Page 1


havo

Newt A n Natuurkunde voor de bovenbouw


Auteurs Jan Flokstra, Aart Groenewold, Kees Hooyman, Carolien Kootwijk, Koos Kortland. Mark Bosman, Nicole ten Broeke, Torsten van Goolen, René Hazejager, Michel Philippens, Mariska van Rijsbergen, Hein Vink. Eindredactie Jan Flokstra, Aart Groenewold Eindredactie digitaal Evert-Jan Nijhof Bureauredactie Easy Writer, Maurik Opmaak Crius Group Ontwerp en beeldresearch Michelangela, Utrecht Tekeningen Jaap Wolters, Amersfoort, DDCom, Veldhoven

Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt zich van educatieve uitgeverij tot een learning design company. We brengen content, leerontwerp en technologie samen. Met onze groeiende expertise, ervaring en leeroplossingen zijn we een partner voor scholen bij het vernieuwen en verbeteren van onderwijs. Zo kunnen we samen beter recht doen aan de verschillen tussen lerenden en scholen en ervoor zorgen dat leren steeds persoonlijker, effectiever en efficiënter wordt. Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 90 06 98792 8 Vijfde druk, eerste oplage © ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2021 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het ­Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieën in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.


Inhoud Werken met Newton

4

K3 Weer en atmosfeer

6

Natuurkunde van wind, bewolking en neerslag

1 Introductie 2 Luchtvochtigheid en wolken 3 Luchtdruk en temperatuur in de atmosfeer 4 Wind 5 Fronten, wolken en neerslag 6 Verdieping 7 Afsluiting Antwoorden op rekenvragen Register

7 11 19 27 36 43 46

51 52




Werken met Newton 

A

4

WERKEN MET NEWTON VOOR DE LEERLING Op jouw school werk je met de methode Newton. Met je klasgenoten ga je ontdekken en onderzoeken hoe de natuurkunde in theorie en in de praktijk werkt, zodat je je goed kunt voorbereiden op het eindexamen. Op deze pagina vind je uitleg over de onderdelen die je tegenkomt bij het werken met Newton. Er zijn werkbladen en experimenten beschikbaar. Je docent maakt een keuze hieruit en zal deze verspreiden.

Keuzekatern en digitaal materiaal Alle leerstof die je nodig hebt voor het keuzeonderwerp Weer en atmosfeer vind je in dit keuzekatern. Ook vind je verwijzingen naar onderdelen die de docent verspreidt. Introductie

H O O F D S T U K V R A AG

INLEIDING

Het keuzekatern begint met een introductieparagraaf. Je maakt kennis met het onderwerp vanuit de praktijk. Dan zie je de hoofdstukvraag, zodat je weet wat je gaat leren. In overleg met je docent ga je aan de slag met de opgaven en werkbladen. Paragraaf

PA R AG R A A F V R A AG Als je een T bij een opgave ziet staan, kun je aan de slag met een tekenblad. Tekenbladen vind je in je eigen digitale omgeving.

E In

de gele kaders zie je samengevatte leerstof.

In de paarse kaders zie je formules en rekenvoorbeelden.

Elke paragraaf heeft dezelfde opbouw: E Ontdekken: Met de experimenten, opgaven en de ontdekactiviteiten op ­werkbladen ontdek je hoe de natuurkunde werkt. Je docent bepaalt met welke experimenten en andere ontdekactiviteiten je aan de slag gaat. Bij Ontdekken wordt de paragraafvraag geïntroduceerd, zodat je een beeld hebt waarover het in deze paragraaf zal gaan. E Begrijpen: Alle belangrijke leerstof wordt in begrijpelijke taal aan je uitgelegd. Belangrijke begrippen zijn weergegeven als paarse woorden. Deze vind je ook in het register achter in dit keuzekatern. Samenvattingen van de uitleg vind je in aparte gele kaders direct onder de leerstof. De opgaven zijn erop gericht om je de leerstof goed te laten begrijpen. Bij sommige opgaven heb je een tekenblad nodig om iets te tekenen. E Beheersen: De leerstof van Begrijpen wordt uitgebreid, zodat je ermee kunt gaan redeneren en rekenen. Formules zie je in aparte paarse kaders. Naast een formule vind je in de marge soms een of meer rekenvoorbeelden. In de opgaven leer je zowel redeneren als rekenen. De uitkomsten van de rekenopgaven vind je achter in dit keuzekatern. Verdieping Aan het einde van dit keuzekatern kun je je extra verdiepen in het onderwerp met extra leerstof en opgaven.

Van elk hoofdstuk is er een uitgebreide samenvatting.

Afsluiting Je blikt terug op de hoofdstukvraag. Kun je deze nu beantwoorden? Je maakt aan de hand van vragen zelf een samenvatting. Dit kun je doen op basis van de korte samenvattingen in de paragrafen. In de keuzeopdrachten leer je hoe de natuurkunde van het hoofdstuk werkt in andere praktijksituaties. Je docent bepaalt of je ermee aan de slag gaat. Met de eindopgaven test je jezelf op examenniveau: ben je klaar voor het echte werk? Leerdoelen Bij elke paragraaf horen leerdoelen. De leerdoelen staan hier overzichtelijk bij elkaar. Daarmee kun je voor jezelf nagaan welke leerdoelen je wel of nog niet beheerst.


5

A

Werken met Newton

WERKEN MET NEWTON VOOR DE DOCENT Newton is een contextgerichte methode met veel aandacht voor begripsontwikkeling, experimenten en differentiatie. Alles voor het centrale examen en schoolexamen Per leerjaar is er voor havo en voor vwo een leerwerkboek met de verplichte leerstof voor CE en SE. Elk subdomein is ondergebracht in een hoofdstuk. Daarnaast zijn er zowel voor havo als voor vwo vier keuzekaternen met aparte hoofdstukken voor de SE-keuzedomeinen. Digitaal materiaal voor leerling en docent Via je licentie krijg je als docent toegang tot de digiboeken van de leerwerkboeken en de SE-keuzehoofdstukken. Ook heb je de beschikking over werkbladen, experimenten, keuzeopdrachten, toetsen en vele extra’s. Je kunt zelf kiezen wat je je leerling aanbiedt. Herkenbare didactische opbouw Elke paragraaf heeft een didactische opbouw die flexibel kan worden ingezet: 1 Het onderdeel Ontdekken is bedoeld voor activerend leren in de vorm van experimenten en ontdekactiviteiten. Deze vind je op de docentenpagina als werkbladen en experimenten. Je kunt zelf een selectie maken en onder de leerlingen verspreiden. 2 De kern van de leerstof van elke paragraaf bestaat uit de onderdelen Begrijpen en Beheersen. Bij Begrijpen is er sprake van kwalitatieve begripsvorming. Opgaven zijn voornamelijk gericht op begripsontwikkeling. 3 In het onderdeel Beheersen wordt de stap gezet naar kwantitatieve beheersing. De benodigde formules worden hier aangeboden. In de nieuwe examens wordt namelijk steeds meer een beroep gedaan op het kunnen beredeneren van de oplossing van een vraagstuk. Verdieping en Afsluiting De paragraaf Verdieping biedt bij elk hoofdstuk de mogelijkheid voor differentiatie. De leerstof is een aanvulling voor de gemotiveerde leerling, maar valt buiten het ­CE-examenprogramma. De leerstof van Verdieping kan naar eigen ­inzicht ­worden getoetst. Hetzelfde geldt voor de keuzeopdrachten, waarnaar in de ­Afsluiting ­verwezen wordt. Context leidt tot inzicht in concept Elk hoofdstuk en elk keuzekatern van Newton begint met een contextuele vraag waarmee de theorie en de opgaven toepassingsgericht worden aangeboden. De contextkaders op een paarse achtergrond (geen examenstof) bieden toepassing in concrete praktijkvoorbeelden. Er wordt extra gevarieerd met contexten in de opgaven, keuze­opdrachten en eindopgaven. Zo oefent de leerling met het oplossen van vraagstukken in bestaande en nieuwe contexten. Extra aandacht voor vaardigheden Hoofdstuk 15 van het leerwerkboek richt zich op de voorbereiding voor het examen. Hoofdstuk 11 omvatte rekenvaardigheden en wiskundige vaardigheden. In hoofdstuk 6 zijn aan bod geweest: rekenen, onderzoeken, modelleren en ontwerpen.

ONTDEKKEN Centrale vraag voor de leerling: “Waar gaat dit over?”

BEGRIJPEN Centrale vraag voor de leerling: “Wat is hier aan de hand?”

BEHEERSEN Centrale vraag voor de leerling: “Wat moet ik hiermee kunnen?”

VERDIEPEN


K3 1 2

Introductie

7

Luchtvochtigheid en wolken

11

Luchtdruk en temperatuur in de atmosfeer

19

Wind

27

Fronten, wolken en neerslag

36

6

Verdieping

43

7

Afsluiting

46

3

4 5

Weer en atmosfeer

Natuurkunde van wind, bewolking en ­neerslag


7

A

1

Weer en atmosfeer

Introductie

Het weer is soms heel wisselvallig, waarbij wind en stevige regenbuien afgewisseld worden met opklaringen. Maar het kan ook langdurig rustig en zonnig weer zijn. Die verschillen worden veroorzaakt door complexe processen in de atmosfeer en aan het aardoppervlak. Bij die processen spelen natuurkundige begrippen zoals luchtdruk, instraling van de zon en relatieve luchtvochtigheid een rol.

invalshoeken zonnestralen zonnestralen

60° N.B.

zonnestralen

30° N.B.

zonnestralen

0° of evenaar

H O O F D S T U K V R A AG 30° Z.B.

Hoe zijn weersverschijnselen als wind, wolkenvorming en neerslag natuurkundig te verklaren? In dit katern ga je na door welke natuurkundige processen bepaalde weersverschijnselen optreden. Daarbij zoek je antwoord op de volgende vragen:  Hoe ontstaan wolken en welke rol speelt de relatieve luchtvochtigheid daarbij? (paragraaf 2)  Wat is luchtdruk? Hoe verandert de luchtdruk als je in de atmosfeer omhoog gaat? Hoe verandert de temperatuur van de lucht met de hoogte? (paragraaf 3)  Hoe ontstaat wind op kleine schaal, zoals een zeebries? Waardoor is de richting van de wind op de weerkaart langs de isobaren? (paragraaf 4)  Hoe zorgen warmte- en koufronten voor bewolking en neerslag? (paragraaf 5)

60° Z.B.

Figuur 1  Op hogere breedtegraden valt het zonlicht midden op de dag schuiner in.

Experiment 1: Instraling van de zon

INLEIDING De temperatuur van de lucht op zeeniveau is niet constant. Meestal is het midden op de dag het warmst en in de zomer is de temperatuur hoger dan in de winter. De per jaar gemiddelde temperatuur van de lucht bij het aardoppervlak hangt vooral af van de plaats op aarde. Dichter bij de evenaar is het gemiddeld over het jaar warmer dan op hogere breedtegraden. Die verschillen worden vooral bepaald door de hoek waaronder het zonlicht op het aardoppervlak schijnt. Valt het schuiner in op het aardoppervlak, dan wordt het verdeeld over een grotere oppervlakte. Per vierkante meter ontvangt het aardoppervlak dan minder stralingsenergie, de instraling is dan kleiner. En dat zorgt voor een lagere temperatuur van de lucht bij het aardoppervlak.

west zuid

zomer

winter

horizon oost

draai-as van de aarde

hoek draai-as met baanvlak: ,° evenaar herfst

winter

zon

N zomer Z

Dat de luchttemperatuur bij de grond gemiddeld over een etmaal in de zomer hoger is dan in de winter komt niet alleen doordat de zon in de zomer midden op de dag hoger aan de hemel staat dan in de winter, maar ook doordat een zomerse dag langer duurt dan een winterse dag. Dit is te zien in figuur 2. Voor de verschillende seizoenen is aangegeven hoe in Nederland de zon overdag langs de hemel trekt.

lente

Figuur 2  Hemelbogen van de zon zoals wij die in Nederland zien.




 1 Introductie Weer en atmosfeer

A

8

Hoe de temperatuur gedurende een etmaal verloopt, hangt ook af van het weer. Bijvoorbeeld of er warmere of koudere lucht van elders aangevoerd wordt. En of er wel of geen bewolking is. In de meteogrammen van figuur 3 zie je hoe de temperatuur verloopt op twee verschillende dagen in hetzelfde seizoen. Het bovenste meteogram is van twee heldere dagen. Dan koelt het ‘s nachts flink af. De temperatuur blijft de hele nacht dalen. Het begint pas warmer te worden als de zon opkomt. Meteogram voor De Bilt, Utrecht (komende 48 uur) 26°

dinsdag 21 april

woensdag 22 april

22° 18° 14° 10° 6°

18 20 22 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 02 00 02 04 06 08 10 12 14 16

Meteogram voor Boerdonk, Noord Brabant (komende 48 uur) 16°

woensdag 7 januari

donderdag 8 januari

14° 12° 10° 8° 6°

02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00

Figuur 3  Meteogrammen van twee heldere dagen en twee bewolkte dagen.

De nachtelijke afkoeling wordt veroorzaakt door infrarode uitstraling. Alle voorwerpen, vloeistoffen en gassen zenden (infrarode) warmtestraling uit. Hoe hoger de temperatuur hoe meer energie (warmte) er uitgestraald wordt. Doordat een m3 lucht maar een heel kleine warmtecapaciteit heeft, koelt het snel af door uitstraling. Voor de aardbodem, wateroppervlakken, gebouwen, bossen en gewassen geldt dat niet, die warmen langzamer op en koelen langzamer af. Daardoor heeft de lucht vlakbij het aardoppervlak meestal bijna dezelfde temperatuur als het aardoppervlak. Het nachtelijk verloop van de temperatuur van de lucht wordt dus bepaald door het effect van de warmte-uitstraling van het aardoppervlak. Bij de minimumtemperatuur is er stralingsevenwicht, daarna is de instraling van de zon in het aardoppervlak groter dan de (infrarode) uitstraling en neemt de temperatuur toe. Ook overdag wordt bij windstil weer de temperatuur van de lucht bij het aardoppervlak bepaald door de bodem, de bebouwing en de gewassen, want lucht absorbeert nauwelijks zonlicht. Ook bij de maximumtemperatuur is er stralingsevenwicht en dat wordt meestal pas na de middag bereikt, als de zon al over het hoogste punt heen is. Zie figuur 4. In de uren daarna daalt de temperatuur doordat de instraling van de zon kleiner wordt dan de (toegenomen) uitstraling.


A

Weer en atmosfeer 1 Introductie 

temperatuur T

9

temperatuur van de lucht bij het aardoppervlak

intensiteit I

ingestraalde vermogen door de zon uitgestraalde vermogen door aarde plus atmosfeer

12

2

4

netto instraling

6

8

10

12

2

4

6

8 10 12 tijd van de dag (uur)

Figuur 4  Instraling (oranje) en uitstraling (blauw) bij het aardoppervlak gedurende een etmaal

Op een bewolkte dag loopt de temperatuur overdag minder op, doordat wolken het licht van de zon gedeeltelijk weerkaatsen en gedeeltelijk absorberen. Die energie bereikt dan niet het aardoppervlak. In de nacht koelt het dan juist minder af, doordat de wolken als een deken werken. De infraroodstraling van de aarde wordt bijna volledig door de wolken geabsorbeerd en deels teruggezonden naar de aarde. De temperatuur van de lucht op zeeniveau hangt ook af van de windrichting. Zuidenwind zorgt in Nederland voor een hogere temperatuur, want die brengt lucht mee uit warmere landen. Wind uit het oosten brengt in de zomer warme lucht en in de winter koude lucht. Dat hoort bij het landklimaat van Oost-Europa. Voor westenwind geldt het omgekeerde (koele zomers en zachte winters). Dat hoort bij het zeeklimaat. Westenwind brengt meestal ook vochtige lucht naar Nederland, en dat betekent bewolking (en vaak regen). Stevige wind betekent ook dat de gevoelstemperatuur lager is, doordat wind een afkoelend effect heeft. De gevoelstemperatuur geeft aan hoe koud het aanvoelt vergeleken met een windstille dag. Bovendien hangt de gevoelstemperatuur af van de luchtvochtigheid. Bij warm weer voelt vochtige lucht broeierig aan, bij koud weer voelt vochtige lucht juist extra koud aan (waterkoud). temperatuur van het aardoppervlak wordt bepaald door de instraling van de zon en de uitstraling van infraroodstraling van het aardoppervlak. B De instraling van de zon per vierkante meter van het aardoppervlak is groter als de zon hoger aan de hemel staat. B De maximum- en minimumtemperatuur van het aardoppervlak worden bereikt als er stralingsevenwicht is. B In een etmaal zonder bewolking is de maximumtemperatuur hoger en de minimumtemperatuur lager.

gevoelstemperatuur

B De

Figuur 5  De gevoelstemperatuur is de temperatuur die je ‘bepaalt’ met je huid en niet met een thermometer.




