Het Systeem Aarde regelt het klimaat
Inleiding
1 Vul aan met een gepaste term in verband met het klimaat.
a De toestand van de onderste luchtlagen van de atmosfeer op een bepaalde plaats en een bepaald ogenblik:
b het gemiddelde van de weersomstandigheden in een bepaald gebied over een langere periode (minstens 30 jaar) :
c het proces dat zorgt voor een redelijk stabiele temperatuur op aarde:
2 Schrap wat niet past
a De warme klimaten bevinden zich min of meer tussen de keerkringen. juist / fout
b Koude klimaten bevinden zich aan de polen. juist / fout
c De warme klimaten zijn altijd droge klimaten. juist / fout
Kringlopen van het Systeem Aarde
Om het klimaat te bepalen worden de gemiddelde weersomstandigheden (o.a. temperatuur, neerslag, luchtdruk, wind) over een langere periode (doorgaans 30 jaar) in een gebied bekeken. Het klimaat wordt bepaald door processen in het hele Systeem Aarde en wordt aangedreven door de zon. Dat wordt het klimaatsysteem genoemd. De grote circulatiesystemen van het Systeem Aarde, de (natuurlijke) waterkringloop, koolstofkringloop en (natuurlijke) voedingsstoffenkringloop helpen het klimaatsysteem reguleren.
3 Bestudeer de grafiek. De grafiek toont de gemiddelde wereldtemperatuur op aarde over de laatste 500 miljoen jaar.
GESCHATTE GEMIDDELDE WERELDTEMPERATUUR TIJDENS DE LAATSTE 500 MILJOEN JAAR
PALEOZOÏCUM
MESOZOÏCUM
KENOZOÏCUM
2.10 de geschatte gemiddelde wereldtemperatuur tijdens de laatste 500 miljoen jaar
a Teken een horizontale referentielijn op de grafiek ter hoogte van 15°C om de huidige gemiddelde wereldtemperatuur voor te stellen.
b Beschrijf het verloop van de wereldtemperatuur gedurende de laatste 500 miljoen jaar.
De wereldtemperatuur verandert doorheen de tijd. Regelmatige veranderingen en verstoringen binnen het Systeem Aarde zorgen voor veranderingen in de wereldtemperatuur. De aarde reageert daarop: de koolstofkringloop en het broeikaseffect helpen het onevenwicht te herstellen. Over enkele honderdduizenden jaren heen probeert de temperatuur van de aarde zo in evenwicht te blijven.
500 10° 15° 20° 25° 30° 35° 450 400 350 300 250 200 150 100 50 vandaag gemiddelde wereldtemperatuur (°C) miljoen jaar geleden Bron: Climate.gov en Smithsonian National Museum of Natural History
2
31 De aarde is een systeem
Het natuurlijk broeikaseffect
De zon zendt allerlei soorten straling uit, gaande van erg korte golflengtes tot erg lange golflengtes. Veel van deze golven worden in de hoge atmosfeer tegengehouden. Het zonlicht dat we kunnen zien, is slechts een klein deel van alle soorten stralen die de zon uitzendt. Het bestaat uit zichtbaar licht. Daarnaast bereikt ons ook een beperkt deel (onzichtbare) infrarode energie. Beide bestaan uit relatief korte golven. Een deel van deze kortgolvige zonnestraling wordt door de aarde en de atmosfeer gereflecteerd. Het vermogen van een oppervlak om zonlicht te weerkaatsen of te reflecteren, wordt het albedo van dat oppervlak genoemd. Ongeveer 30% van de zonne-energie die de aarde bereikt, wordt gereflecteerd door wolken, ijs, sneeuw of andere lichte oppervlakken.
natuurlijk broeikaseffect
natuurlijk verschijnsel waarbij de warmte die de aarde uitstraalt bij het aardoppervlak wordt vastgehouden door broeikasgassen
albedo
het lichtweerkaatsend vermogen van een oppervlak
Iets minder dan de helft van de inkomende kortgolvige zonnestraling wordt door het aardoppervlak geabsorbeerd. De warmte die ontstaat door deze absorptie, wordt uitgezonden als langgolvige straling. Deze energie geeft de aarde grotendeels weer af onder de vorm van:
- infraroodstraling (warmte, langgolvige straling)
- via het verdampen van water
- voor een klein deel onder de vorm van geleiding (waardoor de lucht dicht bij het aardoppervlak opwarmt)
- voor een klein deel onder de vorm van convectie (waardoor luchtstromen ontstaan).
Een klein deel van de door de aarde uitgestraalde warmte gaat dwars door de atmosfeer en verdwijnt rechtstreeks naar de ruimte. Broeikasgassen zoals waterdamp, koolstofdioxide, methaan en lachgas absorberen een deel van de langgolvige warmtestraling en stralen de warmte terug naar het aardoppervlak. De onderste laag van de atmosfeer en het aardoppervlak warmen hierdoor op. Dit noemt men het natuurlijk broeikaseffect (afgekort NBKE). De gemiddelde wereldtemperatuur bedraagt daardoor 15°C, wat een gunstige temperatuur is voor het leven op aarde. Zonder het natuurlijk broeikaseffect zou de gemiddelde temperatuur op aarde eerder -18°C bedragen.
Er wordt bij het natuurlijke broeikaseffect heel wat energie uitgewisseld tussen de aarde, de atmosfeer, de zon en de ruimte. Het evenwicht tussen de invallende zonnestraling en de warmtestraling die de aarde uitstraalt, wordt de stralingsbalans van de aarde genoemd.
niet verwarren: het broeikaseffect en het gat in de ozonlaag
stralingsbalans het evenwicht tussen de inkomende zonnestraling en uitgaande straling vanop de aarde
De ozonlaag is een zone in de atmosfeer waar de grootste concentratie ozon voorkomt. De ozonlaag beschermt het leven op aarde tegen de schadelijke ultraviolette straling van de zon. Door de uitstoot van CFK-gassen (chloorfluorkoolwaterstoffen, die vroeger vaak gebruikt werden in spuitbussen), is de concentratie ozon voornamelijk boven de polen verlaagd. Dit wordt het “gat in de ozonlaag” genoemd. Het gat in de ozonlaag wordt gelinkt aan een toename van huidkankers.
