2. Warmtebalans
2.1 Instraling en uitstraling
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 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.
Inleidende video over warmtebalans Video over stralingsinval
Opdracht 1
Vul de ontbrekende delen in de tekst in. Gebruik voor de tabel de waarden (uitgedrukt in procent) uit de animatie over instraling en uitstraling. Let goed op het onderscheid tussen reflectie enerzijds en absorptie anderzijds, en de verschillende compartimenten (aardoppervlak, ozonlaag, troposfeer).
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 tienduizendmaal het huidige wereldenergiegebruik! Vanaf de zon lijkt de aardbol een platte schijf, met een straal van zeven miljoen meter. Delen we de hoeveelheid zonnestraling door het oppervlak van de aardschijf, dan blijkt dat iedere vierkante meter van die schijf per seconde een hoeveelheid energie van 1366 joule ontvangt. Dit vermogen, 1366 W m-2, noemt men de zonneconstante.
- De totale inkomende zonnestraling aan de buitenkant van de atmosfeer bedraagt 1366 W/m2.
- Deze inkomende straling bestaat uit voornamelijk korte (korte/lange) golflengtes,
- 31 % van de zonnestraling wordt als kortegolfstraling onveranderd de ruimte in gereflecteerd.
Instraling en reflectie: kortgolvige straling
| Proces | Percentage |
|---|---|
| Absorptie in de atmosfeer (door ozon, wolken, stof en gas) | |
| Reflectie in de atmosfeer door wolken | 21 |
| Reflectie door het aardoppervlak (de 'grond') | 3 |
| Dispersie ('scattering') = het uiteenvallen van licht in de verschillende kleuren | |
| Absorptie door het aardoppervlak (de 'grond') | |
| ALLE kortgolvige straling die (naar de ruimte) wordt gereflecteerd = het albedo = reflectievermogen |
Uitstraling na absorptie: langgolvige straling
| Proces | Percentage |
|---|---|
| Warmte afkomstig van de troposfeer | |
| Warmte afkomstig van de ozonlaag (stratosfeer) | |
| Warmte opgenomen bij evaporatie (verdamping) | 19 |
| Warmte getransporteerd door convectie | |
| Warmte afkomstig van het natuurlijk broeikaseffect ('greenhouse' = broeikas) | |
| Directe uitstraling vanaf het aardoppervlak | |
| DIRECT WARMTEVERLIES naar de ruimte = som van langgolvige uitstraling |
Besluit
Ze wordt voor 31 % ongebruikt de terug de ruimte ingestuurd door reflectie. De overige 69 % wordt door absorptie omgezet in warmtestraling (warmtestraling is langgolvig).
Minder dan de helft (45 %) 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.
2.3 Processen die een rol spelen bij de warmtebalans
Absorptie in de atmosfeer
Ozon in de atmosfeer Animatie: vorming van ozon Animatie: ozon absorbeert UV-stralingAnimatie: invloed van chloor en stikstofoxiden op ozon Video: aantasting van de ozonlaag
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.
Definitie: ozonlaag
De laag in de stratosfeer op een hoogte van 20 tot 35 km hoogte waarin zich het meeste ozon bevindt.
Opdracht 2
Ga na:
- hoe ozon (O3) gevormd wordt (uit welke stof het ontstaat en wat er verder voor nodig is)
- wat de interactie is van ozon met die straling
- wat het effect is van stoffen zoals chloor en stikstofoxiden op de ozonconcentratie.
Los vervolgens de vragen op.
- Welk type straling absorbeert ozon in de stratosfeer? zeer schadelijk UVC helemaal, UVB en UVA grotendeels
- Hoeveel procent van de ozon in de atmosfeer bevindt zich in de stratosfeer? 90
- Op een hoogte van 20 tot 35 km is de ozonconcentratie het hoogst. Wat is de naam van deze laag in de stratosfeer? de ozonlaag
- Ozon in de stratosfeer kan aangetast worden door een aantal gassen van menselijke oorsprong, waarvan de CFK's het schadelijkst zijn. Welke chemische elementen bevat een CFK-molecule?
- CFK's werden vroeger veel gebruikt omdat ze erg stabiel zijn. In welke toepassingen (2) werden CFK's gebruikt?
in koelkasten als koelgas en in spuitbussen als drijfgas
Net omdat ze zo stabiel zijn blijven CFK's lang hun schadelijke werking uitoefenen. Eén enkele CFK-molecule is in staat honderdduizenden moleculen stratosferische ozon af te breken. Ook stikstofoxiden die afkomstig zijn van vliegverkeer tasten de ozonlaag aan. De dikte van de ozonlaag wordt aangegeven in Dobson-eenheden.
Het afgesplitste chloorradicaal fungeert als katalysator in de afbraakreactie van ozon.
Absorptie aan het grondoppervlak
Opdracht 3
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. Los de vragen op.
- Bekijk de situatie in Groenland in januari en juli. Verklaar het verschil.
in Groenland in winter meer ijs dus minder absorptie en ook minder zonlicht (kortere dagen) - Vergelijk de gebieden met een waarde van minder dan 140 W/m2 in januari en juli. Welke verschillen stel je vast op beide halfronden?
weinig uitstraling in poolgebieden - zie ook vorige vraag - Neem de kaart van maart en vergelijk de waarden op de evenaar (ook over zee!). Verklaar de 'band' ter hoogte van de evenaar.
Zie kaart met bewolking hieronder. De op de evenaar in maart opgewarmde lucht leidt tot bewolking. Deze band van bewolking rond de evenaar leidt uiteraard tot minder uitstraling.
Wolkenbedekking (maart 2015)
Een aantal belangrijke gevolgen hiervan zijn:
- De temperatuur van de troposfeer daalt met de hoogte.
- De temperatuursregistratie moet op vaste hoogte gebeuren (onder thermometerhut aan de grond).
- Op het grondoppervlak noteert men de hoogste temperatuursverschillen: de hoogste overdag en de laagste 's nachts.
- 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 4
Analyseer de onderstaande figuur.
- Op welk uur van de dag noteert men de hoogste temperatuur? 14 uur
- Welke tijd zie je in de horizontale als (wintertijd, zomertijd, . . . )? zonnetijd: middag = hoogste zonnestand
- Voor welk moment van het jaar geldt deze grafiek (hint: kijk naar het aantal uur zonlicht)? 12 uur, dus lentenachtevening of herfstnachtevening
- Aan welke voorwaarde moet voldaan zijn om de luchttemperatuur te laten stijgen?
eerst moet het aardoppervlak voldoende opgewarmd zijn, dan pas kan de luchttemperatuur beginnen stijgen
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.
Opdracht 5
Open de kaart en los de vragen op.
- Wat is het albedo van Groenland: eerder hoog of eerder laag? hoog
- Verklaar deze hoge/lage waarde. ijs heeft hoge albedowaarde
- Waarom is er een verschil tussen Noord-Afrika en Midden-Afrika? verschil in vegetatie, dus in oppervlak
- Welke waarde zorgt voor de snelste opwarming: een hoge of een lage albedowaarde? lage
Tijd over?
Nettolanggolvige instraling = (binnenkomende - buitengaande) hoeveelheid langgolvige straling
Ga na wat het teken is van de nettolanggolvige instraling en verklaar dit.
Zelftest van de leerstof tot nu toe