Energiebalans aarde: systeemgrens

Energiebalans aarde: systeemgrens
Aarde
Atmosfeer
Energiebalans
• Boekhouden: wat gaat er door de systeemgrens?
• Wat zijn de uitgaande stromen?
• Wat zijn de ingaande stromen?
• Is er accumulatie?
De aarde: Energie-instroom
lin
tra
Re
fl
es
nn
Zo
ec
tie
:
30
%
Zon
g
tra
es
nn
Zo
lin
g
Aarde
Atmosfeer
g
lin
tra
e
nn
Zo
ra
st
g
lin
W
ar
m
va
te
n
op stra
lin
pe
g
rv
la
k
W
ar
m
te
st
ra
lin
g
ec
tie
:
es
nn
Zo
Re
fl
30
%
De aarde: Energiestromen
Zon
Aarde
Atmosfeer
Energiestroom-UIT
Te begrijpen als straling van een Zwart Lichaam
•
Zwart Lichaam straalt
Energie uit
Zon
•
•
Spiro, 2e druk p.146
Piek Intensiteit f(T)
λpiek=
c/Tpiek
• Zon: 6000K
• Aarde: 288K
Aarde
•
Intensiteit = f (T4)
• S = σT4
• σ= 5,67  10-8  T4
[W/m2K4]
De aarde: een broeikas 2
lin
ra
lin
g
st
ra
te
st
t
es
nn
Zo
te
op stra
lin
pe
g
rv
la
k
g
W
ar
m
ne
Re
n
Zo
fle
cti
e:
30
%
Zon
g
lin
ra
W
va
n
ar
m
• Energiebalans Aarde:
• In = zonnestraling
• Uit = warmtestraling (IR)
• Totaal = 0 (Evenwicht)
Aarde
Atmosfeer
• Zonnestraling: “gegeven”
• Infrarood-uit:
• ~ (Taarde) 4
• ~ absorptie CO2; H2O; CH4
Energiebalans
•
Instraling zon
• Zonne-energie op aarde
•
•
•
Albedo (reflectiefactor)
S = (1-Albedo)  324,5
Uitstraling Aarde
• S = kT4 = 5,67  10-8  T4
= 324,5 [W/m2]
= 0.3
= 240 [W/m2]
[W/m2]
•
Gelijkstellen en oplossen:
• Taardoppervlak = 255 [K] = -18 [°C]
•
Werkelijkheid
• Taardoppervlak = 288 [K] = +15 [°C]
• er is dus veel méér uitstraling van aardoppervlak
• Oorzaak: het broeikas-effect
nn
Zo
lin
t ra
es
g
lin
g
st
ra
te
W
ar
m
va
te
n
op stra
lin
pe
g
rv
la
k
W
ar
m
g
lin
ra
st
Re
fl
e
nn
Zo
ec
tie
:
30
%
Zon
Aarde
Atmosfeer
De aarde: een broeikas
• Geen atmosfeer
o
Taarde = 255 K (-18 C)
• Met atmosfeer
Taarde = 288 K
(+15 oC)
Broeikaseffect
Dus…
Het broeikaseffect is GEWENST, want
de temperatuur op de aarde blijft veel hoger dan anders het geval
zou zijn geweest
(288 K = 15C i.p.v. 255 K = - 18C)
VERSTERKTE broeikaseffect is ONGEWENST, want
de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt 1.1 tot 6 graden in de
21ste eeuw
Broeikaseffect
•
Definitie: “Het optreden van temperatuurverhoging door
belemmering van infrarode straling.”
•
Karakteristiek aarde
• De atmosfeer is vrijwel geheel doorlatend voor de straling
van de zon; er vindt wel reflectie van zonnestraling door
wolken en het aardoppervlak plaats
• De atmosfeer is maar beperkt doorlatend voor de door de
aarde uitgezonden infrarode straling; een deel van de
uitgezonden straling wordt geabsorbeerd, en weer in alle
richtingen uitgezonden; netto wordt dus IR straling naar de
aarde teruggezonden!
Model: atmosfeer als “plaat”
die deel IR straling “terugkaatst”
Grens met de ruimte
Suit, atmosfeer
Sin, zon
Atmosfeer
Suit, aardoppervlak
Sterug, atmosfeer
Aardoppervlak
Atmosfeer als plaat
Grens met de ruimte
Suit, atmosfeer
Sin, zon
Atmosfeer
Suit, aardoppervlak
Sterug, atmosfeer
Aardoppervlak
Golflengte spectrum
• Van gamma en rontgen, via zichtbaar licht, naar
infrarood, microgolven, en radiogolven
Elektromagnetische straling
Naar toenemende golflengte:
• gammastraling
• röntgenstraling
• ultraviolet
• zichtbaar licht
• infrarood
• microgolven (radar)
• radiostraling
Versterkt broeikas-effect?
•
Infrarode straling (IR) wordt
geëmitteerd door het
aardoppervlak
•
IR wordt geabsorbeerd &
verspreid door moleculen in
atmosfeer- “broeikasgassen”
•
Slechts klein “atmospheric
window” wordt direct
doorgelaten
•
Gassen met absorptie in dat
“window” zijn meest sterke
broeikasgassen
Spiro 1e
druk, p.121
Golfgetal:
H2O
CO2
CH4
O3
H2O
CO2
CH4
O3
Atm.
Window
Golfgetal:
H2O
CO2
CH4
O3
Atm.
Window
Karakteristieken broeikasgassen
pre-industr. conc. [ppm]
huidige concentr. [ppm]
jaarlijkse toename [%]
atmosf. levensduur [jaar]
GWP (CO2 = 1)
CO2
270
385
0,5
50-200
1
CH4
0,70
1,7
0,9
10
N2O
0,29
0,31
0,25
150
CFK11
0
0,00028
4
65
25
298
4750
GWP is een functie van “Atmospheric Window”, (toename) concentratie en
levensduur in de atmosfeer
Global Warming Potential (# Radiative Forcing!)
GWP maakt mogelijk om gassen te vergelijken
GWP:
is gedefinieerd als:
het effect van één ton broeikasgas
op de temperatuurstijging
genormaliseerd op het effect van
één ton CO2
Duiding effect broeikasgassen voor
beleidsmakers; Hoe?
•
Gebruik de energiebalans van de aarde
•
Dit is een stralingsbalans; in=uit= +/- 240 [W/m2] gemiddeld over de
gehele aarde
•
Vertaal emissie van broeikasgassen naar effect op de gemiddelde
globale (wereld) energiebalans
•
Radiative forcing [W/m2]: netto bijdrage aan inkomende straling of
•
vermeden uitgaande straling
Berekend uit/met uitgebreide klimaatmodellen
Radiative forcing [W/m2]
Zie Spiro 1e druk pag. 123
Radiative Forcing – stand van zaken (IPCC, 2001)
•
Figuur 6.11 uit Spiro
•
(IPCC, "Summary for Policy Makers", 2001; http://www.unep.ch/ipcc/pub/spm22-01.pdf).
Radiative forcing (IPCC, 2007)
Energiebalans Aarde
een onoverzichtelijk plaatje uit Spiro
• Spiro, 2e druk p. 148
Wolkvorming
• Wolken reflecteren zonlicht
•
,,
absorberen zonlicht
•
,,
geven IR-straling af
• Al
•
•
•
het materiaal in de atmosfeer
zendt IR straling uit in alle richtingen
wordt opgewarmd door verdamping & thermiek
opname en “scattering” van IR-straling afkomsting
van het aardoppervlak
Koppelingen
•
•
•
•
•
•
Waterdamp
Ijs-albedo
Wolken
Oceaanstromingen
Hydrologische kringloop
Verwoestijning-albedo
Koppelingen – via koolstof
•
•
•
•
•
Biosfeer
CO2 in oceanen
Permafrost
Verdroging/bosbranden
Organisch materiaal bodem