In dit hoofdstuk wordt het onderwerp vliegtuigstrepen theoretisch ingekaderd. Aan de hand van Strahler(2013) wordt behandeld wat er reeds bekend is over het ontstaan van wolken. Omdat het onderzoek gaat over de effecten van vliegtuigstrepen op het weer, komen ook de stralingsbalans en het broeikaseffect aan bod.
3.1 W
OLKENVORMING Het fysische procesHet ontstaan van wolken is een onderdeel van de waterkringloop (zie figuur 3). Jaarlijks wordt meer dan 400 biljoen ton water in beweging gebracht. Het water uit de oceanen en continenten verdampt en verandert in waterdamp: een onzichtbaar gas.
Figuur 3 De waterkringloop (bron: Max Planck Institute for Meteorology, 2015)
Als de kolom lucht (die de waterdamp bevat) opwarmt, stijgt deze lucht op. Opstijgende lucht zet uit en koelt af. Het is bekend dat koude lucht veel minder waterdamp kan bevatten dan warme lucht. Op een bepaald punt in de atmosfeer is het verzadigingspunt of dauwpunt bereikt; dit houdt in dat de damp gaat condenseren in kleine waterdruppeltjes of ijskristallen, die zich hechten aan de
stofdeeltjes (condensatiekernen) die in de atmosfeer aanwezig zijn. Deze condensatiekernen bestaan bijvoorbeeld uit minuscule zoutkristallen, of bestanddelen van gesteente-oppervlakten of
uitlaatgassen. Miljarden van dit soort druppeltjes samen vormen een zichtbare wolk.
Wolkensoorten
Er worden tien soorten wolken onderscheiden die allen alleen ontstaan bij de juiste condities;
verticale luchtbewegingen en horizontale luchtbewegingen (Floor, 2009 ). Verticale luchtbewegingen zorgen bijvoorbeeld voor stapelwolken, terwijl horizontale luchtbewegingen in combinatie met verticale luchtbewegingen zorgen voor gelaagde wolken met een groot oppervlak. In figuur 4 is dit goed zichtbaar.
DE JONG, MIDDEL & OOSTERHAVEN 7
Figuur 4 Wolkensoorten (bron: (Floor, Weerkunde, Meteorologie voor iedereen, 2015).
Begin 19e eeuw ontwikkelde Luke Howard, een amateurmeteoroloog, een systeem voor het onderscheiden van wolken. Hij classificeerde wolken naar vorm en hoogte en kwam uit op drie groepen: hoge wolken, middelhoge wolken en lage wolken. Hoge wolken werden samengevat met de Latijnse naam ‘cirrus’. Hiertoe behoren: cirrus, cirrocumulus en cirrostratus. Cirruswolken worden ook windveren of sluierwolken genoemd. Ze behoren tot de hoge wolken en zijn, door de kou op deze hoogten, gevormd tot ijskristallen. Op hoogten tot 18 kilometer kunnen ze een snelheid van 150 à 300 kilometer per uur bereiken. Daardoor worden ze ver uit elkaar getrokken. Het zonlicht kan veelal goed door deze dunne ijslagen heen dringen. In de schemering lichten de cirruswolken op in intense kleuren. Cirruswolken vormen vaak een voorbode van slecht weer (Uitgeverij Contmedia, 2014).
Middelhoge wolken vatte Howard samen onder de term ‘alto’. Hieronder vallen de altostratus en altocumulus.
De lage wolken, die zich bevinden tot twee kilometer hoogte, zijn stratocumulus en stratus. Ook de wolken met een verticale opbouw vallen onder de klasse ‘lage wolken’, omdat zij hun basis hebben in de lage wolken. Het gaat hier om cumulus, cumulonimbus en nimbostratus (De aarde, 2014, pp. 44-47).
Wolken hebben effect op het weer en klimaat doordat ze straling van de zon en de aarde reflecteren of absorberen. In paragraaf 2.2 bespreken we hoe dit stralingsproces in zijn werk gaat.
3.2 S
TRALINGDe aarde absorbeert constant kortgolvige straling van de zon en zendt lange golf straling terug richting de ruimte (Strahler, 2013, p. 63). Op de lange termijn is sprake van een balans: er wordt evenveel straling opgenomen als uitgezonden.
DE JONG, MIDDEL & OOSTERHAVEN 8
JANUARI 2015 [KLIMAATONDERZOEK: EEN ONDERZOEK NAAR DE EFFECTEN VAN CONTRAILS]
Wolken spelen twee rollen bij de stralingsbalans van de aarde. Enerzijds houden ze straling van de zon tegen (albedo-effect) en anderzijds absorberen ze straling van het aardoppervlak. Volgens Strahler (2013, p. 71) bereikt bij een heldere lucht 80% zonnestraling de aarde en wordt 20%
teruggekaatst. Bij bewolking bereikt een minder groot percentage zonnestraling de aarde. Gemiddeld wordt bij bewolking 30-60% van de zonnestraling teruggekaatst, 5-20% wordt door de wolken
geabsorbeerd en uiteindelijk bereikt 10-45% het aardoppervlak. Figuur 5 laat schematisch zien hoe wolken de stralingsbalans beïnvloeden.
De effecten van wolken op de stralingsbalans hangen af van het type wolk, de dikte en de
vochtinhoud (Strahler, 2013, p. 186). Lage, dikke wolken hebben de neiging straling te reflecteren en zorgen daardoor voor afkoeling. Hoge, dunne wolken absorberen juist lange golfstraling van de aarde en zorgen voor opwarming. Op dit moment wordt aangenomen dat het verkoelend effect groter is dan het opwarmend effect; er is sprake van een zogenaamde ‘negatieve feedback’ (Strahler, 2013, p.
186). Klimaatmodellen voorspellen echter dat het verkoelend effect af zal nemen.
In de volgende paragraaf wordt nader ingegaan op het broeikaseffect en de gevolgen voor het klimaat.
3.3 K
LIMAATVERANDERING DOOR BROEIKASEFFECTIn het laatste decennium zijn bijna alle wetenschappers tot de conclusie gekomen dat het klimaat is gaan veranderen door menselijke activiteit (Strahler, 2013, p. 14). De reden hiervoor is het
zogenaamde versterkte broeikaseffect.
Het broeikaseffect houdt in dat de lange golf straling die de aarde richting de ruimte stuurt,
geabsorbeerd wordt door de atmosfeer (Strahler, 2013, p. 71). De aanwezigheid van waterdamp en broeikasgassen, waarvan koolstofdioxide (CO2) de bekendste is, spelen hierbij een grote rol. Veel van deze gassen absorberen de straling die de aarde omhoog stuurt. Ze werken in de atmosfeer dus net als een broeikas: de zonnestralen gaan door het glas heen en het glas houdt de warmte vast. In figuur 6 is dit proces visueel inzichtelijk gemaakt.
Figuur 5 Het 'lot' van de inkomende zonnestralen (bron: Strahler, 2013, p. 70)
DE JONG, MIDDEL & OOSTERHAVEN 9
Het broeikaseffect is een natuurlijk proces (Brinke e.a., 2007, p.81). Zonder het broeikaseffect zou het op aarde te koud zijn om te kunnen leven. Het probleem is echter dat door menselijke activiteit er een sterke toename is van broeikasgassen in de lucht, waardoor een versterkt broeikaseffect ontstaat. Hierdoor is de temperatuur in de twintigste eeuw met ongeveer 0,7˚C gestegen en zal naar verwachting de komende honderd jaar nog verder stijgen (Brinke e.a., 2007, p. 82).
CO2 komt in de lucht door verbranding van fossiele brandstoffen en door ontbossing. Voor dit onderzoek is met name de verbranding van fossiele brandstoffen van belang, omdat vliegtuigen deze gebruiken en op die manier dus bijdragen aan een toename van broeikasgassen in de lucht met als gevolg een versterkt broeikaseffect en opwarming van de aarde.
Figuur 6 Een broeikas en het broeikaseffect (bron:
Strahler, 2013, p. 73).
DE JONG, MIDDEL & OOSTERHAVEN 10
JANUARI 2015 [KLIMAATONDERZOEK: EEN ONDERZOEK NAAR DE EFFECTEN VAN CONTRAILS]