Aarde en klimaat - Noordhoff Uitgevers

AK
2
hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 2
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Aarde en klimaat
Heftige stormen en flinke overstromingen lijken steeds vaker
voor te komen, soms met ernstige gevolgen. Het is belangrijk
dat je je daar goed op kunt voorbereiden. Daarvoor moet je
het weer zo nauwkeurig mogelijk kunnen voorspellen. Kennis
van de werking van het klimaatsysteem is daarvoor van groot
belang. Ook onder het aardoppervlak is veel beweging, met
soms heftige gevolgen voor de mens. Tot slot leer je in dit
keuzehoofdstuk over de invloed van menselijk handelen op het
klimaat.
Wegwijzer
Paragraaf
AK Aarde en klimaat
AK.1 Het systeem aarde
AK.2 Wolken
AK.3 Het klimaat
Experimenten
Site
Voorkennistest
Corioliseffect II
AK.1 Corioliseffect I
AK.2 Fronten
AK.3 Dauwpunt I
AK.4 Vermogen van de zon
AK.5 Reflectie
AK.4 De vaste aarde
AK.5 Afsluiting
A Broeikasgas
B Klimaatmodel
C Meetinstrumenten voor het weer
Dauwpunt II
Tussentoets
Broeikaseffect
Epicentrum
Vulkaanuitbarsting
Samenvatting
Diagnostische toets
Extra opdrachten
Uitwerkingen oefenopgaven
Startopdrachten
1
Op de foto zie je de gevolgen van extreem weer.
a Welke voorbereidingen moet je treffen om geen
‘last’ te hebben van het weer?
b Waarom is het belangrijk dat dit weer zo goed
mogelijk voorspeld wordt?
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 3
c Welke grootheden moet je meten om een goede
voorspelling te kunnen doen?
2
Doe op de site de voorkennistest.
Aarde en klimaat
3
26/06/14 7:38 AM
AK.1 Het systeem aarde
Vanuit de ruimte kun je prachtige foto’s
maken van de aarde. Door de grote
afstand krijg je een mooi overzicht van de
aarde als systeem. In figuur AK.1 zie je dat
de aarde omgeven is door een laag lucht.
Startopdracht
Zonnestraling warmt de aarde en de atmosfeer overdag op. In figuur AK.2 zie je dat in de buurt van de
noordpool minder zonlicht per oppervlak valt dan op
gebieden rond de evenaar. Ook staat de aardas schuin
ten opzichte van het vlak waarin de aarde om de
zon draait. Daardoor komt in de loop van het jaar op
verschillende plaatsen meer of minder zonlicht terecht.
De verwarming van de aarde en de atmosfeer is dus
niet gelijkmatig.
3
a Waarom blijft deze luchtlaag rond de aarde hangen?
b Wat bevindt zich buiten deze luchtlaag?
De atmosfeer
Op de satellietfoto (figuur AK.1) zie je dat de atmosfeer een relatief dunne laag lucht rondom de aarde
is. De atmosfeer is heel belangrijk voor de aarde. Deze
luchtlaag houdt een groot deel van de schadelijke
ultraviolette straling en meteoren tegen. De atmosfeer
zorgt dat energiebalans op aarde in stand blijft, zodat
de temperatuur op aarde ‘leefbaar’ is.
Wanneer je een zelfde foto een dag later maakt, zie
je vaak een heel ander patroon van bewolking. Dat
betekent dat deze luchtlaag voortdurend in beweging
is. Deze beweging blijkt nauw verbonden te zijn met
temperatuurverschillen.
Het aardoppervlak bestaat uit land of water. Water
heeft een veel grotere soortelijke warmte dan land. Dat
betekent dat er om 1 kg water 1 °C in temperatuur te
laten stijgen veel meer energie nodig is dan om 1 kg
land 1 °C te laten stijgen. Dus water warmt minder
snel op en koelt maar langzaam af in vergelijking met
land. De zon verwarmt de aarde niet gelijkmatig en
de aarde straalt ook niet overal dezelfde hoeveelheid
energie uit. Ook hierdoor ontstaan temperatuurverschillen in de atmosfeer en die hebben tot gevolg dat
er verschillen in luchtdruk ontstaan. Lucht stroomt dan
van een gebied met hoge luchtdruk naar een gebied
met lage luchtdruk.
•
Rondom de aarde bevindt zich de atmosfeer,
een dunne luchtlaag die voortdurend in beweging
is. De atmosfeer houdt een deel van de gevaarlijke
uv-straling tegen en regelt de energiebalans op
aarde. De beweging van de atmosfeer is verbonden met de temperatuur, waarbij de beweging van
de aarde, de hoeveelheid zonnestraling op het
aardoppervlak en de verdeling van land en water
een rol spelen.
> Opdrachten 4 en 7
noordpool
zonne-energie
evenaar
zonne-energie
aardas
zuidpool
AK.1 De aarde van een afstand bekeken
AK.2 Zonlicht op de aarde als het zomer is op het noordelijk
halfrond
4
hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 4
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Luchtstromingen
Om de beweging van de atmosfeer te kunnen
beschrijven is een model gemaakt. De luchtstromingen in de atmosfeer vormen een transportsysteem
van lucht en dat noem je de algemene circulatie, zie
figuur AK.3. Warme lucht heeft een kleinere dichtheid
dan koude lucht, omdat de moleculen in warme lucht
sneller bewegen en verder van elkaar af zitten. Rond
de evenaar zal daarom warme lucht stijgen. Hierdoor
ontstaan luchtdrukverschillen op grote hoogte en gaat
de lucht in de richting van een gebied met een lagere
luchtdruk, de polen, stromen. Aan de polen daalt
de inmiddels afgekoelde lucht weer. Er ontstaat zo
circulatie van stromende lucht langs het aardoppervlak van de polen naar de evenaar. Hoger in de lucht
gaat de stroming van de evenaar naar de polen. Dat
zou betekenen dat wij op het noordelijk halfrond altijd
noordenwind hebben. Nu is dat lang niet altijd zo.
Het model van de algemene circulatie klopt niet
helemaal, de luchtstroming blijkt ingewikkelder. Zie
figuur AK.4. Op 30 graden noorderbreedte ontstaat
een hogedrukgebied, waardoor de warme lucht
weer terugstroomt langs het aardoppervlak, in twee
richtingen: de polen en de evenaar. Deze rondgaande
luchtstroom noem je de hadleycel. De volgende luchtcirculatiecel heet de ferrelcel. Deze ligt tussen de 30
en 60 graden noorderbreedte. Op 60 graden noorderbreedte botst de warme lucht die langs het aardoppervlak stroomt tegen koude lucht uit het noorden.
De warme lucht stijgt en er ontstaat een lagedrukgebied. Een deel van de lucht stroomt dan weer terug
naar het zuiden en een deel naar het noorden. Rond de
polen ontstaat daardoor een hogedrukgebied. Tussen
de 60 en 90 graden noorderbreedte bevindt zich
nog een cel: de polaire cel. Deze cellen zijn een model
waarmee je een groot deel van de luchtstromingen
kunt verklaren.
De draaiing van de aarde om haar as speelt hierbij een
rol. Terwijl de lucht stroomt, draait de aarde als het
ware onder de atmosfeer door naar het oosten. Wind
uit het noorden buigt daardoor af naar het westen.
Zie figuur AK.5. Vergelijk dat met een vliegtuig dat van
noord naar zuid vliegt. Als het vliegtuig geen rekening
houdt met de draaiing van de aarde en in een rechte
lijn vliegt, ligt de aankomstplek ten westen van de
plek waar je naartoe wilt, omdat de aarde tegelijkertijd
doordraait naar het oosten.
Ook luchtstroming beweegt zich over een draaiend
oppervlak, de aardbol. Dicht bij de polen beschrijft de
lucht in 24 uur een kleinere cirkel dan rond de evenaar.
De lucht die beweegt van de polen naar de evenaar
gaat dus over een draaiend oppervlak dat steeds
sneller beweegt. De lucht versnelt onder invloed van
de corioliskracht. De corioliskracht noem je een
schijnkracht, omdat deze kracht een gevolg is van het
draaien van de aarde. Hoe groter de snelheid, hoe
stilstaande aarde
draaiende aarde
evenaar
draairichting
AK.5 Bewegingsrichting, mede bepaald door de draaiing van
de aarde
daling
pool
nz-wind
polaire cel
gematigde cel
(ferrelcel)
60°
30°
hogedrukzone
subtropische cel
(hadleycel)
stijging
AK.3 Algemene circulatie
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 5
evenaar
evenaar
lagedrukzone
AK.4 Gemiddeld globale circulatie
Aarde en klimaat
5
26/06/14 7:38 AM
groter de corioliskracht. Het corioliseffect merk je
doordat bewegende voorwerpen, dus ook luchtstromen, op het noordelijk halfrond naar rechts afbuigen
en op het zuidelijk halfrond naar links. Zie figuur AK.6.
•
De aarde wordt onregelmatig verwarmd.
Hierdoor ontstaan stromingen in de lucht.
Door de draaiing van de aarde krijgt de luchtstroming een afwijking: het corioliseffect.
In de atmosfeer kun je luchtcirculatiecellen onderscheiden.
In de troposfeer spelen zich weersveranderingen af;
ook wolken ontstaan daar. De lucht in de troposfeer
bestaat onder andere uit stikstof (N2), zuurstof (O2),
koolstofdioxide (CO2), water (H2O) en edelgassen.
De concentraties van water en van koolstofdioxide
kunnen erg variëren in de atmosfeer. Het water in de
atmosfeer bevindt zich vrijwel geheel in de troposfeer
en speelt een rol bij de watercyclus, zie figuur AK.9.
Water kan in alle fasen voorkomen: gas, vloeistof en
vaste stof. Sommige grote wolken kunnen zelfs tot in
de stratosfeer reiken.
> Opdrachten 10, 11 en 15
Opbouw atmosfeer
De atmosfeer is opgebouwd uit verschillende lagen.
In figuur AK.7 zie je deze opbouw, die is gebaseerd
op de temperatuurverdeling. De onderste laag heet de
troposfeer. Hoe hoger je in deze laag komt, hoe lager
de temperatuur is. Naarmate je hoger in de troposfeer
komt, neemt ook de dichtheid van de lucht af, de lucht
is ijler. De troposfeer is boven tropische gebieden
ongeveer 17 km hoog en boven de polen slechts
6 km.
De tropopauze geeft de overgang aan met de stratosfeer. In de tropopauze is de temperatuur constant. Je
noemt dat een isotherme laag. De lagen (sferen) worden zo gescheiden door een laag met gelijkblijvende
temperatuur die ‘pauze’ heet. De grenzen hangen af
van de variatie in temperatuur en kunnen daarom ook
variëren in hoogte. Zie ook tabel 30F van Binas.
De temperatuur in de stratosfeer neemt langzaam
weer toe naarmate je hoger komt (zie figuur AK.7).
Dit is het gevolg van de absorptie van (schadelijke)
uv-straling door ozon (O3). Bij dit proces komt warmte
vrij. Onder invloed van de uv-straling ontstaat er in
de stratosfeer een cyclus van vorming en afbraak van
ozon. Zie figuur AK.8.
Er is weinig luchtstroming in de stratosfeer en er is
veel minder waterdamp en kooldioxide dan in de
troposfeer aanwezig. Door de geringe luchtstroming
blijven verontreinigingen lang in de stratosfeer hangen.
• De atmosfeer zelf is opgebouwd uit verschil-
lende luchtlagen. In de troposfeer, de onderste
luchtlaag, speelt zich het weer af. Deze laag bevat
het meeste water, dat een belangrijke rol speelt bij
het weer.
De stratosfeer bevat ozon, die schadelijke
uv-straling van de zon tegenhoudt.
De dichtheid van de lucht neemt af met de hoogte.
