PWS wolken en klimaat - Profielwerkstuk aardrijkskunde

Profielwerkstuk
Inleiding
Keuzemotivatie
Samenvatting(?)
Achtergrondinformatie
Verslag bezoek TUDelft
Verslag experimenten
4/7
1/7
2/7
Discussie
Conclusie
Bronnen
Bijlagen:
Logboek
SK PO Aërosolen
‘Je moet niet zomaar gaan rommelen als je
nog niet precies weet hoe het systeem in elkaar zit.’
Inleiding
Klimaatverandering, misschien wel het meest besproken punt de afgelopen jaren. En
op dit moment nog steeds. Wat heeft het veroorzaakt? wij? is het onze schuld? of is
het gewoon een periodieke verandering van de aarde zelf. Als we gaan kijken naar
de geschiedenis van de aarde is er namelijk wel vaker een verandering van het
klimaat voorgekomen. Maar, helaas, is al wel bewezen dat deze opwarming van de
aarde relatief wel heel snel gaat, en dat er wel meer achter zit dan alleen maar een
periodieke verandering. Bijvoorbeeld is algemeen bekend dat we, als mensen, te
veel broeikasgassen uitstoten waardoor we onszelf insluiten in een, op aardse
grootte, broeikas. Maar.. Ik denk dat er wel meer factoren aanwezig zijn bij de
klimaatverandering. Bijvoorbeeld: Wolken. Ze zijn er bijna altijd en zorgen ervoor dat
wij wel ofwel geen regen hebben, wel of niet van de zon kunnen genieten en of het
een zachte of frisse dag is. Dit zijn effecten van wolken op het weer, dus op korte
termijn, van dag tot dag. Op het klimaat hebben de wolken vanzelfsprekend ook
invloed. En dat is nu net waar nog veel over onbekend is. Vandaar mijn
Profielwerkstuk. Ten eerste natuurlijk omdat ik het interessant vindt, maar ook omdat
ik denk dat we ons niet alleen op het terugdringen van broeikasgassen moeten
richten maar ook verder moeten kijken. Misschien zijn er wel veel invloed rijkere
factoren voor de klimaatverandering.
Keuzemotivatie
Maart 2010, Als 5VWO’ers moesten wij gaan beginnen met onze profielwerkstukken.
Al vrij snel kreeg ik ideeën en wist ik in ieder geval in welke hoek ik moest gaan
zoeken. Al een lange tijd ben ik geïnteresseerd in het klimaat, en dan vooral de
klimaatveranderingen. Omdat er natuurlijk veel ophef over is tegenwoordig hoorde ik
er regelmatig over. Maar eigenlijk altijd alleen maar over de uitstoot van CO2 en
andere broeikasgassen die wij als mensen dus uitstoten. Verder hoorde ik nooit iets
over andere aspecten van de klimaatveranderingen. En toen begon ik me bij mezelf
af te vragen, of dat dan echt de enige factoren waren, er moesten toch nog wel meer
dingen meegespeeld hebben om deze opwarming van de aarde te veroorzaken.
Eind vorig schooljaar en in de zomervakantie ben ik me dus gaan verdiepen in
mijn interesse en vraagstukken. Na wat research op internet kwam ik een artikel
tegen, genaamd ‘Wolken nog 'X-factor' bij klimaatverandering’1 en was ik meteen
geïnteresseerd. Wolken en klimaatverandering, allebei erg interessant en ze hebben
dus ook van alles met elkaar te maken. Ik was eruit, hier zou ik mijn profielwerkstuk
over gaan doen. De invloed van wolken op de klimaatverandering. Het blijkt namelijk
dat wolken veel invloed hebben op het klimaat, maar dat er nog niet genoeg over
bekend is om op te houden met onderzoek. Het onderzoek naar de factor van wolken
in het geheel is eigenlijk pas een aantal jaren geleden op gang gebracht. Tot die tijd
waren wolken nog een geheel onbesproken factor in de klimaatverandering.
