca yapısının rüzgar alan yönünde ve rüzgar hızının da yüksek olduğu zamanlar, bu gibi olaylar sıklıkla görülür. Bu problemleri önlemek için, bacalar bitişik yapıların yüksekliğinden 2 - 2.5 m daha yüksek inşa edilmelidir. Isı adaları ve mekanik türbilans, kentsel bölgelerde özellikle göz önümde bulundurulmalıdır. Yukarda konu edilen bacalar, sürekli emisyon kaynakları olan tekli bacalardır. Çoklu bacaların inşası halinde, diğer faktörler de hesaba alınmalıdır. Nükleer fisyon ürünlerinin kesikli ya da infilak şeklindeki emisyonları için, tekli baca dizaynında daha farklı kriterler kullanılabilir. Bir bacadan çıkan hava kirleticileri, atmosfere yayılmadan önce, baca doğrultusunda bir süre yükselirler. Etkin baca yüksekliği H, sadece fiziksel baca yüksekliği h değil, aynı zamanda gazın çıkış anındaki baca üzerinde yükselmesini de kapsar.
113
H = h + ∆h Şekil – 6.13' de görüldüğü gibi,baca yükseklikleri aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir. Holland's eşitliği; ∆h = us . d / u . [1.5 + ( 2.68x10-3 . p . ∆Td / Ts) ] ∆h = Baca gazının baca üzerinde yükselme mesafesi, m us = Baca gazı çıkış hızı, m/sn d = Baca iç çapı, m p = Atmosfer basıncı, milibar u = Rüzgar hızı, m/sn ∆T = Baca gazı sıcaklığı - Hava sıcaklığı, 0K Ts = Baca gazı sıcaklığı, 0K
Şekil – 6.13 Etkin Baca yüksekliği Hesaplamalar öncelikle nötral şartlara uygun şekilde yapılır. Stabil olmayan koşullarda, ∆h, 1.1 - 1.2 değerinde bir faktörle artırılır, stabil koşullarda ise, ∆h, 0.8 - 0.9' luk bir faktör ile azaltılır. Davidson & Bryont'ın baca gazı yükselmesi ile ilgili olarak geliştirdikleri diğer eşitlik;
114
∆h = d . ( us / u )1.4 . ( 1 + ∆T / Ts )
Bu eşitlikte, terimler Holland eşitliğindekilerle aynıdır. Örnek:
Etkin baca yüksekliğinin hesaplanması:
Aşağıdaki verilere göre, etkin baca yüksekliğini hesaplayınız. abcdef-
Fiziksel baca yüksekliği 203 m. ve iç çapı 1.07 m. Rüzgar hızı 3.56 m/sn. Hava sıcaklığı 13 0C Barometrik basınç 1000 milibar. Baca gazı hızı 9.14 m/sn. Baca gazı sıcaklığı 149 0C
Örnek: Yer seviyesi max.konsantrasyonunun hesaplanması: Saatte 5.45 ton kömür yakan ve yanma ürünlerini, etkin baca yüksekliği 75 m. olan bacasından dışarı atan bir güç santrali bulunmaktadır. Yakılan kömür %4.2 kükürt çermekte ve baca üstünde rüzgar hızı 6.0 m/sn.dir. Atmosferik koşullar güneşli ve güneş ışımları kuvvetlidir. SO2 'nin yer seviyesindeki max. konsantrasyonunu ve bu max. noktanın bacadan uzaklığını hesaplayınız.
115
Örnek: Rüzgara karşı konsantrasyonun belirlenmesi: Bir önceki örnekte,rüzgar doğrultusunda ve 3 km uzaktaki konsantrasyon ile, baca gazı orta cizgisine 0.4 km dikey uzaklıktaki konsantrasyonu bulunuz.
116
Örnek: Bir bacadan 50 g/s. debi ile NOx emisyon yapılmaktadır. Bacanın etkin yüksekliği 80 m. dir. baca yüksekliğindeki rüzgar hızı 4m/s. dir. Bulutlu bir günde merkez kesit düzlemi üzerinde yerde ve bacadan 800 m uzakta NOx konsantrasyonu ne olur?
117
Örnek: Kırsal bir bölgede kurulan bir pirit yakma tesisinin 25 m yüksekliğindeki bacasından 1000kj/s. ısı ve 120 g/s. lik SO2 çıkmaktadır. Hava nötral durumda ve rüzgar hızı yerden 15m yükseklikte 5m/s dir. Max kons. bacadan nekadar uzaklıkta oluşur? SO2 standartı 80 µg/m3 olduğuna göre, konsantrasyonun max. olduğu stadardın sağlanması için sağlanması gerekli arıtma verimi ne olmalı?
118
119
BACALAR VE HAVA KİRLİLİĞİ KONTROLU Bacaların kullanım amaçları • kirletici maddelerin hava ortamında yeterli seyrelmesini sağlamak • Fırın vd. ünitelerde yeterli doğal gaz çekişini temin etmek Bu amaçla tesis edilen baca * yüksek olmalı * baca çıkış noktasında gaz sıcaklığı yüksek olmalı * baca çıkış noktasında gaz yükselme hızı yüksek olmalı * rüzgâr hızı yüksek olmalı Atmosferde rüzgâr hızının yükselmesi ise genellikle baca çekişini artırsa da bazı özel koşullarda baca gazlarının geri yıkanmasına veya geri tepmesine de yol açabilir. Geri yıkama: Dış atmosferdeki rüzgâr hızı U, baca çıkış noktasındaki gaz çıkış hızı W nın 1.5 katından fazla ise GERİ YIKAMA meydana gelmektedir. Ancak gözlemler rüzgâr hızının daha da artması durumunda geri yıkamanın sona erdiğini ve seyrelmenin arttığını göstermektedir. Bu nedenle baca çıkış ağzında doğal çekişli bacalarda W ≅ 6.1 m/sn ve Zorlamalı çekişli bacalarda ise W ≅ 7.62 m/sn minumum çıkış hızları sağlanarak geri yıkama önlenebilmektedir. 120
Baca Tepmesi: Bacanın bağlı olduğu tesis kapatıldığı andan itibaren W ve kirletici çıkış hızı azalmakta, W nın belli bir değerinde dış atmosferdeki daha soğuk ve yoğun hava baca ağzından içeriye hücum etmektedir. Baca iç yüzeylerinde tutulmuş olan kükürtlü gazların asit filmi oluşturmasına ve bacanın korozyonuna neden olur. Bacanın geri tepmesine engel olmak için W ≅ 3 m/sn olmalıdır. Yoğuşma: Baca tepmesine benzer olarak baca gazı sıcaklığının yetersiz olduğu durumlarda da baca iç yüzeyinde paslanma meydana gelmektedir. Özellikle baca ağzında gaz sıcaklığının 130 0C den aşağılara düşmesi ile kükürtlü gazlar sülfirik asit damlacıklarına dönüşmektedir. Bu nedenle baca çıkışında iç duvar sıcaklığının 130 0
C alt limitinin üstünde tutulması kriterini gerektirmektedir.
121
Yönetmelikte Baca tasarımı Atık Gazların Atılması Madde 8 – 1) Atık gazlar serbest hava akımı tarafından, engellenmeden taşınabilecek biçimde atmosfere verilmelidir. Genelde, bu amaçla baca kullanılmalı ve gazların bacadan çıkış hızları tesis anma gücünde çalıştırılırken en az 6 m/sn olmalıdır. Ancak, anma ısıl gücü 300 Kw’ın altında olan tesislerde gaz çıkış hızı 6 m/sn’nin altında olabilir. 2) Küçük Tesislerde Asgari Baca Yüksekliği Anma ısıl gücü 300 Kw’ın altında olan tesislerde bacanın çatı üzerinden itibaren asgari yüksekliği aşağıdaki gibi belirlenir. A - Eğik Çatı Baca yüksekliği çatının en yüksek noktasından en az 0,5 m. daha yüksek olmalıdır. Anma ısıl gücü 50 Kw’ın altında olan tesislerde baca çatının tepe noktasına çok yakın değilse, çatı tabanından en az 1 m. yüksekliğinde olmak kaydıyla, daha alçak olabilir. B - Düz Çatı Baca yüksekliği çatının en yüksek noktasından itibaren en az 1,5 m. olacaktır. Ancak, tesisin anma ısıl gücü 50 Kw’ın altındaysa bu yükseklik 1 m. olabilir. 3)Orta Boy Tesislerde Asgari Baca Yüksekliği Anma ısıl gücü 300 Kw ile 1 MW arasında bulunan tesislerde bacanın çatı üzerinden itibaren asgari yüksekliği aşağıdaki gibi olması gerekir. A - Eğik Çatı 122