Maar ozon kan ook dichter bij het aardoppervlak voorkomen: hier wordt het gevormd door een chemische reactie tussen stoffen die afkomstig zijn van luchtvervuiling (meestal op een erg zonnige dag). Dit ozon is schadelijk voor de gezondheid en is een broeikasgas.
2.11 het natuurlijke broeikaseffect
32 De aarde is een systeem
De natuurlijke koolstofkringloop
De koolstofkringloop beschrijft de manier waarop het Systeem Aarde koolstofatomen recycleert. Koolstof is de basis van het leven op aarde en is nodig om moleculen zoals eiwitten en DNA te vormen. Koolstof komt ook voor in de atmosfeer als koolstofdioxide (CO2) en methaan (CH4). Onze planeet met haar atmosfeer vormen een gesloten omgeving. Hierdoor verandert de hoeveelheid koolstof in het Systeem Aarde niet, maar is de koolstof voortdurend in beweging doorheen de verschillende sferen.
De meeste koolstof wordt opgeslagen in gesteenten. De oceaan absorbeert ook enorme hoeveelheden koolstof, de rest wordt opgeslagen in de atmosfeer, in levende organismen en in onverstoorde moerassen. Dit zijn koolstofreservoirs of koolstofputten.
In de oceaan produceren mariene organismen koolstof door te leven en te sterven. Vanuit de atmosfeer reizen koolstofatomen naar levende organismen en weer terug naar de atmosfeer. Koolstof komt ook vrij in de atmosfeer wanneer organismen afsterven, vulkanen uitbarsten, branden optreden … Dat zijn koolstofbronnen De natuurlijke koolstofkringloop kan gezien worden als de thermostaat van onze planeet. De koolstofkringloop belet dat alle koolstof in de atmosfeer terechtkomt, maar ook dat alle koolstof in gesteenten wordt opgeslagen. Op die manier blijft de wereldtemperatuur relatief stabiel over een lange periode. Over kortere periode bekeken kan de temperatuur wel schommelen. Er is dan ook een onderscheid tussen de lange en de korte koolstofkringloop.
WIST JE DAT ... Fytoplankton
koolstofput
systemen die meer koolstofhoudende verbindingen opnemen dan deze afgeven gedurende een lange tijd
koolstofbron
systemen die meer koolstofhoudende verbindingen afgeven dan deze opnemen gedurende een lange tijd
Fytoplankton is plantaardige plankton dat leeft tegen het wateroppervlak in zeeën en oceanen. Het doet net als landplanten aan fotosynthese. Fytoplankton produceert tot wel 70% van alle zuurstof op aarde per jaar en is daarom heel belangrijk voor het leven op aarde!
Daarnaast is fytoplankton de basis van de voedselketen voor het leven in zee. Zo wordt fytoplankton bijvoorbeeld gegeten door kleine kreeftjes. Deze kreeftjes worden op hun beurt weer opgegeten door vissen, en deze worden weer opgegeten door andere vissen enz. Zonder fytoplankton zou geen enkele vis het overleven in de zee!
WIST JE DAT ... Verzuring
Wanneer er meer CO2 in de atmosfeer is, wordt er ook meer CO2 in oceanen opgenomen, waardoor oceaanverzuring optreedt. Dit belet het aanmaken van een stevig skelet bij schelpdieren, koralen, zeesterren, kiezelwieren … Hierdoor dalen hun overlevingskansen en kan ook de voedselbevoorrading van de mens in het gedrang komen. Sinds de 18de eeuw is de zuurtegraad al verhoogd met meer dan 25%.
Koolstof beweging Fotosynthese Erosie en Transport
2.12 de natuurlijke koolstofkringloop
33 De aarde is een systeem
De natuurlijke waterkringloop
Ongeveer 70% van het aardoppervlak is bedekt met water. 97 % van het water op de aarde is terug te vinden in de oceanen. De processen waarbij water door het Systeem
Aarde circuleert, wordt de waterkringloop of de hydrologische cyclus genoemd.
waterkringloop
hoe water door het systeem aarde circuleert
De watercyclus wordt aangedreven door de energie van de zon. Water verdampt uit oceanen, rivieren, plassen, vanop en vanuit planten en condenseert tot wolken of andere condensatievormen. Luchtstromen verdelen waterdamp over de hele wereld. Het water valt neer in de vorm van neerslag (bv. als sneeuw, regen), valt terug in de oceaan of vloeit over het land via rivieren en meren als zoet water richting de zee, infiltreert in de grond en stroomt door de watervoerende lagen, die zoet water voor lange tijd kunnen opslaan. Grondwater wordt gebruikt door planten en verdampt ook weer uit planten (transpiratie).
Tijdens deze kringloop wordt heel wat energie uitgewisseld tussen de atmosfeer, de oceaan en het land.
2.13 de natuurlijke waterkringloop
De natuurlijke voedingsstoffenkringloop
2.14 de natuurlijke voedingsstoffenkringloop
Voedingsstoffen doorlopen een natuurlijke kringloop van de bodem naar planten en dieren en weer terug naar de bodem, vooral via het ontbinden van organisch materiaal. Dat is de voedingsstoffenkringloop. De voedingsstoffenkringloop beïnvloedt de vruchtbaarheid van de bodem.