Tijdens mijn periode van informatie zoeken kwam ik een idee van
wetenschappers tegen op internet. Een idee om met vloten op de oceaan nevel –
afkomstig van zeewater- de atmosfeer in te spuiten waardoor er wolken ontstaan. En
die wolken hebben als doel meer zonlicht terug te kaatsen waardoor de aarde minder
zal opwarmen. Want er is al wel bekend dat wolken zonlicht kunnen terugkaatsen,
absorberen, maar ook doorlaten. Voor de opwarming van de aarde, en het
tegengaan van die opwarming, zijn wolken dus van groot belang!! Nu ik deze, naar
mijn idee, interessante vraagstukken/ideeën heb gevonden kon ik beginnen met
informatie zoeken, deelvragen formuleren en een goed en uitvoerbaar experiment
bedenken.
1
Bron: site TUDelft, http://www.tudelft.nl/live/pagina.jsp?id=f8f5823e-2d3a-4037-b15357a87fae6d66&lang=nl
PWS Achtergrondinformatie
Wat voor invloed hebben wolken op het klimaat?







Wat zijn wolken?
(ook de verschillende!)
Hoe ontstaan/vervormen/verdwijnen wolken?
(verdamping, turbulentie, neerslag)
Welke factoren beïnvloeden het ontstaan/vervormen/verdwijnen van wolken?
(temperatuur, luchtvochtigheid, wind, aërosolen)
Welke invloeden hebben wolken op ons milieu?
(temperatuur, vocht, menging aërosolen, klimaatverandering)
Welk verband bestaat er tussen wolken en het weer?
(voorspellingen)
Worden wolken al in klimaatmodellen meegenomen?
(voorspellingen, onbekende factor)
Kunnen we wolken gaan maken om de temperatuur van de aarde weer in
evenwicht te brengen?
(Silver Lining, geo-engineering)
Wat zijn wolken?
Een wolk bestaat uit wolkendruppeltjes, kleine waterdruppels. Wolkendruppeltjes zijn
gemiddeld tussen de 1-50 μm en zijn daardoor zo licht dat ze met z’n allen in de lucht
blijven hangen. Kleine stof- en zoutdeeltjes vormen de condensatiekernen voor de
waterdruppels. Er zijn, vooral in Nederland, ontzettend veel verschillende vormen van
wolken. Hieronder een afbeelding met de tien belangrijkste wolkentypes.
Voor het benoemen van wolken gebruiken we het systeem dat Luke Howard,
industrieel scheikundige, in 1802 heeft geïntroduceerd. Deze namen zijn zegmaar de
wolkengeslachten. Dan wordt er daarna ook nog onderverdeeld in veertien
wolkensoorten en in negen wolkenvarianten. Maar daar ga ik niet verder op in. Op de
volgende pagina staat ook nog een tabel met beschrijvingen van de tien ‘hoofdwolken’. Wolken kunnen volgens het systeem op drie niveaus voorkomen, het
hoge(basis op of boven 6km), lage(basis beneden 2km) en middelbare niveau(basis
tussen 2-6km). De cumulonimbus, ook wel extreme wolk, overlapt meestal alledrie de
niveaus. De misschien wel bekendste wolken, de stapelwolken vormen één van de
drie hoofdcategorieën waarin al de verschillende wolken eenvoudig kunnen worden
ingedeeld. Deze categorie is de cumulus(latijn: ‘stapel’) de andere twee categorieën
zijn de stratus(latijn: ‘laag’) en de cirrus(latijn: ‘plukje’).
Bron: The Cloud Appreciation Society
Bron: Het Weerboekje, uitgeverij Storm Dunlop
Hoe ontstaan/vervormen/verdwijnen wolken?
Wolken ontstaan wanneer warme, vochtige lucht gaat stijgen. Een natuurwet luidt:
hoe hoger de temperatuur is hoe meer waterdamp lucht kan bevatten. Dus zodra bij
ons in de troposfeer(laagste laag van de atmosfeer) de temperatuur hoog is bevindt
zich er veel waterdamp. En waterdamp is lichter dan lucht, dus de waterdamp gaat
stijgen. Wanneer je in de troposfeer omhoog gaat wordt de temperatuur steeds lager.
Doordat de temperatuur daalt kan de lucht steeds minder waterdamp bevatten en
condenseert de waterdamp tot waterdruppeltjes. Als dat er maar genoeg zijn, worden
ze zichtbaar als een wolk. Het proces van wolkenvorming heeft dus alles te maken
met verdampen en condenseren. Voor het condenseren van waterdamp zijn wel
condensatiekernen nodig. In de vorm van kleine stof- en zoutdeeltjes.
vervormen?!
Eerder zei ik al dat wolkendruppeltjes een grootte hebben van 1-50 μm.
Regendruppels hebben een doorsnee van 0,5 mm of meer. Voordat een wolk
uitregent zijn er dus nog processen nodig waardoor de wolkendruppeltjes groeien in
grootte. De druppeltjes kunnen groeien wanneer ze bevriezen doordat de
temperatuur flink laag wordt. Deze kristallen zijn zwaarder dan waterdruppels en
beginnen te vallen. Tijdens het dalen stijgt de temperatuur weer en smelten de
kristallen tot regen. Een ander proces is groei door botsing. In een wolk zijn de
wolkendruppeltjes langzaam aan het vallen. Dat gaat allemaal nog heel langzaam.
Maar grote druppels vallen sneller dan kleinere, hierdoor zullen ze de kleinere
inhalen, ermee botsen en door versmelting verder aangroeien. De druppels worden
zo steeds groter en op een gegeven moment zijn ze zo groot dat ze als regen naar
de grond vallen. Als de regendruppels nog niet groot genoeg zijn verdampen ze in de
lucht tijdens het vallen en zullen ze de grond niet eens halen.
Welke factoren beïnvloeden het ontstaan/vervormen/verdwijnen van
wolken?
Voor het ontstaan van wolken door condensatie zijn dus condensatiekernen nodig. In
de atmosfeer zijn deze er gelukkig in overmaat(‘Gelukkig’ voor de vorming van
wolken maar niet voor het gehele milieu!). Hoe meer condensatiekernen er in de
atmosfeer zijn hoe meer druppeltjes er ontstaan. Dus bij een grootte hoeveelheid
stofdeeltjes bestaan wolken uit vele kleine druppeltjes. Bij minder stofdeeltjes
ontstaan er ook minder en dus grotere druppeltjes. Zo kan veel stof in de lucht er dus
voor zorgen dat regen nog even uit blijft, doordat de druppels nog niet groot genoeg
en dus zwaar genoeg zijn om uit te regenen. Aërosolen zijn dus van invloed op de
vorming van wolken. En daarnaast beïnvloeden ze dus ook de regenval.
Naast deze niet-natuurlijke aërosolen spelen ook verschillende
weersomstandigheden een belangrijke rol bij de vorming van wolken. Allereerst moet
de lucht natuurlijk genoeg vocht(waterdamp) bevatten. De lucht die veel waterdamp
bevat stijgt op doordat waterdamp lichter is dan lucht. Zodra deze lucht met
waterdamp gaat stijgen bereikt het op een gegeven moment het dauwpunt doordat
de lucht naarmate het hoger komt kouder wordt. Bij het dauwpunt gaat de
waterdamp condenseren en ontstaan er wolken.
De vochtigheid van de lucht is dus belangrijk, maar ook de temperatuur heeft een rol
in de wolkenvorming. Als het warmer is, en dan vooral als het aardoppervlak warmer
is, dan wordt de lucht bij het aardoppervlak verwarmt. Warme lucht stijgt op, dus ook
dan gaat de warmere lucht opstijgen totdat het zo erg afkoelt tot het dauwpunt.
Wolken kunnen ook nog op andere manieren ontstaan. Bijvoorbeeld door
gedwongen opstijging van lucht door heuvels of bergen. Als lucht door
stroming(wind) tegen een berg(gebied) aanbotst moet de lucht wel stijgen. Als de
lucht zo ver moet stijgen, en daardoor zo veel afkoelt, kan het zijn dat het het
dauwpunt bereikt en dan ontstaan er dus ook wolken. Als die gevormde wolken nog
verder moeten stijgen omdat ze de berg nog niet over zijn koelen ze nog meer af en
worden de wolkendruppeltjes steeds zwaarder totdat ze zelfs voor de berg alweer
kunnen uitregenen. Door dit effect heb je bij een berg vaak een regenkant en een
kant waar het meestal droog is. Dit komt omdat er dan vaak eenzelfde wind staat en
de regen dus altijd al aan die ene kant van de berg is gevallen. Aan de andere kant
heerst dan regen schaduw. Naast deze gedwongen stijging door bergen kunnen er
op een andere manier ook nog wolken ontstaan. Namelijk als verschillende
luchtsoorten samenkomen. Met verschillende temperatuur en vochtigheidsgraad. Dit
wordt ook wel een front genoemd. De koelere lucht verdringt de warmere lucht van
het aardoppervlak en de warme lucht stijgt hierdoor op. Door de afkoeling van deze
lucht kunnen er wolken ontstaan. Diezelfde warmte- en koufronten, waar dus
verschillende luchtsoorten tegen elkaar stromen, kunnen flinke hoeveelheden regen
veroorzaken. Dit komt door het verschil in temperatuur.
Welke invloeden hebben wolken op ons milieu?
Wolken houden natuurlijk het door ons zo geliefde zonlicht tegen! Maar daar zit nog
veel meer achter. Niet alle wolken houden evenveel zonlicht tegen en dan zijn er ook
nog eens allerlei ander invloeden op ons milieu. Maar allereerst over de
zonnestraling. Wolken houden straling tegen, maar absorberen het ook. Hieronder
staat eerst een afbeelding over de stralingsbalans van de aarde en daaronder een
afbeelding ingezoomd op de stralingsbalans met betrekking tot wolken.
Bron: Nasa
Bron: Nasa
30% Van de zonnestraling wordt door de aarde(vooral door de atmosfeer)
gereflecteerd. De andere 70% wordt dus geabsorbeerd door de atmosfeer en het
aardoppervlak. In de atmosfeer wordt de straling vooral geabsorbeerd door
waterdamp, koolstofdioxide en ozon. Zo’n 14% van de totale zonnestraling wordt
geabsorbeerd door waterdamp. Verder absorbeert het aardoppervlak een zeer groot
deel van de straling. Daardoor warmt de aarde op en gaat op haar beurt (infrarode)
straling uitzenden.
De straling wordt verdeeld in inkomende kortgolvige straling en uitgaande
langgolvige aardse straling. De kortgolvige straling is dus de zichtbare
zonnestraling(licht). Die kortgolvige straling wordt, zoals te zien is in de tweede
afbeelding, goed gereflecteerd door de lagere wolken en niet goed gereflecteerd, dus
doorgelaten, door de hogere bewolking. Die hogere bewolking reflecteert de
langgolvige straling, die vanaf de aarde komt juist wel goed. Terwijl die langgolvige
straling door de lage wolken weer goed wordt doorgelaten.
Eigenlijk zijn voor de opwarming van de aarde dus juist de hoge wolken fataal. Die
laten veel straling van de zon door naar de aarde en houden daarnaast, als een
deken, de warmtestraling van de aarde ook nog eens bij de aarde. Daarentegen
weerkaatst de lagere bewolking de straling van de zon én laat het de warmtestraling
van de aarde doorgaan.
Verdere verdieping
Bij wolken wordt wel van optische dikte gesproken. De optische dikte is een maat
voor de hoeveelheid licht die door de wolk dringt en de hoeveelheid die gereflecteerd
wordt door de wolk. De optische dikte voor kortgolvige straling wordt bepaald door de
dikte van de wolk, de druppelgrootte en de totale hoeveelheid wolkenwater. Doordat
de lagere wolken uit veel kleine druppeltjes bestaan hebben zij een groot
reflectievermogen. De hogere wolken hebben over het algemeen een kleinere
optische dikte doordat ze bestaan uit minder en grotere druppels en laten dus veel
kortgolvige straling door.
Voor de langgolvige straling(warmte straling van de aarde) is een andere verklaring
nodig. Dit verschijnsel is namelijk uit te leggen met onder andere de Wet van StefanBoltzmann:
waarbij σ de constante van StefanBoltzmann is en T de temperatuur. Wanneer de temperatuur dus toeneemt zal de
stralingsflux sterk toenemen(ook wel de intensiteit van de uitgezonden straling). En
nu gaat het niet over reflecteren of doorlaten, maar over absorberen en weer
uitstralen.
Lage wolken hebben, van zichzelf, een hogere temperatuur dan de hogere wolken.
