Embedded Files
Artistieke impressie van de aarde.
De aarde is de enige leefbare planeet in ons zonnestelsel. Door de samenstelling van de atmosfeer is de aarde geëvolueerd naar een planeet waar zich leven kon ontwikkelen. Temperatuur blijkt een belangrijke factor te zijn voor de leefbaarheid van een planeet. De gemiddelde luchttemperatuur dichtbij het oppervlak van de aarde bedraagt ongeveer 14.6 °C. Het is dankzij deze temperatuur dat de aarde een geschikte plek was voor organismen om zich te ontwikkelen.
We bekijken nu hoe de aarde warmte ontvangt van de zon en welke rol de atmosfeer hierin speelt.
Wat je zal leren:
Waarom is kernfusie belangrijk voor een ster?
Alle voorwerpen stralen elektromagnetische golven uit
De zon straalt voornamelijk zichtbaar licht uit
De aarde straalt infrarode straling uit
De atmosfeer is een zeer dunne laag die de aarde beschermt
De atmosfeer bestaat uit gassen, aerosolen, waterdamp en wolken
Gassen in de atmosfeer absorberen straling
Wolken reflecteren zonlicht
De zon
De zon
De zon
Kernfusie in de zon
Kernfusie in de zon
Onze meest nabije ster is de zon. Deze ster is ongeveer 4,6 miljard jaar oud en astronomen verwachten dat de zon nog eens 5 miljard jaar te gaan heeft.
Een ster is een groot hemellichaam dat uit een plasma van voornamelijk lichte elementen bestaat. Lichte elementen zijn atomen die weinig protonen bevatten, zoals waterstof en helium. Wanneer een gas zodanig verhit wordt dat de elektronen genoeg energie krijgen om los te komen van de atoomkern spreken we over een plasma.
Omdat de temperaturen in de kern van de zon oplopen tot 15 miljoen °C, hebben alle atomen hun elektronen verloren. De zon is daarom een grote bol van plasma.
Kernfusie is een manier om materie om te zetten in energie. Kernfusie ontstaat wanneer verschillende atoomkernen gecombineerd worden tot andere atomen. Hierbij komt er een grote hoeveelheid energie vrij als het nieuwe element minder massa bezit dan de oorspronkelijke elementen. De ontbrekende massa is volledig omgezet naar energie. Het was Einstein die de wereld overtuigde dat massa en energie verbonden zijn.
Kernfusie werkt efficiënt voor lichte atomen en die zijn massaal voorradig bij sterren. Door de atoomkernen te fuseren worden lichte atomen omgezet in zwaardere atomen. In een ster zoals de zon gebeurt dit voornamelijk door twee waterstof atoomkernen (H) te fuseren tot een helium atoomkern (He). Onderstaand NASA filmpje legt uit hoe een ster nadat al het waterstof uitgeput is, zal overschakelen op kernfusie tot steeds zwaardere elementen (koolstof (C), zuurstof (O),...).
Kernfusie vindt plaats in de ster.
zwarte straler
zwarte straler
Infrarood foto van een man die een zwarte zak over zijn arm heeft.
Sterlicht
Sterlicht
We weten nu al dat kernfusie de energiebron voor onze zon is, maar hoe komt een fractie van deze zonne-energie nu tot bij ons? Wel, dit warmtetransport gebeurt door middel van straling (zie eerder) afkomstig van het oppervlak van de zon. Het oppervlak van de zon wordt de fotosfeer genoemd. De temperatuur van de fotosfeer is ongeveer 6000 °C, wat heet is maar veel koeler dan de kern van de zon (ong. 15 miljoen °C). Een klein deeltje van de straling die het zonneoppervlak uitzendt, valt uiteindelijk in op de aarde. Deze zeer kleine fractie is voldoende energie om leven mogelijk te maken op aarde.
De zon als zwarte straler
De zon als zwarte straler
In de natuurkunde is er het principe van de zwarte straler. Dit principe houdt in dat elk voorwerp een specifieke vorm van elektromagnetische straling uitstraalt die we warmtestraling noemen. Door warmtestraling uit te zenden, verliezen voorwerpen energie en gaan ze dus zelf afkoelen. De temperatuur van de zwarte straler heeft 2 belangrijke gevolgen voor de uitgezonden warmtestraling:
Warmtestraling bestaat uit elektromagnetische straling op vele golflengten, maar zal voor elk voorwerp pieken bij een welbepaalde golflengte. Deze piekgolflengte is enkel afhankelijk van de temperatuur van het oppervlak van een voorwerp. Een heet voorwerp zal voornamelijk warmtestraling uitstralen met een korte golflengte. Een koud voorwerp zal eerder stralen bij langere golflengten.
De hoeveelheid energie uitgestraald per tijdseenheid wordt bepaald door de temperatuur van het object. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer energie er per seconde uitgestraald wordt. Een object met een 2 maal zo hoge temperatuur, zal 16 keer zoveel energie per tijdseenheid uitstralen.
Mensen hebben een bepaalde temperatuur en zenden dus ook warmtestraling uit. Aangezien onze temperatuur niet zo hoog is, bevindt deze menselijke warmtestraling zich in het infrarode gebied van het elektromagnetisch spectrum. We kunnen deze warmtestraling dus niet zien met onze ogen, maar wel met een infrarood camera (zie figuur hierboven).
De fotosfeer van de zon is véél warmer dan onze huid en de energie van de elektromagnetische straling die deze uitzendt is dus vele malen groter. Deze warmtestraling bevindt zich voornamelijk in het zichtbare gedeelte van het spectrum, net die elektromagnetische golven waarvoor het menselijk oog gevoelig is. Toeval?
Het elektromagnetische spectrum (van radiogolven tot gammastraling) waarbij ingezoomd wordt op het deeltje van het spectrum dat bestaat uit (voor de mens) zichtbaar licht.
Er zal later nog gesproken worden over de 'kortgolvige straling' ofwel de "shortwave radiation", hiermee wordt de warmtestraling bedoeld die afkomstig is van de zon. De straling bevindt zich in het gebied 0.1 - 2.0 micrometer wat overeenkomt met nabije IR straling, het zichtbare spectrum en nabije UV straling.
Dat de warmtestraling niet precies uit één golflengte bestaat, kan je zien in de simulatie hiernaast. Het is wel zo dat de meeste warmtestraling wordt uitgezonden in de buurt van één golflengte. Dit is de golflengte die overeenkomt met het maximum van het spectrum. Dit spectrum toont hoeveel straling er wordt uitgezonden door een voorwerp met een welbepaalde temperatuur voor verschillende golflengten.
Klik op de afbeelding hiernaast om de invloed van de temperatuur op de uitgezonden straling te onderzoeken. Duidelijk hierbij is dat de meeste straling van de zon wordt uitgezonden rond het zichtbare gedeelte van het spectrum. (Je geeft hiervoor Javascript toestemming)
Het spectrum van de zon en de aarde als zwarte straler
Stralingsrichting van de langgolvige straling in de atmosfeer en op het aardoppervlak.
De aarde als zwarte straler
De aarde als zwarte straler
Het aardoppervlak heeft ook een temperatuur en straalt dus ook warmtestraling uit. Doordat de temperatuur van het oppervlak van de aarde ongeveer 15 °C is, zal de warmtestraling veel beperkter zijn en een langere golflengte hebben dan de warmtestraling afkomstig van de zon. De aardse warmtestraling bevindt zich in het infrarode deel van het elektromagnetische spectrum, tussen de 2.0 - 40 micrometer, wat we niet kunnen zien met het blote oog. Bemerk dat er eigenlijk geen overlap is tussen het spectrum waarbij de zon uitstraalt en het spectrum waarbij de aarde straalt.
De straling uitgezonden door het aardoppervlak is gericht zoals de illustratie hiernaast. De pijltjes stellen hier de richting voor van de uitgezonden langgolvige straling. De atmosfeer, en wat zich er in bevindt, heeft net als het aardoppervlak een temperatuur en straalt dus ook. Deze straling is isotroop, wat wil zeggen dat deze straling wordt uitgezonden in elke richting. Een deel van deze uitgezonden straling wordt uitgestuurd naar de ruimte en een deel richting de aarde. Het deel gericht naar het aardoppervlak zal, net als de invallende zonnestraling, het aardoppervlak opwarmen.
De warmtestraling die de aarde uitzendt, duiden we verder aan als 'langgolvige straling' ofwel de "longwave radiation" en bevindt zich in het IR gedeelte van het elektromagnetische spectrum. Het is door het uitstralen van deze elektromagnetische golven dat het aardoppervlak kan afkoelen.
Het medium
Het medium
Voorstelling van de aarde en de zon.
