TENTAMEN INLEIDING ATMOSFEER 11 mei 2017, 13:30-16:30 uur E E R S T D I T L E Z E N!! 1. Vermeld duidelijk je NAAM en REGISTRATIENUMMER in de linkerbovenhoek van elk in te leveren foliovel (de foliovellen zijn gelinieerd). 2. De ongelinieerde A4-velletjes zijn bedoeld als kladpapier en worden niet ingeleverd. 3. Schrijf duidelijk en werk overzichtelijk. De bedoeling van het examen is uiteraard te beoordelen of je voldoende van de leerstof weet en hebt begrepen; laat dit blijken uit de duidelijke beantwoording van de vragen. 4. Laat bij berekeningen duidelijk zien hoe je aan het antwoord bent gekomen: welke formule(s) je hebt gebruikt, welke waarde(n) je hebt ingevuld etc. Alleen een numeriek antwoord levert slechts een deel van de punten op. En geef altijd de eenheid bij het eindantwoord. 5. Controleer(!!) of aan jou is uitgereikt: - 6 pagina's tentamen - boekje met constanten en formularium. - 2 bladen kladpapier 6. Het examen bestaat uit 6 opgaven. 7. Na afloop ALLEEN de uitwerkingen en het boekje inleveren. Veel succes!! LK 1
2
1 Geef een definitie of een omschrijving van de volgende begrippen of processen. a. Natte-bol temperatuur f. Warme sector b. Fotolyse g. Katabatische wind c. Effectieve stralingstemperatuur h. Entrainment d. Geostrofische wind i. Low level jet e. Blokkade j. Fotostationair evenwicht 2 Bij een cirkelvormig lagedrukgebied heerst op een afstand van 650 km van het centrum op 52 NB een windsnelheid van 18 m/s. Neem aan dat de luchtdichtheid 1.2 kg/m 3 is en verwaarloos de wrijving. a. Een luchtdeeltje doorloopt in dit drukveld op deze plek een baan evenwijdig aan de gekromde isobaren. Maak een duidelijke schets met daarin het lagedrukgebied met isobaren en het luchtdeeltje met daarbij: de windvector V, de Corioliskracht F cor, de luchtdrukgradiëntkracht F p en de centripetale kracht F c (alle drie als vector aangegeven). b. Neem aan dat het luchtdeeltje een massa van 1 kg heeft. Bereken nu de grootte van de drie bovengenoemde krachten. Gebruik: F c = mv 2 /r. c. Bereken uit de grootte van de luchtdrukgradiëntkracht de grootte van de luchtdrukgradiënt. We nemen aan dat de luchtdrukgradiënt overal hetzelfde is. d. Hoeveel lager is de druk in het centrum van de depressie dan op de plaats van het deeltje? e. Is de windsnelheid van een vergelijkbaar luchtdeeltje (dwz. ook bewegend evenwijdig aan de isobaren) dichterbij het centrum groter dan, kleiner dan of even groot als op 650 km afstand? Verklaar je antwoord. 3 Beschouw het verticale profiel van de ozon (O 3 ) number density in figuur 1 op de volgende bladzijde. De norm voor de ozon-mengverhouding aan de grond is gesteld op: C O3 < 80 ppbv. a. Bereken de number density van lucht op de hoogte van het maximum van de 3
ozonlaag als gegeven is dat z = 25 km; p = 3.5 kpa; T = 220 K). b. Bereken de mengverhouding van ozon bij het maximum van de ozonlaag. Zou deze waarde de luchtkwaliteitseis aan de grond overschrijden? c. Bereken de ozon mengverhouding aan de grond (z = 0 km; p = 100 kpa; T = 300 K). Voldoet deze waarde aan de luchtkwaliteitseis? d. Het totale aantal O 3 moleculen per eenheid van oppervlakte de aarde wordt de ozonkolom genoemd. Bepaal de ozonkolom door het profiel te benaderen met de lineaire functie die is afgebeeld als een dunne getrokken lijn. Figuur 1. Profiel van de number density (in moleculen per cm 3 ) van Ozon (dikke lijn) en de benadering er van (dunne lijn). e. Om te illustreren hoe dun de ozonlaag feitelijk is brengen we de hele kolom ozon naar zeeniveau als een laagje puur ozongas. Hoe dik is deze laag onder standaard atmosferische condities? (1.013 10 5 Pa, 273 K). 4 Aan de rand van de atmosfeer is het relatief eenvoudig om de hoeveelheid binnenkomende zonnestraling uit te rekenen omdat er nog geen extinctie heeft plaatsgevonden door de atmosfeer. Figuur 2 geeft het daggemiddelde van K 0 (d.i. de hoeveelheid zonnestraling die binnenkomt aan de rand van de atmosfeer). Dit daggemiddelde wordt de Angotwaarde (in Wm -2 ) genoemd. a. Waarom komt er geen langgolvige straling (L 0 ) binnen aan de rand van de atmosfeer? b. Op 21 juni staat de zon op 23 boven de evenaar en is het op de Noordpool 24 uur lang licht per dag. Laat met behulp van een schets duidelijk zien dat de zenithoek op 21 juni op de noordpool 67 is. Figuur 2. De Angot waarden (in Wm 2 ) als functie van de geografische breedte voor het jaar [Uit: Hartmann, 1994]. 4
c. Bereken nu K 0 voor de noordpool op 21 juni, als nog gegeven is dat de afstand van de zon tot de aarde op dat moment 1.47 10 11 m is. d. Waarom is op de noordpool K 0 (een instantane waarde) gelijk aan de Angotwaarde (een daggemiddelde waarde)? e. Vergelijk de uitkomst van c. met de waarde in figuur 2. Wat is je conclusie? f. Op de evenaar staat de zon om 12 uur veel hoger aan de hemel. Toch is de Angotwaarde op de evenaar op 21 juni kleiner dan op de noordpool. Geef hiervoor een verklaring. g. Als we tenslotte aannemen dat de atmosfeer verticaal homogeen is (dwz constante dichtheid en samenstelling) met een dikte van 8 km, en aan de grond wordt op de noordpool een hoeveelheid zonnestraling gemeten van 320 Wm -2, bereken dan de extinctiecoëfficiënt van de atmosfeer. 5 De top van Mt. Everest (figuur 3) ligt op 8848 m boven zeeniveau. De luchtdruk daar bedraagt ongeveer 380 hpa. a. Als op zekere dag een temperatuur van -17 C wordt gemeten op de top van de berg, bereken dan de dichtheid van de lucht in die omstandigheden. Figuur 3. Mount Everest gefotografeerd vanuit een vliegtuig. b. Bereken ook de grootte van de potentiële temperatuur op de top van de berg. c. Ook wordt een relatieve vochtigheid van 41% gemeten. Bereken hiermee de waterdampdruk op die hoogte. d. Bereken ook de bijbehorende mengverhouding van waterdamp. In het hoogste basiskamp op een hoogte van 8200 m wil men eten gaan koken, maar dat is niet eenvoudig omdat water bij deze lage druk al bij lage temperaturen gaat koken. We gaan berekenen bij welke temperatuur dat is. e. Als de luchtlaag tussen de top en het hoogste basiskamp overal -17 C is, laat dan met een berekening zien dat de luchtdruk in het basiskamp 414 hpa is. 5
f. Water gaat koken als de verzadigingsdruk van waterdamp (e s ) gelijk is aan de luchtdruk. Bereken nu de temperatuur waarbij water gaat koken bij de luchtdruk in het basiskamp. Reinhold Messner (foto), een Italiaan uit Zuid Tirol, beklom in 1978 als eerste mens Mt Everest zonder gebruik van een zuurstofmasker. Hij bevond zich nog ruim onder de zogenaamde Armstrong Limit: de hoogte waar de luchtdruk zo laag is dat het bloed in de mens spontaan gaat koken (dus bij 37 C) en de mens zonder drukpak dus onmogelijk kan overleven. g. Bereken de luchtdruk bij de Armstrong Limit en maak een schatting van die hoogte voor een isotherme atmosfeer met een temperatuur van -20 C. 6 In een Cu-wolk worden de volgende aantallen wolkendruppels gemeten en men vindt de hoeveelheden zoals gemeld in onderstaande tabel. Tabel 1. Druppels in Cu-wolk. Straal (10-6 m) Aantal (cm -3 ) 10 800 50 5 a. Verklaar waarom er druppels met verschillende diameters nodig zijn om het coalescentie-proces te laten verlopen. b. Bereken de hoeveelheid vloeibaar water in deze wolk in kg m -3. c. Geef twee redenen waarom deze wolkendruppels nooit het aardoppervlak zullen bereiken. Na enige tijd vormen zich regendruppels met een straal van 1 mm. De valsnelheid van dit soort druppels is 6,5 m s -1. d. Bereken hoeveel regendruppels per m 3 zich vormen als alle wolkendruppels samensmelten tot regendruppels. e. Bereken de neerslagintensiteit in mm uur -1 aan de basis van de wolk. -0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0-0- EINDE VAN HET EXAMEN GRAAG ZOWEL DE UITWERKINGEN ALS HET BOEKJE INLEVEREN 6