Heel de atmosfeer - Pure - Technische Universiteit Eindhoven

Heel de atmosfeer
Kelder, H.
Gepubliceerd: 01/01/2000
Document Version
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the author's version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences
between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the
author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.
Link to publication
Citation for published version (APA):
Kelder, H. M. (2000). Heel de atmosfeer. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven.
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners
and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.
• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research.
• You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ?
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Download date: 18. Jul. 2017
Tu /e
technische universiteit eindhoven
Heel de atmosfeer
lntreerede
prof.cir. H.M. Kelder
lntreerede
Uitgesproken op 27 oktober 2000
aan de Technische Universiteit Eindhoven
prof.cir. H.M. Kelder
1
Mijnheer de Rector Magnificus,
bemande luchtballonnen op te stijgen tot
Dames en heren,
boven de tien kilometer hoogte. Men ontdekte toen met behulp van metingen vanuit
De atmosfeer is een natuurlijk laboratori-
ballonnen dat de temperatuur in de atmo-
um waarin zich een grate varieteit van pro-
sfeer eerst sterk daalde met de hoogte zoals
cessen afspeelt. Onder het motto "heel de
de verwachting was op basis van temperatu-
atmosfeer" wil ik U gaarne in vogelvlucht
ren op bergtoppen. Echter boven de
door de atmosfeer leiden. Daarbij wil ik U
meter bleken de temperaturen veel minder
wijzen op verschillende aspecten van de
sterk te dalen en in sommige gevallen nam
atmosfeer met de nadruk op de atmosfeer
de temperatuur zelfs geleidelijk weer toe
als een samenhangend geheel. Ook hoop ik
met de hoogte. Dit was een complete ver-
te illustreren hoe boeiend en fascinerend
rassing. Pioniers van dit onderzoek waren
het atmosfeeronderzoek kan zijn.
de Fransman Teisserenc de Bart en de
Er is samenhang tussen het klimaat en de
Duitser Assmann. Aan Assmann werd in
chemie van de atmosfeer, samenhang tus-
1903,
sen de verschillende atmosferische lagen,
Ballot medaille uitgereikt door de Konink-
samenhang tussen de circulatie in de
lijke Nederlandse Akademie van Weten-
tropen en in die van de hogere breedtes.
schappen.
Het is een uitdaging te trachten inzicht te
De eerste verklaring van deze temperatuur-
verkrijgen in het gecompliceerde gedrag
toename bestond in de aanname van een
van de atmosfeer als resultaat van verschil-
warme luchtstroming van de equator naar
lende processen en het verband tussen deze
de hoge breedtes. Geleidelijk aan groeide
processen. Dit inzicht is belangrijk, aange-
echter het inzicht dat het niet een warme
zien het steeds duidelijker wordt dat de
luchtstroming was maar dat zich boven de
mens wezenlijke veranderingen in de atmo-
IO
sfeer veroorzaakt.
wezenlijk andere eigenschappen. In 1902
Tot honderd jaar terug werd de atmosfeer
stelde Teisserenc de Bart dan ook voor om
als een geheel beschouwd. Eind negentien-
de atmosfeer in twee lagen te verdelen, de
de eeuw werd het echter mogelijk om met
troposfeer van tropos, "keren", "wentelen"
3
IO
kilo-
deels ook voor dit werk, de Buijs-
kilometer hoogte een laag bevond met
en de stratosfeer van "stratus", gelaagd. Wie
Opbouw en samenstelling van de
atmosfeer
nu als de ontdekker van de stratosfeer kan
warden beschouwd is niet duidelijk. Doorbraken zijn wel vaker moeilijk precies te
Om de samenhang in de atmosfeer te kun-
duiden, of om gepaste beeldspraak te
nen verklaren is eerst een nadere beschrij-
gebruiken, ze hangen in de lucht.
ving van de atmosfeer vereist.
Het waarnemen van de atmosfeer vanuit
De atmosfeer is een dunne gasvormige
ballonnen was een groat avontuur. Metin-
schil die de aarde omhult en met de aarde
gen werden door onderzoekers zelf verricht
verbonden is door de zwaartekracht. De
en <lat liep niet altijd goed af. Door zuur-
massa van de atmosfeer is 5 x 1018 kg. Dat
stofgebrek belandden sommige onderzoe-
is slechts een tien miljoens te van die van de
kers ·bij terugkeer in coma en enkelen lie-
vaste aarde.
ten zelfs het leven. Dat <lit de nodige indruk
wekte bij het grate publiek blijkt uit een
illustratie uit een Frans boek uit die tijd.
Tot het einde van de negentiende eeuw was
dus de atmosfeer boven de ro kilometer
hoogte grotendeels terra incognita. Het is
opmerkelijk <lat twee belangrijke ontwikkelingen voor de kennis van de hogere atmosfeer bijna gelijktijdig plaats vonden. De
ontdekking van de stratosfeer zoals zojuist
genoemd en daarnaast de ontdekking van
de voortplanting van radiogolven in de
atmosfeer door Marconi. Dit laatste wees op
een gedeeltelijke ionisatie van de hogere
atmosfeer.
Figuur r. Een rampzalig verlopen bemande
ballonvlucht.
4
De atmosfeer kan op diverse wijzen worden
de troposfeer, de stratosfeer, de mesosfeer
ingedeeld. Beperken we ons tot een inde-
en de thermosfeer.
ling op basis van het verticale verloop van
de temperatuur dan leidt <lat tot vier lagen:
(km)
0.0001
100
Thermosfeer
l
0.001
90
--Mesopauze--
0,01
80
70
:0-
.s
0.1
~
60
Mesosfeer
:::J
0
-Stratolpauze-- ,§>'
~~
Qe
"'e;<.<:'.
10
T
Ozonlaag
0
0
50
40
30
Stratosfeer
~
100
°'
I
l
'-
CD
Cirrus
20
--Tropopauze--
10
t
Troposfeer
1000
180
200
220
240
260
280
300
Temperatuur (K)
Figuur
2.
Verticaal profiel van de temperatuur in de atmosfeer tussen het oppervlak en roo kilometer
hoogte.
5
horizontale winden en trage verticale men-
De troposfeer
ging en dat leidt voor gassen, ingebracht in
De troposfeer is de onderste laag van de
de stratosfeer, tot verblijftijden van l tot
atmosfeer. In de troposfeer neemt de tem-
meer dan 6 jaar.
peratuur tussen de 6 en ro graden Celsius
af per kilometer stijging tot ongeveer -50
De mesosfeer
graden Celsius. De troposfeer bevat 90 %
van de totale massa van de aardatrnosfeer.
De troposfeer wordt begrensd door de
In de mesosfeer daalt de temperatuur tot
tropopauze, die zich op een hoogte bevindt
waarden van ongeveer
die afhankelijk van de geografische breedte
en daarmee tot de laagste temperaturen van
varieert tussen de 8 en 18 kilometer. In de
de hele atmosfeer. De verticale stabiliteit is
troposfeer vindt snelle verticale menging
gering en door veelvuldig optredende dyna-
plaats met tijdschalen varierend van uren
mische instabiliteit is er sterke verticale
tot dagen.
menging. De mesosfeer wordt aan de
- 1 20
graden Celsius
bovenzijde begrensd door de mesopauze
die zich op gemiddeld 90 kilometer hoogte
De stratosfeer
bevindt.