Bacanın yüksekliği çatının en yüksek noktasından itibaren en az 1 m. olarak tespit edilir. B - Düz Çatı Düz veya eğim açısı 20°’nin altında olan eğik çatılarda baca yüksekliği, çatı eğimini 20° kabul ederek hesaplanan eğik çatının en yüksek noktasından itibaren en az 1 m daha fazla olarak tespit edilir. 4) Büyük Tesislerde Asgari Baca Yüksekliği Anma ısıl gücü 1.2 MW üzerinde olan tesislerde baca yüksekliği Ek 6’da verilen esaslara göre belirlenir. Bacanın tabandan yüksekliği en az 19 m ve çatı üstünden yüksekliği ise en az 3 m olmalıdır. Çatı eğimi 20°’nin altında ise çatı yüksekliği hesabında 20°’lik eğim kabul edilir. Benzeri tür emisyonda bulunan ve yaklaşık aynı yükseklikteki bacalar arasındaki yatay mesafe, baca yüksekliğinin 1,4 katından azsa ve emisyonların birbiri üzerine binmemesi için farklı yüksekliklerde baca kullanılması zorunlu görülmüyorsa tek baca kullanılır. Bu paragrafta yukarıda belirlenen baca yüksekliği kullanılması halinde Ek 2’de belirtilen toplam kirlenme değeri (T.K.D.) madde 5’te öngörülen hava kalitesinin
değerini
aşıyorsa,
ilk
önce
emisyon
değerinin
düşürülmesine çalışılır. Bu ekonomik veya teknolojik olarak mümkün değilse, baca yükseltilerek hava kalitesi değerinin aşılması önlenir. Ek 6’ya göre belirlenen, engebelere göre düzeltilmemiş baca yüksekliği madde 23’te yeralan ek düzenlemeler kapsamına girmiyorsa 250 m’yi aşmayacaktır. Baca yüksekliğinin 200 m’den
123
yüksek çıkması durumunda teknolojik seviyeye uygun emisyon azaltıcı tedbirlere başvurulur. ÖLÇÜM BÖLGELERİNİN SEÇİMİ Şehir içi bölgelerde hava kalitesi seviyesinin belirlenmesi için uzun süreli ve kapsamlı çalışmaların yapılması gereklidir. Bacadan ve egzozdan atılan kirleticilerin atmosferde dağılımını, topoğrafik ve meteorolojik faktörler etkiler. Kirletici türleri ise bölgedeki kaynak tiplerine göre değişmektedir. Bu nedenden dolayı ölçüm değerleri, bölgenin hava kalitesi seviyesini temsil edici yer ve ölçüm ağı içinde diğer istasyonlardan elde edilen verilerle karşılaştırabilir ve mukayese edilebilir olması gerekir. Ölçüm yerlerinden elde edilen değerlerin bölgeler arası farkı da yansıtması istenir. Dolayısıyla yoğun, az yoğun ve yoğun olmayan kirlenmeye maruz kalan bölgeler, önceden tek tek etüt edilmelidir. Ölçümlerle, nokta (sanayi), alan (konutlar) ve mobil (taşıtlar) kaynaklarının her birinin veya tümünün bölgenin, hava kalitesi seviyesi üzerine etkisi tespit edilmelidir. Bu tür çalışmalarda, bölgede mevcut kirletme kaynakları yanında, şehir dışından taşınan temel kirletici konsantrasyonları da tespit edilebilmelidir ki; böylece şehir içi bölgede kirletici kaynakların hava kalitesi üzerine etkisi belirlenebilsin. Bir bölgenin hava kalitesi tespit edilirken; özellikle halkın, bitkilerin, ağaçların, hayvanların, taşıtların, yapıların ve malzemelerin hava kirlenmesine maruz kaldığı yerler seçilmelidir. Ölçüm istasyonları bir
124
saat, 8 saat, 24 saat ve yıllık periyotlar için yeterli sayıda veri (en az %50 oranında) üretebilmelidir. Bu çalışmalarda, topografik ve meteorolojik faktörlerin bölgenin hava kalitesi seviyesi üzerine etkileri de belirlenmelidir. Hava kalitesi ölçüm istasyonu yeri, harita üzerine işlenmelidir. Özetle, ölçüm noktalarından elde edilen veriler, o bölgenin hava kalitesi
seviyesini
ve
standardını
sağlıklı
olarak
temsil
edebilmelidir. Hava kalitesi ölçüm ağı hava kalitesini izleme ve halkın bilgilendirilmesine katkıda bulunmalıdır. Kirletici seviyesi sınır değerlerini aştığında gerekli acil eylem planı devreye sokulmalıdır. Ölçüm Noktası (Yönetmelik) 1) Ölçüm noktası, yakma tesisi ile baca arasındaki bağlantıyı sağlayan boru üzerinde yapılır. Ölçüm noktası, yakma tesisi atık gaz çıkış borusundan itibaren boru çapının yaklaşık iki katı mesafede olur. Eğer yakma tesisi ile baca arasında, ısı değiştirici veya atık gaz arıtma tertibatı varsa ölçüm noktası bu tertibatlardan sonra yine boru çapının iki katı mesafede yapılır. 2) Ölçüm noktasındaki atık gazın türbülanslı bir rejimde olması durumunda, atık gaz ısı kaybının olmaması koşuluyla ölçüm noktası yukarıda 1’de belirtilen mesafeden biraz daha ileriye kaydırılabilir. 3) Ölçüm noktasında, ölçümleri önemli ölçüde olumsuz etkileyecek toz ya da kurum birikmesi olmamalıdır. 2. ÖLÇÜM YERLERİNİN TESBİTİ Hava kirliliği ölçüm aletlerinin numune alma girişleri, bölgeyi temsil edici noktada hava kalitesi seviyesini belirleyici yerler olmalıdır. 125
Çevre havası ile karışmamış emisyonların ölçümünden kaçınılmalıdır. Ölçüm istasyonu, yerel emisyon kaynaklarına özellikle yakın olmamalıdır. Kirletici konsantrasyonlarının bölgeyi temsil edici olabilmesi için hava kirliliği ölçüm cihazları girişleri; ev, apartman, sanayi ve taşıtların bacalardan çıkan emisyonların ve türbülans, vorteks, bastırma (down wash) gibi etkenlerden direk etkilenmemesi için mümkün olduğu kadar yapılardan ve ağaçlardan etkilenmeyen yerlerde, mümkünse park-bahçelerde, eğitim alanlarında veya hastane bahçelerinde, trafik yoğunluğunun çok az veya hiç olmadığı yerlerde, spor alanları, şehir meydanları ve regrasyon alanlarında olması gerekir. Hava kalitesi ölçüm cihazlarının numune alma girişleri, yüksek yapılarla çevrili (bina, ağaç, duvar ve işyeri v.b. gibi) hava hareketini kesen, durgun hava oluşumunu sağlayan yerlerden uzak olmalıdır. Numune alma noktaları ağaçların yağış düşme hattından en az iki kat uzağa yerleştirilmelidir. Numune alma girişleri, spesifik bir kirletici kaynak etkisinde kalmamalıdır. Yörenin genel hava kalitesini temsil etmelidir. Yani ölçüm cihazları sadece bir baca veya kirletici kaynaktan (endüstri) ileri gelen kirliliği ölçmemelidir. Numune alma cihazları baca yakınına
veya
kirletici
gazların
yerleştirilmemelidir.
126
deşarj
edildiği
yerlere
Sadece yoldan ileri gelen kirlilikten etkilenmemesi için, ölçüm cihazı girişi, yoldan belirli uzaklıkta olmalıdır. Ancak yollardan ileri gelen kirlilik seviyesi inceleme esası ayrıdır. Yerden yükselecek toz etkisini minimize etmek ve solunum seviyesini temsil etmek üzere partikül ölçüm cihazları girişleri yerden asgari 2 metre, en fazla 15 metre yükseklikte olmalıdır. Ağaçlık bölgelerde bu yükseklik 8 metre olabilir. Hava kalitesi ölçmeleri kural olarak yer seviyesinden, (veya binadan) (veya ekili alandan) en az 3 metre yükseklik de, ve binadan en az 1.5 metre mesafede yana doğru olmalıdır. Tablo 1 ve 2’de göz önüne alınması gereken kirleticiler için özel yerleştirme kriterleri verilmiştir. Taşıtlardan ileri gelen kirleticilerin atmosferdeki reaksiyonu sonucu oluşan ozon kirleticisinin ölçümü için alınması gerekli kriterler Tablo 1 de verilmiştir. Tablo1. Ozon Ölçüm Cihazlarıyla Otoyollar Arasındaki Minimum Uzaklık (En Yakın Trafik Şeridinin Kenarı) Otoyol Günlük Ortalama Ölçüm Cihazları ile Otoyollar Trafik Arasındaki Minimum Uzaklık Araç/Gün (metre) ≤ 10.000 ≥ 10 (a) 15.000 20 20.000 30 40.000 50 70.000 100 ≥ 110.000 ≥ 250 (a) Mesafe trafik ışıklarına göre interpolasyon yöntemi ile tespit edilecektir.