 1 Introductie Weer en atmosfeer

A

1  Welke uitspraken zijn waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f g h

De stralingsintensiteit van het zonlicht op de grond is maximaal als de zon op het hoogste punt aan de hemel staat. De eenheid van temperatuur is °C en de eenheid van warmte is joule. In de winter is het in Europa kouder dan in de zomer. Dat komt door de schuine stand van de draai-as van de aarde. In Nederland valt het zonlicht steiler op het aardoppervlak in dan aan de evenaar. In Noorwegen staat de zon om 12 uur ‘s middags hoger aan de hemel dan in Nederland. De hemelbogen van de zon (zie figuur 2) beschrijven in Noorwegen altijd een steilere baan dan in Nederland. In de winter valt het zonlicht in Nederland schuiner in op het aardoppervlak dan in de zomer. In de winter is de tijd tussen zonsopkomst en -ondergang in Nederland korter dan in de zomer.

2  In figuur 3 zijn meteogrammen weergegeven van twee heldere etmalen en van twee bewolkte etmalen. Welke uitspraken zijn waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a De maximumtemperatuur van de lucht wordt bereikt op het moment dat de zon op het hoogste punt staat (midden op de dag). b Op een heldere dag wordt de maximumtemperatuur van de lucht vlak voor zonsondergang bereikt. c Tijdens een bewolkte nacht daalt de temperatuur meer dan tijdens een heldere nacht. d Op een bewolkte dag stijgt de temperatuur meer dan op een heldere dag. e De maximumtemperatuur wordt bereikt op het moment dat de instraling van de zon even groot is als de uitstraling van de aarde.

3  Welke uitspraken zijn waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e

Wind uit het noorden zorgt meestal voor lagere temperaturen, wind uit het zuiden geeft meestal warmer weer. Wind uit het oosten zorgt meestal voor lagere temperaturen. Nederland ligt aan zee. Daardoor zijn de zomers koeler en de winters milder. De gevoelstemperatuur is meestal lager als het waait. Droog weer voelt kouder aan dan vochtig weer.

4  Leg aan de hand van figuur 1 uit waardoor het in Noorwegen gemiddeld over het jaar kouder is dan in Spanje.

5  Als het vriest groeit het ijs het best aan als het ’s nachts helder weer is. a b

Leg uit waardoor het ijs sneller afkoelt als er geen wolken zijn. Leg uit dat de ijsgroei het sterkst is als het overdag bewolkt is, en in de nacht helder weer.

10


11

A

2

Weer en atmosfeer

Luchtvochtigheid en wolken

ONTDEKKEN Water speelt een belangrijke rol bij het weer. Lucht bevat altijd wel een beetje waterdamp doordat water in meren, zeeën en oceanen verdampt door de warmte van het zonlicht. Als die waterdamp in de lucht condenseert ontstaan wolken, waaruit later regen kan vallen. Welke processen spelen daarbij een rol?

Experiment 2: Luchtvochtigheid binnen en buiten W1 Verdampen en condenseren

PA R AG R A A F V R A AG Hoe ontstaan wolken en welke rol speelt de relatieve luchtvochtigheid daarbij?

BEGRIJPEN Drukkend warm of waterkoud Als het warm is ga je zweten en als zweet verdampt werkt dat verkoelend. Want door het verdampen van water wordt er energie (warmte) onttrokken aan de vloeistof. Maar als de lucht niet alleen warm is maar ook heel vochtig, blijft veel zweet op je huid liggen en koel je nauwelijks af. Er condenseert dan bijna net zoveel waterdamp als er verdampt en bij condensatie komt warmte vrij. Dan is het drukkend warm weer: een hoge temperatuur in combinatie met een hoge luchtvochtigheid. Als de condensatie even groot is als de verdamping, noemen we de lucht daar verzadigd met waterdamp (zie figuur 7).

Figuur 6  Drukkend warm weer

Bij koud weer is een hoge luchtvochtigheid trouwens ook niet prettig. Door de grote hoeveelheid waterdamp in de lucht condenseert er makkelijk waterdamp op je huid. Dat voelt koud aan omdat het koude water warmte opneemt uit je lichaam. Dat wordt ook wel ‘waterkou’ genoemd. De invloed van luchtvochtigheid merk je ook in de sauna. In een droge sauna kun je een hoge temperatuur best lang verdragen. Je zweet dan flink waardoor je niet verhit raakt. Maar als er water op de hete stenen is gegoten en verdampt, voelt het direct een stuk heter aan.

20° C

Figuur 7  Bij verzadigde lucht zijn verdamping en condensatie in evenwicht.

B In

warme vochtige lucht is de gevoelstemperatuur hoger, in koude vochtige lucht lager. B In verzadigde lucht is de verdamping van water in evenwicht met de condensatie van waterdamp.

Relatieve vochtigheid In figuur 8 zie je een saunathermometer. Die geeft naast de temperatuur (boven) ook de relatieve vochtigheid van de lucht aan (onder). Dat is de concentratie waterdamp in de lucht, uitgedrukt als percentage van de maximale concentratie bij die temperatuur. Bij de maximale concentratie (100%) is de lucht verzadigd met waterdamp. Er condenseert dan per seconde evenveel waterdamp als er water verdampt. Water en dus ook zweet, verdampt dan netto niet.

Figuur 8  Saunathermometer


concentratie waterdamp (g/m³)



begrijpen 2 Luchtvochtigheid en wolken Weer en atmosfeer

12

De concentratie waterdamp in de lucht wordt uitgedrukt in gram per kubieke meter, en varieert van bijna nul tot enkele tientallen grammen per kubieke meter lucht. Ter vergelijking: de massa van een kubieke meter lucht op zeeniveau is meer dan duizend gram. Lucht bestaat dus altijd maar voor een heel klein deel uit moleculen waterdamp.







De grafiek in figuur 9 wordt de verzadigingslijn genoemd, omdat de lucht dan verzadigd is met waterdamp. Bij de verzadigingslijn is de relatieve luchtvochtigheid 100%. Als de relatieve luchtvochtigheid bijvoorbeeld 50% is, is de concentratie waterdamp in de lucht 50% van de maximale concentratie bij die temperatuur.



 %

B De

verzadigingslijn geeft de maximale concentratie waterdamp in de lucht weer als functie van de temperatuur. B De relatieve luchtvochtigheid is de concentratie waterdamp als percentage van de maximale concentratie waterdamp, bij die temperatuur.

 %  -20

A

-10

0

10

20

30

40

temperatuur in °C

Figuur 9  Maximale en relatieve luchtvochtigheid

Invloed van de temperatuur

R E K E N VO O R B E E L D

Op een warme dag voelt het in de middag vaak droger aan dan in de ochtend, als het nog koel en fris is. Kennelijk is dan de relatieve vochtigheid in de loop van de dag afgenomen, terwijl de concentratie waterdamp in de lucht best gelijk gebleven kan zijn.

In figuur 9 zie je dat bij 26 °C de maximale concentratie waterdamp 24 g/m3 is. De werkelijke concentratie waterdamp is hier 10 g/m3. Gevraagd: Bereken de relatieve vochtigheid. Berekening: 10  ​ × 100 %  = 42%​ • Als verhouding: ​​ ___ 24 • Met een verhoudingstabel 100% × 10 (zie figuur 10): ​​ _________  ​  = 42%​   24

V E R Z A D I G I N G E N T E M P E R AT U U R VA N D E LU C H T Er wordt wel gezegd dat de verzadigingslijn zo sterk oploopt omdat warme lucht meer waterdamp kan bevatten dan koude lucht. Maar eigenlijk geeft het diagram weer hoe sterk de verdamping toeneemt met de temperatuur van water. Bij hogere temperatuur van een vloeistof bewegen de vloeistofmoleculen sneller en ontsnappen er meer aan het vloeistofoppervlak. De condensatie hangt alleen af van de concentratie van de waterdamp bij een ­wateroppervlak, maar niet van de temperatuur van de waterdamp. Een ­dampmolecuul dat dicht genoeg bij het wateroppervlak komt wordt ‘gevangen’. Het gaat dus om de temperatuur van het water en niet die van de lucht of de waterdamp. Dat toch in ­figuur 9 de temperatuur van de lucht staat uitgezet, komt doordat waterdruppeltjes in de lucht praktisch dezelfde temperatuur hebben als de omringende lucht.

100% 24 g/m3

10 g/m3

concentratie waterdamp (g/m³)

Figuur 10  Rekenen met een verhoudingstabel 



VO O R B E E L D



Op een bepaalde dag is het ’s ochtends vroeg 14 °C, bij een relatieve luchtvochtigheid van 100% (zie figuur 11). In de loop van de dag stijgt de temperatuur naar 26 °C. In het diagram gaan we er vanuit dat de concentratie waterdamp gelijk blijft, terwijl de temperatuur stijgt. De relatieve luchtvochtigheid neemt dan af van 100% naar 50% (12 g/m3 is immers de helft van de maximale 24 g/m3 bij 26 °C.).



 %  % %  -20

-10

0

10

20

30

40

temperatuur in °C

Figuur 11  De relatieve luchtvochtigheid neemt af met de temperatuur.


13

A

Weer en atmosfeer 2 Luchtvochtigheid en wolken begrijpen

De invloed van de temperatuur op de relatieve luchtvochtigheid merk je ook in huis. In Nederland is de luchtvochtigheid in de buitenlucht meestal tussen de 50% en 90%. Binnenshuis is de lucht vaak veel droger, tussen de 40% en 60%. Dat verschil komt doordat het binnenshuis doorgaans warmer is dan buiten. De concentratie waterdamp in de lucht is meestal binnen en buiten ongeveer gelijk. Behalve natuurlijk in de badkamer bij het douchen en in de keuken bij het koken. B Als

de temperatuur van de lucht stijgt, terwijl de concentratie waterdamp gelijk blijft, neemt de relatieve luchtvochtigheid af.

6  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a

b c d e f g h

De relatieve vochtigheid is de verhouding tussen de werkelijke concentratie waterdamp en de maximale concentratie waterdamp in de lucht (bij die temperatuur). Bij de maximale concentratie waterdamp in de lucht is de relatieve luchtvochtigheid 100%. Als de temperatuur stijgt neemt de maximale concentratie waterdamp in de lucht toe. Als de luchttemperatuur stijgt neemt de relatieve luchtvochtigheid toe. Als de temperatuur van het water stijgt verdampt water makkelijker. Voor verdampen van water (bijvoorbeeld zweet) is energie nodig. Bij condenseren van waterdamp komt warmte vrij. Bij een luchtvochtigheid van 50% is de concentratie waterdamp in de lucht 2 × zo groot als de maximale concentratie waterdamp.

7  Relatieve vochtigheid in huis meet je met een hygrometer. Vergelijk de a­ anwijzingen van de hygrometer van figuur 12 met de aanwijzingen van de saunathermometer van figuur 8. a Leg uit waarom een ‘normale’ relatieve vochtigheid (tussen 40% en 60%) in de woonkamer niet ‘normaal’ is in een droge sauna. Als in de woonkamer de verwarming uitgaat, daalt de temperatuur. b Leg uit of de hygrometer van figuur 12 dan meer / evenveel / minder aan gaat wijzen. Neem aan dat de concentratie waterdamp gelijk blijft.

8  Drukkend warm weer wordt als onprettig ervaren. a Leg uit waardoor dat komt. Ook waterkou wordt als onprettig ervaren. b Leg uit waardoor dat komt. c Is de gevoelstemperatuur bij drukkend warm weer zonder wind hoger of lager dan de werkelijke temperatuur? d Is de gevoelstemperatuur bij waterkoud weer zonder wind hoger of lager dan de werkelijke temperatuur?

9  Hoe komt het dat een temperatuur van 35 °C in Spanje meestal prettiger aanvoelt dan dezelfde temperatuur in Nederland?

10  Waarom moet je planten die binnen staan veel vaker water geven dan planten die buiten staan?

Figuur 12  Hygrometer




begrijpen 2 Luchtvochtigheid en wolken Weer en atmosfeer

A

11  Hete soep kun je sneller laten afkoelen door er overheen te blazen en/of door te roeren. a Waardoor koelt hete soep sneller af als je erover blaast? b Waardoor koelt hete soep sneller af als je roert?

12  Leg uit waardoor een stoomcabine ongeveer even warm kan aanvoelen als een droge sauna, terwijl de temperatuur in de stoomcabine veel lager is dan in de droge sauna. Gebruik in je uitleg het condenseren van waterdamp.

13  T In een woning is de temperatuur 21,0 °C. De concentratie waterdamp is 10,0 g/cm3. Gebruik figuur 13 en de figuur op het tekenblad. a Geef in de figuur op het tekenblad de situatie in de woning aan met een stip. b Bepaal hoe groot de maximale concentratie waterdamp is bij 21,0 °C. c Bereken de relatieve luchtvochtigheid. De temperatuur in de woning stijgt naar 24,0 °C. De concentratie waterdamp blijft hetzelfde. d Bepaal de relatieve vochtigheid bij 24,0 °C.

concentratie waterdamp (g/m3)

14  T In een woning is de temperatuur 18,0 °C. De relatieve luchtvochtigheid is 25 100% 90%

20

80% 70%

15

60% 50%

10

40% 30%

5

20% 10%

0 –5

40%. Gebruik figuur 13 en de figuur op het tekenblad. a Bepaal met de figuur op het tekenblad de maximale concentratie waterdamp bij 18,0 °C. b Bereken de concentratie waterdamp in de lucht. c Geef in de figuur op het tekenblad de situatie in de woning aan met een stip.

0

5

10

15

20

25

temperatuur in (°C)

Figuur 13  Relatieve vochtigheid

15  T In figuur 13 zijn lijnen met gelijke luchtvochtigheid getekend als functie van de temperatuur. In een klaslokaal is de temperatuur 20,0 °C en de luchtvochtigheid 70%. a Geef dit in de figuur op het tekenblad met een stip aan. b Lees af hoeveel gram waterdamp er in een kubieke meter lucht zit. In de loop van de les stijgt de temperatuur naar 21,0 °C. De concentratie waterdamp neemt toe tot 15,0 g/m3. c Bepaal de relatieve luchtvochtigheid aan het einde van de les.

14


15

A

Weer en atmosfeer 2 Luchtvochtigheid en wolken Beheersen

BEHEERSEN

Experiment 3: Condensatie en dauwpunt Experiment 4: Vochtigheid en dauwpunt

Relatieve luchtvochtigheid en dauwpunt Als het ’s nachts flink afkoelt, kun je in de ochtend vaak dauwdruppels zien, zoals in figuur 14. De temperatuur is dan zo ver gedaald dat waterdamp in de lucht op bijvoorbeeld spinrag gecondenseerd is tot druppels. De temperatuur waarbij condensatie gaat optreden heet het dauwpunt en hangt af van de concentratie van de waterdamp in de lucht. Bij het dauwpunt is de lucht verzadigd, de relatieve luchtvochtigheid is dan 100%.

concentratie waterdamp (g/m3)

Behalve dauw kan er bij die temperatuur ook mist ontstaan. Dat gebeurt eigenlijk alleen als het vrijwel windstil weer is. De condensdruppeltjes blijven dan in de lucht zweven. Het dauwpunt bepaal je met behulp van de verzadigingslijn. In figuur 15 is de bovenste lijn de verzadigingslijn, de relatieve luchtvochtigheid is dan dus 100%. In het diagram zijn ook lijnen getekend met lagere percentages van de relatieve luchtvochtigheid. 100%

30

90% 25

80% 70%

20

60% 50%

15

A

40%

10

30% 20%

5

10% 0 –10

–5

0

5

10

15

20

25

30

temperatuur in (°C)

Figuur 15  Bepaling van het dauwpunt

In figuur 15 is punt A een situatie midden op de dag. De temperatuur is 22,5 °C en de relatieve luchtvochtigheid is 60%. In de loop van de nacht gaat het flink afkoelen. Als de temperatuur gedaald is tot 14 °C wordt de lijn van 100% bereikt. De lucht is dan verzadigd. Vanaf dat punt kan waterdamp gaan condenseren en dauw ontstaan. In dit voorbeeld is het dauwpunt dus 14 °C. B Als

de concentratie waterdamp gelijk blijft en de temperatuur van de lucht daalt, neemt de relatieve luchtvochtigheid toe. B Het dauwpunt is de temperatuur waarbij de relatieve luchtvochtigheid 100% is, de lucht is dan verzadigd.

