Newton havo

havo

Newt A n Natuurkunde voor de bovenbouw

Auteurs Bas Blok Mark Dirken Jan Flokstra Aart Groenewold Kees Hooyman Carolien Kootwijk Koos Kortland Pieter Lukey Peter Over Michel Philippens Pier Siersma Eindredactie Jan Flokstra Aart Groenewold

Werken met Newton

A

2

WERKEN MET NEWTON VOOR DE LEERLING Op jouw school werk je voor het vak natuurkunde in de bovenbouw van havo 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 havo-examen. Op deze pagina vind je uitleg over de onderdelen die je tegenkomt bij het werken met Newton.

Keuzekatern en methodestartpagina Als je een W bij een opgavenummer ziet staan, kun je een werkblad vinden op de Newton methodesite.

De leerstof die je nodig hebt voor het keuzeonderwerp Aarde en klimaat vind je in dit keuzekatern. Vanuit het keuzekatern vind je verwijzingen naar www.newton-online.nl, de methodesite van Newton.

Introductie

H O O F D S T U K vraag

Dit 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 het hoofdstuk. In overleg met je docent ga je aan de slag met de opgaven en werkbladen.

Paragraaf

PA R AG R A A F vraag

Als je een T bij een opgave ziet staan, kun je aan de slag met een tekenblad op de Newton methodesite.

EE

In de gele kaders zie je samengevatte leerstof.

In de paarse kaders zie je rekenvoorbeelden.

Elke paragraaf heeft dezelfde opbouw: EE Ontdekken: Met de ontdekactiviteiten ontdek je hoe de natuurkunde werkt. Je docent bepaalt met welke experimenten en andere ontdekactiviteiten je aan de slag gaat. De paragraafvraag is het leerdoel van deze paragraaf.

EE 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 achterin het 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.

EE Beheersen: De leerstof van Begrijpen wordt uitgebreid, zodat je ermee kunt gaan redeneren en rekenen. In de marge vind je vaak ĂŠĂŠn of meer rekenvoorbeelden. In de opgaven leer je zowel redeneren als rekenen. De uitkomsten van de rekenopgaven vind je achterin dit boek.

EE Verdiepen: Als je het paragraafonderwerp interessant vindt, kun je je erin verdiepen met extra leerstof en opgaven.

Afsluiten Aan het eind van het hoofdstuk blik je eerst 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 keuzeonderwerpen 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?

3

A

Werken met Newton

WERKEN MET NEWTON VOOR DE DOCENT Newton is een contextgerichte methode met veel aandacht voor begripsontwikkeling, experimenten en differentiatie. Deze vierde editie is bestemd voor het nieuwe natuurkunde examenprogramma vanaf 2013.

Alles voor het centrale examen en schoolexamen Per leerjaar is er voor havo en vwo een basisboek met de verplichte leerstof voor CE en SE. Elk subdomein is ondergebracht in een hoofdstuk. Daarnaast zijn er voor havo en vwo vier keuzekaternen voor de SE-keuzedomeinen.

Methodestartpagina voor leerling en docent Op www.newton-online.nl logtloggen de leerling en de docent in op de Newton methode­startpagina. Via de startlicentie krijgt de leerling toegang tot alle werkbladen, digitaal oefenmateriaal en de digiboekversies van de keuzekaternen. De startlicentie voor de docent biedt toegang tot de online handleidingen, uitwerkingen, toetsen en alle leerlingmaterialen. Via de totaallicentie krijgen de leerling en de docent ook toegang tot de digiboekversies van de basis­boeken en keuzekaternen.

Herkenbare didactische opbouw Elke paragraaf is voorzien van 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 vindt u als werkbladen op de Newton methodestartpagina.

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. Opgaven zijn gesplitst in Redeneren en Rekenen. In de nieuwe examens wordt namelijk steeds meer een beroep gedaan op het kunnen beredeneren van de oplossing van een vraagstuk.

4 Het onderdeel Verdiepen biedt bij elke paragraaf de mogelijkheid voor differentiatie. De leerstof is een interessante aanvulling voor de gemotiveerde leerling, maar valt buiten het CE examenprogramma. Hetzelfde geldt voor de keuzeopdrachten, waarnaar in de afsluitende paragraaf verwezen wordt.

Context leidt tot inzicht in concept Elk hoofdstuk van Newton heeft een centrale context waarmee de theorie en de opgaven toepassingsgericht worden aangeboden. De contextkaders bieden toepassing in concrete praktijkvoorbeelden. Er wordt extra gevarieerd met contexten in de opgaven en eindopgaven. Zo oefent de leerling met het oplossen van vraagstukken in bestaande en nieuwe contexten.

Extra aandacht voor vaardigheden In het basisboek is in een apart hoofdstuk Vaardigheden invulling gegeven aan achtereenvolgens rekenen, onderzoeken, modelleren en ontwerpen. Per paragraaf worden werkblad­opdrachten aangeboden die ook goed in te zetten zijn bij de andere hoofdstukken als ondersteunende leerlijn.

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 Centrale vraag voor de leerling: “Wat kan ik er nog meer mee?”

K3 K3.1 Introductie

5

K3.2 Stromingen in de

8

aarde

K3.3 Stromingen in de atmosfeer

K3.4 Straling en energie in de atmosfeer

K3.5 Oceanen en de algemene circulatie

K3.6 Afsluiting

19

27

36

44

Aarde en klimaat Stromingen in de aarde, de atmosfeer en de oceanen

5

A

Aarde en klimaat

K3.1 Introductie Volgens de oude Grieken werden vulkaanuitbarsting en veroorzaakt doordat Hephaistos in zijn onderaardse werkplaats wapens aan het smeden was. En het was Aeolus die de wind uit zijn zak losliet, al naar gelang hij je gunstig gezind was of niet.

Iedere cultuur had zo zijn eigen ideeën over de bovennatuurlijke ‘krachten’ die de bewegingen veroorzaken in de aarde, de zeeën en de atmosfeer. Pas sinds de uitvinding van de stoommachine werd het iedereen duidelijk hoe warmtebronnen in en op de aarde zulke grootschalige bewegingen kunnen veroorzaken. Welke energiebronnen zorgen hiervoor? En hoe werken de ‘motoren’ die de energie omzetten in beweging?

Na het ontstaan van de aarde, meer dan 4 miljard geleden, is het binnen in de aarde nog steeds gloeiend heet. Daar zit blijkbaar een enorme warmtebron. Hoe ontstaan de bewegingen in de aarde die door die warmtebron worden aangedreven? Is het een grootschalige versie van het proces dat iedereen kent uit de keuken: convectie?

Elke dag onderschept onze planeet een onvoorstelbare hoeveelheid energie die de zon uitgestraald heeft. Wat gebeurt er met die energie? Hoe komt het dat de aarde niet steeds warmer wordt door al die geabsorbeerde zonne-energie? Hoe wordt deze energie verdeeld over de hele atmosfeer en de oceanen? Hoe werkt dat proces? Zijn deze stromingen in de oceanen en de atmosfeer ook met convectie te verklaren?

H oofdstukvraag Wat is convectie en hoe zorgt convectie in de aarde, de oceanen en de atmosfeer voor de beweging van hele continenten, van lucht en van water?

In dit hoofdstuk ga je na hoe de warmtehuishouding van de aarde werkt. Daarbij zoek je antwoord op de volgende vragen: BB Welke processen in de aarde hebben ervoor gezorgd dat continenten over het aardoppervlak verschoven zijn, oceanen zijn gegroeid en oceaanbodem weer is verdwenen? (paragraaf K3.2) BB Hoe kun je verklaren dat de atmosferische luchtdruk en de luchttemperatuur afnemen met de hoogte boven het aardoppervlak en waardoor ontstaan er drukverschillen die de wind aandrijven? (paragraaf K3.3) BB Waardoor warmt de aarde op door de toename van broeikasgassen in de atmosfeer en hoe brengt de atmosfeer zonnewarmte van de tropen naar bijvoorbeeld Nederland? (paragraaf K3.4) BB Hoe worden oceaanstromen aangedreven, hoe dragen ze bij aan de algemene circulatie en hoe ontstaat een tropische orkaan? (paragraaf K3.5)

Figuur 1 Aeolus met zijn zak met winden

1

W Experiment: Pap koken

K3.1 Introductie Aarde en klimaat

A

6

VOORKENNIS In de onderbouw heb je al veel geleerd over temperatuur en warmte, over drijven, zinken en dichtheid en ook over verdampen en condenseren. In deze introductie worden enkele begrippen herhaald en uitgebreid.

Drijven, zinken en dichtheid

2

W Experiment: Drijven, zinken, zweven en opwaartse kracht

Een blok balsahout drijft in water maar een blok eikenhout zinkt. Dat verschil wordt veroorzaakt doordat de dichtheid van eikenhout groter is dan de dichtheid van water en de dichtheid van balsahout juist kleiner is dan de dichtheid van water. Beide houtblokken ondervinden een opwaartse kracht van het water.

In het experiment van werkblad 2 zoek je uit waar de opwaartse kracht van het water vanaf hangt.

Warmte en temperatuur Warmte is een vorm van energie en deze grootheid heeft dus de eenheid J. Temperatuur meet je met een thermometer. De eenheid van temperatuur is °C of K. De grootheden warmte en temperatuur worden nogal eens door elkaar gehaald. Als je bijvoorbeeld zegt dat je het warm hebt, bedoel je niet dat je veel energie hebt. Warmte kun je niet meten met een ‘warmtemeter’, want zo’n meter bestaat niet. Eigenlijk is warmte energie die overgedragen wordt van het ene voorwerp op het andere voorwerp.

3

W Experiment: Warmte bepalen

De temperatuur van een voorwerp neemt toe, als er netto warmte aan wordt toegevoerd. Hoeveel de temperatuur stijgt bij toevoer van een bepaalde hoeveelheid warmte, hangt af van de warmtecapaciteit van het voorwerp. De warmtecapaciteit van een voorwerp is te bepalen uit de warmte die nodig is om dat voorwerp een aantal graden ∆T te verwarmen. De soortelijke warmte van een stof kun je bepalen uit de warmte die nodig is om een massa m van die stof een aantal graden ∆T te verwarmen.

Hoe je de hoeveelheid warmte die ergens in is gegaan of uit is gekomen kunt bepalen, zoek je uit in het experiment van werkblad 3.

Verdampen, condenseren en bevriezen Watermoleculen bewegen en botsen onderling en daardoor verandert hun snelheid voortdurend. Moleculen aan het wateroppervlak die een grotere dan gemiddelde snelheid hebben, kunnen uit het water ontsnappen: het water verdampt. De achterblijvende watermoleculen hebben daardoor een iets lagere gemiddelde snelheid.

Dat betekent dat het water iets is afgekoeld. Verdampen kost dus energie, die wordt onttrokken aan de vloeistof.

Omgekeerd levert condensatie warmte op. Waterdampmoleculen die aan het wateroppervlak van bijvoorbeeld een waterdruppel worden ‘gevangen’ stoten daarbij tegen de watermoleculen in de druppel, waardoor de gemiddelde snelheid van de watermoleculen toeneemt. De waterdruppel warmt op door condensatie van waterdamp op de druppel.

Ook bij bevriezen van water komt er warmte vrij, doordat de watermoleculen niet meer vrij langs elkaar bewegen: de gemiddelde snelheid van de watermoleculen is in ijs veel kleiner. De warmte die vrijkomt bij bevriezen, wordt aan de omgeving afgestaan. Bij het koelen van water, bijvoorbeeld in het vriesvak, daalt de temperatuur eerst vrij snel, maar bij ijsvorming niet meer.

7

A

Aarde en klimaat K3.1 Introductie

In het experiment van werkblad 4 zoek je uit waar het vanaf hangt of er condensatie van waterdamp optreedt.

6

Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a Een boot wordt nooit gemaakt van eikenhout, omdat hij dan meteen zou zinken. b Onder water is een blok aluminium lichter dan boven water. c Een helium ballonnetje aan een touwtje ‘hangt’ omhoog, doordat helium lichter is dan lucht. d ‘Puf, puf … wat een warmte, het is hier wel 35 °C!’ e Een koelkast geeft kou aan het eten dat erin ligt. f Een hardgekookt ei is warmer dan een zachtgekookt ei. g Als je het te warm krijgt, ga je zweten, waardoor je warmte kwijtraakt. h Met een kletsnatte doek over je fles limonade blijft de limonade koeler dan met een droge doek.

7

Als er in het voorjaar nachtvorst dreigt, besproeien fruitkwekers hun fruitbomen om te voorkomen dat de bloesem kapot vriest.

Leg uit hoe het kan dat de bloesem niet kapot vriest, terwijl het water erop wel bevriest.

8

De werking van het koelsysteem van een koelkast berust op het laten verdampen van een speciale vloeistof in de ‘verdamper’ en het condenseren van die damp in de ‘compressor’. a Leg uit waarom een deel van het koelsysteem zich buiten de koelkast moet bevinden. b Leg uit welk deel van het koelsysteem zich aan de achterkant buiten de koelkast bevindt. c Leg uit waarom een koelkast niet in een helemaal afgesloten kast mag staan.

9

Dat ‘de soep niet zo heet wordt gegeten als hij wordt opgediend’, komt doordat: 1 de soep direct na het opscheppen warmte afstaat aan het bord; 2 het water van de soep op het bord verdampt. a Leg voor elk van beide factoren uit dat een bord met grote diameter gunstiger is dan een diepe kom met kleine diameter. b Leg uit waardoor de soep sneller afkoelt als je erover blaast.

4

W Experiment: Condensatie en dauwpunt

5

W Voorkennistest

Aarde en klimaat

A

8

K3.2 Stromingen in de aarde ontdekken AZIË Rusland NOORDAMERIKA

Groenland

EUROPA Nederland evenaar

AZIË AFRIKA AZIË ZUIDAMERIKA

Je draait de thermostaat in de huiskamer een graadje hoger en de verwarming slaat aan. De cv-ketel brandt op aardgas dat in Groningen van diep onder de grond komt.

Dat aardgas was een bijproduct bij de vorming van steenkool onder Nederland. Die steenkool ontstond uit samengeperst veen, doordat er gedurende vele miljoenen jaren klei, zand en gesteente op is afgezet. Dat veen was ontstaan in tropisch laaglandmoeras, ongeveer 300 miljoen jaar geleden. In die tijd lag Nederland ergens rond de evenaar en waren de verschillende kleine continenten samengeklonterd tot één groot supercontinent, Pangea.

