• Boekhouden: wat gaat er door de systeemgrens?

Atmosfeer Aarde

Energiebalans aarde: systeemgrens

Energiebalans

• Boekhouden: wat gaat er door de systeemgrens?

• Wat zijn de uitgaande stromen?

• Wat zijn de ingaande stromen?

• Is er accumulatie?

Reflectie: 30%

Zonn estra

ling

Atmosfeer Zon

Aarde

Zonn estra

ling

De aarde: Energie-instroom

Reflectie: 30% Zonn

estra ling

Atmosfeer Zon

Aarde

Zonn estra

ling

Warmtes traling

van oppervlak

Warmte straling

De aarde: Energiestromen

Energiestroom-UIT

Te begrijpen als straling van een Zwart Lichaam

Spiro, 2

^e

druk p.146

• Zwart Lichaam straalt Energie uit

• Piek Intensiteit f(T)

• λ_piek= c/T_piek

• Zon: 6000K

• Aarde: 288K

• Intensiteit = f (T⁴)

• S = σT

⁴

• σ

= 5,67  10^-8  T⁴ [W/m²K⁴]

Zon

Aarde

Reflectie: 30%

Zonn estra

ling

Atmosfeer Zon

Aarde

Zonn estra

ling

Warmtestraling van oppervlak

Warmte straling

De aarde: een broeikas 2

• Energiebalans Aarde:

• In = zonnestraling

• Uit = warmtestraling (IR)

• Totaal = 0 (Evenwicht)

• Zonnestraling: “gegeven”

• Infrarood-uit:

• ~ (T_aarde) ⁴

• ~ absorptie CO₂; H₂O; CH₄

Energiebalans

• Instraling zon

• Zonne-energie op aarde = 324,5 [W/m²]

• Albedo (reflectiefactor) = 0.3

• S = (1-Albedo)  324,5 = 240 [W/m²]

• Uitstraling Aarde

• S = kT⁴ = 5,67  10^-8  T⁴ [W/m²]

• Gelijkstellen en oplossen:

• Taardoppervlak = 255 [K] = -18 [°C]

• Werkelijkheid

• Taardoppervlak = 288 [K] = +15 [°C]

• er is dus veel méér uitstraling van aardoppervlak

• Oorzaak: het broeikas-effect

Reflectie: 30%

Zo nn

estra ling

Atmosfeer Zon

Aarde

Zonn estr

aling

Warmtestraling van oppervlak

Warmte straling

• Geen atmosfeer

T_aarde

= 255 K (-18

^o

C)

• Met atmosfeer

T_aarde

= 288 K (+15

^o

C)

De aarde: een broeikas

Broeikaseffect

Dus…

Het broeikaseffect is GEWENST, want

de temperatuur op de aarde blijft veel hoger dan anders het geval zou zijn geweest

(288 K = 15C i.p.v. 255 K = - 18C)

VERSTERKTE broeikaseffect is ONGEWENST, want

de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt 1.1 tot 6 graden in de 21^ste eeuw

Broeikaseffect

• Definitie: “Het optreden van temperatuurverhoging door belemmering van infrarode straling.”

• Karakteristiek aarde

• De atmosfeer is

vrijwel geheel doorlatend

voor de straling van de zon; er vindt wel reflectie van zonnestraling door wolken en het aardoppervlak plaats

• De atmosfeer is maar

beperkt doorlatend

voor de door de aarde uitgezonden infrarode straling; een deel van de

uitgezonden straling wordt geabsorbeerd, en weer in alle richtingen uitgezonden; netto wordt dus IR straling naar de aarde teruggezonden!

Model: atmosfeer als “plaat”

die deel IR straling “terugkaatst ”

Aardoppervlak Atmosfeer Sin, zon

Grens met de ruimte

Suit, aardoppervlak Sterug, atmosfeer

Suit, atmosfeer

Atmosfeer als plaat

Aardoppervlak Atmosfeer S_{in, zon}

Grens met de ruimte

Suit, aardoppervlak Sterug, atmosfeer

Suit, atmosfeer

Golflengte spectrum

• Van gamma en rontgen, via zichtbaar licht, naar

infrarood, microgolven, en radiogolven

Elektromagnetische straling

Naar toenemende golflengte:

• gammastraling

• röntgenstraling

• ultraviolet

• zichtbaar licht

• infrarood

• microgolven (radar)

• radiostraling

Versterkt broeikas-effect?

• Infrarode straling (IR) wordt geëmitteerd door het

aardoppervlak

• IR wordt geabsorbeerd &

verspreid door moleculen in atmosfeer- “broeikasgassen”

• Slechts klein “atmospheric window” wordt direct

doorgelaten

• Gassen met absorptie in dat

“window” zijn meest sterke broeikasgassen

Spiro 1

^e

druk, p.121

Golfgetal:

Golfgetal:

H₂O CO₂ CH₄ O₃

Atm.

Window Atm.

Window H₂O

CO₂ CH₄ O₃

H₂O CO₂ CH₄ O₃

Karakteristieken broeikasgassen

CO₂ CH₄ N₂O CFK11

pre-industr. conc. [ppm] 270 0,70 0,29 0

huidige concentr. [ppm] 385 1,7 0,31 0,00028

jaarlijkse toename [%] 0,5 0,9 0,25 4

atmosf. levensduur [jaar] 50-200 10 150 65

GWP (CO₂ = 1) 1 25 298 4750

GWP is een functie van “Atmospheric Window”, (toename) concentratie en levensduur in de atmosfeer

Global Warming Potential (# Radiative Forcing!)

GWP maakt mogelijk om gassen te vergelijken

GWP: is gedefinieerd als:

het effect van één ton broeikasgas op de temperatuurstijging

genormaliseerd op het effect van één ton CO₂

Duiding effect broeikasgassen voor beleidsmakers; Hoe?

• Gebruik de

energiebalans

van de aarde

• Dit is een stralingsbalans; in=uit= +/- 240 [W/m²] gemiddeld over de gehele aarde

• Vertaal emissie van broeikasgassen naar effect op de gemiddelde globale (wereld) energiebalans

•

Radiative forcing

[W/m²]: netto bijdrage aan inkomende straling of vermeden uitgaande straling

• Berekend uit/met uitgebreide klimaatmodellen

Radiative forcing [W/m ² ]

Zie Spiro 1

^e

druk pag. 123

Radiative Forcing – stand van zaken (IPCC, 2001)

• Figuur 6.11 uit Spiro

• (IPCC, "Summary for Policy Makers", 2001; http://www.unep.ch/ipcc/pub/spm22-01.pdf).

Radiative forcing (IPCC, 2007)

Energiebalans Aarde

een onoverzichtelijk plaatje uit Spiro

• Spiro, 2

^e

druk p. 148

Wolkvorming

• Wolken reflecteren zonlicht

• ,, absorberen zonlicht

• ,, geven IR-straling af

• Al het materiaal in de atmosfeer

• zendt IR straling uit in alle richtingen

• wordt opgewarmd door verdamping & thermiek

• opname en “scattering” van IR-straling afkomsting

van het aardoppervlak

Koppelingen

• Waterdamp

• Ijs-albedo

• Wolken

• Oceaanstromingen

• Hydrologische kringloop

• Verwoestijning-albedo

Koppelingen – via koolstof

• Biosfeer

• CO

₂

in oceanen

• Permafrost

• Verdroging/bosbranden

• Organisch materiaal bodem