7 Bij het bevriezen van het water komt warmte vrij, die wordt afgestaan aan de bloesem (en de lucht)

K3 Aarde en klimaat Stromingen in de aarde, de atmosfeer en de oceanen| havo

Uitwerkingen basisboek (N.B. dit is de conceptversie voor de snelle leerlingen, die nog niet gecontroleerd is)

K3.1 INTRODUCTIE 1

[W] Experiment: Pap koken

2

[W] Experiment: Drijven, zinken, zweven en opwaartse kracht

3

[W] Experiment: Warmte bepalen

4

[W] Experiment: Condensatie en dauwpunt

5

[W] Voorkennistest

6

Waar of niet waar? a Niet waar: Een boot van eikenhout (of staal) kan ook blijven drijven door een holle vorm van de boot, de opwaartse kracht van het water duwt de boot omhoog. b Waar c Waar d Niet waar: ‘Puf, puf, … wat een hoge temperatuur, het is hier wel 35 °C. e Niet waar: Een koelkast onttrekt warmte aan het eten dat erin ligt. f Niet waar: Koken van water gebeurt bij 100 °C. Een hardgekookt ei heeft dezelfde temperatuur als een zachtgekookt ei. g Waar h Waar

7

Bij het bevriezen van het water komt warmte vrij, die wordt afgestaan aan de bloesem (en de lucht).

8 a b c

Bij het condenseren ontstaat warmte, die moet worden afgestaan buiten de koelkast. De compressor, hierin wordt de waterdamp samengedrukt zodat hij condenseert. Dan kan de warmte van de compressor niet weg en wordt uiteindelijk alles in de kast warmer.

a

1 Een bord met een grotere diameter heeft een grotere massa, er kan meer warmte (van de soep) naar het bord voordat beide uiteindelijk dezelfde temperatuur hebben. En het contactoppervlak tussen de soep en het bord is dan groter zodat het verwarmen van het bord sneller gaat. 2 Bij een bord met een grotere diameter is de oppervlakte van de soep groter, dus kan er meer /sneller water verdampen en zo warmte aan de soep onttrekken. Je blaast de waterdamp weg zodat de lucht ‘droger’ wordt en er geen waterdamp weer kan condenseren in de soep.

9

b

© ThiemeMeulenhoff bv

CONCEPT

Pagina 1 van 17

K3.2 STROMINGEN IN DE AARDE 10

[W] Experiment: Convectiestroming

11

Waar of niet waar? a Waar b Niet waar: P-golven zijn longitudinale aardbevingsgolven en komen altijd als eerste aan. c Niet waar: S-golven worden niet in vloeibaar materiaal doorgegeven. d Waar e Niet waar: Oceanische aardkorst is dunner dan continentale aardkorst. f Niet waar: Nederland lag een paar honderd miljoen jaar geleden nog in de buurt van de evenaar. g Waar h Niet waar: IJsland bestaat minder dan 100 miljoen jaar, want het ligt een stuk dichter bij de MOR dan de halve afstand van de MOR tot een continent. En de hele Atlantische oceaanbodem is gegroeid in 200 miljoen jaar.

12 a

b

c

13

De aardkorst is minder zwaar geworden toen het ijs smolt. De aardkorst ‘drijft’ als het ware op de mantel. De opwaartse kracht van de mantel duwt de aardkorst van Scandinavië omhoog als het ijs er op verdwijnt. Dat de stijging nog steeds doorgaat, ook al is al het ijs al lang verdwenen, komt doordat de mantel niet echt vloeibaar is. Als je een blokje hout in de strooppot onder duwt, duurt het ook even voordat het boven komt drijven. Als de korst van West-Europa en Scandinavië één geheel is werkt dit als een soort wipwap: als de ene kant (Scandinavië) omhoog gaat, beweegt de andere kant naar beneden. De zeespiegel kan in Nederland stijgen doordat: - de aardkorst van west Europa en Scandinavie een beetje kiepert: Scandinavie komt omhoog en Nederland zakt, - doordat het ijs op Groenland en Antarctica smelt en de zee in stroomt zodat het zeeniveau over de hele wereld stijgt, - de temperatuur van het zeewater wereldwijd stijgt en al het water dus een beetje uitzet.

Nederland lag ooit in de buurt van de evenaar (in het Pangea), daar heerst een tropisch klimaat.

14 a

De zouten in het zeewater zijn door rivieren aangevoerd. Als regenwater door en over de grond naar beken en rivieren stroomt en dan naar zee, lossen er onderweg zouten in op. Het rivierwater is daardoor een heel klein beetje zout. Zo is in de loop van honderden miljoenen jaren het zout in de zeeën en oceanen gekomen. Bij verdamping van zeewater gaan de zouten niet mee. Warmte is bewegingsenergie van de moleculen. Hoe hoger de temperatuur van een gas of damp, des te groter is de gemiddelde snelheid van de moleculen van dat gas (hoofdstuk 3). In die eerste fase van de aarde was de temperatuur van het aardoppervlak en de toenmalige atmosfeer nog zo hoog dat de gemiddelde snelheid van de watermoleculen in die atmosfeer zo groot was dat ze ontsnapten aan de zwaartekracht van de aarde.


CONCEPT

Pagina 2 van 17

15 a b

De Azoren liggen veel noordelijker, dus beter op de route Europa – Amerika. De Azoren liggen dicht bij de mid-oceanische rug (MOR), hier komt het hete magma omhoog en verwarmt de daar dunne aardkorst van onder. Op plaatsen waar de warmtegeleiding door de aardkorst goed is wordt zo het grondwater verwarmd.

16

Eigen antwoord van de leerling

17

De leeftijd van de aarde is ruim 4 miljard jaar. Bij een halveringstijd van bijvoorbeeld 40 miljoen jaar zouden die isotopen dan100 keer in aantal gehalveerd zijn, dan is er zo goed als niets meer over van deze isotopen (1/2100 = 8 ∙ 10−31 ).

18 a b

c

d

Het temperatuurverschil tussen de bol en het zeewater wordt steeds kleiner. Daardoor wordt de warmtestroom kleiner en wordt er steeds minder warmte afgegeven. Het volume, en dus ook de massa, is evenredig met r3, en de oppervlakte is evenredig met r2, dus een 2 x zo grote straal betekent een 23 = 8 x zo grote massa en een 22 = 4 x zo grote oppervlakte. Een grote stenen bol heeft in verhouding een veel grotere massa dan dat de oppervlakte groter is dan van een kleine bol. De grote bol bevat dus meer warmte maar kan dit via de oppervlakte relatief minder snel kwijt. Door de grote massa van de aarde ten opzichte van de oppervlakte koelt deze maar heel langzaam af.

19

De Atlantische oceaankorst schuift vanuit de MOR naar de continenten en schuift daar in de subductiezone onder een continentale plaat. Dit proces is minder dan 200 miljoen jaar aan de gang, daarvoor bestond er nog geen Atlantische oceaan

20

Bij het radioactief verval van deze isotopen komt warmte vrij, die niet genoeg is om het warmteverlies via de aardkorst te compenseren maar er wel voor zorgt dat de aarde minder snel afkoelt.

21 a

b c

22

Het water dat onderin wordt verwarmd zet uit en krijg een lagere dichtheid. Vervolgens komt deze warme vloeistofbel naar boven ‘drijven’ en geeft bij het oppervlak de warmte af. Onderaan is intussen een nieuwe warme vloeistofbel ontstaan die omhoog komt en de afkoelende bel zijwaarts duwt. Zo ontstaat een ronddraaiende stroming (convectie) in de waterkoker. Het warme water blijft bovenin drijven en het koude water blijft onderin, er ontstaat geen convectie. Omdat er geen zwaartekracht is kunnen dichtheidsverschillen niet voor convectie zorgen.

Het radioactieve afval wordt bij subductie van de oceanische korst weliswaar onder de continentale korst de diepte in gebracht, maar bij subductie ontstaat zó veel wrijvingswarmte dat juist daar vulkanisme op kan treden. En zo zou het gevaarlijke afval uiteindelijk in een vulkaan weer mee naar boven kunnen komen. En bij een uitbarsting over de hele atmosfeer en het hele aardoppervlak verspreid kunnen worden.


CONCEPT

Pagina 3 van 17

23 a

b

c

Op de kaart van Europa is te zien dat Sicilië en de Bilt ongeveer 15° uit elkaar liggen. Aflezen in figuur 19 geeft dat bij 15° de S-golf er ongeveer 0,35∙103 s over doet en de P-golf 0,22∙103 s. Het verschil is 0,13 ∙ 103 s = 22 min. De Filipijnen liggen ongeveer op 120° graden OL, Lagos op 0° OL en Paramaribo op -55° (de plaatsen liggen alle drie op ongeveer dezelfde breedte). Dat betekent dat de hoek tussen de Filipijnen en Lagos ongeveer 120° is, volgens figuur 19 is dat de schaduwzone en komen daar dus geen aardbevingsgolven door. De hoek tussen de Filipijnen en Paramaribo is 175°, dus bijna aan de andere kant van de aarde. Daar komen de P-golven die door de vloeibare kern van de aarde reizen wel aan. Nieuw-Zeeland ligt op 40° ZB en 175° OL terwijl Lissabon op 40°NB en 5° OL ligt. Dat betekent dat Nieuw-Zeeland en Lissabon recht tegenover elkaar liggen, de hoek α is dan 180°. Uit figuur 19 is dan af te lezen dat de aardbevingsgolf er 1,08∙10 3 s over doet en dat is

1,08∙103 60

= 18 min.

24 a

b c

Uit het gemeten tijdverschil van tussen de P- en de S-golf kun je met behulp van figuur 19 de hoek α bepalen door in de grafiek te zoeken waar dit tijdverschil precies tussen de S- en de P-lijn past. Met behulp van de hoek α en de straal van de aarde is dan de afstand te berekenen met 𝜋 ∙ 𝑅. Bij hoeken boven de 140° komen er alleen P-golven binnen en is er dus geen tijdsverschil tussen de P- en S-golf te meten. Je kunt op de kaart rond een seismisch station een cirkel trekken met een straal die zo groot is als de volgens vraag a bepaalde afstand tot het epicentrum. Als je vanuit een tweede seismisch station ook zo’n cirkel trekt, zullen de twee getekende cirkels elkaar op maximaal twee punten snijden. Door de gegevens van het derde seismisch station toe te voegen en een derde cirkel op de kaart te tekenen ontstaat er één snijpunt van de drie cirkels, daar moet het epicentrum van de aardbeving liggen.

25 a

De aarde is een bol en de oppervlakte is dus te berekenen met 𝐴 = 4𝜋 ∙ 𝑅 2 (Binas tabel 36B) waarbij R de straal van de aarde is: 6,371∙106 m  𝐴 = 4𝜋 ∙ (6,371 ∙ 106 )2 = 5,1006 ∙ 1014 m2. De warmtestroom naar buiten is dus

b

c

4,4∙1013

5,1006∙1014

= 0,086 W/m2 = 86 mW/m2.

De straling die bij de aarde binnenkomt is 0,47 ∙ 1,4 ∙ 103 W/m2 = 658 W/m2 . Deze straling komt door een stralingscirkel met een oppervlakte 𝐴 = 𝜋 ∙ 𝑅 2 waarbij R de straal van de aarde is. De totale oppervlakte van de aarde (een bol) is 4x zo groot, dus is de gemiddelde instraling van de zon op het aardoppervlak is 658/4 = 165 W/m2. 0,086 165

× 100% = 0,052%.

26 a b c

Voor het laten smelten van al het ijs in relatief korte tijd is meer warmte nodig dan er in die periode vanuit de aarde geleverd werd. 70 °C per miljard jaar betekent 0,007 °C per 100 jaar, dat is te weinig om, met de klimaatschommelingen van de aarde erbij, te kunnen meten. De temperatuur daalt 70 °C per miljard jaar, dat is 70

1∙109 ∙365,25∙24∙3600


= 2,2 ∙ 10−15 K/s. CONCEPT

Pagina 4 van 17

De totale warmtestroom naar buiten is 4,4 ∙ 1013 J/s, dus is de warmtecapaciteit van de aarde: d

4,4∙1013 J/s

2,2∙10−15 K/s

De massa van de aarde is 5,972 ∙ 1024 kg (Binas tabel 31) en de warmtecapaciteit 28 van de aarde is 2,0 ∙ 10 J/K. De soortelijke warmte is de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 kg van de aarde 1 graad in temperatuur te laten stijgen, dus die is: 2,0∙1028 J/K

5,972∙1024 kg

e

27

= 2,0 ∙ 1028 J/K.