Wanneer de lage wolken de warmtestraling van de aarde absorberen warmen zij op
en gaan ze zelf ook warmtestraling uitzenden. Die straling wordt alle kanten op
uitgezonden, dus richting het heelal, maar ook weer terug naar de aarde. Bij hogere
wolken geldt hetzelfde, zij absorberen ook de warmtestraling van de aarde, en
warmen daardoor ook op. Maar de hogere wolken zijn van zichzelf al veel kouder en
zullen door het absorberen van de warmtestraling alsnog niet heel warm worden. Via
de wet van Stefan-Boltzmann is dan dus af te leiden dat de hogere wolken met een
veel lagere intensiteit straling uitzenden dan de lagere wolken die door het
absorberen een hogere temperatuur bereiken. Voor het absorberen van de
langgolvige straling speelt de dikte van de wolk geen grote rol, zelfs een vrij dunne
wolkenlaag kan een grote hoeveelheid straling absorberen. Voor de langgolvige
straling zijn de wolken dus ‘optisch dik’. Kortom, de hogere wolken absorberen de
warmtestraling dus grotendeels en stralen niet veel straling uit, door hun lagere
temperatuur. De lagere wolken absorberen de warmtestraling ook grotendeels maar
gaan daardoor zelf ook direct een groot deel van die warmtestraling uitzenden,
waardoor het dus lijkt alsof lagere wolken de warmtestraling ‘doorlaten’ en de hogere
wolken de warmtestraling ‘tegenhouden’.
Absorptie, verstrooiing!
Menging aërosolen
Naast al de voorgaande factoren van wolken op het milieu zijn wolken nog ergens
anders goed voor. Wolken zorgen er voor dat stofdeeltjes in de lucht niet alleen maar
in de lucht blijven hangen maar een soort kringloop vormen. Wolken ‘mengen’ de
aërosolen. Bijvoorbeeld bij een vulkaanuitbarsting, wolken vormen zich om de
uitgestoten stofdeeltjes heen. Wanneer de wolken dan uitregenen wordt het stof dus
ook naar de oppervlak van de aarde gebracht. Het is dus wel prettig als er bij een
vulkaanuitbarsting wolken aanwezig zijn.
Bron: http://www.knmi.nl/satrep/synmeteo/hoofdstukken/hfst2straling.pdf
Welk verband bestaat er tussen wolken en het weer?
Wolken zijn afhankelijk van het weer, maar het weer is daarop ook weer afhankelijk
van wolken. Wat eerst komt en wat volgt is moeilijk te zeggen. Want wolken behoren
natuurlijk tot het weer. Wolken ontstaan door bepaalde weersomstandigheden, maar
door wolken ontstaan natuurlijk ook weersomstandigheden. Denk aan wel of geen
zon en natuurlijk regen ofwel sneeuw. Naar aanleiding van bepaalde wolken kan wel
een weersverwachting worden gedaan, want dat is af te leiden van de soort wolken.
Hieronder een tabel met welke weersverwachting gemaakt kan worden naar
aanleiding van welke wolken.
Bron: Het Weerboekje, uitgeverij Storm Dunlop
Worden wolken al in klimaatmodellen meegenomen?
In elk artikel dat ik via het internet had gevonden staat dat wolken een erg belangrijke
factor zijn van het klimaat en dus ook de klimaatverandering. Maar dat het, helaas,
nog wel een erg onbekende factor is. In een artikel van twintig jaar geleden staat het,
en in artikelen van de laatste jaren staat het nog steeds. Dan denk ik, doe er wat
aan! Maar goed, tot nu toe is er gelukkig al wel iets bereikt en kan ik het in ieder
geval ergens over hebben.
Klimaatmodellen, ze worden de laatste jaren veelvuldig bestudeerd, geanalyseerd en
gemaakt. Want wat is er nu precies aan de hand met het klimaat? We zullen het
allemaal graag willen weten. En wetenschappers proberen dan ook een zo goed
mogelijk beeld te schetsen, een klimaatmodel. Op de klimaatverandering in het
algemeen ga ik verder niet op in. Ik houd het bij de wolken.
Kunnen we wolken gaan maken om de temperatuur van de aarde weer
in evenwicht te brengen?
Verslag bezoek TUDelft
Na het lang van plan te zijn geweest had ik eind januari eindelijk een afspraak
gemaakt om bij iemand van de TUDelft langs te gaan. 1 Februari om 14 uur stond de
afspraak gepland. Ik keek er erg naar uit. Ik had op de site van de TUDelft zoveel
interessante artikelen gelezen over wolken en over waar ze bij de TUDelft met
wolken over bezig waren dat ik graag bij ze wilden gaan kijken.