In de stratosfeer neemt de temperatuur toe
De thermosfeer
met de hoogte tot o graden Celsius. Dat
wordt veroorzaakt doordat 90 % van de
ozon in de atrnosfeer zich in de stratosfeer
In de thermosfeer is sprake van een zeer
bevindt. Ozon absorbeert ultraviolette zon-
sterke toename van de temperatuur met de
nestraling en warmt daarmee deze laag op.
hoogte tot waarden tussen woo en
De stratosfeer wordt aan de bovenzijde
graden Celsius, afhankelijk van de zonne-
begrensd door de stratopauze die zich op
activiteit. De thermosfeer is zeer stabiel en
ongeveer 50 kilometer hoogte bevindt. De
vertoont dus slechts geringe verticale uit-
stratosfeer is stabiel gelaagd met sterke
wisseling. In de thermosfeer is ongeveer
6
2000
een op de miljoen luchtmoleculen ge!oni-
nog een belangrijk broeikasgas.
seerd en daarom wordt deze laag ook wel
De atmosfeer wordt als kwetsbaar aange-
de ionosfeer genoemd.
duid en de geschiedenis van de laatste vijftig jaar heeft daarvoor overtuigende argumenten geleverd. Tot vijftig jaar terug werd
De atmosfeersamenstelling
de atmosfeer als chemisch inert beschouwd
en bijvoorbeeld ozon in de troposfeer toege-
De atmosfeer bestaat uit een mengsel van
schreven aan lekkage vanuit de stratosfeer.
gassen. De meest voorkomende gassen zijn
Maar geleidelijk aan groeide het inzicht dat
stikstof en zuurstof.
de lokale productie van ozon in de tropo-
In de atmosfeer bevindt zich ook een veel-
sfeer veel belangrijker is dan het transport
heid aan gassen in kleine hoeveelheden,
vanuit de stratosfeer. Bovendien bleek dat
zogenaamde sporengassen zoals water-
menselijke activiteiten leidden tot toename
damp, kooldioxide, methaan en ozon.
van ozon in de troposfeer. In extreme vorm
Deze sporengassen zijn uiterst belangrijk.
leidde dit tot optreden van smog. Ook werd
Dit wil ik illustreren aan de hand van de
vijftien jaar geleden de kwetsbaarheid van
verschillende rollen die ozon speelt. Ozon is
de stratosferische ozonlaag ontdekt in de
ten eerste belangrijk door de afschermende
vorm van het jaarlijks terugkerend ozongat.
werking tegen de ultraviolette straling van
De laatste tien jaar werd ook duidelijk dat
de zon. Zander de ozonlaag zou geen leven
er sprake is van een geleidelijke wereld-
mogelijk zijn op het land. In de evolutie van
wijde ozonafname.
het leven op aarde wordt de gang van leven
Een belangrijke uitdaging voor atmosfeer-
vanuit de oceaan naar het vasteland ook
onderzoekers is het verwerven van inzicht
gekoppeld aan het tijdstip dat de ozonlaag
in de processen die ten grondslag liggen
een kritische dikte overschreed. Een te hoge
aan de kwetsbaarheid van de atmosfeer en
concentratie van ozon op leefniveau is ech-
in de samenhang tussen die processen.
ter schadelijk voor mens, dier en plant. Verder speelt ozon een essentiele rol in de chemie van de atmosfeer. Tenslotte is ozon ook
7
Samenhang tussen de
Op deze koppelingen kom ik later nog uit-
stratosfeer en de troposfeer
gebreid terug.
De troposfeer en stratosfeer worden vaak
Het scheidingsvlak tussen de troposfeer en
afzonderlijk beschouwd maar ze zijn dyna-
de stratosfeer is de tropopauze. In 1926
misch, chemisch en via straling met elkaar
werd voor het eerst de naam de tropopauze
verbonden
geintroduceerd voor <lit vlak. De definitie
Dynamische koppeling
van de Wereld Meteorologische Organisatie
Atmosfeergolven die opgewekt worden in
van de tropopauze luidt als volgt: het is het
de troposfeer kunnen zich zowel horizon-
vlak waarboven de temperatuur per kilome-
taal als verticaal voortplanten. Ze worden
ter met minder dan
gereflecteerd maar ook geabsorbeerd in
een dikte van meer dan
2
graden afneemt over
2
kilometer. Deze
de stratosfeer, <lit afhankelijk van tempe-
definitie kan leiden tot meervoudige tropo-
ratuur en windverloop in de stratosfeer.
pauzes en in die gevallen wordt de laagste
De troposferische golven bepalen daar-
hoogte als de tropopauze beschouwd.
door gedeeltelijk de stratosferische
De hoogte van de tropopauze op gematigde
win den.
breedtes wordt in eerste benadering ver-
Chemische koppeling. Door transport
klaard in termen van de stralings balans en
van sporengassen van de stratosfeer naar
convectie, maar <lit leidt tot te lage hoogtes.
de troposfeer en in omgekeerde richting
Andere mechanismen zoals depressies blij-
zijn de samenstelling van de troposfeer
ken nodig om de tropopauze op middelbare
en de stratosfeer nauw met elkaar ver-
breedtes naar grotere hoogte te duwen. De
bonden.
hoogte van de tropopauze is niet constant
Stralingskoppeling. De stralings balans
maar varieert op verschillende ruimtelijke
van de stratosfeer is afhankelijk van die
en tijdschalen, een depressie bijvoorbeeld
van de troposfeer en omgekeerd. Zo leidt
duwt aan de voorkant de tropopauze
de toename van kooldioxides in de atmo-
omhoog en aan de achterkant trekt hij hem
sfeer tot opwarming van de troposfeer
naar beneden. Na passage tendeert de
maar tot koeling van de stratosfeer.
tropopauze weer naar zijn gemiddelde
8
waarde via stralingsafkoeling, stralingsop-
wijl de tropen het gebied met de grootste
warming of convectie met tijdsschalen van
ozonproductie zijn. Om <lit te verklaren
dagen.
stelde zeventig jaar geleden Dobson voor
In de tropen leidt het concept van de tropo-
<lat er in de hoge atmosfeer een grootschali-
pauze als de omhullende van de diepe con-
ge langzame stroming is van de tropen naar
vectie eveneens tot een te lage tropopauze-
de middelbare breedtes.
hoogte. Maar door andere mechanismen
Twintig jaar later bleek uit metingen dat de
zoals door de Brewer-Dobson circulatie,
luchtvochtigheid boven Engeland veel lager
waarover zo dadelijk meer, wordt de tropo-
was clan verondersteld mocht warden op
pauze als het ware omhoog gezogen.
basis van ter plekke in de stratosfeer opstij-
De tropopauze is een barriere voor verticaal
gende troposferische lucht. Om dit te ver·
transport. Uit metingen blijkt <lat het zin-
klaren stelde Brewer eveneens een langza-
nig is de tropopauze niet als een oneindig
me poolwaartse stroming voor in de hoge
dun oppervlak te beschouwen. De tropo-
atmosfeer van de equator naar de polen. De
pauze als overgangslaag met een dikte van
droogte van de stratosferische lucht wordt
enkele kilometers past beter bij de waarne-
daarmee verklaard. De lucht komt uit de tro-
mingen die duiden op een mengsel van
pische hoge troposfeer en door de passage
lucht van afwisselend stratosferische en tro·
door de koude tropische tropopauze wordt
posferische oorsprong. Op middelbare
ze uitgedroogd. Sindsdien draagt deze stro-
breedtes dragen depressies bij aan de men-
ming de naam Brewer-Dobson circulatie.
ging in deze overgangslaag evenals stati-
Een verklaring in termen van een oplossing
sche en dynamische instabiliteiten, convec-
van de bewegingsvergelijkingen werd pas
tie en golven.
in de zeventiger en tachtiger jaren gevonden en deze zal ik hieronder kart schetsen.
De Brewer-Dobson circulatie kan beschre-
De Brewer-Dobson circulatie
ven warden als een m eridionale stroming.
