HET BROEIKASSEFFECT / DE STRALINGSBALANS / OPWARMING AARDE 1. De zon = bron van energie. Doc 1: ons zonnestelsel Opgepast: de planeten zijn op schaal getekend. De afstanden niet! Iedereen kent wel onze ster die wij 'de zon' noemen. De zon is een bol van gas en is immens heet. Het hemelobject heeft een gewicht dat 3 000 000 maal zo zwaar en 1 miljoen maal zo groot is als de Aarde. De hitte wordt opgewekt door nucleaire reacties in de kern. In die kern wordt waterstof tot helium omgezet. Die kernfusies zorgen ervoor dat er een grote hoeveelheid energie vrijkomt. De gemiddelde afstand van de Zon tot de Aarde bedraagt ongeveer 149,6 miljoen km. Dat komt overeen met circa 8,317 lichtminuten, wat inhoudt dat het zonlicht er 8 minuten en 19 seconden over doet om de Aarde te bereiken. (Ter info: Eén lichtjaar is de afstand die het licht aflegt in 1 jaar = 9.461x10 12 km.) 14
2. De atmosfeer en broeikasgassen. Onze planeet is verpakt in een laag van gassen, de atmosfeer of dampkring. Die laag is zo n 1000 kilometer dik. Zonder deze laag zou het leven op aarde onmogelijk zijn. Doc 2: de lagen van de atmosfeer De atmosfeer bevat de zuurstof (O2) die we inademen en de kooldioxide (CO2) die planten nodig hebben om te groeien. Dit zijn niet de enige gassen in onze atmosfeer. De atmosfeer bestaat uit: 78,08% stikstof / 20,95% zuurstof / 0,93% argon / 0,038% kooldioxide / 0,002% overige gassen als helium, krypton, lachgas, methaan, neon, ozon, waterdamp en xenon. 15
Sommige gassen noemen we broeikasgassen, gassen die warmte vasthouden. De belangrijkste broeikasgassen zijn waterdamp, koolstofdioxide, methaan, distikstofmonoxide of lachgas en ozon. Deze gassen zorgen voor het natuurlijke broeikaseffect. Zonder dit broeikaseffect zou het op onze planeet te koud zijn om te overleven, zie het YouTube-filmpje van Climate Challenge: Doc 3: het broeikaseffect Uitleg:............ 16
3. Het albedo-effect. Doc 4: De afbeelding hierboven vat de stappen nog eens samen: De zonnestralen die de aarde van de zon ontvangt zijn kortgolvige stralen, die energie omzetten in licht en warmte. Je kunt de zon vergelijken met een gloeilamp; die lamp geeft licht, maar wordt ook te heet om met je handen vast te pakken. Meer dan de helft van de kortgolvige stralen worden gereflecteerd door de atmosfeer en door het aardoppervlak (de stappen 1 en 4 hierboven). Die reflectie of weerkaatsing door het aardoppervlak heet het albedo-effect. De albedo van de aarde is het weerkaatsingsvermogen. Die reflectie geven we aan met waarden tussen 0 en 1, waarbij 0 staat voor een zwart, nietreflecterende oppervlakte en 1 staat voor totale reflectie van een wit oppervlakte. De albedo wordt ook gemeten als percentage met een maximum van 100%. 17
De albedo heeft ook te maken met warmte. Je ziet dat goed aan het zwarte asfalt dat warmte vasthoudt. Doc 5: albedo Albedo in cijfers Verse sneeuw of vers ijs 80-95% Oude smeltende sneeuw 40-70% Wolken 40-90% Woestijnzand 30-50% Grondaarde 5-30% Toendra 15-35% Grasland 25-30% Bos 10-20% Water 6-60% De warmte boven het (zwarte) asfalt zorgt voor een luchtspiegeling Omdat grote stukken van de aarde veel licht reflecteren (water, ijskappen, wolken) heeft de aarde een relatief grote albedo (30-35%). De maan heeft door zijn vulkanisch gesteente een albedo van maar 7%. Door menselijk ingrijpen (bijvoorbeeld de grootschalige boskap) wijzigt de albedo van de aarde. 18
1. Waarom hebben proftennissers meestal een licht T-shirt aan en nooit een donker T-shirt? 2. De albedo van de aarde is in de geschiedenis vaker veranderd. Noem een voorbije periode waarin de albedo van de aarde groter is geweest dan nu. 4. De stralings- en energiebalans. Doc 6: We kijken nog een keer naar het natuurlijk broeikaseffect en de afbeelding hierboven. Je weet al dat zonnestralen als energie met kortgolvige stralen het aardoppervlak bereiken. De enorme hitte van de zon veroorzaakt, naast zichtbaar licht, ook korte-golfstraling als röntgen en ultraviolet. Die straling gaat vrij eenvoudig door de dampkring en bereikt de aarde, die daardoor wordt opgewarmd. De aarde wordt warmer en gaat daardoor ook straling uitzenden. Maar de aarde is veel kouder dan de zon en de straling is vooral infrarood. Straling die wordt tegengehouden door de broeikasgassen. 19
Het verschil tussen de inkomende zonnestraling en de uitgaande aardse straling noemen we de stralingsbalans van de aarde. Over het geheel genomen is de verhouding tussen inkomende en uitgaande straling in balans. Als dat niet het geval zou zijn, zou de aarde voortdurend warmer of kouder worden. Je ziet hierboven dat het aardoppervlak meer straling afgeeft (stap 5) dan het ontvangt (stap 3), maar dit tekort wordt gecompenseerd door het broeikaseffect (stap 7). Ook binnen de atmosfeer is er een evenwicht. Het aardoppervlak straalt meer langgolvige straling uit dan het kortgolvige straling van de zon absorbeert. Maar dit tekort wordt opnieuw gecompenseerd door het broeikaseffect: de golven en warmte worden meermalen heen en weer weerkaatst tussen atmosfeer en aarde. Het broeikaseffect is de grote motor van het klimaat van de aarde. Zonder het broeikaseffect zou het gemiddeld 33 o C. kouder zijn op aarde! De uitwisseling van straling met de ruimte is een fundamenteel proces binnen ons klimaatsysteem. De aarde ontvangt energie van de zon en verliest energie naar de ruimte door infrarode straling. Deze energiebalans beschrijft de energiestromen. Onderstaande illustratie is afkomstig van de KNMI-website en geeft deze warmtehuishouding (in Watt/m 2 )van de aarde weer. Doc 7: de energiebalans 20
De energiebalans is van groot belang voor het klimaat op aarde want: De gemiddelde temperatuur op aarde wordt er door bepaald; Aan de evenaar ontvangt de aarde netto energie, terwijl ze aan de polen netto energie verliest. Dit verschil is de grondslag voor de algemene circulatie in de oceanen en in de atmosfeer, dus voor weer en klimaat. Doc 8: ontvangen straling verschillend volgens de positie op de wereld De aarde ontvang iets meer energie dan ze verliest en dat is de bron van de klimaatverandering. 21
5. Klimaatverandering: natuurlijke oorzaken De aarde is al 4,6 miljard jaar oud. In die tijd heeft de aarde al veel klimaatveranderingen gekend die voortkomen uit wijzigingen in de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer en wijzigingen in de albedo van het aardoppervlak. Denk aan de ijstijden (met een hoger albedo dan nu) en de tijd van de dinosauriërs (150-65 miljoen geleden) toen er geen ijs lag op de Zuidpool (met een lager albedo dan nu). Voor die klimaatveranderingen zijn er diverse natuurlijke oorzaken aan te wijzen. Zonneactiviteit: schommelingen in de hoeveel zonnestralen die de aarde bereiken. Invloed is beperkt. Vulkanische activiteit: vulkanen kunnen door grote uitbarstingen het klimaat beïnvloeden. Als stof en zwaveldeeltjes in de atmosfeer terecht komen, houden ze zonlicht tegen en wordt het kouder. Meteorietinslagen: een inslag van een forse meteoriet kan het klimaat vrij abrupt veranderen. De inslag gaat gepaard met een enorme vervuiling van de atmosfeer door stof, rook en roet. Dat kan het zonlicht jaren tegenhouden. Omwentelingen van de aarde: de aarde maakt een ovale baan rond de zon. Als die baan iets verandert, komen sommige delen van de aarde dichterbij de zon en andere delen verder te liggen. Dat zorgt ervoor dat het warmer wordt in de delen die dichterbij de zon komen en kouder op delen die verder van de zon af komen. De positie van de continenten heeft invloed op de zeestromen. Als de continenten allemaal dicht bij elkaar liggen (zoals miljoenen jaren geleden), is de stroming van de zee anders dan wanneer de continenten verder van elkaar af liggen (zoals nu). Zeewater wordt opgewarmd aan de evenaar en verspreid zich in de richting van de poolkappen. Hoe verder de continenten uit elkaar liggen, hoe minder effectief de warmte door de zee kan worden verspreid over de planeet. Lucht- en zeestromen: zeestromen in de oceaan kunnen het klimaat beïnvloeden. 1. Als een van de onderdelen van het systeem verandert, zal de stralingsbalans verstoord worden. Schets op welke manieren het systeem kan worden verstoord en wat dat voor gevolgen heeft voor weer en klimaat. 2. Welke oorzaak wordt doorgaans gegeven voor het verdwijnen van de dinosauriërs 65 miljoen jaar geleden? Hoe hebben wetenschappers dat verschijnsel aangetoond? Gebruik eventueel Google om je antwoord te zoeken. 22
6. Het versterkte broeikaseffect. Na de laatste klimaatverandering aan het einde van de laatste IJstijd, zo n tienduizend jaar geleden, is de gemiddelde wereldtemperatuur relatief stabiel geweest. Maar sinds de Industriële Revolutie (rond 1850) zijn de concentraties aan broeikaseffecten verhoogd en is de aarde aan het opwarmen. Volgens de meeste wetenschappers is die verhoging alleen te verklaren uit de gevolgen van menselijke activiteiten. Zie daarvoor het YouTube-filmpje van Climate Challenge: Er zijn tal van oorzaken aan te geven, maar de belangrijkste is de massale verbranding van fossiele brandstoffen (zoals steenkool, aardolie en aardgas), waarbij grote hoeveelheden koolstofdioxide in de atmosfeer terechtkomen. Doc 9: De menselijke activiteiten versterken het natuurlijke broeikaseffect en daardoor spreken we van het versterkte broeikaseffect. De landen met de grootste uitstoot van broeikasgassen zijn achtereenvolgens China, de VS en de EU, gevolgd door Rusland en Japan. De top 25 van meest vervuilende landen zijn goed voor 83% van de volledige uitstoot aan broeikasgassen. Door hun sterk groeiende economieën zijn landen als India en Brazilië met een echte inhaalslag bezig. 23
De kritische grens: De hoeveelheid CO2 in de atmosfeer wordt uitgedrukt in parts per million (ppm) of deeltjes per miljoen. Voor de Industriële Revolutie bedroeg de atmosferische CO2-concentratie ongeveer 260 tot 280 ppm. Het niveau waar we onder moeten blijven om klimaatverandering te voorkomen, is 350 ppm. Door grootschalige verbranding van fossiele brandstoffen, in combinatie met ontbossing, is de wereldwijde CO2-concentratie in de atmosfeer al flink opgelopen. Tot hoeveel? De huidige concentratie kun je terugvinden op co2now.org (Engels) en nl.co2.earth (Nederlands). Als de CO2-concentratie blijft stijgen lijkt het proces niet meer