Marc Desmet
Module 1.3 Overzicht van het klimaatsysteem : Hoe is het opgebouwd?
Ons klimaat wordt bepaald door 4 systemen die voortdurend in wisselwerking staan met elkaar: de hydrosfeer (water, oceanen), de atmosfeer, de cryosfeer (ijs) en de biosfeer (het leven).
Op hun beurt worden deze systemen beïnvloed door externe factoren: de zon, water en begroeiing.
De zonnestraling (warmte) beïnvloedt de oceanen en de atmosfeer. De broeikasgassen in de atmosfeer spelen een belangrijke rol spelen in de temperatuur van het aardoppervlak. Later meer daarover.
Door de zonnewarmte verdampt een deel van het water in de oceanen, rivieren en meren en vormt zo waterdamp. Dat op zich is een broeikasgas dat op de zonnewarmte reageert. Denk maar aan de wolken die er voor zorgen dat de nacht minder koud is dan een wolkenloze hemel.
De bestaande vegetatie (of wijziging ervan door bebouwing, landbouw), het landoppervlakte (vlakte, bergen) en het soort bodem zelf beïnvloeden de reactie op het inkomende zonlicht. Dat heeft invloed op hoe bodem C02 uitstoot of vocht verdampt in de atmosfeer. Dus al deze systemen reageren met elkaar en wisselen allerlei gassen met elkaar uit. Het is belangrijk dat we dit begrijpen om het aard- systeem en meer specifiek het dynamische klimaatsysteem te doorgronden. In volgende lessen gaan we daar dieper op in.
Laten we de atmosfeer eens van dichterbij bekijken. De atmosfeer heeft voor ons 2 belangrijke lagen :
- De troposfeer: de onderste laag; ze is ongeveer 10 tot 14 km hoog. Wij leven erin en in deze laag speelt zich het weer af. Hoe hoger je gaat in de troposfeer hoe kouder het wordt. Dat ervaar je wel wanneer je in het hooggebergte gaat wandelen. De troposfeer is onstabiel. Voor onze studie van de klimaatverandering focussen we ons op de troposfeer.
- De stratosfeer: tot 50 km hoog. Hoe hoger je komt, hoe warmer ze wordt. De stratosfeer is stabieler dan de troposfeer . De ozonlaag in de stratosfeer ontstaat omdat zuurstof (O2) door de UV-straling van de zon wordt gesplitst . Die aparte O delen gaan dan ozon (03) vormen. Deze houden de voor het leven gevaarlijke ultraviolette zonnestraling tegen.
Wat stellen wetenschappers nu vast? De stratosfeer koelt af ! Van natuurlijke extra zonneactiviteit weten we dat ze de stratosfeer opwarmt. Hoe kan er dan afkoeling ontstaan? Door de mens met zijn uitstoot van broeikasgassen. Die koelen de stratosfeer af, terwijl de troposfeer warmer wordt en dat zet de klimaatverstoring aan het werk.
Bekijken we even de samenstelling van de lucht.
Door de luchtturbulentie is de samenstelling van de atmosfeer overal grotendeels gelijk. Hierdoor gedraagt atmosfeer zich als een ‘Ideaal Gas’ en is de ideaalgas-wet van toepassing . Nu niet weglopen hé, dat is fysica uit de middelbare school! Lees meer in de voetnoot hieronder.[1]
Om het anderzijds wat ingewikkelder te maken is methaan ietwat een spelbreker in dit ideaalgas verhaal. In sommige streken komt methaan meer voor (denk aan de permafrost, verrottingsprocessen)!
Water is ook een speciaal element dat het atmosferisch gebeuren compliceert. Het komt op aarde voor in drie toestanden: vast (ijs), vloeibaar (water) en gas (waterdamp). En dat laatste is een krachtig broeikasgas.
Je ziet ook dat de broeikasgassen (koolstofdioxyde en methaan) minder dan 0,05 % van de atmosfeer uitmaken. En toch hebben ze een grote impact op het klimaat. Zo komen we bij het broeikaseffect.
Broeikaseffect:
Naast waterdamp zijn er drie ‘hoofdrolspelers in dit effect : koolstofdioxyde (CO2-, dé hoofdrolspeler), methaan (CH4) en lachgas (N20). Alle drie worden die door onze diverse menselijke activiteiten in de lucht uitgestoten als extra broeikasgassen.
Deze moleculen ‘vangen’ de warmte-energie die het aardoppervlak terugkaatst om af te koelen. Een deel stralen ze terug naar beneden, een ander deel stralen ze naar de ruimte.
In een echte, menselijke serre wordt de hitte van de zon bewaard omdat de lucht er niet uit kan en er geen wind is die de warmte kan verspreiden. In die zin is het broeikaseffect niet gelijk aan het serre-effect.
Je kan het broeikaseffect dus omschrijven als: de aarde tracht af te koelen door de zonne-energie naar de ruimte uit te stralen. Broeikasgassen vangen een deel van die energie op en kaatsen ze de ruimte in. Een ander belangrijk deel kaatsen ze terug naar het aardoppervlak. Zo moet de aarde nog meer energie (= warmte) uitstralen om af te koelen om zo haar energiebalans in evenwicht te houden. En zo ontstaat een opwarmende atmosfeer of de klimaatverandering.