AUSTRALIË ANTARCTICA

Figuur 2 Ligging van Nederland ruim 300 miljoen jaar geleden

Honderd miljoen jaar later is Pangea weer uiteengevallen in de huidige continenten, die daarna heel langzaam uit elkaar zijn gedreven. Waardoor is Nederland verschoven van de evenaar naar de huidige plaats? Hoe weten we dat er langzame stromingen in de aarde zijn? Hoe zit de aarde in elkaar en hoe weten we dat?

paragraafvraag

10 W Experiment: Convectiestroming

Welke processen in de aarde hebben ervoor gezorgd dat continenten over het aardoppervlak verschoven zijn, oceanen zijn gegroeid en oceaanbodem weer is verdwenen?

begrijpen Drijvende continenten Sinds het midden van de vorige eeuw is duidelijk geworden dat er in de aarde heel langzame verschuivingen plaatsvinden. Daardoor worden continenten versleept en ontstaat nieuwe oceaanbodem, bijvoorbeeld vanuit het midden van de Atlantische Oceaan.

Ergens anders op aarde verdwijnt juist oceaanbodem onder een continent, zoals rondom de Stille Oceaan. Daardoor worden daar bergketens omhoog geduwd en is er vulkanische activiteit, bijvoorbeeld in Japan, op de Filipijnen en in Indonesië.

Onderzoek naar het binnenste van de aarde Binnenin de aarde kunnen we niet kijken. De diepste mijn is maar 3 km diep en het diepste boorgat 12 km, terwijl de straal van de aarde 6700 km is! Toch denken we ongeveer te weten hoe de samenstelling, de temperatuur en de druk verandert als je naar het middelpunt van de aarde zou kunnen gaan. Geologen en geofysici hebben dat onder andere kunnen afleiden uit wereldwijde registraties van aardbevingen.

Seismogrammen Aardbevingen veroorzaken trillingen die zich kunnen voortplanten door de hele aarde. In een groot aantal seismische stations, verspreid over de hele wereld, worden die trillingen geregistreerd met seismometers. Zo’n registratie heet een seismogram.

9

A

Aarde en klimaat K3.2 Stromingen in de aarde begrijpen

Elk seismisch station heeft drie seismometers in bedrijf, twee om de horizontale bewegingen te registreren en één voor de verticale trillingen.

Aardbevingen kunnen zich door de hele aarde voortplanten. Er worden dan twee soorten trillingen doorgegeven, de zogenaamde P-golven die het eerst (primair) aankomen en de S-golven (secundair) die iets later arriveren. Zie figuur 4. De P-golven zijn trillingen in de richting van de voortplanting (longitudinale golven) en kunnen zich voortbewegen door vaste stof en door vloeistof. De S-golven zijn trillingen loodrecht op de voortplantingsrichting (transversale golven) en kunnen zich alleen voortplanten door vaste stof. Zie figuur 5.

In figuur 6 zie je dat er tussen 95° en 145° geen registraties zijn van een aardbeving.

Voorbij 145° komen alleen P-golven aan. Dit betekent dat er binnenin de aarde een groot gebied is waar het gesteente vloeibaar is, want daar kunnen S-golven niet doorheen. Zie de middelste schil in figuur 7.

Helemaal in het centrum moet het materiaal weer vast zijn. Dat zie je in figuur 6 aan de P-golven, die na 145° wel weer aankomen. De P-golven hebben er langer over gedaan dan volgens de doorgetrokken stippellijn te verwachten was. Deze vertraging is te verklaren doordat de snelheid van de P-golven in vloeibaar materiaal kleiner is dan in vast materiaal.

zware massa pen draaiende trommel

horizontale aardbeweging

Figuur 3 Seismometer: het statief en de rol papier trillen mee met de aarde. Het zware gewicht met de

tijd t (103 s)

pen niet.

2,0 1,5 P

S P-golf

1,0

S-golf

P 0,5 22:20:00

22:30:00

0 0°

tijd (uur,min,s)

30°

60°

90°

120°

180° hoek α

150°

Figuur 4 Seismogram: verschillende

Figuur 5 Twee soorten

Figuur 6 Looptijden van golven naar seismische

soorten trillingen komen na elkaar aan.

aardbevingsgolven

stations over de hele aardbol

5000 4000 3000

nk

ern

bi

90°

te

ma

nte

kor

°

b ui

l

120

Overal op aarde is een vrij scherpe scheiding tussen oceaan en continent, als we de randzeeën tot het continent rekenen. Wie bijvoorbeeld vanuit Portugal naar het westen vaart en telkens de diepte van het water meet, ziet de bodem van de zee eerst heel geleidelijk dalen en dan opeens tamelijk steil afdalen naar ruim 4 km diepte.

Daar is de grens van continent en oceaan. Langs de kust van Chili en Peru duikt de zeebodem al meteen naar oceanische diepte, daar is de grens nog veel scherper.

0

n n e nkern

2000 1000

Theorie van de drijvende continenten

30°

straal r (km) 6000

60°

zijn transversale golven. Ze planten zich alleen voort in vaste stof.

EE P-golven zijn longitudinale golven, net als geluid. Ze planten zich voort in vaste stof en in vloeistof.

EE Uit de wereldwijd geregistreerde seismogrammen van een groot aantal bevingen is gebleken dat de aarde uit verschillende schillen moet bestaan.

0°

EE S-golven

st 150

°

schaduwzone van P-golven

180°

Figuur 7 Reconstructie van de banen waarlangs de golven na een aardbeving door de aarde zijn gegaan.

begrijpen K3.2 Stromingen in de aarde Aarde en klimaat

A

10

Figuur 8 De hoogte van het aardoppervlak en de diepte van het water AFRIKA

ZUID AMERIKA

INDIA

ANTARTICA

AUSTRALIA

Figuur 9 Aansluitende vondsten van fossielen op verschillende continenten

Op de kaart van figuur 8 is op het land de hoogte en in het water de diepte aangegeven in kleur. Je ziet dat de westkust van Europa en Afrika praktisch dezelfde vorm heeft als de oostkust van Noord- en Zuid- Amerika. Zou het toeval zijn, dat deze continenten als puzzelstukjes in elkaar passen?

In 1912 opperde Alfred Wegener het idee dat alle continenten lang geleden aan elkaar zaten en één groot supercontinent vormden. Vindplaatsen van overeenkomstige fossielen versterkten dit idee. Zie figuur 9. Magnetische metingen aan bodemmonsters in de Atlantische Oceaan in de jaren 60 van de vorige eeuw bevestigden de theorie van Wegener.

Magnetische geologische kalender in de oceaanbodem N4H_4H_K3_09

mid-oceanische rug a b

c mantelgesteente

magma

gestold gesteente van oceaanbodem

huidige magnetische polariteit omgekeerde magnetische polariteit Figuur 10 Magnetische geologische kalender in de bodem van de Atlantische Oceaan

Draaibare ijzeren voorwerpjes richten zich als kompasjes naar de noordpool van de aarde. Vaak bevat lava mineralen met ijzerverbindingen. Als lava na een vulkanische uitbarsting stolt, wordt de richting van het magnetisch veld van de aarde als het ware ´bevroren´. Uit metingen van de ouderdom en de magneetrichting van vulkanisch gesteente weten we dat het magneetveld van de aarde vele malen moet zijn omgekeerd. De magnetische noordpool en zuidpool zijn heel vaak van plaats verwisseld geweest.

Precies in het midden van de Atlantische Oceaan loopt van zuid naar noord een vulkanische bergrug, de mid oceanische rug (MOR). Bepaling van de magnetische richting van bodemmateriaal van de Atlantische Oceaan geeft aan dat die bodem bestaat uit evenwijdige stroken met dezelfde magnetische richting. Zie figuur 10. De ouderdom van dit bodemmateriaal neemt toe vanaf de MOR naar het continent. Kennelijk ´groeit´ daar voortdurend nieuwe oceaanbodem, doordat er nieuw vulkanisch materiaal omhoog komt in de MOR. Met satellietmetingen is vastgesteld dat de oceaanbodem ten oosten en ten westen van de MOR uit elkaar beweegt en dat Noord- en Zuid-Amerika van Eurazië en Afrika wegdrijven met ongeveer 15 cm/jaar.

Waaropop nieuwe regel beginnen of waarin ‘drijven’ de continenten?

11

A

Aarde en klimaat K3.2 Stromingen in de aarde begrijpen

Opbouw van de aarde Continenten en oceaanbodems vormen samen de korst van de aarde. De aardkorst is eigenlijk niet meer dan een dun schilletje koel en vast materiaal. Het bestaat uit de lichtere gesteentes die boven kwamen drijven toen de aarde nog helemaal vloeibaar was. Onder de korst begint de mantel die doorloopt tot diep in de aarde. In het centrum van de aarde bevindt zich de kern. Zie figuur 11.

aardkorst mantel buitenkern binnenkern

Twee soorten korst De gemiddelde waterdiepte van de oceanen is 4,5 km en de aardkorst onder de oceanen is gemiddeld maar ongeveer 5 km dik. Deze oceanische korst is nergens ouder dan 200 miljoen jaar. Het gesteente wordt voortdurend geologisch gerecycled.

De korst van de continenten heeft een dikte van 30 tot 60 km. Ook zeeën zoals de Noordzee en de Oostzee behoren tot het continent. Het water is daar hooguit een paar honderd meter diep. Continentale korst bestaat uit minder dicht (lichter) gesteente dan oceanische korst, vandaar dat de continentale korst dikker is dan de oceanische. Sommige stukken van de continentale korst blijken ouder te zijn dan 3 miljard jaar. Die gedeeltes zijn vrij gebleven van vulkanische afzettingen en sedimen­ ten of zijn minder lang geleden omhoog geduwd door jongere gesteentelagen heen.

De mantel Onder de korst begint de mantel, bestaande uit heet gesteente. Op dieptes van gemiddeld 100 tot 300 km is het mantelgesteente gesmolten en een heel klein beetje ‘vloeibaar’ of stroperig. Delen van de aardkorst kunnen erover bewegen zonder dat er aardbevingen optreden. Dieper de mantel in neemt de temperatuur toe maar ook de dichtheid, waardoor het gesteente daar weer vast is.

Figuur 11 De aarde van binnen

oceanische korst continentale korst

mantel

N4H_4H_K3_11

De kern Op een diepte van ongeveer 3000 km begint de vloeibare buitenkern. In de binnenkern is de druk zo hoog dat alle materiaal weer vast is. De kern van de aarde bestaat voornamelijk uit de metalen ijzer en nikkel. In de buitenkern neemt de dichtheid toe van ruim 10 g/cm3 naar ongeveer 12 g/cm3. De temperatuur loopt naar binnen toe op van ongeveer 4000 °C naar 4500 °C. In de binnenkern zijn de druk en de dichtheid zo groot dat de materie daar vast is. De temperatuur in de binnenkern wordt geschat op bijna 5000 °C. Dat de aarde de afgelopen 4 miljard jaar nog niet is afgekoeld tot een koude steenklomp, zoals de maan, is te danken aan: EE de grootte van de aarde; EE de isolatie van de kern door de mantel en van de mantel door de korst; EE radioactieve isotopen in de aarde.

mantel buitenkern binnenkern

Figuur 12 Mantel en korst

N4H_4H_K3_12 Naar binnen toe nemen de temperatuur en de druk dus min of meer geleidelijk toe.

De dichtheid neemt ook toe, maar dat gaat met een paar sprongen. Vandaar de opbouw van het inwendige van de aarde in verschillende lagen. Dat er verschillende lagen zijn met verschillende dichtheden, heeft te maken met de geschiedenis van de aarde.

begrijpen K3.2 Stromingen in de aarde Aarde en klimaat

D e vorming van de aarde

A

12

mid-oceanische rug

Ruim 4,5 miljard jaar geleden begon een nevel van gas en stof samen te trekken tot het zonnestelsel. De materie van deze nevel bestond grotendeels uit waterstof en een beetje helium. Het overgrote deel van deze gassen trok samen in het centrum van de nevel: de zon werd geboren. Minder lichte materie klonterde ook samen buiten de zon. Zo ontstond een begin van onder andere de planeet aarde. Steeds meer materie werd ingevangen en daarvan groeide de aarde. Door de wrijving bij het invangen van nieuwe materie werd de aarde zo heet dat alles smolt. In die gesmolten toestand zakten de zwaardere elementen, vooral metalen, naar het midden van de aarde. De minder zware gesteenten vormden de mantel, die aan de buitenkant uiteindelijk afkoelde tot de aardkorst.

drijft uiteen.

Regelmatig braken er vulkanen door de dunne korst heen. Ze leverden nieuw stollingsgesteente en waterdamp, die later condenseerde en neerdaalde en zo de oceanen heeft gevuld. De eerste oceanen zijn vervolgens weer verdampt en verdwenen door een zeer heftig bombardement van meteorieten gedurende een paar honderd miljoen jaar. In die zeer roerige tijd in ons zonnestelsel zijn ook de kraters in het maanoppervlak geslagen. Ongeveer 3,8 miljard jaar geleden had de aarde de huidige grootte bereikt en was tot rust gekomen. Heel langzaam koelt de aarde sinds die tijd af. Het huidige tempo van afkoeling van de binnenkant van de aarde wordt geschat op 70 °C per miljard jaar.

Voortdurend werd en wordt aan de buitenkant nieuw materiaal

op het aardoppervlak gebracht door vulkanen en wordt materiaal afgezet op de zeebodem. Door aangroei aan de bovenkant worden delen van de continentale aardkorst daardoor zwaarder N4H_4H_K3_13 en zakken dieper in de mantel. De onderkant van de korst smelt weer door de hitte in de mantel. Sommige gesteentes die we nu aan het aardoppervlak zien, zijn meer dan eens vulkanisch naar buiten gekomen. Recycling van gesteente zou je kunnen zeggen.

Oceanische aardkorst is nergens ouder dan 200 miljoen jaar. De bodem van de oceanen groeit voortdurend, bijvoorbeeld in het midden van de Atlantische Oceaan. Zie figuur 13. Elders verdwijnt er oceaanbodem onder een continent, bijvoorbeeld rondom de Pacific.

Figuur 13 Nieuwe oceaanbodem wordt gevormd en

Convectie

Fopw Fz

Fopw

Fz

Figuur 14 Vloeistof boven een warme kookplaat zet uit en wordt opgetild door de koelere vloeistof in de omgeving.

Dat delen van de aardkorst over het aardoppervlak verschuiven, komt doordat er in de onderliggende mantel stromingen voorkomen. Uit de diepte van de mantel welt extra heet gesteente omhoog, bijvoorbeeld langs de hele MOR. Aan het aardoppervlak wijkt die stroom mantelgesteente uiteen en neemt de aardkorst mee. Zo’n stroming die aangedreven wordt door verwarming aan de onderkant, heet convectie.

Convectie is de motor voor de stroming van mantelgesteente, de stroming van metaal in de buitenkern, de stroming van lucht in een orkaan of in een forse regenbui. Ook op kleinere schaal functioneert convectie als warmtemotor: de stroming van warme lucht boven een kachel en door de kamer, de stroming van water in een pan op het vuur, enzovoort. Het mechanisme werkt als volgt: EE Onderin de vloeistof (of lucht) wordt een deel van de vloeistof verwarmd.

EE Dit deel van de vloeistof, een soort vloeistofbel, zet uit.