De bewegingsvergelijkingen voor eerf
Op middelbare breedtes is de ozonkolom
dergelijke circulatie bevatten twee termen
grater dan de ozonkolom in de tropen, ter-
die de zonaal gemiddelde overdracht van
9
Equator
LATITUDE
~.
.80
70 . 60
50
'10
30
zo
JO
/,
'"O'
_JO
fO
SQ
·-.
---~-~
2
.1/}
·-.
Ill
·. ·-••~30•
·~s
z.f
···········....... ~
6
.
.s
8
a
:xi 4
4
-"'
'tot>
;;
0
Winter
summer
ti
Isotherms over the Globe
A supply of dry air is maintained by a slow mean circulation from
the equatorial tropopause.
Figuur 3. De Brewer-Dobson circulatie zoals door Brewer geschetst in 1949.
impuls en warmte door planetaire golven
de Brewer-Dobson circulatie en daarmee de
representeren. Het zonaal gemiddelde verti-
grootschalige uitwisseling tussen strato-
cale snelheidsveld op een bepaalde hoogte
sfeer en troposfeer wordt bepaald door de
wordt gegeven door de integraal over deze
golfgelnduceerde impuls en warmteflux van
termen van die bepaalde hoogte tot onein-
planetaire golven, die zijn opgewekt in de
dig. Dat betekent <lat het snelheidsveld ook
troposfeer. Het wordt ook wel uitgedrukt
onder het gebied van impulsoverdracht
door te stellen <lat de stratosferische circula-
wordt bepaald door deze overdracht in de
tie wordt gedreven door een pomp die
middenstratosfeer. Dit is het zogenaamde
wordt aangedreven door de impulsover-
neerwaartse sturingsprincipe. Deze zegt <lat
dracht van golven. De laatste jaren heeft <lit
10
inzicht geleid tot beeldende terminologie
ling tussen deze lagen erg belangrijk. Dit
rond de deze circulatie, zoals hyper- en
zal ik aan de hand van enige voorbeelden
onderventilatie om uit te drukken in hoe-
illustreren.
verre de troposferische opwaartse circulatie
Hoewel de ozonflux vanuit de stratosfeer
overeenkomt met de Brewer-Dobson circu-
klein is en van dezelfde ordeals de vernieti-
latie.
ging van ozon aan het aardoppervlak,
De Brewer-Dobson circulatie is traag, typi-
bepaalt de waarde van de ozonflux of er een
sche verticale snelheden bedragen enkele
netto productie of een netto destructie van
tienden van mms per seconde in de tropen
ozon in de troposfeer plaats vindt. Over de
en de transporttijd van de tropen tot mid-
grootte van deze fluxen bestaat echter grote
delbare breedtes is in de orde van jaren.
onzekerheid. De schattingen van de ozon-
De Brewer-Dobson stroming is een voor-
fluxen door de tropopauze varieren met een
beeld van de dynamische samenhang tus-
factor vijf.
sen troposfeer en stratosfeer. De Brewer-
Ook voor andere budgetten, zoals bijvoor-
Dobson circulatie is ook van belang voor de
beeld het NOx budget in de hoge troposfeer,
snelheid waarmee CFK's door de atmosfeer
geldt dat deze sterk afhangen van de strato-
worden afgebroken en het chloor wordt ver-
sferische flux. Het NOx budget kent echter
wijderd uit de atmosfeer. De traagheid van
ook andere grote onzekerheden zoals de
deze stroming leidt tot de verwachting dat
productie door bliksem en het transport
het nog we! 50 jaar zal duren aleer de chl-
vanuit de grenslaag. Een beter inzicht in
oorbelasting van de stratosfeer terug is op
het NOx budget is het onderwerp van
het oude niveau en het ozongat verdwenen
onderzoek voor twee Eindhovense promo-
zal zijn.
vendi.
Belangrijk voor de chemie en temperatuur
van de stratosfeer is de waterdamp in de
stratosfeer. De waterdamp in de stratosfeer
Transport door de tropopauze
is grotendeels afkomstig uit de troposfeer.
Voor de samenstelling van zowel de tropo-
Geschat wordt dat slechts ongeveer een
sfeer als van de stratosfeer is de uitwisse-
kwart aflrnmstig is van in situ productie
11
door oxidatie van methaan, eveneens
!age waarden van 4 ppmv te kunnen verkla-
afkomstig uit de troposfeer.
ren. Er zijn dus extra droogmechanismen
Het grootschalige transport van waterdamp
nodig.
tussen troposfeer en stratosfeer vindt plaats
Danielsen stelde droging door diepe con-
door de tropische tropopauze als dee! van
vectie voor. Deze diepe convectie leidt tot
de Brewer- Dobson circulatie. Oat betekent
bewolking in de vorm van aambeelden in
een droge stratosfeer omdat de hoeveelheid
de hoge tropische troposfeer. Deze aam-
waterdamp grotendeels bepaald wordt door
beelden worden aan de onderkant opge-
de !age temperatuur van de tropische tropo-
warmd door absorptie van straling en aan
pauze, ongeveer - 80 graden Celsius.
de bovenkant afgekoeld door uitstraling
Deze temperatuur is echter te hoog om de
naar de ruimte. Daardoor ontstaan er
100
....:;;;;;"""''::::::::·:"····;,<-..,
220
'•
215
\
mt
210 ~
205
200
300
195
:
- ----·--- -- --- ------. -
0
f
-90
I
I
ui H Hi
-60
u•I
-30
0
Breedte
30
I
: -- ·- --- -- -------·-----·
--- - -~
u. T u n UT uni
60
90
Figuur 4- Temperatuur, druk en mengverhouding van waterdamp op tropopauze hoogte.
12
:ZS
convectieve instabiliteiten en in de stijgen-
Uit waarnemingen blijkt dat de stratosfeer
de lucht worden ijskernen mee omhoog
natter wordt. Dat kan duiden op een stij-
genomen en door afkoeling groeien ze tot
ging van de tropopauze temperatuur maar
ze zo zwaar geworden zijn dat ze naar
ook op veranderingen in de luchtstroming.
beneden vallen.
De stijging van de hoeveelheid waterdamp
Ook atmosfeergolven rond de tropopauze
in de stratosfeer leidt tot afkoeling en tot
kunnen een rol spelen in de droging van de
ozonafbraak in de stratosfeer.
lucht. Door adiabatische afkoeling in de
Op middelbare breedtes wordt uitwisseling
golftoppen vormen zich groeiende ijskris-
tussen stratosfeer en troposfeer onder meer
tallen die vervolgens uitzakken, hetgeen
veroorzaakt door depressies. Deze veroor-
eveneens leidt tot uitdroging van de lucht.
zaken vouwen in de tropopauze. Deze vou-
Of deze twee uitwringmechanismen de
wen zijn deels irreversibel wat tot transport
enige zijn en het relatieve belang van de
leidt.
mechanismen zijn onopgeloste problemen.
I
I I
I I
10
~
VORTEX
30
Large-scale
descent
I
I
I
~
SURF ZONE
.7 Strong large-scale
SUMMER
stirring and poleward
""ir""ir
and downward transJK)rt
TROPICS
LOWER STRATOSPHERE
~h!'~:r~~~~~~ =s~~
~
I
I
300
J-
~
lOOO~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~o
Pole
Latitude
Equator
Latitude
Pole
Figuur 5. Overzicht van de verschillende processen die een rol spelen bij de uitwisseling tussen de tropo·
sfeer en stratosfeer.
