Ana sayfa 131. Sayı Gökgürültülü fırtınalar ve oluşum düzenekleri

Gökgürültülü fırtınalar ve oluşum düzenekleri

366
PAYLAŞ

Murat Türkeş

Gökgürültülü fırtına, gökgürültüsü ve şimşek-yıldırım ile birlikte gelişen, çoğunlukla kuvvetli yağmur ve dolu sağanaklarının, ender olarak kar sağanaklarının, kuvvetli ve hamleli rüzgârların gözlendiği bir ya da birden fazla cumulonimbus (Cb) hücresinin oluşturduğu şiddetli hava olarak tanımlanabilir. Peki, nasıl gelişir? Oluşumlarına neden olan etmen ve süreçlerin yanı sıra büyüklükleri ve doğasına göre nasıl sınıflandırılabilir?

Günlük yaşamımızda, havanın çok kısa bir süre içerisinde açık güneşli bir gökyüzünden gökgürültülü ve şimşekli kara bulutlara değişebildiğini biliriz ve bu ani değişikliği olağandışı saymayız. Buna benzer çok hızlı ve genellikle yerel ölçekli değişiklikler çoğunlukla bir orajın (gökgürültülü-şimşekli konvektif fırtına, İng: thunderstorm) varlığıyla ve gelişmesiyle ilişkilidir.

Öyleyse, gökgürültülü-şimşekli konvektif fırtına (kısaca gökgürültülü fırtına) nedir? Nasıl gelişir? Oluşumlarına neden olan etmen ve süreçlerin yanı sıra büyüklükleri ve doğasına göre nasıl sınıflandırılabilir? Bu bölümde konuyu ayrıntılı biçimde tartışarak, bu soruları yanıtlamaya çalışacağız.

Oraj ya da gökgürültülü fırtına, İngilizce adından (thunder + storm) da anlaşılacağı gibi, “gökgürültüsü ve şimşek-yıldırım ile birlikte gelişen, çoğunlukla kuvvetli yağmur ve dolu sağanaklarının, ender olarak kar sağanaklarının, kuvvetli ve hamleli rüzgârların gözlendiği bir ya da birden fazla cumulonimbus (Cb) hücresinin oluşturduğu şiddetli hava” olarak tanımlanabilir. Uygun yüzey ve yüksek atmosfer koşullarında tam gelişme olanağı bulan şiddetli bir gökgürültülü fırtına, özellikle bir ya da birden fazla hortumla birlikte geliştiğinde, kara üzerinde çok yıkıcı ve afet boyutunda hava koşulları oluşturabilir.

Konvektif fırtınalar, genellikle birçok hücreden oluşur ve gelişimi, a) kümülüs evresi, b) olgunluk evresi ve c) dağılma (yok olma) evresi biçimindedir. Gökgürültülü fırtınalar, afet boyutundaki orajların yaşandığı ABD’nin birçok eyaletinde, tropikal ve nemli subtropikal kuşak ve Akdeniz ülkeleri (Türkiye dahil) ile orta enlemlerin güney bölümlerinde çoğu yıldırım çarpması, şiddetli dolu ve rüzgâr fırtınası olayları ile ilgili olmak üzere her yıl yüzlerce kişinin ölmesine, binlerce insanın yaralanmasına, evsiz kalmasına ve milyonlarca dolar maddi kaybın ortaya çıkmasına neden olmaktadır.

Burada açıklayacağımız üç evreli gökgürültülü fırtına gelişim modeli de, sözü edilen afet boyutundaki orajların oluşumunu ve doğasını daha iyi anlayabilmek amacıyla ABD’nin Ohio ve Florida eyaletlerinde 1940’ların sonunda yapılan araştırmaların sonuçlarına dayanır. Bu model, cephesel ya da orografik yükselmelerde olduğu gibi, sinoptik ya da bölgesel ölçekli yükselme düzenekleri nedeniyle değil, yerel yüzey ısınması sonucunda çoğunlukla tek başlarına oluşan ve hava kütlesi orajları ya da olağan konvektif fırtınalar olarak adlandırılan fırtınalara uygulanır. Son yıllarda geliştirilen daha yeni modeller, bu fırtınaların belirli çeşitlerini daha ayrıntılı olarak açıklamakla birlikte, üç evreli konvektif fırtına gelişme modeli, günümüzde de gökgürültülü fırtınalar için yararlı bir genel tanımlama ve evrimleşme açıklaması yapılması açısından yeterli görülmektedir.

