The Global energy system
Zonne-energie is de drijvende kracht achter wind, golven, rivieren en oceaanstroming. De energiebalans van de aarde is het onderwerp van dit hoofdstuk.
Verschil in golflengte (um) bepaalt warmte en licht. Stralingsenergie kan bij iedere golflengte voorkomen. 2 principes:
Slechts een heel klein deel van de zonneenergie komt op de aarde terecht.
4 soorten energie uitgezonden door zon, gebaseerd op golflengte (fig 2.2: vlnr):
Linkse blauwe lijn intensiteit binnenkomende straling (energie) uitgezonden door zon. Zie ook percentages beneden. De hoeveelheid zonnestraling die op aarde neerkomt mag als constante worden beschouwt: de zonneconstante (= 1400 W/m2-de in de dampkring verloren energie erbij gerekend).
Zie twee basisprincipes boven: aarde kouder dan zon dus aarde zendt langgolvige straling uit met relatief weinig energie (rode lijn, fig 2.2) met drie pieken bij 5, 10 en 20 um. De andere golflengten worden grotendeels geabsorbeerd door de atmosfeer.
Zon straalt vrijwel constante hoeveelheid straling uit, deel weerkaatst, ander deel geabsorbeerd > opwarming aarde. Aarde straalt ook (langgolvige) straling uit: matiging temperatuur. Balans gelijk: evenveel energie in dan uit: temp op aarde blijft (ongeveer) gelijk.
Insolation: incoming solar radiation.
Insolatie wereld als geheel blijft ongeveer gelijk, maar verschilt per plaats en per tijdstip, afhankelijk van hoek van straling met aarde. (fig 2.5) Dagelijkse straling afhankelijk van hoek en duur. Hoek afhankelijk van breedte locatie, moment van de dag en tijd van het jaar.
Weg van de zon in de lucht
Zie H1 en fig 2.6
Seizoenspatroon van dagelijkse insolatie is afhankelijk van breedtegraad (fig 2.7), dit veroorzaakt klimaat seizoenen. Nergens op aarde is insolatie gelijk door het jaar.
Figuur 2.8 rode lijn: werkelijk. Blauwe lijn: als as aarde niet zou hellen tov zon.
Seizoenspatroon van insolatie is de basis van de indeling van de wereld in breedtezones (fig 2.9) Grenzen niet absoluut bindend.
Atmosfeer bestaat uit lucht tot vele kilometers hoogte en wordt bij elkaar gehouden door zwaartekracht. 97% van de atmosfeer bevindt zich binnen 30 kilometer van het aardoppervlak. Tot 80 kilometer hoogte samenstelling atmosfeer vrijwel gelijk: 78% stikstof (N2), 21% zuurstof (O2), 1% rest waaronder 0,033 % CO2, CO2 kan straling terugkaatsen en is belangrijk voor fotosynthese van planten.
Ozon (O3) komt vooral voor in de hogere delen van de atmosfeer (14-50 km), de stratosfeer. Ozon absorbeert ultraviolette gevaarlijke straling van de zon. In deze stratosfeer vormen de O atomen steeds nieuwe samenstellingen (O, O2, O3), bij iedere transformatie wordt ultraviolette straling opgenomen.
Als CFK’s in de atmosfeer vrijkomen veranderen ze in grote getale (kettingreactie) ozon moleculen in gewone O-molekculen, zodat er geen transformaties tussen O, O2 en O3 meer kunnen plaatsvinden. Gevolg: “gat” in ozonlaag. Gevolgen onder andere een toename van huidkanker. Niet alleen door mens veroorzaakt, er is ook niet altijd een directe relatie.
Twee andere manieren naast straling om energie te transporteren zijn:
Insolatie verlies in de atmosfeer
Niet alle straling bereikt aarde. Figuur 2.13 geeft aan dat een deel van de straling wordt verstrooit en een deel geabsorbeerd. Eventuele bewolking bepaalt mede deze hoeveelheden.
Albedo (weerkaatsingsvermogen)
Dit wkvm bepaalt hoe snel iets opwarmt door zonnestralen. Hoge albedo (sneeuw, ijs: 45-85 %) warmt snel op. Gemiddelde albedo op aarde inclusief terugkaatsing en absorptie door bewolking is 29 tot 34 %.
Counterradiation
Zie figuur 2.15 > door atmosfeer wordt de langgolvige straling die de aarde uitzend gedeeltelijk teruggekaatst, waardoor de temperatuur op aarde hoger is dan verwacht.
Zie figuur 2.15 conclusie: zonder atmosfeer en dus broeikaseffect was temperatuur aarde onder vriespunt.
Energie in en uit als geheel over aarde in balans, maar niet over tijd en plaats. ‘s nachts geen instroom wel uitstroom. Figuur 2.16 laat zien dat straling/energie ook met breedtegraad verschilt, tussen 40 graden NB en 40 graden ZB is er een surplus aan energie. Op andere gebieden een tekort. (dus uitgaande langgolvige straling overtreft inkomende kortgolvige). Er moet dus energie van het gebied met een surplus naar het gebied met een tekort. Dit gebeurt dmv: