3. Klimaat en klimaatverandering

Het broeikaseffect (3/4)

De stralingsbalans

We hadden het stralingsvermogen van de zon berekend dat door de aarde wordt geabsorbeerd als zwarte aarde en als blauwe planeet. Het uitgangspunt was de stralingstemperatuur T_rad,S = 5772 K van de fotosfeer. We hadden ook een relatie gevonden voor het stralingsvermogen dat door de aarde wordt uitgezonden, waarbij de waarde van de gemiddelde stralingstemperatuur T_rad,E van het aardoppervlak open bleef. Dit is de grootheid die we zoeken!

Als we aannemen dat de stralingskracht van de zon die door de aarde wordt geabsorbeerd gelijk is aan de stralingskracht die door de aarde wordt uitgezonden, kunnen we de stralingstemperatuur van de aarde bepalen. We weten al dat aan dit evenwicht niet precies wordt voldaan, vandaar de klimaatverandering, maar we nemen aan dat de afwijking relatief klein is. Als we de geabsorbeerde zonnestraling gelijkstellen aan de straling die de aarde uitzendt, krijgen we:

Zwarte aarde:

π R_{E}^{2} S = 4 π R_{E}^{2} σ T_{r a d, E}^{4} \to T_{r a d, E} = 278,3 K of 5 ° C

Dit is het geval bij de hoogst mogelijke absorptie van de beschikbare zonnestraling. Desondanks is de gemiddelde temperatuur van de aarde nog steeds 9°C lager dan de werkelijke gemiddelde waarde 14°C!

Blauwe planeet:

(1 - A) π R_{E}^{2} S = 4 π R_{E}^{2} σ T_{r a d, E}^{4} \to T_{r a d, E} = 254,6 K of - 17,6 ° C

Zoals we kunnen verwachten, is de temperatuur van de aarde, met een albedo dat overeenkomt met een 30% lagere absorptie van zonnestraling, nog kouder. Het is zo koud dat vloeibaar water niet zou kunnen bestaan!

Ter vergelijking: tijdens de laatste ijstijd 20 000 jaar geleden was de gemiddelde temperatuur ongeveer +8°C! Zelfs de zwarte Aarde zou 3°C kouder zijn!

Waar wordt geen rekening mee gehouden in ons model?

Het is het broeikaseffect. Het vermindert het stralingsverlies van de aarde naar de ruimte zo sterk dat onze biosfeer vandaag een zeer geschikte gemiddelde temperatuur van 14°C heeft.

Het broeikaseffect is daarom absoluut essentieel voor de aarde zoals wij die kennen.

Het probleem: het klimaat op aarde reageert zeer gevoelig, zelfs op kleine fouten in de stralingsbalans door veranderingen in de gemiddelde temperatuur, zoals we momenteel kunnen waarnemen.

Hoe werkt een broeikas?

Het vensterglas van kassen laat zonnestraling door, maar blokkeert de infrarode straling die binnen wordt geproduceerd bij een golflengte hoger dan 3,5 μm. Dit verklaart de gematigde temperaturen in de kas. De winst door zonnestraling moet worden gecompenseerd door verliezen om een energiebalans te krijgen, anders zou de temperatuur binnen gestaag hoger moeten worden. Dit gebeurt door warmtegeleiding: het binnenglasoppervlak dat door absorptie wordt verwarmd, geleidt warmte naar buiten. Er is een directe warmteoverdracht naar de lucht, wat het energieverlies verklaart. Ramen zijn in feite een sterke bron van warmtelekken in gebouwen.

Transmissie en reflectie van vensterglass ↓

Een kas, Wilhelma Zoologisch-Botanischer Garten Stuttgart, Duitsland. Invallende (1), gereflecteerde (2) en zonnestraling die de grond bereikt (3). Thermische straling vanaf de grond (4), tegenstraling (5) vanaf de binnenkant van het glas en warmteverlies (6).
Bron: Rainer Reuter, University of Oldenburg, Germany.

Kassen zijn daarom een goede analogie met de atmosfeer van de aarde.