Figuur 14  Dauw




Beheersen 2 Luchtvochtigheid en wolken Weer en atmosfeer

A

16

Lage of hoge bewolking Bij een hoge relatieve luchtvochtigheid, zoals bij drukkend warm weer, kunnen de wolken laag hangen (zie figuur 16). Is de lucht droog dan zie je vaak alleen wat wolkjes hoog in de atmosfeer. Soms hangen de wolken wel een kilometer hoog, soms minder dan honderd meter. Bewolking ontstaat meestal doordat lucht omhoog beweegt. Want in omhoog bewegende lucht neemt de temperatuur af. Als de temperatuur gelijk is geworden aan het dauwpunt begint waterdamp te condenseren. Vanaf die hoogte blijft de opstijgende lucht verzadigd en is de relatieve luchtvochtigheid dus 100%.

Figuur 16  Laaghangende bewolking

19°C

Zijn de temperatuur en de relatieve luchtvochtigheid aan de grond gegeven, dan kun je daarmee een berekende schatting maken van de hoogte van de onderste wolken. Want in opstijgende lucht neemt de temperatuur af doordat die lucht uitzet tijdens het opstijgen. Er blijkt in de onderste paar kilometer van de atmosfeer een vuistregel te gelden voor de temperatuurdaling van droge lucht tijdens het stijgen:  In opstijgende lucht neemt de temperatuur ongeveer 1,0 K af bij elke 100 m stijging.  In verzadigde lucht gaat de afname langzamer doordat er warmte vrijkomt door condensatie.

26/14°C

Voelt als: 15°C

Helder Neerslag: 0 in Druk: 1012 hPa Zichtbaarheid: 6mi

Dauwpunt: 14°C

VO O R B E E L D 1

concentratie waterdamp (g/m³)

Figuur 17  In veel weer-apps wordt ook het dauwpunt gegeven. 

VO O R B E E L D 2



In figuur 18 is in punt A de temperatuur 34 °C en het dauwpunt ligt bij 20 °C. Dat scheelt 14 graden en dan ontstaan wolken pas op een hoogte van circa 1,4 km (14 × 100 = 1400 m). In punt B is het verschil slechts 2,5 °C. Dan ontstaan wolken op een hoogte van circa 250 m.



 %



A B



 -20

-10

Volgens de weer-app van figuur 17 was de temperatuur van de lucht vlak boven de grond op die dag 19 °C en het dauwpunt lag bij 14 °C. Het verschil van 5 °C betekent dan dat de onderkant van de wolkenlaag zich op een hoogte van ongeveer 500 m bevindt.

0

10

20

30

40

temperatuur in °C

Figuur 18  Bepaling van het dauwpunt

Sneeuw en rijp Als het vriest ontstaat er op gras, planten en boomtakken geen dauw maar rijp. Rijp kan alleen ontstaan als het dauwpunt lager ligt dan 0 °C. Als de temperatuur daalt tot onder het dauwpunt, ontstaan aan takken en op het gras geen condensdruppels maar ijskristallen, net als het ijs dat aangroeit in de diepvriezer. Met een microscoop kun je zien dat rijp, net als sneeuw, uit kristallen bestaat. Dat komt doordat waterdamp rechtstreeks is overgegaan naar de vaste fase, zonder eerst vloeibaar te worden.


17

A

Weer en atmosfeer 2 Luchtvochtigheid en wolken Beheersen

VO O R B E E L D 3 Op een dag is de luchttemperatuur 5 °C, bij een luchtvochtigheid van 60%. In de nacht daalt de temperatuur naar −5 °C. Het dauwpunt ligt dan bij −2 °C (zie figuur 20). Bij die temperatuur ontstaat rijp aan de bomen. Waterdamp gaat meteen over in rijp, zonder dat zich vloeibaar water vormt. Als de temperatuur onder het dauwpunt verder daalt, neemt de concentratie waterdamp in de lucht af langs de verzadigingslijn.

Figuur 19  Rijp

de temperatuurdaling in opstijgende lucht geldt een vuistregel: bij elke 100 m stijging wordt de temperatuur 1,0 K (of 1,0 °C) lager. B Wolken ontstaan pas op de hoogte waar de temperatuur in de opstijgende lucht gelijk is geworden aan het dauwpunt.

concentratie waterdamp (g/m3)

B Voor

16  De paragraafvraag is: Hoe ontstaan wolken en welke rol speelt de relatieve luchtvochtigheid daarbij? a Leg uit waardoor wolken ontstaan. b Leg uit of de hoogte waarop wolken ontstaan hoger of lager ligt bij een grotere relatieve luchtvochtigheid. c Welke invloed heeft de relatieve luchtvochtigheid op de gevoelstemperatuur?

14 100% 12

70% 8

c d e f g h i j

18  T Op een dag is het overdag 19 °C bij een relatieve luchtvochtigheid van 75%. In de nacht koelt het af tot 10,0 °C en ontstaan er mistbanken. Bij welke temperatuur zijn die mistbanken ontstaan? Gebruik figuur 21 en de figuur op het tekenblad om deze vraag te beantwoorden en geef een toelichting.

60% 50%

6

40% 4

30% 20%

2

10% 0 –10

–5

0

5

10

15

temperatuur in (°C)

Figuur 20  Waterdamp condenseert tot rijp

concentratie waterdamp (g/m3)

b

Het dauwpunt is een temperatuur. Het dauwpunt ligt hoger als de concentratie waterdamp hoger is. Het dauwpunt neemt toe als de luchttemperatuur daalt. In relatief vochtige lucht ligt het dauwpunt vlak onder de temperatuur van de lucht. In droge lucht is het verschil groter. De relatieve vochtigheid is de verhouding tussen het dauwpunt en de maximale concentratie waterdamp in de lucht. Rijp kan alleen ontstaan als het dauwpunt lager ligt dan 0 °C. Na een stijging van 400 m is de temperatuur van opstijgende lucht ongeveer 4 °C lager geworden. Bij mist is de relatieve luchtvochtigheid 100%. Bij laaghangende bewolking is de relatieve luchtvochtigheid laag. Rijp bestaat uit bevroren waterdruppeltjes. De waterdamp is dan eerst gecondenseerd en daarna bevroren.

80%

10

17  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a

90%

25 100% 90%

20

80% 70%

15

60% 50%

10

40% 30%

5

19  T In een woning is de temperatuur 20,0 °C en de relatieve vochtigheid 58%. Bepaal het dauwpunt. Gebruik figuur 21 en de figuur op het tekenblad om deze vraag te beantwoorden en geef een toelichting.

20% 10%

0 –5

0

5

10

15

20

25

Figuur 21  Relatieve vochtigheidtemperatuur in (°C)




Beheersen 2 Luchtvochtigheid en wolken Weer en atmosfeer

A

20  T In een weer-app is voor een bepaald tijdstip op een bepaalde plaats aan­ gegeven dat de temperatuur 18,0 °C is en dat het dauwpunt 11,0 °C is. a Leg met behulp van figuur 21 en de figuur op het tekenblad uit dat de relatieve vochtigheid daar dan 65% is. b Bepaal de relatieve luchtvochtigheid als de temperatuur daalt tot 13,0 °C.

21  T Op een bepaalde dag is de temperatuur van de lucht overdag 5,0 °C bij een relatieve luchtvochtigheid van 60%. In de nacht zal de temperatuur gaan dalen tot ver onder het vriespunt. a Leg met behulp van figuur 21 en de figuur op het tekenblad uit dat er dan rijp kan ontstaan. b Bepaal bij welke temperatuur die rijp ontstaat.

22  Met behulp van de temperatuur van de lucht aan de grond en het dauwpunt kun je de hoogte van de wolken (ongeveer) berekenen. Laat met een voorbeeld zien hoe je dat doet.

23  T Aan de grond is op een dag de temperatuur 15,0 °C. De relatieve luchtvochtigheid is 60%, en er hangen schapenwolkjes in de lucht. Bepaal de hoogte waarop de onderkant van die wolken zich bevindt. Gebruik hiervoor figuur 21 en de figuur op het tekenblad.

24  T Aan de grond is op een andere dag de temperatuur 13,0 °C. De wolken hangen op een hoogte van 900 m. a Bereken het dauwpunt. Gebruik daarbij de vuistregel. b Bepaal aan de hand van figuur 21 en de figuur op het tekenblad de relatieve luchtvochtigheid van de lucht aan de grond. In de (windstille) nacht daalt de temperatuur van de lucht aan de grond tot enkele graden onder het dauwpunt. c Leg uit of er dan mist of rijp ontstaat.

25  Als in het voorjaar de fruitbomen in bloei staan, zijn de telers beducht voor nachtvorst omdat de bloesem dan kapot kan vriezen. Wordt nachtvorst voorspeld, dan sproeien ze vaak water over de bomen. Leg uit waardoor dan het water op en rond de bloesem bevriest en niet het vocht in de bloesem.

26  In figuur 22 zie je een opstelling waarmee het dauwpunt van de lucht in Figuur 22  Bepaal zelf het dauwpunt van de lucht in de kamer door water in een metalen beker langzaam te koelen met ijsblokjes.

de kamer bepaald kan worden. De metalen beker wordt half gevuld met kraanwater en enkele ijsklontjes. Beschrijf hoe je met deze opstelling het dauwpunt kunt bepalen.

18


19

3

A

Weer en atmosfeer

Luchtdruk en temperatuur in de atmosfeer

ONTDEKKEN Bij het opstellen van een weersverwachting speelt de luchtdrukverdeling een belangrijke rol. Daartoe zijn op weerkaarten lijnen getekend waar de luchtdruk gelijk is (isobaren). Ook zijn meestal hogedrukgebieden (H) en lagedrukgebieden (L) aangegeven. Hoog in de bergen is de lucht ijler en de luchtdruk kleiner. Maar wat is luchtdruk eigenlijk? En welke rol speelt de luchtdrukverdeling bij het weer?

Experiment 5: Luchtdruk meten Experiment 6: Waterbarometer Experiment 7: Afkoeling door expansie W2 Expansie en compressie

PA R AG R A A F V R AG E N Wat is luchtdruk? Hoe verandert de luchtdruk als je in de atmosfeer omhoog gaat? Hoe verandert de temperatuur van de lucht met de hoogte?

BEGRIJPEN Luchtdruk

Luchtdruk en hoogte in de atmosfeer De luchtdruk aan de grond wordt veroorzaakt door het gewicht van de hele luchtlaag boven het aardoppervlak, dat is de atmosfeer. Dat werkt ongeveer zoals de druk onder water. Hoe dieper je onder water bent des te groter is de hoeveelheid water boven je. Daardoor neemt de druk toe met de diepte. Hoe hoger je in de atmosfeer komt, des te minder lucht zit er boven je. En dat geeft een lagere luchtdruk. In figuur 24 zie je hoe de luchtdruk afneemt naarmate je hoger in de atmosfeer komt. Op zeeniveau is de luchtdruk ongeveer 1000 hPa. Op een hoogte van 5,5 km is de luchtdruk nog maar ongeveer de helft daarvan. In figuur 24 zie je ook dat de luchtdruk steeds minder snel afneemt met de hoogte naarmate je hoger in de atmosfeer bent. Dat komt doordat de lucht steeds ijler (dunner, met lagere dichtheid) wordt met de hoogte. De lucht wordt daar minder in elkaar geperst doordat er minder gewicht van de lucht erboven op drukt. De luchtdruk neemt daardoor bij benadering exponentieel af met de hoogte.

Figuur 23  Weerkaart (T = tief = laag; H = hoch = hoog)

hoogte h (km)

Je merkt pas iets van luchtdruk als je ergens wat lucht uithaalt of er meer lucht in perst. Als je bijvoorbeeld een fietsband oppompt, neemt de druk in de band toe. Dat komt doordat er dan meer luchtmoleculen in de band tegen de binnenkant van de band botsen. Eigenlijk gaat het bij een fietsband om de overdruk van de lucht in de band. Dus hoeveel de druk van de lucht in de band groter is dan de luchtdruk buiten de band, want aan de buitenkant botsen ook moleculen tegen de band. De druk van de lucht in de vrije ruimte is de atmosferische luchtdruk, meestal afgekort tot luchtdruk. De eenheid van luchtdruk heet pascal, afgekort Pa. Daarbij geldt dat 1 Pa = 1 N/m2 want luchtdruk is de kracht (in N) per m2 die de lucht, door botsingen van de luchtmoleculen, uitoefent op een wand of een oppervlak. In weerberichten wordt meestal de eenheid hectopascal (1 hPa = 100 Pa) gebruikt.

36 32 28 24 20 16

50% van alle lucht (massa) bevindt zich onder deze hoogte

12

Mount Everest

8 4 0

0

200

400

600

Figuur 24  Luchtdruk en hoogte

800 1000 druk p (hPa)




begrijpen 3 Luchtdruk en temperatuur in de atmosfeer Weer en atmosfeer

A

20

Voor mensen en dieren betekent ijlere lucht minder zuurstof, ademhalen gaat moeilijker op grotere hoogte. Maar ijle lucht betekent ook minder luchtweerstand. Daarom gebruiken vliegtuigen bij vluchten over grote afstand meestal een route op een hoogte van zo’n 11 km. Door de lagere luchtweerstand is dan minder brandstof nodig, terwijl de liftkracht van de vleugels nog wel groot genoeg is om het vliegtuig te ‘dragen’. Figuur 25  De atmosfeer is een heel dun schilletje om de aarde, zonder duidelijke bovengrens.

Je kunt niet precies aangeven waar de atmosfeer ophoudt. Zelfs op een hoogte van 100 km is er nog wel een heel klein beetje lucht. De meeste satellieten draaien daarom op een hoogte van meer dan 800 km boven de aarde, zodat ze geen last hebben van luchtweerstand. B Luchtdruk

wordt veroorzaakt door het gewicht van de luchtkolom erboven. grotere hoogte is de luchtdruk lager en de lucht ijler. B De luchtdruk neemt bij benadering exponentieel af met de hoogte.

stratosfeer

ozonlaag

20

tropopauze 10

hoogte h (km)

B Op

5 2 troposfeer

1

-50 0 temperatuur T (°C)

50

0 100

Figuur 26  Gemiddeld temperatuurverloop met de hoogte in de atmosfeer

v

A B C Figuur 27  Bij expansie neemt de temperatuur van een geïsoleerd gas af doordat het gas arbeid verricht.

Temperatuur en hoogte in de atmosfeer Hoog in de atmosfeer is het koud. Dat zie je ook aan de sneeuw op bergtoppen. In figuur 26 zie je dat het op een hoogte van 5 km wel 35 graden kouder kan zijn dan aan de grond. De luchttemperatuur in de atmosfeer is op grotere hoogte lager, doordat de lucht nauwelijks zonlicht absorbeert maar wel warmtestraling uitstraalt. De lucht van de atmosfeer krijgt zijn energie vooral van het aardoppervlak. Een hoeveelheid lucht die bij het aardoppervlak verwarmd is en iets warmer is geworden dan de lucht in de directe omgeving, stijgt op doordat zijn dichtheid kleiner is geworden dan die van de lucht eromheen. Een warmere ‘luchtbel’ wordt opgetild door de koelere omgevingslucht. Gedurende het opstijgen zet die luchtbel uit, doordat de luchtdruk van de omgeving kleiner wordt naarmate je hoger komt. Door de expansie (uitzetting) van die luchtbel neemt de temperatuur ervan af. Want uitzetten tegen de omringende lucht betekent arbeid verrichten en dat kost energie. Deze aan het aardoppervlak verwarmde lucht stijgt door, totdat zijn temperatuur dezelfde waarde heeft gekregen als de omgevingslucht. Op deze manier wordt er warmte van het aardoppervlak naar de atmosfeer gebracht. De luchttemperatuur volgens het profiel van figuur 26 neemt minder sterk af met de hoogte dan de temperatuurdaling van 1,0 K/100 m door de expansie van opstijgende warme lucht. Dat komt doordat er nog andere vormen van warmtetransport van het aardoppervlak naar de atmosfeer zijn, zoals infraroodstraling. Bovendien wordt er vaak ook warmte van elders aangevoerd met de wind.

A F KO E L I N G D O O R E X PA N S I E Een hoeveelheid lucht koelt af als het volume ervan groter wordt. Dit is te begrijpen aan de hand van figuur 27. In een goed geïsoleerde cilinder bevindt zich een hoeveelheid lucht, hier weergegeven door slechts een paar moleculen. Bij A staat de zuiger stil en blijft de ­temperatuur van de lucht in de cilinder constant. De gemiddelde snelheid van de luchtmoleculen blijft gelijk, doordat ze bij botsingen tegen de wanden en de zuiger net zo hard terugkaatsen. Bij B beweegt de zuiger naar rechts waardoor het volume toeneemt. Als een molecuul nu tegen de zuiger botst, kaatst het met kleinere snelheid terug. Hierdoor neemt de gemiddelde snelheid van alle moleculen af. Staat de zuiger weer stil (C) dan is de temperatuur van de lucht in de cilinder lager geworden. Tenminste als er geen warmte van ­buiten door de wand van de cilinder heen naar binnen is gegaan. Dat plotselinge uitzetting afkoeling tot gevolg heeft merk je ook als je bijvoorbeeld een spuitbus deodorant leegspuit. Die spuitbus en ook de druppeltjes op je huid voelen daarna koud aan doordat het gas flink uitzet tijdens het leegspuiten en energie (warmte) onttrekt aan de bus en de vloeistof.


21

A

Weer en atmosfeer 3 Luchtdruk en temperatuur in de atmosfeer begrijpen

De stijging en afkoeling van een hoeveelheid verwarmde lucht stopt op een hoogte waar zijn temperatuur gelijk geworden is aan de temperatuur van de lucht in de omgeving. Hierdoor voldoet het temperatuurprofiel in de atmosfeer op een windstille dag vaak ongeveer aan de vuistregel van afkoeling door expansie. Afkoeling door expansie verklaart ook waardoor wolken ontstaan als warme vochtige lucht opstijgt. Als de temperatuur gedaald is tot onder het dauwpunt kunnen condensdruppels ontstaan in de lucht. In figuur 28 zie je een experiment met vochtige lucht in een fles. Als door uitzetting de druk in de fles plotseling daalt, ontstaat er een mistwolkje in de fles. Omgekeerd neemt de temperatuur van een bepaald volume lucht toe als dat volume kleiner wordt gemaakt door samenpersen (compressie). Want bij compressie wordt er arbeid verricht op die hoeveelheid lucht. Dit verklaart waardoor wolken oplossen in een dalende luchtbeweging. Dan worden de waterdruppels van de wolk in de dalende lucht verwarmd door die opgewarmde lucht, waardoor ze verdampen.

Figuur 28  Knijp langzaam in een fles met een klein beetje warm water en laat dan plotseling los: de fles beslaat aan de binnenkant.

B Op

grotere hoogte is de temperatuur van de lucht lager dan bij het aardoppervlak. B Bij expansie van een hoeveelheid lucht daalt de temperatuur van die lucht, bij compressie neemt de temperatuur toe.

27  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f g h i j k

In een opgepompte band bewegen de luchtmoleculen sneller dan daarbuiten. Daardoor botsen ze harder tegen de band. Luchtdruk is de kracht per meter. De atmosfeer is ongeveer 11 km dik. Omhooggaand neemt de temperatuur in de atmosfeer af met ongeveer 1 graad per 100 m. Als je een gas samenperst, neemt de temperatuur af. In opstijgende lucht daalt de temperatuur. Hoog in de bergen is de lucht kouder en ijler dan aan de grond. De eenheid van luchtdruk is pascal (Pa). Een druk van 1 hPa is evenveel als 100 Pa. Een druk van 1000 hPa is evenveel als 1000 N/m². De luchtdruk neemt bij benadering exponentieel af met de hoogte, doordat de lucht minder samengeperst is op grotere hoogte.

28  In figuur 29 zie je een glazen fles met water die is afgesloten met een kurk. Door de kurk steekt een glazen rietje tot in het water. Het wateroppervlak in het rietje bevindt zich net boven de doorboorde kurk. a Leg uit dat het wateroppervlak in het rietje daalt als de buitenluchtdruk toeneemt. b Leg uit dat het wateroppervlak in het rietje ook daalt als de temperatuur van de lucht in de fles afneemt.

Figuur 29  Glazen fles met water en doorzichtig rietje




begrijpen 3 Luchtdruk en temperatuur in de atmosfeer Weer en atmosfeer

A

29  De luchtdruk op zeeniveau is ongeveer 100 000 N/m2. Leg uit dat daaruit volgt dat de hele luchtkolom boven een vierkante meter een massa van ongeveer 10 000 kg heeft. De dichtheid van de lucht aan de grond is op zeeniveau gemiddeld ongeveer 1,25 kg/m3. b Leg uit dat de atmosfeer 8 km ‘hoog’ (of dik) zou zijn als de dichtheid van de lucht niet zou afnemen met de hoogte. c Leg uit waardoor het boven 8 km toch niet meteen vacuüm is. d Leg uit waarom je niet kunt zeggen hoe hoog de atmosfeer is. e Leg uit waardoor in de winter de lucht op 8 km hoogte in IJsland veel ijler is dan in Australië. a

30  In figuur 30 zie je een oude steenfabriek. De hoge schoorsteen zorgt ervoor dat er een krachtige luchtstroom de oven in blaast als de temperatuur in de schoorsteen hoog genoeg is. Dat heet schoorsteentrek. Hoe hoger de schoorsteen hoe krachtiger de schoorsteentrek. a Leg uit dat de dichtheid van de lucht in de schoorsteen kleiner is dan van de lucht buiten de schoorsteen. De kracht van schoorsteentrek komt doordat de luchtdruk onderin de schoorsteen (waar het vuur brandt) lager is dan de buitenluchtdruk op die hoogte. b Leg uit dat de luchtdruk vlak boven de schoorsteen even groot is als in de omgeving op die hoogte. c Leg uit waardoor de lagere luchtdruk onderin de schoorsteen veroorzaakt wordt. d Leg uit dat de binnenwand van de schoorsteen eerst goed heet moet zijn geworden, voordat de schoorsteen ‘goed trekt’. e Leg uit dat de schoorsteentrek sterker is naarmate de schoorsteen hoger is. Het effect dat in vraag c genoemd is gaat niet eindeloos op. f Leg uit dat een (theoretische) schoorsteen met een oneindige hoogte geen schoorsteentrek geeft.

31  In een spuitbus zit een beetje vloeistof en een drijfgas. Als je de knop indrukt, Figuur 30  Steenfabriek

wordt de vloeistof met het drijfgas mee door een heel klein gaatje naar buiten geperst. a Leg uit dat het drijfgas flink afkoelt als je spuit. De vloeistof wordt bij het spuiten verneveld maar zet niet uit. b Leg uit waardoor de druppeltjes vloeistof op je huid toch koud zijn. c Leg uit waardoor de metalen spuitbus zelf afkoelt als je langer spuit. In de spuitbus die een verzorger gebruikt om een spierblessure te koelen, zit een vloeistof met een laag kookpunt. d Leg uit waarom dat kookpunt laag moet liggen.

22


23

A

Weer en atmosfeer 3 Luchtdruk en temperatuur in de atmosfeer Beheersen

32  Een waterraket vliegt omhoog doordat de samengeperste lucht het water eruit drukt. a Leg uit waardoor de raket hoger komt als je er meer lucht in gepompt hebt. In de gebruiksaanwijzing van een gekochte waterraket staat dat je de fles het beste voor iets minder dan de helft kunt vullen met water. b Leg uit waarom je de fles beter niet bijna vol met water kunt doen. c Leg uit waarom je ook beter niet maar een heel klein beetje water in de fles kunt doen.

samengeperste lucht water wegspuitend water

33  De waterraket (petfles) van figuur 32 was half gevuld met water en afgesloten

lucht

met een kurk met een ventiel. Na het oppompen schoot de kurk eruit, terwijl de fles werd vastgehouden (met een touw). Meteen vulde de raket zich met ‘witte rook’. a Leg uit wat die ‘witte rook’ is en waardoor die ontstaat. b Leg uit waardoor die witte rook na verloop van tijd verdwenen is.

pomp

Figuur 31  Waterraket

BEHEERSEN Luchtdruk op zeeniveau De druk van de lucht is de kracht die de lucht per m2 uitoefent op een oppervlak.

F ​ ​p = ​ _ A

Hierin is p de luchtdruk (in Pa = N/m²), F de kracht (in N) en A de oppervlakte (in m ) van het oppervlak waarop de kracht werkt. 2

Gemiddeld is de luchtdruk op zeeniveau 1013 hPa, afgerond is dat 1,0·105 N/m2. Die druk wordt veroorzaakt door een gewicht van meer dan 100 000 N op elke vierkante meter aan de grond. Dat betekent dat de hele kolom lucht boven elke vierkante meter een massa heeft van zo’n 10 ton (zie figuur 33). Dat je in de praktijk weinig merkt van die enorme druk van de lucht komt doordat de lucht aan alle kanten druk uitoefent op voorwerpen. Het effect van de luchtdruk merk je pas als er een verschil is tussen de druk van de lucht aan de ene kant van een voorwerp en de andere kant. Dat geldt ook voor de lucht zelf. Als op zeeniveau de luchtdruk op een bepaalde plaats hoger is geworden dan de luchtdruk een eind verderop, gaat de lucht bewegen van de hogere naar de lagere luchtdruk. eenheid van luchtdruk is pascal (Pa): 1 Pa = 1 N/m2. B Op zeeniveau is de luchtdruk gemiddeld 1013 hPa. B De

Figuur 32  In de waterraket zie je na het afschieten nog een beetje ‘witte rook’.

Gewicht van de lucht in de kolom erboven is gelijk aan de luchtdruk.

1 m² aardoppervlak

Figuur 33  Tien ton massa per m2




Beheersen 3 Luchtdruk en temperatuur in de atmosfeer Weer en atmosfeer

A

24

Luchtdrukverdeling op de weerkaart De luchtdruk meet je met een barometer. Als de luchtdruk op zeeniveau op voldoende plaatsen op hetzelfde tijdstip is gemeten en doorgegeven aan een weerinstituut, kan daar de luchtdrukverdeling met isobaren ingetekend worden. Dergelijke weerkaarten zijn nodig om een weersverwachting op te kunnen stellen.

W E E R SV E RWAC H T I N G V RO E G E R E N N U

Figuur 34  Barometer met geheugensteun. Met de knop kun je de gele wijzer op de huidige stand draaien en een uur later kijken hoe de luchtdruk is veranderd.

L

980 990

1000

H 1040 1010

1030

Voordat de telegrafie was uitgevonden, was het niet mogelijk een weerkaart met de drukverdeling van het moment te maken, doordat de meetgegevens te lang ­onderweg waren. Er konden toen dan ook nog geen weersverwachtingen gemaakt worden en er bestonden ook nog geen weerinstituten. Het gebruik van baro­ meters is echter al veel ouder. In figuur 34 zie je dat bij een hoge luchtdruk meestal mooi en zonnig weer hoort. Bij een lage luchtdruk is het weer vaak wisselvallig, dat ­betekent regenbuien afgewisseld met opklaringen. Maar om te zien wat voor weer het is heb je natuurlijk geen barometer nodig. Je kunt beter gewoon naar buiten kijken. Een barometer werd vooral gebruikt om bij te houden hoe de luchtdruk veranderde en hoe snel. De verandering van de ­barometerstand was voor boeren en zeelui vroeger het enige meetgegeven om bijvoorbeeld storm te voorzien. Als de vissers waren uitgevaren en de barometer zakte snel naar lage waarden, begonnen de thuisblijvers zich zorgen te maken.

1020

H 0

1020

10

10

00 10

0 99

200 400 600 km

L

Figuur 35  Weerkaart met isobaren, de luchtdruk wordt aangegeven in hPa

De isobaren op een weerkaart geven de luchtdruk op zeeniveau. Aan de getallen bij de isobaren en ook aan de schaalverdeling in figuur 35 kun je zien dat de verschillen in luchtdruk nooit groter zijn dan een paar procent. Op de weerkaart kun je ook zien dat de horizontale afstand bij een luchtdrukverschil van 10 hPa niet kleiner is dan 100 km. Maar die kleine verschillen over een flinke afstand hebben kennelijk toch grote invloed op het weer. B Isobaren

op een weerkaart zijn lijnen van gelijke luchtdruk.

Heldere lucht in hogedrukgebied convergentie

divergentie

Figuur 36  Convergentie in de stroming in de bovenlucht veroorzaakt aan de grond hogedruk en divergentie. Daardoor daalt er lucht in een hogedrukgebied.

Dat hogere luchtdruk meestal overeenkomt met zonnig weer, zoals op de barometer is aangegeven, is als volgt te verklaren. Een hogedrukgebied betekent dat op zeeniveau de luchtdruk in dat gebied hoger is dan buiten dat gebied, waarbij er geen duidelijke grenzen zijn aan dat gebied. Die hogere druk op zeeniveau ontstaat doordat er hoger in de atmosfeer, bijvoorbeeld op 10 km hoogte, in dat gebied meer lucht instroomt dan er uitstroomt. Dat heet convergentie van lucht. Zie figuur 36. In de buurt van het aardoppervlak stroomt er dan horizontaal netto lucht uit het gebied, dat heet divergentie. In het hogedrukgebied is er daardoor een dalende beweging van lucht. Bij die daling wordt de lucht een beetje samengeperst door de hogere druk van de omringende lucht en daardoor warmt de dalende lucht op. En in opwarmende lucht kan eventuele bewolking verdampen en krijgt condensatie van eventueel aanwezige waterdamp geen kans.


25

A

Weer en atmosfeer 3 Luchtdruk en temperatuur in de atmosfeer Beheersen

Regen in lagedrukgebied In een lagedrukgebied gaat het precies omgekeerd. Zie figuur 37. Op bijvoorbeeld 10 km hoogte stroomt er in dat gebied meer lucht uit dan er instroomt, daar is divergentie van lucht. In de buurt van het aardoppervlak is er daardoor lagere luchtdruk in dat gebied, waardoor daar convergentie van lucht is. In een lagedrukgebied is er dus een omhooggaande beweging van de lucht en daarin treedt heel vaak condensatie van waterdamp op. B In

een gebied met hoge luchtdruk is sprake van dalende lucht in de atmosfeer, in een gebied met lage luchtdruk stijgt de lucht. B In dalende lucht neemt de temperatuur toe, in stijgende lucht daalt de temperatuur.

34  De paragraafvragen zijn: Wat is luchtdruk? Hoe verandert de luchtdruk als je in de atmosfeer omhoog gaat? Hoe verandert de temperatuur van de lucht met de hoogte? a Leg uit wat luchtdruk is en waardoor atmosferische luchtdruk ontstaat. b Waardoor neemt de luchtdruk af als je omhoog gaat in de atmosfeer? c Omschrijf hoe de luchtdruk verandert als je omhoog gaat in de atmosfeer. d Omschrijf hoe de temperatuur van de lucht verandert als je omhoog gaat in de atmosfeer.

35  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e

Een barometer gebruik je om de luchtdruk te meten. Bij een hoge luchtdruk hoort meestal zonnig weer. Als de luchtdruk stijgt, is er slecht weer op komst. Hoog in de bergen is de luchtdruk hoger dan beneden. Hoog in de bergen zijn de dichtheid en de temperatuur van de lucht lager dan aan de grond.

36  Op een bepaalde dag is de luchtdruk 1023 hPa. Is de luchtdruk dan hoger of lager dan gemiddeld? Wat voor weer zal het die dag zijn? De volgende dag is de luchtdruk gedaald tot 1003 hPa. c Wat betekent dat voor de weersverwachting? a

b

37  Reken om: a b c

1015 hPa = …… Pa 970 N/m² = …… Pa 1013 hPa = …… N/m²

38  De luchtdruk aan de grond is op een dag 1000 hPa. a b

Bereken de kracht die de lucht uitoefent op een glazen ruit van 1,5 bij 2,0 m. Waardoor breekt die ruit niet als er zo’n grote kracht op wordt uitgeoefend door de lucht?

divergentie

convergentie

Figuur 37  Divergentie in de bovenlucht veroorzaakt aan de grond lagedruk en convergentie. Daardoor stijgt er lucht op in een lagedrukgebied.




Beheersen 3 Luchtdruk en temperatuur in de atmosfeer Weer en atmosfeer

A

39  In figuur 38 zie je hoe een zware glasplaat opgetild kan worden met zuignappen. a Leg uit dat de luchtdruk ervoor zorgt dat zo’n zuignap aan de glasplaat ‘vastplakt’. De buitenluchtdruk is 1020 hPa. Eén zuignap heeft een diameter van 12 cm. b Bereken de kracht die de lucht op de buitenkant van de zuignap uitoefent.

40  De druk in een fietsband wordt meestal gemeten in bar. Voor de eenheid bar

Figuur 38  Om een zware glasplaat op te tillen worden zuignappen gebruikt.

geldt: 1 bar = 1000 hPa. In een bepaalde fietsband is de druk 3,5 bar. a Reken om: 3,5 bar = …… N/m². b Ga met een berekening na dat je op een vierkante centimeter een kracht van 35 N moet uitoefenen om die band iets in de drukken.

