AK 2 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 2
Aarde en klimaat Heftige stormen en flinke overstromingen lijken steeds vaker voor te komen, soms met ernstige gevolgen. Het is belangrijk dat je je daar goed op kunt voorbereiden. Daarvoor moet je het weer zo nauwkeurig mogelijk kunnen voorspellen. Kennis van de werking van het klimaatsysteem is daarvoor van groot belang. Ook onder het aardoppervlak is veel beweging, met soms heftige gevolgen voor de mens. Tot slot leer je in dit keuzehoofdstuk over de invloed van menselijk handelen op het klimaat. Wegwijzer Paragraaf Experimenten Site AK Aarde en klimaat Voorkennistest AK.1 Het systeem aarde AK.1 Corioliseffect I Corioliseffect II AK.2 Fronten AK.2 Wolken AK.3 Dauwpunt I Dauwpunt II Tussentoets AK.3 Het klimaat AK.4 Vermogen van de zon Broeikaseffect AK.5 Reflectie AK.4 De vaste aarde Epicentrum Vulkaanuitbarsting AK.5 Afsluiting A Broeikasgas B Klimaatmodel C Meetinstrumenten voor het weer Samenvatting Diagnostische toets Extra opdrachten Uitwerkingen oefenopgaven Startopdrachten 1 Op de foto zie je de gevolgen van extreem weer. a Welke voorbereidingen moet je treffen om geen last te hebben van het weer? b Waarom is het belangrijk dat dit weer zo goed mogelijk voorspeld wordt? c Welke grootheden moet je meten om een goede voorspelling te kunnen doen? 2 Doe op de site de voorkennistest. Aarde en klimaat 3 244037_Physics_AKL.indd 3
AK.1 Het systeem aarde Vanuit de ruimte kun je prachtige foto s maken van de aarde. Door de grote afstand krijg je een mooi overzicht van de aarde als systeem. In figuur AK.1 zie je dat de aarde omgeven is door een laag lucht. Startopdracht Zonnestraling warmt de aarde en de atmosfeer overdag op. In figuur AK.2 zie je dat in de buurt van de noordpool minder zonlicht per oppervlak valt dan op gebieden rond de evenaar. Ook staat de aardas schuin ten opzichte van het vlak waarin de aarde om de zon draait. Daardoor komt in de loop van het jaar op verschillende plaatsen meer of minder zonlicht terecht. De verwarming van de aarde en de atmosfeer is dus niet gelijkmatig. 3 a Waarom blijft deze luchtlaag rond de aarde hangen? b Wat bevindt zich buiten deze luchtlaag? De atmosfeer Op de satellietfoto (figuur AK.1) zie je dat de atmosfeer een relatief dunne laag lucht rondom de aarde is. De atmosfeer is heel belangrijk voor de aarde. Deze luchtlaag houdt een groot deel van de schadelijke ultraviolette straling en meteoren tegen. De atmosfeer zorgt dat energiebalans op aarde in stand blijft, zodat de temperatuur op aarde leefbaar is. Wanneer je een zelfde foto een dag later maakt, zie je vaak een heel ander patroon van bewolking. Dat betekent dat deze luchtlaag voortdurend in beweging is. Deze beweging blijkt nauw verbonden te zijn met temperatuurverschillen. Het aardoppervlak bestaat uit land of water. Water heeft een veel grotere soortelijke warmte dan land. Dat betekent dat er om 1 kg water 1 C in temperatuur te laten stijgen veel meer energie nodig is dan om 1 kg land 1 C te laten stijgen. Dus water warmt minder snel op en koelt maar langzaam af in vergelijking met land. De zon verwarmt de aarde niet gelijkmatig en de aarde straalt ook niet overal dezelfde hoeveelheid energie uit. Ook hierdoor ontstaan temperatuurverschillen in de atmosfeer en die hebben tot gevolg dat er verschillen in luchtdruk ontstaan. Lucht stroomt dan van een gebied met hoge luchtdruk naar een gebied met lage luchtdruk. Rondom de aarde bevindt zich de atmosfeer, een dunne luchtlaag die voortdurend in beweging is. De atmosfeer houdt een deel van de gevaarlijke uv-straling tegen en regelt de energiebalans op aarde. De beweging van de atmosfeer is verbonden met de temperatuur, waarbij de beweging van de aarde, de hoeveelheid zonnestraling op het aardoppervlak en de verdeling van land en water een rol spelen. > Opdrachten 4 en 7 noordpool zonne-energie evenaar zonne-energie aardas zuidpool AK.1 De aarde van een afstand bekeken AK.2 Zonlicht op de aarde als het zomer is op het noordelijk halfrond 4 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 4
Luchtstromingen Om de beweging van de atmosfeer te kunnen beschrijven is een model gemaakt. De luchtstromingen in de atmosfeer vormen een transportsysteem van lucht en dat noem je de algemene circulatie, zie figuur AK.3. Warme lucht heeft een kleinere dichtheid dan koude lucht, omdat de moleculen in warme lucht sneller bewegen en verder van elkaar af zitten. Rond de evenaar zal daarom warme lucht stijgen. Hierdoor ontstaan luchtdrukverschillen op grote hoogte en gaat de lucht in de richting van een gebied met een lagere luchtdruk, de polen, stromen. Aan de polen daalt de inmiddels afgekoelde lucht weer. Er ontstaat zo circulatie van stromende lucht langs het aardoppervlak van de polen naar de evenaar. Hoger in de lucht gaat de stroming van de evenaar naar de polen. Dat zou betekenen dat wij op het noordelijk halfrond altijd noordenwind hebben. Nu is dat lang niet altijd zo. Het model van de algemene circulatie klopt niet helemaal, de luchtstroming blijkt ingewikkelder. Zie figuur AK.4. Op 30 graden noorderbreedte ontstaat een hogedrukgebied, waardoor de warme lucht weer terugstroomt langs het aardoppervlak, in twee richtingen: de polen en de evenaar. Deze rondgaande luchtstroom noem je de hadleycel. De volgende luchtcirculatiecel heet de ferrelcel. Deze ligt tussen de 30 en 60 graden noorderbreedte. Op 60 graden noorderbreedte botst de warme lucht die langs het aardoppervlak stroomt tegen koude lucht uit het noorden. De warme lucht stijgt en er ontstaat een lagedrukgebied. Een deel van de lucht stroomt dan weer terug naar het zuiden en een deel naar het noorden. Rond de polen ontstaat daardoor een hogedrukgebied. Tussen de 60 en 90 graden noorderbreedte bevindt zich nog een cel: de polaire cel. Deze cellen zijn een model waarmee je een groot deel van de luchtstromingen kunt verklaren. De draaiing van de aarde om haar as speelt hierbij een rol. Terwijl de lucht stroomt, draait de aarde als het ware onder de atmosfeer door naar het oosten. Wind uit het noorden buigt daardoor af naar het westen. Zie figuur AK.5. Vergelijk dat met een vliegtuig dat van noord naar zuid vliegt. Als het vliegtuig geen rekening houdt met de draaiing van de aarde en in een rechte lijn vliegt, ligt de aankomstplek ten westen van de plek waar je naartoe wilt, omdat de aarde tegelijkertijd doordraait naar het oosten. Ook luchtstroming beweegt zich over een draaiend oppervlak, de aardbol. Dicht bij de polen beschrijft de lucht in 24 uur een kleinere cirkel dan rond de evenaar. De lucht die beweegt van de polen naar de evenaar gaat dus over een draaiend oppervlak dat steeds sneller beweegt. De lucht versnelt onder invloed van de corioliskracht. De corioliskracht noem je een schijnkracht, omdat deze kracht een gevolg is van het draaien van de aarde. Hoe groter de snelheid, hoe evenaar stilstaande aarde draairichting draaiende aarde AK.5 Bewegingsrichting, mede bepaald door de draaiing van de aarde daling polaire cel nz-wind pool 60 gematigde cel (ferrelcel) 30 hogedrukzone subtropische cel (hadleycel) stijging evenaar evenaar lagedrukzone AK.3 Algemene circulatie AK.4 Gemiddeld globale circulatie Aarde en klimaat 5 244037_Physics_AKL.indd 5