13
De uitwisseling tussen troposfeer en strato-
voort. Door de afname van de luchtdicht-
sfeer is een boeiend terrein van onderzoek,
heid met de hoogte volgt uit de wet van
waarbij verschillen processen een rol spe-
energiebehoud dat de amplitude met de
len, zoals aangegeven in figuur 5. Een
hoogte toeneemt. Deze groei van de ampli-
promovenda aan deze universiteit onder-
tude met de hoogte werd al door Rayleigh
zoekt de bijdrage van de vouwen aan het
ontdekt maar merkwaardigerwijs was er
transport van lucht en ozon door de
geen interesse in het lot van deze groeiende
tropopauze.
golven. Rayleigh zelf wist ook niet goed
raad met de exponentiele toename van de
amplitude en merkte op dat die maar niet
lnterne zwaartegolven in de
al te letterlijk moest worden opgevat.
atmosfeer
135
120
105
Een klasse van atmosfeergolven die een
belangrijke rol speelt in de koppeling tussen de verschillende lagen in de atrnosfeer
E"
c,
90
75
N
60
45
30
is die van de interne zwaartegolven.
t60
-60
x (km)
De eerste ideeen omtrent interne zwaarte-
120
Bron
golven werden rond 1883 geformuleerd
Figuur 6. Potentiele temperatuur verstoord door
door Rayleigh en Lamb. Zij ontdekten dat
een interne zwaartegolf.
in een stabiele gelaagde atrnosfeer een
luchtpakketje dat uit zijn evenwicht verticaal wordt opgetild oscilleert met een perio-
In de zestiger jaren leefde het onderzoek
de van ongeveer 5 minuten. Met dit oscilla-
van zwaartegolven sterk op. Uit ionosfeer-
tiemechanisme corresponderen de zogehe-
metingen bleek het bestaan van zogenaam-
ten interne zwaartegolven. Deze hebben
de travelling ionospheric disturbances.
periodes die varieren van vijf minuten tot
Deze verstoringen in de elektronendicht-
vele uren. De golven planten zich zowel in
heid werden door Hines correct gelnterpre-
de horizontale als in de verticale richting
teerd als gevolg van interne zwaartegolven.
14
De golven werden in de lagere atmosfeer
een kritieke laag voor het eerst correct
opgewekt en door de exponentiele groei van
beschreven. Het gedrag van de golf in de
de amplitude hadden ze in de ionosfeer eer..
kritieke laag bleek te worden bepaald door
grote amplitude en waren daardoor duide-
de waarde van het Richardson getal in deze
lijk detecteerbaar.
laag. Het Richardson getal is een maat voor
Vanaf eind zeventiger jaren is er door
de dynamische stabiliteit van een vloeistof-
medewerkers van TU Eindhoven, het
stroming. Booker en Bretherton hielden
KNMI en radioastronomen van Dwingelo
alleen rekening met waarden van het
veel aandacht besteed aan zwaartegolven in
Richardson getal groter dan een kwart en
de ionosfeer. Dit bleek een vruchtbaar
vonden <lat er dan absorptie van golfenergie
onderzoeksterrein, resulterend in een aan-
door de achtergrondstroming op trad.
tal promoties aan deze universiteit.
Enige jaren later vond men <lat voor waar-
Vanuit de kennis opgebouwd in de iono-
den van het Richardson getal kleiner dan
sfeer, herkende men ook in de lagere
een kwart er overreflectie en overtransmis-
atmosfeer steeds meer verschijnselen die
sie kan optreden. Oat wil zeggen <lat de golf
verklaard konden worden met behulp van
versterkt wordt in die kritieke laag. Dit gaat
zwaartegolven.
ten koste van de energie van de achter-
Een van de meest interessante verschijnse-
grondstroming. Het lineaire probleem
len die bij de voortplanting van zwaartegol-
bleek elegante analytische oplossingen in
ven kan optreden is een zogeheten kritieke
termen van hypergeometrische functies
laag. Als in een atmosfeer met een hoogte-
zoals onder meer beschreven in publicaties
afhankelijke achtergrondwind de fasesnel-
en proefschriften van medewerkers van de
heid van de golf gelijk wordt aan de snel-
TU Eindhoven en van het KNMI. De
heid van de achtergrondwind is er sprake
opwekking van zwaartegolven is ook een
van een kritieke laag. De brekingsindex van
interessant terrein van onderzoek. Door
de golf wordt dan oneindig groot en er
luchtstroming over orografie, convectie
treedt zogeheten resonantie op.
gebieden maar ook door stromingsinsta-
In 1969 werd door Booker en Bretherton
biliteiten kunnen deze golven worden
de voortplanting van zwaartegolven door
opgewekt.
15
Zwaartegolven zorgen voor een koppeling
Eliassen&Palm lieten in 1961 zien <lat gol-
van de dynamica van de lagere atmosfeer
ven door dissipatie en breking impuls kun-
met de dynamica van de hogere atmosfeer,
nen overdragen. De kritieke lagen van gol-
een bottom-up sturing.
ven spelen daarbij een belangrijke rol, want
Op de TUE wordt promotieonderzoek ver-
daar warden de amplitudes zeer groat en
richt naar de invloed van zwaartegolven op
golven breken en dissiperen sterk rond
de menging en het transport van sporen-
deze lagen.
gassen in de polaire atmosfeer.
Deze kennis bracht Lindzen in 1968 op een
verklaring voor het optreden van de Quasi
Biennial Oscillation (QBO) die voor het
Koppeling tussen de lagere
eerst in het begin van de zestiger jaren was
atmosfeer en hogere atmosfeer
waargenomen. De QBO is een periodieke
en de quasi-twee-jaarlijkse
schommeling
omslag in de stratosferische windrichting
van west naar oost met een periode van
ongeveer 27 maanden.
De Brewer-Dobson circulatie was een voorbeeld van dynamische koppeling tussen de
troposfeer en de stratosfeer en ook is de rol
z
van interne zwaartegolven bij de dynami-
I
sche koppeling besproken. Er zijn echter
I
I
I
I
1
6
nog meer voorbeelden van deze koppeling
' -..::-.
te geven.
',2
\
De circulatie in de stratosfeer, mesosfeer en
'
I
)::$
lagere thermosfeer kent een sterke variabiliteit op tijdsschalen van minuten tot vele
jaren ook op heel verschillende ruimtelijke
-c
0
+c
ii
schalen. Een aanmerkelijk deel van deze
variabiliteit wordt veroorzaakt door proces-
Figuur 7. Het rnechanisrne van de quasi-tweejaar-
sen in de troposfeer.
lijkse schornrneling.
16
In de tropen bestaat een aantal karakteris-
electrische ontlading teweeg gebracht te
tieke golven zoals Kelvin en Rossby zwaarte
hebben in een zuurstofmengsel.
golven en daarnaast ook zwaartegolven.
Zijn bedoeling was om na te gaan of de
Al deze golven kunnen zich naar boven
elektriciteit zich met zuurstof verbond. En,
voortplanten en kunnen impuls overdra-
zoals beschreven in de Annalen van het
gen. Deze overdracht leidt tot een ongeveer
Teylers Genootschap, "wij bemerkten dat
27 maanden durende oscillatie in de wind-
het mengsel een zeer sterke reuk had aan-
richting in het gebied tussen de tropopauze
genomen die ons zeer duidelijk voorkwam
en 30 kilometer hoogte.
de eigenaartige reuk der electrische stof te
De afhankelijkheid van de reflectie van pla-
zijn".
netaire golven van de wind en temperatuur-
Van Marum was als medicus opgeleid. Hij
velden in de stratosfeer biedt de mogelijk-
werd gepasseerd voor hoogleraar in de
heid van beinvloeding van de troposferische
geneeskunde in Groningen en zocht daarna
circulatie door de stratosfeer. Hier is sprake
zijn heil in de natuurkunde. In het ozon-
van een top-down sturing.
onderzoek heeft hij dus de geschiedenis-
Dit fascinerende onderzoeksveld is de laat-
boeken gehaald.
ste jaren sterk in ontwikkeling. Een promo-
Ruim 150 jaar later, in 1839, was Schonbein
tieonderzoek aan deze Universiteit heeft als
de tweede die rapporteerde over deze geur.
onderwerp de koppeling tussen de stromin-
Hij gafbovendien ozon zijn naam, ozon
gen in de stratosfeer en de stromingen in
naar Ozein dat het Griekse woord is voor
de troposfeer.
ruiken.