41  Met de fles van figuur 39 kun je ook hoogteverschillen meten. Jaap doet op de begane grond van school water in de fles, doet de kurk erop en steekt het rietje erdoorheen. Hij blaast even wat lucht door het rietje en ziet daarna dat het water in het rietje gestegen is tot 1,0 cm boven de kurk. a Leg uit waardoor het water in het rietje boven de kurk is komen te staan. Jaap pakt de fles met een dikke handschoen aan op en loopt ermee de trappen op. Hij ziet het water in het rietje langzaam stijgen. b Leg uit waardoor het water in het rietje stijgt. Op de bovenste verdieping is het water in het rietje gestegen tot 3,4 cm boven de kurk. c Laat met een berekening zien dat Jaap ongeveer 20 m omhoog is gelopen. Gebruik daarbij dat de dichtheid van lucht 1,2 kg/m3 is, en de dichtheid van water 1000 kg/m3. d Leg uit waarom Jaap de fles met een handschoen aan moest meenemen om een correcte meting te kunnen doen.

42  De hoogste berg op aarde is de Mount Everest, met een hoogte van 8850 m. Figuur 39  Glazen fles met water en doorzichtig rietje

De luchtdruk is daar op een bepaalde dag 335 hPa. a Bereken hoeveel procent dat is van de gemiddelde luchtdruk op zeeniveau. b Ga met behulp van figuur 26 na hoe koud het op de top ongeveer zal zijn.

43  Hoge luchtdruk gaat meestal gepaard met rustig weer met weinig tot geen bewolking. a Leg uit waardoor er bij hoge luchtdruk vaak weinig of geen bewolking is. b Leg uit dat de lucht aan de grond uit het gebied met hoge luchtdruk wegstroomt. c Leg uit waardoor bij lage luchtdruk bewolking kan ontstaan. d Stroomt de lucht aan de grond naar het gebied met lage luchtdruk toe of ervan af? Figuur 40  Op de Mount Everest

26


27

4

A

Weer en atmosfeer

Wind

ONTDEKKEN In bijna elke weersverwachting wordt vermeld hoe de richting en de snelheid van de wind zal zijn, in de komende uren en dagen. Die verwachtingen worden berekend met snelle computers die voortdurend alle beschikbare gegevens van alle meetstations, en vooral van satellieten, invoeren in grote rekenmodellen. Zulke rekenmodellen zijn nogal ingewikkeld als het gaat om een gebied met een grootte van honderden tot duizenden kilometers, vooral doordat de aarde een ronddraaiende bol is. Op kleinere schaal, zoals bij een zeebries, is het ontstaan van wind niet moeilijk te begrijpen. Op grotere schaal, zoals bij de weersystemen die je op een weerkaart ziet, speelt ook de draaiing van de aarde om zijn as een heel belangrijke rol.

Experiment 8: Corioliseffect op een platenspeler W3 Corioliseffect op een draaimolen

1 p (hPa) 960 970 980

PA R AG R A A F V R AG E N

990

Hoe ontstaat wind op kleine schaal, zoals een zeebries? Waardoor is de richting van de wind op de weerkaart langs de isobaren? A

2 Uitzettende lucht boven land veroorzaakt luchtdrukverschil tussen A en B p (hPa) B 960

BEGRIJPEN

970 980 990

Zeebries en aflandige wind Verschillen in luchtdruk bij het aardoppervlak zijn vaak het gevolg van verschillen in opwarming van het aardoppervlak door de zon, bijvoorbeeld bij een breed zandstrand met duinen. Bij het aanbreken van een windstille zonnige dag zijn de luchtdruk en de luchttemperatuur overal gelijk (tekening 1 in figuur 41). Door de zon wordt het zand van het strand meer verwarmd dan het water van de zee, waardoor de lucht op het land verwarmd wordt en uitzet. Nog niet verwarmde lucht vlak boven land zakt dan door de al wel verwarmde lucht daaronder, die daardoor opgetild wordt. Zo wordt een laag lucht boven land verwarmd door verticale menging (tekening 2). De lucht boven land zet dus uit en drukt de lucht erboven omhoog, zodat op hoogte A de luchtdruk iets hoger wordt. Na verloop van tijd is de luchtdruk bij A daardoor iets groter geworden dan bij B, op dezelfde hoogte boven zee. Er gaat lucht wegstromen van A naar B (tekening 3). Het gevolg van die afstroom bij A en toestroom bij B is dat de massa van de lucht boven land afneemt, terwijl de luchtmassa boven zee toeneemt. De afname van de luchtmassa boven land betekent dat de luchtdruk op zeeniveau daar lager is geworden (D = lagedruk). De luchtmassa boven zee is toegenomen, dus daar is de luchtdruk op zeeniveau toegenomen (C = hogedruk). Aan het aardoppervlak stroomt de lucht nu van zee naar land, doordat de druk in C hoger is dan in D (tekening 4). Zo ontstaat een circulatiestroming van lucht die doorgaat zolang het landoppervlak warmer is dan het water van de zee (tekening 5). De wind die dan aan de grond vanuit de zee naar het land waait wordt een zeebries genoemd. Op een rustige en zonnige dag aan het strand kan dus in de loop van de dag een zwakke wind vanuit zee gaan waaien.

3

Luchtdrukverschil stuwt lucht van A naar B A

B

p (hPa) 960 970

C

D

980 990

4 A

B

p (hPa) 960 970 980

D

zeebries

C

990

B

p (hPa) 960

5 A

970 980 D

zeebries

C

990

Figuur 41  Drukverschillen ontstaan door verschil in opwarming van land en water door de zon.




begrijpen 4 Wind Weer en atmosfeer

land

zee zeebries - overdag

A

28

In een heldere nacht kan precies het omgekeerde gebeuren. Het land koelt dan sterker af dan het water, waardoor de lucht boven land meer krimpt dan boven zee. Er ontstaat dan hoger in de atmosfeer een iets lagere luchtdruk dan boven het wateroppervlak op dezelfde hoogte. Daardoor ontstaat een stroming hoger in de atmosfeer naar het land toe. Door de toegestroomde luchtmassa ontstaat boven land een hogedrukgebied(je), en boven zee een lagedrukgebied(je). De lucht circuleert nu de andere kant op. Aan de grond waait de wind van het land naar de zee. Dat wordt een aflandige wind genoemd. Zeebries en aflandige wind ontstaan vooral op rustige en onbewolkte dagen. B Een

land

zee

zeebries ontstaat doordat de lucht boven land meer opwarmt dan boven zee. Door afstroming hoger boven land wordt de luchtdruk op zeeniveau boven land lager en boven zee hoger. B Aflandige wind ontstaat doordat de lucht boven land meer afkoelt dan boven zee. Door toestroming hoger boven land wordt de luchtdruk op zeeniveau boven zee lager en boven land hoger.

aflandige wind - ‘s nachts

Isobaren en wind

Figuur 42  Zeewind en aflandige wind

L

960 990

1000

H 1040 1010

1030 1020

H 0

1020

10

10

Bij een zeebries is de horizontale afmeting van de luchtcirculatie hooguit 10 tot 20 km. De afstand tussen het hogedrukgebiedje op zee en het lagedrukgebiedje op het land is dus heel klein vergeleken met de afstand tussen een hogedrukgebied en een lagedrukgebied op een weerkaart. Op de kleine schaal van de zeebries stroomt lucht rechtuit van hogere naar lagere druk. De windrichting is dan loodrecht op de isobaren, doordat in die richting de afname (per meter) van de luchtdruk het grootst is. Maar op de weerkaart van figuur 43 zie je dat de windrichting (blauwe pijlen) niet loodrecht op de isobaren is maar juist evenwijdig er aan. Dat de stroming van lucht op grotere schaal niet loodrecht op de isobaren is, is het gevolg van de draaiing van de aarde om zijn as. Door verschillen in luchtdruk wordt lucht wel ‘geduwd’ in de richting waarin de luchtdruk het sterkst afneemt, maar de stroming die ontstaat wordt van richting veranderd door het corioliseffect.

200 400 600 km

B Op 00 10

0 99

L

Figuur 43  Lucht stroomt langs de isobaren, niet loodrecht er op.

kleine schaal stroomt lucht rechtstreeks van hogere druk naar lagere druk (zeebries en aflandige wind). B Op grote schaal stroomt lucht evenwijdig aan de isobaren.

Corioliseffect Alle grootschalige bewegingen op aarde krijgen op het noordelijk halfrond een afwijking naar rechts en op het zuidelijk halfrond naar links. Deze afwijking op de draaiende aarde heet het corioliseffect, genoemd naar de Franse ingenieur Coriolis. Hij beschreef en verklaarde in 1835 dit effect voor het eerst wiskundig. Dat je hier normaal niets van merkt komt doordat het effect heel erg klein is vergeleken met alle krachten die de bewegingen beïnvloeden. Het effect werd pas echt duidelijk waargenomen, toen men kanonnen kon maken die projectielen over grote afstanden konden schieten. Zo’n projectiel kwam op het noordelijk halfrond altijd iets rechts van het doelwit terecht en op het zuidelijk halfrond iets links er van.


29

A

Weer en atmosfeer 4 Wind begrijpen

CO R I O L I S E F F E C T V E R K L A A R D Waardoor het corioliseffect ontstaat is te zien aan de hand van een gedachtenproef met zeer snelle projectielen die hoog genoeg vliegen om geen luchtweerstand te ondervinden. In figuur 44a wordt een projectiel gelanceerd vanaf punt A in de richting van B. Het projectiel krijgt door de lancering een snelheid in noordwaartse richting. Maar door de draaiing van de aarde om zijn as heeft het projectiel bij de lancering ook dezelfde oostwaartse snelheid als het lanceerpunt A. Na de lancering vliegt het projectiel dan boven de atmosfeer een tijd langs de paarse cirkel om het middelpunt van de aarde en komt in punt C terecht. Het punt B is dan inmiddels opgeschoven naar D, en de lanceerplek van A naar E. Punt B beweegt trager naar het oosten dan de lanceerplek doordat de breedtecirkel om de aarde daar kleiner is. Het traject dat het projectiel tot dan heeft gevolgd is voor de mensen op de aarde dus het rode traject van E naar C. Vanuit de ruimte gezien vliegt het projectiel ­netjes rechtuit langs de paarse cirkel, maar voor een waarnemer op aarde is het spoor EC langs de draaiende aardbol gekromd. In figuur 44b wordt het projectiel niet noordwaarts gelanceerd, maar zuidwaarts. Dan levert eenzelfde beschouwing ook een gekromd spoor op. Punt B beweegt nu sneller naar het oosten dan punt A. Opnieuw heeft het projectiel voor een waar­ nemer op aarde een afwijking naar rechts.

B

D C

A

E

a

E A

Het corioliseffect is afwezig bij de evenaar en maximaal bij de polen. Maar ‘maximaal’ betekent nog niet dat je er iets van kunt merken. Het corioliseffect is in het dagelijks leven onmerkbaar klein. Alleen voor bewegingen zonder wrijving en over grote afstanden, zoals in de atmosfeer en in zeeën en oceanen, is het van (groot) belang. Door het corioliseffect krijgen luchtstromen op het noordelijk halfrond een afwijking naar rechts, op het zuidelijk halfrond naar links.

B

C

b Figuur 44  Afwijking door corioliseffect

B

D C

A

Figuur 45  Dat het corioliseffect nul is bij de evenaar en groter is op hogere breedtegraad, is te zien aan het spoor van het International Space Station (ISS).

E

D




begrijpen 4 Wind Weer en atmosfeer

A

30

DRAAIMOLEN

bal werkelijke traject van de bal

begin worp bal baan van de bal zoals je die ziet op de draaischijf

einde worp

Je kunt het corioliseffect op de noordpool een beetje nabootsen op een draai­molen die tegen de klok in draait (zie figuur 46). Als je een bal naar elkaar overgooit, lijkt de bal op de draaimolen een afwijking naar rechts te krijgen, tenminste voor de ­personen op de draaimolen. Mensen langs de kant zien de bal rechtuit bewegen en de ontvangende persoon wegdraaien waardoor de bal naast hem/haar terechtkomt. Maar zo’n experiment lijkt toch niet echt op de beweging van de lucht in de ­atmosfeer. De beweging over een paar meter op een platte draaischijf die een rondje in minder dan een minuut draait is heel wat anders dan de beweging over vele km’s over een bol die 24 uur over een omwenteling doet. Het ‘echte’ ­corioliseffect werd daardoor ook pas ontdekt toen projectielen zo ver en snel ­konden vliegen.

44  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b

Figuur 46  In een draaimolen lijkt de baan van de bal een afwijking te krijgen.

c d e f g h i j k

Op alle punten van een isobaar is de temperatuur hetzelfde. Op weerkaarten wordt de luchtdruk aangegeven in de eenheid hPa. De wind waait altijd rechtstreeks van een hogedrukgebied (H) naar een lagedrukgebied (L). Droog zand warmt in de zon langzamer op dan zeewater. Een zeebries is een wind die alleen op zee voorkomt. Een heliumballon die je op het strand loslaat, waait altijd de zee op. Op een heldere windstille nacht waait er op zeeniveau een zwakke wind richting zee. Daarboven is de zwakke luchtstroming naar land gericht. Op het zuidelijk halfrond betekent het corioliseffect een afwijking naar rechts. Satellieten hebben geen last van het corioliseffect, die vliegen gewoon altijd rechtuit, ver boven de atmosfeer. Voetballers houden (onbewust) rekening met het corioliseffect als ze vanaf grote afstand hard op het doel schieten. Op een bewegende draaimolen in Amsterdam wijkt een overgegooide bal af naar rechts, maar op een draaimolen in Sydney naar links.

45  Een zeebries is een wind die over een breed gebied van de zee naar het land waait. a Beschrijf hoe een zeebries ontstaat. b Wanneer waait er een zeebries: heel vroeg in de ochtend als de zon opkomt, of in de middag? Leg uit.

46  Aflandige wind is een wind die over een breed gebied van land naar zee waait. a b

Beschrijf hoe aflandige wind ontstaat. Wanneer waait er aflandige wind: heel vroeg in de ochtend voordat de zon opkomt, of aan het begin van de avond? Leg uit.

47  Wind is het gevolg van drukverschillen. a b

Waar is bij een zeebries de luchtdruk op zeeniveau het grootst: op zee of aan land? Leg uit. Waar is bij aflandige wind de luchtdruk op zeeniveau het grootst: op zee of aan land? Leg uit.


31

A

Weer en atmosfeer 4 Wind begrijpen

48  Op de weerkaart in figuur 43 zijn isobaren ingetekend. a b c

Wat betekenen de getallen die bij de isobaren staan? Hoe kun je aan de isobaren zien waar het hard waait? Hoe kun je aan de hand van de isobaren afleiden in welke richting de lucht stroomt?

49  Uit een hogedrukgebied stroomt lucht weg, bij een lagedrukgebied stroomt de lucht ernaartoe. Door het corioliseffect buigen die luchtstromen af. a Leg uit welk van beide tekeningen in figuur 47 bij het hogedrukgebied hoort. b Leg uit welk van beide tekeningen in figuur 47 bij het lagedrukgebied hoort.

a

b

Figuur 47  Drukgebieden

50  Zweefvliegers en grote roofvogels maken graag gebruik van ‘thermiek’, dat is opstijgende lucht boven bijvoorbeeld een open zandvlakte in het bos. a Leg uit waardoor ze steeds hoger kunnen komen door boven het zand te blijven. Een grote vogel zoals een gier kan bij ‘goede thermiek’ heel hoog komen, soms wel tot enkele kilometers. b Leg uit waardoor deze vogels niet nog hoger kunnen stijgen op thermiek. Als die zandvlakte omgeven is door bos, blijft de vogel rondjes cirkelen boven het zand. c Leg uit wat er gebeurt als de vogel boven het bos komt.

Figuur 48  Grote roofvogels zijn te zwaar om zelf makkelijk omhoog te vliegen. Ze maken gebruik van thermiek.

51  Parasailers vind je vooral aan het strand waar ook duinen zijn. Op een mooie rustige zomerse dag kunnen ze dan lang heen en weer blijven luchtzeilen langs de duinen. Leg uit waarom ze vooral dicht langs de duinen heen en weer blijven vliegen en niet dicht bij zee of boven het land achter de duinen

52  In figuur 50 zijn drie situaties getekend waarbij twee personen (A en B) een bal overgooien in een draaimolen. De draaimolen draait tegen de klok in. a In welke richting moet persoon A in de eerste situatie de bal gooien, zodat de bal bij B terechtkomt? Iets naar links, iets naar rechts of recht in de richting van B? Leg uit. b In welke richting moet B in de tweede situatie de bal teruggooien, zodat de bal bij A terechtkomt? Iets naar links, iets naar rechts of recht in de richting van B? Leg uit. c In welke richting moet A in de derde situatie gooien, zodat de bal bij B terechtkomt? Iets naar links, iets naar rechts of recht in de richting van B? Leg uit.