groter de corioliskracht. Het corioliseffect merk je doordat bewegende voorwerpen, dus ook luchtstromen, op het noordelijk halfrond naar rechts afbuigen en op het zuidelijk halfrond naar links. Zie figuur AK.6. De aarde wordt onregelmatig verwarmd. Hierdoor ontstaan stromingen in de lucht. Door de draaiing van de aarde krijgt de luchtstroming een afwijking: het corioliseffect. In de atmosfeer kun je luchtcirculatiecellen onderscheiden. > Opdrachten 10, 11 en 15 Opbouw atmosfeer De atmosfeer is opgebouwd uit verschillende lagen. In figuur AK.7 zie je deze opbouw, die is gebaseerd op de temperatuurverdeling. De onderste laag heet de troposfeer. Hoe hoger je in deze laag komt, hoe lager de temperatuur is. Naarmate je hoger in de troposfeer komt, neemt ook de dichtheid van de lucht af, de lucht is ijler. De troposfeer is boven tropische gebieden ongeveer 17 km hoog en boven de polen slechts 6 km. De tropopauze geeft de overgang aan met de stratosfeer. In de tropopauze is de temperatuur constant. Je noemt dat een isotherme laag. De lagen (sferen) worden zo gescheiden door een laag met gelijkblijvende temperatuur die pauze heet. De grenzen hangen af van de variatie in temperatuur en kunnen daarom ook variëren in hoogte. Zie ook tabel 30F van Binas. In de troposfeer spelen zich weersveranderingen af; ook wolken ontstaan daar. De lucht in de troposfeer bestaat onder andere uit stikstof (N 2 ), zuurstof (O 2 ), koolstofdioxide (CO 2 ), water (H 2 O) en edelgassen. De concentraties van water en van koolstofdioxide kunnen erg variëren in de atmosfeer. Het water in de atmosfeer bevindt zich vrijwel geheel in de troposfeer en speelt een rol bij de watercyclus, zie figuur AK.9. Water kan in alle fasen voorkomen: gas, vloeistof en vaste stof. Sommige grote wolken kunnen zelfs tot in de stratosfeer reiken. De temperatuur in de stratosfeer neemt langzaam weer toe naarmate je hoger komt (zie figuur AK.7). Dit is het gevolg van de absorptie van (schadelijke) uv-straling door ozon (O 3 ). Bij dit proces komt warmte vrij. Onder invloed van de uv-straling ontstaat er in de stratosfeer een cyclus van vorming en afbraak van ozon. Zie figuur AK.8. Er is weinig luchtstroming in de stratosfeer en er is veel minder waterdamp en kooldioxide dan in de troposfeer aanwezig. Door de geringe luchtstroming blijven verontreinigingen lang in de stratosfeer hangen. De atmosfeer zelf is opgebouwd uit verschillende luchtlagen. In de troposfeer, de onderste luchtlaag, speelt zich het weer af. Deze laag bevat het meeste water, dat een belangrijke rol speelt bij het weer. De stratosfeer bevat ozon, die schadelijke uv-straling van de zon tegenhoudt. De dichtheid van de lucht neemt af met de hoogte. > Opdrachten 6 en 13 zuidwestelijke winden 60 koude lucht daalt 30 noordoostelijke winden warme lucht stijgt evenaar zuidoostelijke winden koude lucht daalt noordwestelijke winden AK.6 Windrichtingen, mede bepaald door de corioliskracht hoogte (km) 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 ionosfeer thermosfeer 0,001 mesopause mesosfeer stratopause stratosfeer tropopause troposfeer 0,01 0,1 1 10 100 0 100 80 60 40 20 0 20 1000 40 temperatuur ( C) AK.7 Opbouw van de atmosfeer luchtdruk (hpa) 6 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 6
Luchtdruk De luchtdruk is de kracht die de lucht op een oppervlak van één vierkante meter uitoefent. Je kunt druk met de volgende formule berekenen: p = F A p is de druk in pascal (Pa = N/m 2 ) F is de kracht in newton (N) A is de oppervlakte in vierkante meter (m 2 ) De luchtdruk meet je met een barometer. Deze geeft de druk meestal weer in de eenheid millibar of hpa (hectopascal). De zwaartekracht van de luchtkolom die zich boven jou bevindt, zorgt voor de luchtdruk. Op het aardoppervlak is de luchtdruk het grootst, omdat daar de luchtkolom boven je het hoogst is. Zie figuur AK.10. Om een idee te krijgen hoe het met de luchtdruk zit, kun je de luchtkolom vergelijken met een vloeistofkolom. Zie voorbeeld 1. vorming O 2 uv-straling 2O O + 2 O O 3 afbraak uv-straling O + 3 O 2 O AK.8 Ozon: vorming en afbraak Voorbeeld 1 Rekenen met druk Een waterkolom heeft bij kamertemperatuur een hoogte h = 10 m en een oppervlakte A = 1,0 m 2. a Bereken het volume. b Bereken de druk onder de waterkolom. c Leg uit dat de druk toeneemt als de kolom hoger wordt. Leid daartoe een formule voor de druk p af, uitgedrukt in ρ, h en g. d Leg uit dat de grootte van het oppervlak van de kolom geen invloed heeft op de druk. a Het volume is: V = A h = 10 1,0 = 10 m 3. F b De druk bereken je met p =. De kracht die A de vloeistofkolom uitoefent, wordt bepaald door de massa van het water: m = ρ V = 0,9982 10 3 10 = 9,982 10 3 kg. Dus: p F 3 mg 9,982 10 9,81 = = = = A A 1,0 98 10 3 N/m 2 = 98 kpa c De formule van de druk kun je schrijven als: p F mg ρ V g ρ Ahg = = = = = ρ h g. A A A A In een vloeistof is ρ constant. De druk is dus recht evenredig met de hoogte. Hoe hoger de kolom, hoe groter de druk. d In de formule komt de oppervlakte niet voor. De druk van deze waterkolom hangt niet af van de oppervlakte. Het verschil tussen een waterkolom en een luchtkolom is dat de dichtheid ρ in een luchtkolom niet constant is. Vlakbij het aardoppervlak is deze kolom lucht heel hoog. Door de druk van deze luchtkolom perst hij de onderste luchtmoleculen als het ware naar elkaar toe. Naarmate je hoger komt, is de lucht ijler, minder dicht. condensatie sneeuw ijs neerslag gewasverdamping neerslag 50 km 1 hpa freatische grondwaterstand infiltratie percolatie afstroming verdamping verdamping 17 km 100 hpa grondwaterstroming bron meer grondwater rivier oceaan 1000 hpa 1 m 2 AK.9 De watercyclus AK.10 Een kolom lucht geeft druk. Aarde en klimaat 7 244037_Physics_AKL.indd 7