127
Partikül, kükürt dioksit (SOx), azot oksitler (NOx), karbon monoksit (CO) gibi kirleticilerin ölçümü için numune alma yerinin tespitinde göz önüne alınması gerekli kriterler Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Numune Alma Probu Yerleştirme Esasları Özeti Kirleticiler Partikül Madde (ana otoyol kenarlarının ve/veya zemin yüksekliğindeki kaynaklar) Partiküller SO2 CO (sokak / kanyon) CO (sokak dışı Kanyon/Koridor) O3 NO2 Partikül kritersiz kirleticiler Gaz kritersiz kirleticiler
Yerden Yükseklik, (metre) (a)
Destekleyici Yapıdan Uzaklık (metre)
Diğer Mesafe Kriteri (c)
Dikey
Yatay (b)
2-7
-
>2
1,2,3,4,5
2-15 2-15 4± 1/2 3-15 3-15 3-15 2-7 yer, 2-15 yüksek seviyedeki kaynaklar 3-15
>1 >1 >1 >1 >1
>2 >1 >1 >1 >1 >1
1,2,3,4 1,2,3,4 6,7,8 3 1,2,3,9 1,2,3
-
>2
1,2,3,4
>1
>1
1,2,3,4
(a)
Yer seviyesindeki kaynaklar için, monitörlerin / giriş probları nefes alma bölgesine mümkün olduğu kadar yakın yerleştirilmelidir. (b)
Prob çatı üstüne yerleştirildiğinde, bu ayırma mesafesi çatı üstündeki duvarlar, garapeller veya çatı katı ile referans durumundadır. (c)
1. Yağış düşme hattından 20 metreden fazla ve ağaçlar engel teşkil ediyorsa yağış düşme hattından 10 metre mesafede olmalıdır. 2. Numune alma noktasının engellere, örneğin binalara uzaklığı, engelin numune alma noktasına yaptığı çıkıntının en az iki misli olmalıdır. 3. Kısıntıya sebep olmayacak hava akışı olmalı, ve numune alma noktası çevresinde 2700 arc olmalıdır. 4. Baca veya yanma gazı olan yerler olmamalıdır. 5. Yollara 5-10 metre mesafede olmalıdır. 6. Kesişme noktalarından en az 10 metrede ve orta blok noktasında olmalıdır. 7. En yakın trafik şeridine 4-10 metre uzakta olmalıdır. 8. Giriş probu çevresinde 1800 de kesintisiz hava akışı olmalıdır. 9. Yollara göre uzaklığı trafik yoğunluğu ile değişmektedir.
128
Şekil 1’de numune alma yerleri, yerleşim kriterleri görsel açıdan sergilenmiştir.
Şekil 1. Hava Kalitesinin Ölçümünde Göz Önüne Alınacak Esaslar
Trafikten kaynaklanan hava kirliliğini ölçmek için ölçüm noktaları ana kavşaktan en az 20 metre ve trafik hattından en az 4 metre uzakta olmalıdır. Azot oksit ve karbon monoksit ölçüm aletleri girişi, kaldırım kenarından 5 metreden fazla uzakta olmamalıdır. Trafikten ileri gelen karbon monoksit kirliliğinin ölçümü için numune alma yeri Şekil 2’de verilmiştir.
