Aardwetenschappen II – Klimaat
Les 1: De stralingsbalans van de Aarde
Alle processen op Aarde worden aangedreven door energie van de zon:
- Energie is elektromagnetische straling:
o Elk object met oppervlakte temperatuur boven absolute nulpunt geeft continu energie af
o Stralingswet van plank: uitgezonden energie uitsluitend afhankelijk van temperatuur van
oppervlak
o Wet van Stefan-Boltzmann: hoe hoger de temperatuur, hoe meer energie
▪ 𝐸 = σ T4
o 𝐖et van Wien: hoe hoger de temperatuur, hoe korter de golflengte
▪ Λmax = b/T
- De wetten gelden voor objecten die zich gedragen als een zwarte straler of black body:
o = objecten die bij hun oppervlaktetemperatuur op elke golflengte de maximaal mogelijke
hoeveelheid energie uitstralen voor die golflengte en temperatuur
o = ideale uitzenders
o Zijn ook ideale ontvangers: absorberen alle elektromagnetische straling die het ontvangt
o Zon = black body
o Aarde: gedraagt zich als ideale uitzender, maar absorbeert niet alle straling
- De zon:
o Oppervlaktetemperatuur van 5800 K
o Zendt kortgolvige straling uit: tussen 0,1 en 3
μm
o Piek van het spectrum op 0,5 μm (= groen
licht)
o 50% is zichtbaar licht, 20% is UV en 30% IR
- De Aarde:
o Oppervlaktetemperatuur van 288 k of 15°C
o Zendt langgolvige straling uit: tussen 5 en 30
μm
o Piek van het spectrum op 10 μm (= in
infrarode gebied)
o Zendt veel minder energie uit dan zon
Hoeveel stralingsenergie ontvangt de aarde van de zon?
- Zonneconstante = intensiteit van de zonnestraling aan de top van de atmosfeer en gemeten
loodrecht op de richting van de stralen
o 1361 Wm-2
o => 340 W per m2 aardoppervlak
- Intensiteit van de zon is niet constant:
o Baan aarde rond zon is excentrische ellips met zon in 1
van de 2 brandpunten:
▪ Intensiteit zonnestraling hangt af van afstand tot
de zon
▪ Aarde dichts bij de zon in onze winter
▪ Aarde verst van de zon in onze zomer
▪ Zonneconstante gedefinieerd met gemiddelde afstand tot de zon
o Zon schijnt niet altijd even fel:
▪ Elfjarige cyclus met zonneminima en zonnemaxima; periodes met minder actieve of
actievere zon
▪ Weinig invloed op temperatuur aan aardoppervlak
1
, o Fluctuaties in aantal waargenomen zonnevlekken:
▪ Zonnevlekken zijn donkere vlekken, maar gebied errond is intenser
▪ Zon schijnt iets feller wanneer er veel zonnevlekken worden waargenomen
De aarde in een energetische balans:
- Temperatuur van de aarde is relatief stabiel → energetische balans
o Geeft evenveel energie af als ze ontvangt
o Ein = Eout
- Evenwichtstemperatuur zonder atmosfeer met broeikasgassen of wolken:
o 340 = σ T4 → T = 5,5°C
o Term toevoegen aan vergelijking voor weerkaatsing: 340 (1- 0,3)= 238 = σ T4 → T = -18°C
o Aarde is een ijsplaneet zonder leven
- Evenwichtstemperatuur met atmosfeer met broeikasgassen of wolken:
o Broeikasgassen maken atmosfeer selectief transparant:
▪ Laten kortgolvige straling zon door, absorberen
groot deel langgolvige straling aarde
▪ Straling absorberen → omzetten in kinetische
energie → sneller trillen en bewegen → energie
doorgeven via botsingen → alle deeltjes in
atmosfeer warmen op
▪ Voor vibraties is een dipoolmoment nodig!!
o Natuurlijk broeikaseffect: aarde 33°C warmen dan zonder atmosfeer
o Broeikasgassen: H2O, CO2, CH4, N2O en O3
o Atmosfeer eigenschappen:
▪ Transparant voor golflengten tussen 0,3 en 2 μm
▪ Onder 0,3 μm gefilterd door ozon en moleculair zuurstof in stratosfeer
▪ Absorbeert meeste langgolvige straling behalve deze binnen het atmosferisch
venster (tussen 8 en 12 μm) gebeurt door waterdamp en CO2
▪ Via atmosferisch venster, straling ontsnappen naar ruimte
De stralingsbalans startend met 100 eenheden (= 340 Wm^-2):
- Verstrooiing van kortgolvige straling:
o Luchtmoleculen en aerosolen zijn veel kleiner dan golflengten van zonnestraling
▪ Stralingsgolven doen veranderen van richting
2
, o Verstrooiing: afbuiging van lichtstraling in alle richtingen (of scattering)
▪ De verstrooide straling = diffuse straling of diffuus licht
o Golflengten dichter bij grootte luchtmoleculen aerosolen worden efficiënter verstrooid
o Hoe kleiner de golflente, hoe sterker de verstrooiing
o Reden dat hemel blauw ziet, en ‘s avonds de lucht soms roos is
o Per 100 eenheden inkomende, verdwijnen 6 eenheden terug in de ruimte
- Reflectie van inkomende zonnestraling:
o Reflectie op oppervlakten onder een bepaalde hoek afhankelijk van het type oppervlak
o Albedo = de fractie van de inkomende straling die een bepaald type oppervlak weerkaatst
▪ Vb. sneeuw hoog albedo van 0,95, oceanen laag albedo van 0,10
▪ Albedo wolken afhankelijk van type wolk: dikke of dense wolken weerkaatsen meer
straling dan ijle
▪ Het planetair albedo is 0,3
o Per 100 eenheden inkomende straling:
▪ 4 eenheden weerkaatst door aardoppervlak
▪ 20 eenheden weerkaatst door bewolking
- Absorptie van inkomende zonnestraling:
o Deel geabsorbeerd door atmosfeer en omgezet in warmte
▪ Door ozon in stratosfeer
▪ Door waterdamp in troposfeer
o Per 100 eenheden, 19 eenheden geabsorbeerd door atmosfeer
Van 100 eenheden inkomende straling, verdwijnen 30 eenheden terug de ruimte in
19 eenheden geabsorbeerd door atmosfeer
Slecht 51 eenheden bereiken aardoppervlak en worden er geabsorbeerd
- Langgolvige componenten van stralingsbalans:
o Aardoppervlak straalt 117 eenheden naar boven uit
▪ Ontvangt energie van zon en van atmosfeer
o Van 117 eenheden laat atmosfeer 6 eenheden via atmosferisch venster door naar ruimte
▪ Straalt atmosfeer 64 eenheden uit naar ruimte
▪ En 96 eenheden naar beneden
▪ Komt doordat atmosfeer bovenaan kouder is dan onderaan
o Aardoppervlak verliest 23 eenheden via latente warmte en 7 eenheden via geleiding en
convectie
▪ Latente warmte is de energie nodig om een stof van één aggregatietoestand naar
een andere te doen overgaan of de energie die bij zo’n faseovergang vrijkomt
▪ Geleiding en convectie gaan warmere delen van aardoppervlak door direct contact
met onderste luchtlaag die luchtlaag opwarmen
▪ Vb. vorming van cumuluswolken
3
Les 1: De stralingsbalans van de Aarde
Alle processen op Aarde worden aangedreven door energie van de zon:
- Energie is elektromagnetische straling:
o Elk object met oppervlakte temperatuur boven absolute nulpunt geeft continu energie af
o Stralingswet van plank: uitgezonden energie uitsluitend afhankelijk van temperatuur van
oppervlak
o Wet van Stefan-Boltzmann: hoe hoger de temperatuur, hoe meer energie
▪ 𝐸 = σ T4
o 𝐖et van Wien: hoe hoger de temperatuur, hoe korter de golflengte
▪ Λmax = b/T
- De wetten gelden voor objecten die zich gedragen als een zwarte straler of black body:
o = objecten die bij hun oppervlaktetemperatuur op elke golflengte de maximaal mogelijke
hoeveelheid energie uitstralen voor die golflengte en temperatuur
o = ideale uitzenders
o Zijn ook ideale ontvangers: absorberen alle elektromagnetische straling die het ontvangt
o Zon = black body
o Aarde: gedraagt zich als ideale uitzender, maar absorbeert niet alle straling
- De zon:
o Oppervlaktetemperatuur van 5800 K
o Zendt kortgolvige straling uit: tussen 0,1 en 3
μm
o Piek van het spectrum op 0,5 μm (= groen
licht)
o 50% is zichtbaar licht, 20% is UV en 30% IR
- De Aarde:
o Oppervlaktetemperatuur van 288 k of 15°C
o Zendt langgolvige straling uit: tussen 5 en 30
μm
o Piek van het spectrum op 10 μm (= in
infrarode gebied)
o Zendt veel minder energie uit dan zon
Hoeveel stralingsenergie ontvangt de aarde van de zon?
- Zonneconstante = intensiteit van de zonnestraling aan de top van de atmosfeer en gemeten
loodrecht op de richting van de stralen
o 1361 Wm-2
o => 340 W per m2 aardoppervlak
- Intensiteit van de zon is niet constant:
o Baan aarde rond zon is excentrische ellips met zon in 1
van de 2 brandpunten:
▪ Intensiteit zonnestraling hangt af van afstand tot
de zon
▪ Aarde dichts bij de zon in onze winter
▪ Aarde verst van de zon in onze zomer
▪ Zonneconstante gedefinieerd met gemiddelde afstand tot de zon
o Zon schijnt niet altijd even fel:
▪ Elfjarige cyclus met zonneminima en zonnemaxima; periodes met minder actieve of
actievere zon
▪ Weinig invloed op temperatuur aan aardoppervlak
1
, o Fluctuaties in aantal waargenomen zonnevlekken:
▪ Zonnevlekken zijn donkere vlekken, maar gebied errond is intenser
▪ Zon schijnt iets feller wanneer er veel zonnevlekken worden waargenomen
De aarde in een energetische balans:
- Temperatuur van de aarde is relatief stabiel → energetische balans
o Geeft evenveel energie af als ze ontvangt
o Ein = Eout
- Evenwichtstemperatuur zonder atmosfeer met broeikasgassen of wolken:
o 340 = σ T4 → T = 5,5°C
o Term toevoegen aan vergelijking voor weerkaatsing: 340 (1- 0,3)= 238 = σ T4 → T = -18°C
o Aarde is een ijsplaneet zonder leven
- Evenwichtstemperatuur met atmosfeer met broeikasgassen of wolken:
o Broeikasgassen maken atmosfeer selectief transparant:
▪ Laten kortgolvige straling zon door, absorberen
groot deel langgolvige straling aarde
▪ Straling absorberen → omzetten in kinetische
energie → sneller trillen en bewegen → energie
doorgeven via botsingen → alle deeltjes in
atmosfeer warmen op
▪ Voor vibraties is een dipoolmoment nodig!!
o Natuurlijk broeikaseffect: aarde 33°C warmen dan zonder atmosfeer
o Broeikasgassen: H2O, CO2, CH4, N2O en O3
o Atmosfeer eigenschappen:
▪ Transparant voor golflengten tussen 0,3 en 2 μm
▪ Onder 0,3 μm gefilterd door ozon en moleculair zuurstof in stratosfeer
▪ Absorbeert meeste langgolvige straling behalve deze binnen het atmosferisch
venster (tussen 8 en 12 μm) gebeurt door waterdamp en CO2
▪ Via atmosferisch venster, straling ontsnappen naar ruimte
De stralingsbalans startend met 100 eenheden (= 340 Wm^-2):
- Verstrooiing van kortgolvige straling:
o Luchtmoleculen en aerosolen zijn veel kleiner dan golflengten van zonnestraling
▪ Stralingsgolven doen veranderen van richting
2
, o Verstrooiing: afbuiging van lichtstraling in alle richtingen (of scattering)
▪ De verstrooide straling = diffuse straling of diffuus licht
o Golflengten dichter bij grootte luchtmoleculen aerosolen worden efficiënter verstrooid
o Hoe kleiner de golflente, hoe sterker de verstrooiing
o Reden dat hemel blauw ziet, en ‘s avonds de lucht soms roos is
o Per 100 eenheden inkomende, verdwijnen 6 eenheden terug in de ruimte
- Reflectie van inkomende zonnestraling:
o Reflectie op oppervlakten onder een bepaalde hoek afhankelijk van het type oppervlak
o Albedo = de fractie van de inkomende straling die een bepaald type oppervlak weerkaatst
▪ Vb. sneeuw hoog albedo van 0,95, oceanen laag albedo van 0,10
▪ Albedo wolken afhankelijk van type wolk: dikke of dense wolken weerkaatsen meer
straling dan ijle
▪ Het planetair albedo is 0,3
o Per 100 eenheden inkomende straling:
▪ 4 eenheden weerkaatst door aardoppervlak
▪ 20 eenheden weerkaatst door bewolking
- Absorptie van inkomende zonnestraling:
o Deel geabsorbeerd door atmosfeer en omgezet in warmte
▪ Door ozon in stratosfeer
▪ Door waterdamp in troposfeer
o Per 100 eenheden, 19 eenheden geabsorbeerd door atmosfeer
Van 100 eenheden inkomende straling, verdwijnen 30 eenheden terug de ruimte in
19 eenheden geabsorbeerd door atmosfeer
Slecht 51 eenheden bereiken aardoppervlak en worden er geabsorbeerd
- Langgolvige componenten van stralingsbalans:
o Aardoppervlak straalt 117 eenheden naar boven uit
▪ Ontvangt energie van zon en van atmosfeer
o Van 117 eenheden laat atmosfeer 6 eenheden via atmosferisch venster door naar ruimte
▪ Straalt atmosfeer 64 eenheden uit naar ruimte
▪ En 96 eenheden naar beneden
▪ Komt doordat atmosfeer bovenaan kouder is dan onderaan
o Aardoppervlak verliest 23 eenheden via latente warmte en 7 eenheden via geleiding en
convectie
▪ Latente warmte is de energie nodig om een stof van één aggregatietoestand naar
een andere te doen overgaan of de energie die bij zo’n faseovergang vrijkomt
▪ Geleiding en convectie gaan warmere delen van aardoppervlak door direct contact
met onderste luchtlaag die luchtlaag opwarmen
▪ Vb. vorming van cumuluswolken
3