Hij bouwde het eerste instrument om ozonconcentraties te meten. Ozon werd vervol-
Ozon en de koppeling met
gens een populair onderzoeksthema. Zo
circulatie en klimaat
zeer zelfs dat in 1865 de Franse Nationale
Academie van Wetenschap een commissie
De Nederlander Van Marum staat te boek
van 9 !eden benoemde metals taak het aan-
als degene die als eerste ozon heeft ontdekt.
tal wetenschappelijke publicaties over het
Hij rook in 1785 een sterke lucht na een
ozononderzoek in te perken.
17
Franse onderzoekers deden intussen uitste-
prijs winnaars Molina en Rowland zorgen
kend werk door vanaf 1876 in het park
geuit over het toenemende gebruik van
MontSouris in Parijs meer dan tien jaar
CFK's.
lang ozon aan het aardoppervlak te meten.
In 1985 werd melding gemaakt van een
Deze metingen zijn recent opnieuw geana-
ozongat boven de Zuidpool en <lat was een
lyseerd en de resultaten duiden op een ver-
verrassing. Door onmiddellijk grootschalig
drievoudiging, van
onderzoek uit te voeren, in het bijzonder
20
naar 60 ppbv, van de
ozonmengverhouding in de grenslaag in de
laatste
120
uitgebreide meetcampagnes in de atmo-
jaar.
sfeer van de zuidpool, hadden wetenschap-
Chapman formuleerde in 1930 als eerste
pers binnen enkele jaren de verklaring
een model voor de ozonlaag. Zijn model gaf
gevonden. Er bleken ta! van onverwachte
echter te hoge waarden voor de ozon door-
processen een rol te spelen.
dat hij te weinig afbraak van ozon in rekening bracht. Later bleek <lat er meerdere
destructiecycli van ozon bestaan, zoals de
Assimilated GOME total ozone
21- 9-00 12h
NOx-cyclus die eind zestiger jaren door de
KNMI/ ESA
latere Nobelprijs winnaar, de Nederlander
Paul Crutzen, werd ontdekt.
In de zeventiger jaren begon men zich toenemende zorgen te maken over de ozonlaag. Zo werd in 1971 door onderzoekers
gewaarschuwd <lat vliegen met supersone
vliegtuigen in de stratosfeer door uitstoot
van stikstofoxides tot mogelijk versterkte
katalytische afbraak van ozon kan leiden.
•
no data
•••
<150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 4 75 >500 DU
In 1974 werd de katalytische afbraak van
ozon door chloor in verband gebracht met
Figuur 8. Het ozongat op
de chloortoevoeging aan de atmosfeer door
waargenomen door het GOME instrument aan
CFK's en werden er door de latere Nobel-
boord van de ESA ERS-2 satelliet.
18
24
september
2000
Voor de vorming van een ozongat is een
Bij ozonafbraak spelen interne zwaarte-
ruime hoeveelheid chloorverbindingen
golven ook een belangrijke rol. Door adia-
nodig in de stratosfeer. Maar nodig bleken
batische afkoeling ontstaan er in de ruggen
ook zeer lage temperaturen. Die lage tem-
van de golven parelmoerwolken en dat leidt
peraturen ontstaan door de afsnoering van
tot chlooractivering. Figuur 9 toont parel-
de polaire atmosfeer door de polaire wervel
moerwolken en lijgolven boven Scandi-
in de Antarctische winter. Bij die lage tem-
navie.
peraturen ontstaan parelmoerwolken en op
het oppervlak van de wolkendeeltjes wordt
Langzamerhand beginnen de contouren
chloor uit reservoirverbindingen losge-
van de koppeling tussen ozon en klimaat
weekt. Bij terugkeer van het zonlicht aan
duidelijk te worden. Elementen in deze
het begin van de Antarctische lente, leidt dit
koppeling zijn:
tot een snelle en vrijwel volledige afbraak
Toename C0 2 leidt tot afkoeling
van de ozon tussen de
stratosfeer
12
en
18
kilometer.
Bij de aanvang van de zomer breekt de wer-
Koeling stratosfeer leidt tot verdere
vel open en stijgt de temperatuur door aan-
afbraak stratosferisch ozon
voer van warme lucht en stopt de afbraak.
Afname ozon in stratosfeer leidt tot
Aanvoer van ozonrijke lucht vanuit lagere
koeling
breedtes vult het ozongat weer op. Het is
Toename ozon in troposfeer leidt tot
dus de koppeling tussen chemie en klimaat
opwarming
die leidt tot het ozongat.
De laatste jaren vindt er ook sterke afbraak
Ozonafbraak en klimaatveranderingen wer-
van ozon boven de Noordpool en boven het
den tot enkele jaren terug nog als twee
Noordelijk Halfrond plaats. Door het ver-
gescheiden processen beschouwd maar dat
sterkte broeikaseffect koelt de stratosfeer af.
blijkt niet juist. Het een en antler onder-
De lagere temperaturen in de arctische stra-
streept opnieuw dat de atmosfeer een
tosfeer leiden tot vorming van parelmoer-
samenhangend geheel vormt.
wolken en tot ozonafbraak. Dat leidt dan
weer tot verdere koeling.
19
Figuur 9. Parelmoerwolken en lijgolven.
Waarnemingen van de
neemsystemen schetsen, mij hierbij deels
atmosfeersamenstelling
baserend op de bevindingen van <lit rapport.
Om de verschillende processen in de atmosfeer goed te onderzoeken is een samenhan-
Metingen vanaf de grond en in situ
gend geheel van waarnemingen nodig. Voor
metingen
ozon is recent onder auspicien van de
!GOS, the Integrated Global Observing Sys-
De pionier van het mondiale ozononder-
tern, een studie verricht naar een samen-
zoek, de Engelsman Dobson, heeft in de
hangend waarneemsysteem. Ik zal in grote
jaren dertig als eerste een instrument
lijnen de huidige en toekomstige waar-
gebouwd om de dikte van de ozonlaag te
20
meten. Het meten van de intensiteiten van
Het meetnet is niet goed verdeeld over de
een aantal banden in het ultraviolette dee!
wereld en met name de trapen zijn schaars
van het zonlicht en de bepaling van het fre-
voorzien van meetstations. Echter, de trapi-
quentie-afhankelijke verschil in absorptie
sche atmosfeer is voor de samenstelling van
levert een maat voor de hoeveelheid ozon op.
de mondiale atmosfeer zeer belangrijk. In
Dobson was een man met graot gezag.
zekere zin vormen de trapen de schoor-
Bij zijn afscheid eind vijftiger jaren hekelde
steen waardoor de troposferische lucht in
hij de in zijn ogen moderne methoden
de stratosfeer terecht komt waarna door
waarmee zelfs vooraanstaande onderzoe-
afbraak van verschillende stoffen de lucht
kers hun tijd verspilden - telefoon, secreta-
op hogere breedtes "gerecycled" de tropo-
resses, bijeenkomsten, comite's en let we!
sfeer weer binnen komt.
er bestond toen nog geen e-mail. Hij echter
Met NWO steun hebben Nederlandse
werkte in de ochtend rustig en gestaag in
onderzoekers samen met de Surinaamse
zijn studeerkamer thuis en in de middag
meteoralogische dienst een ozonmeetsta-
verzorgde hij zijn grate tuin.
tion in Suriname opgericht. Ook meet-
Dobson begon met een vijftal instrumenten
campagnes zoals in het kader van het
op verschillende plekken op aarde en dit is
internationale Indian Ocean Experiment
later uitgebouwd tot het Brewer-Dobson
(INDOEX), waar Nederlandse onderzoekers
netwerk met no grandinstrumenten. Begin
intensiefbij betrakken zijn, leveren een
zestiger jaren werden metingen van de ver-
schat aan informatie op. Die kan dienen
ticale verdeling van ozon mogelijk met
om de komende jaren meer inzicht te ver-
behulp van ozonsondes gekoppeld aan een
krijgen in de ral van de trapen in het mon-
ballon. Er zijn nu ongeveer 40 ozonstations
diale klimaat.
rand de wereld.