Figuur 49  parasailers langs de duinrand

B B

A

B

A A

Figuur 50  Een bal overgooien in een draaimolen


hoogte h (m)



Beheersen 4 Wind Weer en atmosfeer

A

32

BEHEERSEN

 windsnelheid

Op de weerkaart van figuur 43 zie je dat de lucht langs de isobaren stroomt. En niet zoals bij de zeebries in de richting van de lage luchtdruk. Want dan zou de richting van de stroming loodrecht op de isobaren zijn. De verklaring hiervoor is het corioliseffect.

 windsnelheid 

Corioliskracht 

Figuur 51  De hoogte van de grenslaag hangt af van de gesteldheid en bebouwing van het terrein.

wind Fluchtdruk

925

Fcor

930

935

Twee krachten

930

luchtdruk p (hPa) Figuur 52  Evenwicht van krachten op een volume lucht bij beweging langs de isobaren

hoog

Fcor

A 930

935

940

Boven de grenslaag werken slechts twee horizontale krachten op elk denkbeeldig ‘blok’ lucht: de corioliskracht Fcor en de kracht Fluchtdruk die veroorzaakt wordt door het luchtdrukverschil. Fluchtdruk is gericht naar de lagere luchtdruk en evenredig met het luchtdrukverschil per m in die richting. In figuur 52 zijn deze twee krachten op een ‘blok’ lucht getekend.

De windsnelheid is groter als de isobaren dichter bij elkaar liggen. Want dan is het drukverschil per m groter en daardoor Fluchtdruk. groter. Er is dan pas evenwicht bij grotere windsnelheid.

Fluchtdruk

925

Dat de wind langs evenwijdige isobaren waait, komt doordat een volume lucht in de stroming geen wrijving met het aardoppervlak ondervindt. Tenminste niet boven een bepaalde hoogte, boven de grenslaag. De grenslaag is het gebied bij de grond waar wrijving wel een rol speelt. De hoogte van de grenslaag hangt af van de gesteldheid en bebouwing van het terrein, zoals bomen en gebouwen. Zie figuur 51.

Boven de grenslaag stroomt lucht bij benadering met constante snelheid in een rechte lijn. Dat betekent dat de twee genoemde krachten even groot en tegengesteld gericht zijn. Dat kan alleen als de corioliskracht ook loodrecht op de isobaren staat. Dan is de snelheid dus evenwijdig aan de isobaren. Alleen bij kromme isobaren zijn de twee krachten niet in evenwicht. Dan is er een (kleine) nettokracht nodig om de bocht om te gaan. Zie figuur 53.

B

laag

In figuur 44 is twee keer de baan van een projectiel getekend. Het projectiel vliegt boven de atmosfeer in een rechte lijn, zie de paarse baan in figuur 44a. Maar door het corioliseffect lijkt het voor de mensen op aarde alsof het projectiel op het noordelijk halfrond naar rechts wordt geduwd en op het zuidelijk halfrond naar links. Daarom werken meteorologen in hun modellen en berekeningen met een zogenoemde schijnkracht die de richting van de beweging verandert. Voor deze corioliskracht Fcor geldt altijd:  Fcor is loodrecht op de snelheid gericht.  Fcor is evenredig met de snelheid van de beweging.

945 950 luchtdruk p (hPa)

Figuur 53  Laat een denkbeeldig blok lucht los bij A. Het versnelt dan naar lagere druk. Met toenemende snelheid neemt de corioliskracht toe, die altijd loodrecht op de snelheid staat. Al snel beweegt het blok lucht langs de isobaren.

B Boven

de grenslaag is de corioliskracht op een hoeveelheid lucht bij benadering in evenwicht met de kracht door het luchtdrukverschil. B Boven de grenslaag stroomt de lucht vrijwel evenwijdig aan de isobaren. B Als de isobaren dichter bij elkaar liggen, is de kracht door het luchtdrukverschil groter. Daar waait het harder.


33

A

Weer en atmosfeer 4 Wind Beheersen

Stroming bij hoge- en lagedrukgebieden In de buurt van een hoge- of lagedrukgebied zijn de isobaren meestal niet recht en is de wind in de grenslaag niet precies langs de isobaren. Want in de grenslaag speelt wrijving met het aardoppervlak een rol. Er is daar evenwicht van de kracht door het luchtdrukverschil, de corioliskracht en de wrijving met het aardoppervlak. Zie figuur 54. Bij een hogedrukgebied stroomt daardoor de lucht aan de grond (in de grenslaag) over de isobaren heen naar buiten (met de wijzers van de klok mee op het noordelijk halfrond). Bij een lagedrukgebied stroomt de lucht in de grenslaag over de isobaren naar binnen (tegen de wijzers van de klok in). Zie figuur 55. Bij een lagedrukgebied liggen de isobaren meestal dichter bij elkaar dan bij een hogedrukgebied. De wind rond een lagedrukgebied is dan ook vaak sterker dan rond een hogedrukgebied. Zware stormen komen alleen voor in de buurt van een depressie met dicht op elkaar liggende isobaren. Dat de isobaren zo veel dichter bij elkaar komen te liggen in een uitdiepende depressie dan bij een opbouwend hogedrukgebied is als volgt te verklaren. Een depressie wordt ‘gemaakt’ doordat hoger in de atmosfeer divergentie is (denk aan de afstroom boven bij een zeebries). Bij de ‘opvulling’ aan de grond stroomt de lucht toe vanuit een wijder gebied naar een nauwer gebied en dat gaat moeilijker dan andersom.

wind

990 hPa

Fwrijving

Fcor

995 hPa

Figuur 54  In de grenslaag maken drie krachten evenwicht.

L

H

Figuur 55  Stroming van de lucht in de grenslaag gemiddelde hoogte 200 hPa

laag

2

a hP 00

N

B Bij

hoog

hoog

20 0 a hP

een lagedrukgebied stroomt langs de grond lucht naar het gebied toe. Door de corioliskracht en de wrijving met het aardoppervlak is de stroming van de lucht daar over de isobaren heen tegen de klok in (op het noordelijk halfrond). B De wind bij een lagedrukgebied is vaak sterker dan bij een hogedrukgebied. De isobaren liggen daar dichter bij elkaar. B Bij een hogedrukgebied stroomt de lucht langs de grond van het gebied weg. Deze lucht stroomt over de isobaren heen met de klok mee (op het noordelijk halfrond).

Fluchtdruk

Z

laag

Figuur 56  In de tropen is de atmosfeer ‘dikker’ dan in de poolstreken.

O N T S TA A N VA N H O G E - E N L AG E D R U KG E B I E D E N Divergentie en convergentie hoog in de atmosfeer ontstaan uiteindelijk door het grootschalige transport van warmte vanuit de tropen. In de tropen wordt de lucht sterker verwarmd dan op hogere geografische breedtes, waardoor er op het noordelijk halfrond op een hoogte van bijvoorbeeld 10 km gemiddeld afstroom plaatsvindt naar het noorden. Zie figuur 56. Er ontstaat daardoor hoog in de atmosfeer een stroming van lucht die gemiddeld naar het noorden is. Door het corioliseffect buigt deze luchtstroom steeds meer af naar het oosten, waardoor er op grote hoogte in de gematigde streken westenwinden waaien. Zie figuur 57. Vaak is dat gebied de grens van warmere lucht aan de zuidkant en koudere lucht aan de noordkant. In dat grensgebied waait dan op grote hoogte een heel sterke westenwind: de straalstroom. Zie figuur 58. Die straalstroom blijft niet lang netjes west-oost (dan zou er ook geen warmte naar het noorden getransporteerd worden) maar gaat slingeren. In die slingers ontstaan dan depressies en hogedrukgebieden.

Figuur 57  Gemiddelde luchtstromen op grote hoogte

D

A

C B

Figuur 58  Straalstroom met slingers




Beheersen 4 Wind Weer en atmosfeer

A

53  De paragraafvragen zijn: Hoe ontstaat wind op kleine schaal, zoals bij een zeebries? Waardoor is de richting van de wind op de weerkaart langs de isobaren? a Leg uit hoe een zeebries ontstaat. b Leg uit waardoor de wind boven de grenslaag evenwijdig aan de isobaren waait.

54  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f g

divergentie

convergentie

Figuur 59  Samenkomende toestroom langs de grond wordt afgeremd door ophoping.

convergentie

divergentie

Figuur 60  Wegstromen langs de grond gaat makkelijk door verspreiding.

De grenslaag is de laag waarin het nergens waait. Een schijnkracht bestaat eigenlijk niet. De kracht door het verschil in luchtdruk is altijd langs de isobaren gericht. Boven de grenslaag werken er op een volume lucht slechts twee krachten, de corioliskracht en de kracht door het verschil in luchtdruk. In een lagedrukgebied stroomt bij de grond lucht over de isobaren tegen de klok in naar het gebied toe. Bij evenwijdige isobaren waait de wind boven de grenslaag evenwijdig aan de isobaren. Bij een hogedrukgebied stroomt bij de grond lucht met de klok mee langs de isobaren.

55  Hoe de wind voornamelijk langs de isobaren waait, wordt samengevat in de Wet van Buys Ballot (de oprichter van het KNMI): Sta je met je rug in de wind, dan heb je de lage druk links van je. a Leg uit dat je wind in de rug hebt als er links van je een lagedrukgebied is. b Leg uit dat deze wet alleen geldt voor de wind op het noordelijk halfrond. c Hoe luidt de wet van Buys Ballot op het zuidelijk halfrond?

56  Bij de zeebries ontstaat het lagedrukgebied(je) boven land doordat op grotere hoogte, bijvoorbeeld 2 km, lucht wegstroomt. Bij een groot lagedrukgebied is dat net zo. Op grote hoogte, bijvoorbeeld 10 km, stroomt er netto lucht uit het gebied. Er is daar divergentie, zie figuur 59. a Leg uit waardoor in het lagedrukgebied lucht omhoog beweegt. b Leg uit waardoor er in een lagedrukgebied vaak wolkenvorming en neerslag voorkomt. c Leg uit waardoor er in een hogedrukgebied meestal geen neerslag is.

57  Boven de grenslaag stroomt de lucht langs de isobaren. Welke twee krachten werken er daar op een bepaalde hoeveelheid lucht? Leg uit dat die twee krachten in evenwicht zijn als de isobaren rechte lijnen zijn. In de buurt van een lagedrukgebied zijn de isobaren gebogen lijnen. c Leg uit welke van die twee krachten boven de grenslaag in de buurt van een lagedrukgebied groter is dan de andere. a

b

34


35

A

Weer en atmosfeer 4 Wind Beheersen

In de grenslaag werken er op een bepaalde hoeveelheid lucht drie krachten, die gemiddeld samen evenwicht maken. d Welke drie krachten zijn dat? e Leg uit welke van de drie krachten loodrecht op de isobaren gericht is. f Welke van de drie krachten is loodrecht op de windsnelheid gericht? g Leg uit welke van de drie krachten tegengesteld gericht is aan de wind. h Maak nu met een schets duidelijk hoe in de buurt van een lagedrukgebied op het noordelijk halfrond de wind schuin over de isobaren waait in de richting van het centrum van het lagedrukgebied.

58  In de buurt van een hogedrukgebied zijn de isobaren gebogen lijnen. In de grenslaag stroomt lucht vanuit het centrum van het hogedrukgebied naar buiten. a Welke twee krachten werken er boven de grenslaag op een bepaalde hoeveelheid lucht? b Welke van die twee krachten is in de buurt van het hogedrukgebied iets groter dan de andere? In de grenslaag werken er op een hoeveelheid lucht drie krachten, die gemiddeld samen evenwicht maken. c Welke drie krachten zijn dat? d Leg uit welke van de drie krachten loodrecht op de isobaren gericht is. e Welke van de drie krachten is loodrecht op de windsnelheid gericht? f Leg uit welke van de drie krachten tegengesteld gericht is aan de wind. g Maak nu met een schets duidelijk hoe in de buurt van een hogedrukgebied op het noordelijk halfrond de wind schuin over de isobaren waait vanuit het centrum van het hogedrukgebied.

59  In de grenslaag speelt de wrijving met de grond, de vegetatie en de gebouwen een rol. In figuur 61 is de wrijvingskracht op vier verschillende hoogtes getekend. De wrijvingskracht is altijd afremmend dus tegengesteld gericht aan de snelheid. a Leg uit dat de situatie van figuur 61 op het noordelijk halfrond is. b Op welke hoogte is de windrichting evenwijdig aan de isobaren? c Leg uit dat de tekeningen in figuur 61 de situaties voorstellen op steeds grotere hoogte boven de grond. Op elke hoogte zijn de drie getekende krachten (rode pijlen) in evenwicht. d Wat betekent dat voor de windsnelheid? Als je met niet te harde wind een vlieger oplaat en steeds hoger laat gaan, zie je dat hij langzaam wegdraait. e Draait de vlieger naar rechts of naar links bij het omhoog gaan? f Leg dat in Australië een vlieger de andere kant op wegdraait als je die hoog oplaat.

Fluchtdruk

wind

990 hPa

Fwrijving

Fcor

995 hPa

Fluchtdruk 985 hPa

Fwrijving 990 hPa

Fluchtdruk 980 hPa

wind 975 hPa

Fcor Fluchtdruk wind

Fwrijving 985 hPa

wind

Fcor

980 hPa

Figuur 61  Evenwicht in de grenslaag

Fcor




Weer en atmosfeer

5

A

36

Fronten, wolken en neerslag

ONTDEKKEN

W4 Kou- en warmtefronten W5 Occlusiefront

Hoge- en lagedrukgebieden bepalen de stroming van de lucht in de atmosfeer, en hebben grote invloed op het weer. In een hogedrukgebied is sprake van rustig weer met weinig bewolking. Rond een lagedrukgebied waait het vaak hard, en is er veel bewolking. De bewolking en neerslag rond een sterk lagedrukgebied (een depressie) ontstaan bij fronten. Wat gebeurt er bij zo’n front, waardoor bewolking ontstaat? En hoe ontstaan eigenlijk die depressies en fronten?

W6 De straalstroom W7 Klimaatcellen

PA R AG R A A F V R A AG Hoe zorgen warmte- en koufronten voor bewolking en neerslag?

BEGRIJPEN Figuur 62  Depressie met fronten

warme lucht gestage matige neerslag

koude lucht

Figuur 63  Bij een warmtefront glijdt warmere lucht omhoog over koudere lucht. De tekening is niet op schaal, de helling van het front is hier overdreven.

Figuur 64  Bij een warmtefront ontstaat een egale wolkenlaag.

Een front is de grens tussen een gebied met warme lucht en koude lucht. Op de weerkaart zijn fronten weergegeven als gekleurde lijnen met bolletjes of puntjes. In figuur 62 zie je drie soorten fronten: een warmtefront (rode lijn met bolletjes), een koufront (blauwe lijn met puntjes) en een geoccludeerd front (paars met bolletjes en puntjes). De dunne grijze lijnen zijn de isobaren die de luchtdruk aan de grond weergeven.

