2.1 Instraling en uitstraling
2.1.1 De zon drijft atmosferische processen aan
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 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
Los de vragen op en gebruik daarvoor de tabel de waarden (uitgedrukt in procent) uit de tekst of de figuur over instraling en uitstraling.
Let goed op het onderscheid tussen reflectie enerzijds en absorptie anderzijds, en de verschillende compartimenten (aardoppervlak, ozonlaag, troposfeer).
inleidende video video over instraling zonnestraling, warmte en temperatuur
De zon produceert ongeveer 3,8 . 1026 Watt stralingsvermogen.
Daarvan bereikt slechts een fractie de aarde, namelijk 1,7 . 1017 Watt. Dat is nog altijd meer dan tienduizend maal het huidige wereldenergieverbruik.
Vanaf de zon lijkt de aarde een platte schijf met een straal van nog geen zeven miljoen meter. Delen we de hoeveelheid zonnestraling door het oppervlak dan de aardschijf, dan blijkt dat iedere vierkante meter van de schijf per seconde een hoeveelheid energie ontvangt van 1366 Joule. Dit vermogen, 1366 Wm-2, noemen de ze zonneconstante.
Rekenen we dit om naar het totale aardoppervlak (een bol met een 4 x grotere oppervlakte dan een cirkel met dezelfde straal), dan wordt het gemiddelde ingestraalde vermogen per oppervlakte dus ook 4 maal kleiner: 340 W/ m2. De inkomende straling is vooral kortgolvig.
- Hoeveel bedraagt de totale gemiddelde inkomende hoeveelheid zonnestraling aan de buitenkant van de atmosfeer (voor de aarde in haar totaliteit dus, in W/m2)?
340 - Uit welke type straling bestaat die inkomende zonnestraling: eerder langgolvige straling of eerder kortgolvige straling?
kortgolvig (warmtestraling is langgolvig) - Hoeveel % van de zonnestraling wordt als kortegolfstraling onveranderd de ruimte in gereflecteerd?
29
2.1.2 Instraling en reflectie: kortgolvige straling
Opdracht 2
Vul in de tabel bij elk proces het percentage in.
bron: NASA
| proces | percentage |
|---|---|
| reflectie door het aardoppervlak | 7 |
| reflectie door wolken en atmosfeer | 23 |
| totale reflectie | 29 (7 + 23, afrondingsfout) |
| atmosferische absorptie | 23 |
| absorptie door aardoppervlak | 48 |
| totale absorptie | 71 |
2.1.3 Uitstraling na absorptie: langgolvige straling
Opdracht 3
Vul in de tabel bij elk proces het percentage in.
| proces | percentage |
|---|---|
| energie geabsorbeerd door het aardoppervlak | |
| uitstraling door verdamping | 25 |
| uitstraling door convectie | 5 |
| rechtstreekse netto-uitstraling als warmtestraling | 17 |
| totale uitstraling | 5 + 17 + 25 = 48 (afrondingsfout) |
De inkomende zonnestraling is kortgolvig.
Ze wordt voor 29 % ongebruikt de terug de ruimte ingestuurd door reflectie. De overige 71 % wordt door absorptie omgezet in warmtestraling (warmtestraling is langgolvig).
Minder dan de helft ( 48 %) van de inkomende zonnestraling wordt door het aardoppervlak geabsorbeerd en omgezet in warmtestraling.
2.2 Het natuurlijke broeikaseffect
De uitgaande langgolvige warmtestraling wordt voor een deel door gassen in de atmosfeer terug naar het aardoppervlak gestuurd. De gassen die hiervoor verantwoordelijk zijn, zijn onder andere waterdamp (het belangrijkste broeikasgas), koolstofdioxide en methaan. De twee gassen die samen 99 % van droge lucht uitmaken, N2 en O2, dragen niet bij tot het natuurlijke broeikaseffect. Een atmosfeer die enkel uit N2 en O2 zou bestaan, zou ertoe leiden dat het aardoppervlak meer dan 30 ° C kouder zijn.
Opdracht 4
Neem de figuur bij opdracht 2 er opnieuw bij. Noteer:
- hoeveel % door het oppervlak wordt uitgestraald
117 % - hoeveel % door broeikasgassen teruggestuurd wordt naar de aarde
100 %
Vergelijk het verschil van beide met de waarde die je ingevuld hebt in de tabel onder 'rechtstreekse netto-uitstraling als warmtestraling' bij opdracht 3.
17 % dus = net thermal radiation
2.3 Processen die een rol spelen bij de warmtebalans
2.3.1 Absorptie in de atmosfeer
Definitie: atmosferische absorptie
Het proces waarbij straling wordt opgenomen en nadien wordt uitgezonden als straling van een andere golflengte. Dit proces gebeurt onder andere door waterdamp, ozon en koolstofdioxide.
2.3.2 Absorptie aan het aardoppervlak
Opdracht 5
Analyseer de figuur hieronder en los de vragen op
- Op welk uur van de dag noteert men de hoogste temperatuur?
rond 14:00
- Welke tijd zie je in de horizontale als (wintertijd, zomertijd, . . . )?
zonnetijd - Voor welk moment van het jaar geldt deze grafiek (hint: kijk naar het aantal uur zonlicht)?
12 uur nacht = nachetvening - Aan welke voorwaarde moet voldaan zijn om de luchttemperatuur te laten stijgen?
het oppervlak moet voldoende opgewarmd zijn om de lucht erboven op zijn beurt op te warmen
Zonnestraling (korte golflengte) bereikt het aardoppervlak en wordt na absorptie omgezet in langgolvige (warmte)straling. Dit betekent dat de opwarming van de troposfeer begint vanaf het aardoppervlak.
2.3.3 Langgolvige uitstraling
Opdracht 6
Gebruik de onderstaande animatie en de figuur om de hoeveelheid langgolvige uitstraling te verklaren in:
- het Arabisch schiereiland
- het evenaarsgebied in Afrika
weinig bewolking boven het Arabisch schiereiland, dus kan meer warmtestraling ontsnappen (zie ook sterke afkoeling woestijd in de nacht)
- Arabisch schiereiland:
- evenaarsgebied in Afrika (vergelijk met bijvoorbeeld Noord-Afrika):
De klimatologische verklaring voor deze beide plaatsen:
2.3.4 Reflectie in de atmosfeer en aan het aardoppervlak
Definitie: reflectie
Het onveranderd terugkaatsen van invallende, kortgolvige straling.
Definitie: albedo of reflectievermogen
De verhouding tussen hoeveelheid gereflecteerde straling en de totale hoeveelheid invallende straling. De waarde van het albedo schommelt tussen 0 (geen reflectie) en 1 (totale reflectie). Soms wordt het albedo uitgedrukt in procent.
overzicht albedowaarden kaart: albedo verband tussen albedo en temperatuur (zonder broeikaseffect)
- Wat is het albedo van Groenland: eerder hoog of eerder laag?
hoog - Verklaar deze hoge/lage waarde.
oppervlak bestaat grotendeels uit sneeuw en ijs - Waarom is er een verschil tussen Noord-Afrika en Midden-Afrika?
ander vegetatietype = andere albedowaarde
- Welke waarde zorgt voor de snelste opwarming: een hoge of een lage albedowaarde?
lage albedowaarde
2.4 Waarom is de hemel blauw? (uitbreiding)
.