> Opdrachten 6 en 13
120
zuidwestelijke winden
ionosfeer
110
60°
thermosfeer
100
0,001
90
warme lucht stijgt
evenaar
zuidoostelijke winden
0,01
70
mesosfeer
50
stratopause
20
AK.6 Windrichtingen, mede bepaald door de corioliskracht
6
hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 6
0
–100
10
stratosfeer
tropopause
10
noordwestelijke winden
1
40
30
koude lucht daalt
0,1
60
luchtdruk (hPa)
noordoostelijke winden
80
hoogte (km)
koude lucht daalt
mesopause
30°
100
troposfeer
–80
–60
–40
–20
temperatuur (°C)
0
20
1000
40
AK.7 Opbouw van de atmosfeer
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Luchtdruk
De luchtdruk is de kracht die de lucht op een oppervlak van één vierkante meter uitoefent. Je kunt druk
met de volgende formule berekenen:
p=
F
A
p is de druk in pascal (Pa = N/m2)
F is de kracht in newton (N)
A is de oppervlakte in vierkante meter (m2)
De luchtdruk meet je met een barometer. Deze geeft
de druk meestal weer in de eenheid millibar of hPa
(hectopascal).
De zwaartekracht van de luchtkolom die zich boven
jou bevindt, zorgt voor de luchtdruk. Op het aardoppervlak is de luchtdruk het grootst, omdat daar de
luchtkolom boven je het hoogst is. Zie figuur AK.10.
Om een idee te krijgen hoe het met de luchtdruk zit,
kun je de luchtkolom vergelijken met een vloeistofkolom. Zie voorbeeld 1.
vorming
O2
uv-straling
2O
O2 + O
O3
Voorbeeld 1 Rekenen met druk
Een waterkolom heeft bij kamertemperatuur een
hoogte h = 10 m en een oppervlakte A = 1,0 m2.
a Bereken het volume.
b Bereken de druk onder de waterkolom.
c Leg uit dat de druk toeneemt als de kolom
hoger wordt. Leid daartoe een formule voor de
druk p af, uitgedrukt in ρ, h en g.
d Leg uit dat de grootte van het oppervlak van de
kolom geen invloed heeft op de druk.
a Het volume is: V = A · h = 10 × 1,0 = 10 m3.
F
b De druk bereken je met p = . De kracht die
A
de vloeistofkolom uitoefent, wordt bepaald door
de massa van het water: m = ρ · V =
0,9982 · 103 × 10 = 9,982 · 103 kg.
F m · g 9,982 · 10 3 × 9,81
Dus: p = =
=
=
A
A
1,0
98 · 103 N/m2 = 98 kPa
c De formule van de druk kun je schrijven als:
F m· g ρ ·V · g ρ · A· h · g
p= =
=
=
= ρ · h · g.
A
A
A
A
In een vloeistof is ρ constant. De druk is dus
recht evenredig met de hoogte. Hoe hoger de
kolom, hoe groter de druk.
d In de formule komt de oppervlakte niet voor. De
druk van deze waterkolom hangt niet af van de
oppervlakte.
afbraak
O3
uv-straling
O2
+
O
Het verschil tussen een waterkolom en een luchtkolom
is dat de dichtheid ρ in een luchtkolom niet constant
is. Vlakbij het aardoppervlak is deze kolom lucht heel
hoog. Door de druk van deze luchtkolom perst hij de
onderste luchtmoleculen als het ware naar elkaar toe.
Naarmate je hoger komt, is de lucht ijler, minder dicht.
AK.8 Ozon: vorming en afbraak
condensatie
sneeuw
ijs
gewasverdamping
neerslag
50 km
1 hPa
neerslag
e
tie ti
ra ola
filt rc
in pe
afstroming
freatische
grondwaterstand
verdamping
verdamping
17 km
100 hPa
grondwaterstroming
bron
meer
1000 hPa
grondwater rivier
oceaan
1 m2
AK.9 De watercyclus
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 7
AK.10 Een kolom lucht geeft druk.
Aarde en klimaat
7
26/06/14 7:38 AM
Er bevinden zich dus minder gasmoleculen per
volume-eenheid op grotere hoogte. Bergbeklimmers
merken dat al. Daarom slaan ze na een bepaalde
afstand een kamp op waar ze even kunnen blijven
om het lichaam te laten wennen aan de ijlere lucht. In
figuur AK.11 zie je dat de luchtdruk en de dichtheid
afnemen met de hoogte.
Door verschillen in temperatuur aan het aardoppervlak
ontstaan ook verschillen in luchtdruk. Daardoor ontstaan zowel verticale als horizontale luchtstromingen,
die een belangrijke rol in ons weer spelen.
•
De luchtdruk is afhankelijk van de hoogte en de
dichtheid van de lucht.
Luchtdruk speelt een belangrijke rol bij het weer.
> Opdrachten 5, 8 en 9
Het weer
Je kunt het weer voorspellen aan de hand van metingen in de atmosfeer van weerkundige grootheden
zoals de temperatuur, vochtigheid, druk en windrichting. In een gemiddelde Nederlandse zomer is het zo’n
20 tot 25 graden en valt er af en toe een bui. Dat hoeft
natuurlijk niet iedere dag zo te zijn. Dat gemiddelde
komt uit heel veel metingen op een bepaalde plek
over een periode van minstens dertig jaar. Dat levert
een gemiddeld weerbeeld op dat we klimaat noemen.
Luchtstromingen die gemiddeld uit een bepaalde
richting komen en de aanwezigheid van water zijn
daarvoor heel belangrijk.
Luchtdrukverdelingen kun je op weerkaarten weergeven door lijnen te tekenen van punten van gelijke
luchtdruk. Deze lijnen noem je isobaren. Zie figuur
AK.12. De lucht zal zich verplaatsen van hoge naar
lage druk. Hoe dichter de lijnen bij elkaar liggen, hoe
groter de drukverschillen. De wind is daar sterker.
Gesloten isobaren omsluiten een hoge- of een
lagedrukgebied. In een hogedrukgebied is de druk
in de kern hoger dan in de omringende lucht. In een
lagedrukgebied is de druk lager, maar die neemt toe
naarmate je van de kern af gaat. Door het corioliseffect krijgt de luchtstroom die van hoge naar lage druk
stroomt een afwijking: op het noordelijk halfrond naar
rechts en op de zuidelijk halfrond naar links. Dit staat
ook wel bekend als de wet van Buijs Ballot.
Het corioliseffect zorgt er zelfs voor dat de windrichting boven zee (vrijwel geen weerstandskracht)
evenwijdig zal zijn aan de isobaren. In figuur AK.13a is
dat schematisch voor het noordelijk halfrond weergegeven. De horizontale lijnen stellen isobaren voor. Een
hoeveelheid lucht die van hoge druk (A) naar lage druk
beweegt, zal onder invloed van de corioliskracht naar
rechts afbuigen (B). Zie de stippellijn in figuur AK.13a.
De snelheid neemt toe en daarmee ook de corioliskracht en uiteindelijk zal de lucht evenwijdig aan de
isobaren stromen (C).
Bij een lagedrukgebied zal de lucht zelfs om de kern
heen gaan draaien. Op het noordelijk halfrond draait
de wind tegen de klok in om een lagedrukgebied (zie
figuur AK.13b). Het lagedrukgebied wordt dan ook niet
gevuld met lucht uit het hogedrukgebied, maar het
blijft een tijd bestaan.
1,2
1,0
800
0,8
600
dichtheid (kg/m3)
p (hPa)
L
1000
970
980
1000
990
1000
1000
L
L
1010
1010
0,6
1020
0,4
400
H
1030
200
0,2
1020
Mont Blanc Mount Everest
0
0
5
10
15
20
25
h (km)
0
30
AK.11 Afname van de luchtdruk en de dichtheid met de
1020
1020
AK.12 Een weerkaart
hoogte
8
hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 8
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Experimenten
Rondom een gebied met een lage drukgebied komen
fronten voor. Een front is de lijn waar twee luchtmassa’s met verschillende eigenschappen (temperatuur,
vochtigheid enzovoort) elkaar tegenkomen. Dikke
lijnen in de weerkaart geven die fronten aan. Zie figuur
AK.12. Je spreekt van een warmtefront als de luchtmassa met warme lucht over een gebied heen schuift
met koudere lucht. Omdat warme lucht een lagere
dichtheid heeft, zal de warme lucht in de bovenste
luchtlagen eerder aankomen. Langzaam zal de warme
lucht ook in de lagere luchtlagen terechtkomen. Bij
een koufront komt juist de koude lucht op je af en
schuift dan onder een gebied met warme lucht. Zie
figuur AK.14a en b.
AK.1 Corioliseffect I
Door de rotatie van de aarde verandert de windrichting. Je kunt dat vergelijken met een voorwerp
dat over een draaiende schijf beweegt.
De onderzoeksvraag is:
Hoe ziet de baan eruit van een voorwerp dat
over een draaiende ondergrond beweegt?
AK.2 Fronten
In een bak water kun je een warmte- of een koufront zichtbaar maken.
De onderzoeksvraag is:
Hoe bewegen warme en koude lucht die elkaar
tegenkomen?
•
De toestand van de atmosfeer gemeten op een
bepaalde plek over een langere tijd noem je het
klimaat.
Een isobaar op de weerkaart is een lijn die punten
van gelijke luchtdruk verbindt.
Een front is de lijn waar twee luchtmassa’s met
verschillende eigenschappen elkaar tegenkomen.
De windrichting is niet van hoge druk naar lage
druk, maar ten gevolge van het corioliseffect evenwijdig aan de isobaren. Rond een lagedrukgebied
draait de wind op het noordelijk halfrond tegen de
klok in.
> Complete instructies op de site
Site
Corioliseffect II
Je bekijkt hoe de corioliskracht bewegingen op
een draaiende ondergrond beïnvloedt.
> Opdrachten 12 en 14
Flucht
Flucht
1005
warme lucht
Fcor
1020
1025
v
B
Flucht
1015
a
C
v
1010
A
v
Fcor
koude lucht
Fcor
v = snelheid
Flucht = kracht door drukverschil
Fcor = corioliskracht
a
0
102
5
1
10
0 F
v
lucht
101
LF
lucht
Flucht
Fcor
v
warme lucht
Fcor
warme lucht
v
koude lucht
Fcor
b
AK.13 Stroming van de lucht boven zee op het noordelijk
b
AK.14a een warmtefront b een koufront
halfrond a bij evenwijdige isobaren b bij een lagedrukgebied
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 9
Aarde en klimaat
9
26/06/14 7:38 AM
Opdrachten
A 4
Geef de factoren die zorgen voor luchtstromingen in
de atmosfeer.
Op huis B verplaats je het zonnepaneel van de zuidzijde naar de noordzijde.
b Leg uit of het zonnepaneel op huis B dan meer of
minder energie produceert dan huis A.
zonnepaneel
zonnepaneel
A 5
a Leg uit wat de functie is van de atmosfeer.
b Leg uit wat de functie van ozon is in de stratosfeer.
c Waar komt de energie vandaan die de luchtstromingen in de atmosfeer veroorzaakt?
d Reken een luchtdruk van 1008 mbar om in Pa.
A
A 6
Gebruik voor de volgende vraag Binas tabel 30F.
a Hoe dik is de atmosfeer?
b Welke laag bevindt zich het verst van het aardoppervlak?
B 7 *
Zoek op welke gassen voorkomen in de troposfeer en
zet deze in volgorde van aflopende concentratie.
B 8
Naarmate je hoger komt in de troposfeer neemt de
druk af.
a Leg uit wat dat betekent voor de dichtheid van de
lucht.
b Leg uit waarom je oren ‘ploppen’ wanneer je snel
stijgt.
c Leg uit dat het onverstandig is om lang op de top
van de Mount Everest te blijven.
B 9 *
Het aardoppervlak is niet vlak. De luchtdruk op zeeniveau is 1013 hPa, de luchtdruk op de top van de Mont
Blanc (h = 4808 m) is lager. De afname in luchtdruk
kun je weergeven met Δp = ρ · Δh · g.
a Bereken de luchtdruk op de Mont Blanc als de
dichtheid van de lucht over de hele hoogte gelijk is
aan de dichtheid op zeeniveau (1,293 kg/m3).
b Leg uit of de werkelijke luchtdruk op de top van de
Mont Blanc groter of kleiner is dan je antwoord bij
vraag a.
C 10 *
In figuur AK.15 zie je twee huizen in Nederland voorzien van identieke zonnepanelen.
a Leg uit welk zonnepaneel meer elektriciteit zal produceren op een zonnige middag op 21 maart.
10 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 10
B
Z
AK.15
C 11 *
Wanneer je fietst, ondervind je ook een corioliskracht,
omdat je over het draaiende aardoppervlak rijdt. Met
de volgende formule kun je de grootte van deze kracht
berekenen: Fcor = m · f · v.
Fcor is de corioliskracht (in N)
m is de massa van het voorwerp waarop de kracht
werkt (in kg)
f is de coriolisparameter, in Nederland gemiddeld
1,15 · 10−4 s−1
v is de snelheid (in m/s)
a Toon aan dat de eenheid van f inderdaad s−1 is.
b Bereken de corioliskracht op Ashley (60 kg) die fietst
met 20 km/h.
c Leg uit waarom zij geen last heeft van de corioliskracht.
C 12 *
In figuur AK.16 zie je een weerkaart met isobaren en
verschillende fronten. De kant waar de symbooltjes
getekend zijn is de bewegingsrichting van een front.
Wanneer een koufront een warmtefront inhaalt, noem
je dat een occlusiefront.
a Zoek in Binas tabel 30D op wat de betekenis is van
de verschillende gekleurde lijnen in figuur AK.16.
b In welke richting bewegen de verschillende fronten
zich?
c Neemt de temperatuur in Nederland de komende
24 uur toe of af?
d Leg uit wat de windrichting in Nederland is.
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
965
L
970
975
980
985
990
995
1000
1005
1010
AK.16 Een weerkaart
C 13 *
Waarom mengt lucht van de troposfeer nauwelijks met
lucht uit de stratosfeer?
C 14 *
a Leg met behulp van het corioliseffect uit dat hogeen lagedrukgebieden gedurende langere tijd kunnen
blijven bestaan.
In figuur AK.17 zie je een mooie krul van wolken rond
een lagedrukgebied.
b Leg uit of deze foto bij het noordelijk halfrond of bij
het zuidelijk halfrond hoort.
AK.17 D 15 *
De slinger van Foucault (in Parijs) kan urenlang heen
en weer slingeren. Het touw is heel lang en het massablok dat heen en weer slingert is heel zwaar.
a Beredeneer dat het vlak waarin het massablok heen
en weer slingert in de loop van de tijd draait ten
opzichte van de aarde.
b Beredeneer of de draaiing (van boven af gezien) met
de klok de mee of tegen de klok in is.
Na deze paragraaf kun je:
•
•
•
•
•
de aarde als systeem beschrijven;
de opbouw van de atmosfeer beschrijven;
rekenen met dichtheid en druk in de atmosfeer;
uitleggen hoe luchtstroming ontstaat;
het corioliseffect en het gevolg voor de windrichting beschrijven.
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 11
Aarde en klimaat
11
26/06/14 7:38 AM
AK.2 Wolken
Op de foto in figuur AK.18 zie je donkere
wolken.
Startopdracht
16
Dit noem je het natuurlijk broeikaseffect. Water heeft
zo een belangrijke invloed op de energiebalans op
aarde. Ook koolstofdioxide (CO2) en methaan (CH4)
zijn broeikasgassen. Wanneer water verdampt, kost
dat energie. Condenseren levert juist energie, want dit
is een exotherm proces. Deze processen spelen een
rol bij warmtetransport en bij wolkvorming.
Zou er regen uit deze wolken kunnen vallen?
•
Water in de atmosfeer
Weersveranderingen spelen zich af in de troposfeer.
Vrijwel al het water dat zich in de atmosfeer bevindt,
komt voor in de troposfeer. Toch is het maar 0,25%
van de totale massa van de atmosfeer. Water komt er
in verschillende aggregatietoestanden voor: vast (ijs,
sneeuw, hagel), vloeibaar (regendruppels, wolken) en
gasvormig (waterdamp). De concentratie water kan
plaatselijk sterk wisselend zijn. Als er veel waterdamp
in de lucht zit, kan dat zorgen voor benauwd weer. Het
zicht wordt minder naarmate er meer waterdruppels in
de lucht zitten. Met satellietbeelden kun je de hoeveelheid water zichtbaar maken.
Water in de vorm van waterdamp is een broeikasgas.
De aarde absorbeert straling afkomstig van de zon
die (relatief) kortgolvig is. De aarde straalt langgolvige
straling uit. Broeikasgas houdt deze straling afkomstig
van de aarde voor een groot deel tegen. Broeikasgas
zorgt daardoor voor een leefbare temperatuur.
In de troposfeer komt water in verschillende
aggregatietoestanden voor. Water, koolstofdioxide
en methaan zijn broeikasgassen.
> Opdracht 17
Dampdruk en luchtvochtigheid
De luchtdruk is de kracht die alle moleculen in de
lucht uitoefenen op 1 m2. Een deel van de lucht
bestaat uit waterdamp. Daarom is de dampdruk de
kracht die de waterdampmoleculen uitoefenen op
1 m2. De dampdruk is maar een deel van de luchtdruk
en daarom noem je het ook wel partiële dampdruk. De
eenheid van dampdruk is ook Pa of N/m2.
De druk waarbij de waterdamp gaat condenseren tot
waterdruppels noem je de verzadigingsdampdruk. In
figuur AK.19 zie je het verband tussen de verzadigingsdampdruk en de temperatuur. Zie ook tabel 13A
in Binas. Hoe lager de temperatuur, hoe lager deze
dampdruk. Dat wil zeggen dat koude lucht minder
waterdamp kan bevatten dan warme lucht. In de winter bevatten wolken daarom minder water dan in de
zomer. In de zomer kunnen dan ook zwaardere buien
vallen dan in de winter.
100
dampdruk (hPa)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
−20 −15 −10 −5
AK.18 Gaat het regenen?
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45
luchttemperatuur (°C)
AK.19 Het verband tussen de dampspanning en de
temperatuur
12 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 12
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Waterdamp in de atmosfeer zorgt voor de luchtvochtigheid. De hoeveelheid water in de lucht noem je de
absolute luchtvochtigheid (in g/m3). Omdat warme
lucht meer waterdamp kan bevatten dan koude
lucht is het handiger om te rekenen met de relatieve
luchtvochtigheid. Die geeft de verhouding tussen de
hoeveelheid waterdamp en de maximaal mogelijke
hoeveelheid waterdamp aan:
relatieve luchtvochtigheid =
aantal g waterdamp per m3 lucht
× 100%
max aantal g waterdamp per m3 lucht
watermoleculen aangetrokken. Een grote druppel (1)
trekt daardoor meer watermoleculen naar zich toe
dan een kleine druppel (3). Kleine waterdruppeltjes tot
ongeveer 10 μm kunnen daarom moeilijk ‘overleven’.
Voorbeeld 2 Relatieve luchtvochtigheid
Op een benauwde zomerdag is de temperatuur
30°C. De partiële dampdruk is 4,0 kPa.
a Bepaal met behulp van figuur AK.19 de relatieve luchtvochtigheid.
b Leg uit waarom het dan ‘benauwd’ weer is.
a De relatieve luchtvochtigheid =
Omdat de hoeveelheid waterdamp in de lucht de
dampdruk bepaalt, kun je de relatieve luchtvochtigheid
dampdruk
ook berekenen met
× 100%.
verzadigingsdampdruk
Zie ook voorbeeld 2.
Als warme vochtige lucht afkoelt, zal bij een bepaalde
temperatuur de hoeveelheid waterdamp maximaal
zijn. De relatieve luchtvochtigheid is dan 100%. Deze
temperatuur noem je het dauwpunt. Vanaf een relatieve luchtvochtigheid van 100% zal waterdamp gaan
condenseren. Waterdruppels ontstaan rondom kleine
deeltjes die in de lucht zweven.
Het bepalen van de relatieve luchtvochtigheid kun
je doen met behulp van een dauwpuntsmeting. Een
glimmend metalen voorwerp koel je dan af tot de
temperatuur waarbij er condensatie van waterdamp uit
de lucht op het voorwerp optreedt, het dauwpunt. Met
de luchttemperatuur en het dauwpunt kun je in figuur
AK.19 of met Binas tabel 13A de relatieve luchtvochtigheid bepalen. Zie voorbeeld 3.
Waterdruppels ontstaan rondom kleine deeltjes die in
de lucht zweven. Voor de vorming van waterdruppels
zijn bijvoorbeeld kleine kristallen van zout een goede
condensatiekern.
In figuur AK.20 op de volgende pagina zie je dat hoe
kleiner de druppel is, hoe krommer het oppervlak is.
Deze kromming is van invloed op de condensatie
van waterdamp op de waterdruppels. Hoe vlakker
het oppervlak, hoe gemakkelijker er condensatie
optreedt. Een los watermolecuul dat zich dicht boven
het oppervlak bevindt, ondervindt een aantrekkende
vanderwaalskracht van het vloeistofoppervlak. Bij een
vlak oppervlak wordt het watermolecuul door meer
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 13
4,0
× 100% =
4,3
93%.
b Omdat de luchtvochtigheid hoog is, kan de
lucht weinig waterdamp opnemen. Je zweet
kan dan niet of nauwelijks verdampen, zodat
er geen verkoelende werking van het zweten
uitgaat.
Voorbeeld 3 Dauwpunt
De luchttemperatuur is 10,5 °C en de relatieve
luchtvochtigheid is 71%.
a Bepaal het dauwpunt met behulp van Binas
tabel 13A.
In een andere situatie is de luchttemperatuur
17 °C en het dauwpunt is 13 °C.
b Waarom gebruik je een glimmende metalen bol
om het dauwpunt te bepalen?
c Bepaal de relatieve luchtvochtigheid met behulp
van Binas tabel 13A.
a Bij 10,5 °C is de verzadigingsdampdruk 1270
Pa. De dampdruk is dan 0,71 × 1270 = 902 Pa.
Het dauwpunt is dan 5,5 °C, want bij die temperatuur is de berekende dampdruk gelijk aan
de maximale dampdruk.
b Op een glimmend metalen voorwerp zie je de
condensvorming bij het dauwpunt heel gemakkelijk.
c Bij het dauwpunt is de relatieve luchtvochtigheid
100%. Dus is de dampdruk bij 17 °C gelijk aan
de verzadigingsdampdruk bij 13 °C. De relatieve
1498
luchtvochtigheid =
× 100% = 77%.
1938
Aarde en klimaat
13
26/06/14 7:38 AM
• De (partiële) dampdruk geeft de druk van de
2
watermoleculen op een m aan. De dampdruk is
lager dan de luchtdruk. De maximale waarde hangt
af van de temperatuur en die noem je de verzadigingsdampspanning.
De verhouding tussen de dampdruk en de verzadigingsdampspanning noem je de relatieve
luchtvochtigheid. Het dauwpunt is de temperatuur
waarbij waterdamp condenseert. Druppelvorming
ontstaat als de lucht verzadigd is met waterdamp
en als er condensatiekernen aanwezig zijn.
> Opdrachten 18, 21, 25 en 28
Wolkvorming
Het ontstaan van wolken is een onderdeel van de
waterkringloop. De zon verwarmt het aardoppervlak,
de lucht vlak boven de aarde stijgt ook in temperatuur.
Het volume wordt dan groter en de dichtheid van de
lucht wordt kleiner. De lucht gaat stijgen. Naarmate de
lucht hoger komt, vindt afkoeling plaats.
Als de temperatuur het dauwpunt heeft bereikt, zal de
waterdamp condenseren en ontstaan er wolken. Het
stijgen van lucht noem je convectie of thermiek.