Warmtefront Een warmtefront is de voorkant van een warme zone, die daar grenst aan een zone met koelere lucht. Bij een bewegend warmtefront dringt warme lucht op tegen koude lucht. De warme lucht schuift geleidelijk omhoog over koude lucht, doordat warmere lucht minder dicht is dan koudere lucht (zie figuur 63). Bij het stijgen koelt deze warme lucht af en kan er bewolking in ontstaan. Bij een warmtefront ontstaat bewolking over een groot gebied, een egale wolkenlaag (zie figuur 64). Op buienradar is een warmtefront te zien als een groot blauw vlak dat langzaam over het land schuift (zie figuur 65). De bewolking bevindt zich boven een groot gebied, doordat de warme lucht geleidelijk omhoog schuift. De hoek tussen het frontvlak en de grond is erg klein. Bij een warmtefront is er vrijwel geen sprake van wrijving met het aardoppervlak, doordat de warme lucht opgetild wordt en over de koude lucht heen schuift. Er valt bij een warmtefront vaak neerslag over een groot gebied, maar het zijn geen felle buien. Het is gestage matige neerslag. Bij het passeren van het warmtefront is het aan de grond eerst nog koud, doordat de warmere lucht zich hogerop bevindt. Als eerste verschijnt hoog in de lucht een dunne laag bewolking (sluierbewolking). Daarna kan het gaan miezeren, en vervolgens langdurig regenen (zie figuur 63). Nadat het front met regen gepasseerd is, klaart de lucht op en gaat de temperatuur omhoog. B Een

front is de grens tussen warme en koude lucht. een bewegend warmtefront dringt de warme zone op tegen de koude zone. B De warme lucht glijdt tegen de koude lucht op. In de geleidelijk opstijgende warme lucht ontstaat een egale wolkenlaag waaruit gestage matige neerslag kan vallen. B Bij

Figuur 65  Neerslag bij een warmtefront op buienradar


37

A

Weer en atmosfeer 5 Fronten, wolken en neerslag begrijpen

Koufront Een koufront is de voorkant van een koude zone, die daar grenst aan een zone met warme lucht. Bij een bewegend koufront dringt koude lucht op tegen warme lucht. De koude lucht is dichter en duwt de warmere lucht omhoog. De koude lucht ‘kruipt’ als het ware onder de warme lucht. De voorkant van een koufront is steiler dan de voorkant van een warmtefront, doordat de koude lucht bij de grond afgeremd wordt door wrijving met het aardoppervlak. Bij een koufront wordt de warme lucht daardoor steiler omhoog geduwd dan bij een warmtefront. Bij het stijgen daalt de temperatuur van de omhoog geduwde warme lucht, doordat bij stijging de lucht uitzet en daarbij afkoelt. Er ontstaan dan meestal hoge dikke wolken. Zodra de druppels in die wolken groot genoeg zijn, vallen ze naar beneden. Omdat de wolk vrij hoog is, klonteren de druppels tijdens het vallen samen met andere druppels. Er ontstaan dikkere druppels. Er kan binnen een klein gebied veel neerslag vallen (een plensbui). Zie figuur 67. Op de buienradar is een koufront vaak te zien als een donkerblauwe smalle strook die langzaam over het land schuift (zie figuur 68). De donkere kleur geeft aan dat er op die plek veel neerslag valt. Een waarnemer aan de grond bevindt zich eerst in warme lucht met weinig bewolking (in figuur 66 rechts). Dan daalt vrij snel de temperatuur en vlak daarna volgen vaak plensbuien. Bovendien gaat het dan waaien, want in het frontgebied zijn de horizontale drukverschillen voor en na het front relatief groot en dat gaat gepaard met veel wind. Bij een koufront voelt het alsof het weer plotseling omslaat. Bij een warmtefront gaat die verandering veel geleidelijker.

zware buien

warme lucht

koude lucht

Figuur 66  Bij een koufront duwt koude lucht de warme lucht omhoog.

Figuur 67  Er komt een plensbui aan.

B Bij

een bewegend koufront dringt de koude zone op tegen de warme zone. koude lucht schuift onder de koude lucht. In de omhoog gedrukte warme lucht ontstaat hoge bewolking waaruit stevige regenbuien kunnen vallen.

B De

Occlusiefront Een occlusiefront ontstaat als een warmtefront ingehaald wordt door een koufront. Het is een samensmelting van twee fronten, een koufront haalt een warmtefront in. Dat wordt op de weerkaart aangegeven met een paarse kleur (mengkleur van rood en blauw) met bolletjes en puntjes. Zie figuur 69. Figuur 68  Een smalle strook met zware regenbuien

lagedrukgebied

lagedrukgebied

neerslag

neerslag

warmtefront

occlusie warmtefront

warmtefront koufront

Figuur 69  Een koufront haalt een warmtefront in.

koufront koufront




begrijpen 5 Fronten, wolken en neerslag Weer en atmosfeer

A

38

De warme lucht die al opgeduwd werd tegen de koele lucht, wordt nu extra omhoog geduwd door het naderende koufront aan de achterkant. Er ontstaan extra hoge wolken (zie figuur 70). Uit zulke wolken kan veel neerslag vallen binnen een beperkt gebied. Plensbuien met dikke regendruppels en vaak ook onweer. Een waarnemer aan de grond merkt weinig van de warme lucht, want die is door beide koude zones omhoog geduwd. Aan de grond blijft het dus koud en er valt (veel) neerslag. B Bij

een occlusiefront wordt een warmtefront ingehaald door een koufront. de krachtig omhoog gestuwde warme lucht ontstaat extra hoge bewolking waaruit plensbuien kunnen vallen.

B In

60  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d

Fronten ontstaan rond lagedrukgebieden. Bij een warmtefront wordt koude lucht ingehaald door warme lucht. Bij een warmtefront ontstaat een brede laag bewolking waaruit gestaag regen kan vallen. Bij een warmtefront gaat het eerst regenen. Daarna wordt het warmer.

61  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b

Figuur 70  Bij een occlusiefront ontstaan extra hoge wolken.

c

Bij een koufront wordt koude lucht ingehaald door warme lucht. Bij een koufront ontstaan in een klein gebied hoge wolken waaruit plensbuien kunnen vallen. Bij een koufront gaat het eerst regenen. Daarna wordt het warmer.

62  Een warmtefront is de voorkant van een gebied met warme lucht. Leg uit waardoor over een groot gebied wolken kunnen ontstaan in de warme lucht. b Wat neemt iemand aan de grond achtereenvolgens waar: voor, tijdens en na het passeren van een warmtefront? Als een warmtefront passeert, valt vaak gedurende langere tijd regen. c Leg uit waardoor het langere tijd regent. a

63  Bij een koufront ontstaan wolken in het gebied met warme lucht. Leg uit waardoor er in een vrij klein gebied wolken ontstaan in de warme lucht. b Wat neemt iemand aan de grond achtereenvolgens waar voor, tijdens en na het passeren van een koufront? Bij het passeren van een koufront ontstaan binnen een klein gebied hoge dikke wolken waaruit plensbuien kunnen vallen. c Leg uit waardoor die hoge dikke wolken ontstaan. a

0

250

500 km

L

64  Een occlusiefront wordt op een weerkaart getekend als een paarse lijn met

Figuur 71  Een koufront, een warmtefront en een occlusiefront

bolletjes en puntjes (zie figuur 71). a Waarom heeft men voor die kleur en die vorm gekozen? b Leg uit waardoor een occlusiefront vaak dicht bij het centrum van een lagedrukgebied ontstaat. c Leg uit dat het bij een occlusiefront doorgaans harder regent dan bij een koufront.


39

A

Weer en atmosfeer 5 Fronten, wolken en neerslag begrijpen

65  Op een bepaalde dag zie je hoog in de lucht sluierbewolking ontstaan (figuur 72). Enige tijd later gaat het zachtjes miezeren. a Wordt dit veroorzaakt door een koufront of een warmtefront? Leg uit. b Bevind je je op dat moment in een zone met koude lucht of met warme lucht? Leg uit. c Beschrijf hoe het weer in de uren erna zal veranderen.

Figuur 72  Sluierbewolking hoog in de lucht

66  Op een bepaalde dag is er weinig bewolking. Enkele uren later zie je donkere wolken verschijnen aan de hemel (figuur 73). a Worden deze wolken veroorzaakt door een koufront of een warmtefront? Leg uit. b Bevind je je op dat moment in een zone met koude lucht of met warme lucht? Leg uit. c Beschrijf hoe het weer in de uren erna zal veranderen.

Figuur 73  Donkere wolken




beheersen 5 Fronten, wolken en neerslag Weer en atmosfeer

A

40

BEHEERSEN De passage van een front kan gepaard gaan met bewolking. De warme lucht bevat vaak waterdamp waaruit wolken kunnen ontstaan door afkoeling bij optilling van die warme lucht. Aan de vorm van de bewolking kun je vaak al zien welk weer in aantocht is.

Cumulus

Figuur 74  Cumuluswolken

Figuur 75  Stratusbewolking

Figuur 76  Voor een warmtefront uit passeert eerst cirrusbewolking (sluierwolken).

Cumuluswolken zijn stapelwolken met een bloemkoolvorm (zie figuur 74). Zulke wolken zijn meestal een gevolg van opwarming van vochtige lucht bij het aardoppervlak. Tijdens het opstijgen koelt deze lucht af door uitzetting. Op de hoogte waar de temperatuur van de opstijgende lucht gelijk is geworden aan het dauwpunt ontstaan wolken door condensatie (druppels) of rijping (ijskristallen). Op die hoogte bevindt zich dan de onderkant van zo’n wolk. In de zomer kunnen cumuluswolken uitgroeien tot grotere wolken met dikkere druppels. Zulke wolken zijn donkerder en zullen op een gegeven moment gaan uitregenen. Zijn er bij een naderend koufront in de warme sector al cumuluswolken aanwezig, dan kunnen die met de warme lucht omhoog gestuwd worden door de opdringende koude lucht. Zo ontstaan altocumuluswolken (alto = hoog).

Stratus Bij een warmtefront van opdringende vochtige lucht ontstaat vaak over een groot gebied een egale wolkenlaag waaruit langdurig regen kan vallen. Zo’n egale wolkenlaag wordt stratusbewolking genoemd (stratus = laag). Zie figuur 75. Stratuswolken worden geassocieerd met somber weer. De zon is dan lange tijd niet te zien en het kan langdurig regenen. De wolken die je als eerste ziet bij de nadering van een warmtefront dekken niet de hele hemel af. Het zijn cirruswolken (sluierbewolking). Zie figuur 76. Dit soort bewolking is dan ook vaak de aankondiging van een naderend warmtefront met langdurig regen.

L

L

koud

H warm

H H

Figuur 78  Bij de vorming van een occlusiefront wordt wordt de hele warme sector omhoog geduwd en komt los van het aardoppervlak.

Cumulonimbus In figuur 78 bevindt de zone met warme lucht zich tussen twee koude zones. Als het koufront het warmtefront inhaalt, ontstaat een occlusiefront, waarbij warme lucht verder omhoog gestuwd wordt. Zo kunnen hoge cumulonimbuswolken (onweerswolken) ontstaan (zie figuur 77).

Figuur 77  Cumulonimbuswolken


41

A

Weer en atmosfeer 5 Fronten, wolken en neerslag beheersen

In een cumulonimbuswolk kan het opstijgen van de warme lucht verder worden versterkt door het condenseren van waterdamp in die lucht. Het condenseren wordt weliswaar veroorzaakt doordat tijdens het stijgen de temperatuur daalt, maar bij het condenseren komt ook warmte vrij (de warmte die eerder gebruikt is om het water te laten verdampen). De temperatuur van de opstijgende lucht daalt daardoor minder snel. De dichtheid van de warme lucht blijft lager dan van de omringende lucht, en de warme lucht stijgt verder omhoog. Zo ontstaan hoge wolken.

doorgeschoten top

aambeeld

Onweerswolken Hoge wolken kunnen de aanleiding vormen tot het ontstaan van onweer. Zulke wolken bevatten veel waterdamp en dikke waterdruppels. Wanneer zo’n hoge wolk gaat uitregenen, ontstaat een dalende stroom koudere lucht naast een opstijgende stroom warme lucht (zie figuur 79). Door de wrijving tussen de twee luchtstromen ontstaat, net zoals bij het uittrekken van een trui, scheiding van lading. De ene wolk wordt positief geladen, de andere wolk negatief. Als de lading voldoende groot is, kan er een vonk (bliksem) overschieten. (bloemkoolwolken) kunnen ontstaan door opwarmen en opstijgen van vochtige lucht. B Altocumuluswolken kunnen ontstaan doordat een koufront warme lucht omhoog stuwt. B Bij warmtefronten ontstaan stratuswolken (egale wolkenlaag), die kunnen zorgen voor langdurige matige neerslag. B Bij kou- en bij occlusiefronten kunnen cumulonimbuswolken (hoge onweerswolken) ontstaan. B Onweer ontstaat door wrijving tussen een dalende en een stijgende luchtstroom.

opwaartse stromingen neerwaartse stromingen

B Cumuluswolken

67  De paragraafvraag is: Hoe zorgen warmte- en koufronten voor bewolking en neerslag? Beschrijf bij beide fronten hoe bewolking ontstaat in de zone met warme lucht. b Leg uit dat de neerslag bij een warmtefront een ander karakter heeft dan bij een koufront. a

68  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f

Bij een warmtefront ontstaan cumuluswolken. Bij een koufront ontstaan in een klein gebied hoge wolken waaruit plensbuien kunnen vallen. Een occlusiefront ontstaat op een plek waar een zone met koude lucht ingeklemd wordt door twee zones met warme lucht. Cumulonimbuswolken zijn onweerswolken die ontstaan bij een occlusiefront. Stratuswolken vormen een egale laag bewolking Cumuluswolken hebben de vorm van een bloemkool.

69  Bij een warmtefront ontstaan wolken in het gebied met warme lucht. a b c

Welke soort bewolking kondigt de komst van een warmtefront aan? Welke soort bewolking zorgt bij een warmtefront voor neerslag? Leg uit waardoor na het passeren van het front de temperatuur snel omhoog gaat.

neerslag

Figuur 79  Onweerswolk




beheersen 5 Fronten, wolken en neerslag Weer en atmosfeer

A

70  Bij een koufront ontstaan wolken in het gebied met warme lucht.

warm

a b c

Welke soort bewolking ontstaat bij een koufront? Leg uit waardoor bij een koufront hogere bewolking ontstaat. Beschrijf hoe bij een koufront het weer vrij plotseling omslaat.

koud koel

Figuur 80  Bij een occlusiefront ontstaan verschillende soorten wolken.

71  Een occlusiefront ontstaat als samensmelting van een koufront en een warmtefront (zie figuur 80). a Wat voor wolken zie je bij een occlusiefront? b Beschrijf hoe hoge bewolking ontstaat bij het samensmelten van het koufront en het warmtefront. c Leg uit dat bij het passeren van een occlusiefront de temperatuur aan de grond nauwelijks verandert.

72  In figuur 81 zie je kleine witte wolkjes tegen een blauwe lucht. a b c

Welke soort wolken zie je in figuur 81? Beschrijf hoe deze wolken ontstaan. Leg uit waardoor de onderkanten van deze wolken op gelijke hoogte zijn.

73  De wolken in figuur 82 zijn een stuk donkerder dan in figuur 81. a

Figuur 81

b

Bij welke wolken zijn de druppels groter, de donkere wolken in figuur 82 of de witte wolken in figuur 81? Uit welke bewolking zal eerder neerslag vallen? Leg uit.

74  Onweer treedt alleen op bij hoge bewolking (zoals cumulonimbuswolken). a b c

Figuur 82

Beschrijf hoe hoge bewolking ontstaat bij een occlusiefront. Leg uit dat hoge bewolking ook kan ontstaan tijdens een warme en broeierige zomerdag. Leg uit hoe bliksem ontstaat in zo’n hoge wolk.

42


6

Weer en atmosfeer

Verdieping

Troposfeer en ozonlaag Aan de figuren 83 en 84 zie je dat de (gemiddelde) luchtdruk blijft afnemen als je omhoog gaat in de atmosfeer. De temperatuur neemt echter niet verder af als je boven een bepaalde hoogte komt. Die hoogte heet de tropopauze en ligt in de tropen gemiddeld op een hoogte van 16 tot 18 km en in de poolstreken op maar ongeveer 6 km. Dat de temperatuur niet verder daalt maar zelfs stijgt als je nog verder omhoog gaat, is als volgt te verklaren. Het ultraviolette deel van het zonlicht komt niet door de atmosfeer heen, het wordt in twee stappen geabsorbeerd door zuurstof en ozon. Eerst worden O2-moleculen gesplitst in losse atomen O door energierijke uv-straling. Daarna vormen die losse atomen O met moleculen O2 moleculen ozon (O3). Iets minder energierijke uv-straling splitst dan weer die moleculen ozon. Boven de tropopauze wordt dus ozon gevormd maar ook weer afgebroken. Daarom heet de atmosfeer boven de tropopauze de ozonlaag. Zowel bij de vorming van ozon als bij de afbraak wordt uv-straling geabsorbeerd. Door deze absorptie warmt de lucht in de ozonlaag op, terwijl de lucht ook zelf warmtestraling uitzendt. De grafiek in figuur 84 geeft de evenwichtstemperatuur aan. Er wordt dan per m3 lucht per s evenveel warmte uitgestraald (infrarood) als er energie wordt geabsorbeerd (uv). Dat de vorming van ozon niet beneden de tropopauze plaatsvindt, komt doordat dan het uv al uit het zonlicht is verdwenen.

75  Het gedeelte van de atmosfeer tot aan de tropopauze heet de troposfeer, omdat de weersveranderingen zich in deze laag afspelen. (Tropos (grieks) betekent ‘wending’ of ‘verandering’.). Een volume lucht dat bij het aardoppervlak verwarmd is en opstijgt komt niet hoger dan de tropopauze. a Leg uit waardoor de tropopauze een soort ondoordringbare laag is voor opstijgende lucht. Het supersone verkeersvliegtuig Concorde (uit de vorige eeuw) vloog boven de tropopauze, omdat de luchtweerstand daar zeer gering is. b Leg uit of de tropopauze ook een merkbare ‘ondoordringbare laag’ voor een opstijgende Concorde was.