Module 1.4 Overzicht van het klimaatsysteem : Hoe werkt de energiebalans?
Die heeft te maken met de ultraviolette lange golfstraling van de zon en de infrarode korte golfstraling van de aarde. Hoe die de atmosfeer inkomen en uitgaan beschrijft het proces van de energiebalans van de aarde.
Nu bij de les blijven hé, want er komt weer wat wiskunde bij kijken! De zon straalt in korte golven ongeveer 1370 watt/m2 naar de aarde. Omdat de aarde een bol is bereikt slechts 1/4de hiervan de kant die naar de zon is gekeerd tegelijk. Dus de zonne-energie die op aarde komt op eender welk moment is 1370watt/m2 :4 = 370 watt/m2. Voor uw en mijn gemak stellen we dat gelijk aan 100.
De energiebalans van de Aarde klopt als er 100 eenheden in en 100 eenheden uitgaan. Dat is natuurlijk wat te eenvoudig, en zou ons een bevroren aarde opleveren trouwens. De energiebalans ziet er als volgt uit :
Best ingewikkeld hé !? Een woordje uitleg is op zijn plaats.
Wat gebeurt er in de atmosfeer met 100 eenheden inkomende zonnestraling, bestaande uit zichtbaar licht en ultraviolet korte golf (incoming radiation)?
- 23 eenheden worden weerkaatst door wolken (reflected by clouds)
- 7 eenheden worden door het aardoppervlak weerkaatst (reflected by surface)
- 19 eenheden worden door de atmosfeer geabsorbeerd (absorbed by atmosphere)
- 4 eenheden worden door wolken geabsorbeerd (absorbed by clouds)
- 47 eenheden bereiken het aard- & oceaanoppervlak (radiation absorbed by surface)
Die laatste 47 eenheden warmen het aardoppervlak op. En om te vermijden dat het heter en heter wordt moet dat oppervlak die hitte weer kwijt geraken. Dat doet de aarde onder de vorm van infrarood (warmte) straling richting ruimte.
Maar zoals je in afbeelding ziet, wordt een behoorlijk deel van die infraroodstraling weerkaatst, waardoor de Aarde eigenlijk 116 eenheden moet uitstralen in het infrarood om een evenwichtige energiebalans te bereiken.
116 eenheden infraroodstraling van de aarde (emitted by surface):
- 12 gaan de ruimte in (emitted directly to space)
- 104 worden in de atmosfeer opgenomen (absorbed by atmosphere) met name door de broeikasgassen!
- 5 eenheden gaan naar voelbare hitte door stijgende luchtstromingen (sensible heat by rising air currents)
- 24 eenheden gaan naar latente hitte, d.w.z.waterdamp die water of ijs wordt (Latent heath- water vapor changing in liquid or ice)
Klopt de energiebalans nu?
- Ja, want Inkomend= 47 eenheden van de zon komen op het aardoppervlak + 98 eenheden worden door de atmosfeer weerkaatst naar het aardoppervlak (emitted by atmosphere) =145 eenheden.
- Uitgaand 24 latente hitte + 5 voelbare hitte + 116 korte golf straling aardoppervlakte = 145 eenheden. De energiebalans is in evenwicht. En aan de kant van de ruimte klopt de balans ook : er komt 100 in en er gaat 100 uit.
De energie- en stralingsbalans verschilt naargelang de breedtegraad op de aardbol. De evenaar krijgt meer zonnewarmte en straalt meer warmte terug dan de polen. Toch heerst er een deficiet rond de evenaar. Er komt meer warmte in dan de aarde er kan terugstralen. Aan de polen is dat omgekeerd. Er is een overschot aan uitstraling door de aarde (meer uit dan in), hoewel dat in absolute termen natuurlijk lager ligt dan aan de evenaar.
Waarom wordt het dan niet steeds warmer aan de evenaar of steeds kouder aan de polen?
Wel, daar zorgt ons klimaatsysteem voor. De Oceanen en de atmosfeer verplaatsen de warmte van de evenaarstreken naar de beide polen (van surplus nar deficiet). En om het nog wat complexer te maken : de inkomende zonnestraling varieert naargelang het tijdstip van de dag, het seizoen en door de omwenteling van de aarde rond haar eigen as (die hellend is ) en de rotatie rond de zon in een ellipsvormige baan….
In de volgende les
gaan we dieper in op het klimaatsysteem dat hiervoor zorgt.
[1] P.V= n.R.T, waarbij P= druk V= volume n= aantal gasmolecules R= ideaal gas constante en T = temperatuur. Omdat de atmosfeer geen afgesloten container is zoals verondersteld wordt in de ‘ideaalgas wet’ kunnen we de V (van volume) uit de vergelijking halen. Dus P=n.R.T. Voor wie er meer van wil weten : https://nl.wikipedia.org/wiki/Ideaal_gas. Deze noot is wetenschappelijk belangrijk als bewijs dat de atmosfeer eender waar op dezelfde manier beïnvloedt wordt als je een van de factoren verandert.
Alle afbeeldingen in deze tekst zijn afkomstig van de SDG Academy en Penn State University online cursus ‘climate change, the science’ onder creative commons licentie
Reactie toevoegen