Eens het zonlicht (= kortgolvige straling) het zonneoppervlak heeft verlaten, verplaatst het zich aan de lichtsnelheid in een rechte baan. De ruimte tussen de zon en de aarde is zo goed als leeg; er bevinden zich amper moleculen of atomen in deze ruimte. Daarom wordt er ook gesproken over een vacuüm waarbij we veronderstellen dat er zich niets bevindt tussen de zon en onze planeet.
De straling die de zon uitzendt, gaat in alle richtingen, wat we in de natuurkunde isotroop noemen. Het is uiteindelijk maar een zeer klein deel van deze straling die op de aarde invalt. Het overgrote deel van de zonnestraling wordt in andere richtingen uitgestuurd. Doordat de zon zo'n gigantische hoeveelheid energie uitstraalt, bereikt elke seconde ongeveer 1,75 x 10^17 J aan stralingsenergie de aarde (aan de top van de atmosfeer, niet aan het oppervlak).
De zon als een isotrope straler.
Belangrijk om te onthouden:
Belangrijk om te onthouden:
Het licht dat we ontvangen van de zon is afkomstig van het oppervlak van de zon.
Elk voorwerp straalt elektromagnetische straling uit. De hoeveelheid stralingsenergie en de golflengte waarbij de meeste straling uitgezonden wordt, is bepaald door de temperatuur van het voorwerp.
De straling die de zon uitzendt, bevindt zich voornamelijk rond het zichtbare gedeelte van het spectrum en deze wordt de kortgolvige straling genoemd.
De straling die de aarde uitzendt, bevindt zich in het infrarode gedeelte van het spectrum en deze wordt de langgolvige straling genoemd.
De atmosfeer
De atmosfeer
De dikte van de atmosfeer ten opzichte van de aarde is vergelijkbaar met de dikte van de schil van een appel.
De atmosfeer is een laag van gassen, deeltjes en wolken die omheen de aarde ligt. Deze gassen worden dichtbij de aarde gehouden door de zwaartekracht. De atmosfeer lijkt groot wanneer je vanop het aardoppervlak omhoog kijkt, maar in vergelijking met de aarde gaat het maar om een zeer dun laagje. De dikte van de atmosfeer kun je vergelijken met de schil van een appel, waarbij de appel de aarde voorstelt.
De atmosfeer is van uiterst belang voor het leven op aarde, ze beschermt ons tegen schadelijke straling en invallende meteoren, zorgt voor een leefbare gemiddelde temperatuur,... Veranderingen in deze atmosfeer kunnen dan ook enorme gevolgen hebben voor de bewoners van de aarde.
De atmosfeer bestaat uit verschillende lagen.
Door de zwaartekracht van de aarde wordt de atmosfeer zo dicht mogelijk tegen het oppervlak gehouden. Hierdoor bevindt 99% van de atmosfeer zich binnen een hoogte van 30 kilometer. De top van de atmosfeer is niet echt duidelijk gedefinieerd omdat de atmosfeer hogerop zo ijl wordt dat de overgang met de ruimte zeer geleidelijk verloopt.
De atmosfeer is opgedeeld in verschillende lagen. Deze lagen hebben elk hun eigen naam: troposfeer, stratosfeer, mesosfeer en thermosfeer. Elke laag heeft bepaalde eigenschappen en functies. Voor het dagelijkse leven is de troposfeer de belangrijkste. Dit is de atmosferische laag het dichtst bij het aardoppervlak en reikt tot ongeveer 10 km hoogte op onze breedtegraad waar ze begrensd wordt door de zogenaamde tropopauze. In de tropen bevindt de tropopauze zich hoger op ongeveer 17 km hoogte boven het aardoppervlak. Alle dagdagelijkse weerfenomenen spelen zich af in deze laag.
Samenstelling van de atmosfeer
Samenstelling van de atmosfeer
De atmosfeer is opgebouwd uit verschillende gassen. De meest voorkomende gassen in de atmosfeer zijn stikstof N2 (78%) en zuurstof O2 (21%). Daarnaast maakt argon Ar (0,9%) ook een aanzienlijk deel uit van de atmosfeer. De procentuele fracties van deze gassen zijn constant tot een hoogte van 80 km. Let op, deze fracties gelden voor droge lucht. Bij vochtige lucht is er ook nog een belangrijke fractie waterdamp H2O. Behalve de bovenstaande stoffen zijn er ook nog kleine fracties van ozon, koolstofdioxide, methaan,... aanwezig in onze atmosfeer.