76  Fijnstof en Saharazand regent meestal wel een keer uit de atmosfeer.

36 32 28 24 20 16

50% van alle lucht (massa) bevindt zich onder deze hoogte

12

Mount Everest

8 4 0

0

200

400

600

800 1000 druk p (hPa)

Figuur 83  Luchtdruk en hoogte

stratosfeer

ozonlaag

20

tropopauze 10 5 2 troposfeer

-50 0 temperatuur T (°C)

1

50

Figuur 84  Temperatuurverloop in de atmosfeer

Leg uit waardoor vulkaanas die tot ver boven de tropopauze is uitgebraakt, zich over een groot deel van de aarde kan verspreiden en maar heel langzaam verdwijnt.

77  De grote onweerswolk van figuur 85 is ontstaan doordat vochtige lucht bij het aardoppervlak is verwarmd en uitgezet. Door optilling is deze lucht gaan stijgen en is daarbij verder uitgezet. a Leg uit waardoor deze opstijgende lucht verder opstijgt en afkoelt tot het dauwpunt. b Leg uit dat de opstijgende lucht tot grote hoogte blijft stijgen. c Leg uit waardoor deze enorm grote onweerswolk een bijna platte bovenkant heeft. De bovenkant is niet helemaal plat, de wolk steekt er een beetje bovenuit. d Leg uit waardoor boven de platte schijf (ter hoogte van de tropopauze) de wolken nog een beetje doorstijgen.

0 100

Figuur 85  Onweerswolk met bovenkant

hoogte h (km)

A

hoogte h (km)

43




6 Verdieping Weer en atmosfeer

A

44

Ballonvaren

Figuur 86  De ballon wordt volgeblazen.

Een heteluchtballon is van onder open. In de mand bevindt zich een gasbrander. De ballon wordt in de lucht gehouden door de gasbrander in de mand af en toe aan te zetten. Ballonvaren kan alleen als het niet hard waait en er geen thermiek is. Helemaal zonder wind is ook niet leuk. Dan kom je niet ver, want een ballon heeft geen voortstuwing. Voor de start wordt de ballon eerst met een grote ventilator gevuld met lucht, zie figuur 86. Daarna gaan de branders aan waardoor de ballon zich langzaam opricht. Is iedereen aan boord, dan laat de piloot de brander loeien en worden de ankertouwen losgemaakt. De ballon kan opstijgen doordat de warme lucht in de ballon een lagere dichtheid heeft dan de koude buitenlucht. De draagkracht is gelijk aan het verschil in gewicht tussen de warme lucht in de ballon en een even groot volume koude buitenlucht. Hoeveel mensen er in de mand mee kunnen, hangt af van de grootte van de ballon. Maar ook van de temperatuur van de lucht. Bij koud weer kunnen meer mensen mee dan bij warm weer, doordat dan het verschil in absolute temperatuur (in K) van de warme lucht in de ballon en de koude lucht buiten de ballon relatief groter is. In Binas tabel 12 staat gegeven dat de dichtheid van lucht 1,293 kg m-3 bedraagt, bij een luchtdruk van 1013 hPa en een temperatuur van 273 K. Onder deze standaardomstandigheden heeft elke kubieke meter lucht dus een massa van 1,293 kg. De dichtheid van de lucht bij een andere temperatuur kun je berekenen met het gegeven dat de dichtheid omgekeerd evenredig is met de absolute temperatuur. Als de temperatuur met een bepaalde factor is toegenomen, is de dichtheid met diezelfde factor afgenomen.

R E K E N VO O R B E E L D Een ballon heeft een volume van 2000 m3 en de brander kan de lucht in de ballon verwarmen tot 100 °C boven de temperatuur van de buitenlucht. De buitentemperatuur is 20 °C. Vraag: Hoe groot is het draagvermogen van deze ballon? Antwoord: Bereken eerst de dichtheid van de buitenlucht en van de lucht in de ballon. In de buitenlucht is de temperatuur ​273 + 20 = 293 K​. De temperatuur is ​​ 293  ​= 1,073​. Dan neemt de dichtheid met diezelfde toegenomen met een factor ____ 273 1,293  ​ = 1,205 kg  ∙ ​m​​  −3​. factor af: _____ ​​    1,073 393  ​= 1,440​, en In de ballon is de temperatuur ​293 + 100 = 393 K​. De factor is dan ​​ ____ 273 1,293  ​ = 0,898 kg  ∙ ​m​​  −3​. de dichtheid is: _____ ​​    1,440 Elke kubieke meter lucht in de ballon is dan ​1,205 − 0,898 = 0,307 kg​lichter dan de buitenlucht. Het draagvermogen van de ballon is dan ​2000 × 0,307 = 614 kg​.


45

A

Weer en atmosfeer 6 Verdieping

78  Ballonvaarders zie je zelden midden op de dag het luchtruim kiezen. Leg uit waarom ze bang zijn voor eventuele thermiek.

79  Een ballon heeft een volume van 5000 m3 en de brander kan de lucht in de ballon verwarmen tot 100 °C boven de temperatuur van de buitenlucht. De buitentemperatuur bedraagt 23 °C. a Laat met een berekening zien dat bij 123 °C de massa van een kubieke meter lucht 0,302 kg kleiner is dan bij 23 °C. b Bereken de massa die deze luchtballon maximaal in de lucht kan brengen. Op een andere dag is de temperatuur van de buitenlucht −8 °C. De temperatuur van de lucht in de ballon is dan 92 °C. c Leg uit dat er nu meer personen met de ballon omhoog kunnen dan bij 23 °C. d Bereken hoeveel personen van 80 kg nu extra omhoog kunnen.

Figuur 87  Ballonvaart

80  Met een heteluchtballon kun je moeilijk sturen. Je waait immers gewoon met de wind mee. Toch kan de piloot wel de koers wijzigen door hoger of lager te gaan drijven. Dat heeft er mee te maken dat de wind alleen in de grenslaag wrijving ondervindt. In de grenslaag zijn de kracht door luchtdrukverschil, de corioliskracht en de wrijvingskracht met elkaar in evenwicht. Zie figuur 88. a Leg uit dat de wind draait als je vanaf de grond omhoog gaat. b Leg uit of de piloot ‘gas moet geven’ om naar rechts te sturen of juist niet. Als de ballon recht op de landingsplaats af koerst maar wel hoog moet vliegen om hoge obstakels te vermijden, moet de piloot steil landen. Daartoe kan hij een soort klittenband-luikje in de ballon openen. c Leg uit of dat luikje bovenin of onderin de ballon zit. d Leg uit hoe de piloot de ballon langzaam kan laten zakken zonder dat luikje te openen. e Leg uit waardoor de ballon daalt bij de actie van d.

Fluchtdruk

wind

990 hPa

Fwrijving

Fcor

995 hPa

Fluchtdruk 985 hPa

Fwrijving 990 hPa

Fluchtdruk 980 hPa

wind 975 hPa

Fcor Fluchtdruk wind

Fwrijving 985 hPa

wind

Fcor

980 hPa

Figuur 88  Evenwicht in de grenslaag

Fcor




Weer en atmosfeer

7 Begrippenkaart Ga na of je van elk begrip goed weet wat het betekent. Formules, grootheden en eenheden Noteer bij elk symbool in de formule de naam van de grootheid en eenheid. Vermeld in welke situatie(s) de formule gebruikt wordt. Samenvatting Bestudeer de samenvatting. Diagnostische toets Test je kennis over dit katern.

Keuzeonderwerpen 1 Warmtetransport op aarde 2 Buienradar 3 Algemene gaswet

A

Afsluiting

HOOFDSTUKVRAAG EN SAMENVATTING 81  De hoofdstukvraag is: Hoe zijn weersverschijnselen als wind, wolken­ vorming en neerslag natuurkundig te verklaren ? a Hoe ontstaan wolken en welke rol speelt de relatieve luchtvochtigheid daarbij? b Wat is luchtdruk? Hoe verandert de luchtdruk als je in de atmosfeer omhoog gaat? Hoe verandert de temperatuur van de lucht met de hoogte? c Hoe ontstaat wind op kleine schaal, zoals een zeebries? Waardoor is de richting van de wind op een weerkaart langs de isobaren? d Hoe zorgen warmte- en koufronten voor bewolking en neerslag?

82  Maak een samenvatting van dit hoofdstuk door antwoord te geven op de volgende vragen. a Hoe kun je aan een meteogram zien of het een heldere of een bewolkte dag is? b Welke twee soorten straling bepalen of de temperatuur van het aardoppervlak stijgt of daalt? c Van welke twee factoren hangt af of de gevoelstemperatuur hoger of lager is dan de werkelijke temperatuur? d Leg uit wat de relatieve vochtigheid te maken heeft met de maximale concentratie waterdamp in de lucht. e Stijgt of daalt de relatieve vochtigheid als op een windstille en droge nacht de luchttemperatuur daalt? f Beschrijf hoe je het dauwpunt kunt bepalen met behulp van de luchttemperatuur en de relatieve vochtigheid. g Leg uit dat bij laaghangende bewolking de relatieve vochtigheid hoog is. h Hoe kun je met gebruikmaking van een vuistregel de luchttemperatuur op een bepaalde hoogte berekenen? i Leg uit onder welke voorwaarden ‘s nachts rijp kan ontstaan. 2 j Leg uit dat geldt 10 N/cm = 100 000 Pa = 1000 hPa. k Leg uit waardoor hoger in de atmosfeer de luchtdruk lager is. l Hoe kun je aan de isobaren op een weerkaart zien waar het hard waait en uit welke richting de wind waait? m Waardoor ontstaan bij een depressie koufronten en warmtefronten? n Beschrijf welk type bewolking en welk type neerslag hoort bij een koufront, bij een warmtefront en bij een occlusiefront. o Welke invloed heeft het corioliseffect op bewegende lucht op het noordelijk halfrond? p Beschrijf wanneer en hoe een zeebries ontstaat. q Beschrijf wanneer en hoe een aflandige wind ontstaat.

EINDOPGAVEN 83  Op een windstille middag is er bewolking. De temperatuur aan de grond is 18,0 °C en de luchtvochtigheid 85%. a Bepaal met behulp van het diagram van figuur 89 het dauwpunt. b Laat met een berekening zien dat de wolken op een hoogte van 300 m hangen.

46


47

A

Weer en atmosfeer 7 Afsluiting

concentratie waterdamp (g/m3)

In de loop van de dag stijgt de temperatuur tot 21,0 °C. De concentratie waterdamp in de lucht blijft gelijk. c Laat zien dat de relatieve luchtvochtigheid dan 72% is. d Hoe verandert door de temperatuurstijging de hoogte waarop de wolken hangen? 100%

30

90% 25

80% 70%

20

60% 50%

15

40% 10

30% 20%

5

10% 0 –10

–5

0

5

10

15

20

25

30

temperatuur in (°C)

Figuur 89

84  Een goudmijn in Zuid-Afrika heeft open liftschachten tot 2000 m diep. a Leg uit dat de luchtdruk onderin de mijn hoger is dan aan de grond. Bij de opening bovenaan de liftschacht is de luchtdruk 1000 hPa. De zwaartekracht op een kubieke meter lucht in de mijn is gemiddeld 13 N. b Leg uit dat elke meter die je in de schacht afdaalt de luchtdruk toeneemt met 13 Pa. c Bereken de luchtdruk op 2000 m diepte.

85  Een strenge winter in Nederland kan alleen plaatsvinden als de wind langdurig uit het oosten of noordoosten waait. a Leg uit dat oostenwind in de winter voor koude droge lucht zorgt. Als het ’s nachts helder en rustig weer is kan het sterk afkoelen. b Komt dit weertype voor bij een lagedrukgebied of bij een hogedrukgebied? c Leg uit dat dit drukgebied dan niet ten zuiden van Nederland moet liggen.

86  Een felle bosbrand is vaak moeilijk te bestrijden doordat er een luchtstroom ontstaat naar de brand toe, waardoor de brand verder oplaait. De luchtstroom wordt veroorzaakt door drukverschillen. a Leg uit dat de luchtstroom ontstaat doordat de luchtdruk op de plek van de brand lager is. b Wat is de oorzaak van de lagere luchtdruk op de plek van de brand?

87  De grote cumulonimbus wolk van figuur 90 is ontstaan doordat ter plaatse warme lucht vanaf het aardoppervlak is gaan stijgen. a Leg uit waardoor de onderkant van de wolk niet tot aan het aardoppervlak reikt. Dat de bovenkant van de wolk uitwaaiert naar opzij komt doordat boven die hoogte de temperatuur van de lucht niet meer afneemt met de hoogte. b Leg uit waardoor de wolk daardoor niet hoger komt.

Figuur 90  Cumulonimbuswolk


Leerdoelen Weer en atmosfeer

Leerdoelen PA R AG R A A F 1 I N T RO D U C T I E Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: instraling van de zon, infrarode uitstraling van de aarde, stralingsevenwicht, gevoelstemperatuur, temperatuurverloop, meteogram.



uitleggen hoe de gemiddelde temperatuur op een positie bepaald wordt door de breedtegraad en het seizoen.



het temperatuurverloop op een dag verklaren aan de hand van de bewolking, de instraling van de zon en de (infrarode) uitstraling van de aarde.



uitleggen van welke factoren de gevoelstemperatuur afhangt.



PA R AG R A A F 2 LU C H T VO C H T I G H E I D E N WO L K E N Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: drukkend warm, waterkou, gevoelstemperatuur, relatieve vochtigheid, verzadigde lucht, verzadigingslijn, dauwpunt, mist, wolkenhoogte.

™

uitleggen dat verdamping van water een afkoelend effect heeft en dat bij condensatie van waterdamp warmte vrijkomt.

™

uitleggen hoe bij hoge luchtvochtigheid de gevoelstemperatuur afwijkt van de werkelijke temperatuur.

™

uitleggen dat bij verzadigde lucht mist, bewolking, dauw of rijp kan ontstaan.

™

uitleggen hoe de relatieve luchtvochtigheid verandert als alleen de temperatuur stijgt of daalt.

™

uitleggen op welke hoogte wolken ontstaan door opstijgende warme lucht, en berekeningen maken met behulp van de temperatuur, het dauwpunt en/ ™ of de relatieve luchtvochtigheid en de vuistregel dat de temperatuur van de lucht ongeveer 1 K daalt per 100 m stijging vanaf het aardoppervlak. in een diagram de verzadingslijn gebruiken om het dauwpunt te bepalen.

™

berekeningen maken met de concentratie waterdamp in de lucht, de maximale concentratie en de relatieve luchtvochtigheid.

™

A

48


49

A

Weer en atmosfeer Leerdoelen

PA R AG R A A F 3 LU C H T D R U K E N T E M P E R AT U U R I N D E AT M O S F E E R Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: druk, luchtdruk, atmosfeer, expansie, compressie, pascal, hectopascal, isobaren, hogedrukgebied, lagedrukgebied.

™

uitleggen hoe de luchtdruk verandert met de hoogte in de atmosfeer.

™

uitleggen hoe de dichtheid van de lucht afneemt met de hoogte in de atmosfeer.

™

uitleggen dat de temperatuur van opstijgende lucht daalt (en van dalende lucht toeneemt), door expansie (respectievelijk compressie).

™

uitleggen dat bij een lagedrukgebied bewolking kan ontstaan en dat bij een hogedrukgebied weinig bewolking is.

™

berekeningen maken en redeneren met de formule voor luchtdruk, kracht en oppervlakte: ​p = __ ​ F  ​​.  A

™

PA R AG R A A F 4 W I N D Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: zeebries, aflandige wind, opwarming, uitzetting, horizontaal luchtdrukverschil, luchtcirculatie, isobaren, corioliseffect, grenslaag, corioliskracht, kracht door luchtdrukverschil, wrijvingskracht.

™

uitleggen dat de lucht vlak boven land overdag meer opwarmt en ’s nachts meer afkoelt dan lucht vlak boven zee.

™

beschrijven hoe een zeebries ontstaat en hoe aflandige wind ontstaat.

™

uitleggen dat op het noordelijk halfrond luchtstromen een afwijking naar rechts hebben (en op het zuidelijk halfrond naar links).

™

uitleggen dat boven de grenslaag in de atmosfeer de lucht evenwijdig aan de isobaren stroomt.

™

uitleggen dat de windsnelheid groter is waar isobaren dichter bij elkaar liggen.

™

uitleggen dat de lucht rond een lagedrukgebied tegen de wijzers van de klok naar het centrum toe stroomt, en rond een hogedrukgebied met de wijzers van de klok mee naar buiten (op het noordelijk halfrond).

™


Profile for ThiemeMeulenhoff

Newton keuzekatern havo 3 Weer en atmosfeer  

Newton keuzekatern havo 3 Weer en atmosfeer

Newton keuzekatern havo 3 Weer en atmosfeer  

Newton keuzekatern havo 3 Weer en atmosfeer

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded