Introductie

1 Introductie

Zonder atmosfeer zou de aarde niet leefbaar zijn. Niet alleen omdat mensen en dieren niet zonder zuurstof kunnen en de ozon in de stratosfeer de schadelijke ultravioletstraling van de zon grotendeels tegenhoudt. Maar ook omdat de broeikasgassen in de atmosfeer zorgen voor een leefbare gemiddelde temperatuur op aarde. De tropen ontvangen gemiddeld meer zonnestraling dan de gematigde breedtes en veel meer dan de poolstreken. Hierdoor worden stromingen in de oceanen en in de atmosfeer in gang gehouden die een deel van de energie van de tropen naar de gematigde breedtes en de poolstreken transporteren. En daardoor blijven de temperatuurverschillen tussen de tropen, de gematigde breedtes en de poolstreken beperkt. In dit keuzekatern leer je hoe de natuurkunde bijdraagt aan het begrip van de weersystemen en het klimaat.

HOOFDSTUKVRAAG

Waardoor ontstaan weersverschijnselen zoals depressies, wind, bewolking en neerslag?

In dit katern ga je na door welke natuurkundige processen deze weersverschijnselen optreden. Je zoekt naar antwoorden op de volgende vragen: E Hoe veranderen luchtdruk, dichtheid, temperatuur en relatieve vochtigheid naarmate je hoger in de atmosfeer komt en hoe kun je dat verklaren? (paragraaf 2) E Waardoor wordt wind aangedreven en welke windrichting en snelheid levert dat op? (paragraaf 3) E Hoe en waardoor ontstaat de straalstroom en hoe kan een slinger in de straalstroom uitgroeien tot een depressie? (paragraaf 4) E Hoe ontstaan bewolking en regen in een depressie en waardoor is het in een hogedrukgebied mooi zonnig weer? (paragraaf 5)

INLEIDING

Druk en dichtheid

De druk in een gas wordt veroorzaakt door botsingen van bewegende gasmoleculen. De druk van een gas is de kracht die het per m2 op een oppervlak uitoefent. In formule:

p = F _ A

Hierin is p de druk (in Pa = N/m2), F de nettokracht (in N) en A de grootte van het oppervlak (in m2).

De dichtheid van een gas is de totale massa per m3 van alle moleculen in een gegeven volume. In formule:

ρ = m _ V

Hierin is ρ de dichtheid (in kg/m3), m de totale massa (in kg) en V het volume (in m3).

Wordt een bepaalde hoeveelheid (aantal moleculen) gas samengeperst bij constante temperatuur, dan neemt de dichtheid toe en daardoor ook de druk, doordat er per seconde meer gasmoleculen tegen elke m2 oppervlak botsen. Wordt een bepaald volume gas, met constante massa, verwarmd, dan neemt de druk toe, doordat er per seconde meer gasmoleculen tegen elke m2 oppervlak botsen en gemiddeld ook harder.

Figuur 1 Deltavliegen

SAMENSTELLING VAN DE ATMOSFEER

De meest voorkomende gassen in de atmosfeer zijn stikstof (N2), zuurstof (O2) en argon (Ar). Verder zijn er nog sporengassen, zoals de broeikasgassen koolstofdioxide (CO2), methaan (CH4) en waterdamp (H2O). Hoog in de atmosfeer houdt ozon (O3) het kortgolvige uv in de zonnestraling tegen. Voor het weer zijn waterdamp, water en ijs de invloedrijkste componenten in onze atmosfeer, ook al is de hoeveelheid relatief gering. Verdamping en condensatie van water speelt ook een belangrijke rol bij de energiehuishouding van de atmosfeer.

koolstofdioxide (CO2) argon

overige

stikstof zuurstof

Figuur 3 Een heteluchtballon houdt de mand met mensen in de lucht, doordat de opwaartse kracht op de ballon met verdunde lucht even groot is als de zwaartekracht op het geheel.

Figuur 4 Wordt de lucht over een groot gebied van beneden af gelijkmatig verwarmd, dan vindt alleen verticale menging plaats door opstijgende warme en dalende minder warme lucht(bellen).

24°C

17°C 20°C

Figuur 5 Alleen bij de verwarming wordt de lucht verwarmd waardoor er convectieve stroming (circulatie) ontstaat.

Experiment 1: Schoorsteentrek

W1 Heteluchtballon Opwaartse kracht

Sta je tot je middel in het water, dan voel je je lichter dan normaal. De normaalkracht op je voeten is kleiner dan wanneer je op de kant staat. Het water zorgt voor een extra kracht omhoog. Deze opwaartse kracht wordt veroorzaakt doordat de druk in de vloeistof toeneemt met de diepte. Ook in de atmosfeer oefent de lucht een opwaartse kracht uit op een voorwerp. Dat zie je bij heel lichte voorwerpen, zoals een heliumballon en een heteluchtballon. Zie figuur 3.

Convectieve menging en convectieve stroming

Wordt in de mand van de heteluchtballon de gasbrander aangezet, dan wordt de lucht onderin de ballon warmer en zet daardoor uit. In de ballon wordt deze verwarmde lucht omhoog geduwd door de minder warme maar dichtere lucht. Daardoor vindt in de ballon verticale menging plaats van nieuw verwarmde lucht met de rest van de lucht. Dit heet convectieve menging. Door die menging neemt de temperatuur van alle lucht in de ballon toe en de dichtheid dus af. Er wordt, aan de open onderkant, lucht uit de ballon geduwd, die daardoor lichter wordt.

Boven een woestijn vindt een tijdje na zonsopkomst verwarming van lucht plaats. Ook dan stijgen warme ‘luchtbellen’ op en zakt minder warme lucht daarlangs naar beneden. Maar als het een grote woestijn is en de opwarming over een groot gebied hetzelfde is, ontstaat er geen horizontale beweging van lucht. Er stijgt warme lucht op en er daalt net zo veel koelere lucht, er is geen sprake van een netto-stroming van lucht. Wel wordt de dichtheid van de lucht boven de woestijn kleiner en zet de atmosfeer dus uit naar boven.

Als lucht niet gelijkmatig over een groot gebied aan het aardoppervlak wordt verwarmd maar slechts lokaal, ontstaat er convectieve stroming, een rondstromen van lucht door verwarming. De horizontale stroomrichting beneden is dan tegengesteld gericht aan die bovenin. Eenzelfde stroming ken je van de lucht in een afgesloten ruimte met een verwarming aan een muur. Zie figuur 5.

Middelpuntzoekende kracht

Voor een eenparige cirkelbeweging, of een deel daarvan, is een middelpuntzoekende kracht F mpz nodig waarvoor geldt:

F mpz = m·v2 _____ r

Hierin is v de snelheid van het voorwerp (in m/s) met massa m (in kg) en r de straal van de cirkelbaan waar de bocht een deel van is (in m).

Elektromagnetisch spectrum

Ultravioletstraling, zichtbaar licht en infraroodstraling (of warmtestraling) zijn de drie vormen van elektromagnetische straling die een rol spelen in de stralingsbalans van de aarde en de atmosfeer. De straling van de zon bevat alle drie de vormen, maar de atmosfeer absorbeert grotendeels het ultraviolet en gedeeltelijk het infrarood. Zie figuur 6.

Het aardoppervlak straalt alleen infraroodstraling uit. De uitgestraalde energie wordt voor een groot deel in de atmosfeer geabsorbeerd en vervolgens naar boven en naar beneden weer uitgestraald. Door dit broeikaseffect is de gemiddelde temperatuur van het aardoppervlak ongeveer 20 graden hoger dan zonder atmosfeer het geval zou zijn.

Warmte en temperatuur

Bij een hogere temperatuur bewegen de gasmoleculen sneller, ze hebben dan meer bewegingsenergie. De temperatuur van een gas is evenredig met de gemiddelde bewegingsenergie van de gasmoleculen. Wordt een hoeveelheid warmte (in J) aan een bepaald volume gas toegevoerd, dan neemt de totale bewegingsenergie van de gasmoleculen in dat volume met datzelfde bedrag toe. In het algemeen kan warmte toegevoerd worden door geleiding, stroming of straling.

Bij de faseovergang van damp naar vloeistof (bijvoorbeeld condensatie van waterdamp) neemt de totale hoeveelheid bewegingsenergie van de dampmoleculen af. Die vrijkomende energie is warmte die ten goede komt aan de vloeistof. Ook komt er warmte vrij als water bevriest. Omgekeerd onttrekt de damp warmte aan de vloeistof bij verdamping en is er warmte nodig om ijs te laten smelten.

Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a Luchtdruk is de kracht per m2 en de eenheid is pascal (Pa). b Luchtdruk is altijd loodrecht op het betreffende oppervlak. c Temperatuur en warmte zijn twee verschillende woorden voor precies dezelfde grootheid. d De luchtdruk is altijd evenredig met de dichtheid van de lucht.

Een dichtgeknoopte weerballon (600 g rubber) is gevuld met helium en heeft dan een diameter van 1,5 m. De luchtdruk aan de grond is 1,0·105 Pa. Nadat de ballon is losgelaten, stijgt hij op en neemt de sonde (250 g) met meetinstrumenten mee omhoog. De dichtheid van lucht bij 1,0·105 Pa is 1,3 kg/m3 en van helium 0,18 kg/m3 . a Laat zien dat de opwaartse kracht op de ballon bij het loslaten 23 N is. (Hint: voor het volume van een bol geldt: V = 4 __

3 ⋅ π ⋅ r3) Bij meting blijkt de ballon (zonder de sonde) vóór het loslaten een omhoog gerichte trekkracht van 13 N te leveren. b Leg uit dat direct na het loslaten de nettokracht op de sonde 11 N is. c Leg uit waardoor al heel snel de nettokracht op de sonde 0 is geworden. Op 30 km hoogte knapt de ballon als de diameter 6 m is geworden. d Laat met een berekening zien dat de druk van het helium in de ballon tot minder dan 1,6·104 Pa is afgenomen op het moment dat de ballon knapt. In werkelijkheid is de druk in de ballon nog een stuk lager als hij knapt. e Leg uit dat de temperatuur op 30 km hoogte een stuk lager moet zijn dan op het punt van loslaten.

Een rivier maakt een bocht naar rechts. a Leg uit dat het waterniveau bij de linker oever hoger is dan bij de rechter. b Leg uit dat er op elke liter water van de rivier een middelpuntzoekende kracht werkt naar het middelpunt van de bocht.

² · nm)) (W/(m intensiteit straling uv zichtbaar infrarood

zonnestraling buiten de atmosfeer theoretische zonnestraling buiten de atmosfeer zonnestraling op zeeniveau

H₂O

H₂O

H₂O CO₂ H₂O

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 golflengte λ (nm)

Figuur 6 Zonnestraling op en door de atmosfeer

Figuur 7 Een weerballon wordt opgelaten

W2 Zonneboiler