Planten nemen water en mineralen uit de bodem en de atmosfeer op om te groeien. De bodem voorziet de gewassen van voedingsstoffen: (koolstof (C), stikstof (N), fosfor (P), calcium (Ca), magnesium (Mg), water (H2O), … en de atmosfeer levert CO2. Planten worden gegeten door planteneters, die op hun beurt worden gegeten door vleeseters om zich van de nodige voedingsstoffen te kunnen voorzien. Ze scheiden ook weer voedingsstoffen af. Door het afsterven van planten en dieren ontstaat dood materiaal dat door reducenten wordt omgezet in mineralen. Die mineralen dringen samen met neerslag in de bodem.
Het verweren van de ondergrond zorgt ook voor een aanvoer van mineralen in de bodem.
verwering
het afbreken van gesteenten onder invloed van het weer, klimaat of planten en dieren
34 De aarde is een systeem
Het terugkoppelingsmechanisme
Wanneer in het Systeem Aarde een verandering of verstoring optreedt, ontstaat vaak een hele keten aan gebeurtenissen als reactie op de verandering die uiteindelijk de oorspronkelijke verstoring versterkt of afremt. Die keten van gebeurtenissen wordt een terugkoppelingsmechanisme of feedbackmechanisme genoemd.
Wanneer een verstoring versterkend werkt, spreekt men van positieve terugkoppeling d.w.z. dat de verstoring een toename van de verstoring veroorzaakt.
Wanneer een verstoring een remmend effect heeft, dan spreekt men van negatieve terugkoppeling. Vaak gaat het om een reeks veranderingen die uiteindelijk bepalen of de oorspronkelijke verstoring wordt versterkt of geremd.
proces B proces A vermeerdert proces B proces A vermeerdert proces C
terugkoppelingsmechanisme terugkoppelingsmechanisme of feedbackmechanisme: mechanisme waarbij de gevolgen van een proces een invloed hebben op de oorzaak van het proces
positieve terugkoppeling positieve relatie
negatieve terugkoppeling negatieve relatie
proces B vermeerdert proces A
positieve feedbackloop negatieve feedbackloop proces C vermindert proces A proces A proces C
CO2 in de atmosfeer temperatuur atmosfeer
positieve feedbackloop temperatuur oceaan
opname CO2 door de oceaan
Stijgt de concentratie CO2 in de atmosfeer, dan warmt de lucht op, waardoor ook de bovenste lagen van de oceaan opwarmen. Hierdoor zal de oceaan minder CO2 opnemen en blij er meer CO2 achter in de atmosfeer. Het startproces versterkt zichzelf, wat een positieve feedbackloop is.
negatieve feedbackloop
CO2 in de atmosfeer temperatuur atmosfeer
opname CO2 uit de atmosfeer
chemische verwering
WIST JE DAT ... Temperatuurschommelingen doorheen de tijd
Onze vroege aarde was erg warm. De toenmalige atmosfeer bevatte een erg hoge concentratie CO2. Zo’n 550 miljoen jaar geleden deed zich een explosie aan leven voor. Dat zorgde voor een geleidelijke afname van de CO2-concentratie in de atmosfeer en een geleidelijke daling van de temperatuur door o.a. fotosynthese.
Samen met de ligging van de continenten op de aarde oefenen variaties in zonnestraling, variaties in de baan van de aarde, vulkaanuitbarstingen, het ijs op aarde en het leven een sterke invloed uit op de gemiddelde wereldtemperatuur, gaande van een periode die wetenschappers sneeuwbal aarde noemen (600 tot 800 miljoen jaar geleden) tot een hothouse (66 miljoen jaar geleden). Komt er meer CO2 in de atmosfeer dan wordt de gemiddelde wereldtemperatuur hoger. Hierdoor werkt chemische verwering van gesteenten sneller. Bij dit proces wordt CO2 uit de atmosfeer gebruikt voor het oplossen van mineralen uit gesteenten. Er blij dan minder CO2 in de atmosfeer achter. Het startproces vermindert het eigen e ect, wat een negatieve feedbackloop is.
+ + +-
+ + -+
+ + + -
35 De aarde is een systeem
1 Formuleer een hypothese bij de onderzoeksvraag
2 Plaats de nummers op de juiste plaats op de figuur.
= gas
= broeikasgas
2.15 het natuurlijke broeikaseffect
1 De zon straalt energie uit als kortgolvige lichtstralen.
2 Een deel van het inkomende zonlicht wordt gereflecteerd in de atmosfeer of op het aardoppervlak.
3 Een deel van het inkomende zonlicht wordt geabsorbeerd door gassen in de atmosfeer.
4 Ongeveer de helft van de inkomende zonnestralen bereikt het aardoppervlak als kortgolvige straling.
5 De aarde absorbeert minder dan de helft van de inkomende zonnestralen. Deze kortgolvige lichtstralen worden door de aarde omgezet in langgolvige warmtestralen.
6 Een deel van deze energie wordt gebruikt voor het verdampen van water en het opwarmen van de lucht boven het aardoppervlak.
7 Een deel van de langgolvige warmtestralen ontsnapt bijna ongehinderd van het aardoppervlak door de atmosfeer naar de ruimte.
8 Een deel van de langgolvige warmtestralen worden uitgestraald door de aarde en geabsorbeerd door broeikasgassen.
9 Een deel van de geabsorbeerde warmtestraling wordt door broeikasgassen teruggestraald naar de aarde. De onderste laag van de atmosfeer en het aardoppervlak warmen hierdoor op.
10 Wolken en gassen in de atmosfeer absorberen een deel van de langgolvige warmtestralen en stralen deze energie uit naar de ruimte.
3 Door het natuurlijk broeikaseffect is het kouder / warmer ( °C) aan het aardoppervlak dan wanneer de aarde enkel door zonnestralen zou worden verwarmd ( °C).