Wanneer de lucht langs een bergwand door de wind
omhoog gestuwd wordt, vindt eenzelfde proces
plaats. Dit noem je mechanische stijging.
Wanneer lucht zich verplaatst van hoge naar lage
druk, kan dat met grote snelheid gaan. Als een koude
hoeveelheid lucht tegen warme lucht botst, stroomt de
koude lucht onder de warme lucht door, waardoor de
warme lucht stijgt. Dit noem je dynamische stijging.
De warme lucht koelt vervolgens snel af tot onder het
dauwpunt, zodat wolkvorming kan optreden.
Ook vliegtuigstrepen zijn wolken. De warme uitlaatgassen bevatten relatief veel waterdamp. Deze
uitlaatgassen koelen snel af, zodat de waterdamp kan
condenseren.
Als vochtige lucht heel snel stijgt in verticale richting,
ontstaan cumuluswolken. Zie figuur AK.21.
Laaghangende bewolking, die je vaak ziet op een
regenachtige dag met een grijze lucht, bestaat uit
stratuswolken. Deze ontstaan als heel vochtige lucht
langzaam stijgt.
Zowel stratus- als cirruswolken ontstaan in horizontale richting. Cirruswolken bevinden zich hoog in
de lucht en zijn vaak heel dun, omdat ze ontstaan in
relatief droge lucht.
Als de temperatuur van de wolk boven het vriespunt
is, bestaat de wolk uit waterdruppels. Wolken kunnen
zich naar boven uitbreiden, zoals de cumulonimbus.
In dat geval is de temperatuur niet overal hetzelfde.
Boven in de wolk is het kouder dan onderin. De wolk
kan dan bovenin uit ijskristallen bestaan en onderin uit
waterdruppels.
Niet uit alle wolken valt regen. Er valt pas neerslag als
de waterdruppeltjes of ijskristallen groot genoeg zijn
om het aardoppervlak te kunnen bereiken. De druppels zijn dan ongeveer 100 μm groot.
Een van de manieren waarop regen ontstaat gaat
als volgt: waterdruppeltjes zijn niet allemaal even
groot. Grotere waterdruppels vallen sneller dan kleine
waterdruppels. Terwijl de grote druppels de kleine
inhalen, vangen ze de kleine druppeltjes in, waardoor
de druppels groeien en als regen het aardoppervlak
kunnen bereiken. Dit proces start met druppeltjes van
ongeveer 6 μm. Zie figuur AK.22.
•
Wolkvorming ontstaat door gedwongen of
spontane opstijgende lucht, waarbij de temperatuur daalt en condensatie optreedt. Wolken kunnen
bestaan uit waterdruppeltjes, ijskristallen of een
combinatie van beide. Je kunt verschillende soorten wolken onderscheiden.
> Opdrachten 19 t/m 20, 22 t/m 24, 26 en 27
koele lucht
cumulonimbus
3
koude
lucht
cirrus
altostratus
cumulus
2
zwak
warmtefront met
weinig neerslag
1
buien
AK.20 Hoe kleiner de druppel, hoe krommer het oppervlak
14 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 14
stratus
stort- motbuien regen
warme lucht
AK.21 Wolken
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Opdrachten
Experiment
AK.3 Dauwpunt I
Met een eenvoudige opstelling van een glimmend
bekertje met koud water en een thermometer kun
je het dauwpunt bepalen.
De onderzoeksvraag is:
Hoe groot is de relatieve luchtvochtigheid?
> Complete instructies op de site
Site
A 17
a Noteer de belangrijkste broeikasgassen.
b Leg uit wat de zon te maken heeft met het broeikaseffect.
B 18
a Leg uit of de kans op ‘benauwd’ weer in Nederland
bij wind uit het oosten of het westen het grootst is.
b Hoe groot is de relatieve luchtvochtigheid bij het
dauwpunt?
B 19 *
Dauwpunt II
Je gaat aan de slag met luchttemperatuur, dauwpunt en relatieve luchtvochtigheid.
a Leg uit dat in de vroege ochtend na een frisse nacht
het gras nat is, terwijl het niet heeft geregend.
b Leg uit waarom kleine waterdruppels niet snel groter
worden.
Tussentoets
B 20
In figuur AK.23 zie je een wolk en de temperatuurverdeling. Geef aan waar in de wolk waterdruppels zitten
en waar ijskristallen.
B 21
wolkendruppeltjes
snel vallende regendruppel
Een luchtbel met een temperatuur van 13 °C bevat
7,1 g/m3 water. Maak gebruik van figuur AK.24.
a Bereken de relatieve luchtvochtigheid van deze
lucht.
b Bepaal het dauwpunt van deze lucht.
AK.22 Het ontstaan van neerslag door het invangen van
kleine druppels
tropopause
maximale hoeveelheid waterdamp
in 1 m3 lucht (g)
50
40
30
20
10
temperatuurverloop
hoogte
0
−20
−40 ˚C
−10
0
10
20
30
temperatuur ( ˚C)
40
AK.24
B 22 *
0 ˚C
a Leg uit waarom de hoeveelheid waterdamp in de
atmosfeer boven de polen minder is dan de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer boven de evenaar.
AK.23
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 15
Aarde en klimaat
15
26/06/14 7:38 AM
b Leg met het molecuulmodel uit dat de verzadigingsdampspanning wel van de temperatuur, maar niet
van de andere gassen in de atmosfeer afhangt.
b Leg uit op welk tijdstip de luchtvochtigheid het
laagst was. Maak daarbij gebruik van je diagram.
tijd (h)
B 23 *
Wanneer droge lucht langs een bergwand stijgt, neemt
de temperatuur van de lucht af. Wanneer vochtige
lucht langs dezelfde bergwand stijgt, ontstaan wolken
waar regen uit valt. De temperatuur neemt dan ook af,
maar minder sterk.
a Leg dit effect uit.
Aan de achterkant van de berg stroomt lucht richting
het dal. Zie figuur AK.25.
b Zet de letters uit de figuur op volgorde van afnemende luchtvochtigheid.
5 ˚C
luchttemperatuur (°C)
dauwpunt (°C)
0.00
19
12
2.00
17
11
4.00
14
10
6.00
13
12
8.00
15
11
10.00
17
10
12.00
18
9
14.00
21
7
16.00
23
6
18.00
21
8
20.00
19
10
22.00
18
12
24.00
17
13
AK.26
C
B 26
B
A
20 ˚C
D
Leg uit wat het verschil in ontstaan is van cumulus- en
stratuswolken.
E
AK.25
B 24 *
Fabrieken kunnen waterdamp via een hoge pijp lozen.
Je ziet dan boven de pijp een witte pluim. De pluim is
pas vanaf zo’n 50 cm boven de pijp zichtbaar.
a Leg uit waarom tussen de pijp en de onderkant van
de pluim afstand zit.
b Zal deze afstand in de winter groter of kleiner zijn
dan in de zomer?
B 25 *
In tabel AK.26 zie je gegevens van de temperatuur en
het dauwpunt gemeten over een periode van 24 uur
voor een bepaalde plaats in Nederland.
a Maak een (temperatuur,tijd)-diagram, met grafieken
voor de temperatuur en het dauwpunt.
B 27
In de zomer ontstaan vaak buien. Leg uit waarom die
buien vaak aan het eind van de middag ontstaan.
C 28 *
In een luchtbel op een bepaalde hoogte in de atmosfeer is de temperatuur 18 °C en de partiële dampdruk
is 10 hPa. Gebruik Binas tabel 13A.
a Bepaal de relatieve vochtigheid in die luchtbel.
De luchtbel stijgt.
b Bereken de relatieve vochtigheid als de temperatuur
bij constante druk is gedaald tot 12 °C.
c Bij welke temperatuur zal wolkvorming ontstaan?
De druk neemt echter af met de hoogte.
d Leg uit of de relatieve vochtigheid dan groter of
kleiner is bij grotere hoogte.
Na deze paragraaf kun je:
•
•
•
•
een aantal soorten wolken beschrijven en het ontstaan ervan uitleggen;
uitleggen wat het dauwpunt is en wat de (partiële) dampdruk is;
uitleggen wat relatieve luchtvochtigheid is en rekenen met de relatieve luchtvochtigheid;
uitleggen wanneer neerslag ontstaat.
16 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 16
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
AK.3 Het klimaat
Op de foto in figuur AK.27 zie je uitbundig
groeiende bomen en struiken in een
tropisch regenwoud.
Startopdracht
29
Welke weercondities houden een tropisch regenwoud in stand?
AK.27 Een tropisch regenwoud
Klimaten op aarde
Op de aarde zijn verschillende klimaten te vinden, op
de noordpool (poolklimaat) is het heel koud, terwijl
het rond de evenaar juist heel warm is. Niet alleen de
temperatuur speelt een rol, ook de neerslag. In een
tropisch regenwoud is de regen één van de belangrijke
elementen. Regen kan in een bepaalde periode vallen
of juist het hele jaar door.
In figuur AK.28 zie je de indeling van de aarde met
de verschillende klimaten volgens de classificatie van
Köppen. Je kunt globaal klimaatstroken onderscheiden afhankelijk van de breedtegraad. Rond de evenaar
vind je tropische regenwouden. Daar stijgt vochtige
lucht, waardoor er veel buien vallen. De temperatuur
is relatief hoog, door de hoge intensiteit van de zonnestraling.
De lucht die in de hogere luchtlaag in de richting van
de polen stroomt, koelt af en daalt weer bij een breedtegraad van 30°. De lucht warmt op en de relatieve
luchtvochtigheid neemt af. Er valt weinig neerslag. De
woestijnen vind je rond deze breedtegraad. Eenzelfde
proces vindt plaats rond de 60ste breedtegraad.
Daar vind je toendra’s. Rond de polen vind je het
poolklimaat, de lucht daalt daar weer en bevat weinig
waterdamp.
noordpoolcirkel
Kreeftskeerkring
evenaar
tropisch klimaat
woestijnklimaat
Steenbokskeerkring
Middellandse Zeeklimaat
zeeklimaat
landklimaat
poolklimaat
AK.28 Klimaatindeling
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 17
Aarde en klimaat
17
26/06/14 7:38 AM
Zowel Europa als Noord-Amerika ligt voor een groot
deel tussen de 30ste en 60ste breedtegraad. In deze
gebieden kun je onderscheid maken tussen land- en
zeeklimaat. Bij zeeklimaat speelt de aanwezigheid van
de oceaan of zee een belangrijke rol. Omdat water
langzamer opwarmt dan land, komt er in de zomer
relatief koude lucht vanaf het water richting land. Het
water koelt langzaam af in de winter, zodat relatief
warme lucht vanaf het water richting land kan stromen. De verschillen in temperatuur tussen zomer en
winter zijn daarom kleiner dan in gebieden waar geen
water in de buurt is.
De aanwezigheid van bergketens kan het stijgen en
dalen van lucht beïnvloeden en ook de luchtvochtigheid (zie paragraaf 2).
• Op verschillende plekken op aarde heersen ver-
schillende klimaten. Breedteligging, de verdeling
van water en land en bergketens bepalen mede het
klimaat. Veranderingen in één of meerdere factoren
heeft een klimaatverandering tot gevolg.
> Opdracht 33
Energiestromen
De aarde ontvangt energie van de zon en zendt ook
weer energie uit. De stralingsenergie per m2 kun je
berekenen met de volgende formule:
I=
P
A
I is de intensiteit van de straling in W/m2
P is het vermogen van de straling in W
A is de oppervlakte in m2
102
weerkaatste
zonnestraling
101,9
weerkaatst
door wolken
en atmosfeer
341
79
uitgezonden door
atmosfeer
79
40
169*
30
geabsorbeerd door
atmosfeer
78
doorgelaten
door
atmosfeer
broeikasgassen
en wolken
17
356
weerkaatst
door
oppervlakte
23
40
Voorbeeld 4 Evenwicht
In figuur AK.29 zie je energiestromen van en naar
de aarde.
a Bepaal met behulp van figuur AK.29 het vermogen dat de aarde per m2 absorbeert.
b Bepaal met behulp van figuur AK.29 het vermogen dat de aarde per m2 uitzendt.
c Welke conclusie kun je hieruit trekken?
a Van de inkomende zonnestraling absorbeert de
aarde 161 W/m2 (uit de gele pijl). Van de teruggekaatste straling absorbeert de aarde 333 W/m2. Dat is samen 494 W/m2.
b 80 W/m2 (blauwe pijl), 17 W/m2 (rode pijl) en
396 W/m2 (uitstraling door aardoppervlak) geeft
samen 493 W/m2.
c Netto absorbeert de aarde ongeveer 1 W/m2.