Er bevinden zich dus minder gasmoleculen per volume-eenheid op grotere hoogte. Bergbeklimmers merken dat al. Daarom slaan ze na een bepaalde afstand een kamp op waar ze even kunnen blijven om het lichaam te laten wennen aan de ijlere lucht. In figuur AK.11 zie je dat de luchtdruk en de dichtheid afnemen met de hoogte. Door verschillen in temperatuur aan het aardoppervlak ontstaan ook verschillen in luchtdruk. Daardoor ontstaan zowel verticale als horizontale luchtstromingen, die een belangrijke rol in ons weer spelen. De luchtdruk is afhankelijk van de hoogte en de dichtheid van de lucht. Luchtdruk speelt een belangrijke rol bij het weer. > Opdrachten 5, 8 en 9 Het weer Je kunt het weer voorspellen aan de hand van metingen in de atmosfeer van weerkundige groot heden zoals de temperatuur, vochtigheid, druk en windrichting. In een gemiddelde Nederlandse zomer is het zo n 20 tot 25 graden en valt er af en toe een bui. Dat hoeft natuurlijk niet iedere dag zo te zijn. Dat gemiddelde komt uit heel veel metingen op een bepaalde plek over een periode van minstens dertig jaar. Dat levert een gemiddeld weerbeeld op dat we klimaat noemen. Luchtstromingen die gemiddeld uit een bepaalde richting komen en de aanwezigheid van water zijn daarvoor heel belangrijk. Luchtdrukverdelingen kun je op weerkaarten weergeven door lijnen te tekenen van punten van gelijke luchtdruk. Deze lijnen noem je isobaren. Zie figuur AK.12. De lucht zal zich verplaatsen van hoge naar lage druk. Hoe dichter de lijnen bij elkaar liggen, hoe groter de drukverschillen. De wind is daar sterker. Gesloten isobaren omsluiten een hoge- of een lagedrukgebied. In een hogedrukgebied is de druk in de kern hoger dan in de omringende lucht. In een lagedrukgebied is de druk lager, maar die neemt toe naarmate je van de kern af gaat. Door het corioliseffect krijgt de luchtstroom die van hoge naar lage druk stroomt een afwijking: op het noordelijk halfrond naar rechts en op de zuidelijk halfrond naar links. Dit staat ook wel bekend als de wet van Buijs Ballot. Het corioliseffect zorgt er zelfs voor dat de windrichting boven zee (vrijwel geen weerstandskracht) evenwijdig zal zijn aan de isobaren. In figuur AK.13a is dat schematisch voor het noordelijk halfrond weergegeven. De horizontale lijnen stellen isobaren voor. Een hoeveelheid lucht die van hoge druk (A) naar lage druk beweegt, zal onder invloed van de corioliskracht naar rechts afbuigen (B). Zie de stippellijn in figuur AK.13a. De snelheid neemt toe en daarmee ook de corioliskracht en uiteindelijk zal de lucht evenwijdig aan de isobaren stromen (C). Bij een lagedrukgebied zal de lucht zelfs om de kern heen gaan draaien. Op het noordelijk halfrond draait de wind tegen de klok in om een lagedrukgebied (zie figuur AK.13b). Het lagedrukgebied wordt dan ook niet gevuld met lucht uit het hogedrukgebied, maar het blijft een tijd bestaan. 1,2 L p (hpa) 1000 800 600 1,0 0,8 0,6 dichtheid (kg/m 3 ) 970 980 990 1000 1010 1020 1000 L 1000 L 1010 400 0,4 1030 H 200 0,2 1020 0 0 Mont Blanc Mount Everest 5 10 15 20 25 h (km) 0 30 AK.11 Afname van de luchtdruk en de dichtheid met de hoogte 1020 AK.12 Een weerkaart 1020 8 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 8
Rondom een gebied met een lage drukgebied komen fronten voor. Een front is de lijn waar twee luchtmassa s met verschillende eigenschappen (temperatuur, vochtigheid enzovoort) elkaar tegenkomen. Dikke lijnen in de weerkaart geven die fronten aan. Zie figuur AK.12. Je spreekt van een warmtefront als de luchtmassa met warme lucht over een gebied heen schuift met koudere lucht. Omdat warme lucht een lagere dichtheid heeft, zal de warme lucht in de bovenste luchtlagen eerder aankomen. Langzaam zal de warme lucht ook in de lagere luchtlagen terechtkomen. Bij een koufront komt juist de koude lucht op je af en schuift dan onder een gebied met warme lucht. Zie figuur AK.14a en b. De toestand van de atmosfeer gemeten op een bepaalde plek over een langere tijd noem je het klimaat. Een isobaar op de weerkaart is een lijn die punten van gelijke luchtdruk verbindt. Een front is de lijn waar twee luchtmassa s met verschillende eigenschappen elkaar tegenkomen. De windrichting is niet van hoge druk naar lage druk, maar ten gevolge van het corioliseffect evenwijdig aan de isobaren. Rond een lagedrukgebied draait de wind op het noordelijk halfrond tegen de klok in. > Opdrachten 12 en 14 Experimenten AK.1 Corioliseffect I Door de rotatie van de aarde verandert de windrichting. Je kunt dat vergelijken met een voorwerp dat over een draaiende schijf beweegt. De onderzoeksvraag is: Hoe ziet de baan eruit van een voorwerp dat over een draaiende ondergrond beweegt? AK.2 Fronten In een bak water kun je een warmte- of een koufront zichtbaar maken. De onderzoeksvraag is: Hoe bewegen warme en koude lucht die elkaar tegenkomen? > Complete instructies op de site Site Corioliseffect II Je bekijkt hoe de corioliskracht bewegingen op een draaiende ondergrond beïnvloedt. F lucht a 1005 1010 1015 1020 1025 A F lucht v F cor B F lucht v F cor C F cor v warme lucht koude lucht v = snelheid F lucht = kracht door drukverschil F cor = corioliskracht a 1020 1015 1010 L F lucht F lucht v F cor warme lucht F lucht v koude lucht warme lucht F cor v F cor b AK.13 Stroming van de lucht boven zee op het noordelijk halfrond a bij evenwijdige isobaren b bij een lagedrukgebied b AK.14a een warmtefront b een koufront Aarde en klimaat 9 244037_Physics_AKL.indd 9
Opdrachten A 4 Geef de factoren die zorgen voor luchtstromingen in de atmosfeer. A 5 a Leg uit wat de functie is van de atmosfeer. b Leg uit wat de functie van ozon is in de stratosfeer. c Waar komt de energie vandaan die de luchtstromingen in de atmosfeer veroorzaakt? d Reken een luchtdruk van 1008 mbar om in Pa. A 6 Gebruik voor de volgende vraag Binas tabel 30F. a Hoe dik is de atmosfeer? b Welke laag bevindt zich het verst van het aardoppervlak? B 7 * Zoek op welke gassen voorkomen in de troposfeer en zet deze in volgorde van aflopende concentratie. B 8 Naarmate je hoger komt in de troposfeer neemt de druk af. a Leg uit wat dat betekent voor de dichtheid van de lucht. b Leg uit waarom je oren ploppen wanneer je snel stijgt. c Leg uit dat het onverstandig is om lang op de top van de Mount Everest te blijven. B 9 * Het aardoppervlak is niet vlak. De luchtdruk op zeeniveau is 1013 hpa, de luchtdruk op de top van de Mont Blanc (h = 4808 m) is lager. De afname in luchtdruk kun je weergeven met Δp = ρ Δh g. a Bereken de luchtdruk op de Mont Blanc als de dichtheid van de lucht over de hele hoogte gelijk is aan de dichtheid op zeeniveau (1,293 kg/m 3 ). b Leg uit of de werkelijke luchtdruk op de top van de Mont Blanc groter of kleiner is dan je antwoord bij vraag a. C 10 * In figuur AK.15 zie je twee huizen in Nederland voorzien van identieke zonnepanelen. a Leg uit welk zonnepaneel meer elektriciteit zal produceren op een zonnige middag op 21 maart. Op huis B verplaats je het zonnepaneel van de zuidzijde naar de noordzijde. b Leg uit of het zonnepaneel op huis B dan meer of minder energie produceert dan huis A. AK.15 C 11 * A zonnepaneel B zonnepaneel Wanneer je fietst, ondervind je ook een corioliskracht, omdat je over het draaiende aardoppervlak rijdt. Met de volgende formule kun je de grootte van deze kracht berekenen: F cor = m f v. F cor is de corioliskracht (in N) m is de massa van het voorwerp waarop de kracht werkt (in kg) f is de coriolisparameter, in Nederland gemiddeld 1,15 10 4 s 1 v is de snelheid (in m/s) a Toon aan dat de eenheid van f inderdaad s 1 is. b Bereken de corioliskracht op Ashley (60 kg) die fietst met 20 km/h. c Leg uit waarom zij geen last heeft van de corioliskracht. C 12 * In figuur AK.16 zie je een weerkaart met isobaren en verschillende fronten. De kant waar de symbooltjes getekend zijn is de bewegingsrichting van een front. Wanneer een koufront een warmtefront inhaalt, noem je dat een occlusiefront. a Zoek in Binas tabel 30D op wat de betekenis is van de verschillende gekleurde lijnen in figuur AK.16. b In welke richting bewegen de verschillende fronten zich? c Neemt de temperatuur in Nederland de komende 24 uur toe of af? d Leg uit wat de windrichting in Nederland is. Z 10 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 10
965 L 970 975 980 985 990 995 1000 1005 1010 AK.16 Een weerkaart C 13 * Waarom mengt lucht van de troposfeer nauwelijks met lucht uit de stratosfeer? C 14 * a Leg met behulp van het corioliseffect uit dat hogeen lagedrukgebieden gedurende langere tijd kunnen blijven bestaan. In figuur AK.17 zie je een mooie krul van wolken rond een lagedrukgebied. b Leg uit of deze foto bij het noordelijk halfrond of bij het zuidelijk halfrond hoort. AK.17 D 15 * De slinger van Foucault (in Parijs) kan urenlang heen en weer slingeren. Het touw is heel lang en het massablok dat heen en weer slingert is heel zwaar. a Beredeneer dat het vlak waarin het massablok heen en weer slingert in de loop van de tijd draait ten opzichte van de aarde. b Beredeneer of de draaiing (van boven af gezien) met de klok de mee of tegen de klok in is. Na deze paragraaf kun je: de aarde als systeem beschrijven; de opbouw van de atmosfeer beschrijven; rekenen met dichtheid en druk in de atmosfeer; uitleggen hoe luchtstroming ontstaat; het corioliseffect en het gevolg voor de windrichting beschrijven. Aarde en klimaat 11 244037_Physics_AKL.indd 11
AK.2 Wolken Op de foto in figuur AK.18 zie je donkere wolken. Startopdracht 16 Zou er regen uit deze wolken kunnen vallen? Water in de atmosfeer Weersveranderingen spelen zich af in de troposfeer. Vrijwel al het water dat zich in de atmosfeer bevindt, komt voor in de troposfeer. Toch is het maar 0,25% van de totale massa van de atmosfeer. Water komt er in verschillende aggregatietoestanden voor: vast (ijs, sneeuw, hagel), vloeibaar (regendruppels, wolken) en gasvormig (waterdamp). De concentratie water kan plaatselijk sterk wisselend zijn. Als er veel waterdamp in de lucht zit, kan dat zorgen voor benauwd weer. Het zicht wordt minder naarmate er meer waterdruppels in de lucht zitten. Met satellietbeelden kun je de hoeveelheid water zichtbaar maken. Water in de vorm van waterdamp is een broeikasgas. De aarde absorbeert straling afkomstig van de zon die (relatief) kortgolvig is. De aarde straalt langgolvige straling uit. Broeikasgas houdt deze straling afkomstig van de aarde voor een groot deel tegen. Broeikasgas zorgt daardoor voor een leefbare temperatuur. Dit noem je het natuurlijk broeikaseffect. Water heeft zo een belangrijke invloed op de energiebalans op aarde. Ook koolstofdioxide (CO 2 ) en methaan (CH 4 ) zijn broeikasgassen. Wanneer water verdampt, kost dat energie. Condenseren levert juist energie, want dit is een exotherm proces. Deze processen spelen een rol bij warmtetransport en bij wolkvorming. In de troposfeer komt water in verschillende aggregatietoestanden voor. Water, koolstofdioxide en methaan zijn broeikasgassen. > Opdracht 17 Dampdruk en luchtvochtigheid De luchtdruk is de kracht die alle moleculen in de lucht uitoefenen op 1 m 2. Een deel van de lucht bestaat uit waterdamp. Daarom is de dampdruk de kracht die de waterdampmoleculen uitoefenen op 1 m 2. De dampdruk is maar een deel van de luchtdruk en daarom noem je het ook wel partiële dampdruk. De eenheid van dampdruk is ook Pa of N/m 2. De druk waarbij de waterdamp gaat condenseren tot waterdruppels noem je de verzadigingsdampdruk. In figuur AK.19 zie je het verband tussen de verzadigingsdampdruk en de temperatuur. Zie ook tabel 13A in Binas. Hoe lager de temperatuur, hoe lager deze dampdruk. Dat wil zeggen dat koude lucht minder waterdamp kan bevatten dan warme lucht. In de winter bevatten wolken daarom minder water dan in de zomer. In de zomer kunnen dan ook zwaardere buien vallen dan in de winter. 100 90 dampdruk (hpa) 80 70 60 50 40 30 20 10 AK.18 Gaat het regenen? 0 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 luchttemperatuur ( C) AK.19 Het verband tussen de dampspanning en de temperatuur 12 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 12
Waterdamp in de atmosfeer zorgt voor de luchtvochtigheid. De hoeveelheid water in de lucht noem je de absolute luchtvochtigheid (in g/m 3 ). Omdat warme lucht meer waterdamp kan bevatten dan koude lucht is het handiger om te rekenen met de relatieve luchtvochtigheid. Die geeft de verhouding tussen de hoeveelheid waterdamp en de maximaal mogelijke hoeveelheid waterdamp aan: relatieve luchtvochtigheid = 3 aantal g waterdamp per m lucht max aantal g waterdamp per m lucht 3 100% Omdat de hoeveelheid waterdamp in de lucht de dampdruk bepaalt, kun je de relatieve luchtvochtigheid dampdruk ook berekenen met 100%. verzadigingsdampdruk Zie ook voorbeeld 2. Als warme vochtige lucht afkoelt, zal bij een bepaalde temperatuur de hoeveelheid waterdamp maximaal zijn. De relatieve luchtvochtigheid is dan 100%. Deze temperatuur noem je het dauwpunt. Vanaf een relatieve luchtvochtigheid van 100% zal waterdamp gaan condenseren. Waterdruppels ontstaan rondom kleine deeltjes die in de lucht zweven. Het bepalen van de relatieve luchtvochtigheid kun je doen met behulp van