4 Verbind de processen uit de aan de sfeer/sferen die een rol speelt/spelen.
Zonlicht reflecteert op ijs, wolken O O atmosfeer
Langgolvige warmtestralen worden teruggestraald door broeikasgassen
O O hydrosfeer
De aarde straalt langgolvige warmtestralen uit
O O geosfeer
O biosfeer
Vraag Wat doet het natuurlijk broeikaseffect met de wereldtemperatuur? 1
36 De aarde is een systeem
Er wordt bij het natuurlijke broeikaseffect heel wat energie uitgewisseld tussen de aarde, de atmosfeer, de zon en de ruimte.
a Geef ekele voorbeelden van het uitwisselen van energie tijdens het natuurlijke broeikaseffect.
b Een constante temperatuur wordt bereikt als de globale inkomende straling groter / kleiner / gelijk is dan/aan de globale uitgaande straling.
c De aarde zou voortdurend opwarmen als de globale inkomende / uitgaande straling groter is dan de globale inkomende / uitgaande straling.
d Omgekeerd zou de aarde voortdurend afkoelen als de globale inkomende / uitgaande straling groter is dan de globale inkomende / uitgaande straling.
6 Ontleed de inkomende en uitgaande straling voor aan de hand van figuur
Onderstaande figuur toont hoeveel energie die de aarde bereikt, wordt geabsorbeerd, gereflecteerd en terug vrijgegeven door de atmosfeer en het aardoppervlak. De binnenkomende zonne-energie wordt gemeten in Watt per vierkante meter (W/m²). De gemiddelde energie van de zon die de top van de atmosfeer bereikt, bedraagt ongeveer 340 W/m².
2.16 het natuurlijke broeikaseffect met percentages
a Hoeveel procent van de totale energie wordt door de atmosfeer uitgestraald naar de ruimte?
reflectie aan het aardoppervlak:
reflectie door gassen in de atmosfeer en door wolken
uitgestraalde warmte vanuit de atmosfeer
warmte rechtstreeks van de aarde uitgestraald
Totaal uitgestraald:
b De totale energie van de zon die de aarde bereikt, bedraagt 100 %. Maak de balans tussen de inkomende en uitgaande straling in de atmosfeer:
5
4% 25% 48% 100% 23% 31% 59% 12% 17%
37 De aarde is een systeem
c 48% van de zonnestralen wordt door de aarde geabsorbeerd. Die energie moet dus ook weer uitgestraald worden om de temperatuur constant te houden. Maak de balans.
Het klimaat op aarde hangt af van het evenwicht tussen de inkomende en uitgaande energie. De energie die als zonlicht naar de aarde komt, is bijna precies in evenwicht met de energie die als warmtestraling de aarde verlaat (behoud van energie). Als dit niet in evenwicht is, zal de aarde opwarmen of afkoelen.
7 Formuleer aan de hand van de gegeven kernwoorden een antwoord op de onderzoeksvraag. wereldtemperatuur - veel lager - het natuurlijk broeikaseffect - in evenwicht - de vier sferen
speelt een belangrijke rol bij het reguleren van de
. Zonder dit effect zou de temperatuur op aarde zijn dan de huidige gemiddelde wereldtemperatuur. Bij dit proces wordt heel wat energie uitgewisseld tussen . Globaal genomen is er een evenwicht tussen de inkomende en uitgaande straling, waardoor de wereldtemperatuur is.
Vraag Wat is de rol van broeikasgassen in het natuurlijk broeikaseffect? 2
1 Formuleer een hypothese bij de onderzoeksvraag
De meeste gassen in de atmosfeer (zoals N2 en O2) laten zowel lichtstralen als warmtestralen door. Broeikasgassen daarentegen hebben als eigenschap dat ze de langgolvige warmtestralen die de aarde uitstraalt, absorberen. Hierdoor stijgt hun temperatuur en stralen ze de warmte in alle richtingen uit, ook naar de aarde.
MINGS-VERMOGEN (GESCHAT OVER 100 JAAR)
(CH4)
Ontbinding van plantaardig materiaal in vochtige gebieden zoals moerassen, vertering, brandend plantaardig materiaal,…
jaar Lachgas (N2O)
Ozon (O3) in de onderste laag van de atmosfeer
Bacteriële activiteit in de bodem (bv. van tropisch regenwoud) en in oceanen, brandende vegetatie,…
jaar
Verzakking uit stratosfeer, reactie van bv. NOx, CO in contact met zonlicht, elektrische ontlading als gevolg van bliksem 918-1022 Enkele uren/ dagen
Noot: het aardopwarmingsvermogen van waterdamp wordt teniet gedaan door het reflecterend effect van wolken.
BROEIKASGAS NATUURLIJKE OORSPRONG BIJDRAGE AAN NBKE
LEVENSDUUR Waterdamp Verdamping van water 36-72% Moeilijk te meten 2 à 10 dagen Koolstofdioxide (CO2) Ademhalen,
9-26% 1 100 à 300
AARDOPWAR
vulkanen, ontbinding van plantaardig en dierlijk materiaal, bosbrand,…
jaar, variabel Methaan
7-16% 21 12
15
à
310 120
38 De aarde is een systeem
WIST JE DAT Samenstelling van de atmosfeer
De droge atmosfeer bestaat ongeveer voor 78% uit stikstofgas (N2) en voor 21% uit zuurstofgas (O2). N2, O2, argon (0,934 %) en CO2 (0,035%) maken 99,998% van de droge atmosfeer uit. De resterende gassen zijn bv. neon, helium, methaan, … De atmosfeer is zelden of nooit droog. Waterdamp (water in gasvorm) is vrijwel altijd aanwezig, tot ongeveer 4% van het totale volume. In de woestijngebieden van de aarde (30° N/Z) zal de bijdrage van waterdamp aan de samenstelling van de atmosfeer vrijwel nul zijn wanneer een droge wind waait. De bijdrage van waterdamp stijgt tot bijna 3% op extreem warme of vochtige dagen. De bovengrens van bijna 4%, wordt aangetroffen in tropische klimaten.