De hoeveelheid geabsorbeerde straling is dus
ongeveer gelijk aan de energie die de aarde
weer uitstraalt.
De energie die de aarde absorbeert aan zonnestraling
is gemiddeld gelijk aan de energie die de aarde uitzendt. Er is stralingsevenwicht. Dit evenwicht geldt
voor het hele systeem. Lokaal kan het zijn dat er meer
straling binnenkomt dan uitgaat en andersom. Het
zijn deze verschillen die zorgen voor de stroming van
lucht, de circulatie.
239
inkomende
zonnestraling
341,3
Omdat de zon heet is, heeft de zonnestraling relatief
korte golflengtes. Ook de aarde en de atmosfeer
zenden straling uit, maar met langere golflengtes die
koeler zijn. Deze straling wordt door de atmosfeer
geabsorbeerd en weer uitgezonden. Een deel verdwijnt naar de ruimte. Met behulp van satellieten kun
je deze straling meten. Door het verschil in golflengte
is het mogelijk de straling afzonderlijk te meten. In
figuur AK.29 zie je een overzicht van het warmtetransport door de atmosfeer.
333
terugstraling
396
161
333
17
80
uitgestraald
geabsorbeerd warmte- verdamping
geabsorbeerd
door
door
transport oppervlaktedoor
aardoppervlak
aardoppervlak
door
water
aardoppervlak
stroming
•
De aarde en de atmosfeer ontvangen stralingsenergie van de zon en stralen energie uit naar
de ruimte. Als de totale hoeveelheid energie die
ontvangen wordt net zoveel is als de totale hoeveelheid energie die wordt uitgestraald, is de energiebalans nul. De aarde en de atmosfeer warmen
dan niet op en koelen niet af.
Energiestromen kunnen lokaal heel erg verschillen.
> Opdracht 30
AK.29 Energiestromen in de atmosfeer in W/m2
18 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 18
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Albedo
De warmtehuishouding
De zonneconstante is de gemiddelde hoeveelheid
stralingsenergie van de zon die per seconde loodrecht
op 1 m2 aardatmosfeer komt. De waarde van de
zonneconstante is 1,368 · 103 W/m2. In figuur AK.30
zie je dat de totale oppervlakte van de aarde (4πR2)
die straling uitzendt viermaal zo groot is als de oppervlakte waarop de zonnestraling binnenkomt (πR2). De
waarde van de zonneconstante is dus ook viermaal
zo groot als het gemiddeld inkomende vermogen van
de zon die je in figuur AK.29 kunt vinden. Het totale
vermogen dat de aarde bereikt is 1,74 · 1017 W. Zie ook
voorbeeld 5.
De hoeveelheid energie die een voorwerp uitstraalt, is
sterk afhankelijk van de temperatuur. Bij een tweemaal
zo hoge absolute temperatuur blijkt het uitgestraald
vermogen 24 = 16 maal zo groot te zijn. Een groot
voorwerp zendt bovendien meer straling uit dan een
klein, het heeft een grotere buitenoppervlakte.
Om het aardoppervlak te bereiken moet de zonnestraling ook nog door de atmosfeer. De atmosfeer
absorbeert een deel van de straling en kaatst een deel
van de straling terug. Ook het aardoppervlak, afhankelijk van het soort oppervlak, reflecteert een deel van
de straling. Het percentage van de straling dat wordt
gereflecteerd noem je albedo. De albedo van een
oppervlak dat bestaat uit ijs is bijvoorbeeld hoger dan
de albedo van bijvoorbeeld grasland. In figuur AK.31
zie je waarden voor verschillende soorten oppervlakken. Wanneer het ijs smelt door een toenemende
temperatuur, zal ook de albedo afnemen. Dan kaatst
er dus minder straling terug. Het oppervlak zal meer
straling absorberen en in temperatuur toenemen.
De gemiddelde albedo van de aarde is 0,30. Dit
kun je narekenen met de gegevens uit figuur AK.29:
102/341 = 0,30. Het betekent dus dat de aarde 70%
van de zonnestraling absorbeert.
I is de stralingsintensiteit in watt per vierkante
meter (W/m2),
T is de temperatuur in kelvin (K)
σ is de constante van Stefan-Boltzmann:
5,670 37 · 10−8 W m−2 K−4 (zie Binas tabel 7A)
Voor de intensiteit, dat is het vermogen per vierkante
meter, dat een voorwerp maximaal uitzendt, geldt de
wet van Stefan-Boltzmann:
I = σ · T4
Omdat de ruimte buiten de atmosfeer vacuüm is, geeft
de aarde alleen door straling warmte af. We gaan er
daarom van uit dat je deze formule ook kunt gebruiken
voor het aardoppervlak. Op aarde is er stralingsevenwicht, dat wil zeggen dat de aarde even veel straling
ontvangt als uitstraalt. De temperatuur op de aarde
blijft dan gemiddeld constant. Op deze manier kun je
de temperatuur op aarde berekenen. Zie voorbeeld 5
op de volgende pagina.
•
De albedo geeft de verhouding aan tussen
gereflecteerde en invallende straling.
Door wijzigingen in oppervlakken kan de energiehuishouding wijzigen. Daardoor kan de temperatuur van het oppervlak veranderen.
> Opdracht 31
R
A = πR 2
Aaarde = 4πR 2
AK.30 Straling op de aarde en van de aarde
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 19
oppervlak
albedo
dikke bewolking
0,6 – 0,9
dunne bewolking
0,3 – 0,5
oceaan
0,07 – 0,20
ijs
0,4 – 0,9
bos
0,1 – 0,2
steen / rots
0,10
gras
0,10 – 0,30
AK.31 Albedo van verschillende oppervlakken
Aarde en klimaat
19
26/06/14 7:38 AM
Voorbeeld 5 De temperatuur van de aarde
berekenen
De zonneconstante is 1,368 · 103 W/m2 (zie ook
Binas tabel 32C). De gemiddelde albedo van de
aarde is 0,30. De aarde is een bol met een straal
van 6,371 · 106 m.
a Toon aan dat het totale stralingsvermogen dat
de aarde bereikt 1,74 · 1017 W is.
b Bereken het geabsorbeerde vermogen aan
zonnestraling door de aarde.
c Bereken de gemiddelde temperatuur van de
aarde.
a Zie figuur AK.30. De oppervlakte waarop de
zonnestraling binnenkomt is A = πR2, waarin R
de straal van de aarde is.
Dus: A = πR2 = π · (6,371 · 106)2 = 1,275 · 1014 m2.
Het totale stralingsvermogen dat de aarde bereikt
is dan: P = I · A = 1,368 · 103 × 1,275 · 1014 =
1,744 · 1017 W.
b Albedo is 0,30 betekent dat er 70% geabsorbeerd wordt. Het geabsorbeerde vermogen is
dus:
0,70 × 1,744 · 1017 W = 1,2 · 1017 W.
c Ga uit van stralingsevenwicht.
Gebruik: P = I · A = σ · T4 · A. Met A = 4πR2 =
4π · (6,371 · 106)2 = 5,101 · 1014 m2.
P
Schrijf T voorop: T4 =
=
σ· A
1,22 · 1017
= 4,22 · 109.
5,670 · 10 −8 × 5,101· 1014
Dus: T = 4 4,22 · 109 = 255 K = −18 °C.
Golfstroom
Het klimaat in Nederland is een gematigd zeeklimaat.
De aanwezigheid van water zorgt ervoor dat de temperatuurverschillen tussen zomer en winter minder
groot zijn dan zonder de aanwezigheid van water
(landklimaat). Het water dat langs Nederland stroomt,
is relatief warm en maakt onderdeel uit van de warme
Atlantische golfstroom. Zie figuur AK.32. In de tropen
verdampt er door relatief hoge temperaturen veel
water. Het water aan de oppervlakte bevat daardoor
meer zout en heeft een grotere dichtheid dan het
water daaronder. Het zoutere water zinkt en wordt vervangen door minder zout water aan de oppervlakte.
Op deze wijze ontstaat er stroming van warm water in
de richting van Europa. Daar geeft het water warmte
af. Daarom is het in Europa op dezelfde breedtegraad
veel warmer dan bijvoorbeeld in Canada op dezelfde
breedtegraad.
Wanneer het ijs op Groenland smelt door een hogere
temperatuur op aarde komt er ook meer neerslag.
Zowel de neerslag als het ijs bestaat uit zoet water.
Dit water heeft een kleinere dichtheid en zal niet zo
snel als zout water zinken bij afkoeling. Het gevolg is
kouder water aan de oppervlakte. De golfstroom komt
dan niet zo ver meer richting Europa. Het gevolg zal
zijn dat het in Europa kouder zal worden.
• Het klimaat wordt mede bepaald door de
golfstromen.
De golfstroom is het transport van warm water
naar koudere gebieden en koud water naar warmere gebieden. Door het smelten van ijs wordt de
golfstroom beïnvloed.
De gemiddelde temperatuur op aarde is hoger dan
de gevonden waarde in het rekenvoorbeeld. Die is
namelijk 15 °C.
Dit verschil komt door het natuurlijk broeikaseffect. Je
ziet dus dat dit nodig is om de temperatuur op aarde
draaglijk te maken.
•
Met behulp van de albedo, de wet van StefanBoltzmann en de hoeveelheid invallende straling
van de zon is de temperatuur op aarde ongeveer te
berekenen.
> Opdrachten 34 t/m 37
warme golfstroom
koude golfstroom
AK.32 Golfstromen
20
hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 20
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Invloed van de mens
Door menselijk toedoen nemen concentraties van
broeikasgassen in de atmosfeer toe. In de laatste
honderd jaar is bijvoorbeeld de hoeveelheid CO2 in de
atmosfeer met ongeveer 30% toegenomen. Het broeikaseffect, dat voor een leefbare temperatuur op aarde
zorgt, neemt toe en dat noem je het versterkte broeikaseffect. Bij verbrandingsreacties met O2 komt CO2
(en H2O) vrij en deze verbrandingsproducten komen in
de atmosfeer terecht. Het is meetbaar aangetoond dat
de hoeveelheid O2 in de atmosfeer is afgenomen. Dat
is een aanwijzing dat de CO2 inderdaad afkomstig is
van verbrandingsreacties. Ook de hoeveelheid water
neemt toe. Het water is onderdeel van de watercyclus
en verblijft minder lang in de atmosfeer, waardoor het
directe effect op het versterkte broeikaseffect minder
zal zijn.
Een deel van de CO2 komt in de atmosfeer terecht en
een deel komt in de oceanen terecht. In de oceanen
zorgt CO2 juist voor verzuring. Dat heeft gevolgen
voor het leven in het water.
Andere stoffen die zich in de atmosfeer bevinden
door menselijk toedoen zijn CFK’s (chloorfluorkoolwaterstoffen). Deze stoffen hebben een nog groter
absorberend vermogen dan CO2, bovendien breken
CFK’s ozon af. Er komt zo meer schadelijke uv-straling
op de aarde.
Experimenten
AK.4 Vermogen van de zon
Met een eenvoudige opstelling kun je het vermogen van de zon bepalen.
De onderzoeksvraag is:
Hoe groot is het vermogen van de zon?
AK.5 Reflectie
Met een eenvoudige opstelling met een bouwlamp kun je een temperatuurkromme en de
reflectiecoëfficiënt van verschillende voorwerpen
bepalen.
De onderzoeksvraag is:
Hoe groot is de reflectiecoëfficiënt van verschillende voorwerpen?
> Complete instructies op de site
Site
Broeikaseffect
Je bestudeert het effect van gassen en bewolking
op de temperatuur op aarde.
Al deze factoren kunnen effect hebben op het klimaat.
Door de complexiteit en de samenhang binnen het
systeem aarde is het heel lastig om goed te voorspellen wat er gaat gebeuren met het klimaat als bepaalde
concentraties van gassen toe- of afnemen.
•
De mens beïnvloedt het klimaat. Door menselijk
handelen neemt de concentratie CO2 toe. Door de
complexiteit en de samenhang binnen het systeem
aarde is het heel lastig om goed te voorspellen wat
de gevolgen zijn voor het klimaat.
> Opdracht 32
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 21
Aarde en klimaat
21
26/06/14 7:38 AM
Opdrachten
A 30
a Hoe krijgt de aarde energie?
b Hoe verliest de aarde energie?
B 31
In de tabel van figuur AK.31 zie je verschillende waarden voor de albedo van verschillende ondergronden.
a Leg uit wat er met de albedo van de aarde gebeurt
als er minder bewolking is op aarde.
b Geef twee effecten op het klimaat als er ijs
verdwijnt.
B 32
a Leg het verschil uit tussen het broeikaseffect en het
versterkte broeikaseffect.
b Op welke manieren beïnvloedt de mens het klimaat?
B 33
a Noem een aantal factoren die het verschil in klimaat
bepalen.
Steden of gebieden die op dezelfde breedtegraad
liggen, hebben niet altijd hetzelfde klimaat.
b Geef een voorbeeld. Gebruik daarbij eventueel
figuur AK.32.
Het Andesgebergte ligt aan de westkust van ZuidAmerika.
c Leg uit hoe dit gebergte het klimaat ten oosten van
het gebergte beïnvloedt.
C 34 *
De zon is een bol met een straal van 6,963 · 108 m en
heeft een temperatuur van 5780 K.
a Bereken de oppervlakte van de zon.
b Toon aan dat het vermogen dat de zon uitstraalt
3,85 · 1026 W is.
c Bereken het vermogen dat het aardoppervlak bij
loodrechte inval per vierkante meter ontvangt.
C 35 *
Bij het berekenen van de gemiddelde temperatuur op
de aarde (zie voorbeeld 5) was de aanname dat de
temperatuur overal gelijk is.
Gemiddeld is in een gebied van 1,0 km2 de temperatuur 10 °C.
a Bereken het uitgestraalde vermogen voor een
gebied van 1,0 km2.
Echter in de ene helft is het 0 °C en in de andere helft
is het 20 °C.
b Bereken opnieuw het uitgestraalde vermogen.
C 36 *
Ook de andere planeten ontvangen straling van de
zon. Zo is de gemiddelde albedo van Mercurius 0,06.
a Zoek de afstand van Mercurius tot de zon op in
Binas.
b Bereken de zonneconstante voor Mercurius.
c Bereken de evenwichtstemperatuur voor Mercurius.
Na deze paragraaf kun je:
• het klimaat beschrijven en de factoren noemen die het klimaat beïnvloeden;
• de energiestromen van en naar de aarde beschrijven;
• uitleggen wat het effect van land en water is op de warmtehuishouding.
22 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 22
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
AK.4 De vaste aarde
In figuur AK.33 zie je een vulkaanuitbarsting. De vulkaan spuugt grote
aswolken en lava uit tot op grote hoogte.
Startopdracht
vanuit het binnenste van de aarde zet grote massa’s
in het binnenste van de mantel in beweging. Deze
warmte is voor het grootste deel afkomstig van radioactief verval. Bij verval van onder andere Thorium-232
en Kalium-40 komt energie in de vorm van warmte vrij.
Recente schattingen wijzen op een temperatuur van
de kern van ongeveer 6000 K.
37
Welke gevolgen heeft een vulkaanuitbarsting voor het
weer?
De aardbol
In het eerste deel van dit hoofdstuk heb je naar de
buitenkant van de aardbol gekeken: de atmosfeer.
De aarde is een bol met een oppervlak dat deels uit
water en deels uit land bestaat. Uit vulkaanuitbarstingen blijkt dat binnen deze bol dynamische processen
plaatsvinden en zo krijg je een indruk van de binnenkant van de aarde. In figuur AK.34 zie je een doorsnede van de aardbol. Net als in de atmosfeer kun je
hier ook verschillende lagen onderscheiden. Ruwweg
kun je de kern, de mantel en de korst onderscheiden.
De kern bestaat uit een (vaste) binnenkern en een
vloeibare buitenkern, die metalen als nikkel en ijzer
bevatten. Naarmate je dichter bij de kern van de aarde
komt, neemt de temperatuur toe. De warmtestroom
De kern is zelf vast en bestaat grotendeels uit ijzer.
Daaromheen bevindt zich een vloeibare schil met een
lagere temperatuur. Door de temperatuurverschillen
ontstaat stroming en deze veroorzaakt het magnetische veld van de aarde. Dit veld is belangrijk voor
de aarde, omdat het een schild vormt dat geladen
deeltjes uit de zonnewind tegenhoudt.
De mantel begint op zo’n 40 km diepte en die kun je
ook weer opdelen in een binnen- en een buitenmantel,
die samen in totaal 3000 km dik zijn. De omstandigheden in de mantel zijn bijzonder: door de hoge
druk en temperatuur is de mantel hoofdzakelijk vast.
Plaatselijk kan door de hoge druk en temperatuur de
mantel vloeibaar worden of deformeren (van vorm
veranderen). De stroperigheid in de aardmantel ten
gevolge van de hoge temperaturen, de temperatuurverschillen en de druk kunnen voor stroming zorgen.
Dit noem je convectie. Zie ook figuur AK.35 op de
volgende pagina.
continentale korst
oceaankorst
atmosfeer
aardkorst
bovenste mantel
mantel
buitenkern
mantel loopt
door tot de
buitenkern
buitenkern van gesmolten metalen
vaste metalen binnenkern
AK.33 Een vulkaanuitbarsting
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 23
AK.34 Doorsnede van de aardbol
Aarde en klimaat
23
26/06/14 7:38 AM
De buitenlaag, de aardkorst is gemiddeld 40 km dik
en is opgebouwd uit verschillende platen, die ten
opzichte van elkaar kunnen bewegen. Dit verschijnsel noem je plaattektoniek. De aardkorst verandert
voortdurend door de stroming in de aardmantel.
Bijvoorbeeld midden in de Atlantische Oceaan tussen
Europa en Amerika komt vloeibaar gesteente omhoog
en duwt Europa en Amerika uit elkaar. Dat gaat langzaam, ongeveer 2 tot 3 cm per jaar. Op een andere
plek verdwijnt weer een deel van de aardkost naar de
binnenkant (subductie). Dat gebeurt bijvoorbeeld aan
de westkust van de Verenigde Staten. In figuur AK.36
zie je de San Andreasbreuk in Californië, waarbij een
plaat onder een andere schuift. Juist op de grenzen
tussen de platen vinden aardbevingen (zoals de zeer
zware aardbeving bij San Francisco in 1906) en vulkaanuitbarstingen plaats.
•
De aarde is geen homogene bol, maar opgebouwd uit verschillende lagen: de kern, de mantel
en de korst. De aardkern bestaat uit een vaste
binnenkern en een vloeibare buitenkern. In de kern
ontstaat warmte door radioactief verval.
Temperatuurverschillen in en stroperigheid van de
aardmantel veroorzaken convectie in de mantel,
waardoor de platen in beweging kunnen komen.
De aardkorst is opgebouwd uit platen die ten
opzichte van elkaar bewegen: plaattektoniek.
> Opdracht 38
Aardbevingen
Aardbevingen kunnen ontstaan bij breuklijnen. Als de
rand van de ene plaat bijvoorbeeld een nettokracht
naar boven en de andere plaatrand een nettokracht
naar beneden ondervindt, kunnen de platen op een
gegeven moment gaan schuiven. Bij dit schuiven komt
veel energie vrij: een aardbeving is het gevolg. Vaak is
er al een voorbode van een aardbeving: de voorschokken. Door de enorme spanning die er op de
platen staat, verzwakken ze en kunnen ze al kleine
stukjes gaan verschuiven. Bij de aardbeving zelf komt
zoveel energie vrij dat er nieuwe breuken kunnen
ontstaan, die weer ten opzichte van elkaar kunnen
bewegen: de naschokken.
De plaatsen waar platen tegen elkaar aan liggen noem
je breuklijnen. Veel aardbevingen vinden dan ook
plaats bij breuklijnen.
Het epicentrum is de plaats waar de aardbeving
plaatsvindt en waarvandaan de trillingen zich verspreiden door de aarde. De trillingen geven de energie
door via de aarde. Er ontstaan longitudinale golven,
P-golven en transversale golven, S-golven. De P is
van primair en de S van secundair. De P-golven hebben een grotere golfsnelheid dan de S-golven. Zowel
de P- als de S-golven kun je vastleggen met behulp
van een seismograaf in een seismogram. Zie figuur
AK.37. De S-golven komen later aan dan de P-golven.
De S-golven gaan niet door ieder materiaal heen, de
P-golven wel. Bij een meting met drie verschillende
meetpunten kun je de locatie van de aardbeving
vaststellen.
Je kunt met de P- en S-golven de binnenkant van de
aarde bekijken. De P-golven gaan door de aardbol
heen, omdat deze golven door ieder materiaal gaan.
De S-golven juist niet. Dichtheid en soort materiaal
beïnvloeden de golf. De sterkte van een aardbeving
kun je aangeven met de schaal van Richter. Zie Binas
tabel 30A.
spreiding
trog
trog
aardmantel
aardkern
AK.35 Convectie in de aardmantel
24 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 24
AK.36 San Andreasbreuk in Californië
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Voorbeeld 6 Rekenen aan P- en S-golven
Bij een aardbeving ontstaan P- en S-golven. De
P-golven hebben in een bepaald gesteente een
snelheid van 3,4 km/s en een frequentie van 1,1 Hz.
a Bereken de golflengte van de P-golven in dit
gesteente.
Bij een meting komt de P-golf 4,0 min eerder aan
dan de S-golf. De snelheid van de P-golf is 5,0
km/s en de afstand tot de beving is 2,6 · 103 km.
b Bereken de snelheid van de S-golf.
a Gebruik v = λ · f. De golflengte is dan: λ = v =
f
3,4 · 10 3
3
= 3,1 · 10 m = 3,1 km.
1,1
2,6 · 10 3
b De P-golf doet er
= 520 s over. Het
5,0
tijdsverschil is 4,0 × 60 = 240 s. De S-golf doet
er dus: 520 + 240 = 760 s over. De snelheid van
2,6 · 10 3
de S-golf is dan: v =
= 3,4 km/s.
760
Aardbevingen kunnen ook in de oceaan plaatsvinden.
De bewegende zeebodem brengt de trillingsenergie
over op de bovenliggende waterkolom. Het water
beweegt omhoog, soms maar een halve meter. De
ontstane golf verspreidt zich in een ringvorm en raast
met een hoge snelheid van zo’n 800 km/h van het epicentrum af. Komt de golf aan bij steeds minder diep
water, dan wordt de voorkant van de golf afgeremd.
300
amplitude (mm)
250
P-golf
aankomsttijd
200
De achterkant van de golf haalt door zijn grotere snelheid de voorkant in, waardoor de golf wordt samengedrukt. De golfhoogte neemt dan toe. Als deze enorme
golf, een zogenaamde tsunami aan land komt, is het
verwoestende effect groot.
•
Aardbevingen ontstaan als twee platen langs
elkaar schuiven. Tijdens de beving komt energie
vrij, die zich als S- en P-golven door de aarde
bewegen.
Door op drie punten de golven te meten kun je de
locatie van de beving vaststellen.
Een tsunami ontstaat bij een beving op de
zeebodem. Bij de ondiepe kust ontstaat een zeer
hoge golf.
> Opdrachten 41, 42 en 43
Vulkanen
Een vulkaan is een plek op het aardoppervlak waar
vloeibaar gesteente en gassen als CO2, SO2 en H2S
het aardoppervlak bereiken. De meeste vulkanen
vind je rondom de randen van tektonische platen.
Gemiddeld komen er zestig vulkaanuitbarstingen per
jaar voor. Een vulkaan noem je actief als deze nog af
en toe tot uitbarsting komt.
Vulkanen ontstaan als platen in de aardkorst tegen
elkaar aankomen. De ene plaat kan dan onder de
andere schuiven en door de hoge temperatuur kan het
gesteente smelten. Dit proces heet subductie. Er ontstaat magma, vloeibaar gesteente. Omdat dit magma
een kleinere dichtheid heeft dan het omringende
gesteente, zal het magma omhoog gaan bewegen.
Door de enorme hitte zal het omringende gesteente
ook gaan smelten. Zie figuur AK.38.
Waar platen van elkaar af bewegen (divergeren)
ontstaat ruimte voor het magma om naar boven te
S-golf
aankomsttijd
150
100
50
0
50
S – P-interval
vulkanisme
100
150
200
250
300
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
t (s)
AK.37 Een seismogram
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 25
AK.38 Drukopbouw in een vulkaan
Aarde en klimaat
25
26/06/14 7:38 AM
komen. Er zijn veel plekken in de oceaan waar dit
gebeurt, zo ontstaan er vulkanische eilanden.
Hotspotvulkanen ontstaan juist niet op de grens van
twee platen. Er zijn dunne plekken in sommige platen,
doordat zich daar een convectiestroom bevindt van
warm materiaal uit de mantel. De aardkorst smelt
van onderaf, waardoor magma zich kan verplaatsen.
Wanneer de druk hoog genoeg is, volgt een uitbarsting.
In het magma zitten gassen opgelost. Deze gassen
blijven opgelost zolang de druk van het omringende
gesteente groter is dan de dampdruk van de gassen.
Zodra de druk van het gesteente op het gas lager
wordt, kan het gas gaan uitzetten en ontstaan er gasbellen, net zoals in koolzuurhoudende frisdrank. De
dichtheid neemt dan verder af en het magma zal met
een grote vaart naar boven komen.
Doordat tijdens vulkaanuitbarstingen vaste deeltjes
in de atmosfeer terechtkomen, heeft dat invloed op
het klimaat. Bij zeer krachtige uitbarstingen komen
deeltjes zelfs in de stratosfeer terecht. Daar reflecteren
de deeltjes het zonlicht, zodat de aarde minder stralingsenergie ontvangt. De temperatuur kan dan tijdelijk
dalen. Bij minder sterke uitbarstingen komen deeltjes
in de troposfeer terecht. Deze deeltjes kunnen daar als
condensatiekernen optreden, zodat er tijdelijk meer
wolkvorming optreedt. Wanneer de deeltjes weer op
de grond komen, levert dit vruchtbare grond op.
Opdrachten
A 38
a Wat is een mogelijke oorzaak van plaattektoniek?
b Geef de vervalreactie van Th-232.
c Maak de juiste combinaties:
A korst
1 convectie
B mantel
2 ijzer en nikkel
C kern
3 plaattektoniek
A 39
Noem twee gevolgen van een vulkaanuitbarsting.
B 40
In figuur AK.39 zie je de richtingen waarin de platen
bewegen. De bodem van de Atlantische Oceaan
spreidt zich verder uit. In de Grote Oceaan vindt het
proces van subductie plaats.
a Wat is subductie?
b Wat betekent dit voor de toekomst van deze platen?
Europa en Noord-Amerika drijven uit elkaar met een
gemiddelde snelheid van 2,5 cm/jaar.
c Reken deze snelheid om in m/s.
d Hoeveel afstand heeft Nederland daardoor afgelegd
in 100 jaar?
Amerika
Atlantische oceaan
Afrika
•
Vulkaanuitbarstingen vinden plaats als vloeibaar
gesteente door de aardkorst met kracht naar
buiten spuit. Opgeloste gassen zetten uit zodra de
druk van het omringende gesteente afneemt.
Asdeeltjes in de atmosfeer beïnvloeden het weer.
> Opdrachten 39, 40, 44 en 45
Site
Epicentrum
Aan de hand van seismogrammen kun je achterhalen waar de aardbeving heeft plaatsgevonden.
Vulkaanuitbarsting
Wanneer een vulkaan uitbarst, komt een aswolk
met grote snelheid naar buiten. Je bekijkt de
effecten van de wind, de snelheid waarmee de
deeltjes naar buiten komen en de grootte van de
vulkaanopening.
26 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 26
AK.39
B 41
In figuur AK.40 zie je drie seismogrammen van
dezelfde aardbevingen opgenomen op drie verschillende plaatsen A, B en C.
Geef aan welke uitspraak de juiste is:
A Station A is het dichtst bij het epicentrum en station
C is het verst weg;
B Station B is het dichtst bij het epicentrum en station
C is het verst weg;
C Station C is het dichtst bij het epicentrum en station
A is het verst weg;
D Station A is het dichtst bij het epicentrum en station
B is het verst weg.
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
S
P
Station A
08:20:00
08:25:00
08:30:00
S
P
Station B
08:15:00
P
08:20:00
08:25:00
08:30:00
S
D 44 *
Station C
08:15:00
08:20:00
08:25:00
08:30:00
AK.40 Drie seismogrammen
B 42
In de omgeving van Japan komen vaak aardbevingen
voor. Ook op 11 maart 2011. Daarbij ontstond een
tsunami die zich met grote snelheid over de Grote
Oceaan in de richting van Chili verplaatste. Na 22
uur bereikte de tsunami de kust van Chili 15 000 km
verderop.
a Bereken de gemiddelde voortplantingssnelheid van
deze golf.
b Leg uit of er veel water is verplaatst over deze
afstand.
(Naar vwo-pilotexamen wiskunde A 2012-II)
Op 26 december 2004 werd Zuidoost-Azië getroffen
door een tsunami. De tsunami had rampzalige gevolgen voor een aantal kustgebieden. Dit kwam door
de enorme hoeveelheid water die door deze tsunami
werd meegevoerd. In figuur AK.41 is een schematisch
overzicht te zien van het verloop van een tsunami.
Boven elke genoemde waterdiepte is steeds de bijbehorende snelheid weergegeven.
snelheid (km/h)
08:15:00
Aan grotere aardbevingen gaan vaak kleinere aardbevingen vooraf. Tijdens deze kleinere aardbevingen
verdwijnt steeds een beetje spanning. Zonder deze
kleinere bevingen vooraf zou de grote aardbeving veel
sterker zijn.
c Hoeveel bevingen met een kracht van 4 op de
schaal van Richter zijn er nodig om één beving met
een kracht van 7 op de schaal van Richter te voorkomen?
940
710
D 43 *
520
160
80
?
?
35
10
2000
Het vermogen van het zonlicht dat de aarde ontvangt
is 1,74 · 1017 W.
b Ga met een berekening na welke sterkte een aardbeving heeft, vergelijkbaar met de hoeveelheid energie van de zon die de aarde in een dag ontvangt.
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 27
diepte (m)
4000
De relatie tussen de energie van een aardbeving en
de schaal van Richter kun je weergeven met een
empirische formule. Dat wil zeggen dat de formule
gebaseerd is op metingen van verschillende aardbevingen. Voor iedere aardbeving kan de ondergrond en
diepte waarop de beving plaatsvindt verschillen. Het is
dus geen wetmatigheid, maar geeft je een idee van de
ordegrootte van de energie.
Het verband tussen de energie van een beving en
sterkte op de schaal van Richter is:
10 log E = 6,8 + 1,5 · M, met E de energie (in joule) en
M de richtermagnitude.
a Bereken hoeveel energie er vrijkomt bij een aardbeving met een kracht van 4,0 op de schaal van
Richter.
7000
AK.41
In de figuur is bijvoorbeeld te zien dat een tsunami
bij een diepte van 4000 meter zich met een snelheid
van 710 km/uur verplaatst. Voor de snelheid van een
tsunami geldt bij benadering de volgende formule:
v = 11,3 d .
Hierin is v de snelheid in km/h en d de waterdiepte in
meter. In de figuur ontbreken twee waarden voor de
waterdiepte. Ze zijn aangegeven met een vraagteken.
a Bereken met behulp van bovenstaande formule en
de gegevens uit de figuur deze twee ontbrekende
waarden.
De tsunami van december 2004 werd veroorzaakt
door een aardbeving onder zee, 150 km uit de kust
Aarde en klimaat
27
26/06/14 7:38 AM
van het Indonesische eiland Sumatra. De tsunami
plantte zich voort door de Golf van Bengalen, waar de
zee ongeveer 3 km diep is.
b Bereken hoeveel minuten een tsunami nodig heeft
om een afstand van 150 km af te leggen in water
van 3,0 km diep.
In figuur AK.41 is ook te zien dat in de buurt van de
kust, waar de waterdiepte niet zo groot is, de golfhoogte van een tsunami groter wordt. Op volle zee, waar de
waterdiepte groot is, is de golfhoogte niet zo hoog.
Bij tsunami’s is het volgende verband gevonden tussen waterdieptes en golfhoogtes:
⎛d ⎞
h2 = ⎜ 1 ⎟
⎝ d2 ⎠
0,25
· h1
Hierin is h1 de golfhoogte bij waterdiepte d1 en h2 de
golfhoogte bij waterdiepte d2, alle in meters.
De tsunami van 26 december 2004 ontstond in een
gebied met waterdiepte 1,0 km en golfhoogte 60 cm.
c Bereken de hoogte van de golf in een gebied met
een waterdiepte van 10 m.
D 45 *
De warmteproductie van de aarde kun je berekenen
met de volgende formule:
Q = H · m met H de warmteproductiviteit in W/kg en m
de massa in kg.
De straal van de aarde is 6371 km en H =
5,0 · 10−12 W/kg. De dichtheid van de aarde is
5513 kg/m3.
a Bereken de warmteproductie van de aarde.
Aan het totale aardoppervlak ‘lekt’ een warmtevermogen van 44 · 1012 W naar buiten.
b Hoe groot is het warmteverlies per vierkante meter
aan het aardoppervlak?
c Bereken het vermogen aan warmte dat in de aarde
wordt geproduceerd door radioactief verval.
Na deze paragraaf kun je:
•
•
•
•
•
28
de structuur van de aardbol beschrijven;
beschrijven hoe de aardkorst is opgebouwd;
uitleggen dat er na een aardbeving golven ontstaan;
rekenen aan S- en P-golven;
uitleggen wat er bij een vulkaanuitbarsting gebeurt.
hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 28
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
AK.5 Afsluiting
Site
Oefenopgaven
Op de site vind je:
• samenvatting
• diagnostische toets
• extra opdrachten
• uitwerkingen oefenopgaven
• modules Onderzoeken, Ontwerpen
46
a Bereken met behulp van Binas met hoeveel kelvin
de temperatuur in de troposfeer afneemt per meter.
b Bereken ook hoeveel kelvin de temperatuur per
meter weer toeneemt in de stratosfeer.
47
Onderzoeken en ontwerpen
A Broeikasgas
Wat is de invloed van broeikasgas op de temperatuur van de aarde?
Je ontwerpt een experiment waarbij je een afgesloten hoeveelheid gas verwarmt en de temperatuur gaat meten.
In figuur AK.42 zie je een weerkaart. Geef aan de hand
van deze weerkaart een uitleg van het weerbeeld en
een weersvoorspelling voor Nederland de komende
24 uur.
Temperatuur (°C)
L
20 – 25
Helsinki
Oslo
1000
15 – 20
10 – 15
Stockholm
1005
5 – 10
Glasgow
Riga
1010
Kopenhagen
0–5
1015
Dublin
B Klimaatmodel
Het klimaat is afhankelijk van veel factoren. Je
gaat aan de hand van een model simuleren wat er
verandert aan de temperatuur van de aarde als de
albedo wijzigt.
Londen
Warschau
Berlijn
Amsterdam
1020
Brussel
Praag
Luxemburg
München
Parijs
Wenen
Boedapest
Zürich
1025
Bordeaux
C Meetinstrumenten voor het weer
Je kunt verschillende meetinstrumenten voor het
weer zelf ontwerpen en maken.
L
Lissabon
Madrid
Belgrado
Nice
Barcelona
Rome
H
> Complete instructies en modules op de site
Palma
AK.42
48
De familie Piccard heeft een lange traditie van ontdekkingsreizen. Zo bereikte Auguste Piccard met een
luchtballon in 1931 de stratosfeer.
a Welke hoogte bereikte hij?
b Welke luchtdruk heerst daar?
Zijn zoon Jacques ging liever de diepte in en bouwde
een onderzeeboot waarmee hij in 1960 afdaalde naar
een diepte van 10 916 m.
c Bereken de waterdruk op die diepte.
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 29
Aarde en klimaat
29
26/06/14 7:38 AM
49
(Naar vwo-examen aardrijkskunde 2013-II)
In figuur AK.43 zie je de Mount Saint Helens aan de
westkust van de Verenigde Staten vlak na de uitbarsting in 1980.
a Leg uit hoe deze krater is ontstaan als gevolg van
de uitbarsting.
Mount Saint Helens is één van de vele vulkanen in de
Cascade Range. Zuidelijker, in Californië, zijn geen
vulkanen.
b Leg uit waardoor in de Cascade Range wel vulkanen voorkomen en in Californië niet. Betrek in je
antwoord de plaattektonische beweging in beide
gebieden.
Het opzwellen van de magmahaard onder Mount
Saint Helens leidde tot een aantal aardbevingen voorafgaand aan de uitbarsting. Dit soort aardbevingen
wordt vulkanische aardbevingen genoemd.
c Leg uit hoe een vulkanische aardbeving kon leiden
tot de vulkaanuitbarsting van 1980.
De transversale golven hebben in een bepaald
gesteente een voortplantingssnelheid van 3,4 km/s.
De frequentie van deze golven is 1,2 Hz.
b Bereken de golflengte van de transversale golven in
dit gesteente.
Aardbevingstrillingen worden geregistreerd door een
seismograaf. In figuur AK.44 is een eenvoudig type
seismograaf afgebeeld.
Een zwaar blok hangt aan een veer en kan zonder
wrijving draaien om scharnier A. Het stangetje en
scharnier zorgen ervoor dat het blok alleen in verticale richting kan trillen. Bij een aardbeving mag het
systeem van veer en blok niet gaan resoneren met de
aardbevingstrillingen. Daartoe moet de eigenfrequentie van de veer met blok klein zijn ten opzichte van de
frequentie van de aardbevingstrillingen.
veer
De aardbeving had een kracht van 5,1 op de schaal
van Richter.
d Hoeveel energie komt daarbij ongeveer vrij?
scharnier
pen
A
AK.44
De eigenfrequentie van de veer met het blok is
0,37 Hz. De massa van het blok is 4,2 kg.
c Bereken de veerconstante van de veer.
AK.43
50
(Naar havo-examen 1999-I)
Bij een aardbeving lopen er longitudinale en transversale golven door de aarde.
a Noem het verschil tussen longitudinale en transversale golven.
30 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 30
De longitudinale golven hebben een andere voortplantingssnelheid dan de transversale. Door dit
snelheidsverschil komen de golven niet tegelijk op een
meetstation aan. In figuur AK.45 is een registratie van
een aardbeving in Griekenland afgebeeld, gemeten
door het KNMI in De Bilt. Op het tijdstip aangegeven
met L kwamen de longitudinale golven aan, op het
tijdstip T de transversale.
De longitudinale golven komen dus het eerst aan.
Aangenomen mag worden dat beide soorten golven
dezelfde weg hebben gevolgd.
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
registratie te De Bilt van een aardbeving in Griekenland
L
T
1 minuut
AK.45
De aardbeving vond plaats op een afstand van
2,3 · 103 km. De gemiddelde snelheid van de transversale golven is 3,4 km/s.
d Bepaal de gemiddelde snelheid van de longitudinale golven. Geef het antwoord in twee significante
cijfers.
De voortplantingssnelheid van de golven in verschillende gesteenten is anders. Daarom vertonen deze
golven, net als licht, breking. De richting van de golven
wordt daarbij weergegeven door een golfstraal.
In figuur AK.46 is voor een golf de golfstraal in
gesteente 1 getekend. Bij overgang naar gesteente
2 treedt breking op. De brekingsindex n voor deze
overgang is 0,80.
gesteente 1
gesteente 2
AK.46
Voor breking geldt de wet van Snellius: n =
sin i
sin r
Hierin is i de hoek van inval, dat is de hoek tussen de
golfstraal en de normaal en r is de hoek van breking.
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 31
De normaal is de lijn loodrecht op het grensvlak.
e Neem de figuur over en teken de gebroken golfstraal. Licht je tekening toe met een berekening.
51
De relatieve luchtvochtigheid kun je berekenen uit
de partiële dampdruk en verzadigingsdampdruk. De
verzadigingsdampdruk is temperatuurafhankelijk en
die kun je vinden in tabel 13A van Binas.
Met behulp van het mollierdiagram van figuur AK.47
op de volgende pagina kun je met de gegevens van
de temperatuur en de luchtvochtigheid de dampdruk
en de verzadigingsdampdruk bepalen.
Een voorbeeld: T = 10 °C en de relatieve
luchtvochtigheid = 70%.
Je zet dan de luchtconditie met een punt in het
diagram, de temperatuur staat langs de y-as, de
kromme lijnen stellen de verzadigingsdruk voor.
Je trekt dan een verticale lijn van dit punt tot op de as
van de dampdruk pd, in dit geval 0,86 kPa. Vervolgens
trek je een lijn vanuit het punt bij gelijkblijvende temperatuur door tot de verzadigingslijn. Van daaruit trek
je een verticale lijn naar de as van de dampdruk. Dat is
de verzadigingsdruk: 1,22 kPa.
Ter controle: de relatieve luchtvochtigheid =
0,86 × 100% = 70%
1,22
a Bepaal nu met behulp van het diagram in figuur
AK.47 de partiële dampdruk en de verzadigingsdruk
bij de volgende weersomstandigheden: T = 14 °C en
relatieve luchtvochtigheid van 60%.
b Bereken de luchtvochtigheid met de gevonden
waarden uit vraag a. Klopt je antwoord?
Aarde en klimaat
31
26/06/14 7:38 AM
Je kunt ook de dauwpuntstemperatuur bepalen.
Bij een temperatuur van T = 18 °C en een relatieve
vochtigheid van 70% zet je de luchtconditie in het
diagram. Je trekt dan verticaal een lijn naar de verzadigingslijn en je leest de bijbehorende temperatuur af:
T = 12,4 °C.
c Bepaal nu met dit diagram de dauwpuntstemperatuur bij de volgende weersomstandigheden:
T = 14 °C en relatieve luchtvochtigheid = 60%.
Het absolute vochtgehalte x kun je weergeven in het
aantal grammen damp per kilogram droge lucht. Deze
vind je bovenaan op een horizontale as.
d Bepaal het absolute vochtgehalte van lucht met een
relatieve luchtvochtigheid van 60% en een temperatuur van 14 °C.
pd (kPa)
0,5
T (°C)
40
35
2
1,0
4
1,5
6
8
2,0
10
12
2,5
14
3,0
x (g/kg)
16
18
20
10
20
30
30
40
50
60
25
70
80
90
100
20
15
10
5
0
relatieve luchtvochtigheid (%)
–5
–10
–15
AK.47
32 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 32
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Numerieke antwoorden
Aarde en klimaat
A 5
d 1,008 · 105 Pa
A 6
a 40 000 km
C 28
B 42
a 6,8 · 102 km/h
a 48%
b 71%
c 7,0 °C
D 43
C 34
a 6,093 · 1018 m2
c 1,37 · 103 W/m2
B 9
a 0,403 · 105 Pa
D 44
C 35
8
C 11
a 6,3 · 1012 J
b 10
c 3 · 104
a 3,6 · 10 W
b 3,7 · 108 W
a 200 m; 50 m
b 15 min
c 1,9 m
b 0,038 N
C 36
B 18
b 100%
D 45
10
a 5,79 · 10 m
b 9,14 · 103 W/m2
c 441 K
a 3,0 · 1013 W
b 0,086 W/m2
c 14 · 1012 W
B 21
a 62%
b 5 °C
© Noordhoff Uitgevers bv
244037_Physics_AKL.indd 33
B 40
c 7,9 · 10−10 m/s
d 2,5 m
Aarde en klimaat
33
26/06/14 7:38 AM
Register
A
aardkorst
albedo
algemene circulatie
atmosfeer
I
24
19
5
4
7
24
12
C
circulatie
cirruswolken
condensatiekern
convectie
corioliskracht
cumuluswolken
18
14
13
14, 23
5
14
dampdruk
dauwpunt
dynamische stijging
12
13
14
23
8
M
magma
mantel
mechanische stijging
25
23
14
N
naschokken
24
natuurlijk broeikaseffect 12
P
P-golven
plaattektoniek
D
8
6
24
24
relatieve
luchtvochtigheid
F
fronten
34 hoofdstuk AK
244037_Physics_AKL.indd 34
thermiek
tropopauze
troposfeer
tsunami
13
9
14
6
6
25
V
versterkte
broeikaseffect
verval
verzadigingsdampdruk
verzuring
voorschokken
21
23
12
21
24
W
6
8
Z
zonneconstante
24
18
6
14
25
T
watercyclus
windrichting
R
E
epicentrum
stralingsevenwicht
stratosfeer
stratuswolken
subductie
K
kern
klimaat
B
barometer
breuklijnen
broeikasgas
isobaren
isotherme laag
19
S
seismograaf
seismogram
S-golven
24
24
24
© Noordhoff Uitgevers bv
26/06/14 7:38 AM
Verantwoording
Basisontwerp binnenwerk: Marieke Zwartenkot, Amsterdam
Opmaak binnenwerk: DDCom, Veldhoven en Integra Software Services, India
Beeldresearch: Lineair Fotoredactie, Arnhem
Technisch tekenwerk: Integra Software Services, India
Cartografie: Anton van Tetering, Utrecht
Foto’s en afbeeldingen:
Reuters/Novum - Den Haag: p. 2
ESA – Noordwijk: p. 4
NASA – Washington: p. 11
GLDR / Nationale Beeldbank – Amsterdam: p. 12
Ron Giling / Lineair – Arnhem: p. 17
Westend61 / Hollandse Hoogte – Amsterdam: p. 23
Aurora Photos / Alamy/ ImageSelect – Wassenaar: p. 24
U.S. Geological Survey – Washington: p. 30
0 / 14
© 2014 Noordhoff Uitgevers bv, Groningen/Houten, The Netherlands
Behoudens de in of krachtens de Auteurswet van 1912 gestelde uitzonderingen mag niets uit deze uitgave worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij
elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming
van de uitgever. Voor zover het maken van reprografische verveelvoudigingen uit deze uitgave is toegestaan op grond van
artikel 16h Auteurswet 1912 dient men de daarvoor verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Reprorecht (Postbus
3060, 2130 KB Hoofddorp, www.reprorecht.nl). Voor het overnemen van (een) gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen,
readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet 1912) kan men zich wenden tot Stichting PRO (Stichting Publicatieen Reproductierechten Organisatie, Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp, www.stichting-pro.nl).
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by
any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise without prior written permission of the publisher.
244037
244037_Physics_AKL.indd 35
26/06/14 7:38 AM