Het netwerk van grandstations is essentieel
Nederland participeert in het wereldwijde
voor de monitoring van de atmosfeer maar
netwerk met een Brewer instrument en
biedt geen mondiale dekking. Daaram zijn
ozonsonderingen in de Bilt. Het RIVM heeft
de waarnemingen vanuit satellieten erg
in Bilthoven en in Lauder in Nieuw-Zeeland
relevant.
lidars voor atmosfeeranderzoek in operatie.
21
Waarnemingen van de atmosfeersamen-
Sinds 1995 heeft de ESA de ERS-2 satelliet
stelling vanuit satellieten
met aan board het Global Ozone Measurement Experiment (GOME) instrument in
Sinds 1978 warden door Amerikaanse onder-
de ruimte. Met het GOME instrument heeft
zoekers ozonkolom metingen verricht vanuit
Europa een leidende rol gekregen in het
de ruimte met behulp van het TOMS satel-
waarnemen vanuit de ruimte van de atmo-
lietinstrument. Deze inmiddels ruim twintig
sfeersamenstelling. Naast ozonkolommen
jaar lange meetreeks is van grate betekenis
en profielen warden door GOME ook ande-
gebleken. In studies naar trends en het
re sporengassen en aerosolen gemeten.
onderzoek naar de eigenschappen van het
ESA zal in 2001 de Envisat satelliet lance-
ozongat spelen deze metingen een sleutelrol.
ren met aan board een Nederlands-Duits-
200
2000
03
02
(02)2
H2 CO
502
Bro
OClO
ClO
NO
N0 2
N0 3
H2 0
co
C0 2
CH 4
N2 0
Wolken
Aerosol
GOME
SCIAMACHY
Figuur ro. Het door GOME en SCIAMACHY gerneten spectrum.
22
nm
Belgisch instrument, SCIAMACHY
ge stap voorwaarts ten opzichte van GOME
genaamd. Met dit instrument zal onderzoek
met nadir en limb waarneemmogelijkhe-
worden verricht naar de samenstelling en
den en een hoge spectrale resolutie zowel
dynamica van de stratosfeer. GOME meet
in het ultraviolet, het zichtbare als in het
in het nadir het aan de aardatmosfeer en
nabije infrarood, zodat ook broeikasgassen
aan de aarde gereflecteerde zonlicht in het
kunnen worden waargenomen. Dit is
ultraviolet en zichtbare deel van het spec-
geschetst in figuur ro.
trum. SCIAMACHY betekent een geweldi-
Figuur rr. De ESA Envisat satelliet.
23
Europa investeert in de Envisat missie
pioniers in Nederland in het voetspoor van
ongeveer 5 miljard gulden. Dat betekent dat
Paul Crutzen de eerste stappen gezet op het
Envisat, met een levensduur van 5 jaar, per
terrein van de satellietwaarnemingen van
dag meten 2,5 miljoen gulden kost. Neder-
de atmosfeersamenstelling. Nederland
land investeert in de orde van roo miljoen
heeft inmiddels een belangrijke plaats ver-
gulden in het SCIAMACHY instrument.
overd op dit terrein met een breed draag-
Daarnaast zijn er nog tientallen miljoenen
vlak van ruimtevaartindustrie tot onder-
voor de validatie, interpretatie en het
zoeksgroepen die als gebruikers optreden.
gebruik van deze satellietmetingen gereser-
Aan deze universiteit wordt voor de komen-
veerd. Dit alles biedt Europese en in het bij-
de jaren een drietal promoties voorzien op
zonder Nederlandse onderzoekers een
het gebied van het satellietonderzoek.
unieke kans tot baanbrekend atmosfeeronderzoek.
De Amerikaanse ruimte organisatie NASA
Chemische data assimilatie, een
koppeling tussen model en
zal in 2003 de EOS AURA missie met het
waarneming
Nederlands-Finse OMI instrument lanceren. OMI is het eerste grotendeels Neder-
Het doe! van chemische data assimilatie is
landse satellietinstrument voor onderzoek
het zo accuraat mogelijk beschrijven van de
van de atmosfeersamenstelling.
ruimtelijke verdeling van een of meerdere
In 2006 zal EUMETSAT de METOP satel-
sporengassen. Hierbij wordt gebruik
liet lanceren met GOME-2 aan board.
gemaakt van waarnemingen en modellen.
Voor 2010 is in voorbereiding de ESA
Deze vullen elkaar aan. Metingen geven de
Atmospheric Chemistry Explorer Mission
toestand weer op een aantal plaatsen en
met als onderzoekthema de koppeling tus-
tijdstippen. Het model beschrijft de evolutie
sen chemie en klimaat. Eveneens staat op
van de betrokken sporengassen in de tijd.
de verlanglijst GEOSCIA, een OMI-achtig
In de negentiger jaren is op bescheiden
instrument op een geostationaire satelliet.
schaal begonnen met de assimilatie van
Eind tachtiger jaren hebben een handjevol
ozon in een twee dimensionaal transport-
24
model. Nu echter warden drie-dimensio-
voor processtudies, trendanalyse en valida-
nale chemie transportmodellen gebruikt.
tie van numerieke modellen van de atmo-
Een voorbeeld van een geassimileerd ozon-
sfeersamenstelling.
veld staat in figuur
In de nabije toekomst is er dringend
12.
Veelbelovend zijn ontwikkelingen om de
behoefte aan een internationaal centrum
afleiding van de verdeling van sporengas-
voor retrieval en assimilatie van gegevens
sen uit stralingsintensiteiten gemeten door
van de atrnosfeersamenstelling. Nederland
satellietinstmmenten, de zogeheten retrie-
kan op basis van de aanwezige expertise en
val, te koppelen aan de assimilatie.
infrastructuur een dergelijk centrum uitste-
Analoog aan de weersverwachting kan op
kend vorm geven.
basis van geassimileerde gegevens een verwachting voor de luchtkwaliteit voor de
komende dagen warden gemaakt. Te voor-
Atmosfeeronderzoek en de
zien valt dat dit zich in het komende decen-
maatschappij
nium tot een belangrijk beleidsinstrument
zal ontwikkelen.