te stoppen. Dan komt bijvoorbeeld het broeikasgas methaan vrij uit de wegsmeltende permafrost in Siberië en dat zal de opwarming versnellen. Om dit te vermijden wordt een stijging van de wereldtemperatuur met 2 graden Celsius als kritische grens aangehouden. Dit wordt een omslagpunt (Engels: tipping point) genoemd. Zie het klimaat als een systeem waarin alles met alles samenhangt en veranderingen gevolgen hebben voor alle afzonderlijke delen van het geheel. Als verstoring van het evenwicht dreigt, kunnen er negatieve terugkoppelingsmechanismen optreden (ze werken verandering tegen) of positieve (versterken verandering). 1. Op welke twee manieren kunnen we het versterkt broeikaseffect aantonen? 2. Wanneer zullen we een omslagpunt bereiken? 24
7. Gevolgen en oplossingen. Het klimaat verandert. De gevolgen daarvan zijn nu al voelbaar. Afhankelijk van de plaats waar je woont op aarde, zullen de gevolgen meer of minder groot zijn. Maar één ding is zeker: de al kwetsbare bevolking in ontwikkelingslanden zal de hoogste rekening gepresenteerd krijgen. Zembla heeft in november 2017 een indrukwekkende documentaire van de Amerikaanse publieke zender PBS over de impact van de klimaatveranderingen op de brandhaarden in onze wereld laten zien. De zending is op NPO te zien via www.npo.nl/zembla. Gevolgen van de klimaatverandering: Extreem weer zoals zware stormen, droogte of juist overvloedige neerslag komen steeds vaker voor. De seizoenen zijn erg onstabiel geworden en dat heeft gevolgen voor de landbouw en voor de fauna en flora. Zie het YouTube-filmpje van Climate Challenge: Gevolgen voor mensen in het Zuiden Seizoenen in de war De zeespiegel stijgt en dat bedreigt miljoenen mensen die bij een kust wonen. Al is de ene kustbewoner beter af dan de andere: Nederland heeft bijvoorbeeld zowel de technische als de financiële middelen om zijn bewoners te beschermen. In een land als Bangladesh ligt dat heel anders. De gletsjers en poolkappen smelten. Het afsmelten van de gletsjers brengt de watervoorziening van miljoenen mensen in gevaar en leidt bovendien tot een toenemend risico op rampen (o.a. het doorbreken van gletsjermeren). 25
Oplossingen zijn moeilijk te realiseren, maar niet onmogelijk. Om de negatieve gevolgen van de klimaatverandering binnen de perken te houden, gaan wetenschappers ervan uit dat de opwarming van de aarde zeker onder 2 C ten opzichte van het pre-industriële niveau moet blijven. Om dit te bereiken zal de uitstoot van broeikasgassen in 2050 80 tot 95 procent lager moeten zijn dan die in 1990. Diverse studies tonen de haalbaarheid daarvan aan, als er ten minste op grote schaal actie wordt ondernomen om dat doel te bereiken. In 2015 is op een klimaatconferentie het Akkoord van Parijs bereikt. Daarin verplichten de ondertekenaars zich om de opwarming van de aarde ten opzichte van het préindustriële tijdperk te beperken tot 2 graden en te streven naar 1,5. Het is inmiddels door 174 landen ondertekend, ook door België. 1. Als individu kun je niet zoveel doen tegen klimaatverandering, maar alle kleine beetjes helpen. Geef aan wat je zelf kunt doen om de klimaatverandering tegen te gaan. Denk je dat de bereidheid van mensen in jouw omgeving om rekening te houden met klimaatverandering, toeneemt? https://maken.wikiwijs.nl/121157/het_broeikaseffect_en_de_stralingsbalans_van_de_aarde v456#!page-4172168 http://users.telenet.be/hhs-heist1/aardrijkskunde/atmosfeer.htm 26