Weerkunde - Hoofdstuk 3: Energiebalans en temperatuur

• natuurkunde
• HBO
• Studiejaar 3

Weerkunde - Hoofdstuk 3

Bijeenkomst 2 | 2023-2023
Vakdidactiek | Voltijd & deeltijd
Jelle Jagtenberg | Anne Hazenberg

Leerdoelen Hfdst. 3

De student kan: 

• de begrippen straling, verstrooiing, absorptie en reflectie beschrijven en hier contextvoorbeelden van geven (weten);

• het broeikaseffect beschrijven en en hier contextvoorbeelden van geven (weten);

• op basis van gegeven informatie (diagrammen, tekst, data, formules, etc.) berekeningen uitvoeren aan grootheden m.b.v. de stralingsbalans op aarde (toepassen).

• op basis van gegeven informatie (diagrammen, tekst, data, formules, etc.) voorspellingen doen over veranderingen van grootheden m.b.v. de stralingsbalans op aarde (redeneren).

Elektromagnetische straling

Voortplanting door de ruimte van elektrische en magnetische trillingen.

Trillingen die continu worden uitgezonden door een elke stof die interne energie heeft (een temperatuur boven het absolute nulpunt)

Een verzameling energetische golven

Het plant zich (in een vacuüm) voort met de lichtsnelheid

De golflengte is afhankelijk van de temperatuur van het object dat de straling uitzendt

De zon: een heet lichaam zendt veel energie uit → compact: kortgolvige straling

De aarde: een koeler lichaam zendt minder energie uit → minder compact: langgolvige straling

Elk voorwerp met een temperatuur hoger dan het absolute nulpunt (0 K = -273 °C) zendt elektromagnetisch straling uit.

Een voorwerp dat precies straling uitzendt volgens de Planckkromme wordt een zwarte straler of zwart lichaam genoemd.

In de natuurkunde is een zwarte straler of zwart lichaam een 'geïdealiseerd' (theoretisch volmaakt) object dat alle elektromagnetische straling die erop valt, absorbeert (en dus niet reflecteert).  

golflengte * temperatuur = constante van Wien

Hoe hoger de temperatuur van het object hoe meer energie er wordt uitgezonden. Hoe hoger de temperatuur hoe korter de golflengte.

De meeste straling van de zon bevat golflengten in het zichtbare deel van het spectrum, met een maximum bij geel licht (ca 550 nm).

1. a) De meeste straling van de zon bevat golflengten in het zichtbare deel van het spectrum, met een maximum bij geel licht (ca. 550 nm). Bereken de gemiddelde temperatuur van de zon.

b) De gemiddelde temperatuur van de aarde is 287 K. Bereken de golflengte van de straling die aarde uitzendt.

S=L / 4𝜋𝑑^2

De zonnestralingsconstante wordt gemeten net buiten de buitenste grenzen van de atmosfeer van de aarde, voordat er energie verloren gaat in de atmosfeer. Voor de stralingsenergie van de zon moeten we zowel rekening houden met de kracht van de straling als het oppervlaktegebied van de planeet dat wordt getroffen door (of waarvan energie wordt afgegeven). Daarom gebruiken we eenheden van watt per vierkante meter (W/m^2). De zonnestralingsconstante heeft een waarde van ongeveer 1367 W/m^2.

2. a) Beschrijf in eigen woorden wat met het begrip zonneconstante wordt bedoeld.
b) Waarom neemt de intensiteit van de zonnestraling (het vermogen per m^2) af naar de polen toe?

Is de zonneconstante constant? 

Variaties in de zonnestralingsconstante omvatten zonnevlekken, die worden veroorzaakt door intense magnetische activiteit op het oppervlak van de zon. Deze donkere vlekken kunnen, wanneer aanwezig, de stralingsuitvoer van de zon met ongeveer 0,1% verminderen.

Bekijk het filmpje op de volgende dia en geef antwoord op de volgende vraag: 

Wat gebeurt er met de straling in de atmosfeer en aan het aardoppervlak? 

Een deel van de straling wordt geabsorbeerd door de moleculen in de atmosfeer, een deel wordt in de ruimte teruggekaatst en een deel wordt verstrooid aan de luchtmoleculen en waterdruppels.

Reflectie (wolken, water)

Absorptie door o.a. water en roetdeeltjes (zwart).