Deze verschillende gassen zullen interageren met de straling die doorheen de atmosfeer gaat. Een van de belangrijkste interacties is absorptie. Hierbij zal het gas een deel van de straling absorberen. De voornaamste stoffen in de atmosfeer die straling absorberen zijn de volgende:
waterdamp (H2O)
koolstofdioxide (CO2)
methaan (CH4)
ozon (O3)
Deze gassen zullen straling absorberen maar welke straling ze absorberen is sterk verschillend. Zo zal ozon voornamelijk UV straling absorberen maar koolstofdioxide zal dan weer in het IR gedeelte van het spectrum absorberen. Klik op de knoppen hiernaast als je meer wilt ontdekken over deze belangrijke atmosferische componenten.
absorptie in de atmosfeer
absorptie in de atmosfeer
Moleculen hebben de eigenschap om straling te absorberen. De mate waarin straling geabsorbeerd wordt, is afhankelijk van de molecule en de golflengte van de straling.
De zon en de aarde als zwarte stralers waarbij de invloed van de absorberende gassen is aangegeven.
Absorptie
Absorptie
Hierboven zie je een grafiek waarbij de absorptiespectra worden getoond voor een aantal belangrijke moleculen in de atmosfeer. Men spreekt over een absorptiespectrum omdat een molecule selectief is in welke golflengte geabsorbeerd wordt, en welke niet. Zo kun je zien dat zuurstof en ozon (oxygen and ozone in de figuur) voornamelijk absorberen in het UV gedeelte en dus belangrijk zijn in de absorptie van invallende zonnestraling.
Waterdamp (water vapor) en koolstofdioxide (carbon dioxide) absorberen dan weer voornamelijk in het IR spectrum en zorgen er dus voor dat de straling die de aarde uitzendt deels geabsorbeerd wordt. Deze atmosferische gassen absorberen de infrarode straling, worden daardoor warmer, en stralen op hun beurt energie uit. Het gaat hier ook om IR straling die deels opnieuw richting aardoppervlak gaat. Hierdoor kan het aardoppervlak minder snel afkoelen en is de temperatuur aan het oppervlak hoger dan zonder atmosferische broeikasgassen. De stoffen die in het IR gebied sterk absorberen noemen we broeikasgassen. Onze aarde heeft een natuurlijk broeikaseffect wat betekent dat er van nature uit broeikasgassen in onze atmosfeer aanwezig zijn. Maar sinds de industriële revolutie hebben menselijke activiteiten (bv. fossiele verbranding) ervoor gezorgd dat de concentraties aan broeikasgassen toenemen en dus verwachten we een versterking van dit broeikaseffect.
emissie
emissie
In de figuur hierboven kun je ook het emissiespectrum vinden van de zon en de aarde. Bij de zon geeft dit aan welk deel van de invallende zonnestraling het aardoppervlak bereikt, en bij de aarde geeft dit aan welk deel van de uitgaande aardse straling er aan de top van de atmosfeer geraakt. Je kan een duidelijke overeenkomst bemerken met de emissiespectra van zwarte stralers met temperaturen gelijk aan die van de zon (volle rode lijn) en aarde (volle blauwe lijn). Het is echter duidelijk dat er aanzienlijke delen van het emissiespectrum geabsorbeerd worden, dit geldt zowel voor de kortgolvige straling als voor de langgolvige straling. Dit komt omdat de moleculen in de atmosfeer selectief bij specifieke golflengtes absorberen. De energie die door de gassen wordt geabsorbeerd, zal de temperatuur van dat gas doen stijgen. Hierdoor zal dit gas meer energie uitstralen in de vorm van langgolvige straling, die voor een deel op de aarde invalt en voor een deel naar de ruimte gaat.
Hieronder kan je zelf ontdekken welke moleculen straling kunnen absorberen. Je hebt rechts de keuze uit een aantal moleculen die voorkomen in de atmosfeer. Met de schakelaar op de lamp kan je deze aanzetten. Onder het venster kan je kiezen welke straling de lamp uitzendt.
Gebruik deze applicatie om de vragen hieronder te beantwoorden.
Wolken
Wolken
De atmosfeer bevat veel waterdamp wat een onzichtbaar gas is. Deze waterdamp kan condenseren om zo waterdruppels te vormen. Deze verzameling van waterdruppels vormt dan een wolk die we uiteraard wel kunnen zien.
Bekijk hiernaast het filmpje over wolkenvorming alvorens verder te gaan.
Je kan de ondertiteling op Nederlands zetten door rechts onder te klikken op "instellingen" en dan kan je Nederlands kiezen bij "ondertiteling".
