De energy blance van een oppervlak beschrijft de balans tussen de energiestromen die dat oppervlak bereiken, en de energiestromen die hetzelfde oppervlak verlaten. Deze 'energiebalans' van de aarde veroorzaakt de veranderingen in temperatuur van het aardoppervlak per dag en per seizoen.

• Electromagnetic radiation.

Deze vorm van radiatie wordt uitgegeven door alle objecten. Zie het als een verzameling, een spectrum van golven van zeer uiteenlopende golflengte die snel wegschieten van het oppervlak van het object.

• Wavelength beschrijft de afstand van een 'golftop' tot de volgende.
• Deze golflengte wordt gemeten met de eenheid micrometer.

1. Er bestaat een inverse relatie tussen de golflengte van de straling die een object uitgeeft, en de temperatuur van datzelfde object.

Bijv: Zon = heet, hierdoor korte golflengte / Aarde = veel kouder, hierdoor lange golflengte.

2. Hete objecten stralen meer energie uit dan koele objecten. De energiestroom van een bepaalde oppervlak van een object is direct gerelateerd aan de absolute temperatuur van het oppervlak tot de vierde macht. Zodoende kan een kleine temperatuurverhoging van het oppervlak een enorm veel hogere stralingsuitgifte veroorzaken.

• Solar radiation.

Wanneer de solar radiation beweegt door de ruimte gaat er niets verloren, echter de stralen gaan wel steeds verder uit elkaar. Zodoende krijgt een planeet die verder van de zon afligt minder zonnestraling dan een planeet dichterbij. Het portie zonnestraling van de zon voor de aarde bestaat uit een elektromagnetisch spectrum, die in vier categorieën verdeeld kan worden gebaseerd op verschillen in golflengte (zie ook figuur 2.2/blz. 37).

1. Links 9% ultraviolette straling; deze korte golven zijn hoog in energie. Deze ultraviolette straling wordt bijna geheel geabsorbeerd door de gasmoleculen in de atmosfeer. Kan er ook doorheen, beschadigd levende wezens.
2. Vervolgens is er 41% visible light portion van het spectrum, deze straling zien wij als lichtenergie. De kleur van het licht wordt bepaald door de golflengte. Korte golflengtes zien wij als violet, en de langere als rood. Hier tussenin zit de rest van de bekende kleuren. Tenzij deze straling wordt onderschept door wolken, bereikt zij verder vrijwel geheel de aarde.
3. Vervolgens krijgen we 50% shortwave infrared straling, Lijkt erg op de visible light, echter onze ogen reageren niet op deze straling. Met ultraviolette straling samen valt dit onder de categorie shortwave radiation.
4. Tot slot helemaal rechts is de thermal infrared straling, die we als warmte voelen. Naar deze straling wordt ook wel gerefereerd als zijnde longwave radiation (= 'outgoing longwave radiation').

De energieproductie in van de zon is praktisch constant, zodoende ook de uitgifte. De hoeveelheid inkomende 'korte-golf-energie' staat bekend als de solar constant en wordt gemeten voordat de zonne-energie door de atmosfeer gaat (waar energie verloren gaat), deze is 1400 watt per m².

• Longwave radiation from the earth.

Dus zowel de golflengte als de intensiteit van de straling uitgegeven door een object hangen af van de temperatuur van het object. Omdat het oppervlak en de atmosfeer van de aarde veel kouder is dan het oppervlak van de zon, kunnen we concluderen dat onze planeet minder energie uitstraalt dan de zon, en deze energie ook in langere golflengtes.

• The global radiation balance.

De aarde absorbeert constant kortegolf energie, en geeft langegolf energie af, dit energiestromenproces staat ook wel beter bekend als the earth's radiation balance. De zon zend een constante hoeveelheid shortwave straling uit richting aarde. Een gedeelte van deze straling scattered terug in de ruimte zonder absorptie. Wolken en stofdeeltjes in de atmosfeer veroorzaken deze scattering tezamen met bepaalde land- en oceaan oppervlakken. De overgebleven shortwave energie wordt opgenomen in atmosfeer, land of oceaan. Eenmaal geabsorbeerd verhoogt de zonne-energie de temperatuur in de atmosfeer en op de aarde.

Atmosfeer, land en oceaan geven ook energie af in de vorm van longwave radiatie, die de aarde verlaat voor "outer space". Deze longwave straling veroorzaakt een verlaging van de temperaturen van atmosfeer, land en oceaan. Op de lange termijn staan deze inkomende en uitgaande energiestromen in balans, waardoor de temperatuur van de aarde redelijk constant blijft.

• Insolation over the globe.

• Insolation: Incoming solar radiation. Een stroom zonne-energie onderschept door een bepaald oppervlak uitgaande van een uniforme aarde zonder atmosfeer. Gaat per Watt/m². De graad van de inval van de zonne-energie bepaald de intensiteit van de zonne-energie. Insolation is het grootst bij verticale inslag. Wanneer de zon verder zakt wordt het te bestralen gebied steeds groter en de intensiteit dus lager. Dagelijkse insolation hangt dus af van de hoek van inval en het tijdsbestek van blootstelling. De hoek van inval van de zonnestralen op een bepaalde locatie hangt af van de geografische breedte, tijd van de dag en de tijd van het jaar.

• The path of the sun in the sky.

Zonnestraling is groter gedurende een dag ten tijde van de zomer solstice dan een dag in de winter solstice.

• Insolation through the year.

Vlakbij de evenaar kent men twee maximale momenten van dagelijkse insolation. Deze perioden corresponderen met de equinoxen, wanneer de zon recht boven de evenaar staat. Tussen de kreeftskeerkring en de steenbokskeerkring kent men ook twee maxima en minima van insolation. Verder poolwaarts komen deze maximum perioden steeds dichterbij en om in een enkel maximum te smelten.

• Annual insolation by latitude.

Het is de draaiing om de as van de aarde waardoor wij seizoenen en dus verschil in insolatie per geografische breedte kennen.

• World latitude zones.

• Equatorial zone.
• Tropical zones.
• Subtropical zones.
• Midlatitude zones.
• Subartic en de subantartic zones.
• Arctic en de antartic zones.
• Polar zones.

• Composition of the atmosphere.

De atmosfeer van de aarde bestaat uit lucht, d.w.z. verschillende soorten gassen rondom de aarde op verschillende afstanden van diezelfde aarde. Deze lucht wordt bij de aarde gehouden door de zwaartekracht.

Tot en met 80 km omhoog bestaat de chemische compositie van de aarde grotendeels uit dezelfde gassen. Pure droge lucht bestaat voor 78% uit nitrogen en voor 21% uit oxygen.

• Nitrogen bestaat in de atmosfeer als een molecuul bestaande uit twee atomen: N². Gaat niet gemakkelijk een chemische reactie aan met een ander stoffen, we kunnen deze stof beschouwen als neutraal. Hele kleine hoeveelheden nitrogen worden door bacteriën in de bodem opgenomen voor planten, verder dient dit gas grotendeels ter "opvulling" van de atmosfeer.
• Oxygen (O²) is zeer chemische actief. Het combineert met andere elementen tijdens het proces van oxidatie. Levende zaken hebben zuurstof nodig om eten om te zetten in energie.
• Argon is de overgebleven 1% aanwezige gas, een inactief gas van weinig belang in natuurlijke processen.
• Dan is er nog 0,033% carbondioxide (CO²) neemt warmtestraling op in de atmosfeer op weg naar aarde. CO² zorgt dus voor verwarming van de lagere atmosfeer. Verder gebruiken planten het voor de fotosynthese.
• Water vapor is gemengd door de rest van de lucht, varieert in tegenstelling tot de andere gassen echter wel enorm in hoeveelheid. Neemt ook warmtestraling op, doet dus ook mee in het opwarmen van de atmosfeer.

• Ozone in the upper atmosphere.