= 3,3 ∙ 103 J/(kg ∙ K).

Door het radioactief verval ontstaat er veel extra warmte in de aarde. Zonder de warmte van dit verval zou de afkoeling sneller gaan. De warmtecapaciteit zou dan kleiner zijn bij dezelfde (gemeten) warmtestroom (zie vraag c). En dus ook de soortelijke warmte.

[W] Vulkanen

K3.3 STROMINGEN IN DE ATMOSFEER 28

[W] Experiment: De atmosferische luchtdruk meten met water en een lange slang

29

[W] Experiment: De hoogte bepalen met een glazen fles met water

30

[W] Experiment: Afkoeling door expansie

31

Waar of niet waar? a Niet waar: De boven de tropopauze is er nog (weinig) lucht in de stratosfeer. b Niet waar: Ozon ontstaat doordat hoog in de atmosfeer zuurstof door ultraviolette straling in het zonlicht wordt gesplitst. (toevoeging: in de stratosfeer wordt een zuurstofmolecuul (O2) gesplitst in zuurstofatomen (2 O) en vervolgens vormt een los zuurstofatoom met een zuurstofmolecuul dan een ozonmolecuul (O 3). c Niet waar: De luchtdruk neemt af met de hoogte, maar dat is geen lineaire afname. d Niet waar: Omdat de dichtheid van de lucht ook afneemt met de hoogte, is de luchtdruk niet omgekeerd evenredig met de hoogte. e Niet waar: Verwarmde lucht wordt door de omringende koude lucht ‘opgetild’, daarbij duwt de koude lucht de verwarmde lucht weg. f Waar

32 a b

33

Door de ijle lucht op die hoogte is er niet genoeg massa voor de wieken van de helikopter om zich tegen af te zetten en zo de helikopter ‘in de lucht te houden’. De luchtdruk is er heel laag, dus als je je longen groter maakt wordt de buitenlucht minder snel naar binnen geduwd. En een liter lucht bevat daar minder moleculen.

De onweerswolk koelt bij het stijgen af door expansie. Maar zolang zijn temperatuur hoger is dan die van zijn omgeving, blijft hij stijgen. Boven de inversie van de tropopauze wordt de omgeving echter warmer en daardoor blijft hij niet stijgen zodra zijn temperatuur gelijk is geworden aan die van zijn omgeving.


CONCEPT

Pagina 5 van 17

34 a b

c d

Alleen heel speciale (spionage-)vliegtuigen kunnen op die hoogte vliegen en ook alleen met hoge snelheid. Daar kan de parachutist niet uit springen. Zonder drukpak zou een mens ‘opgeblazen’ worden in een omgeving waar de luchtdruk zo laag is. En het ruimtepak beschermt de parachutist tegen de zeer strenge koude. Op die hoogte is de dichtheid van de lucht veel lager, dus is de luchtweerstand veel lager en kan een veel hogere snelheid bereikt worden. Naarmate de parachutist lager kwam nam de luchtdichtheid en dus ook de luchtweerstand toe, waardoor de valsnelheid afnam.

35 a b

De zwaartekracht op de (massa van de) lucht in het donkerblauwe deel. De pijl moet net zo lang zijn als het verschil tussen de onderste en de bovenste pijl, zodat er evenwicht is: 12 mm – 8,5 mm = 3,5 mm. Het aangrijpingspunt zal iets onder het midden moeten zijn, omdat de dichtheid onderaan het donkerblauwe deel groter is dan bovenaan het donkerblauwe deel. Het donkerblauwe deel is 39,5 mm dus de hoogte van het aangrijpingspunt vanaf h2 is:

12

12+8,5

∙ 39,5 = 23,1 mm.

36

Hoe hoger je in de stratosfeer komt, hoe meer ultraviolet licht er is om geabsorbeerd te worden. (Daarbij worden zuurstofmoleculen gesplitst en ozon gevormd waarbij warmte vrijkomt.)

37


38

De luchtdruk is de helft, dus is de dichtheid van de lucht ook half zo groot. Elke liter lucht bevat daar boven dus maar half zoveel zuurstof. En bij elke inademing wordt de lucht ook nog eens met de helft van de kracht je longen ingeduwd, waardoor je in dezelfde tijd maar half zoveel liters binnenkrijgt. Je krijgt dan dus in dezelfde tijdeen kwart van de hoeveelheid zuurstof binnen vergeleken met wat je op zeeniveau inademt.

39

Thermiek ontstaat waar er verschil is in temperatuur van het aardoppervlak. Op het land kunnen zulke temperatuurverschillen makkelijk ontstaan maar op het water nauwelijks. Een asfaltweg kan veel heter worden dan bijvoorbeeld omringend grasland, een zandvlakte wordt veel warmer dan een bos, enzovoort. Waar het aardoppervlak warmer is


CONCEPT

Pagina 6 van 17

dan in de omgeving, zet de lucht door verwarming uit en wordt opgetild door de lucht boven het minder warme aardoppervlak . De zwevers maken gebruik van deze opwaartse luchtstroom. 40 a

b

Door de hitte van de brand zet de lucht sterk uit, er ontstaat een verschil in dichtheid met de omringende lucht, waardoor de warme lucht bij de brand opgetild wordt. Hoger boven de brand wordt de luchtdruk daardoor groter dan op die hoogte een eind van de brand vandaan. Boven de brand gaat dus lucht opzij stromen, waardoor bij de brand de luchtdruk lager wordt en naast de brand juist hoger. Dit drukverschil blaast de lucht en dus ook zuurstof naar de brand, die daardoor feller kan gaan branden Dit is een soortgelijke convectiecel als bij de zeebries. De dichte tussendeuren voorkomen dat er koudere en dus dichtere lucht vanuit de gangen kan opdringen. Als de luchtaanvoer stopt kan de brand niet snel groeien.

41 a

b c

De spiritus is aangestoken en dat vuur verwarmt de lucht in de ballon. Deze lucht zet uit, zodat de ballon met inhoud lichter is dan de omringende lucht. Hierdoor wordt de ballon naar boven geduwd. Het strand koelt sneller af dan het water, waardoor er een landwind ontstaat. De ballon wordt meegenomen door de landwind van het strand naar de zee toe. Hoog in de lucht is de luchtstroom precies andersom, het is de bovenkant van de convectiecel.

42 a b

c

De lucht wordt eigenlijk door de schoorsteen heen geduwd door de buitenlucht naast de ovens. De warme lucht in de oven en ook in de schoorsteen is uitgezet, dus is de luchtdruk buiten (naast) de oven hoger. De lucht wordt door de oven en de schoorsteen heen geduwd. Bovenin de open schoorsteen is de luchtdruk even groot als er buiten. Hoe hoger de schoorsteen, hoe groter het luchtdrukverschil is tussen de lucht beneden in de schoorsteen en daarbuiten. Een groter luchtdrukverschil zorgt ervoor dat de lucht sneller wordt aangevoerd, daardoor krijgen de ovens meer zuurstof en zullen harder branden.

43 a

b

Als je hoger komt drukt er minder lucht van boven op je. De lucht is dan ook minder samengeperst en dus is de dichtheid kleiner. Ga je nog hoger dan neemt de luchtdruk verder af, maar minder snel doordat de dichtheid kleiner is. Als de luchtdruk lager is, dan zitten de luchtmoleculen minder dicht op elkaar, dus is de dichtheid van de lucht lager. Doordat de dichtheid van de lucht naar boven toe afneemt is het gewicht van 1 m3 lucht naar boven toe steeds kleiner. Eén meter stijging op de zeeniveau zal dus een groter luchtdrukverschil geven dan één meter stijging op de Mount Everest.

44 a

Voor geleiding of stroming zijn (lucht)moleculen nodig om de warmte door te geven en bij vacuüm is er geen lucht aanwezig.


CONCEPT

Pagina 7 van 17

b

De oppervlakte van het raam is 𝐴 = 1,5 ∙ 2,0 = 3,0 m2 en de standaardluchtdruk is

𝑝 = 1,0 bar = 1,0 ∙ 105 Pa. Invullen in 𝑝 =

𝐹

𝐴

geef

1,0 ∙ 105 =

𝐹

3,0



5

𝐹 = 3,0 ∙ 10 N. c

d

De luchtdruk wordt veroorzaakt door botsingen van luchtmoleculen. Lucht is overal om ons heen, botst aan alle kanten tegen alles en iedereen. Daardoor werkt de luchtdruk netto loodrecht op het oppervlak, in welke stand het ook staat. De glazen bolletjes kunnen de warmte wel doorgeven door geleiding.

45 a

Oriëntatie: De zwaartekracht op 75,3 cm kwik is te berekenen met de massa van het kwik. Met de dichtheid en het volume van het kwik is de massa te berekenen. De oppervlakte van het buisje is echter niet bekend, dus die noemen we A. Het volume is dan 𝑉 = 𝐴 ∙ ℎ en de dichtheid van kwik is 𝜌 = 13,546 ∙ 103 kg/m3 (Binas). De massa is te berekenen met 𝑚 = 𝜌 ∙ 𝑉, de zwaartekracht op deze massa is 𝐹z = 𝑚 ∙ 𝑔 en de druk is te berekenen met 𝑝

𝐹

= 𝐴z .

Uitwerking: Het volume is 𝑉 = 𝐴 ∙ 0,753. De massa is 𝑚 = 13,546 ∙ 103 ∙ 𝐴 ∙ 0,753 = 1,020 ∙ 104 ∙ 𝐴. De zwaartekracht op deze massa is 𝐹z = 1,020 ∙ 104 ∙ 𝐴 ∙ 9,81 = 1,001 ∙ 105 ∙ 𝐴. De druk is 𝑝 b

=

𝐹z 𝐴

=

1,001∙105 ∙𝐴 𝐴

= 1,00 ∙ 105 Pa = 1,00 ∙ 103 hPa.

Bij een hoogteverschil van 75,0 cm is de buitenluchtdruk:

𝑝 = 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ ℎ = 13,546 ∙ 103 ∙ 9,81 ∙ 0,750 = 9,97 ∙ 104 Pa = 997 hPa. 46 a

Bij elke kilometer stijging daalt de temperatuur van de ballon 10 °C  trek een lijn door de punten (35 °C, 0 km), (25°C, 1 km), (15°C, 2 km), etc. Deze lijn snijdt de blauwe lijn bij ongeveer 4,5 km (zie figuur).

b

De temperatuur van de lucht om de ballon heen is lager dan van de lucht in de ballon, en het materiaal van de ballon is heel dun, waardoor de warmte er makkelijk doorheen geleid wordt. Dus zal de lucht in de ballon zijn warmte ook afstaan aan de omgeving. Er is een extra temperatuurdaling doordat de ballon ook warmte afstaat aan de omgeving, dus in werkelijkheid is de temperatuurdaling meer dan 1,0 °C per 100 m.

c


CONCEPT

Pagina 8 van 17

47

[W] Verdampen en condenseren van water(damp) in de atmosfeer

48

[W] Experiment: Relatieve vochtigheid en dauwpunt

K3.4 STRALING EN ENERGIE IN DE ATMOSFEER 49

[W] Experiment: Zonnestraling meten

50

Waar of niet waar? a Niet waar: In de Sahara is het zand heet als de zon er op schijnt. b Waar c Niet waar: Als je over een hete drank blaast, blaas je de waterdamp en warme lucht weg. d Waar.

51

De invallende lichtbundel van de zon raakt bij ‘b’ een grotere oppervlakte dan bij ‘a’, dus hetzelfde ingestraalde vermogen wordt over een grotere oppervlakte verdeeld.

52 a b c

Verse sneeuw is witter dus weerkaatst meer licht. De infrarode warmtestraling van het huis weerkaatst tegen de onderkant van de sneeuwlaag. Het aardoppervlak zal, als de sneeuw gesmolten is, minder straling van de zon reflecteren en meer absorberen. Maar zonder sneeuw is er ook meer infrarode uitstraling. Je kunt dus niet zomaar zeggen wat het resultaat zal zijn als op de aarde als geheel alle sneeuw smelt.

53 a b

Het gereflecteerde zonlicht komt niet uit de wolk en kan dus geen straling compenseren die de wolk in gaat. Lage bewolking heeft een hogere temperatuur want dichter bij de aarde is de lucht warmer. Bij een hogere temperatuur van de wolken wordt meer van de geabsorbeerde straling weer naar beneden gestraald.

54 a

b c

Er zullen meer overstromingen komen door de stijging van de zeespiegel. Er zullen meer planten en dieren in Nederland komen die goed in een warmer klimaat overleven. Zuinig omgaan met energie, zodat er minder CO 2 verbrand hoeft te worden voor jouw energieverbruik. Als de gemiddelde temperatuur van de aarde stijgt zal al het ijs smelten. Hierdoor stijgt de zeespiegel en krijgen we meer overstromingen. Dit zal ook de zeestromingen en luchtstromingen beïnvloeden (denk bijvoorbeeld aan meer orkanen of orkanen op andere plaatsen).

55 a

De bewolking straalt de door het ijs uitgestraalde warmtestraling weer terug naar het ijs.


CONCEPT

Pagina 9 van 17

b c

Waterdamp in de lucht kan op het ijs condenseren en staat daarbij warmte af aan het ijs. De bruggen stralen net als de wolken de warmtestraling uit het ijs terug naar het ijs.

56 a

b

De luchtmoleculen verrichten arbeid als ze zich door onderlinge botsingen gemiddeld ietsje van elkaar verwijderen. De gemiddelde bewegingsenergie van de gasmoleculen neemt daardoor af, ofwel de temperatuur van het gas daalt. Boven zee is de lucht vochtig. Als die lucht tegen de bergen op waait, komt het in een koudere omgeving want hoog boven land is de lucht kouder. Hier zie je dat er wolken zijn gevormd.

57

[W] Experiment: Bewegen op een draaiende bol: corioliseffect

58

[W] Theorie van corioliskracht

59


60

Nederland ligt op een geografische breedte van ongeveer 50° en in figuur 42 valt af te lezen dat de intensiteit van de uitgaande warmtestraling groter is dan van de binnenkomende straling, ofwel er is een stralingstekort. Zonder de circulatie van warme lucht van de evenaar naar de polen zou het in Nederland zo veel kouder zijn dat de uitgaande straling even groot zou zijn als de binnenkomende zonnestraling.

61

Wij hebben te maken met een stroming van warme bovenlucht vanaf de evenaar naar het noorden die door het corioliseffect naar rechts afbuigt, dit veroorzaakt dus een westelijke stroming. Op het Zuidereiland is de luchtstroming naar het zuiden en deze wordt naar links afgebogen, wat ook een westelijke stroming veroorzaakt.

62 a

b

Door convectie stroomt de warme bovenlucht naar het noorden. De draaiing van de aarde zorgt voor een afbuiging van deze lucht naar rechts, zodat de stroming naar het noordoosten toe is. Op het zuidelijk halfrond de stroomt de bovenlucht naar het zuiden en buigt af naar links, zodat de stroming naar het zuidoosten toe is. Dat heet een noordwest passat. Op grote hoogte op het noordelijk halfrond stroomt er steeds lucht van de evenaar naar het noorden. Dit veroorzaakt een hogere luchtdruk op een paar honderd meter in de subtropen, waardoor de lucht hier weer voor een deel terugstroomt naar het zuiden volgens het convectiemodel. Deze zuidelijke luchtstroming buigt door het corioliseffect naar rechts af, zodat de luchtstroming gemiddeld naar het zuidwesten is.

63

Doordat de aarde een bol is en draait zorgt het corioliseffect voor afbuiging van de luchtstromingen, naar rechts op het noordelijk halfrond en naar links op het zuidelijk halfrond.

64

Bij de kleine breedtegraden (tussen -30 en 30 °) is de oppervlakte van de aarde (rondom gezien) veel groter: een cirkel bij de evenaar is veel groter dan een cirkel in de buurt van de polen.


CONCEPT

Pagina 10 van 17

65 a

b

De zon komt op om 6 uur en gaat ook weer onder om 6 uur. De dag duurt precies even lang als de nacht en dat betekent dat de zon recht over je heen gaat en om 12 uur pal boven je staat. Het ingestraalde vermogen door de zon stijgt bij zonsopgang maar het uitgestraalde vermogen overtreft nog even het ingestraalde vermogen. Al snel is het ingestraalde vermogen dan wel groter als het uitgestraalde vermogen waardoor de temperatuur stijgt. Bij zonsondergang is het uitgestraalde vermogen veel hoger en waardoor het ingestraalde vermogen al ruim voor zonsondergang onder het uitgestraalde vermogen duikt en de temperatuur gaat dalen.

66 a b c d

Telkens als de slinger naar de andere kant zwaait wijkt hij een heel klein beetje naar rechts af. De cirkel is verdeeld in 12 segmenten en elk segment duurs ongeveer 2,5 uur, dus 12∙2,5 = 30 uur. Op de noordpool staat het vlak van slingering ten opzichte van de sterren stil en draait de aarde in 24 uur onder de slinger door, de duur is dus 24 uur. Op de evenaar draait het slingervlak niet

67 a

b c

Excuus: helaas is uit de formule in het boek de snelheid weggevallen. De formule moet zijn: 𝐹cor = 1,15 ∙ 10−4 ∙ 𝑚 ∙ 𝑣 ∙ sin 𝜑 Nederland ligt op een breedtegraad van 52°, dus bij een massa van 65 kg is 𝐹cor = 1,15 ∙ 10−4 ∙ 65 ∙ 6,9 ∙ sin 52 = 4,1 ∙ 10−2 N. De component van de zwaartekracht is 𝐹z,langs = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ sin 𝛼 = 65 ∙ 9,81 ∙ 0,01 = 6,4 N. De corioliskracht is ruim 150x zo klein. Deze kracht is niet merkbaar en zo klein dat je dan wel hele grote rondjes zou gaan lopen, als er verder totaal geen krachten zouden zijn die je van je pad doen afwijken. Maar die andere krachten zijn er natuurlijk wel en allemaal veel groter.

