Energiebalans aarde: systeemgrens
Aarde
Atmosfeer
Energiebalans
• Boekhouden: wat gaat er door de systeemgrens? • Wat zijn de uitgaande stromen? • Wat zijn de ingaande stromen? • Is er accumulatie?
De aarde: Energie-instroom
lin tra
Re fl
es nn Zo
ec tie :
30 %
Zon
g tra es nn Zo lin g
Aarde
Atmosfeer
g lin tra e nn Zo ra st g lin
W ar m va te n op stra lin pe g rv la k
W ar m te
st ra lin g
ec tie :
es nn Zo Re fl
30 %
De aarde: Energiestromen Zon
Aarde
Atmosfeer
Energiestroom-UIT
Te begrijpen als straling van een Zwart Lichaam •
Zwart Lichaam straalt Energie uit
Zon • •
Spiro, 2e druk p.146
Piek Intensiteit f(T) λpiek= c/Tpiek • Zon: 6000K • Aarde: 288K
Aarde •
Intensiteit = f (T4)
• S = σT4 • σ= 5,67 10-8 T4 [W/m2K4]
De aarde: een broeikas 2
lin ra
lin g st ra te
st
t es nn Zo
te op stra lin pe g rv la k
g
W ar m
ne
Re
n Zo
fle cti e:
30 %
Zon
g lin ra
W
va n
ar m
• Energiebalans Aarde: • In = zonnestraling • Uit = warmtestraling (IR) • Totaal = 0 (Evenwicht)
Aarde
Atmosfeer
• Zonnestraling: “gegeven” • Infrarood-uit: • ~ (Taarde) 4 • ~ absorptie CO2; H2O; CH4
Energiebalans •
Instraling zon • Zonne-energie op aarde • •
•
Albedo (reflectiefactor) S = (1-Albedo) 324,5
Uitstraling Aarde • S = kT4 = 5,67 10-8 T4
= 324,5 [W/m2] = 0.3 = 240 [W/m2]
[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
nn Zo lin t ra es g
lin g st ra te W ar m va te n op stra lin pe g rv la k
W ar
m
g lin ra st
Re fl
e nn Zo
ec tie :
30 %
Zon
Aarde
Atmosfeer
De aarde: een broeikas
• Geen atmosfeer o Taarde = 255 K (-18 C) • Met atmosfeer Taarde = 288 K
(+15 oC)
Broeikaseffect Dus… Het broeikaseffect is GEWENST, want de temperatuur op de aarde blijft veel hoger dan anders het geval zou zijn geweest (288 K = 15C i.p.v. 255 K = - 18C) VERSTERKTE broeikaseffect is ONGEWENST, want de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt 1.1 tot 6 graden in de 21ste 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” Grens met de ruimte
Suit, atmosfeer Sin, zon
Atmosfeer
Suit, aardoppervlak
Sterug, atmosfeer
Aardoppervlak
Atmosfeer als plaat
Grens met de ruimte
Suit, atmosfeer Sin, zon
Atmosfeer
Suit, aardoppervlak
Sterug, atmosfeer
Aardoppervlak
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 1e druk, p.121
Golfgetal:
H2O CO2 CH4 O3
H2O CO2 CH4 O3
Atm. Window Golfgetal:
H2O CO2 CH4 O3
Atm. Window
Karakteristieken broeikasgassen
pre-industr. conc. [ppm] huidige concentr. [ppm] jaarlijkse toename [%] atmosf. levensduur [jaar] GWP (CO2 = 1)
CO2 270 385 0,5 50-200 1
CH4 0,70 1,7 0,9 10
N2O 0,29 0,31 0,25 150
CFK11 0 0,00028 4 65
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/m2]
Zie Spiro 1e 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, 2e 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 CO2 in oceanen Permafrost Verdroging/bosbranden Organisch materiaal bodem
