2.1 Instraling, uitstraling en warmtebalans
Alle atmosferische processen worden aangedreven door de straling van de zon. Op het einde van deze les weet je waarom de temperatuur op aarde binnen bepaalde grenzen blijft (menselijk toedoen niet meegerekend), ook al ontvangt de aarde op elk moment grote hoeveelheden energie van de zon. Je zal ook kunnen verklaren waarom het op sommige plaatsen doorgaans warmer is dan op andere.
Opdracht 1
De totale inkomende zonnestraling aan de buitenkant van de atmosfeer bedraagt 1366 Watt per vierkante meter. ( bron )
De zonnestraling bestaat uit korte golfstraling / lange golfstraling.
Hoeveel % van de zonnestraling wordt als kortegolfstraling terug in de ruimte gestuurd? 31%
Noteer bij de onderstaande processen de procentuele verdeling van de inkomende zonnnestraling ( 100 %)
| proces | percentage |
absorptie in de atmosfeer ( door ozon, wolkenn gas en stof ) |
24 ( 18+3+3 ) |
reflectie in de atmosfeer door wolken |
21 |
| reflectie door het grondoppervlak |
3 |
dispersie ( scattering ) |
7 |
absorptie door het grondoppervlak |
45 |
alle kortegolfstraling gereflecteerd naar de ruimte (= het albedo ) |
31 |
Noteer bij de onderstaande processen de procentuele verdeling van de uitgaande warmtestraling ( 100 %)
| proces | percentage |
warmte afkomstig van de atmosfeer |
21 |
warmte afkomstig van de ozonlaag |
3 |
| verdamping ( evaporatie ) |
19 |
convectie |
4 |
het broeikaseffect |
14 |
directe uitstraling vanaf het grondoppervlak |
8 |
totaal warmteverlies naar de ruimte |
69 |
Besluit
De inkomende zonnestraling is kortgolvig en wordt voor 31% ongebruikt terug in de ruimte gestuurd
De resterende 69 % wordt door absorptie omgezet in warmtestraling
Minder dan de helft van de zonnestraling ( 45% ) wordt door het aardoppervlak geabsorbeerd en omgezet in warmtestraling.
2.2 Processen die een rol spelen bij de warmtebalans
2.1.1. absorptie in de atmosfeer
= het proces waarbij straling wordt geabsorbeerd en nadien wordt uitgezonden als straling van een andere of een zelfde golflengteDit proces gebeurt onder andere door volgende stoffen: waterdamp, ozon, koolstofdioxide (CO2),enz
Defintie van de ozonlaag: de laag van de atmosfeer tussen 15 en 30 km hoogte ( in de stratosfeer ) waarin zich de meeste ozon bevindt.
Opdracht 2:
Beschrijf , aan de hand van deze animatie ( bron ), het onstaan van ozon.Onder invloed van zonnestraling ( UV straling met een golflengte < 240 nanometer) wordt een zuurtofmolecule omgezet in 2 zuurstofatomen. Deze atomen kunnen een verbinding aangaan met een zuurstofmolecule en vormen dan ozon.
Beschrijf , aan de hand van deze animatie ( bron ), de absorptie door de ozonlaag.Ozon absorbeert de uv-straling ( 240-320nm) waardoor ozon opnieuw wordt afgebroken en warmte vrijkomt. ( zie animatie )
Beschrijf , aan de hand van deze animatie ( bron ), de invloed van Chloor, stikstofoxide en stikstofdioxide op de ozonlaag.. Chloor en stikstofoxide breken ozon af tot zuurstof omdat ze een zuurstofatoom kunnen losmaken.
Besluit
Ozon in de stratosfeer absorbeert UV-staling
De stratosfeer bevat ongeveer 90 % van alle ozon in de atmosfeer.
Op een hoogte van 20 tot 35 km is de ozonconcentratie het grootst. We noemen deze laag: de ozonlaag
Ozon in de ozonlaag kan worden aangetast door een aantal gassen van menselijke oorsprong.
Daarvan zijn de CFK's (chloorfluorkoolwaterstoffen) het schadelijkst. CFK's werden gebruikt in ( bron ) spuitbussen en als koelmiddel ( bv in koelkasten )
Deze gassen zijn erg stabiel (blijven lang in de stratosfeer). Eén enkele CFK-molecule kan ongeveer honderdduizend stratosferische ozonmolecules vernietigen. ( zie de video )
Ook stikstofoxiden (afkomstig van vliegverkeer) breken de ozonlaag af.
Opdracht 3
Los de vragen op.
Onderzoek daarna het verband tussen de ozonconcentratie en de blootstelling aan schadelijke UV-stralen.
Schat voor de gevraagde gebieden zo goed mogelijk de dikte van de ozonlaag (in Dobson Units) én de blootstelling aan UV-stralen in april 2004.
Gebruik indien nodig Encarta of je atlas.
Formuleer een besluit over de dikte van de ozonlaag en de blootstelling aan (schadelijke) UV-stralen.
De aantasting van de ozonlaagUit welke atomen bestaat een ozonmolecule? O3 Welk deel van de CFK-molecule splitst af? Chloor-radicaal Onder invloed van welk type straling gebeurt deze opsplitsing? UV Wat doet het chloorradicaal met ozon? Splitst het in O2 en O° Hoeveel keer kan het chloorradicaal deze reactie met ozon uitvoeren? onbeperkt Welk gebied op aarde staat op de ozonlaagkaart rechts afgebeeld? het zuidelijk halfrond Waar is de ozonlaag het dunst? boven de zuidpool
Klik op de ozonkaart! bron: Kaart: Europese Commissie en Belgisch Instituut voor Ruimte-Aëronomie |
|
|
|
||
|---|---|---|
 |
||
Kaart: earthobservatory.nasa.gov |
||
Besluit
Hoe dunner de ozonlaag, hoe hoger de blootstelling aan UV-stralen.
2.1.2. reflectie in de atmosfeer en op het aardoppervlak
Reflectie: de terugkaatsing van straling ( het betreft hier straling van een korte golflengte )
om de mate van reflectie te kunnen bepalen gebruikt men het albedo. Het albedo van de aarde bedraagt ongeveer 0,3. (bekijk hier het albedo van de andere planeten).
albedo (= het weerkaatsingsvermogen van een object=): de verhouding tussen de gerefecteerde straling tot de ingevallen straling.
De waarde van het albedo schommelt tussen 1 ( alles gereflecteerd) en 0 ( alles geabsorbeerd ). Het albedo wordt ook dikwijls uitgedrukt in %.Enkele voorbeelden: ( bron )
voorbeelden |
albedo in % |
Wolken (gemiddeld) |
50-55 |
Wolken < 150 meter dik |
25-63 |
Wolken van tussen 150 en 300 meter dik |
45-75 |
Wolken van tussen 300 en 600 meter dik |
59-84 |
Zeeijs |
30-40 |
verse sneeuw of ijs ( animatie ) |
80 tot 90 |
oude sneeuw |
45 tot 70 |
Water |
5-10 |
Woestijn |
25-30 |
Groen bos |
5-10 |
Asfaltweg |
5-10 |
Groen gebladerte |
5-25 |
Kaart van het gemiddelde albedo van het aardopervlak :
bron:ISCCP
- Een animatie van het jaarlijks verloop van het albedo van de aarde.
Opdracht 4:
gebruik de kaart
- waarom is het albedo op Groenland hoog? hoog albedo van ijs
- waarom is er een groot verschil tussen Noord-Afrika en Centraal-Afrika? evenaarswoud tegenover woestijn ( Sahara )
gebruik de animatie:
Vergelijk de evenaarsgebieden ( vooral op de oceanen ) op de animatie en de kaart.
Wat stel je vast ? op de kaart is de waarde egaal en op de animatie zijn er duidelijke verschillen
Welke factor bepaalt het verschil? de bewolking
Op de animatie kan je zien dat het albedo afhankelijk is van het seizoenen. Geef 3 oorzaken: het wisselende ijsoppervlak, de wisselende invalshoek, de verschuiving van de regengebieden ( en dus ook de bewolking ).
Besluit
Het albedo bepaalt de hoeveelheid zonlicht die door de aarde wordt teruggekaatst naar de ruimte. Verandering in dit cijfer kunnen de energiebalans van de aarde sterk beïnvloeden.
2.1.3. Dispersie ( = verstrooiiing of scattering ) in de atmosfeer.
Opdracht 6 (UITBREIDING)
Los de oefening op en noteer zelf in een korte samenvatting waarom de hemel blauw is.
Je hebt de golflengtesimulator en additieve kleurmenging nodig.
Besluit
Wit licht bestaat uit 7 verschillende lichtsoorten die eik een verschillende golf lengte hebben. Deze lichtsoorten worden door luhtmolecules en stofdeeltjes op een verschillende manier verstrooid. De kortere golflengtes ( blauw, violet ) worden het meest verstrooid en de langere ( rood, oranje ) het minst.
Enkele voorbeelden:
1 de blauwe van de lucht: het blauw licht wordt het meest verstrooid
2. de roodoranje kleur van de lucht: door de schuine invalshoek moet het zonlicht een langere weg afleggen doorheen de atmosfeer en kan enkel het rood-ornaje nog waargenomen worden.
2. de witte kleur van de wolken: waterdruppels verstrooien alle lichtsoorten op dezelfde manier waardoor de wolken een witte kleur krijgen.
2.1.4. Absorptie aan het grondoppervlak
Het gedeelte van de zonnestraling ( korte golflengte) dat het aardoppervlak bereikt wordt geabsorbeerd en omgezet in warmtestraling ( lange golflengte ).
Dit betekent dat de opwarming van de troposfeer begint vanaf het aardoppervlak.
Opdracht 7
1. Bekijk de situatie van Groenland in januari en juli. Kan je het verschil verklaren? In januari is er veel sneeuw en ijs dus veel reflectie en weinig absorptie. Daarenboven zijn de dagen zeer kort. In juli is het omgekeerd.
2. Vergelijk de gebieden met een waarde van minder dan 140 Watt/m2 in de maanden januari en juli.
Welke verschillen stel je vast op beide halfronden? op het zuidelijk halfrond zijn deze gebieden veel uitgestrekter.
Kan je dit verklaren? Op Antarctica is de ijskap veel groter.
3. Neem de kaart van maart en vergelijk de waarden op de evenaar.
Wat valt je op? de waarden op de oceanen liggen hoger dan deze op de continenten
Kan je dit verklaren? op de continenten is er meer reflectie
Een aantal belangrijke gevolgen hiervan zijn:
1. De temperatuur van de troposfeer daalt met de hoogte.
2. De temperatuurregistratie moet op vaste hoogtes gebeuren (onder thermometerhut of aan de grond ).
3. Op het grondoppervlak noteert men de hoogste temperatuursverschilen: de hoogste overdag en de laagste s' nachts.
4. Er treedt een vertraging op in het bereiken van de maximumtemperatuur. De temperatuur bereikt haar maximum niet op het moment dat de zon het hoogst staat.
Opdracht 8: Analyseer onderstaande figuur
1. Op welk uur van de dag noteert men de hoogste temperatuur? 14 h
2. Op welk soort tijd heeft deze figuur betrekking? wintertijd, zomertijd, zonetijd of zonnetijd: zonnetijd ( kijk naar het tijdstip van de hoogste zonnsestand )
3. Kan je de datum van de figuur achterhalen? ( let op het aantal uren zon ): 21 maart of 23 september ( 12h dag en nacht )
4. Welke voorwaarde moet voldaan zijn om de temperatuur te doen stijgen? de temperatuur stijgt als de zonnestraling groter is dan deaardstraling. Hierdoor treedt er een vertraging op in het bereiken van de maximumtemperatuur. De hoogste temperatuur komt niet voor bij de hoogste zonnestand maar 2 uur later.
Opgelet: dit temperatuursverloop geldt enkel voor een windloze en zonnige dag. Er mag dus geen aanvoer zijn van lucht uit andere gebieden want dit zou het verloop beïnvloeden.
Enkele voorbeelden van het werkelijke temperatuursverloop kan je hier vinden.
albedo
Andere
interactieve animatie i.v.m. met inkomende en gereflecteerd straling
Test jezelf!