Verstrooiing door luchtmoleculen, maar ook ijsdeeltjes.

Kort- en Langgolvige Straling

Kortgolvige straling: 0.2 – 3 mm

(ultraviolet, zichtbaar, en een deel van het infrarode licht)

Langgolvige straling: > 3 mm

Warmtestraling

Kortgolvige straling wordt slechts beperkt geabsorbeerd door de atmosfeer. Je zou kunnen zeggen dat de trilling te heftig is om te worden opgenomen door zoiets dun als lucht.

Zuurstof en ozon absorberen wel ultraviolet licht. Dit gebeurt op grote hoogte (~10-20 km) in de ozonlaag.

Waterdamp en koolstofdioxide absorberen een paar golflengtes in het infrarode deel van het spectrum.

Al met al komt dit neer op een absorptie van 20% van de invallende zonnestraling door de atmosfeer.

De kortgolvige straling die het aardoppervlak bereikt, warmt dat op. Doordat het in vergelijking met het oppervlak van de zon relatief koud is, gaat het langgolvige straling uitzenden.

Waterdamp, koolstofdioxide en andere gassen (zoals methaan en stikstofverbindingen) absorberen grote delen van die langgolvige straling, het broeikaseffect.

3. a) Beschrijf deze grafiek in je eigen woorden.
b) Waarom heeft de hemel nooit een groene kleur?
c) Waarom is de hemel niet violet?

(gat in) De ozonlaag

Absorptie van UV-straling beїnvloedt weer en klimaat nauwelijks (ozonlaag zit daarvoor te hoog)

Vooral van belang voor gezondheid (huidkanker).

Het ‘gat’ ontstaat door chemische reacties waarin CFKs (Chloor-Fluor-Koolstofverbindingen) een sterk versnellende rol hebben.

Andere factoren die meespelen zijn:

Lage temperaturen op Antarctica

Vulkanisme

…?
 

4. Het gedeelte dat wordt teruggekaatst heet het albedo en bedraagt voor de aarde als geheel 30%. Verklaar het verschil m.b.v. de tabel.

Verstrooing

Straling wordt verstrooid in de atmosfeer door luchtmoleculen, ijsdeeltjes, etc.

Molecuul bestaat uit atomen. Schil van elektronen om zich heen (geladen deeltjes). Getroffen door elektromagnetisch veld (licht) --> elektronen gaan met dezelfde frequentie meetrillen als van het licht --> antenne (bewegende elektronen) --> zenden zelf straling uit.

Verstrooiing is alle verschillende richtingen. 

Vliegtuigstrepen --> witte condensatiesporen --> kunstmatige wolken die ontstaan uit de uitlaatgassen --> waterdamp condenseert + bevriest (waterdamp).

5. Voor zonlicht in de atmosfeer gaat het dan om verstrooiing aan luchtmoleculen. Rayleighverstrooiing heeft als eigenschap dat kleine golflengten veel sterker worden verstrooid: een factor 16 meer voor een halvering van de golflengte. Verklaar hiermee de kleur van de lucht.

Verstrooiing

Bekijk het filmpje op de volgende slide en leg uit in welk experiment er sprake is van: 

a) Raylaighverstrooiing;

b) Mieverstrooiing.

6. Waarom wordt de aarde niet steeds warmer onder invloed van de zon?

7. a) Welke voorwerp zorgt voor het ingestraalde vermogen?
b)Welk voorwerp zorgt voor het uitgestraalde vermogen?

Pin = Puit

Welke evenwichtstemperatuur hoort hierbij? 

Na verloop van tijd is blijkbaar een evenwicht bereikt; bij een bepaalde temperatuur geldt: 

Hoe bereken je die temperatuur?

Deze vraag gaan we m.b.v. de volgende deelvragen beantwoorden. 

8. a) Hoe bereken je het oppervlak waarmee de aarde (straal R) de zonnestralen loodrecht opvangt?
b) Hoe bereken je het ingestraalde vermogen?

9. a) De uitstraling van de aarde vindt plaats in alle richtingen. Hoe bereken je dit oppervlak?
b) Hoe bereken je het uitgestraalde vermogen?

10. a) Werk Pin = Puit verder uit
b) Neem 𝑒=1 (in het infrarood is dit een redelijke aanname) en schrijf de formule met T voorop (T=…).
c) Bereken de bijpassende temperatuur.

11. Door het broeikaseffect is de temperatuur op aarde ongeveer 30 K hoger. Verklaar dit met de grafiek.

12. Leg in eigen woorden uit wat er in de afbeelding wordt weergegeven.

13. a) De instraling hangt sterk af van de geografische breedte. Op hogere breedten is de instraling veel geringer dan op lagere breedten. Leg uit hoe dit komt.
b) Je zou verwachten dat dit leidt tot een steeds groter temperatuurverschil tussen lage en hoge breedten. Dit is echter niet het geval. Leg uit hoe dit komt.

Ruimtelijke verschillen

Op onze breedte moet een zonnestraal een groter oppervlakte verwarmen dan bij de evenaar

Daarom wordt het richting de noord- en zuidpool kouder

Dit uit zich in het landschap: landschapszones:

Tropische zone

Aride zone

Gematigde zone

Boreale zone

Polaire zone

Zeestromingen

Windcirculatie

Als we naar de noordelijke Atlantische Oceaan kijken, dan zien we in het oosten, voor de kust van Europa, een gemiddelde temperatuur die veel hoger is dan in het westen, voor de kust van NoordAmerika. Dit verschil is een gevolg van het verschil in temperatuur tussen de warme Golfstroom en de veel koudere Labradorstroom. Een soortgelijk verschijnsel vinden we ook elders op aarde.  

Bij menging wordt de temperatuurverdeling in een luchtlaag veel regelmatiger. In de nacht treedt een soortgelijk (maar omgekeerd) effect op als de bodem door uitstraling snel afkoelt en de luchtlagen erboven nog warmer zijn. Dit verschijnsel, dat de temperatuur in lagere luchtlagen lager is dan die in de luchtlagen erboven, noemen we een (temperatuur)inversie. Deze treedt 's nachts op bij weinig wind en een (grotendeels) wolkenloze hemel.

23. Als we kijken naar het temperatuurverloop in de loop van een etmaal (dit noemen we de dagelijkse gang) dan valt op dat het maximum van de temperatuur niet wordt bereikt op het moment dat de zon op zijn hoogste punt staat maar pas later op de middag. Leg uit hoe dat komt.

Leg m.b.v. de afbeelding uit dat de aanwezigheid van wolken een matigende werking heeft.

Leerdoelen Hfdst. 3

Kennisdoelen:
Je kent de volgende vakinhoudelijke concepten en bent in staat eenvoudige opgaven te maken over:
- Straling van de zon.
- Verstrooiing, absorptie en reflectie.
- Stralingsbalans en temperatuur.
- Het broeikaseffect.

Reflectie op Hfdst 3.
Waarover ben je tevreden en/of ontevreden?
Waardoor ben je verrast?
Wat heb je geleerd en/of ontdekt

Practicum zwarte straler

Eén wit en één zwart voorwerp worden door dezelfde lamp verwarmd. 

a) Leg uit welk voorwerp zal na twee minuten de hoogte temperatuur hebben? 

We zetten de lamp uit. 

b) Leg uit welk voorwerp zal nu na twee minuten nog de hoogste temperatuur hebben?

In de thermodynamica zegt de stralingswet van Kirchhoff dat voor warmtestraling van lichamen geldt:

Bij thermisch evenwicht is de emissiviteit van een voorwerp gelijk aan de absorptiefactor van dat voorwerp.

In de natuurkunde is een zwarte straler of zwart lichaam een 'geïdealiseerd' (theoretisch volmaakt) object dat alle elektromagnetische straling die erop valt, absorbeert (en dus niet reflecteert). Door de absorptie van deze energie wordt de temperatuur van dit object hoger dan de omgevingstemperatuur. Deze warmte wordt aan de omgeving afgegeven in de vorm van elektromagnetische straling die warmtestraling wordt genoemd. Een 'zwarte straler' zendt altijd op alle frequenties/golflengten uit. Een zwarte straler is een ‘ideale uitzender’ en zendt, bij gegeven temperatuur, de maximaal mogelijke hoeveelheid energie per oppervlakte-eenheid uit op elke frequentie/golflengte. De emissiviteit is per definitie 1, de hoogst mogelijke waarde.