een dauwpuntsmeting. Een glimmend metalen voorwerp koel je dan af tot de temperatuur waarbij er condensatie van waterdamp uit de lucht op het voorwerp optreedt, het dauwpunt. Met de luchttemperatuur en het dauwpunt kun je in figuur AK.19 of met Binas tabel 13A de relatieve luchtvochtigheid bepalen. Zie voorbeeld 3. Waterdruppels ontstaan rondom kleine deeltjes die in de lucht zweven. Voor de vorming van waterdruppels zijn bijvoorbeeld kleine kristallen van zout een goede condensatiekern. In figuur AK.20 op de volgende pagina zie je dat hoe kleiner de druppel is, hoe krommer het oppervlak is. Deze kromming is van invloed op de condensatie van waterdamp op de waterdruppels. Hoe vlakker het oppervlak, hoe gemakkelijker er condensatie optreedt. Een los watermolecuul dat zich dicht boven het oppervlak bevindt, ondervindt een aantrekkende vanderwaalskracht van het vloeistofoppervlak. Bij een vlak oppervlak wordt het watermolecuul door meer watermoleculen aangetrokken. Een grote druppel (1) trekt daardoor meer watermoleculen naar zich toe dan een kleine druppel (3). Kleine waterdruppeltjes tot ongeveer 10 μm kunnen daarom moeilijk overleven. Voorbeeld 2 Relatieve luchtvochtigheid Op een benauwde zomerdag is de temperatuur 30 C. De partiële dampdruk is 4,0 kpa. a Bepaal met behulp van figuur AK.19 de relatieve luchtvochtigheid. b Leg uit waarom het dan benauwd weer is. a De relatieve luchtvochtigheid = 4,0 4,3 100% = 93%. b Omdat de luchtvochtigheid hoog is, kan de lucht weinig waterdamp opnemen. Je zweet kan dan niet of nauwelijks verdampen, zodat er geen verkoelende werking van het zweten uitgaat. Voorbeeld 3 Dauwpunt De luchttemperatuur is 10,5 C en de relatieve luchtvochtigheid is 71%. a Bepaal het dauwpunt met behulp van Binas tabel 13A. In een andere situatie is de luchttemperatuur 17 C en het dauwpunt is 13 C. b Waarom gebruik je een glimmende metalen bol om het dauwpunt te bepalen? c Bepaal de relatieve luchtvochtigheid met behulp van Binas tabel 13A. a Bij 10,5 C is de verzadigingsdampdruk 1270 Pa. De dampdruk is dan 0,71 1270 = 902 Pa. Het dauwpunt is dan 5,5 C, want bij die temperatuur is de berekende dampdruk gelijk aan de maximale dampdruk. b Op een glimmend metalen voorwerp zie je de condensvorming bij het dauwpunt heel gemakkelijk. c Bij het dauwpunt is de relatieve luchtvochtigheid 100%. Dus is de dampdruk bij 17 C gelijk aan de verzadigingsdampdruk bij 13 C. De relatieve luchtvochtigheid = 1498 100% = 77%. 1938 Aarde en klimaat 13 244037_Physics_AKL.indd 13
De (partiële) dampdruk geeft de druk van de watermoleculen op een m 2 aan. De dampdruk is lager dan de luchtdruk. De maximale waarde hangt af van de temperatuur en die noem je de verzadigingsdampspanning. De verhouding tussen de dampdruk en de verzadigingsdampspanning noem je de relatieve luchtvochtigheid. Het dauwpunt is de temperatuur waarbij waterdamp condenseert. Druppelvorming ontstaat als de lucht verzadigd is met waterdamp en als er condensatiekernen aanwezig zijn. > Opdrachten 18, 21, 25 en 28 Wolkvorming Het ontstaan van wolken is een onderdeel van de waterkringloop. De zon verwarmt het aardoppervlak, de lucht vlak boven de aarde stijgt ook in temperatuur. Het volume wordt dan groter en de dichtheid van de lucht wordt kleiner. De lucht gaat stijgen. Naarmate de lucht hoger komt, vindt afkoeling plaats. Als de temperatuur het dauwpunt heeft bereikt, zal de waterdamp condenseren en ontstaan er wolken. Het stijgen van lucht noem je convectie of thermiek. Wanneer de lucht langs een bergwand door de wind omhoog gestuwd wordt, vindt eenzelfde proces plaats. Dit noem je mechanische stijging. Wanneer lucht zich verplaatst van hoge naar lage druk, kan dat met grote snelheid gaan. Als een koude hoeveelheid lucht tegen warme lucht botst, stroomt de koude lucht onder de warme lucht door, waardoor de warme lucht stijgt. Dit noem je dynamische stijging. De warme lucht koelt vervolgens snel af tot onder het dauwpunt, zodat wolkvorming kan optreden. Ook vliegtuigstrepen zijn wolken. De warme uitlaatgassen bevatten relatief veel waterdamp. Deze uitlaatgassen koelen snel af, zodat de waterdamp kan condenseren. Als vochtige lucht heel snel stijgt in verticale richting, ontstaan cumuluswolken. Zie figuur AK.21. Laaghangende bewolking, die je vaak ziet op een regenachtige dag met een grijze lucht, bestaat uit stratuswolken. Deze ontstaan als heel vochtige lucht langzaam stijgt. Zowel stratus- als cirruswolken ontstaan in horizontale richting. Cirruswolken bevinden zich hoog in de lucht en zijn vaak heel dun, omdat ze ontstaan in relatief droge lucht. Als de temperatuur van de wolk boven het vriespunt is, bestaat de wolk uit waterdruppels. Wolken kunnen zich naar boven uitbreiden, zoals de cumulonimbus. In dat geval is de temperatuur niet overal hetzelfde. Boven in de wolk is het kouder dan onderin. De wolk kan dan bovenin uit ijskristallen bestaan en onderin uit waterdruppels. Niet uit alle wolken valt regen. Er valt pas neerslag als de waterdruppeltjes of ijskristallen groot genoeg zijn om het aardoppervlak te kunnen bereiken. De druppels zijn dan ongeveer 100 μm groot. Een van de manieren waarop regen ontstaat gaat als volgt: waterdruppeltjes zijn niet allemaal even groot. Grotere waterdruppels vallen sneller dan kleine waterdruppels. Terwijl de grote druppels de kleine inhalen, vangen ze de kleine druppeltjes in, waardoor de druppels groeien en als regen het aardoppervlak kunnen bereiken. Dit proces start met druppeltjes van ongeveer 6 μm. Zie figuur AK.22. Wolkvorming ontstaat door gedwongen of spontane opstijgende lucht, waarbij de temperatuur daalt en condensatie optreedt. Wolken kunnen bestaan uit waterdruppeltjes, ijskristallen of een combinatie van beide. Je kunt verschillende soorten wolken onderscheiden. > Opdrachten 19 t/m 20, 22 t/m 24, 26 en 27 koele lucht cumulonimbus cirrus 3 koude lucht cumulus altostratus 2 1 buien stratus stortbuien motregen zwak warmtefront met weinig neerslag warme lucht AK.20 Hoe kleiner de druppel, hoe krommer het oppervlak AK.21 Wolken 14 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 14