Het is inmiddels 15 jaar geleden dat het
Assimilatie van ozongegevens voor een
Nature artikel van Farman, Gardiner en
betere bepaling van de wind- en tempera-
Shanklin de wereld schokte met de consta-
tuurvelden in de hogere atmosfeer vindt
tering dat er een gat in de ozonlaag boven
sinds kart plaats op het Europese Centrum
de Zuidpool was ontstaan.
voor Middellange W eersverwachtingen, het
Het gat in de ozonlaag was een teken dat de
ECMWF. Belangrijk voor het ECMWF is de
mensheid in staat is de atmosfeer wezenlijk
tijdige levering van satellietgegevens van de
te veranderen. Ruim anderhalve eeuw gele-
ozonverdeling. Nederlandse onderzoekers
den publiceerde Marsh een profetisch boek
hebben zowel in de ontwikkeling van
metals titel "Man and Nature" waarin hij
methodieken voor snelle retrieval als van
de groeiende invloed van de mensheid op
ozon data assimilatietechnieken een voor-
het aarde-atmosfeersysteem voorzag.
aanstaande rol gespeeld.
De huidige veranderingen zijn indruk-
Geassimileerde gegevens zijn zeer geschikt
wekkend.
25
GOME total ozone (DU) , 30 Nov. 1999
a.
60W
190
200
210
220
230
240
260
280
300 320
Assimila t ed GOME total ozone, 30 Nov. 1999
b.
SON
'"
60N
'"
...
.
,
'"'
sow
row
190
Figuur
40W
200
210
lOW
220
2(JW
230
12.
a. Ozonverdeling gebaseerd op GOME metingen,
b. Geassimileerde ozonvelden.
ICl
1r:111
240
260
280
J(.(
2(1{
JOO
320
''"
In 3 eeuwen is de wereldbevolking vertien-
trialisatie en de uitvinding van de stoomma-
voudigd tot 6 miljard. De veestapel is mee-
chine door Watt.
gegraeid tot
1400
miljoen dieren, een mon-
De uitdaging voor de mensheid in het
diaal gemiddelde van een dier per 4 perso-
Antrapoceen is de kennis en technologische
nen. Opgemerkt kan warden dat in Neder-
middelen in onze kennismaatschappij in te
land die verhouding aanmerkelijk hoger
zetten voor het ontwikkelen van een wereld-
ligt. De concentraties van de belangrijke
wijde strategie die leidt tot "sustainability"
braeikasgassen kooldioxide en methaan
van het aardse ecosysteem tegen de mense-
zijn toegenomen met respectievelijk 30 %
lijke invloed. De samenwerking tussen
en roo %. De uitstoot van stikstofoxiden
wetenschappers, industrie, milieubeweging
door gebruik van fossiele brandstoffen en
en beleidsmakers is daarbij essentieel.
biomassa verbranding is inmiddels grater
Een stap in de goede richting is recentelijk
dan de natuurlijke uitstoot, leidend tot ver-
door de luchtvaartgemeenschap gezet. De
sterkte fotochemische ozonvorming in de
International Civil Aviation Organisation,
troposfeer. Oak heeft de mensheid geheel
de !CAO, heeft het Intergovernmental
nieuwe stoffen ontwikkeld zoals cfk's en
Panel on Climate Change, de IPCC, een
deze in de atrnosfeer gebracht, leidend tot
graep van vooraanstaande wetenschappers,
een dramatisch versterkte ozonafbraak en
gevraagd de stand van kennis omtrent de
een versterking van het braeikaseffect.
effecten van vliegtuigemissies op de atmo-
De grate invloed van de mensheid op het
sfeer te inventariseren. Daarnaast werd
aarde-atmosfeer systeem hebben de Neder-
gevraagd op basis van scenario's studies te
landse Nobelprijswinnaar Paul Crutzen en
verrichten naar de toekomstige belasting
Eugene Stoermer er recent toe gebracht
van de atmosfeer. De luchtvaartbranche
voor te stellen het huidige en komende geo-
werd gevraagd te denken over mogelijke
logische tijdperk het Antrapoceen te noe-
technische verbeteringen. De voornaamste
men. Dit Antrapoceen volgt op het Holo-
conclusies waren dat vliegtuigemissies sig-
ceen. De overgang zou men in het midden
nificante veranderingen teweeg brengen in
van de negentiende eeuw kunnen situeren.
de concentraties van braeikasgassen zoals
Dat was de tijd van de opkomende indus-
ozon, methaan en kooldioxide. Belangrijk
27
Radiative Forcing from Aircraft in 1992
0.10
a)
-
-- 1
0.08
';"
E
0 .06
3::
T
I
C02
03
bl) 0.04
c
·~
.....
0.02
.~ o.oo
......
Ill
.l.
.-
I
-
Contrails Cirrus
Clouds
:C-0.02
Ill
-0.04
'-v-'
-0.06
from NOx
good
fair
I
Direct Total
Soot (wrthout
cirrus
clouds)
·-
~
poor poor
very
poor
fair
I
Direct
Sulfate
fair
fair
Radiative Forcing from Aircraft in 2050
0.5
b)
bl) 0.2
c
·2
.2
0 .1
QI
....
Ill
;;
T
.l
~
o.o
Ill
T
T
-I
l
CH 4
C02
03
~
·0.1
H20 Contrails Cirrus
..
'
from NOx
good poor
poor poor
Direct
Sulfate
I
Clouds
'-v-'
-0.2 -
r.
fair
very
poor
Figuur 13. Stralingsforcering als gevolg van b et vliegverkeer.
28
..:.,
.
fair
Direct Total
Soot (without
cirrus
clouds)
fair
voor het klimaat zijn ook de vliegtuig-
is voor de veranderingen die teweeg lrun-
sporen.
nen worden gebracht. Deze wet zou een
Het netto effect van het vliegverkeer is
paraplu kunnen vormen voor protocollen
opwarming. De emissies leiden tot een stra-
zoals Kyoto, Montreal en toekomstige
lingsforcering, dat is een maat voor het
verdragen.
effect op het klimaat, van vijfhonderdste
Watt per vierkante meter. Dat is gelijk aan
Toekomst
3,5 % van de antropogene stralingsforcering. De schatting is dat dit in
2050
vier
keer zo groot zal zijn, of wel 5 % van de
Atmosfeeronderzoek biedt vele uitdagingen.
voorspelde antropogene stralingsforcering
Ik zal er kort enkele nog eens samenvatten.
voor die tijd. Deze stralingsforcering is
De veranderingen in samenstelling van
ge!llustreerd in figuur 13.
de atmosfeer en de respons van het kli-
Het rapport is in 1999 in Nederland gepre-
maat en omgekeerd, het gevolg van kli-
senteerd aan de internationale luchtvaart-
maatveranderingen voor de samenstel-
experts en beleidsmakers. De luchtvaart is
ling van de atmosfeer.
de eerste bedrijfstak die een dergelijk
In de komende tien jaar zullen er unieke
onderzoek heeft laten verrichten. Dit voor-
gegevens van de atmosfeersamenstelling
beeld verdient navolging door andere
beschikbaar komen door satellietmissies.
bedrijfstakken.
