Energiebalans aarde: systeemgrens

Transcriptie

1 Energiebalans aarde: systeemgrens Aarde Atmosfeer

2 Energiebalans Boekhouden: wat gaat er door de systeemgrens? Wat zijn de uitgaande stromen? Wat zijn de ingaande stromen? Is er accumulatie?

3 De aarde: Energie-instroom Zon Reflectie: 30% Zonnestraling Zonnestraling Aarde Atmosfeer

4 Warmte straling van oppervlak De aarde: Energiestromen Zon Reflectie: 30% Zonnestraling Warmtestraling Zonnestraling Aarde Atmosfeer

5 Energiestroom-UIT Te begrijpen als straling van een Zwart Lichaam Zwart Lichaam straalt Energie uit Piek Intensiteit f(t) λ piek = c/t piek Zon: 6000K Aarde: 288K Intensiteit = f (T 4 ) S = σt 4 σ= 5, T 4 [W/m 2 K 4 ] Zon Spiro, 2 e druk p.146 Aarde

6 De aarde: een broeikas 2 Zon Zonnestraling Reflectie: 30% Warmte straling Energiebalans Aarde: In = zonnestraling Uit = warmtestraling (IR) Zonnestraling Aarde Warmtestraling van oppervlak Totaal = 0 (Evenwicht) Zonnestraling: gegeven Infrarood-uit: Atmosfeer ~ (T aarde ) 4 ~ absorptie CO 2 ; H 2 O; CH 4

7 Energiebalans Instraling zon Zonne-energie op aarde = 324,5 [W/m 2 ] Albedo (reflectiefactor) = 0.3 S = (1-Albedo) 324,5 = 240 [W/m 2 ] Uitstraling Aarde S = kt 4 = 5, T 4 [W/m 2 ] Gelijkstellen en oplossen: T aardoppervlak = 255 [K] = -18 [ C] Werkelijkheid T aardoppervlak = 288 [K] = +15 [ C] er is dus veel méér uitstraling van aardoppervlak Oorzaak: het broeikas-effect

8 Warmte straling Zon Reflectie: 30% Zonnestraling Warmtestraling van oppervlak Zonnestraling Aarde Atmosfeer De aarde: een broeikas Geen atmosfeer Taarde = 255 K (-18 o C) Met atmosfeer Taarde = 288 K (+15 o C)

9 Broeikaseffect Dus Het broeikaseffect is GEWENST, want de temperatuur op de aarde blijft veel hoger dan anders het geval zou zijn geweest (288 K = 15 C i.p.v. 255 K = - 18 C) VERSTERKTE broeikaseffect is ONGEWENST, want de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt 1.1 tot 6 graden in de 21 ste eeuw

10 Broeikaseffect Definitie: Het optreden van temperatuurverhoging door belemmering van infrarode straling. Karakteristiek aarde De atmosfeer is vrijwel geheel doorlatend voor de straling van de zon; er vindt wel reflectie van zonnestraling door wolken en het aardoppervlak plaats De atmosfeer is maar beperkt doorlatend voor de door de aarde uitgezonden infrarode straling; een deel van de uitgezonden straling wordt geabsorbeerd, en weer in alle richtingen uitgezonden; netto wordt dus IR straling naar de aarde teruggezonden!

11 Model: atmosfeer als plaat die deel IR straling terugkaatst S in, zon S uit, atmosfeer Grens met de ruimte Atmosfeer S uit, aardoppervlak S terug, atmosfeer Aardoppervlak

12 Atmosfeer als plaat Grens met de ruimte S uit, atmosfeer S in, zon Atmosfeer S uit, aardoppervlak S terug, atmosfeer Aardoppervlak

13 Golflengte spectrum Van gamma en rontgen, via zichtbaar licht, naar infrarood, microgolven, en radiogolven

14 Elektromagnetische straling Naar toenemende golflengte: gammastraling röntgenstraling ultraviolet zichtbaar licht infrarood microgolven (radar) radiostraling

15 Versterkt broeikas-effect? Infrarode straling (IR) wordt geëmitteerd door het aardoppervlak Spiro 1 e druk, p.121 IR wordt geabsorbeerd & verspreid door moleculen in atmosfeer- broeikasgassen Slechts klein atmospheric window wordt direct doorgelaten Gassen met absorptie in dat window zijn meest sterke broeikasgassen

16 Golfgetal:

17 H 2 O CO 2 CH 4 O 3 H 2 O CO 2 CH 4 O 3 H 2 O CO 2 CH 4 O 3 Atm. Window Atm. Window Golfgetal:

18 Karakteristieken broeikasgassen CO 2 CH 4 N 2 O CFK11 pre-industr. conc. [ppm] 270 0,70 0,29 0 huidige concentr. [ppm] 385 1,7 0,31 0,00028 jaarlijkse toename [%] 0,5 0,9 0,25 4 atmosf. levensduur [jaar] GWP (CO 2 = 1) GWP is een functie van Atmospheric Window, (toename) concentratie en levensduur in de atmosfeer

19 Global Warming Potential (# Radiative Forcing!) GWP maakt mogelijk om gassen te vergelijken GWP: is gedefinieerd als: het effect van één ton broeikasgas op de temperatuurstijging genormaliseerd op het effect van één ton CO 2

20 Duiding effect broeikasgassen voor beleidsmakers; Hoe? Gebruik de energiebalans van de aarde Dit is een stralingsbalans; in=uit= +/- 240 [W/m 2 ] gemiddeld over de gehele aarde Vertaal emissie van broeikasgassen naar effect op de gemiddelde globale (wereld) energiebalans Radiative forcing [W/m 2 ]: netto bijdrage aan inkomende straling of vermeden uitgaande straling Berekend uit/met uitgebreide klimaatmodellen

21 Radiative forcing [W/m 2 ] Zie Spiro 1 e druk pag. 123

22 Radiative Forcing stand van zaken (IPCC, 2001) Figuur 6.11 uit Spiro (IPCC, "Summary for Policy Makers", 2001;

23 Radiative forcing (IPCC, 2007)

24 Energiebalans Aarde een onoverzichtelijk plaatje uit Spiro Spiro, 2 e druk p. 148

25 Wolkvorming Wolken reflecteren zonlicht,, absorberen zonlicht,, geven IR-straling af Al het materiaal in de atmosfeer zendt IR straling uit in alle richtingen wordt opgewarmd door verdamping & thermiek opname en scattering van IR-straling afkomsting van het aardoppervlak

26 Koppelingen Waterdamp Ijs-albedo Wolken Oceaanstromingen Hydrologische kringloop Verwoestijning-albedo

27 Koppelingen via koolstof Biosfeer CO 2 in oceanen Permafrost Verdroging/bosbranden Organisch materiaal bodem