Behalve het transport van water en energie van de oceaan naar de atmosfeer hebben wolken ook een belangrijke invloed op wat er met de straling in onze atmosfeer gebeurt. De rol van wolken op de temperatuur aan het oppervlak is dubbel:
Een deel van de kortgolvige straling die invalt op een wolk wordt gereflecteerd. Dit weerkaatste zonlicht verlaat de atmosfeer zonder het oppervlak van de aarde te bereiken. Wolken koelen het aardoppervlak af wanneer er inkomende kortgolvige straling is (= overdag).
Anderzijds zullen wolken ervoor zorgen dat het aardoppervlak trager afkoelt. Ze zullen namelijk de langgolvige straling, afkomstig van het aardoppervlak, absorberen en een deel ervan terugstralen naar het aardoppervlak. De wolken isoleren als het ware het aardoppervlak.
Dit tegenstrijdig effect van bewolking op straling is een van de grootste onzekerheden bij het modelleren van klimaatverandering op aarde.
Distributie van druppels in een wolk.
Het proces waarbij druppels in een wolk botsen en samensmelten.
Wolken reflecteren inkomende kortgolvige straling.
Het effect van de wolken en van de broeikasgassen op de temperatuur kan gesimuleerd worden met computers. Als je op de rode knop hieronder klikt, kom je op een vereenvoudigde simulatie uit.
Je kan de temperatuur aan het aardoppervlak volgen in de grafiek die wordt weergegeven. De hoeveelheid aan broeikasgassen en wolken kan je veranderen door op Add GGasses en Add Cloud te klikken, je kan deze ook verminderen op de knop ernaast. Het albedo, het vermogen van de zon en de snelheid van de simulatie kan ook veranderd worden met de schuifschakelaars bovenaan. Het albedo (komt later nog aan bod) is de mate waarin het aardoppervlak de inkomende kortgolvige straling reflecteert. Deze gereflecteerde straling wordt dus niet geabsorbeerd door het aardoppervlak en zal het aardoppervlak bijgevolg niet opwarmen.
De gele pijltjes stellen de kortgolvige straling voor en de rode pijltjes de langgolvige straling.
Lukt het jou om:
het afkoelend effect van bewolking overdag waar te nemen?
de invloed van de broeikasgassen terug te vinden?
het verschil tussen een hoog en laag albedo te onderzoeken?
Belangrijk om te onthouden:
Belangrijk om te onthouden:
De atmosfeer beschermt de aarde tegen schadelijke straling, meteorieten en zorgt voor een leefbare temperatuur.
De atmosfeer wordt opgedeeld in verschillende lagen, elke laag heeft specifieke eigenschappen. De troposfeer is de belangrijkste laag voor het leven op aarde.
De verschillende moleculen in de atmosfeer absorberen straling bij specifieke golflengten.
Het broeikaseffect is (voornamelijk) een natuurlijk proces met de voornaamste bijdrage van waterdamp in de atmosfeer.
De invloed van Vulkanen op de temperatuur
De invloed van Vulkanen op de temperatuur
Figuren:
Kernfusie in de zon:http://www.extremescience.com/sun.htmhttp://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/olson1/http://www.derekscope.co.uk/stars-and-galaxies-20th/star/http://www.sr.bham.ac.uk/xmm/supernova.htmlSterlicht:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/44/Human-Infrared.jpghttps://www.researchgate.net/figure/Schematic-representation-of-the-light-spectrum-page-12-dossier-Science-on-quantum_fig4_259946278http://agron-www.agron.iastate.edu/courses/Agron541/classes/541/lesson03b/3b.1.htmlHet medium:https://universavvy.com/which-is-bigger-earth-or-sunhttps://www.shutterstock.com/video/clip-6578342-rotating-black-sphere-rays-lighthttps://www.thegospelcoalition.org/blogs/trevin-wax/earth-day-mother-earths-defeat-becomes-stunning-victory/Leefbare aarde:http://www.scienceshorts.com/interesting-facts-about-the-earths-crust/banner : https://blog.memd.me/surviving-the-heat-wave-tips-for-handling-extreme-high-temperatures/De zon:http://www.cas.usf.edu/~jryan/sun.htmlDe atmosfeer:https://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Space_for_our_climate/Ozone_ups_and_downs/(print)https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/db/Photosynthesis.gifHet aardoppervlak:https://www.geology.illinois.edu/cms/One.aspx?portalId=127672&pageId=246824Google Sites
Report abuse