WIST JE DAT Ozonvorming
Ozon (O3) is een gas dat van nature aanwezig is op 10-15 km hoogte in de atmosfeer (de ozonlaag). Ongeveer 90% van het ozon (O3) op aarde bevindt zich op die hoogte en wordt gevormd door het inwerken van ultraviolette straling (UV-straling) op zuurstofmoleculen (O₂). De ozonlaag beschermt zo het leven op aarde tegen schadelijke uv-straling. De verlaagde concentratie aan ozon boven de polen wordt soms het 'gat in de ozonlaag' genoemd.
2 Welk broeikasgas draagt het meeste bij aan het natuurlijke broeikaseffect?
3 De natuurlijke koolstofkringloop speelt een belangrijke rol in de concentratie broeikasgassen in de atmosfeer, door opname en afgave van koolstofverbindingen zoals CO2 en CH4 . Hierdoor speelt de natuurlijke koolstofkringloop een belangrijke rol in het in evenwicht houden van de wereldtemperatuur .
a Zijn deze plaatsen een koolstofput of een koolstofbron?
KOOLSTOFPUT KOOLSTOFBRON
oceanen vulkanen gesteenten vegetatie moerassen
b De natuurlijke koolstofkringloop en het natuurlijk broeikaseffect zijn nauw met elkaar verbonden.
Toon dit aan door in de tabel het proces (links) te verbinden met de actor (rechts).
1 Absorberen warmte en stralen deze terug naar de aarde
2 Helpen mee om een stabiele temperatuur te behouden door opslag van koolstof voor langere tijd
3 Helpen mee om een stabiele temperatuur te behouden door opname (fotosynthese) en afgave (ademhaling) van CO2
O O CO2, CH4
O O vegetatie, fytoplankton
O O gesteenten
c Plaats de nummers uit voorgaande tabel op figuur x waar deze activiteit werkzaam is.
d Omcirkel de koolstofbronnen op de figuur x.
O2 UV O2 O2 O O O3 O3
O (= 1 atoom zuurstof) 39 De aarde is een systeem
=
2.17 een stukje natuur
4 Vergelijk het natuurlijke broeikaseffect met de werking van een serre. In een serre of broeikas kunnen gedurende een langere periode groenten, fruit of kruiden gekweekt worden omdat het er warmer is. Serres worden gemaakt van glas of heldere plastic, zodat veel zonlicht in de serre kan binnendringen. De werking wordt weergegeven op figuur 2.18. Glas of plastic vervullen bij het verwarmen van de serre ongeveer dezelfde functie als bij het natuurlijke broeikaseffect, namelijk
De warmtestralen verwarmen het glas, dat hierdoor opwarmt. Vervolgens zendt het glas warmtestralen terug in de serre. Op die manier verlaten de warmtestralen de serre niet.
De verwarmde objecten geven nu warmtestralen (lange gol engte) af.
Het licht van de zon (korte gol engte) valt in door het glas.
2.18 de werking van een serre
De planten en de grond in de serre absorberen de zonne-energie en warmen op.
.
1 4 2 3 DA
40 De aarde is een systeem
processen in het Systeem Aarde zorgen voor een verstoring van de concentratie broeikasgassen, treden terugkoppelingsmechanismen in werking.
a Onderzoek hoe het Systeem Aarde reageert op vulkaanuitbarstingen en vervolledig onderstaande tekst. Gebruik de volgende termen: verwering - broeikasgassen (2x) - oceanen - gesteenten - reflectie van zonlicht
Tussen 600 en 800 miljoen jaar geleden onderging onze aarde waarschijnlijk een periode van extreme koude. De aarde van toen wordt ook wel 'sneeuwbal aarde' genoemd. De ijskappen strekten zich bijna tot aan de evenaar uit. Het is duidelijk dat de aarde niet in deze diepvriesperiode is blijven steken. Niet alleen geloven wetenschappers dat extreem vulkanisme hiervan de aanleiding kan zijn geweest, maar ook de redding.
Onder de ijskappen bewogen de tektonische platen verder en was er veel vulkanische activiteit. Die vulkanische activiteit zorgde voor de uitstoot van waterdamp en CO2
Vulkaanuitbarstingen zorgden voor meer in de atmosfeer.
Tijdens deze koude periode viel er erg weinig neerslag waardoor er maar weinig van gesteenten was. Door verwering van gesteenten wordt in onze warmere wereld van vandaag koolstof opgeslagen in en . Bij dit proces wordt CO2 uit de atmosfeer gebruikt voor het oplossen van mineralen uit gesteenten. Tijdens de koude omstandigheden van de ‘sneeuwbalaarde’ werkt de chemische verwering van gesteenten trager.
Er blijven dus meer in de atmosfeer achter. Dat leidt tot een algemene temperatuurstijging / daling
Eens de aarde genoeg was opgewarmd, begon het ijs te smelten, waardoor er minder optrad en de temperatuur verder steeg / daalde
Een positieve / negatieve terugkoppeling trad in werking.
b Lees onderstaande tekst en schrap wat niet past.
Op korte termijn kunnen vulkanen voor nog een ander effect op het klimaat zorgen: De uitbarsting van de vulkaan Tambora in Indonesië in 1815 veroorzaakte een tijdelijke wereldwijde afkoeling van 3 °C. 1816 staat dan ook gekend als ‘het jaar zonder zomer’.
