De stralingsbalans van de Aarde

De stralingsbalans van de Aarde
Samenvatting
De temperatuur op Aarde hangt heel sterk af van de totale hoeveelheid instraling van de Zon. De
Aarde reflecteert 30 % van de zonnestraling die ze ontvangt. De overige 70 % wordt geabsorbeerd en
warmt de Aarde op. Door de opwarming zal de Aarde op haar beurt warmte uitstralen (= langgolvige
straling). Aan de hand van de hoeveelheid uitgaande straling kan de temperatuur bepaald worden.
Er ontstaat een evenwichtstoestand, waarbij er evenveel inkomende kortgolvige straling als
uitgaande langgolvige straling is. Dit noemen we de stralingsbalans van de Aarde. Alle
invloedsfactoren zijn in balans en op Aarde stelt zich een temperatuur in die min of meer constant is
in de tijd.
Als één van de componenten van het systeem verandert, zal ook de temperatuur op Aarde
veranderen, waardoor er zich een nieuw evenwicht instelt.
Kortgolvige straling
Van de zonnestralen die binnenkomen in de aardse atmosfeer bereikt slechts de helft rechtstreeks
het aardoppervlak. De andere helft wordt ofwel verstrooid in de atmosfeer of door de wolken
weerkaatst, terug de ruimte in, ofwel geabsorbeerd en omgezet in warmte door gassen in de
atmosfeer (waterdamp, koolzuurgas, ozon) en door wolken.
Verstrooiing
De zichtbare golflengten worden in de atmosfeer verstrooid door gasmoleculen met afmetingen
kleiner dan de golflengten. Dit verstrooiingsproces volgt de wet van Rayleigh (stralingsverstrooiing is
evenredig met 1/λ4 ) en dus wordt blauw licht met een kortere golflengte negen maal meer
verstrooid dan rood licht. Vandaar de blauwe kleur van de hemelsfeer. Ook het roder worden van de
zonneschijf bij afnemende zonshoogte wordt hierdoor verklaard.
Deeltjes die groter zijn dan de golflengte van het licht (bijvoorbeeld stofdeeltjes en waterdruppels),
verstrooien het licht op een niet-selectieve wijze. Men spreekt van de Mie-verstrooiing. Dit wordt
o.a. geïllustreerd door de witgrijze kleur van wolken.
Terugkaatsing (reflectie)
Reflectie van straling vindt plaats aan wolken, aan stoflagen en in sterke mate aan bepaalde delen
van het aardoppervlak zoals oceanen bij laagstaande zon en sneeuw- en ijsvelden.
In de weerkunde is het weerkaatsingsvermogen (ook wel albedo) van een oppervlakte de verhouding
tussen de gereflecteerde en de inkomende straling. Hierna is een overzicht gegeven van het
gemiddelde albedo van verschillende oppervlakten. De aarde heeft een gemiddeld albedo van 30 %.
Gemiddeld reflectievermogen van aardoppervlakten:
Verse sneeuw of ijs : 80-95%
Oud smeltende sneeuw: 40-70%
Wolken : 40-90%
Woestijnzand : 30-50%
Grondaarde : 5-30%
Toendra : 15-35%
Grasland : 25-30%
Bos : 10-20%
Water : 10-60%
Absorptie
vindt plaats door verschillende gassen die zich in de dampkring bevinden, zoals CO2 (koolstofdioxide),
H2O (waterdamp) en O3 (ozon).
In feite wordt het ultraviolette deel van het zonnespectrum met golflengten beneden ca. 300 nm
afgesneden door de absorptie door ozon en zuurstof.
Infraroodstraling wordt in de atmosfeer geabsorbeerd door CO2 en H2O. Hierdoor verhoogt de
relatieve verhouding van zichtbare t.o.v. infrarode straling aan het aardoppervlak.
Langgolvige straling
Niet alleen de Zon, alle lichamen met een bepaalde temperatuur zenden straling uit. Dus ook het
aardoppervlak en de boven het aardoppervlak gelegen luchtlagen zenden warmte uit.
Uit de Wet van Wien, die zegt dat de golflengte van de meest uitgezonden straling afhankelijk is van
de temperatuur, kunnen we afleiden dat de Aarde, die een veel lagere temperatuur heeft dan de
Zon, langgolvige straling uitzendt.
Golflengte = constante van Wien / T
De constante van Wien bedraag 2.9 mm K, temperatuur bedraagt 288,15 K (15°C).
Dus, voor de Aarde kunnen we uitrekenen dat die het meest stralen uitzendt met een golflengte van
0,01 mm, dat ligt in het infrarode gebied (780 nm – 1 mm). Deze straling kunnen we niet waarnemen
met onze ogen, maar ervaren we als warmte. Overdag wordt een deel van de zonnestraling
geabsorbeerd op het aardoppervlak, dat hierdoor opwarmt. Maar ’s nachts, als de opwarming door
de Zon wegvalt, gaat de uitstraling door en koelt het oppervlak af.
De energiebalans van de Aarde
Men kan voor de Aarde een energiebalans opstellen, met inkomende en uitgaande componenten.
http://oceanworld.tamu.edu/resources/oceanography-book/radiationbalance.htm
Uitgaande van deze balans komt men tot een aantal vaststellingen;
-de invallende zonnestraling wordt voor de helft doorgelaten tot op het aardoppervlak. Ongeveer de
helft hiervan wordt gebruikt om water te verdampen waardoor deze als latente warmte in de
atmosfeer terugkeert. Over land wordt een kleiner energieaandeel via opgewarmde lucht terug in de
atmosfeer gebracht. Beide fenomenen zijn als het ware de motor van de weersvorming en liggen aan
de basis van de verschillende klimaten verspreid over de Aarde.
-het aardoppervlak verliest meer langgolvige straling dan het kortgolvige straling absorbeert. Dit
tekort wordt echter gecompenseerd aangezien de atmosfeer een gedeelte van de aardse straling
terugzendt (atmosferisch broeikaseffect).
-de energiebalans is in evenwicht op het bovenste en onderste grensvlak van de atmosfeer en ook in
de atmosfeer zelf.