Opdrachten Experiment AK.3 Dauwpunt I Met een eenvoudige opstelling van een glimmend bekertje met koud water en een thermometer kun je het dauwpunt bepalen. De onderzoeksvraag is: Hoe groot is de relatieve luchtvochtigheid? > Complete instructies op de site Site A 17 a Noteer de belangrijkste broeikasgassen. b Leg uit wat de zon te maken heeft met het broeikaseffect. B 18 a Leg uit of de kans op benauwd weer in Nederland bij wind uit het oosten of het westen het grootst is. b Hoe groot is de relatieve luchtvochtigheid bij het dauwpunt? B 19 * Dauwpunt II Je gaat aan de slag met luchttemperatuur, dauwpunt en relatieve luchtvochtigheid. a Leg uit dat in de vroege ochtend na een frisse nacht het gras nat is, terwijl het niet heeft geregend. b Leg uit waarom kleine waterdruppels niet snel groter worden. Tussentoets B 20 In figuur AK.23 zie je een wolk en de temperatuurverdeling. Geef aan waar in de wolk waterdruppels zitten en waar ijskristallen. B 21 wolkendruppeltjes snel vallende regendruppel Een luchtbel met een temperatuur van 13 C bevat 7,1 g/m3 water. Maak gebruik van figuur AK.24. a Bereken de relatieve luchtvochtigheid van deze lucht. b Bepaal het dauwpunt van deze lucht. AK.22 Het ontstaan van neerslag door het invangen van kleine druppels tropopause maximale hoeveelheid waterdamp in 1 m3 lucht (g) 50 40 30 20 10 temperatuurverloop hoogte 0 20 40 C 10 0 10 20 30 temperatuur ( C) 40 AK.24 B 22 * 0 C a Leg uit waarom de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer boven de polen minder is dan de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer boven de evenaar. AK.23 244037_Physics_AKL.indd 15 Aarde en klimaat 15
b Leg met het molecuulmodel uit dat de verzadigingsdampspanning wel van de temperatuur, maar niet van de andere gassen in de atmosfeer afhangt. B 23 * Wanneer droge lucht langs een bergwand stijgt, neemt de temperatuur van de lucht af. Wanneer vochtige lucht langs dezelfde bergwand stijgt, ontstaan wolken waar regen uit valt. De temperatuur neemt dan ook af, maar minder sterk. a Leg dit effect uit. Aan de achterkant van de berg stroomt lucht richting het dal. Zie figuur AK.25. b Zet de letters uit de figuur op volgorde van afnemende luchtvochtigheid. 5 C C b Leg uit op welk tijdstip de luchtvochtigheid het laagst was. Maak daarbij gebruik van je diagram. tijd (h) luchttemperatuur ( C) dauwpunt ( C) 0.00 19 12 2.00 17 11 4.00 14 10 6.00 13 12 8.00 15 11 10.00 17 10 12.00 18 9 14.00 21 7 16.00 23 6 18.00 21 8 20.00 19 10 22.00 18 12 24.00 17 13 AK.26 B D B 26 Leg uit wat het verschil in ontstaan is van cumulus- en stratuswolken. 20 C AK.25 A B 24 * Fabrieken kunnen waterdamp via een hoge pijp lozen. Je ziet dan boven de pijp een witte pluim. De pluim is pas vanaf zo n 50 cm boven de pijp zichtbaar. a Leg uit waarom tussen de pijp en de onderkant van de pluim afstand zit. b Zal deze afstand in de winter groter of kleiner zijn dan in de zomer? B 25 * In tabel AK.26 zie je gegevens van de temperatuur en het dauwpunt gemeten over een periode van 24 uur voor een bepaalde plaats in Nederland. a Maak een (temperatuur,tijd)-diagram, met grafieken voor de temperatuur en het dauwpunt. E B 27 In de zomer ontstaan vaak buien. Leg uit waarom die buien vaak aan het eind van de middag ontstaan. C 28 * In een luchtbel op een bepaalde hoogte in de atmosfeer is de temperatuur 18 C en de partiële dampdruk is 10 hpa. Gebruik Binas tabel 13A. a Bepaal de relatieve vochtigheid in die luchtbel. De luchtbel stijgt. b Bereken de relatieve vochtigheid als de temperatuur bij constante druk is gedaald tot 12 C. c Bij welke temperatuur zal wolkvorming ontstaan? De druk neemt echter af met de hoogte. d Leg uit of de relatieve vochtigheid dan groter of kleiner is bij grotere hoogte. Na deze paragraaf kun je: een aantal soorten wolken beschrijven en het ontstaan ervan uitleggen; uitleggen wat het dauwpunt is en wat de (partiële) dampdruk is; uitleggen wat relatieve luchtvochtigheid is en rekenen met de relatieve luchtvochtigheid; uitleggen wanneer neerslag ontstaat. 16 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 16
AK.3 Het klimaat Op de foto in figuur AK.27 zie je uitbundig groeiende bomen en struiken in een tropisch regenwoud. Startopdracht 29 Welke weercondities houden een tropisch regenwoud in stand? AK.27 Een tropisch regenwoud Klimaten op aarde Op de aarde zijn verschillende klimaten te vinden, op de noordpool (poolklimaat) is het heel koud, terwijl het rond de evenaar juist heel warm is. Niet alleen de temperatuur speelt een rol, ook de neerslag. In een tropisch regenwoud is de regen één van de belangrijke elementen. Regen kan in een bepaalde periode vallen of juist het hele jaar door. In figuur AK.28 zie je de indeling van de aarde met de verschillende klimaten volgens de classificatie van Köppen. Je kunt globaal klimaatstroken onderscheiden afhankelijk van de breedtegraad. Rond de evenaar vind je tropische regenwouden. Daar stijgt vochtige lucht, waardoor er veel buien vallen. De temperatuur is relatief hoog, door de hoge intensiteit van de zonnestraling. De lucht die in de hogere luchtlaag in de richting van de polen stroomt, koelt af en daalt weer bij een breedtegraad van 30. De lucht warmt op en de relatieve luchtvochtigheid neemt af. Er valt weinig neerslag. De woestijnen vind je rond deze breedtegraad. Eenzelfde proces vindt plaats rond de 60 ste breedtegraad. Daar vind je toendra s. Rond de polen vind je het poolklimaat, de lucht daalt daar weer en bevat weinig waterdamp. noordpoolcirkel Kreeftskeerkring evenaar tropisch klimaat woestijnklimaat Middellandse Zeeklimaat zeeklimaat landklimaat poolklimaat Steenbokskeerkring AK.28 Klimaatindeling Aarde en klimaat 17 244037_Physics_AKL.indd 17
Zowel Europa als Noord-Amerika ligt voor een groot deel tussen de 30 ste en 60 ste breedtegraad. In deze gebieden kun je onderscheid maken tussen land- en zeeklimaat. Bij zeeklimaat speelt de aanwezigheid van de oceaan of zee een belangrijke rol. Omdat water langzamer opwarmt dan land, komt er in de zomer relatief koude lucht vanaf het water richting land. Het water koelt langzaam af in de winter, zodat relatief warme lucht vanaf het water richting land kan stromen. De verschillen in temperatuur tussen zomer en winter zijn daarom kleiner dan in gebieden waar geen water in de buurt is. De aanwezigheid van bergketens kan het stijgen en dalen van lucht beïnvloeden en ook de luchtvochtigheid (zie paragraaf 2). Op verschillende plekken op aarde heersen verschillende klimaten. Breedteligging, de verdeling van water en land en bergketens bepalen mede het klimaat. Veranderingen in één of meerdere factoren heeft een klimaatverandering tot gevolg. > Opdracht 33 Energiestromen De aarde ontvangt energie van de zon en zendt ook weer energie uit. De stralingsenergie per m 2 kun je berekenen met de volgende formule: P I = A I is de intensiteit van de straling in W/m 2 P is het vermogen van de straling in W A is de oppervlakte in m 2 102 weerkaatst