68

[W] De algemene circulatie van de atmosfeer

69

[W] De straalstroom

K3.5 OCEANEN EN DE ALGEMENE CIRCULATIE 70

[W] Experiment: Warm op koud, zoet op zout

71 a b c d e f

Niet waar: De Golfstroom heet zo omdat hij begint in de golf van Mexico. Niet waar: Op IJsland kun je in de sneeuw in heet water baden omdat het een eiland met veel vulkanische activiteit is. Waar Niet waar: Het corioliseffect speel ook een belangrijke rol bij stromingen in oceanen. Niet waar: Het stilstaande water in een meertje is bovenin warmer dan onderin na een week zomerse zonneschijn. Niet waar: Bij verdamping komen de zouten niet mee, wolken bevatten alleen zoet water.


CONCEPT

Pagina 11 van 17

g h i 72

Waar Niet waar: Wind op zee kan het water opstuwen en zo een stroming veroorzaken of versterken. Niet waar: Door verdamping is het zeewater op sommige plaatsen zouter.

Hij kon zich vanuit Peru met de Zuid Equatoriale stroom laten meevoeren naar Polynesië. Zie figuur 51. Bij vertrek vanuit Nieuw-Guinea zou het tegen deze stroming in moeten varen.

73 a b

Als het oceaanwater warmer wordt zet het uit. Het neemt dan meer volume in waardoor het gemiddelde zeeniveau zal stijgen. De stormen gebruiken het warme zeewater als ‘brandstof’. Als het zeewater warmer is zal er meer water verdampen en als brandstof kunnen dienen voor stormen.

74 a b

De zon heeft in de zomer de bovenste laag van het water verwarmd. Omdat er geen stroming is blijft deze laag bovenin ’drijven’. Het water koelt van boven af door uitstraling en verdamping. Het afgekoelde water is zwaarder en zal dus naar beneden zakken. Op die manier mengt het koude water zich door het warmere water.

75


76

Als een tropische cycloon boven land komt kan er geen water onder de cycloon verdampen, opstijgen en condenseren om op die manier de energie in de cycloon te stoppen om de cycloon in stand te houden of te laten groeien.

77

Het corioliseffect zorgt voor een afbuiging van de stroming naar rechts, dus draait het de vloedgolf in de Noordzee ‘tegen de klok in. Het vloedgolf loopt langs de Engelse kust naar het zuiden en daarna langs de Nederlandse kust naar het noorden. Daardoor is het eerder hoogwater bij Texel dan op Terschelling.

78 a

b

Door temperatuur verschillen: het water in de Golf van Mexico is warmer dan het water meer naar het noorden en heeft daardoor een kleinere dichtheid. Het zeeniveau ligt dus hoger en het water stroomt af richting het noorden. De Golfstroom rond de Sargassozee wordt naar rechts afgebogen, waardoor het wateroppervlak daar hoger komt te liggen. Zo wordt het corioliseffect tegengewerkt, als het zeeniveau in de Saragosso Zee niet hoger zou zijn, zou de Golfstroom veel meer afbuigen dan nu het geval is.

79 a b

Door de breedteligging van Nederland buigt de corioliskracht de stromende lucht naar rechts af. In de buurt van de evenaar is de corioliskracht te klein om de luchtstromingen af te kunnen buigen.


CONCEPT

Pagina 12 van 17

80 a

b c

Het warme zeewater van de golfstroom is de ‘brandstof’ van de storm. De hele weg over de Atlantische Oceaan kan er energie worden toegevoerd waardoor de depressie uit kan groeien tot een tropische cycloon. Een depressie bij de westkust van Zuid-Amerika kan tijdens de lange tocht over de Stille Oceaan uitgroeien tot een cycloon en dan de Filippijnen treffen. Als een cycloon eenmaal aan land is gekomen wordt deze niet meer ‘gevoed’ met verdampend zeewater en neemt dan in kracht af.

81 a

De oppervlakte onder de blauwe lijn is het energietransport door de oceanen, dat is ongeveer 11 grote hokjes. De oppervlakte onder de paarse lijn is het gezamenlijk energietransport, dat is ongeveer 27,5 grote hokjes. De oceanen leveren dus gemiddeld

b

c

11

27,5

× 100% = 40% van het warmtetransport van de tropen naar het

noorden. In figuur 55b is af te lezen dat op de 52ste breedtegraad het energietransport door de atmosfeer 3,1∙1012 W is. Per jaar is dat 𝐸 = 𝑃 ∙ 𝑡 = 3,1 ∙ 1012 ∙ 365,25 ∙ 24 ∙ 3600 = 1,0 ∙ 1020 J. In figuur 55b is af te lezen dat op de 52ste breedtegraad het energietransport door de atmosfeer 1,0∙1012 W is. Per jaar is dat 𝐸 = 𝑃 ∙ 𝑡 = 1,0 ∙ 1012 ∙ 365,25 ∙ 24 ∙ 3600 = 3,2 ∙ 1019 J.

82 a

De cycloon verzamelt de warmte van de zon: de zon verwarmt het zeewater en laat dit verdampen, bij het opstijgen en condenseren van de waterdamp wordt de lucht verwarmd en de convectieve circulatie aangejaagd. Tijdens zijn reis over de oceaan wordt zo heel veel energie toegevoerd aan de cycloon.

b

Stel dat “een paar keer” 2x is: 𝑃

a

Door de lage luchtdruk onder de cycloon duwt de (hogere) luchtdruk op het omringende water het water onder de cycloon naar boven. Het zwembad is daarvoor veel te klein, er is geen omringend water waarboven een hogere luchtdruk heerst. Het luchtdrukverschil met de omgeving is ongeveer 100 hPa. Met 𝑝 = 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ ℎ, waarbij ρ de dichtheid van water is (1,0∙103 kg/m3) is dan te berekenen: 100 ∙ 102 = 1,0 ∙ 103 ∙ 9,81 ∙ ℎ  ℎ = 1,0 m.

=

𝐸 𝑡

2∙480∙1018

= 10∙24∙3600 = 1,1 ∙ 1015 W = 1,1 PW.

83

b c

84 a

b c

De orkaan heeft een spiraalvorm, toen de wind afnam en de vloedgolf kwam passeerde het oog van de orkaan de stad. Toen de wind weer toenam passeerde het deel dat aan de andere kant van het oog zit en hier waait de wind de andere kant op. De orkaan was na Florida weer over zee gegaan en had daar nog meer energie gekregen van het warme water in de golf van Mexico. Doordat de delta van de Mississippi in verbinding staat met de zee kan het water met de vloedgolf deze delta op veel plaatsen ingeduwd worden.