Şekil 2. Şehir İçinde Karbon Monoksit Konsantrasyonunu Ölçmek İçin Numune Alma Yeri Tespiti
Ekosistemin ve bitkiler üzerine hava kirliliğinin etkisini izlemek üzere; hava kalitesi binalardan, sanayiden ve motorlu taşıt yollarından en az 5 km uzakta ölçülmelidir. 129
Sonuç olarak, ölçüm cihazları sonuçlarından, özellikle belirli bir kirletici kaynak etkisinden çok o bölgede mevcut tüm kirletici kaynakların, bölgenin genel hava kalitesi seviyesi üzerine etkisi elde edilebilmelidir. 3. ÖLÇÜM İSTASYONU SAYISI Şehir içi bölgelerde, nüfus yoğunluğuna ve coğrafi yayınım alanına bağlı olarak ölçüm istasyonları kurularak hava kalitesi seviyesinin belirlenmesi gerekmektedir. Çeşitli hava kirleticiler için büyük şehirlerde kurulması gerekli istasyon sayısı ve minimum ölçüm sıklığı Tablo 3’de verilmiştir. Tablo 3. Nüfus Yoğunluğuna Bağlı Olarak Ölçüm İstasyonu Sayısı PARAMETRELER MİNİMUM NÜFUS MİNİMUM ÖLÇÜM ÖLÇÜM SIKLIĞI İSTASYONU SAYISI* Partikül Maddeler* (PM) Duman*
sürekli
> 5.000.000
İki saatte bir numune
12+0.16x her 10 5 Kişi Her 250.000 kişiye bir istasyon
Kükürt dioksit*
sürekli
1.000.000
Karbon monoksit*
sürekli
> 5.000.000
6+0.15x her 10 5 Kişi 6+0.05x her 10 5 Kişi
Azot oksitler* sürekli > 1.000.000 10 *: Otomatik olmayan ölçüm sistemlerinde ise minimum istasyonu sayısı
İki milyon nüfus başına en az bir otomatik ölçüm istasyonu kurmak gereklidir. Otomatik olmayan ölçüm sistemlerinde kükürt dioksit ve toplam askıda maddeler (PM10) gibi kirleticileri ölçmek için nüfusu 10 milyon olan bir şehirde ortalama 35 ölçüm istasyonunun olması gerekmektedir.
130
Buna göre bir şehirde; -Nüfusun ve servis hizmetlerinin (ticari merkezlerin), -Tarihi binaların, -Sanayiinin (küçük, orta ve büyük ölçekli) -Trafiğin, yoğun olduğu bölgelerde hava kirliliği ölçüm istasyonları kurularak ölçümler yapılmalıdır.
131
BÖLÜM 7 7.1.ATMOSFERDEKİ ARITMA PROSESLERİ Atmosfer tıpkı bir nehir gibi kendi kendini temizleme sistemleri geliştirmiştir. Eğer bunlar olmasaydı, troposfer kısa sürede insanların yaşayamayacağı bir yer haline gelecekti. Bu bölümde bahsi geçen hava kirliliği kontrolü aygıtları, prensip olarak atmosferin bu doğal temizleme prensiplerinden faydalanılarak tasarlanmıştır. • Dispersiyon, • yerçekimi ile çökelme, • yumaklaşma (flokülasyon), • absorbsiyon, • yağış ile temizlenme (washout), • yağmur oluşumu sırasında kirleticilerin uzaklaştırılması (rainout) ve • adsorbsiyon atmosferde oluşan en önemli doğal kirlilik giderme proseslerindendir. Tam olarak bir kirlilik giderme mekanizması olmasa da, hava akımları ile meydana gelen dispersiyon da kirleticilerin konsantrasyonlarını azaltır. 20µm 'den büyük partiküllerin giderimi için, en önemli doğal mekanizmalardan biri yerçekimi ile çökelmedir. Yerçekimi ile çökme, diğer doğal temizleme proseslerinde de anahtar bir rol oynamaktadır. Örneğin, 1 µm den küçük partiküllerin atmosferde çökmesinin teorik olarak mümkün olmadığı halde 132
flokülasyon ile 0.1µm' den küçük partiküller çökebilmektedir. Bu olayda, büyük partiküller daha küçükler için alıcı görevi yapar. İki partikül birbirine çarparak bir birim oluşturur ve bu işlem, yeteri kadar büyük ve çökecek kadar ağır floklar oluşuncaya kadar devam eder. washout Doğal absorbsiyon proseslerinde, partiküller ya da gaz fazındaki kirleticiler yağmur (washout) ile toplanarak, nemli ortamda çökelirler. Yağış ile temizlenme olarak bilinen bu olay, bulutların altında meydana gelir. Gaz ya da partiküller maddelerin temizlenmesi, yağışın yoğunluğu ve kirleticilerin karakteri gibi birçok nedene dayanır. Doğal şartlar altında, yağmur damlacığının düşüş çizgisindeki partiküllerin sadece bir kısmı, çökerken daha küçük partiküller damlacığı çevreleyen hava akımında kalırlar. 1µm çaptan küçük partiküller için yapılan çalışmalar çökelme olmadığını göstermiştir. washout olayı sonucunda, troposfer temizlenirken SOx lerden oluşan moleküler düzeyde çok küçük partiküller olan H2SO4 'de yağmurla birlikte yere iner. Rainout: Bulut içindeki kirleticilerin temizlenmesi, (rainout), diğer bir atmosferik temizleme prosesidir. Daha önce açıklanan yağış ile temizlenme (washout) olayında bulutların altında bulunan yağmur damlacıkları, kirleticileri absorbe etmekteydi. Oysa ki, bulut içindeki kirleticilerin
temizlenmesi
(rainout)
olayı,
bulutların
içinde
gerçekleşmektedir. Burada mikron ölçüsünden küçük partiküller yoğunlaşma çekirdeği vasıtası görerek, etraflarında damlacıklar 133
halinde su oluşumuna neden olurlar. Bu olay, kentsel bölgelerde yağış ve sisin daha sık görülmesine yol açmaktadır. Adsorbsiyon; yeryüzüne yakın tabaka olan atmosferin sürtünme tabakasında meydana gelir. Bu olayda gaz sıvı ya da katı fazındaki kirleticiler adsorbe edilerek tutabilirler. Havada asılı duran partiküller yerçekiminin etkisi altında çökelme eğilimindedirler. Hava cereyanları ise, bu etkiyi azaltıcı yöndedir. Genellikle, 10 - 15 µm boyutundaki partiküllerin yüzeyleri diğer kirletici gaz ya da sıvılar için adsorban olmaktadır.
Böylece,
yeryüzeyine
inerken,
hava
içerisindeki
kirleticileri de taşırlar. Bu proses adsorbsiyonla doğal temizleme prosesidir. 10 - 15 µm 'dan büyük boyuttaki partiküller hızlı çökelme nedeniyle adsorbsiyon olayında pek etkili olmamaktadır. Daha düşük boyuttakiler
ise,
çökelmenin
uzun
sürmesi
nedeniyle
etki
göstermemektedirler. emisyonlar yine de atmosfere gidecektir ve bu kirliliğin de giderilmesi için atmosferdeki doğal temizleme prosesleri devreye girecektir. Kirlenme Kontrolü İçin Yaklaşımlar: Hava içindeki partikül ve gaz halindeki kirleticilerin kontrolü için iki ana yaklaşım vardır; Kirleticilerin atmosferde seyreltilmesi
ve
kirleticilerin kendi kaynaklarında kontrol edilmesi. Seyreltme: Daha önce belirtildiği gibi, kirleticilerin atmosferde seyreltilmesi, uzun bacalar kullanılarak sağlanabilir. Uzun bacalar inversiyon
tabakasını
aşabilir
ve 134
kirleticiler
dağılarak,
yer
seviyesindeki kirleticilerin konsantrasyonunu oldukça azaltır. Ancak hatırlanmalıdır ki, yukarı çıkan her şey sonunda aşağı inecektir. Kaynaktan uzaklığı ne kadar fazla olursa olsun, (örneğin, özellikle İngiltere 'den kaynaklanan SO2 'nin
%15 - 50 'si İsveç 'te asit
yağmuruna neden olmaktadır). uzun bacalar ve bu gibi seyreltme cihazları, kirleticileri, yalnızca dünyamızda bir yerlere dağıtımında ya da bunların zararlı etkilerini kaynağa yakın yerlerde daha az fark edilir hale getirmektedir. Bunun ışığında, seyreltme en iyi ihtimalle bir kısa dönem kontrol önlemi, en kötü ihtimalle de uzun dönemde istenmeyen etkileri getirecek bir önlemdir. Kaynakta Kontrol: Uzun dönemde hava kirliliği kontrolü açısından, kirleticileri kaynaklarında kontrol etmek, seyreltmeye göre tercih edilen ve daha etkili bir yöntemdir ve çok çeşitli şekillerde gerçekleştirilebilir. Bunların birincisi ve en etkilisi, kirleticilerin yayılmasını önlemektir. Yanma sonucu ortaya çıkan kirleticiler için, alternatif bir güç kaynağı bulunabilir. (örneğin; fosil yakıtlardan elde edilen enerji yerine, hidrolik, jeotermik ya da güneş enerjisi kullanımı). Kaynakta kontrol için uygulanan metotlar kirleticilerin emisyonlarını azaltabilir ancak, bunları tümüyle yok edemez. Örneğin;
SO2
emisyonlarını azaltmak için düşük kükürt oranlı kömür, ya da
fosil
yakıtlar yerine daha az hava kirliliğine yol açan başka bir yakıt kullanılabilir. Bazen de, geleneksel yakıtlar daha az kirlilik yaratacak şekilde değiştirilebilir. Yani, kömür ya da fueloil desülfürizasyona tabi
135
tutulabilir, sıvı doğal gaz (LNG) ya da sıvı petrol gibi nispeten daha düşük emisyonları olan yakıtlara dönüştürülebilir. Kirleticileri kaynakta kontrol etmek amacıyla kullanılan diğer bir metot da, var olan teçhizatı uygun şekilde kullanmaktır. Özellikle yakma işlemlerinde kullanılan teçhizatla, kirletici emisyonları uygun işletme ve bakımla oldukça önemli miktarda azaltılabilir. Örneğin; kirli bir hava filtresi, kötü bir yağ karter sistemi (PCV), kötü bir hız ayarlayıcı ve iyi işlemeyen bir ateşleme tertibatı olan otomobil, yüksek verimle çalışan bir otomobile göre çok daha fazla kirlilik yayar. Aslında, inceleme ve bakımla otomobillerde hidrokarbon ve karbonmonoksit emisyonlarını % 20 - % 50 azaltabilir. Aynı şekilde endüstriyel emisyonlar da, teçhizatın uygun işletme ve bakımıyla azaltılabilir. Örneğin; termik santrallerdeki kül emisyonları, fırının hava girişi ayarlanarak ve rafineri alevlerinden gelen kurum ve CO, alev bölgesine buhar enjekte edip türbülansı artırarak azaltılabilir. Yanma dumanında değişiklik yapılarak, maden cevheri ya da gaz yakan kazanların NOx emisyonları azaltılmıştır. Hava ateşleme, aşamalı yakma, alev üstü havalandırma, hafif gaz dolaşımı ve su enjeksiyonu NOx emisyonlarını % 30 - 60 arasında azaltabilir. Emisyonları kaynaklarında kontrol edebilmek için kullanılan diğer bir metot da, kullanılan prosesin değiştirilmesidir. Örneğin; açık ocak fırınlarının oksijen kontrollü fırınlarla ya da elektrik fırınlarıyla değiştirilmesi, hem duman, CO, ve buharları azaltır hem de enerji tasarrufu sağlar. Bir bıçkıhane, partiküler ve gaz fazındaki kirleticileri, açık çukur ya da kereste kullanılarak yapılan yakma işlemi yerine 136
başka sistemler kullanarak, birçok atık maddeleri işe yarar hale getirebilir. Hava kirleticilerinin emisyonlarını kaynaklarında kontrol etmek için kullanılan en yaygın yöntemlerden biri de, kontrol ekipmanı, doğal giderim
mekanizmalarının
işlediği
prensiple
inşa
etmektir.
Kirleticilerin kaynakta kontrol edilebilmeleri için, alınan tedbirlere ek olarak, bu kontrol aygıtları kirleticileri yok etmek, etkisiz hale getirmek, toplamak ya da maskelemek amacıyla tasarlanır. Partikül ya da gaz halindeki kirleticileri kontrol eden etkili cihazlar, ya partiküler ya da gaz halindeki kirleticilerden yalnızca bir tanesini kontrol etme amacıyla tasarlanır. Çünkü, atmosfere verilen emisyonların % 95 gibi büyük bir miktarı, gaz emisyonlar meydana getirmektedir. Aksine, görsel bir kirliliğe sebep olması nedeniyle, daha çok partiküler kirlilik üstünde durulmakta ve kirlilik önleme cihazları geliştirilmektedir.
137