Tijdens de grote uitbarsting van 10 april 1815 werden enorm grote hoeveelheden as en fijnstof in de atmosfeer gebracht. De fijne stofdeeltjes werden verspreid over de atmosfeer. Op dit fijnstof reflecteert het zonlicht. Hierdoor zijn er meer / minder invallende zonnestralen en is er meer / minder absorptie van zonlicht op het aardoppervlak, waardoor de temperatuur stijgt / daalt. Dat is een positieve / negatieve terugkoppeling.
Door de uitbarsting van 1815 werd de naar schatting 4000 meter hoge vulkaankegel weggeblazen en blijft een krater achter.
5
Wanneer
41 De aarde is een systeem
2.19 Mount Tambora, Sumbawa, Indonesië
c Vul het feedbackmechnisme aan
De fijne roetdeeltjes die tijdens een vulkaanuitbarsting worden uitgestoten, zijn ook belangrijk bij wolkenvorming. Meer roetdeeltjes in de atmosfeer zorgen voor meer wolkenvorming . Als hierdoor meer lage dikke wolken ontstaan, dan reflecteert bewolking meer zonlicht. Ontstaan er meer hoge, dunne wolken, dan zorgt bewolking voor meer terugstraling van warmte naar het aardoppervlak.
- Plaats bij de pijlen een + voor een versterkend effect en een - voor een verzwakkend effect.
- Geef aan of het een positieve of negatieve feedbackloop is, schrap wat niet past.
reflectie van zonlicht
instraling van zonlicht
meer wolken
verdamping verdamping temperatuur temperatuur
positieve / negatieve terugkoppelingsmechanisme
terugstraling aardse warmtestralen
positieve / negatieve terugkoppelingsmechanisme
De wolkenfeedbackloop is een complex mechanisme dat door de wetenschap nog niet volledig wordt begrepen. Hoe het mechanisme reageert, is immers afhankelijk van de plaats, het seizoen en de samenstelling van het wolkendek. Momenteel veronderstellen wetenschappers dat de wolkenfeedbackloop in totaal als een negatieve feedback werkt.
WIST JE DAT Vulkaanuitbarstingen en klimaatverandering
Vulkaanuitbarstingen worden vaak besproken in de context van klimaatverandering, omdat ze CO2 en andere gassen in de atmosfeer vrijgeven. De impact van menselijke activiteiten op de koolstofcyclus is echter ruim honderd keer groter dan die van alle vulkanen in de wereld bij elkaar.
6 Ga na of alle broeikasgassen even sterk zijn
Sommige broeikasgassen dragen meer bij tot de opwarming van de aarde dan andere. Dat wordt het aardopwarmingsvermogen of global warming potential (GWP) van een gas genoemd. Het aardopwarmingsvermogen van een gas is een maat voor de hoeveelheid energie die de uitstoot van 1 ton gas over een bepaalde periode (vaak 100 jaar) kan absorberen en terug uitstralen, in verhouding tot 1 ton CO2 . Anders uitgedrukt, is het aardopwarmingsvermogen van een gas het relatieve vermogen van een gas om warmte in de atmosfeer vast te houden ten opzichte van een gelijke massa CO2. Hoe groter het GWP, hoe meer het gas de aarde opwarmt. Ook de levensduur of residentietijd van broeikasgassen bepaalt het opwarmend effect. Voor een gas met een langere levensduur vergroot het opwarmingsvermogen de impact op het broeikaseffect.
aardopwarmingsvermogen
een maat voor de hoeveelheid energie die de uitstoot van 1 ton van een gas over een bepaalde periode zal absorberen, in verhouding tot de uitstoot van 1 ton CO2
CO2 1 CH4 N2O 310 21
D 2.20 verschil in aardopwarmingsvermogen
42 De aarde is een systeem
a Wat is de impact van de uitstoot van een even grote concentratie methaan in de atmosfeer in plaats van CO2?
b Omcirkel het broeikasgas met het sterkste aardopwarmingsvermogen.
CO2 – CH4 – N2O – O3
c Omcirkel het broeikasgas dat het langste in de atmosfeer blijft.
CO2 – CH4 – N2O – O3
7 Formuleer aan de hand van de gegeven kernwoorden een antwoord op de onderzoeksvraag. langgolvige - aarde - koolstofputten - terugkoppelmechanismen - evenwicht - koolstofkringloopverstoring - koolstofbronnen - broeikasgassen
nemen de stralen die de uitstraalt op en stralen deze terug naar de aarde. Ze dragen niet allemaal evenveel bij aan het verwarmen van de aarde. Aan de hand van zoekt het Systeem Aarde na een naar een nieuw
De helpt bij het stabiel houden van de concentratie broeikasgassen door het afgeven (= ) en opnemen (= ) van koolstofhoudende broeikasgassen.
Vraag
3
Wat is de rol van reflectie en absorptie in het natuurlijk broeikaseffect?
1 Formuleer een hypothese bij de onderzoeksvraag.
2 Leg een zwart en een wit papier in de zon en meet na 20 minuten de temperatuur. Wat is het resultaat zijn? Formuleer een hypothese.
3 Bekijk het filmpje. Klik daarvoor op de link op e-ducate.me. Controleer je veronderstelling. Wat is het resultaat van dit experiment?
Niet alle kortgolvige straling van de zon bereikt het aardoppervlak. Zonlicht weerkaatst op wolken, maar ook op stofdeeltjes in de atmosfeer en op het aardoppervlak. Niet elk oppervlak weerkaatst evenveel energie. Terwijl de energie van de zon de aarde bereikt, reflecteren lichte kleuren een deel van de kortgolvige straling terug naar de ruimte en donkere kleuren (zoals het diepe blauw van de oceanen van de aarde) absorberen het. Ongeveer 30% van de zonne-energie die de aarde bereikt, wordt gereflecteerd door wolken, ijs, sneeuw of andere lichte oppervlakken. 70% wordt geabsorbeerd door de atmosfeer, de donkere oceaan en landoppervlakken.