Grote vooruitgang kan hiermee geboekt
Met "heel de atmosfeer" kan ook de
worden in het onderzoek van de strato-
opdracht uitgedrukt worden de atmosfeer
sfeer, de troposfeer en de uitwisseling
in een goede staat te houden dan wel te
tussen deze lagen.
helen. Het verstandig omgaan met de atmo-
Met behulp van deze meetgegevens
sfeer vereist mogelijk een Wet op de
kunnen de numerieke chemie transport
Atmosfeer. In deze wet zouden de landen
en chemie klimaatmodellen uitgebreid
moeten erkennen dat de atrnosfeer een
gevalideerd worden.
gemeenschappelijk goed is en dat er een
Het toenemende gebruik van satelliet-
gemeenschappelijke verantwoordelijkheid
waarnemingen in de samenleving, bij-
29
voorbeeld voor meerdaagse verwachting
Ik wil verdere dankwoorden uitspreken aan
van de luchtkwaliteit en het "monitoren"
de hand van een korte terugblik.
van het intercontinentale transport van
Dertig jaar geleden ben ik op het KNMI
luchtvervuiling.
begonnen met het verrichten van theore-
Assimilatie van gegevens van de atmo-
tisch onderzoek van de ionosfeer. Oat was
sfeersamenstelling zal een grate vlucht
een uitdaging voor een net afgestudeerde
nemen.
doctorandus in de theoretische natuurkunde. Sinds de tweede helft van de tachtiger
Op de TU Eindhoven is onderzoek gaande
jaren heb ik mij bekommerd over de
op het gebied van theoretische aspecten van
samenstelling van de atmosfeer. Al die tijd
atmosfeerdynamica, opwekking en voort-
heeft het KNMI mij grate vrijheid en inte-
planting van atmosfeergolven en koppeling
ressante uitdagingen geboden. De vroegere
tussen traposfeer en stratosfeer.
en huidige hoofddirecteuren Harry Fijnaut
Ook het gebruik van satellietwaarnemingen
en Joost de Jong en de vraegere en huidige
is een belangrijk thema. Daarnaast is
hoofden Klimaatonderzoek en Seismologie
onderzoek naar de toepasbaarheid van
Cor Schuurmans en Fons Baede wil ik hier
tomografische technieken in het satelliet-
graag als exponenten van de leiding van het
onderzoek voorzien.
KNMI bedanken.
Sinds tien jaar leid ik de sectie Atrnosfeer
Samenstelling. bestaande uit een gedreven
Slot en dankwoord
graep medewerkers en ik voel me zeer
bevoorrecht.
Mijnheer de rector magnificus, geachte toe-
De goede samenwerkingsverbanden in
hoorders, afsluitend wil ik graag degenen
Nederland met medewerkers van RIVM,
bedanken die tot mijn benoeming hebben
!MAU, SRON, LUW, TNO wil ik hier ook
bijgedragen. Op de eerste plaats dank ik het
graag vermelden.
college van bestuur van deze universiteit
Verder heb ik veel geleerd in de al twintig
voor mijn benoeming en het daarmee in
jaar durende samenwerking met onderzoe-
mij gestelde vertrauwen.
kers van de Franse Centre National de
30
Recherche Scientifique met name met Hec-
Dames en heren studenten en promovendi.
tor Teitelbaum.
Atmosfeeronderzoek is een uitermate boei-
Mijn contacten met onderzoekers van de
end vak. Er is een grote behoefte aan jonge
TUE dateren van de zeventiger jaren. Mijn
onderzoekers in dit vak. Kennis van de
eerste ontmoeting met Frans Sluijter vond
atmosfeer en de klimaat- en milieu-proble-
plaats in Antwerpen en daarna zijn de con-
matiek is ook zinnig in andere disciplines.
tacten met de theoretische fysici van de TU
De gevolgen van de menselijke activiteiten
Eindhoven in stand gebleven. In het onder-
op de atmosfeer moet voortdurend worden
zoek naar atmosfeergolven zijn deze zeer
meegewogen en daarmee kan er vorm wor-
vruchtbaar gebleken. Ik koester dan ook
den gegeven aan een duurzame samenle-
grote verwachtingen van de intensieve
ving. Ik hoop vooral ook bij u interesse en
samenwerking met de onderzoekers van de
enthousiasme voor het vak natuurkunde
capaciteitsgroep klassieke theoretische
van de atmosfeer op te wekken.
natuurkunde. Ook samenwerking met col-
Ik heb gezegd.
lega's van de faculteit Technische Natuur·
kunde, met name met van Heijst en van
Dongen, op het fascinerende onderzoeksterrein van de geofysische stromingen,
vormt een aantrekkelijk perspectief.
Mijn gezin heeft altijd gefungeerd als bron
van rust en warmte en zij hebben gezorgd
dat ik als atmosfeeronderzoeker met beide
benen op de grond ben gebleven.
31
Referenties
Brewer, A.W., Evidence for a world circulation provided by the measurements of helium and
water vapor distribution in the stratosphere, Q. J. Roy., Meteorol. Soc., 75, 3531-363, 1949·
Dobson, G.M.B., D.N. Harrison, J. Lawrence, Measurements of the Amount of Ozone in the
Earth's atmosphere and its relation to other Geophysical conditions. Proc. Roy. Soc., 122,
456-486, 1929.
Crutzen, P.J. The influence of nitrogen oxide on atmospheric ozone content, Q.J. Roy.
Meteorol. Soc., 76, 73n-7327, 1970.
Crutzen, P.J. and E. Stoermer, The "Antropocene", International Geosphere Biosphere Programme, Global Change Newsletter, May 2000.
Farman, J.C., E.G. Gardiner and J.D. Shanklin, Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal CIOxfNOx interaction, Nature, 315, 207-210, 1985.
Flammarion, !'Atmosphere. 189r.
Hamilton, K., Dynamical coupling of the lower and middle atmosphere: historical background to current research, J. Atm. Terr. Phys., 61, 73-84, 1999·
Hines, C.O., the Upper atmosphere in Motion, America! Geophysical Union, 1974
Intergovernmental Panel on Climate Change, Special Report, Aviation and the Global
Atmosphere, 1999·
Jeuken, A.B.M., Evaluation of chemistry and climate models using measurements and data
assimilation, proefschrift TU Eindhoven, 2000.
Kelder, H., P. van Velthoven and P. Siegmund, Stratosphere-troposphere exchange,
"Atmospheric effects of aircraft emissions in the upper troposphere and lower stratosphere".
I. Isaksen, ed. Nato Publication Series, 2000
Lindzen R.S., Holton J.R., A theory of the quasi-biennial oscillation. J. Atmos. Sci., 25, ro95-
no7, 1968.
Marsh, G.P., "Man and Nature", 1864.
Martinus van Marum, Een electriserend geleerde, Haarlem, 1987.
32
Molina, M.J. and F.S. Rowland, Stratospheric sink for chlorofluoromethanes: chlorine atom
catalyzed destruction of ozone, Nature, 249, 812-820, 1974·
The Report of The IGOS Ozone project, C. Readings et al., ESA/NASA publication, 2000.
World Meteorological Organisation/United Nations Environment Program, Scientific Assessment of Ozone Depletion, Geneva 1999·
33
behulp van radioastronomische waarnemingen en satellietmetingen verricht. In 19801981 bracht hij een sabbatjaar door bij de
Service d'Aeronomie in Verrieres-le-Buisson in Frankrijk.
In 1987 begon hij met onderzoek naar de
samenstelling van de atmosfeer met name
van sporengassen zoals ozon. Van eind
Hennie Kelder (r944) studeerde theoreti-
tachtiger jaren dateert ook zijn betrokken-
sche natuurkunde aan de Katholieke Uni-
heid bij satellietwaarnemingen van de
versiteit in Nijmegen. Hij promoveerde aan
samenstelling van de atmosfeer. Sinds
de Technische Universiteit Eindhoven. In
1990 is hij op het KNMI, binnen de sector
1970 trad hij in dienst bij het KNMI en
Klimaatonderzoek en Seismologie, hoofd
werd verantwoordelijk voor het theoretisch
van de sectie Atmosfeer Samenstelling. Hij
ionosfeeronderzoek. Hij richtte zich vooral
maakt dee! uit van de SCIAMACHY en
op voortplanting van golven in de ionosfeer.
OM! Science Advisory Groepen. Hij is
In samenwerking met onderzoekers van de
voorzitter van de internationale SCIAMA-
TU Eindhoven en radioastronomen uit
CHY validatie en interpretatie werkgroep.
Westerbork werd gezamenlijk onderzoek
Hij is lid van de Internationale Ozon Com-
naar de opwekking en voortplanting van
missie.
golven in ionosfeer en de detectie met