door oppervlakte weerkaatste zonnestraling 101,9 weerkaatst door wolken en atmosfeer 79 23 161 79 geabsorbeerd door aardoppervlak inkomende zonnestraling 341,3 AK.29 Energiestromen in de atmosfeer in W/m 2 341 uitgezonden door atmosfeer 169* 30 geabsorbeerd door atmosfeer 78 17 356 40 239 40 doorgelaten door atmosfeer 396 17 80 uitgestraald 333 verdamping door geabsorbeerd oppervlaktewater aardoppervlak door aardoppervlak warmtetransport door stroming 333 terugstraling broeikasgassen en wolken Omdat de zon heet is, heeft de zonnestraling relatief korte golflengtes. Ook de aarde en de atmosfeer zenden straling uit, maar met langere golflengtes die koeler zijn. Deze straling wordt door de atmosfeer geabsorbeerd en weer uitgezonden. Een deel verdwijnt naar de ruimte. Met behulp van satellieten kun je deze straling meten. Door het verschil in golflengte is het mogelijk de straling afzonderlijk te meten. In figuur AK.29 zie je een overzicht van het warmtetransport door de atmosfeer. Voorbeeld 4 Evenwicht In figuur AK.29 zie je energiestromen van en naar de aarde. a Bepaal met behulp van figuur AK.29 het vermogen dat de aarde per m 2 absorbeert. b Bepaal met behulp van figuur AK.29 het vermogen dat de aarde per m 2 uitzendt. c Welke conclusie kun je hieruit trekken? a Van de inkomende zonnestraling absorbeert de aarde 161 W/m 2 (uit de gele pijl). Van de teruggekaatste straling absorbeert de aarde 333 W/m 2. Dat is samen 494 W/m 2. b 80 W/m 2 (blauwe pijl), 17 W/m 2 (rode pijl) en 396 W/m 2 (uitstraling door aardoppervlak) geeft samen 493 W/m 2. c Netto absorbeert de aarde ongeveer 1 W/m 2. De hoeveelheid geabsorbeerde straling is dus ongeveer gelijk aan de energie die de aarde weer uitstraalt. De energie die de aarde absorbeert aan zonnestraling is gemiddeld gelijk aan de energie die de aarde uitzendt. Er is stralingsevenwicht. Dit evenwicht geldt voor het hele systeem. Lokaal kan het zijn dat er meer straling binnenkomt dan uitgaat en andersom. Het zijn deze verschillen die zorgen voor de stroming van lucht, de circulatie. De aarde en de atmosfeer ontvangen stralingsenergie van de zon en stralen energie uit naar de ruimte. Als de totale hoeveelheid energie die ontvangen wordt net zoveel is als de totale hoeveelheid energie die wordt uitgestraald, is de energiebalans nul. De aarde en de atmosfeer warmen dan niet op en koelen niet af. Energiestromen kunnen lokaal heel erg verschillen. > Opdracht 30 18 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 18
Albedo De zonneconstante is de gemiddelde hoeveelheid stralingsenergie van de zon die per seconde loodrecht op 1 m 2 aardatmosfeer komt. De waarde van de zonneconstante is 1,368 10 3 W/m 2. In figuur AK.30 zie je dat de totale oppervlakte van de aarde (4πR 2 ) die straling uitzendt viermaal zo groot is als de oppervlakte waarop de zonnestraling binnenkomt (πr 2 ). De waarde van de zonneconstante is dus ook viermaal zo groot als het gemiddeld inkomende vermogen van de zon die je in figuur AK.29 kunt vinden. Het totale vermogen dat de aarde bereikt is 1,74 10 17 W. Zie ook voorbeeld 5. Om het aardoppervlak te bereiken moet de zonnestraling ook nog door de atmosfeer. De atmosfeer absorbeert een deel van de straling en kaatst een deel van de straling terug. Ook het aardoppervlak, afhankelijk van het soort oppervlak, reflecteert een deel van de straling. Het percentage van de straling dat wordt gereflecteerd noem je albedo. De albedo van een oppervlak dat bestaat uit ijs is bijvoorbeeld hoger dan de albedo van bijvoorbeeld grasland. In figuur AK.31 zie je waarden voor verschillende soorten oppervlakken. Wanneer het ijs smelt door een toenemende temperatuur, zal ook de albedo afnemen. Dan kaatst er dus minder straling terug. Het oppervlak zal meer straling absorberen en in temperatuur toenemen. De gemiddelde albedo van de aarde is 0,30. Dit kun je narekenen met de gegevens uit figuur AK.29: 102/341 = 0,30. Het betekent dus dat de aarde 70% van de zonnestraling absorbeert. De albedo geeft de verhouding aan tussen gereflecteerde en invallende straling. Door wijzigingen in oppervlakken kan de energiehuishouding wijzigen. Daardoor kan de temperatuur van het oppervlak veranderen. > Opdracht 31 De warmtehuishouding De hoeveelheid energie die een voorwerp uitstraalt, is sterk afhankelijk van de temperatuur. Bij een tweemaal zo hoge absolute temperatuur blijkt het uitgestraald vermogen 2 4 = 16 maal zo groot te zijn. Een groot voorwerp zendt bovendien meer straling uit dan een klein, het heeft een grotere buitenoppervlakte. Voor de intensiteit, dat is het vermogen per vierkante meter, dat een voorwerp maximaal uitzendt, geldt de wet van Stefan-Boltzmann: I = σ T 4 I is de stralingsintensiteit in watt per vierkante meter (W/m 2 ), T is de temperatuur in kelvin (K) σ is de constante van Stefan-Boltzmann: 5,670 37 10 8 W m 2 K 4 (zie Binas tabel 7A) Omdat de ruimte buiten de atmosfeer vacuüm is, geeft de aarde alleen door straling warmte af. We gaan er daarom van uit dat je deze formule ook kunt gebruiken voor het aardoppervlak. Op aarde is er stralingsevenwicht, dat wil zeggen dat de aarde even veel straling ontvangt als uitstraalt. De temperatuur op de aarde blijft dan gemiddeld constant. Op deze manier kun je de temperatuur op aarde berekenen. Zie voorbeeld 5 op de volgende pagina. A = πr 2 R A aarde = 4πR 2 AK.30 Straling op de aarde en van de aarde oppervlak albedo dikke bewolking 0,6 0,9 dunne bewolking 0,3 0,5 oceaan 0,07 0,20 ijs 0,4 0,9 bos 0,1 0,2 steen / rots 0,10 gras 0,10 0,30 AK.31 Albedo van verschillende oppervlakken Aarde en klimaat 19 244037_Physics_AKL.indd 19
Voorbeeld 5 De temperatuur van de aarde berekenen De zonneconstante is 1,368 10 3 W/m 2 (zie ook Binas tabel 32C). De gemiddelde albedo van de aarde is 0,30. De aarde is een bol met een straal van 6,371 10 6 m. a Toon aan dat het totale stralingsvermogen dat de aarde bereikt 1,74 10 17 W is. b Bereken het geabsorbeerde vermogen aan zonnestraling door de aarde. c Bereken de gemiddelde temperatuur van de aarde. a Zie figuur AK.30. De oppervlakte waarop de zonnestraling binnenkomt is A = πr 2, waarin R de straal van de aarde is. Dus: A = πr 2 = π (6,371 10 6 ) 2 = 1,275 10 14 m 2. Het totale stralingsvermogen dat de aarde bereikt is dan: P = I A = 1,368 10 3 1,275 10 14 = 1,744 10 17 W. b Albedo is 0,30 betekent dat er 70% geabsorbeerd wordt. Het geabsorbeerde vermogen is dus: 0,70 1,744 10 17 W = 1,2 10 17 W. c Ga uit van stralingsevenwicht. Gebruik: P = I A = σ T 4 A. Met A = 4πR 2 = 4π (6,371 10 6 ) 2 = 5,101 10 14 m 2. P Schrijf T voorop: T 4 = = σ A 17 1,22 10 = 4,22 10 9. 8 14 5,670 10 5,101 10 Dus: T = 4 4,22 10 9 = 255 K = 18 C. De gemiddelde temperatuur op aarde is hoger dan de gevonden waarde in het rekenvoorbeeld. Die is namelijk 15 C. Dit verschil komt door het natuurlijk broeikaseffect. Je ziet dus dat dit nodig is om de temperatuur op aarde draaglijk te maken. Met behulp van de albedo, de wet van Stefan- Boltzmann en de hoeveelheid invallende straling van de zon is de temperatuur op aarde ongeveer te berekenen. > Opdrachten 34 t/m 37 Golfstroom Het klimaat in Nederland is een gematigd zeeklimaat. De aanwezigheid van water zorgt ervoor dat de temperatuurverschillen tussen zomer en winter minder groot zijn dan zonder de aanwezigheid van water (landklimaat). Het water dat langs Nederland stroomt, is relatief warm en maakt onderdeel uit van de warme Atlantische golfstroom. Zie figuur AK.32. In de tropen verdampt er door relatief hoge temperaturen veel water. Het water aan de oppervlakte bevat daardoor meer zout en heeft een grotere dichtheid dan het water daaronder. Het zoutere water zinkt en wordt vervangen door minder zout water aan de oppervlakte. Op deze wijze ontstaat er stroming van warm water in de richting van Europa. Daar geeft het water warmte af. Daarom is het in Europa op dezelfde breedtegraad veel warmer dan bijvoorbeeld in Canada op dezelfde breedtegraad. Wanneer het ijs op Groenland smelt door een hogere temperatuur op aarde komt er ook meer neerslag. Zowel de neerslag als het ijs bestaat uit zoet water. Dit water heeft een kleinere dichtheid en zal niet zo snel als zout water zinken bij afkoeling. Het gevolg is kouder water aan de oppervlakte. De golfstroom komt dan niet zo ver meer richting Europa. Het gevolg zal zijn dat het in Europa kouder zal worden. Het klimaat wordt mede bepaald door de golfstromen. De golfstroom is het transport van warm water naar koudere gebieden en koud water naar warmere gebieden. Door het smelten van ijs wordt de golfstroom beïnvloed. warme golfstroom koude golfstroom AK.32 Golfstromen 20 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 20
Invloed van de mens Door menselijk toedoen nemen concentraties van broeikasgassen in de atmosfeer toe. In de laatste honderd jaar is bijvoorbeeld de hoeveelheid CO 2 in de atmosfeer met ongeveer 30% toegenomen. Het broeikaseffect, dat voor een leefbare temperatuur op aarde zorgt, neemt toe en dat noem je het versterkte broeikaseffect. Bij verbrandingsreacties met O 2 komt CO 2 (en H 2 O) vrij en deze verbrandingsproducten komen in de atmosfeer terecht. Het is meetbaar aangetoond dat de hoeveelheid O 2 in de atmosfeer is afgenomen. Dat is een aanwijzing dat de CO 2 inderdaad afkomstig is van verbrandingsreacties. Ook de hoeveelheid water neemt toe. Het water is onderdeel van de watercyclus en verblijft minder lang in de atmosfeer, waardoor het directe effect op het versterkte broeikaseffect minder zal zijn. Experimenten AK.4 Vermogen van de zon Met een eenvoudige opstelling kun je het vermogen van de zon bepalen. De onderzoeksvraag is: Hoe groot is het vermogen van de zon? AK.5 Reflectie Met een eenvoudige opstelling met een bouwlamp kun je een temperatuurkromme en de reflectiecoëfficiënt van verschillende voorwerpen bepalen. De onderzoeksvraag is: Hoe groot is de reflectiecoëfficiënt van verschillende voorwerpen? > Complete instructies op de site Een deel van de CO 2 komt in de atmosfeer terecht en een deel komt in de oceanen terecht. In de oceanen zorgt CO 2 juist voor verzuring. Dat heeft gevolgen voor het leven in het water. Andere stoffen die zich in de atmosfeer bevinden door menselijk toedoen zijn CFK s (chloorfluorkoolwaterstoffen). Deze stoffen hebben een nog groter absorberend vermogen dan CO 2, bovendien breken CFK s ozon af. Er komt zo meer schadelijke uv-straling op de aarde. Site Broeikaseffect Je bestudeert het effect van gassen en bewolking op de temperatuur op aarde. Al deze factoren kunnen effect hebben op het klimaat. Door de complexiteit en de samenhang binnen het systeem aarde is het heel lastig om goed te voorspellen wat er gaat gebeuren met het klimaat als bepaalde concentraties van gassen toe- of afnemen. De mens beïnvloedt het klimaat. Door menselijk handelen neemt de concentratie CO 2 toe. Door de complexiteit en de samenhang binnen het systeem aarde is het heel lastig om goed te voorspellen wat de gevolgen zijn voor het klimaat. > Opdracht 32 Aarde en klimaat 21 244037_Physics_AKL.indd 21
Opdrachten A 30 a Hoe krijgt de aarde energie? b Hoe verliest de aarde energie? B 31 In de tabel van figuur AK.31 zie je verschillende waarden voor de albedo van verschillende ondergronden. a Leg uit wat er met de albedo van de aarde gebeurt als er minder bewolking is op aarde. b Geef twee effecten op het klimaat als er ijs verdwijnt. B 32 a Leg het verschil uit tussen het broeikaseffect en het versterkte broeikaseffect. b Op welke manieren beïnvloedt de mens het klimaat? B 33 a Noem een aantal factoren die het verschil in klimaat bepalen. Steden of gebieden die op dezelfde breedtegraad liggen, hebben niet altijd hetzelfde klimaat. b Geef een voorbeeld. Gebruik daarbij eventueel figuur AK.32. Het Andesgebergte ligt aan de westkust van Zuid- Amerika. c Leg uit hoe dit gebergte het klimaat ten oosten van het gebergte beïnvloedt. C 34 * De zon is een bol met een straal van 6,963 10 8 m en heeft een temperatuur van 5780 K. a Bereken de oppervlakte van de zon. b Toon aan dat het vermogen dat de zon uitstraalt 3,85 10 26 W is. c Bereken het vermogen dat het aardoppervlak bij loodrechte inval per vierkante meter ontvangt. C 35 * Bij het berekenen van de gemiddelde temperatuur op de aarde (zie voorbeeld 5) was de aanname dat de temperatuur overal gelijk is. Gemiddeld is in een gebied van 1,0 km 2 de temperatuur 10 C. a Bereken het uitgestraalde vermogen voor een gebied van 1,0 km 2. Echter in de ene helft is het 0 C en in de andere helft is het 20 C. b Bereken opnieuw het uitgestraalde vermogen. C 36 * Ook de andere planeten ontvangen straling van de zon. Zo is de gemiddelde albedo van Mercurius 0,06. a Zoek de afstand van Mercurius tot de zon op in Binas. b Bereken de zonneconstante voor Mercurius. c Bereken de evenwichtstemperatuur voor Mercurius. Na deze paragraaf kun je: het klimaat beschrijven en de factoren noemen die het klimaat beïnvloeden; de energiestromen van en naar de aarde beschrijven; uitleggen wat het effect van land en water is op de warmtehuishouding. 22 hoofdstuk AK 244037_Physics_AKL.indd 22