Gökgürültülü fırtınalar, üç gruba ayrılarak incelenebilir:

1) Zayıf bir dikine rüzgâr şirinin egemen olduğu atmosfer koşullarında gelişen, göreceli olarak küçük, afet olasılığı düşük ve etki alanı sınırlı tek hücreli gökgürültülü fırtınalar, olağan konvektif fırtınalar ya da hava kütlesi orajları.

2) Kuvvetli dikine rüzgâr şiri ve kuvvetli kararsızlık koşulları altında gelişen, daha tehlikeli ve geniş ölçekli çok hücreli fırtınalar.

3) Çok hücreli konvektif fırtınaların parçalanmasıyla oluşan, dönen dikine hareketlerle bağlantılı, şiddetli, çok dinamik ve uzun ömürlü süperhücre fırtınaları.

Bunlardan, çok hücreli ve süperhücre fırtınalar, kuvvetli rüzgâr ve dolu üretme gücüne sahiptir. En yıkıcı ve afet boyutunda hava olayları üreten hortumlar da, çoğunlukla süperhücre fırtınaları ile bağlantılı olarak gelişir (bkz. Şekil 3).

Şekil 1: İyi gelişen bir tek hücreli orajın yaşam döngüsünün (evriminin) üç aşamalı gelişimine ilişkin, a) kümülüs (gelişme), b) olgunluk ve c) dağılma (yaşlılık) evrelerinin kesitsel yalınlaştırılmış gösterimleri (Byers ve Braham 1949 ve Türkeş 2010’e göre yeniden düzenlendi ve çizildi).

Tek hücreli gökgürültülü fırtınalar

Tek hücreli gökgürültülü fırtınalar ya da daha yalın bir deyişle hava kütlesi orajları, küçük ölçekli ve fazla şiddetli olmayan tek başına gelişen Cbbulutlarını tanımlamak ve açıklamak için kullanılan bir terimdir (Şekil 1).

Hava kütlesi orajı, orta enlem siklonları ve sağanak ya da kararsızlık çizgilerinden çok, genellikle yüzey ısınmasıyla bağlantılı yerel konveksiyonlarca oluşturulur. Bu şiddetli hava sistemleri, genellikle yalnız bir adet sağanağın gelişmesini sağlar; basınç dağılışı, tümüyle, yükselen sıcak hava parselinin denge (kararlılık) durumunca belirlenir. Yukarıda açıklandığı gibi, hava kütlesi orajları, her birisinin yaklaşık yarım saatlik bir ömrü bulunan (a) kümülüs, (b) olgunluk ve (c) dağılma (yaşlılık) evrelerini içerir (Şekil 1).

a) Kümülüs evresi: Kümülüs evresi ya da gelişme evresi olarak adlandırılan bu evrede, tümüyle sıcak ve yükselen kararsız havada bir kümülüs bulutu gelişir (Şekil 1a). Kümülüs bulutunun içerisinde, dikine hareketin hızı yükseltiyle hızla artar ve bulut tavanı yaklaşık 10 m/s hızla yukarıya doğru hareket eder. Yukarı yönlü büyük hızlar nedeniyle, aşırı soğumuş su damlaları donma sıcaklığı düzeyinin oldukça üzerinde oluşabilir. Bu durum, bu yükseltide uçan uçaklar için potansiyel bir buzlanma tehlikesi oluşturabilir.

b) Olgunluk evresi (tam gelişmiş oraj bulutu): Olgunluk evresi, yukarı yönlü dikine akımların yanı sıra, aşağı yönlü çok kuvvetli hava hareketlerinin gelişmesiyle tanımlanır. Alçalıcı hava akımlarının etkin olduğu bu kuşak, aynı zamanda bulutun kuvvetli yağmur bölümüne karşılık gelir (Şekil 1b). Aşağı yönlü hava hareketlerine katılan kuru çevresel hava ve bulut tabanındaki doymamış hava, düşen yağmur damlacıklarının buharlaşması sonucunda soğur. Bazı durumlarda, buharlaşma sürecindeki ısı kaybı (buharlaşma gizli ısısı) sonucunda oluşan soğuma, alçalıcı havanın negatif dengesini büyük ölçüde kuvvetlendirir, başka bir deyişle alçalan havanın kararlılığını artırır. Olgunluk evresinde, aşırı soğumuş yağmur damlaları, donma düzeyinin oldukça yukarısında varlığını sürdürür. Bu arada, kuşbaşı kar taneleri ya da yumuşak buz paletleri aşağıda donma düzeyinin altında bulunabilir. Bu evrede tropopoz düzeyinin üzerine çıkabilen oraj bulutunun örsü, fırtınanın hareket yönünü göstermek üzere buluttan dışarıya doğru uzanır (Şekil 2).

Şekil 2: Ulukışla yöresinde çok iyi gelişmiş olgun bir tek hücre orajı (Cb bulutu) ve gökkuşağı. (Foto: Murat Türkeş, 6 Haziran 2013, Ulukışla)

c) Dağılma evresi: Dağılma (yaşlılık) evresinde, en yüksek yükselici dikine hava akımı hızları, Cb bulutunun ortasında gözlenir. Bulutun tavanı tropopoza yaklaşır ve bulutun örsü dağılma evresindeyken yatay olarak dışarıya doğru yayılır ki bu durum havanın yukarıdaki diverjansını gösterir (Şekil 1c). Dağılma evresinde, bulutun her yerinde yağış geliştiği için, aşağı yönlü hava akımları daha da şiddetlenir ve tüm bulutta yalnız alçalıcı hareketler egemen olur (Şekil 1c). Yukarı yönlü dikine havanın kaynağının zayıflaması ve konveksiyonun yerini alçalıcı hava akımlarının alması nedeniyle, bulut damlacıkları artık büyüyemez ve sonuç olarak yağış kısa sürede sona erer. Gerçekte bu evrede, adyabatik olarak yükselen ve soğuyan havanın içinde yoğunlaşan su buharının ancak % 20’si yüzeye yağmur biçiminde ulaşır. Kalan yağmur damlalarının çoğu aşağı yönlü havanın içinde buharlaşır ya da bulutun yukarı bölümlerinde kalarak zamanla buharlaşır. Bu bölüm, örsteki yaygın cirrus bulutlarını da içerir.

Tek hücre orajları kısa ömürlüdür ve ender olarak yıkıcı rüzgârlar ve dolu olaylarını üretebilir. Bunun nedeni, genel olarak aşağı yönlü hava akımlarıyla ilişkili olarak düşen yağmur damlalarının adyabatik ısınması ve daha sıcak alt düzeylerdeki buharlaşma yüzünden, bu olağan konvektif fırtınaların bir çeşit kendi kendini yok etme düzeneğine sahip olmasıdır (Şekil 1c).

Şekil 3: Kuvvetli dikine rüzgâr şirinin (burada rüzgâr hızının dikine artışı) egemen olduğu atmosfer koşullarında gelişen ideal bir çok hücreli fırtınanın kesitsel gösterimi (Türkeş 2010’ten). Oraj hücrelerinin içindeki oklar, hava akımlarını gösterir. Orajın merkezine yaklaşan görece sıcak ve nemli hava akımları ile oraj hücresinin ilerleme yönüne göre arkasında kalan bölümden yüzeye inen soğuk yağış kuşağındaki alçalıcı hava akımları arasında gelişen hamle cephesinin konumuna ve donma noktası düzeyindeki değişime dikkat ediniz.

Çok hücreli gökgürültülü fırtınalar

Çok hücre fırtınaları, tek hücreli fırtınalarda olduğu gibi ve yeni hücrelerin gelişimini destekleyen bir süreç kapsamında, her birisi kendi döngüsü süresince ardışık olarak evrimleşen hücrelerle nitelenir (Şekil 4). Zayıf dikine rüzgâr şirinin egemen olduğu atmosfer koşullarında, orajlar zayıf bir gelişme gösterir ve her bir konvektif hücre arasındaki ilişki o kadar zayıftır ki, bunlar birbirinden belirgin olarak ayrılabilir. Ancak, rüzgâr şiri kuvvetli olduğunda bu tek hücreler birbirleri ile sıkıca bütünleşir ve tek başlarına yaşama olanaklarını kaybeder. Eğer konveksiyon kuvvetli ve yükselici hareket şiddetli ise, çok hücre fırtınası da şiddetlenebilir. Gerçekte, şiddetli orajlardaki yükselici hareketler, bulut tavanının görece kararlı alt stratosfere sokulabilmesini sağlayacak kadar kuvvetli olabilir (Şekil 5). Bazı durumlarda, bulut tavanı 16-17 km yükseltiye kadar çıkabilir.

Şekil 4: Gelişimini sürdüren etkin birçok hücre fırtınası (Türkeş 2010’ten). Çok hücre orajları, farklı ardışık büyüme evrelerini yaşayan bir hücreler dizisinden oluşur. Arka bölümdeki oraj bulutu, sola doğru uzanan belirgin bir örsle birlikte olgunluk evresindedir. Bu bölümden kuvvetli sağanak yağışları oluşur. Çok hücre orajının sol arkasındaki bulut bölümü, orajın dağılma evresine karşılık gelirken; ön sağda ve solda bir oraj bulutuna dönüşebilecek olan cumuluscongestus bulutları, önde ortada ise henüz gelişmekte olan bir cumulus bulutu görülüyor. (Foto: Murat Türkeş, 9 Temmuz 2009 Çanakkale)

Kuvvetli yükselici akımlar, dolu tanelerini bulutun içinde daha büyük boyuta ulaşmaya yetecek kadar asılı tutar ve onların daha fazla irileşmesini sağlar. Bu yolla daha da irileşen dolu taneleri ya aşağı yönlü akımlarla bulutun tabanına doğru düşer ya da bir yükselici akım onları bulutun yan taraflarından dışarıya hatta örsün tabanına doğru savurur. Bu yüzden, bazen uçaklar, bir konvektif fırtınanın kilometrelerce ötesindeki açık havada dolu taneleriyle karşılaşabilir. Bu çeşit oraj bulutlarının örsü içindeki ya da örse doğru uzanan bölümlerindeki alçalıcı akımlar, çok güzel görünümlü mammatus bulutlarını oluşturur (Şekil 6).

Çok hücre orajlarının gelişme evresi, dikine rüzgâr bileşenleri arasındaki rüzgâr şirinin dağılışıyla yakından ilişkilidir. Çok hücreli konvektif fırtınaların birçoğunun en önemli özelliği, yükselme eğilimindeki sıcak ve nemli yüzey katmanı havası ile soğuyarak alçalan ve içersindeki buharlaşma yoğunlaşma ısısına bağlı olarak daha da soğuyan hava arasında gelişen hamle cephesidir (İng: gustfront) (Şekil 3). Yeni konvektif fırtına hücreleri, yaklaşmakta olan hamle cepheleri boyunca oluşma eğiliminde olduğu için, hamle cepheleri çok hücre fırtınalarının oluşumunda da rol oynayan önemli bir etmendir. Yaşlı hücreler ise, hamle cephesinin arkasında kaldıklarında ortadan kalkar ve burası kısa sürede soğuk ve yoğun aşağı yönlü hava akımlarıyla çevrelenir.

Şekil 5: Akdeniz’de İtalya Yarımadası ile Sicilya Adası arasındaMessina Boğazı üzerinde oluşan iyi gelişmiş çok hücreli bir gökgürültülü fırtınanın akşamüzeri uçaktan (tropopoz düzeyinde: yükseltisi 11300 m, dış hava sıcaklığı -54oC) görünüşü. (Foto: Murat Türkeş, 17 Mayıs 2007 Messina Boğazı üzeri)

Süperhücre gökgürültülü fırtınaları

Bir konvektif fırtınanın şiddetlenme olasılığı, fırtınanın yaşam süresinin uzunluğuna bağlı olarak artar. Fırtınanın ömrü uzadıkça, iri dolu yağışları, kuvvetli alçalıcı akımlar ve hortumlar gibi şiddetli hava olaylarını üretme şansı da artar (Şekil 7).

Tek hücreli konvektif fırtınanın ürettiği yağış, aşağı yönlü hareketin bulunduğu bölümün yanı sıra yükselici hareket bölümüne de düşebilir. Bunun sonucunda, alçalıcı serin-soğuk hava, konvektif fırtınanın enerji kaynağı olan sıcak yükselici havayı keser ve kısa bir zamanda dağılmasına neden olur. Ancak, eğer yukarıdaki rüzgârların kuvveti artarsa (orta düzeyde rüzgâr şiri gelişimi), yağış aşağı doğru harekete zorlanarak yükselici hava bölümüne düşmeyebilir ve bu yüzden, yükselici hava bastırılmamış olur. Öte yandan, alçalıcı havanın içindeki soğuk havanın dışa akışı yukarı yönlü hareketi keserse, yeni konvektif hücreler ve bunun sonucunda da uzun süre etkili olabilen çok hücre fırtınaları oluşabilir (Şekil 7).

Şekil 6: Çok hücreli bir Cb bulutunun altında gelişen mammatus bulutu. (Foto: Murat Türkeş, 7 Ağustos 2014, Çanakkale Boğazı, Yapıldak)

Eğer orajın yukarısındaki rüzgârlar daha da kuvvetlenirse (kuvvetli rüzgâr şiri) ve rüzgârın yönü yükseklikle değişiyorsa (ör. yüzeyde daha güneyli olan rüzgârların yukarıda daha batılıya dönmesi vb.), çok hücre fırtınaları, alçalıcı akımlarla bağlantılı soğuk havanın dışa akışının yükselici akımları kesmesine ya da parçalamasına engel olmayacak bir biçimde yol alabilir. Ayrıca, rüzgâr şiri, havada horizontal bir bükülme yaratacak kadar kuvvetli olabilir ve bükülen hava yükselici akımlara doğru yöneldiğinde havanın dönmesine neden olabilir. Bu durumda, oraj daha fazla büyür ve bir saatten daha uzun süre etkili olabilir. Yukarıda açıklandığı gibi, belirli atmosfer koşullarında daha fazla büyüme olanağını bulan ve uzun süreli etkili olan şiddetli orajlara, süperhücre adı verilir (Şekil 7). Süperhücre orajlarının dönme özelliği ve genellikle tabanlarının yeryüzüne çok yakın olması, hortum oluşumuna da neden olabilir.

Şekil 7: Bir süper hücre gökgürültülü fırtınasının kesitsel gösterimi (Türkeş 2010’ten). Kuvvetli sağanak yağış bölgesi, hamle cephesi ve duvar bulutunun varlığının yanı sıra, buluta orta düzeyde kuru hava, alttan ise nemli hava girişi dikkat çekicidir.

Süperhücre fırtınası, çoğunlukla hızlı bir biçimde dönen bir hava kütlesinden oluşan olağanüstü bir orajdır. Süperhücre orajının içyapısı, varlığını saatlerce tek başına sürdürebilecek özelliktedir (Şekil 7). Süperhücre orajları, hızları 90 knot’ı geçen kuvvetli yükselici akımları, çok iri dolu taneleri ve hasara neden olan yüzey rüzgârları ile geniş ve uzun süreli hortumları oluşturabilecek bir kuvvete sahiptir. Normal koşullarda, yağış, kuvvetli yükselici akımların egemen olduğu bölümlerde gelişemez. Eğer bu bölümde yağış oluşursa, hızla dönen hava tarafından dışarıya doğru savrulur. Bazı süperhücre orajları ise, fırtınanın merkezine yakın bölümünden düşen şiddetli yağmur ve iri taneli dolu yağışlarını oluşturabilme gücüne sahiptir. Hortumları ve iri doluları üretebilen süperhücre orajları, dönme özellikleri nedeniyle dik ve geniş bir kule görünümündedir (Şekil 7).

Not: Bu yazının devamı, Bilim ve Gelecek dergisinin sonraki sayısında “Hortumlar ve hortum oluşum düzenekleri” başlıklı ikinci makalede yer alacaktır.

Kaynaklar

1) Byers H. R. and R. R. Braham. 1949. TheThunderstorm Project. U.S. Government Printing Office, Washington, DC, 287 pp.

2) Danielson, E. W., Levin, J. andAbrams, E. 2003. Meteorology. Second Edition, McGraw-Hill, New York, 558 pp.

3) Türkeş, M. 2010. Klimatoloji ve Meteoroloji. Birinci Baskı, Kriter Yayınevi – Yayın No. 63, Fiziki Coğrafya Serisi No. 1, ISBN: 978-605-4613-26-7, 650 + XXII sayfa: İstanbul. Wallace, J. M. And Hobbs, P. V. 2006. Atmospheric Science, An Introductory Survey, Second Edition. Elsevier Academic Press, New York, 483 pp.