CONCEPT

Pagina 13 van 17

K3.6 AFSLUITING 85


86 a

De aarde bestaat uit een aardkorst met daaronder de mantel en in het centrum de kern. De kern bestaat uit een vloeibare buitenkern en een vaste binnenkern. b Aan een statief hangt een draad met een zware massa met daaraan een pen. De pen raakt een rol papier op een draaiende trommel. Bij een aardbeving bewegen het statief en de trommel met de rol papier mee met de beving, maar de zware massa met de pen niet. Zo wordt de aardbeving op het papier ‘geschreven’. c P-golven zijn de primaire golven, longitudinale golven die zich het snelst voortplanten. S-golven zijn de secundaire golven, transversale golven die iets later aankomen. d Volgens de theorie van de drijvende continenten verplaatsen de continenten zich langzaam over de aardbol. Uit de vorm van de kustlijnen valt af te leiden dat de continenten vroeger aan elkaar vast gezeten moeten hebben (Pangea) en sindsdien zijn losgebroken en steeds verder uit elkaar ‘drijven’ over de mantel van de aarde. e De MOR is de mid-oceanische rug. Dit is een vulkanische bergrug die precies in het midden van de Atlantische Oceaan van zuid naar noord loopt. f In de MOR komt voortdurend vanuit de diepte van de mantel heet magma omhoog en stolt gedeeltelijk aan en op het oppervlak tot nieuwe oceanische korst. Het grootste deel van die opwellende stroom mantelgesteente wijkt echter onder het aardoppervlak uiteen en neemt de aardkorst mee. Zo groeit de oceaanbodem en worden de continenten aan beide kanten van de oceaan uit elkaar geduwd . g De continentale korst bestaat uit minder dicht gesteente dan de oceanische korst. De oceanische korst is dus zwaarder en schuift onder de continentale korst. h De temperatuur in het binnenste van de aarde is ongeveer 5000 °C, en de aarde koelt heel langzaam af. Maar het radioactief verval van de elementen Thorium 232, Uranium 235, Uranium 238 en Kalium 40 veroorzaken ook warmte, zodat de afkoeling van de aarde minder snel verloopt. i De luchtdruk in de atmosfeer is gelijk aan het gewicht per m 2 van alle lucht die zich boven die hoogte bevindt. Hoe hoger je gaat, hoe minder lucht er nog boven je is en hoe lager dus de luchtdruk is. j Hoe hoger je bent, hoe lager de luchtdruk is en als de luchtdruk lager is wordt een bepaald volume lucht minder hard in elkaar gedrukt. Dat betekent dat de dichtheid ook afneemt met de hoogte. k De lucht wordt vooral door geleiding en infrarode straling vanaf het aardoppervlak verwarmd. Deze verwarmde lucht zet uit waardoor de dichtheid kleiner wordt. De ‘lichtere’ lucht wordt door de koelere en zwaardere omringende lucht in de omgeving opgetild. Als deze lucht hoger komt is de luchtdruk lager waardoor de lucht uitzet. Bij deze expansie neemt de temperatuur van de lucht af. Het resultaat is dus dat bij het aardoppervlak de lucht warmer is dan op grote hoogte. l Boven de tropopauze absorbeert de lucht wel zonnestraling omdat daar de zuurstof en de ozon in de stratosfeer de uv-straling van de zon absorberen. Door de absorptie van de zonnestraling is de temperatuur van de lucht in de stratosfeerhoger dan bovenin de troposfeer. m Isobaren zijn lijnen waarop de luchtdruk overal even groot is. De getallen die er bij staan geven de waarde van de luchtdruk aan in hPa (1 hectopascal = 100 Pa = 100 N/m 2).


CONCEPT

Pagina 14 van 17

n

o

p

q

r s

t

u

v w

x

De lucht boven het strand wordt sneller warm dan de lucht boven de zee omdat het zand de straling wel absorbeert maar de warmte slecht naar beneden doorgeeft. Boven het land zet de warme lucht uit en tilt de lucht erboven op. Hierdoor wordt hoog boven het strand de luchtdruk groter dan op dezelfde hoogte boven het water en wordt de lucht op die hoogte van het land naar de zee geduwd. Doordat op die hoogte boven zee nu meer lucht komt neemt de luchtdruk vlak boven zee toe, wat er weer voor zorgt dat de lucht vlak boven zee naar het land toe stroomt: de zeebries. Het grootste deel van de infrarode uitstraling van de aarde wordt geabsorbeerd door wolken en de broeikasgassen (zoals waterdamp, CO 2, methaan en ozon). De atmosfeer warmt daardoor op en straalt warmte uit naar boven en naar beneden. Hierdoor krijgt het aardoppervlak een groot deel van de uitgestraalde warmte weer teruggestraald, waardoor het aardoppervlak en de lucht warmer zijn dan zonder broeikasgassen. In een plantenkas gebeurt iets dergelijks ook doordat het glas wel zichtbaar zonlicht doorlaat maar infrarode straling veel minder, vandaar de naam ‘broeikaseffect’. In de tropen komt er meer energie in de vorm van zonnestraling binnen dan er door de aarde plus atmosfeer aan warmtestraling wordt uitgestraald, doordat de atmosfeer en de oceanen energie wegvoeren uit de tropen. In de poolstreken wordt er meer warmtestraling door de aarde plus atmosfeer uitgestraald dan er zonnestraling binnenkomt, doordat de atmosfeer en de oceanen ook energie aanvoeren. De algemene circulatie is het geheel van luchtstromingen door convectie waardoor het stralingsoverschot uit de tropen over de aarde wordt verspreid. Het relatief warme water van de Golfstroom steekt als Subtropische Wervel over van Amerika naar Portugal en daarbij verdampt veel water. Deze waterdamp wordt met de overwegend westenwind meegevoerd naar West-Europa. Als de waterdamp condenseert wordt de lucht daardoor opgewarmd. Deze Subtropische Wervel zorgt zo voor het relatief zachte zeeklimaat in Nederland. Bij beweging van lucht en zeewater over een grote afstand, lijkt er een extra kracht te werken. Deze kracht is een schijnkracht die ontstaat doordat de aarde draait. Dit wordt het corioliseffect genoemd. Het effect is zeer zwak en daardoor alleen van belang bij bewegingen van lucht en water waar wrijving geen rol speelt. Het corioliseffect buigt bewegingen op het noordelijk halfrond af naar rechts en op het zuidelijk halfrond naar links. Het effect is nul op de evenaar en neemt toe naar de polen toe. Door het corioliseffect wordt de (gemiddelde) stroming bovenin de troposfeer van de subtropen naar het noorden naar rechts afgebogen, zodat de beweging van de lucht van west naar oost is. Door overheersende windsystemen en door verschillen van dichtheid van het zeewater. De oceaanstromen zorgen er mede voor dat er energie aan de atmosfeer wordt overgedragen waardoor de wind in stand gehouden wordt. Warm oppervlaktewater verdampt en waar het in de atmosfeer condenseert geeft het warmte af. Vooral in de tropen en subtropen hebben de oceaanstromingen een flink aandeel in het energietransport waarbij de warmte over de aarde wordt verdeeld. Op hogere breedtes is de bijdrage van luchtstromingen groter. De Subtropische Wervel is de zeestroom die het relatief warme water van de Golfstroom van Amerika naar Portugal brengt. Onderweg verdampt veel water dat door de overwegend westenwind in de richting van West Europa wordt geblazen. Als


CONCEPT

Pagina 15 van 17

y

die waterdamp weer condenseert wordt de lucht daardoor verwarmd zodat er in Nederland een relatief zacht zeeklimaat heerst. Voor het ontstaan van een tropische cycloon is zeewater van ten minste 26 °C nodig om voldoende warmte in de cycloon te pompen. Daarnaast moeten ze niet dichter dan 5° bij de evenaar ontstaan omdat anders het corioliseffect niet sterk genoeg is om een draaiing van de luchtstroom te laten ontstaan; de lucht stroomt dan gewoon rechtstreeks naar het lagedrukgebied.

87 a

b c d e

De westkust van Europa en Afrika heeft praktisch dezelfde vorm als de oostkust van Noord- en Zuid-Amerika, ze passen als puzzelstukjes aan elkaar. En in beide continenten zijn overeenkomstige fossielen gevonden. Gemiddeld ongeveer 1,5 cm. Australië is twee keer te zien op de kaart, meet de afstand tussen de twee westkusten van Australië: 10,4 cm. De straal van de aarde is bij de evenaar: 𝑟 = 6378 ,1370 km (Binas, tabel 31, voetnoot 3). De omtrek is 2𝜋 ∙ 𝑟 = 2𝜋 ∙ 6378137,0 = 4,01 ∙ 107 m. De werkelijke afstand tussen de Amerikaanse plaat en de Euraziatische plaat is: 1,5

10,4

∙ 4,01 ∙ 107 = 5,78 ∙ 106 m. Deze afstand is afgelegd in 1,9∙108 jaar, dus is de

snelheid: 𝑣

𝑠

5,78∙106

= 𝑡 = 1,9∙108 ∙365,25∙24∙3600 = 1,0 ∙ 10−9 m/s = 1,0 nm/s. of 3 cm/j

f

De platen schuiven mee met de mantelstroming. Bij drijven denk je eerder aan een vloeistof die makkelijk kan vloeien, maar dat is bij het mantelgesteente onder de aardkorst minder het geval. .

a

De wolken reflecteren zowel het zonlicht van boven als de infrarode uitstraling van het aardoppervlak van onder. Bij reflectie van zonnestraling verdwijnt die stralingsenergie in de ruimte dus hier wordt de aarde minder warm van. Bij reflectie van infrarode uitstraling van het aardoppervlak krijgt het aardoppervlak een deel van zijn uitgestraalde energie weer terug, het aardoppervlak, en daarmee de atmosfeer, wordt hierdoor warmer. CO2 is een broeikasgas en broeikasgassen absorberen de warmtestraling die de aarde uitzendt. Hierdoor warmt de atmosfeer op. Als de hele atmosfeer opwarmt kan de algemene circulatie sterker worden en ook zal er meer zeewater verdampen,zodat zich zwaardere stormen kunnen ontwikkelen. De tropische cyclonen die Haïti of de Filippijnen treffen ontwikkelen zich boven het tropische deel van de Stille Oceaan. Deze is veel groter en warmer dan de Subtropische Wervel in de Atlantische Oceaan waardoor deze cyclonen meer tijd en een sterkere energietoevoer hebben dan ‘bij ons’. Ozon absorbeert hoog in de atmosfeer de schadelijke ultraviolette straling van de zon.

88

b

c

d 89 a b c

De groene lijn is het gemiddelde vermogen van de zonnestraling dat per m2 aardoppervlak binnenkomt op de aarde. De rode lijn is het gemiddelde vermogen van de infrarode warmtestraling dat de aarde per m 2 aardoppervlak uitstraalt. In figuur 61a is te zien dat er bij de evenaar een stralingsoverschot is. Dit teveel aan energie wordt via de atmosfeer en de oceanen verdeeld over de rest van de aarde.


CONCEPT

Pagina 16 van 17

d

e

f

Hoe groot die energiestromen gemiddeld zijn door elke breedtegraad, is kun je zien in figuur 61b. Rond 20° NB zit bevinden zich de Noord Equatoriale stromen. In de Atlantische Oceaan is deze zeestroming onderdeel van de Golfstroom en transporteert veel warmte van de evenaar richting de Noordpool. In de Pacific is er een soortgelijke stroom noordwaartse langs de Filippijnen richting Japan. De Golfstroom buigt op 60° NB af naar rechts en gaat dus niet helemaal door tot aan de Noordpool. Bovendien is het water daar koud geworden en vervoert niet veel energie meer. En ook in de Pacific is het water daar koud gaat de stroom niet verder noordwaarts. Dus is er weinig warmtetransport door de oceaan boven de 60° NB. Figuur 61a gaat over het vermogen dat er per m 2 aardoppervlak wordt opgenomen of uitgestraald. Figuur 61b is het totale vermogen dat de atmosfeer en/of de oceanen over de hele omtrek van de aarde op die bepaalde breedtegraad transporteren.


CONCEPT

Pagina 17 van 17

7 Bij het bevriezen van het water komt warmte vrij, die wordt afgestaan aan de bloesem (en de lucht)

Recommend Documents