In de stratosfeer vinden we een belangrijk gas: Ozon O³ , deze stof absorbeert ultraviolette straling voor het de aarde bereikt, en beschermd zodoende tegen deze schadelijke straling. Door ingewikkelde chemische reacties wordt deze stof gevormd, kort samengevat wordt O² gesplitst door de ultraviolette straling (O+O). Een 'losse' O gaat een chemische reactie aan met een andere O² molecuul, en zo ontstaat de O³.

CFK's zijn gevaarlijke stoffen die in de ozonlaag door chemische reactie chlooroxidemoleculen worden, en op hun buurt de ozon-molekulen aanvallen, en deze tot gewone zuurstof moleculen vormen.

• Declining ozone and the ozone hole.

In de jaren '80 ontdekte men het gat in de ozonlaag boven Antartica. In de winterperiode is hier een "whirlpool" van winden die de lucht hierin vasthoudt en uit de zon houdt gedurende de lange poolnacht. De lucht in deze vortex wordt enorm koud en er gaan zich een soort ijskristallen vormen. Hierdoor gaan chemische reacties plaatsvinden, waardoor de vorming van chlooroxide (ClO). Als de lente op het zuidelijk halfront begint, wordt de vortex langzaam door de zon beschenen, en het chloor gaat in reactie met de ozon. Uiteindelijk bereikt meer ultraviolette straling de aarde. Echter ook andere processen hebben invloed op de mate van ultraviolettestraling die het aardoppervlak bereikt, zoals hoeveelheid wolken en luchtvervuiling.

• Sensible heat and latent heat transfer.

• Sensible heat: De hoeveelheid warmte die een object behoudt die gevoeld kan worden door aan te raken. Wordt gemeten met een thermometer.
• Sensible heat transfer; hitte-energie gaat van een warmer object naar een kouder object.

• Latent heat: Kan niet gemeten worden met een thermometer. Is warmte die opgenomen en vastgehouden wordt als een stof van vloeibaar naar gas gaat of van vast naar gas. Bij het proces trekt het hitte van de omgeving. Bij terugdraaiing van het proces wordt de latente hitte weer vrijgelaten.
• Latent heat transfer: Water verdampt van vochtig land of open water.

• The global energy system.

Terwijl de zonnestraling zich verder en verder door de atmosfeer boort, zorgen gasmoleculen en stofdeeltjes ervoor dat sommige 'visible light rays' alle kanten op springen. Dit staat beter bekend als scattering. De straling verandert alleen van richting. Men noemt de 'scattered radiation' die alle richtingen opgaat diffuse radiation.

Diffuse reflection is wanneer bepaalde richtingen van de stralingen terug de ruimte ingaan. Een andere vorm van energieverlies in de atmosfeer is door absorptie, door gas- en stofdeeltjes. Ook wolken kunnen flink wat zonnestraling reflecteren, en absorberen.

• Albedo.

Albedo is het percentage kortegolfstraling dat weer omhoog gescattered wordt door een oppervlak. Albedo van de aarde, dus het percentage door aarde en atmosfeer teruggekaatste zonnestraling is ongeveer 1/3 van wat zij ontvangt.

• Counterradiation and the Greenhouse effect.

Counterradiation treedt op wanneer de door het aardoppervlak weerkaatste langegolfstraling door deeltjes in de atmosfeer geabsorbeerd wordt en gedeeltelijk terug wordt geweerkaatst en deze zodoende opwarmt. Dit atmosferisch opwarmprincipe noemen ook wel het broeikaseffect.

• Net radiation, latitude, and the energy balance.

• Net radiation is het verschil tussen alle inkomende straling en alle uitgaande straling. Voor de aarde is de netto-stralingsbalans gemiddeld over een jaar genomen nul.

Welk mechanisme brengt energie van lagere breedtegraden richting pool?

1. Het circulatiepatroon van de oceanen brengt warm water naar de polen (sensible heat transfer).
2. Warme vochtige lucht brengt latente warmte naar hogere breedtegraden.

Deze twee energietransportprocessen noemen we de poleward heat transport.

Over zonne-energie.