4 Bij welke pijl op figuur 2.15 past het begrip albedo?
43 De aarde is een systeem
a Welke oppervlakken reflecteren veel zonlicht?
b Welke oppervlakken absorberen veel zonlicht?
c Zonlicht weerkaatst vooral op oppervlakken. Hierop weerkaatst de energie als kortgolvige straling terug naar de ruimte.
d oppervlakken absorberen daarentegen veel zonlicht. Deze energie wordt omgezet in warmte.
e Vink de plaatsen met het hoogste albedo aan.
O strand
5 Bestudeer in de tabel de verschillende oppervlakken en hun albedo
OPPERVLAK ALBEDO (%) Verse sneeuw 75 tot 95 Dikke wolken 60 tot 90 Dunne wolken 30 tot 50 IJs 30 tot 40 Zand 15 tot 45 Grasveld 10 tot 30 Woud 3 tot 10 Water 10
REFLECTIEVERMOGEN VAN OPPERVLAKKEN
O ijs O zand O woud O zee O oceaan O gesteente O gletsjer DA 44 De aarde is een systeem
7
2.21 gemiddelde albedo van de aarde (maart 2005, CERES)
a Zoek Groenland op de kaart en kruis dit aan.
b Is het albedo van Groenland eerder hoog of laag?
c Verklaar die waarde.
d Is de absorptie van kortgolvige straling in Groenland hoog of laag?
e Wat betekent dat voor de gemiddelde temperatuur op Groenland? warm / gematigd / koud
f Waar bevinden zich de koude klimaten op aarde? Verklaar aan de hand van het albedo.
evenwicht tussen inkomende en uitgaande straling (netto-straling) voor maart 2019 (in Watt per kubieke meter (W/m³)
2.22 netto-straling, maart 2019 (CERES Netflux in W/m2)
a Waar is de netto-straling het laagst? aan de polen / rond de evenaar
b Waar is de netto-straling het hoogst? Aan de polen / rond de evenaar
6 Bestudeer het satellietbeeld met het gemiddelde albedo van de aarde en los de vragen op.
Bepaal waar de stralingsbalans het hoogst is
45 De aarde is een systeem
DA
c Verklaar dit aan de hand van de instraling door de zon. Figuur 2.23 kan je hierbij helpen.
d Welk klimaat komt voor op de plaatsen waar de netto-straling het hoogst is? warm / gematig / koud / nat
2.23 invallend zonlicht op de aarde
8 Vul het ijs-albedo-terugkoppelingsmechanisme aan: plaats + (plus) voor een versterkend effect, - (min) voor een afzwakkend effect.
In de poolgebieden, vooral in het noordpoolgebied, wordt ongeveer 80% van de zonnestraling teruggekaatst naar de atmosfeer, waardoor de lucht koel blijft en sneeuw en ijs niet volledig smelten. Dat is het ijs-albedo-terugkoppelingsmechanisme.
ijs-en sneeuwbedekking
reflectie albedo omgevingstemperatuur
Dit is een positieve / negatieve terugkoppeling.
9 Formuleer aan de hand van de gegeven kernwoorden een antwoord op de onderzoeksvraag. energie - teruggekaatst - behoud - wereldtemperatuur - opgenomen - albedo
Het van de aarde bepaalt hoeveel van de zon wordt
. Niet alle energie van de zon wordt door de aarde .
Dat helpt mee aan het van de gemiddelde .
Vraag Hoe heeft de beweging van koolstof doorheen het Systeem Aarde een effect 4 op het klimaat?
1 Formuleer een hypothese bij de onderzoeksvraag.
D 46 De aarde is een systeem
Er zijn twee koolstofkringlopen actief in het Systeem Aarde. De korte koolstofkringloop duurt seconden, minuten, dagen, tot duizenden jaren. De korte kringloop speelt zich vooral af binnen de biosfeer, de sfeer van het leven.
Planten en fytoplankton (algen en wieren) nemen CO2 op uit de atmosfeer ( ). Zij zetten die om in energierijke koolstofverbindingen (zetmeel en suikers) dankzij fotosynthese. Ze worden gegeten door planteneters en die worden op hun beurt gegeten door vleeseters. Organisch materiaal en dode organismen worden door reducenten opgeruimd ( ). Daarbij komt koolstof onder de vorm van bijvoorbeeld koolstofdioxide en methaan weer vrij in de atmosfeer.
Tijdens de ademhaling nemen planten en dieren zuurstof op en geven ze CO2 af aan de atmosfeer ( ). Ook oppervlaktewater wisselt gas uit met de atmosfeer, waardoor onder andere CO2 wordt geabsorbeerd en weer vrijgegeven door golven ( ). De lange koolstofkringloop werkt over miljoenen jaren. Door een reeks chemische reacties en tektonische activiteit verplaatst koolstof zich tussen gesteenten, de bodem, de oceaan en de atmosfeer.
Koolstof uit de atmosfeer combineert met water tot lichtzure neerslag. Het zuur lost gesteenten op (dat noemt men chemische verwering) ( ). Rivieren transporteren opgeloste elementen van gesteenten naar de oceanen ( ). De koolstof wordt gebruikt bij de vorming van skeletten, die na het afsterven van de organismen op de oceaanbodem bezinken en na lange tijd gesteenten zoals kalksteen vormen ( ). Oceaanstromingen verdelen de koolstof die in de oceanen terecht komt over de planeet. De oceaan is in staat grote hoeveelheden koolstof op te slaan, afhankelijk van de temperatuur van het water. Uit onvolledig verteerde organismen kan na miljoenen jaren koolstofhoudende aardolie, aardgas of steenkool (fossiele brandstoffen) ontstaan ( ).
Bij een vulkaanuitbarsting komt koolstof uit gesteenten als CO2 in de atmosfeer ( ). Bij een bosbrand komt koolstof uit vegetatie als CO2 in de atmosfeer ( ).
WIST JE DAT ... Koolstof
Koolstof wordt gemaakt in het hart van oudere sterren. Het is het 4de meest aanwezige element in het heelal, na waterstof (H), helium (He) en zuurstof (O).
In zijn natuurlijke vorm is koolstof het 15de meest aanwezige element (0,025%) in de aardkorst. In het menselijk lichaam maakt het 23% uit van het gewicht van een persoon van 70 kg en is daarmee het tweede belangrijkste element in het menselijk lichaam (na zuurstof).
2 Vul de letters op figuur 2.24 in op de tekst eronder. Koolstof beweging Fotosynthese Erosie en Transport k c c b b a e a a f d i j g g h h
47 De aarde is een systeem
2.24 natuurlijke koolstofkringloop
4 In welke sferen van het Systeem Aarde zit koolstof?
O Geosfeer
O Atmosfeer
O Hydrosfeer
O Biosfeer
5 Onderstreep de woorden die thuishoren bij de lange koolstofkringloop rood en de woorden die horen bij de korte koolstofkringloop groen.
Fotosynthese - fossiele brandstoffen – kalksteen – ademhaling – vulkaanuitbarsting
6 Wanneer er een verstoring optreedt in de concentratie CO2, treden er in het Systeem Aarde terugkoppelingen in werking om het systeem terug in evenwicht te brengen. Eén van de feedbackmechanismen die in werking treedt, is de fotosynthesefeedbackloop.
CO2 in de atmosfeer plantengroei fotosynthese opname van CO2
a Vul een + (plus) in waar beide termen toenemen of afnemen, een - (min) waar één van de termen toeneemt en de andere afneemt.
b Dit is een positieve / negatieve feedback.
Opmerking: Dit mechanisme kan worden overschaduwd door te hoge temperaturen waardoor plantengroei niet meer gunstig verloopt of door waterstress.
7 Formuleer aan de hand van de gegeven kernwoorden een antwoord op de onderzoeksvraag. ademhaling - koolstofkringloop - fotosynthese - koolstofbronnen - verbranding - koolstofputtenterugkoppelingsmechanismen - broeikasgassen
Koolstofdioxide en methaan zijn die van nature in de atmosfeer aanwezig zijn. De beschrijft hoe de aarde koolstof opneemt uit en afgeeft aan de atmosfeer en daarbij een kringloop doorloopt via gesteentevorming, verwering,
, en . Er is een korte en een lange koolstofkringloop. De koolstofkringloop werkt als een thermostaat voor de wereldtemperatuur:
bij verstoringen van de wereldtemperatuur nemen meer broeikasgassen op of geven meer broeikasgassen af en treden in werking om het systeem weer in evenwicht te brengen.
3 Noem enkele stoffen waarin koolstof voorkomt.
48 De aarde is een systeem
2.25 fotosynthesefeedbackloop
BESLUIT het Systeem Aarde regelt het klimaat
Het natuurlijk broeikaseffect, het albedo en de natuurlijke koolstofcyclus zijn belangrijke onderdelen van het klimaatsysteem dat het klimaat in het Systeem Aarde reguleert. Ze werken doorheen de vier sferen.
Het natuurlijk broeikaseffect is het proces waarbij broeikasgassen in de atmosfeer warmte absorberen en terugstralen. Deze gassen laten kortgolvige straling van de zon door naar het aardoppervlak, dat vervolgens wordt verwarmd. De aarde straalt warmte uit als langgolvige straling die wordt geabsorbeerd en teruggestraald door de broeikasgassen. Globaal genomen zijn de inkomende zonnestraling en de aardse uitgaande straling in evenwicht, waardoor de wereldtemperatuur in evenwicht is. Dat verschijnsel wordt de stralingsbalans genoemd. Hierbij wordt veel energie uitgewisseld tussen de vier sferen.
Het albedo of het lichtweerkaatsend vermogen van een oppervlak, speelt een rol bij het natuurlijke broeikaseffect. Oppervlakken met een hoog albedo, zoals sneeuw en ijs, weerkaatsen zonlicht terug de ruimte in, waardoor niet alle energie van de zon die het aardoppervlak bereikt, omgezet wordt in warmte.
Broeikasgassen voorkomen dat de langgolvige warmtestraling die de aarde uitstraalt, volledig ontsnapt naar de ruimte. Hierdoor blijft de gemiddelde temperatuur op de aarde leefbaar (15 °C). Niet alle broeikasgassen dragen evenveel bij aan het verwarmen van de aarde.
Koolstofdioxide en methaan zijn belangrijke natuurlijke broeikasgassen die doorheen het Systeem Aarde bewegen via de koolstofkringloop. Via processen zoals fotosynthese, ademhaling, verwering, gesteentevorming en verbranding, wordt koolstof in de atmosfeer gebracht en uit de atmosfeer gehaald, wat bijdraagt aan een wereldtemperatuur in evenwicht.
Verstoringen in het Systeem Aarde kunnen leiden tot het in werking treden van een positief of negatief terugkoppelingsmechanisme om het Systeem Aarde weer in evenwicht te brengen.
49 De aarde is een systeem
Synthese in uitwerking
GEOSFEER ATMOSFEER
KLIMAAT
natuurlijk broeikase ect koolstofkringloop
HYDROSFEER BIOSFEER
50 De aarde is een systeem
in uitwerking 51 De aarde is een systeem
Zelftest