EE Daardoor wordt de dichtheid van die bel kleiner.

EE De warme vloeistofbel wordt nu opgetild door de koelere, en daardoor dichtere, vloeistof in de omgeving. Vervolgens wordt er onderin een nieuwe vloeistofbel verwarmd, die uitzet en omhoog geduwd wordt.

EE Boven bij het oppervlak geeft de opgestegen warme bel warmte af.

EE De afkoelende bel wordt bovenin door de zijwaartse stroming meegenomen en zakt daarna weer naar beneden.

13

A

Aarde en klimaat K3.2 Stromingen in de aarde begrijpen

Er ontstaat zo een circulatie van vloeistof die beneden warmte opneemt en boven afgeeft: warmtetransport door stroming. Als de temperatuur boven en beneden gelijk is geworden, stopt de circulatie.

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

In elk seismisch station staan drie seismometers, twee voor horizontale trillingen en één voor verticale trillingen.

S-golven zijn longitudinale geluidsgolven en komen altijd het eerst aan.

P-golven worden niet in vloeibaar materiaal doorgegeven.

Seismologen wisselen hun seismogrammen met elkaar uit.

Oceanische aardkorst is dikker dan continentale aardkorst.

Nederland lag een paar duizend jaar geleden nog op de evenaar.

De bodem van de Atlantische Oceaan bestaat uit vulkanisch gesteente dat in de MOR naar buiten is gekomen.

IJsland bestaat al meer dan 100 miljoen jaar. (IJsland is een vulkanisch eiland ongeveer midden tussen Schotland en Groenland.)

12 In de laatste ijstijd lag een kilometers dikke ijslaag op Scandinavië en stond het zeewater zo laag dat de Noordzee droog lag. Sinds het ijs gesmolten is, is Scandinavië langzaam omhoog gekomen en stijgt nog steeds. a Leg uit wat dat te maken heeft met de mantel.

West-Europa, en dus ook Nederland, is lager komen te liggen sinds de laatste ijstijd en zakt nog steeds. b Leg uit dat hieruit blijkt dat de korst van West-Europa en Scandinavië één geheel is.

De zeespiegel stijgt in Nederland. Het is heel moeilijk te berekenen hoeveel cm de stijging in de komende decennia zal zijn. c Leg uit door welke factoren de zeespiegel kan stijgen.

13 Diep onder de grond zit in Nederland steenkool, aardolie en aardgas. Die fossiele brandstoffen zijn gevormd in andere klimaten dan het huidige. In de steenkool worden fossielen van tropische planten aangetroffen.

Leg uit hoe het klimaat in Nederland ooit tropisch geweest kan zijn.

14 Al het water in zeeën en oceanen is van vulkanische oorsprong. Het is ooit als waterdamp uit de aarde naar buiten gekomen bij vulkaanuitbarstingen.

De waterdamp is bij afkoeling gecondenseerd tot water en als regen op het aardoppervlak terechtgekomen. Water stroomt uiteindelijk naar het laagste punt.

Zo zijn ooit, in de loop van honderden miljoenen jaren, de oceanen gevuld.

Regenwater is alleen maar water, zoet water wordt dat genoemd. Zeewater bevat opgeloste zouten, dat heet zout water. a Leg uit hoe het kan dat zeewater zout is, terwijl het originele regenwater zoet was.

A

B eheersen K3.2 Stromingen in de aarde Aarde en klimaat

14

In de eerste fase van de aarde kwam er met vulkanische uitbarstingen wel waterdamp naar buiten, maar vormden zich nog geen meren en zeeën. De waterdamp verdween toen in de ruimte. b Leg uit waardoor de waterdamp toen verdween. (Tip: wat is warmte eigenlijk?)

15 Eeuwenlang zijn de Spanjaarden en de Britten afwisselend de baas geweest op de Azoren. Zij gebruikten de eilanden als tussenstop voor hun schepen naar en van Amerika. a Leg uit waarom juist deze eilanden werden aangedaan en niet bijvoorbeeld de Canarische eilanden, die tegenwoordig meer in trek zijn.

Op de Azoren zijn meertjes met warm zwemwater dat uit bronnen komt. b Leg uit dat het niet toevallig is dat er op de Azoren heetwaterbronnen zijn.

B eheersen Bewegingen van de aardkorst De verschillende delen van de aardkorst die ten opzichte van elkaar kunnen bewegen, heten tektonische schollen of platen. Zie figuur 15.

Juan de Fucaplaat Egeïsche plaat

Noord-Amerikaanse plaat

Kokosplaat

Pacifische plaat

Iraanse plaat Arabische plaat

Caribische plaat

Nazcaplaat

Euraziatische plaat

Afrikaanse plaat

Zuid-Amerikaanse plaat

Filipijnse plaat

Bismarckplaat

Pacifische plaat

Salomonplaat Indisch-Australische plaat

Scotia-plaat

200 150 100 50 0

Figuur 16 Leeftijd van de oceaanbodem in miljoenen jaren

Antarctische plaat

Figuur 15 De verschillende tektonische platen

Een tektonische plaat bestaat uit de korst en de bovenste laag van de mantel waarin het gesteente nog vast is. De plaat ‘drijft’ op het vloeibare deel van de mantel, zie figuur 13. Drijven staat tussen aanhalingstekens, omdat het mantelgesteente lang niet zo vloeibaar is als water. Maar het hete gesteente kan daar wel zonder schokken langs elkaar bewegen.

In figuur 15 zie je dat de grens tussen de platen van Noord- en Zuid Amerika en de platen van Afrika en Europa, precies over de mid-oceanische rug loopt. Deze onderzeese bergrug is vulkanisch actief. Hier worden de beide platen uit elkaar gedreven door de convectiestromingen in de mantel. Door de ontstane scheur in de korst komt

15

A

Aarde en klimaat K3.2 Stromingen in de aarde B eheersen

gloeiend heet magma uit de diepe mantel omhoog en naar buiten. Deze vulkanische afzettingen vormen aan beide zijden nieuwe oceaanbodem. Zo groeit de Atlantische Oceaan, al meer dan honderd miljoen jaar, en nog steeds. Zie ook figuur 16.

De aardkorst als geheel is de laatste 3 miljard jaar niet meer gegroeid. Dat de Atlantische Oceaan wel groeit, houdt dus in dat er ergens anders oceaanbodem verdwijnt. In de Stille oceaan bijvoorbeeld draait de Pacifische plaat en schuift onder de Aziatische plaat. Zie figuur 17. In deze subductiezone kan daardoor een trog in de oceaan zijn ontstaan met dieptes van meer dan 10 km. Dat oceaanbodem onder het continent schuift en niet er overheen, komt doordat de oceaanbodem uit dichter gesteente bestaat dan het continent.

De bewegingen van de verschillende schollen worden veroorzaakt door langzame convectiestromingen in de mantel, die worden aangedreven door temperatuurverschillen tussen de onder- en bovenkant van de mantel.

su bd uc

tie

convectie

Figuur 17 Oceaanbodem verdwijnt in de mantel.

Tot begin vorige eeuw werd gedacht dat de aarde alleen maar afkoelt door uitstraling van infrarode warmtestraling. Bij het ontstaan zou onze planeet een gloeiend hete gasbol zijn geweest, zoiets als de zon. Nu is bekend dat de aarde niet op de zon lijkt. In de zon vindt kernfusie plaats van waterstof tot helium. Daarbij komt gigantisch veel energie vrij, waardoor de temperatuur in het binnenste van de zon minstens 10 miljoen °C is. In de aarde vindt geen kernfusie plaats; de temperatuur in het binnenste is maximaal 5000 °C.

warmteproductie H (10-12 W/kg)

D e kachel in de aarde 40

30

REDENEREN 16 De paragraafvraag was: Welke processen in de aarde hebben ervoor gezorgd dat continenten over het aardoppervlak verschoven zijn, oceanen zijn gegroeid en oceaanbodem weer is verdwenen?

Wat is het antwoord op deze vraag?

17 Er kunnen best meer radioactieve isotopen in de aarde aanwezig zijn geweest dan de vier die er nu nog zijn.

Leg uit dat die isotopen dan een halfwaardetijd hebben gehad van maximaal enkele tientallen miljoenen jaren.

convectie totaal

25 20 15 10 235U

Er is echter wel een warmtebron in de aarde. In de mantel van de aarde komen vier radioactieve elementen voor met een heel lange halfwaardetijd: Thorium 232, Uranium 235, Uranium 238 en Kalium 40. Bij de vervalreacties van deze isotopen komt warmte vrij.

Uit metingen door satellieten is berekend dat de aarde als geheel ongeveer 44 TW ( 44∙1012 W) aan warmte verliest aan het oppervlak. De helft van deze warmte is afkomstig van radioactief verval. De andere helft is afkomstig van de oorspronkelijke warmte van 4 miljard jaar geleden. In figuur 18 zie je dat de warmteproductie in de mantel nu nog maar een kwart is van de oorspronkelijke warmteproductie. Uranium 235 is door radiactief verval zo goed als verdwenen.

N4H_4H_K3_17

35

40K

5 238U 232Th 0 0,0

1,0

2,0

3,0

4,0 5,0 tijd t (109 jaar)

Figuur 18 Radioactief verval in de mantel zorgt voor productie van warmte.

B eheersen K3.2 Stromingen in de aarde Aarde en klimaat

A

16

18 Een massieve bol van steen wordt net zo lang in kokend water verwarmd tot de temperatuur in de steen overal 100 °C is. Dan wordt de bol in zee gelegd waar de watertemperatuur 15 °C is. De bol koelt langzaam af. a Leg uit dat het afkoelen steeds langzamer gaat. b Leg uit dat een bol met een 2 × zo grote straal, 8 × zo veel massa heeft en een oppervlak dat 4 × zo groot is. c Leg uit dat een grote stenen bol van 100 °C langzamer afkoelt in zeewater van 15 °C dan een kleine stenen bol van 100 °C. d Leg uit wat de grootte van de aarde te maken heeft met de langzame afkoeling van het binnenste van de aarde.

19 Leg uit hoe het komt dat geen enkel stuk van de oceaanbodem ouder is dan 200 miljoen jaar.

20 De ‘radioactieve kachel’ in de aarde warmt de aarde niet op. De afkoeling wordt er wel door verminderd.

Leg uit waardoor de afkoeling minder is dan wanneer er geen radioactieve isotopen in de mantel zouden zijn.

21 Een elektrische waterkoker heeft een verwarmingsspiraal die zich op de bodem bevindt. a Leg uit dat al het water in de waterkoker warm wordt en niet alleen het onderste laagje bij de verwarmingsspiraal.

Water in een bekerglas kun je verwarmen met een elektrische dompelaar. b Leg uit dat het water onderin het glas niet warm wordt, als je de dompelaar bovenin hangt.

In een ruimtevaartuig als Spacelab is alles gewichtloos. c Leg uit dat een waterkoker of een dompelaar daar niet handig is.

22 Kernsplijting, die in kerncentrales plaatsvindt, komt niet voor in de aarde. Bij kernsplijting ontstaan allerlei radioactieve isotopen. Sommige van die gevaarlijke radioactieve isotopen hebben een zeer lange halfwaardetijd en moeten daarom voor altijd goed afgeschermd blijven. Er is wel eens geopperd dit gevaarlijke radioactieve afval in een subductiezone te dumpen. Dan zou het vanzelf met de oceaanbodem mee in de mantel verdwijnen. Zie figuur 17.

Leg uit waardoor deze methode toch geen veilige, definitieve verwijdering uit de biosfeer garandeert.

REKENEN tijd t (103 s)

23 T In Nederland komen wel relatief kleine aardbevingen voor door verzakkingen 2,0 1,5 P

S 1,0 P 0,5 0

0°

30°

60°

90°

120°

150°

180° hoek α

Figuur 19 Looptijd van aardbevingsgolven

bij oude mijngangen en door de winning van aardgas. Echt grote aardbevingen maken wij in Nederland gelukkig (nog) niet mee. Maar de grote bevingen worden wel gemeten en geregistreerd in Nederland. Aardbevingsgolven planten zich met grote snelheid voort door de aarde. Zie figuur 19, die ook op het tekenblad staat. a Bepaal hoeveel tijd er in de Bilt zit tussen de aankomst van de P-golf en de S-golf, als er een beving plaatsvindt op Sicilië. Gebruik hiervoor een atlas en de figuur op het tekenblad.

17

A

b c

Aarde en klimaat K3.2 Stromingen in de aarde B eheersen

Leg uit dat een aardbeving op de Filipijnen niet opgemerkt wordt in Lagos, maar wel in Paramaribo.

Laat zien dat een verwoestende aardbeving in Nieuw-Zeeland 18 minuut later geregistreerd werd in Lissabon.

24 Uit een registratie van een aardbeving kan bepaald worden hoe groot de afstand is tot het epicentrum (de plaats op het aardoppervlak waaronder de beving heeft plaatsgevonden). a Leg uit hoe die afstand bepaald kan worden. b Leg uit dat de methode van a niet altijd werkt. Wanneer wel en wanneer niet? c Leg uit dat er registraties van minstens drie seismische stations nodig zijn om het epicentrum te lokaliseren.

25 Vanuit de aarde komt ongeveer 4,4 · 1013 W aan warmte naar buiten. a

Laat zien dat de warmtestroom vanuit de aarde gemiddeld 86 mW/m2 is.

Het vermogen in de bundel zonnestraling is 1,4 kW/m2 aan de rand van de atmosfeer. Gemiddeld komt daarvan 47% door de atmosfeer heen op het aardoppervlak. b Laat zien dat de instraling van de zon gemiddeld 165 W/m2 is bij het aardoppervlak. c Bereken hoeveel procent van de warmte gemiddeld vanuit de aarde komt, vergeleken met de warmte die de aarde van de zon ontvangt.

26 In de laatste ijstijd was Noord-Europa bedekt met een dikke ijslaag. Ruim 10 000 jaar geleden werd het warmer op aarde en smolt bijna al dat ijs. a Leg uit dat die opwarming niet van binnenuit de aarde zal zijn gekomen.

De aarde koelt langzaam maar zeker van binnen af, totdat er een steenklomp overblijft die van binnen koud is. Geologen denken dat het tempo van afkoeling nu ongeveer 70 °C per miljard jaar is. b Leg uit dat het geologische afkoelingstempo niet gemeten kan worden.

Het tempo van 70 °C per miljard jaar is berekend uit de totale warmtestroom van 4,4∙1013 W naar buiten en een geschatte warmtecapaciteit van de aarde. c Laat zien dat de warmtecapaciteit van de aarde dan 2,0 · 1028 J/K is.

De warmtecapaciteit van de aarde kan op zijn beurt berekend worden uit de massa van de aarde en een geschatte gemiddelde soortelijke warmte van het mantelgesteente en de metalen in de kern. d Laat zien dat die gemiddelde soortelijke warmte dan 3,3 · 103 J/(kg∙K) is.

Gebruik daarbij Binas.

Deze waarde voor de soortelijke warmte is veel hoger dan de waarden die je in Binas vindt voor bijvoorbeeld metalen. Dat komt vooral doordat in de berekeningen in deze opgave geen rekening is gehouden met radioactief verval. e Leg uit dat in werkelijkheid de soortelijke warmte van het mantelgesteente, en ook van het metaal in de kern, een stuk lager zal zijn.

verdiepen K3.2 Stromingen in de aarde Aarde en klimaat

A

18

verdiepen Aardbevingen en vulkanen

Figuur 20 De verschuiving kan diep in de aardkorst plaatsvinden en ook aan het aardoppervlak.

27 W Vulkanen

Bij een aardbeving verschuiven plotseling twee stukken van de aardkorst een eindje langs of over elkaar. Dit gaat schoksgewijs, nadat zich te veel spanning heeft opgebouwd in het gesteente. Vaak vindt zo’n aardschok plaats in de buurt van een breuklijn in de aardkorst, zoals in Californië, waar twee verschillende platen horizontaal langs elkaar schuiven.

Waar twee continentale platen tegen elkaar aanbotsen kunnen bergketens ontstaan, zoals de Himalaya.

Waar een oceanische plaat onder een continentale plaat schuift, wordt de continentale rand opgetild en ontstaat een bergketen, bijvoorbeeld langs de westkant van Noord- en Zuid-Amerika. Het schuiven kan schoksgewijs gaan met aardbevingen als gevolg. Ook wordt er heel veel warmte geproduceerd waar de platen over elkaar schuiven. De onderkant van de continentale plaat kan daardoor heel heet en zelfs vloeibaar worden, met als gevolg een uitbarsting naar boven. Boven een subductiezone zijn dan ook veel vulkanen, bijvoorbeeld in het Andesgebergte in Zuid-Amerika en bij alle eilanden van Japan en de Filipijnen.

In werkblad 27 vind je meer over aardbevingen en vulkanen.

Figuur 21 De vulkanen rond de Pacific vormen samen de zogenaamde ‘ring van vuur’.

19

A

Aarde en klimaat

K3.3 Stromingen in de atmosfeer ontdekken

Uitademen doe je door het volume van je longen kleiner te maken. Je perst dan de lucht uit je longen naar buiten, tegen de atmosferische luchtdruk in. Inademen doe je door je longen groter te maken: de druk van de lucht in je longen neemt af en er stroomt van buiten lucht naar binnen. Buitenlucht wordt dan naar binnen geduwd door de atmosferische luchtdruk. Waardoor is er eigenlijk atmosferische luchtdruk en hoe groot is die?

Heel hoog in de bergen is het moeilijker ademhalen doordat daar de atmosferische luchtdruk kleiner is. Ook is de lucht daar veel kouder dan beneden. Hoe kun je verklaren dat luchtdruk en luchttemperatuur afnemen als je omhoog gaat?

Wind wordt veroorzaakt door verschillen in atmosferische luchtdruk. Maar hoe ontstaan die drukverschillen?

Figuur 22 Het dunne schilletje lucht, de atmosfeer, gezien vanuit de ruimte.

28 W Experiment: De atmosferische luchtdruk meten met water en een lange slang

paragraafvraag Hoe kun je verklaren dat de atmosferische luchtdruk en de luchttemperatuur afnemen met de hoogte boven het aardoppervlak en waardoor ontstaan er drukverschillen die de wind aandrijven?

29 W Experiment: De hoogte bepalen met een glazen fles met water

30 W Experiment: Afkoeling door expansie

begrijpen Samenstelling van de atmosfeer Atmosferische lucht bestaat voor het grootste deel uit stikstof en zuurstof. De rest is een minieme hoeveelheid waterdamp (H2O), kooldioxide (CO2), methaan (CH4) en ozon (O3). Verder bevat atmosferische lucht nog heel kleine hoeveelheden van praktisch alle gassen. Ozon speelt een belangrijke rol in de stratosfeer: het absorbeert daar de voor het leven zeer schadelijke ultraviolette straling van de zon. Het leven op het land kon pas beginnen toen er voldoende ozon was ontstaan om de uv-straling van de zon tegen te houden. Dat was ruim 2 miljard jaar geleden het geval, op de helft van de leeftijd van de aarde dus.

Het belang van de verschillende bestanddelen van de atmosfeer ligt dan ook niet in hun percentage, maar in hun specifieke eigenschappen.

Luchtdruk en luchtdichtheid De luchtdruk op een voorwerp is de kracht per m2 die de lucht uitoefent op het oppervlak van dat voorwerp. Luchtdruk wordt veroorzaakt door de voortdurende botsingen van alle luchtmoleculen tegen dat voorwerp. Doordat luchtmoleculen naar alle kanten bewegen en botsen, werkt de luchtdruk ook naar alle kanten. Het voorwerp waarop de luchtdruk werkt, kan ook een ander volume lucht zijn.

Hoe groter de dichtheid van de lucht, des te meer botsingen van luchtmoleculen er zijn en hoe groter de luchtdruk dus is.

Ozon en het leven op aarde Het eerste leven op aarde heeft zich ooit ontwikkeld in ondiep zeewater, dat geen ultraviolet maar wel zichtbaar zonlicht doorlaat. Onder andere door de fotosynthese van die organismen kwam er zuurstof in de tot dan toe zuurstofloze aardatmosfeer. Hoog in de atmosfeer werd (en wordt) zuurstof door ultraviolette straling in het zonlicht gesplitst en ontstond ozon. Pas toen de ozonconcentratie in de zo gevormde stratosfeer hoog genoeg was en er nauwelijks meer ultraviolet zonlicht door de atmosfeer heen kwam, kon er landleven op aarde ontstaan.

hoogte h (km)

begrijpen K3.3 Stromingen in de atmosfeer Aarde en klimaat

A

20

De opbouw van de atmosfeer

36

Vanuit de ruimte gezien is de atmosfeer van de aarde maar een heel dun schilletje lucht. Zie figuur 22. Hoger dan 50 km is er nauwelijks nog lucht. Op een hoogte van een paar honderd kilometer ondervinden satellieten zo weinig luchtweerstand, dat ze daar jarenlang ongestoord hun rondjes om de aarde kunnen blijven draaien.

32 28 24

De luchtdruk neemt af, als je vanaf het aardoppervlak omhoog gaat. Dat komt doordat de luchtdruk in de atmosfeer op elke hoogte even groot is als het gewicht per m2 van alle lucht die zich boven die hoogte bevindt. Zie figuur 24a. Hoe hoger je gaat, hoe minder lucht er nog boven je is en hoe lager dus de luchtdruk. Zie figuur 24b.

Ook de dichtheid van de lucht neemt af met de hoogte. Want hoe lager de luchtdruk is, des te minder hard wordt een volume lucht in elkaar gedrukt, en des te kleiner is dus de dichtheid van de lucht. Het verloop van de dichtheid met de hoogte ziet er daardoor net zo uit als het verloop van de luchtdruk met de hoogte.

20 16

50% van alle lucht bevindt zich onder deze hoogte

12

Mount Everest

8 4 0

0

200

400

600

800 1000 druk p (hPa)

50 km Gewicht van de lucht in de kolom geeft luchtdruk

Figuur 23

12km 1 m2 aardoppervlak

Figuur 24 a

1 hPa

100 hPa 1000 hPa

1 m2 aardoppervlak

Figuur 24 b

STATOSFEER

Ozonlaag

tropopauze

20

h (km)

De temperatuur van de lucht neemt af met de hoogte

10 5 2

TROPOSFEER

-50 T (°C)

1 0

50

0 100

Figuur 25 Temperatuur en hoogte in de atmosfeer

N4H_4H_K3_24

Als je met een thermometer in een mandje onder een ballon omhoog gaat, zie je dat de temperatuur van de lucht afneemt (zie figuur 25). De verklaring van deze afname van de temperatuur met de hoogte gaat in een paar stappen:

1 De lucht absorbeert zelf weinig zonnestraling maar straalt wel infrarode warmtestraling uit. De atmosferische lucht wordt vooral verwarmd vanaf het aardoppervlak, dat wel zonnestraling absorbeert.

2 Aan het aardoppervlak verwarmde lucht zet dan uit waardoor de dichtheid van die lucht kleiner wordt. Deze ‘lichtere’ lucht wordt opgetild door de koelere, en daardoor dichtere, lucht in de omgeving. Dit proces heet convectie. In een vloeistof die je van onder verwarmt, gebeurt hetzelfde. Zie figuur 14.

3 Lucht die omhoog geduwd wordt komt in een omgeving met lagere druk en zet daardoor uit, dit heet expansie. Als een bepaalde hoeveelheid gas uitzet, neemt de temperatuur van dat gas af. Dat komt doordat de gasmoleculen arbeid verrichten als ze zich door onderlinge botsingen gemiddeld ietsje van elkaar verwijderen. De gemiddelde bewegingsenergie van de gasmoleculen neemt af, ofwel de temperatuur van het gas daalt.

4 Het stijgen en afkoelen van de lucht die aan het aardoppervlak verwarmd is, gaat net zo lang door tot de temperatuur ervan gelijk geworden is aan die van de omgeving.

21

A

Aarde en klimaat K3.3 Stromingen in de atmosfeer begrijpen

Troposfeer, tropopauze en stratosfeer Figuur 25 laat zien dat de temperatuur niet blijft afnemen met de hoogte. Boven een hoogte van gemiddeld 15 km neemt de temperatuur weer toe. Zo’n omkering van het temperatuurverloop heet een inversie.

De toename van de temperatuur boven deze inversie wordt veroorzaakt, doordat de lucht daar wel zonnestraling absorbeert. Zoals eerder vermeld zorgt de zuurstof (O2) en de ozon (O3) in de stratosfeer voor de absorptie van uv-straling van de zon. En dat is maar goed ook, want deze straling is ioniserend en dus ongezond voor mens en dier.

Het gedeelte van de atmosfeer beneden de inversie heet de troposfeer, het gedeelte erboven de stratosfeer. De inversie tussen deze twee lagen in de atmosfeer heet de tropopauze. Zie ook figuur 25.

Al het weer, zoals wolkenvorming, speelt zich af in de troposfeer. Dat komt doordat een stijging van warme lucht door convectie niet door een inversie heen komt. Zodra een luchtbel boven de inversie komt en verder afkoelt door expansie, is de omgeving juist warmer en zakt de luchtbel.

EE Atmosferische

luchtdruk is naar alle kanten gericht en even groot als het gewicht van alle lucht erboven per m2.

EE Aan het aardoppervlak verwarmde lucht wordt opgetild: convectie.

EE Bij expansie koelt lucht af.

EE In de troposfeer nemen de druk, de dichtheid en de temperatuur van de lucht af met de hoogte.

EE Alle weersverschijnselen spelen zich af in de troposfeer.

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

De atmosfeer houdt op bij de tropopauze, daarboven is geen lucht meer.

Ozon wordt door planten uitgeademd.

De luchtdruk neemt lineair af met de hoogte.

De luchtdruk is omgekeerd evenredig met de hoogte.

Verwarmde lucht stijgt altijd op en daardoor ontstaat daaronder vacuüm.

Opstijgende lucht zet uit en koelt daardoor af.

32 Het beklimmen van hoge en steile bergen is bepaald geen ongevaarlijke sport.

In de Alpen zijn daarom op veel plaatsen reddingsteams die met helikopters in noodgevallen klimmers van een berg kunnen plukken. Wie echter naar de top van de Mount Everest gaat, moet er rekening mee houden dat daar geen reddingshelikopter kan komen. a Leg uit waardoor een helikopter niet zo hoog kan komen. b Leg uit waardoor je op 8000 m hoogte heel moeilijk adem kunt halen.

33 Leg uit waardoor een grote onweerswolk tot aan de tropopauze kan reiken maar niet in de stratosfeer doordringt.

34 De waaghals die als parachutist het record ‘vrij vallen’ heeft gevestigd, deed dat niet vanuit een vliegtuig maar vanuit een capsule onder een heliumballon. Op een hoogte van bijna 40 km sprong hij uit de capsule.

B eheersen K3.3 Stromingen in de atmosfeer Aarde en klimaat

a b

p2

h2

c d

A

22

Leg uit waarom hij niet gewoon met een vliegtuig omhoog ging.

Leg uit waarom hij een soort ruimtepak aan had.

Leg uit waardoor hij in het eerste deel van zijn sprong de onwaarschijnlijk hoge valsnelheid kon halen van 1357 km/h.

Leg uit waardoor zijn valsnelheid na de recordsnelheid gestaag afnam, nog voordat zijn parachute openging.

35 T In de atmosfeer neemt de luchtdruk af met de hoogte. In de tekening van

p1

h1

Figuur 26

stilstaande lucht in figuur 26 is de luchtdruk p1 op hoogte h1 dus groter dan de luchtdruk p2 op hoogte h2. In deze tekening lijkt het net alsof er op het donkerblauwe deel van de lucht tussen h1 en h2 een nettokracht omhoog werkt.

In werkelijkheid is dat niet zo. a Leg uit welke kracht op het donkerblauwe deel van de lucht niet getekend is. b Teken in de figuur op het tekenblad de ontbrekende krachtpijl in met de juiste lengte en met het aangrijpingspunt op de juiste plaats. Leg uit hoe je dat doet.

36 Zuurstof in de atmosfeer bestaat uit moleculen O2 en ozon uit moleculen O3.

Een molecuul zuurstof splitsen in twee atomen O kost energie. Fotonen van ultraviolet licht hebben genoeg energie om een molecuul zuurstof te splitsen, fotonen van zichtbaar licht niet. Een los atoom zuurstof verbindt zich met een molecuul O2 tot een molecuul O3. Daarbij komt warmte vrij, die over de andere moleculen van de atmosfeer wordt verspreid. Voor O3 geldt hetzelfde: het kan gesplitst worden door ultraviolet licht, niet door zichtbaar licht. Het vrijgekomen atoom O verbindt zich weer gemakkelijk met O2 tot O3. a Leg uit waardoor het komt dat de temperatuur in de stratosfeer naar boven toe weer toeneemt. Zie figuur 24. b Leg uit waardoor de temperatuur boven de stratopauze, de bovengrens van de stratosfeer, naar boven toe weer afneemt. Zie figuur 24.

B eheersen Atmosferische luchtdruk Wind is beweging van lucht en wordt veroorzaakt door een verschil in luchtdruk. De atmosferische luchtdruk is de loodrechte kracht die alle luchtmoleculen samen uitoefenen op elke m2 van een voorwerp. Dat voorwerp kan ook bestaan uit naburige lucht, bijvoorbeeld een denkbeeldige m3 lucht.

De eenheid die bij de grootheid luchtdruk hoort, is de Pascal: 1 Pa = 1 N/m2. Meestal wordt de luchtdruk aangegeven in hectopascal, 1 hPa = 100 Pa. Op weerkaarten wordt de luchtdruk aan de grond aangegeven met isobaren. In alle punten van een isobaar is de luchtdruk gelijk. Zie figuur 27. Soms wordt daarbij een verouderde eenheid voor luchtdruk gebruikt, de millibar (1 mbar = 1 hPa).

Figuur 27 Weerkaart met isobaren en fronten

23

A

Aarde en klimaat K3.3 Stromingen in de atmosfeer B eheersen

Kracht door drukverschil Is de luchtdruk overal even groot, dan ondervindt een voorwerp geen nettokracht van de lucht. Maar is bijvoorbeeld aan de linkerkant van een voorwerp de luchtdruk groter dan aan de rechterkant, dan is er een nettokracht op het voorwerp naar rechts. Een hoeveelheid atmosferische lucht, bijvoorbeeld een kubieke meter, kun je ook opvatten als een voorwerp. luchtdruk

Wind Als op een bepaald moment de luchtdruk bij A groter is dan bij B, een paar kilometer verder op dezelfde hoogte, dan wordt de lucht tussen A en B de kant van B op geduwd. Zie figuur 28. Daardoor neemt de hoeveelheid lucht in de hele verticale luchtkolom bij A af en bij B toe, zodat de luchtdruk bij A afneemt en bij B toeneemt. Het drukverschil neemt af. De wind neemt af en stopt uiteindelijk.

Zeebries aan het strand Op een windstille en wolkenloze ochtend in de zomer begint de zon het strand en het zeewater op te warmen. Het zand geleidt de warmte slecht naar beneden en wordt dus snel warm. Vergeleken met het zand reflecteert het zeewater de zonnestraling meer en ook geeft het de geabsorbeerde warmte gemakkelijker door aan het dieper liggende water. De lucht boven het strand wordt daardoor sneller warm dan boven zee.

p (hPa) 960

A

970 p (hPa) 980 960 990 970

A

Uitzettende lucht boven land veroorzaakt luchtdrukverschil tussen A en B p (hPa) B 960 Uitzettende lucht boven land veroorzaakt luchtdrukverschil 970 tussen A en B p (hPa) B 980 960 990 970

980

Figuur 29a Luchtdrukverschil stuwt lucht

990

van A naar B

A

A

B Luchtdrukverschil stuwt lucht van A naar B B C

C

Figuur 29c

980 990

Figuur 29b

p (hPa) 960

A

B

p (hPa) 960

970 p (hPa) 980 960 990 970

A D

B C

970 p (hPa) 980 960 990 970

D

C

980 990

980 990

Figuur 29d

Boven land zet de lucht uit en tilt de lucht erboven op. Zie figuur 29a en 29 b. De luchtdruk aan het aardoppervlak is nog overal gelijk. Er is immers boven land nog steeds net zoveel lucht als boven zee, de atmosfeer is boven land alleen iets uitgezet naar boven.

Hoog boven het strand (bij A), is nu de luchtdruk groter geworden vergeleken met dezelfde hoogte boven zee (bij B). Tussen A en B wordt lucht naar B geduwd, waardoor de luchtdruk in B toeneemt en in A afneemt. Zie figuur 29c.

Nu is er boven C meer lucht gekomen en is de druk in C dus toegenomen. Boven D is nu juist minder lucht, waardoor de luchtdruk in D is afgenomen. Het gaat waaien van de zee naar het strand, er ontstaat een zeebries. Zie figuur 29d.

gewicht bovenliggende lucht per m2

Figuur 28

luchtdruk gewicht bovenliggende lucht per m2

B eheersen K3.3 Stromingen in de atmosfeer Aarde en klimaat

A

24

De verticale afmetingen van de circulatie bij een zeebries zijn veel kleiner dan de horizontale afmetingen. De verticale luchtstromen vinden plaats over een relatief grote oppervlakte maar met een relatief geringe hoogte. Daardoor zijn de verticale wind足 snelheden veel kleiner dan de horizontale, daar merk je nauwelijks iets van. Deze convectiecel blijft in stand zolang het strand warmer is dan het zeewater.

In een heldere en windstille nacht is het precies andersom: er ontstaat landwind, van het strand naar zee toe. Zonder zon koelt het strand snel af door uitstraling. In zee zakt het afgekoelde oppervlaktewater naar beneden en wordt vervangen door warmer water. Daardoor neemt de temperatuur van de lucht boven zee maar langzaam af. De circulatie is daardoor dus precies andersom.

EE Lucht

wordt in beweging gezet door een verschil in luchtdruk, waarbij de richting van de nettokracht in de richting van afnemende luchtdruk is.

EE Om de wind te laten bestaan, moet er een mechanisme zijn dat het drukverschil in stand houdt.

EE Een zeebries (en ook een landwind) is een convectiecel die ontstaat door temperatuurverschillen tussen land en water.

REDENEREN 37 De paragraafvraag was: Hoe kun je verklaren dat de atmosferische luchtdruk en de luchttemperatuur afnemen met de hoogte boven het aardoppervlak en waardoor ontstaan er drukverschillen die de wind aandrijven?

Wat is het antwoord op deze vraag?

38 In de Himalaya is de luchtdruk op een hoogte van ongeveer 6 km nog maar de helft van de luchtdruk op zeeniveau. Leg uit dat je op die hoogte van 6 km bij elke inademing maar ongeveer een kwart van de zuurstof binnenkrijgt, in vergelijking met een inademing op zeeniveau.

39 Thermiek is de opwaartse luchtstroom waar grote vogels, zweefvliegers en parasailers gebruik van maken.

Leg uit dat thermiek niet optreedt boven water maar wel voor kan komen boven een zandvlakte, een asfaltweg of boven een strand met duinen, zoals in figuur 30.

40 Een bosbrand in een droge streek is vaak moeilijk te bestrijden, doordat er een Figuur 30

luchtstroom ontstaat naar de brand toe. Een grote brand kan zelfs een vuurstorm veroorzaken. a Leg uit wat een vuurstorm te maken heeft met convectie. b Leg uit waarom tussendeuren in een groot gebouw automatisch dicht moeten gaan als er brand uitbreekt.

41 Op een windstille avond worden aan het brede strand van Terschelling feestelijke heteluchtballonnetjes opgelaten: grote papieren zakken met daaronder en metalen bakje met watten die in spiritus gedrenkt zijn. Langzaam stijgen de ballonnen op en drijven in de richting van het water. a Leg uit waardoor de ballonnen omhoog gaan. b Leg uit waardoor de ballonnen naar zee drijven.

25

A

Aarde en klimaat K3.3 Stromingen in de atmosfeer B eheersen

Sommige ballonnen gaan heel hoog en keren dan weer terug in de richting van het strand. c Leg uit waardoor de ballonnen hoog in de lucht weer in de richting van het strand drijven.

42 De schoorsteen van figuur 31 staat bij een vroegere steenfabriek. De verbrandingsgassen van de houtvuren onder de ovens werden door deze schoorsteen afgevoerd. Om de blokken klei in de ovens goed te bakken was een temperatuur van 1000 °C nodig. Het vuur onder de ovens moest dus goed opgestookt worden. Daarvoor was het nodig dat de buitenlucht hard naar binnen werd ‘gezogen’. Dit heet schoorsteentrek. a Leg uit waarom het woord ‘gezogen’ tussen aanhalingstekens staat.

In de tijd dat deze steenfabriek werd gebouwd was er nog geen elektriciteit en waren motoren nog niet uitgevonden. Er waren dus nog geen luchtpompen die de lucht naar binnen konden blazen. b Leg uit hoe convectie de luchtstroom aandreef door de oven en de schoorsteen.

Om de luchtstroom naar de vuren onder de ovens sterk genoeg te laten zijn voor een heet vuur, werd de schoorsteen hoog gemaakt. c Leg uit wat de hoogte van de schoorsteen te maken heeft met de temperatuur in de ovens.

Figuur 31

REKENEN ook groter. Omgekeerd wordt de dichtheid van een hoeveelheid lucht kleiner als de druk van de omgeving afneemt, het volume wordt dan groter. In de atmosfeer neemt de dichtheid van de lucht af als je omhoog gaat. a Leg uit dat daardoor de afname van de luchtdruk per 100 m stijging afneemt, naarmate je verder omhoog gaat. b Leg uit dat de grafiek van de luchtdruk en de hoogte geen rechte lijn is maar een kromme. Zie figuur 32.

44 Een dubbele ruit in een raam isoleert het beste als de ruimte tussen de twee ruiten vacuüm is. Dan kan er geen warmte van de binnenste ruit naar de buitenste ruit verloren gaan door geleiding of stroming. a Leg uit waardoor er dan geen warmteverlies naar buiten is door geleiding of stroming.

Als er vacuüm is tussen de binnenste en de buitenste ruit, worden de twee ruiten met grote kracht naar elkaar geduwd door de atmosferische luchtdruk. b Laat met een berekening zien dat bij een raam van 1,5 m bij 2,0 m die kracht een grootte heeft van 3,0∙105 N. c Leg uit dat de kracht waarmee de buitenlucht de ruiten op elkaar duwt even groot is als het raam verticaal staat of horizontaal ligt.

Omdat ruiten met diktes tot 1,0 cm deze kracht niet kunnen weerstaan, worden er wel vacuüm dubbele ramen gemaakt waarin kleine bolletjes glas de beide ruiten van elkaar houden. Die bolletjes zie je praktisch niet, maar ze houden de ruiten op een paar mm van elkaar. d Leg uit dat zulke glazen bolletjes de isolatiewaarde van het raam niet ten goede komen.

hoogte h (km)

43 Als je lucht samenperst, maak je de dichtheid groter en daardoor wordt de druk 36 32 28 24 20 16

50% van alle lucht bevindt zich onder deze hoogte

12

Mount Everest

8 4 0

Figuur 32

0

200

400

600

800 1000 druk p (hPa)

verdiepen K3.3 Stromingen in de atmosfeer Aarde en klimaat

A

26

45 Een ouderwetse kwikbarometer bestaat uit een glazen buis met kwik die verticaal in een bakje met kwik staat. De buis is aan de bovenkant dicht en aan de onderkant open. Bovenin de buis is het een vacuüm. Zie figuur 33. a Laat met een berekening zien dat een atmosferische luchtdruk van 1000 hPa overeenkomt met een hoogteverschil van 75,3 cm tussen het kwikniveau in het bakje en in de buis. b Hoe hoog is de buitenluchtdruk als het hoogteverschil in de kwikbarometer 75,0 cm is?

46 T Meteorologische instituten laten een paar keer per dag een heliumballon op

hoogte h (km)

Figuur 33 Kwikbarometer

30 25

stratosfeer

20 15

tropopauze

met daaronder een sonde met meetinstrumenten. Met een zendertje worden de meetresultaten naar beneden gestuurd. In figuur 34, die ook op het werkblad staat, is een registratie te zien van de temperatuur met de hoogte op een bepaalde dag. Els heeft een grote ballon bestaande uit een flinterdunne papieren zak die (praktisch) niets weegt. Ze verwarmt de lucht in de ballon tot 35 °C en laat hem los. Bij het opstijgen zet de lucht in de ballon uit. Daardoor koelt de lucht in de ballon 1,0 °C af per 100 m stijging. a Laat met een tekening op het werkblad zien dat de ballon van Els stijgt, totdat hij ‘vastloopt’ op de inversie op ongeveer 4 km hoogte. b Leg uit waardoor afkoeling in werkelijkheid niet alleen veroorzaakt wordt door de uitzetting. c Leg uit of de temperatuurdaling in werkelijkheid meer of minder dan 1,0 °C per 100 m stijging zal zijn.

10 troposfeer

verdiepen

5 0 -100

-75

-50

-25

0 25 50 temperatuur T (°C)

Figuur 34

Wolkenvorming Wanneer treedt in de lucht condensatie van waterdamp op en waar hangt dat van af? Condensatie treedt op als de lucht verzadigd met waterdamp is én er genoeg condensatiekernen aanwezig zijn.

Bij een wateroppervlak ontsnappen voortdurend watermoleculen uit de vloeistof (verdamping). Tegelijkertijd worden er voortdurend watermoleculen uit de lucht ‘ingevangen’ (condensatie). Bij evenwicht van verdamping en condensatie heet de lucht verzadigd met waterdamp. De verdamping hangt vooral af van de temperatuur van het water en de condensatie hangt alleen af van de dichtheid van de waterdamp in de lucht. Beide worden niet door de luchtdruk beïnvloed.

47 W Verdampen en condenseren van water(damp) in de atmosfeer

48 W Experiment: Relatieve vochtigheid en dauwpunt

De condensatiestroom neemt toe als er meer waterdampmoleculen binnen het bereik van het wateroppervlak komen, dus als de dichtheid van de waterdamp groter is.

Hoe groot de dampdichtheid is bij verzadiging hangt af van de temperatuur. Daarom wordt de vochtigheid van lucht niet weergegeven met de grootheid dampdichtheid maar met de relatieve vochtigheid. Bij een relatieve vochtigheid van 100% is de lucht verzadigd.

27

A

Aarde en klimaat

K3.4 Straling en energie in de atmosfeer ontdekken Er is voor iedereen op aarde ‘een plekje onder de zon’. Maar het maakt wel uit waar je op de wereldbol woont. Op een tropisch eiland in de Stille Oceaan krijgt elke m2 aardoppervlak gemiddeld meer dan 300 W zonne-energie. In Alaska en bij de Noordkaap in Noorwegen is het niet meer dan 100 W/m2. Zie figuur 35. Dat komt doordat de zon in de tropen overdag meestal hoger aan de hemel staat dan op hoge breedtes. Toch is Instraling van de zon op het aardoppervlak het op een tropisch eiland in de Stille Oceaan niet altijd bloedheet en op de Noord0 50 100 150 200 250 300 350 W/m² kaap niet altijd steenkoud. Dat zou wel zo zijn als al het water van de oceanen en alle lucht van de atmosfeer stil zouden staan. Stromingen van water en lucht brengen conFiguur 35 tinu energie van de tropen naar de subtropen, de gematigde breedtes en de poolstreken. Hoe gaat dat in z’n werk?

Door sommige gassen werkt de atmosfeer als een soort deken om de aarde. Hoe 49 W Experiment: Zonnestraling meten werkt dit broeikaseffect en wat is de invloed van broeikasgassen op de gemiddelde temperatuur op aarde?

Ruimte

zonlicht

paragraafvraag

30 % gereflecteerd en verstrooid

Waardoor warmt de aarde op door de toename van broeikasgassen in de atmosfeer en hoe brengt de atmosfeer zonnewarmte van de tropen naar bijvoorbeeld Nederland?

100 %

26 % gereflecteerd en verstrooid

begrijpen Opwarming door de zon Het aardoppervlak, zowel het land als het water, wordt overdag verwarmd door de straling van de zon. Hoeveel stralingsenergie van de zon per dag ergens in het aardoppervlak of het water doordringt, hangt onder andere af van: EE de bewolking op dat moment boven die plaats; EE de albedo van het aardoppervlak op die plaats.

Bewolking Wolken weerkaatsen gemiddeld 26% van de inkomende zonnestraling en absorberen gemiddeld 23%. Zie figuur 36. Netto komt, gemiddeld over de hele aarde, dus iets meer dan de helft van de zonne-energie die aan de rand van de atmosfeer binnenkomt, op het aardoppervlak terecht.

Atmosfeer

4 % gereflecteerd

Hoeveel van de zonnestraling teruggekaatst wordt door het aardoppervlak, geven we aan met de grootheid albedo. Van het aardoppervlak als geheel is de albedo gemiddeld 9%. Verse witte sneeuw weerkaatst de meeste zonnestraling en zwart asfalt weerkaatst bijna niets. Zie ook de tabel van figuur 37.

47 % geabsorbeerd

aardoppervlak Figuur 36

Soort oppervlak

Albedo in %

Zandgrond/woestijn

25 - 40

Gras

Albedo

23 % geabsorbeerd

Bos

N4H_4H_K3_43 15 - 25 voorheen

10 - 20

Sneeuw (schoon/droog)

75 - 95

Sneeuw (vies/nat)

25 - 75

Zeeoppervlak (hoge-lage zonnestand)

5 - 70

N4H_4H_K3_36

Figuur 37

intensiteit I

begrijpen K3.4 Straling en energie in de atmosfeer Aarde en klimaat

Ieder voorwerp straalt elektromagnetische straling uit. Hoe heter het voorwerp is, des te meer straling het uitzendt én des te korter de golflengte van die straling is. De inkomende zonnestraling (de rode lijn in het spectrum van figuur 38) bestaat niet alleen uit zichtbaar licht, maar ook uit infrarode warmtestraling.

Het aardoppervlak, zowel het land als het water, straalt ook elektromagnetische straling uit (de groene lijn in figuur 38). Dit is onzichtbare warmtestraling, doordat het aardoppervlak lang niet de temperatuur van het zonoppervlak heeft. De infrarode uitstraling neemt toe met de temperatuur van het aardoppervlak. De groene kromme schuift dan iets naar boven en naar links.

5800 K (zon) 1µm 2900 K (halogeen gloeilamp) 10µm 290 K (aarde)

Figuur 38

28

Zonlicht en Infrarode warmtestraling

0,5µm

zichtbaar licht

A

infrarood

golflengte λ (µm)

B roeikaseffect Van de infrarode uitstraling door het aardoppervlak gaat gemiddeld 5% rechtstreeks het heelal in. Zie figuur 39. Het grootste deel van de infrarode uitstraling wordt geabsorbeerd door wolken en de broeikasgassen. Waterdamp, CO2, methaan en ozon zijn de belangrijkste broeikasgassen. De atmosfeer warmt daardoor op en straalt warmte uit naar boven en naar beneden.

Ruimte

zonlicht

infrarode straling en warmtetransport 30% gereflecteerd en verstrooid

70% uitgestraald

100% 26% gereflecteerd en verstrooid

65% uitgestraald 5%

Atmosfeer

95% beneden terug gestraald

23% geabsorbeerd 4% gereflecteerd

aardoppervlak

109% geabsorbeerd

47% geabsorbeerd

Broeikaseffect

29% transport door verdamping en geleiding

uitstraling door aardoppervlak

Figuur 39 De gemiddelde instraling en uitstraling van het hele aardoppervlak en de atmosfeer

Het aardoppervlak krijgt zo een groot deel van de uitgestraalde warmte weer teruggestraald. Dat heet het broeikaseffect, omdat in een plantenkas iets dergelijks gebeurt.

N4H_4H_K3_39 In een plantenkas laat het glazen dak wel de zichtbare zonnestraling door, maar niet de infrarode straling die door de grond en de planten in de kas wordt uitgestraald.

De mens heeft gezorgd voor een grote uitstoot van verschillende broeikasgassen.

De hoeveelheid methaan bijvoorbeeld is sinds 1750 meer dan verdubbeld. De aanwezigheid van CFK’s in de atmosfeer is zelfs helemaal te wijten aan menselijk handelen. CFK’s zijn verantwoordelijk voor de afbraak van ozon. Door deze oorzaken neemt het broeikaseffect toe en spreken we tegenwoordig van het versterkt broeikaseffect.

29

A

Aarde en klimaat K3.4 Straling en energie in de atmosfeer begrijpen

Waterdamp en verdampingswarmte Behalve door uitstraling van infrarode warmtestraling verliest het aardoppervlak ook warmte aan de atmosfeer door geleiding naar de lucht en door verdamping van water, vooral in tropische bossen en oceanen. Zie de 29% helemaal rechts in figuur 39.

Hoewel het aantal water(damp)moleculen nooit meer is dan een paar procent van alle luchtmoleculen, speelt waterdamp een hoofdrol bij het transport van energie in de atmosfeer. Dat komt doordat de verdampingswarmte van water heel groot is: het verdampen van 1 g water kost 2,3 kJ energie. Zoveel warmte komt er ook weer vrij als 1 g waterdamp condenseert. Vergeleken met de soortelijke warmte van water is dit heel veel want 1 g water 1 °C verwarmen kost maar 4,2 J. Als de waterdamp condenseert, komt de verdampingswarmte weer vrij en wordt verdeeld wordt over alle moleculen in de lucht. De lucht warmt daardoor op. Vooral in tropische regenwouden en oceanen geeft het aardoppervlak veel energie aan de atmosfeer door verdamping van water.

EE Zonlicht

wordt gemiddeld voor een kwart door wolken gereflecteerd en voor een kwart geabsorbeerd.

EE Zonlicht wordt heel verschillend gereflecteerd aan het aardoppervlak, de albedo geeft het percentage aan.

EE Alle voorwerpen stralen elektromagnetische straling uit. De intensiteit en de kleur ervan hangen af van de temperatuur van het voorwerp. De aarde straalt infrarode warmtestraling uit.

EE De infrarode uitstraling van de aarde wordt voor een groot deel teruggestraald door de atmosfeer, het broeikaseffect.

EE Hoe meer broeikasgassen er in de atmosfeer zijn, des te hoger is de temperatuur van het aardoppervlak.

EE Bij verdamping van water wordt de benodigde energie aan het water onttrokken. Deze energie gaat met de waterdamp mee.

EE Bij condensatie van waterdamp in de atmosfeer wordt de verdampingswarmte van de waterdamp omgezet in warmte van de lucht.

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

b

In de Sahara is het zand altijd heet, ook ‘s nachts.

Zweten doe je om af te koelen.

Als je een over een hete drank blaast, blaas je de warmte weg.

Vliegtuigstrepen bestaan uit ijskristalletjes.

a

51 In Nederland levert een zonnepaneel op je dak gemiddeld minder energie op dan in Suriname.

Leg dat uit met behulp van figuur 40.

52 Sneeuw weerkaatst het inkomende zonlicht. a Leg uit dat verse sneeuw een grotere albedo heeft dan vuile sneeuw.

Sneeuw weerkaatst ook de infrarode warmtestraling. b Leg uit hoe een pak sneeuw op het dak van een huis ervoor kan zorgen dat er in het huis minder hard gestookt hoeft te worden om het warm te houden. c Leg uit of de aarde op zou warmen of juist niet, als alle sneeuw zou smelten.

Figuur 40

B eheersen K3.4 Straling en energie in de atmosfeer Aarde en klimaat

A

30

53 Wolken reflecteren het zichtbare zonlicht aan de bovenkant maar absorberen infrarode warmtestraling van de zon. a Leg uit waardoor deze twee energiestromen elkaar niet kunnen opheffen in een wolk.

Wolken doen mee aan het broeikaseffect: ze absorberen de uitstraling door de aarde en stralen die energie voor een deel weer naar beneden. De uitstraling van wolken is minder bij een lagere temperatuur van de wolk. b Leg uit dat lage bewolking meer bijdraagt aan het broeikaseffect dan hoge bewolking.

54 Door het versterkt broeikaseffect neemt de gemiddelde temperatuur op aarde toe. a Wat zijn de gevolgen van de stijging van de gemiddelde temperatuur voor Nederland. Denk daarbij aan de bevolking, de flora en de fauna. b Wat kun je zelf doen om het (versterkt) broeikaseffect te verminderen? c Leg uit wat de gevolgen zijn voor de aarde als de gemiddelde temperatuur zal stijgen. d Leg uit of het broeikaseffect zichzelf kan versterken.

55 Water bevriest als de watertemperatuur gedaald is tot 0 °C. Als er eenmaal een laagje ijs op de sloten en plassen ligt, groeit de ijslaag het beste als het ’s nachts helder is en de lucht droog is. a Leg uit waardoor bewolking ’s nachts de ijsgroei remt. b Leg uit wat de vochtigheid van de lucht te maken heeft met de ijsgroei. c In Friesland zet men ’s nachts de bruggen open om het ijs te laten groeien.

Verklaar dat.

56 Een volume opstijgende lucht zet uit, doordat het in een omgeving met lagere luchtdruk komt. Daarbij koelt de lucht af door expansie. a Leg uit hoe dat in z’n werk gaat.

Warme lucht kan meer waterdamp bevatten zonder dat er condensatie optreedt, dan koude lucht. b Leg uit hoe je aan de foto van figuur 41 kunt zien dat er een zwakke wind vanuit zee geweest is, bij dit eiland van de Azoren.

Figuur 41

B eheersen Tropen, gematigde streken en poolstreken

57 W Experiment: Bewegen op een draaiende bol: corioliseffect

Doordat de zon in de tropen gemiddeld hoger aan de hemel staat dan op hogere breedtes, is er in de tropen gemiddeld meer instraling per m2 aardoppervlak, zie figuur 40. Buiten de atmosfeer neemt het gemiddelde vermogen van de zonnestraling af van ruim 300 W/m2 in de tropen tot minder dan 60 W/m2 in de poolstreken. Zie de groene lijn in figuur 42.

De temperaturen van het land en het water zijn daardoor in de tropen hoger en daardoor is de uitstraling van infrarode warmtestraling in de tropen ook hoger. Zie de rode stippellijn in figuur 42.

A

intensiteit I (W/m2)

31

Aarde en klimaat K3.4 Straling en energie in de atmosfeer B eheersen

340

binnenkomende zonnestraling

300

stralingsoverschot

260

uitgaande warmtestraling

220 180 140 100

stralingstekort

stralingstekort

60 20 -90

-75

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45 60 75 90 geografische breedte (°)

Figuur 42 Stralingswinst in de tropen en stralingsverlies op hogere breedtes

Geen stralingsevenwicht Je ziet in figuur 42 dat het aardoppervlak plus atmosfeer in de tropen gemiddeld meer energie krijgt van de zon dan het uitstraalt als warmtestraling. Ten noorden en ten zuiden van de 45-ste breedtegraad is het andersom. Het stralingsoverschot in de tropen wordt getransporteerd naar hogere breedtes, waar een stralingstekort is. Deze herverdeling van stralingsenergie van de zon door bewegingen in de atmosfeer en de oceanen, heet de algemene circulatie.

Als de lucht in de atmosfeer en het water in de oceanen niet zouden kunnen bewegen, zou het in de tropen veel warmer zijn en in de poolstreken veel kouder.

EE De

algemene circulatie van de atmosfeer is het totaal van bewegingen van de lucht, waarbij netto energie wordt overgebracht van de tropen naar de subtropen, naar de gematigde breedtes en naar de poolstreken.

Convectie op de wereldbol laag

tro p

hoog

ze au op

N

gemiddelde hoogte tropopauze

hoog

trop

op

au

ze

In de tropen rond de evenaar ontvangt het aardoppervlak meer zonne-energie dan in de subtropen. De lucht wordt van onderop verwarmd en door convectie wordt de hele troposfeer verwarmd. In tropische bossen en in oceanen verdampt veel water. De waterdamp wordt mee omhoog gevoerd. De lucht koelt omhooggaand af, waterdamp condenseert en valt als tropische bui weer naar beneden. Zo wordt er dus veel energie in de atmosfeer gestopt.

In de tropen is de troposfeer daardoor uitgezet en is de tropopauze opgetild. Op een hoogte van bijvoorbeeld 10 km is de luchtdruk in de tropen hoger dan op een hoogte van 10 km in de poolstreken, zie figuur 43. Op zeer grote schaal gebeurt er dan in eerste instantie hetzelfde als aan het strand bij de zeebries. Boven in de troposfeer gaat lucht afstromen naar het noorden op het noordelijk halfrond en naar het zuiden op het zuidelijk halfrond. Daarna gaat het model van het strand echter niet meer op.

Doordat de aarde een bol is en draait, gaat het op grote schaal heel anders dan op kleine schaal bij het strand.

Z

laag

Figuur 43 Te simpel model van de algemene circulatie in de (overdreven dik getekende) atmosfeer

B eheersen K3.4 Straling en energie in de atmosfeer Aarde en klimaat

noordpool afbuiging naar rechts

geen afbuiging tra

je c

t

skracht rioli co

afbuiging naar links zuidpool

Figuur 44 Het corioliseffect

58 W Theorie van de corioliskracht

A

32

Corioliseffect Als de horizontale afstanden niet groot zijn, zoals bij de zeebries, beweegt de lucht rechtuit van hogere naar lagere luchtdruk. Maar op grotere schaal, bijvoorbeeld enkele honderden kilometers, is de windrichting meer langs de isobaren dan er loodrecht op. En boven een paar honderd meter hoogte waait de wind helemaal langs de isobaren. Op weerkaarten kun je dat goed zien. De wind draait om een lagedrukgebied heen in een soort spiraal naar binnen, doordat de aarde een draaiende bol is. Deze invloed van de draaiing van de aarde op bewegingen in de atmosfeer en de oceanen heet het corioliseffect.

In 1835 gaf de Franse ingenieur Gustave-Gaspard Coriolis voor het eerst de verklaring voor de afbuiging van de baan van een voorwerp dat over grote afstand door de lucht beweegt. Op het noordelijk halfrond lijkt er bij een beweging over grote afstand een extra kracht naar rechts te werken, loodrecht op de snelheid. Deze kracht is op het zuidelijk halfrond naar links gericht. Het is geen echte kracht zoals de zwaartekracht of de veerkracht, maar een schijnkracht, die optreedt doordat we bij berekeningen met de wetten van Newton net doen alsof de aarde niet draait.

De grootte van de corioliskracht is evenredig met de snelheid en neemt af van de pool naar de evenaar. Voor alle normale bewegingen is de corioliskracht heel klein, vele malen kleiner dan de wrijving die praktisch elke beweging ondervindt. In het dagelijks leven merkt daardoor niemand iets van de corioliskracht. Alleen bij luchtstromen op een hoogte van meer dan een paar honderd meter en bij stromingen in oceanen speelt het corioliseffect een belangrijke rol.

In Nederland wordt het corioliseffect in de atmosfeer meestal de wet van Buys Ballot genoemd: Met de wind in de rug is de lage druk aan je linkerhand. Buys Ballot was in 1854 de eerste directeur van het toen opgerichte Koninklijke Nederlandse Meteorologische Instituut (KNMI).

EE Op

het noordelijk halfrond worden luchtstromingen naar rechts afgebogen door het corioliseffect, op het zuidelijk halfrond naar links.

EE Het corioliseffect is een schijnkracht, veroorzaakt door de draaiing van de aarde.

EE Het corioliseffect is nul op de evenaar en maximaal op de polen.

Passaatwinden In de subtropen neemt de luchtdruk aan het aardoppervlak toe, doordat er op grotere hoogte steeds lucht bijkomt. Daardoor stroomt onderin de subtropische atmosfeer op het noordelijk halfrond lucht voor een deel terug naar het zuiden, zie figuur 45. De stroming van de subtropen terug naar de tropen, onderin de atmosfeer, buigt aan足 vankelijk naar rechts af. Deze passaatwinden waaien dus op het noordelijk halfrond gemiddeld naar het zuidwesten. Ze heten dan noordoost-passaten, omdat wind benoemd wordt naar de richting waar hij vandaan komt. Op het zuidelijk halfrond heersen in de tropen meestal zuidoost-passaten.

Figuur 45 Passaatwinden in de tropen

33

A

Aarde en klimaat K3.4 Straling en energie in de atmosfeer B eheersen

Westelijke stroming voor ons In het model van de algemene circulatie op het noordelijk halfrond beweegt de lucht op grotere hoogte van de tropen naar het noorden. Ook voorbij de subtropen is er nog deze convectiestroming in de bovenlucht. Het corioliseffect buigt deze stroming naar rechts af. Dit effect is nul op de evenaar maar neemt toe met de noorderbreedte.

Hierdoor ontstaat er vanaf de subtropen een gemiddeld westelijke stroming van de lucht op grotere hoogte in de atmosfeer. Zie figuur 46.

Meestal voert deze westelijke stroming bewolking, frontale storingen en depressies naar Nederland. Ons zeeklimaat hebben we aan dit onderdeel van de algemene circulatie te danken. Op het zuidelijk halfrond geldt hetzelfde. Rond Antarctica heeft de westelijke stroming vrij spel, nergens land met bergen of woestijnen. Op hoge zuidelijke breedtes stormt het altijd.

EE De

algemene circulatie wordt aangedreven door het temperatuurverschil tussen de tropen en de hogere breedtes.

EE Het effect van de algemene circulatie is warmtetransport van de tropen naar hogere breedtes.

REDENEREN 59 De paragraafvraag was: Waardoor warmt de aarde op door de toename van broeikasgassen in de atmosfeer en hoe brengt de atmosfeer zonnewarmte van de tropen naar bijvoorbeeld Nederland?

Wat is het antwoord op deze vraag?

60 Leg aan de hand van figuur 42 uit dat het in Nederland gemiddeld kouder zou zijn als er in de atmosfeer en in de oceanen geen beweging mogelijk zou zijn.

61 De bewoners van het Zuidereiland van Nieuw-Zeeland zijn onze ‘tegenvoeters’ (een rechte lijn van ons naar hen, dwars door de aarde, gaat bijna door het middelpunt van de aarde). In Nederland is de stroming in de bovenlucht gemiddeld westelijk, dat wil zeggen uit het westen.

Leg uit waardoor de stroming in de bovenlucht in Nieuw-Zeeland gemiddeld ook westelijk is.

62 De algemene circulatie van de atmosfeer wordt aangedreven door convectie. a

b

Leg uit dat door convectie de stroming in de bovenlucht van de tropen op het noordelijk halfrond gemiddeld naar het noorden is en op het zuidelijk halfrond naar het zuiden.

Leg uit dat de stroming van de lucht op een hoogte van een paar honderd meter in de tropen van het noordelijk halfrond gemiddeld naar het zuiden is.

63 Leg uit waardoor het niet zo kan zijn dat overal op het noordelijk halfrond de stroming in de bovenlucht noordwaarts is en aan het aardoppervlak zuidwaarts.

Figuur 46 Westenwinden op gematigde breedtes

B eheersen K3.4 Straling en energie in de atmosfeer Aarde en klimaat

A

34

REKENEN 64 In figuur 42 is de oppervlakte onder de rode lijn veel groter dan de oppervlakte onder de groene lijn. Het lijkt net alsof er veel meer stralingsenergie van de zon op aarde valt dan de aarde energie uitstraalt. Toch is er, voor de aarde als geheel, evenwicht tussen de uitstraling van infrarode warmtestraling en de instraling door de zon.

Leg uit hoe deze schijn gewekt kan worden door de horizontale schaalverdeling van de breedtegraden.

65 In figuur 47 staan drie grafieken: de temperatuur van de lucht op 1 m hoogte

temperatuur T

tegen de tijd, het vermogen van de inkomende zonnestraling tegen de tijd en het vermogen van de uitgaande infrarode warmtestraling tegen de tijd. a Leg uit dat deze drie grafieken gelden voor een plaats op aarde waar op die dag de zon om 12 uur recht boven de hoofden van de mensen staat. b Leg uit waardoor de minimumtemperatuur kort n谩 zonsopgang optreedt en de maximumtemperatuur al 2 uur v贸贸r zonsondergang.

dagelijkse temperatuur

intensiteit I

ingestraalde vermogen door de zon uitgestraalde vermogen door aarde plus atmosfeer

12

Figuur 47

2

4

6

8

10

12

2

4

6

8 10 12 tijd van de dag (uur)

66 Dat de zon niet om de aarde draait, maar de aarde om zijn as, is sinds 1600

Figuur 48 De slinger van Foucault in het Pantheon in Parijs

bekend door het werk van Copernicus. Veel mensen geloofden dat vroeger echter niet, omdat je immers niet merkt dat de aarde draait. In 1851 liet Foucault aan de Parijzenaars zien dat de aarde echt draait. In het Pantheon liet hij aan een heel lange kabel een zware kogel heen en weer slingeren. Langzaam maar zeker draait dan het vlak van de slinger. Zie de tijdschaal in figuur 48. a Leg uit dat de draaiing van het slingervlak van de slinger van Foucault veroorzaakt wordt door het corioliseffect. b Ga met behulp van de tijdschaal in figuur 48 na hoe lang een complete omwenteling van het vlak van de slinger in Parijs ongeveer duurt. c Hoe lang duurt een complete omwenteling van het vlak van de slinger op de noordpool? Leg uit. d Hoe lang duurt een complete omwenteling van het vlak van de slinger op de evenaar? Leg uit.

35

A

Aarde en klimaat K3.4 Straling en energie in de atmosfeer verdiepen

67 Het corioliseffect kun je beschrijven en berekenen met de corioliskracht.

Er geldt: Fcor = 1,15 · 10-4 · m · sinφ. Hierin is m de massa waarop de corioliskracht werkt en φ de breedtegraad op aarde. De corioliskracht is horizontaal gericht en staat altijd loodrecht op de snelheid. a Bereken de corioliskracht op jou, wanneer je met 25 km/h naar school fietst. b Vergelijk de corioliskracht van vraag a met de component van de zwaartekracht op jou als je op een helling van 1% fietst.

Er wordt wel beweerd dat je door de corioliskracht rondjes gaat lopen, als je bijvoorbeeld op het poolijs geen kompas, gps of horloge hebt om je te kunnen oriënteren. c Geef je (beredeneerde) mening over deze bewering.

verdiepen Hadleycellen

68 W De algemene circulatie van de atmosfeer 69 W De straalstroom

In het simpele model van de algemene circulatie van figuur 46 stroomt de lucht op het noordelijk halfrond bovenin de atmosfeer naar het noorden en buigt steeds meer af naar het oosten. Vanuit de subtropen stroomt er dan lucht als noordoostpassaat beneden in de atmosfeer weer terug naar de tropen. Dit model is echter niet erg realistisch omdat er geen transport van energie is vanuit de subtropen verder poolwaarts.

De grootschalige bewegingen zijn beter te beschrijven als een aantal heel grote wervels, zogenaamde Hadleycellen. Zie figuur 49. Deze patronen zijn uiteraard een soort schematisch gemiddelde, want elke dag kunnen de luchtstromen er weer iets anders uitzien. Dit model voldoet al iets beter, want door deze bewegingen in de atmosfeer wordt er wél veel energie van de tropen naar de gematigde streken gevoerd.

De straalstroom Over grote gebieden van het aardoppervlak, zoals woestijnen, oceanen en de poolzee, is de temperatuur van de lucht ongeveer gelijk. Waar verschillende luchtsoorten aan elkaar grenzen, is een front. Waar bijvoorbeeld polaire koude lucht (blauw in figuur 49) grenst aan warmere lucht (groen in figuur 49) is het polaire front, dat gemiddeld oostwest ligt. Boven dit front is het verschil in luchtdruk ten noorden en ten zuiden van het front groot. Daar waait het in de bovenlucht erg hard: de straalstroom. In werkblad 69 ga je na wat dat betekent voor het weer en klimaat in Nederland.

N4H_4H_K3_49 Figuur 49 De algemene circulatie van de atmosfeer

Aarde en klimaat

A

36

K3.5 Oceanen en de algemene circulatie ontdekken De directeur van de Brits-Amerikaanse posterijen kreeg een paar eeuwen geleden klachten dat de Britse pakketboten van Engeland naar Amerika er twee weken langer over deden dan koopvaardijschepen. De kapiteins van de pakketboten hadden niet in de gaten dat ze tegen de Golfstroom invoeren en dan ook nog precies in het gedeelte met de sterkste stroming. Ervaren zeevaarders wisten al eeuwen van het bestaan van zeestromen en hielden daar rekening mee. Waardoor worden die grote zeestromen aangedreven?

Het grootste deel van het aardoppervlak bestaat uit water. De oceanen hebben dan ook een groot aandeel in de stralingsbalans van de aarde en in de verdeling van het overschot aan warmte in de tropen over het hele aardoppervlak. Hoe werkt dit transport en hoe wordt het aangedreven?

Figuur 50

Af en toe geeft het tropische zeewater in relatief korte tijd heel veel energie af aan de atmosfeer in een relatief klein gebied en ontstaat een tropische orkaan. Hoe gaat die afgifte van energie in zijn werk? En waardoor treffen tropische orkanen vooral de westkust van bijvoorbeeld Noord-Amerika en de Filippijnen?

paragraafvraag

70 W Experiment: Warm op koud, zoet op zout

Hoe worden oceaanstromen aangedreven, hoe dragen ze bij aan de algemene circulatie en hoe ontstaat een tropische orkaan?

begrijpen Twee oorzaken van oceaanstromen De grootschalige bewegingen van het water in de wereldzeeĂŤn wordt in gang gehouden door de overheersende windsystemen en door verschillen in dichtheid van het zeewater.

Aandrijving door wind De Golfstroom is onderdeel van de grootschalige circulatie in de Noord-Atlantische Oceaan, die aangedreven wordt door passaatwinden in het tropische deel van de Atlantische Oceaan. Die wind stuwt het zeewater daar naar het westen. Vervolgens buigt die stroming om de Sargassozee heen af naar het noorden.

Aandrijving door dichtheidsverschillen In de tropen is het zeewater warmer dan in de subtropen en daardoor een beetje uitgezet. Net als in de atmosfeer gaat daardoor oceaanwater afstromen naar het noorden. In bijvoorbeeld de Golf van Mexico is het zeewater minder dicht dan aan de oostkant van de VS, waardoor het wateroppervlak in de Golf van Mexico ongeveer 1,5 m hoger ligt dan midden op de Noord-Atlantische oceaan. In de bovenste laag stroomt het zeewater daardoor als het ware als een rivier op zee naar het noorden. De Golfstroom wordt hierdoor een beetje (10 ĂĄ 15%) versterkt.

37

A

Aarde en klimaat K3.5 Oceanen en de algemene circulatie begrijpen

Terugstroom langs de oceaanbodem

Kuros dri h ft

Noord Eq. stroom Zu id - E q. stroom

ZuidAtlantische Gyre

Zuid-Eq. stroom Indische Oceaan Gyre

A g tr s

Westenwinddrift

Westenwinddrift

Zeestromen warme zeestroom

A Oost- ustralis stroom ch

Noord Eq. stroom uela Beng om stro

troom ru-s Pe

Braz stroiliaan om se

Zuid Eq. Stroom

u o o lh a s m -

Noord Eq. Stroom

ZuidPacifische Gyre

io-

A We us s t strtr a l i s che oo m

G

che nis or oom r st

NoordPacifische Gyre

iosh m o

Ca n str aris oo c h m e

s

Ca lif

se or m Nsotroo

Oy str a o

enGro st room Oo dst lan e isch a l nt t m roo d At drif fl st Noor o NoordAtlantische Gyre

radorLasbtroom

aska Altroom

e

koude zeestroom

Figuur 51 De grote zeestromen in de oceanen

Hoe zouter zeewater is, des te groter is de dichtheid. Hoe warmer zeewater is, des te kleiner is de dichtheid. Als het zeewater van de Golfstroom op het eind van zijn tocht naar de poolstreken veel warmte verloren heeft en ook door verdamping zouter is tgeworden, zakt het langzaam naar beneden. Er zijn op aarde twee plaatsen waar het zoute en koude zeewater helemaal tot op de oceaanbodem zakt. Zie figuur 52.

m

zinkend water

t ro

o

lf s Go

end ell

op well en d w at er

e Antarctische circumpolair

ellend pw ter wa

zinkend water

o

water

opw

evenaar

stroom

Mondiale zeestromen koude dieptestroom

koude oppervlaktestroom

warme oppervlaktestroom

Figuur 52 Wereldwijde circulatie van oceaanwater

Er kan natuurlijk niet alleen maar zeewater van de tropen naar de poolstreken stromen, want dan zou het zeeniveau in de tropen blijven dalen en in de poolzeeĂŤn blijven stijgen. Daardoor zijn er ook zeestromen de andere kant op. Koud water stroomt over de bodem van de oceanen terug naar de tropen. De blauwe retourstromen in de diepte van de oceanen brengen het diepzeewater heel langzaam weer terug. Het kan wel duizenden jaren en een complete ronde om de aarde duren, voordat het water weer boven komt.

begrijpen K3.5 Oceanen en de algemene circulatie Aarde en klimaat

A

38

Tropische stormen Een echt felle storm in Nederland kan je met fiets en al van de weg blazen. Maar dat is kinderspel vergeleken met een tropische storm, waarbij gemakkelijk daken van huizen waaien. Door een tropische cycloon worden zelfs complete huizen weggevaagd, of hele steden vernield.

Tropische stormen gebruiken zonne-energie uit zeewater als ‘brandstof’. Het zeewater is opgewarmd door de zon, waardoor de lucht boven het water verwarmd wordt en er veel water verdampt. Door convectie ontstaat er beweging van warme vochtige lucht omhoog. Waterdamp condenseert en verwarmt de lucht, die door blijft stijgen. De atmosfeer zet zo uit en hoog in de atmosfeer ontstaat hoge druk, waardoor er lucht wegstroomt. Onder in de atmosfeer ontstaat zo dus lage luchtdruk. Lucht gaat daar toestromen maar wordt door het corioliseffect afgebogen en stroomt in een spiraalvorm naar binnen en omhoog.

Tropische storm wordt tropische cycloon Een depressie die voor de westkust van Afrika is ontstaan, kan met de passaatwind meegevoerd worden richting Amerika. Onderweg kan zo’n tropische depressie soms groeien tot een tropische stormdepressie. Als het oceaanwater warm genoeg is, kan zo’n tropische stormdepressie zelfs uitgroeien tot een heuse cycloon. Gemiddeld een aantal keren per jaar gaat ergens een tropische cycloon aan land, bijvoorbeeld in het Caribisch gebied. Dat kan veel mensenlevens kosten en enorme schade aanrichten.

NOORDAMERIKA

an Golf v o Mexic

0

tropische cycloon

Atlantische Oce aan

1.000

2.000 km

1 : 105.000.000

tropische storm

AFRIKA

e Zee ibisch Car ZUIDAMERIKA

tropische depressie

tropische storing

Figuur 53 Een tropische cycloon op weg naar

Figuur 54 Soms groeit een depressie bij Afrika uit tot een tropische cycloon in de Caribean of

Florida

de VS.

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

De Golfstroom heet zo omdat hij naar de Golf van Biskaje stroomt.

Op IJsland zorgt de Golfstroom ervoor dat je in de sneeuw in heet water kunt baden.

De Golfstroom zorgt ervoor dat alle Noorse havens altijd ijsvrij zijn.

Het corioliseffect speelt geen rol in het water, alleen maar in de atmosfeer.

Het stilstaande water in een meertje is op elke diepte even warm na een week zomerse zonneschijn.

Wolken boven de oceaan bevatten zout zeewater.

Het stilstaande water in een meertje is op elke diepte even koel na een heldere zomerse nacht.

Wind op zee zorgt alleen voor golven, niet voor stroming.

Het water van de oceanen is overal en altijd even zout.

39

A

Aarde en klimaat K3.5 Oceanen en de algemene circulatie B eheersen

72 De Noor Thor Heyerdal wilde in 1947 bewijzen dat de inwoners van Polynesië daar ooit heen waren gevaren. Hij bouwde een vlot, de Kontiki en met een stel vrienden zeilde hij daarmee naar Polynesië.

Leg uit waarom hij vertrok vanuit Peru en niet vanuit Nieu-Guinea.

73 Het versterkte broeikaseffect zorgt voor een hogere gemiddelde temperatuur op aarde, ook van het oceaanwater. a Leg uit dat het gemiddelde zeeniveau stijgt als het oceaanwater warmer wordt. b Leg uit dat er meer en zwaardere stormen kunnen optreden, ook in Nederland, als het oceaanwater warmer wordt.

74 De meeste Noorse fjorden zijn heel diep met een ondiepere ‘drempel’ aan de kant van de Atlantische Oceaan. Er stroomt dan ook weinig water in en uit de fjorden. a Aan het eind van de zomer is de bovenste laag water in een fjord warmer dan het diepere water eronder. Verklaar dat. b Na de winter is het water in een fjord goed gemengd. Verklaar dat.

B eheersen De wisselwerking tussen de atmosfeer en de oceaan De grote oceaanstromen worden voornamelijk aangedreven door de grote luchtstromen. Omgekeerd zorgen de oceaanstromen er mede voor dat er energie aan de atmosfeer wordt overgedragen om de wind in stand te houden. Warm oppervlaktewater verdampt en waar het in de atmosfeer condenseert geeft het warmte af.

Aandeel van de oceanen in de herverdeling van warmte

340 binnenkomende zonnestraling

300 260

vermogen P (1012 W)

intensiteit I (W/m2)

In figuur 55a zie je hoe groot het stralingsoverschot in de tropen is. Een groot deel van die energie wordt uit de tropen weggevoerd via de atmosfeer. Maar ook de oceanen nemen een flink deel voor hun rekening.

energie overschot

uitgaande warmtestraling

220

6

gezamenlijk energietransport

5 energietransport door de atmosfeer

4 3

180

2 140 100

energie tekort

energie tekort

energietransport door de oceanen

0

60 20 -90

1

-75

-60

-45

Figuur 55a De stralingsbalans

-30

-15

0

15

30

45 60 75 90 geografische breedte (°)

-1

0

10

20

30

40

50

60

70 80 90 noorderbreedte (°)

Figuur 55b Transport van warmte door de lucht en het water op het noordelijk halfrond

B eheersen K3.5 Oceanen en de algemene circulatie Aarde en klimaat

A

40

In figuur 55b zijn de getransporteerde vermogens uitgezet tegen de breedtegraad op het noordelijk halfrond. Zo zie je dat er in totaal gemiddeld 4,5 petawatt (1 PW = 1015 W) aan energie noordwaarts door de 20ste breedtegraad wordt getransporteerd. De atmosfeer neemt daarvan 1,2 PW voor zijn rekening en de oceanen 3,2 PW. Door de 60ste breedtegraad is het aandeel van de lucht 2,9 PW en van het water ‘slechts’ 0,1 PW.

De Golfstroom waaiert uit Een deel van de Golfstroom gaat uiteindelijk langs de Britse eilanden naar IJsland en Noorwegen. Het noordelijkste deel van de Atlantische Oceaan is daardoor altijd ijsvrij.

Niet al het water van de Golfstroom komt echter zo ver. Voor de oostkust van NoordAmerika is de Golfstroom relatief smal en de stroomsnelheid daardoor hoog. Door het corioliseffect is een groot deel van de Golfstroom niet verder noordwaarts gegaan maar afgebogen naar het oosten, richting de Canarische eilanden. Deze stroom keert ten slotte weer langs Afrika terug naar de tropen. Deze grote circulatie in de NoordAtlantische Oceaan noemen we de Subtropische Wervel.

Warmte uit de tropen via de Subtropische Wervel naar Nederland Tijdens de oversteek van het relatief warme zeewater van Amerika richting Portugal verdampt veel water. Deze warmte komt in de lucht en wordt met de westenwinden die op gematigde breedtes op het noordelijk halfrond meestal waaien, meegevoerd naar West-Europa. Als er dan condensatie optreedt, wordt de lucht opgewarmd die naar ons toekomt. In Nederland danken we ons relatief zachte zeeklimaat vooral aan deze Subtropische Wervel.

hoogte h (km)

Een tropische cycloon

tropopauze 15 10 5 0

oog

300

200

100

0

100

200 300 straal r (km)

Figuur 56 Schematische doorsnede van een tropische cycloon

Een volgroeide tropische cycloon is een supergrote, schijnbaar platte wervelwind, zie figuur 56. De horizontale afmetingen zijn vele malen groter dan de verticale afmetingen en de interne structuur is complex. In het midden, het oog van de orkaan, is er een langzaam dalende beweging van lucht waarin bewolking oplost. Daaromheen stroomt de lucht spiraalvormig omhoog in een soort schillen. In de opstijgende lucht treedt condensatie op die de lucht verder opwarmt. Aan het zeeoppervlak valt de regen letterlijk met bakken uit de hemel en waait alles weg.

In een tropische cycloon geeft deze warmtepomp dit natuurgeweld zo’n enorme hoeveelheid energie, tot wel een paar maal het energiegebruik van de hele mensheid in een jaar. Daar doet die pomp overigens wel een week of langer over, tijdens de oversteek over de oceaan.

Gelukkig gaan de meeste cyclonen op de Atlantische Oceaan niet aan land, maar buigen ze af naar het noorden. Waar het water niet meer zo warm is verliest de orkaan langzamerhand aan kracht. Een cycloon die wel aan land gaat, remt daar af en verzwakt doordat hij geen ‘brandstof’ meer krijgt. Heel soms gaat een cycloon in Amerika even aan land en buigt dan terug naar zee voor een oppepper. Zie figuur 57.

41

A

Aarde en klimaat K3.5 Oceanen en de algemene circulatie B eheersen

Figuur 57 Trajecten van tropische cyclonen

Tropische cyclonen hebben voor hun groei en voortbestaan zeewater van ten minste 26 °C nodig. Toch komen tropische cyclonen niet in de buurt van de evenaar voor, waar het zeewater echt warm is. Dat heeft te maken met het corioliseffect dat bij de evenaar afwezig is. Als er geen corioliseffect is, stroomt de lucht gewoon rechtstreeks naar het lagedrukgebied en ‘vult dat op’. Voor de ontwikkeling van een tropische cycloon zijn de belangrijkste voorwaarden: EE zeewater van tenminste 26 °C; EE niet dichter bij de evenaar dan 5° anders kan de corioliskracht niet verhinderen dat de depressie gevuld wordt.

REDENEREN 75 De paragraafvraag was: Hoe worden oceaanstromen aangedreven, hoe dragen ze bij aan de algemene circulatie en hoe ontstaat een tropische orkaan? Wat is het antwoord op deze vraag?

76 Leg met je eigen woorden uit wat bedoeld wordt met: eenmaal boven land krijgt een cycloon geen ‘brandstof’ meer.

77 De eb en vloed van de Atlantische Oceaan duwt twee keer per dag een berg

78 De Sargassozee is het uitgestrekte deel van de Noord-Atlantische Oceaan rondom Bermuda, zie figuur 58. De stroming van het zeewater ten zuidoosten van de Sargasso zee wordt veroorzaakt door de overheersende passaatwind. a De Golfstroom wordt niet door passaatwinden aangedreven. Waardoor wel?

De Sargassozee is een soort heel grote platte berg water waar het water van de oceaan omheen stroomt. Dat is getekend in figuur 58. b Leg uit waardoor het zeeniveau in de Sargassozee hoger is dan eromheen.

New York

m Golfstroo

VERENIGDE STATEN

Atlant isch eO ce a

an

zeewater tussen Noorwegen en Schotland de Noordzee in. Die vloedgolf gaat de Noordzee rond van noord naar zuid en vanaf het Kanaal weer terug.

Leg uit dat het corioliseffect ervoor zorgt dat het in Zeeland eerder hoogwater is dan op Terschelling.

Bermuda Sargasso Zee

Miami CUBA e Zee ibisch Car

VENEZUELA 0

500

1.000 km

1 : 82.000.000

Figuur 58 De Sargassozee

B eheersen K3.5 Oceanen en de algemene circulatie Aarde en klimaat

A

42

79 In een depressie is de luchtdruk aan het aardoppervlak lager dan buiten de depressie. Zonder corioliskracht stroomt er lucht naar de depressie toe, waardoor die kan ‘opvullen’. De luchtdruk neemt toe door de toegestroomde lucht. a Leg uit waardoor een depressie in de buurt van Nederland niet meteen ‘opvult’. b Waardoor ontstaan er geen tropische orkanen in de buurt van de evenaar?

80 Een depressie aan de Afrikaanse westkust kan tijdens zijn reis naar Amerika uitgroeien tot een tropische cycloon, zie figuur 54. a Hoe komt een Afrikaanse depressie met matige wind aan de energie om uit te groeien tot een tropische cycloon? b Waardoor kunnen de orkanen die de Filippijnen af en toe treffen, zo enorm zwaar zijn? c Leg uit waardoor een tropische cycloon in kracht afneemt als hij eenmaal boven land is gekomen.

REKENEN 81 T Figuur 55b staat ook op het tekenblad. a

b c

Ga behulp van het diagram na dat op het noordelijk halfrond de oceanen gemiddeld voor ongeveer 40% van het warmtetransport van de tropen naar het noorden zorgen.

Bereken hoeveel energie er per jaar noordwaarts door de 50ste breedtegraad getransporteerd wordt door de atmosfeer.

Doe hetzelfde voor de oceaanstromen.

82 De energie in een zware tropische cycloon kan wel een paar keer zo groot zijn als het totale energiegebruik van alle mensen op aarde per jaar. Dit totale energiegebruik over 2005 was 480∙1018 J. a Leg uit hoe een tropische cycloon aan die enorme hoeveelheid energie komt.

De ontwikkeling van een normale depressie met matige wind bij Afrika tot bijvoorbeeld cycloon Katrina, duurt ongeveer tien dagen. b Bereken het vermogen dat van het zeewater naar zo’n orkaan gaat.

43

A

Aarde en klimaat K3.5 Oceanen en de algemene circulatie verdiepen

verdiepen Overstromingen door tropische cyclonen De horizontale stormwind neemt boven zee enorme hoeveelheden verdampt zeewater op. Als een tropische cycloon dit water boven land laat vallen, kan dat overstromingen geven. Zeker in een stad als New Orleans, die net als half Nederland onder zeeniveau ligt en met gemalen droog gehouden wordt.

Voor een laaggelegen kustgebied in de baan van een cycloon bestaat het risico op overstroming vooral uit de extreem lage luchtdruk in het oog van een cycloon. Waar op zee de luchtdruk lager is dan in de omgeving, wordt het water een beetje ’omhoog gezogen’. Het wateroppervlak onder een cycloon vormt dus een soort ‘waterberg’, die niet erg hoog maar wel heel uitgebreid kan zijn.

Zo’n zeer grote golf beweegt met de cycloon mee. Als die de kust nadert waar het ondieper is, wordt het water opgestuwd. Dat kan een enorme vloedgolf veroorzaken.

In 2013 zijn hierdoor op de Filipijnen hele dorpen weggespoeld.

83 Lage luchtdruk onder een cycloon kan op zee voor hoog water zorgen. In bovenstaande tekst staat het woord ‘gezogen’ tussen aanhalingstekens omdat de lucht niet aan het water kan trekken. a Leg uit waardoor het niveau van het zeewater onder een cycloon omhoog is gekomen. b Leg uit dat het waterniveau in een zwembad of meertje door de passage van een cycloon wel kan stijgen door overvloedige regenval, maar dat het niet omhoog ‘gezogen‘ wordt door de lage luchtdruk.

Op het hoogtepunt van de cycloon Katrina in 2005 had de luchtdruk aan het zeeoppervlak in de Golf van Mexico een minimum bereikt van 900 hPa. c Laat met een berekening zien dat het waterniveau bij die minimale luchtdruk 1,0 m was gestegen.

84 De cycloon Katrina is over de stad New Orleans getrokken. Eerst stak er in die stad een storm op met meer dan orkaankracht. Toen kwam de vloedgolf en nam de storm af. Daarna kwam er weer storm met orkaankracht. a Leg uit dat de wind in het tweede deel van de storm een andere richting had dan in het eerste deel.

Katrina was eerder al Florida overgestoken maar had toen nog niet die enorme kracht die ze een paar dagen later bij New Orleans wel had. b Leg uit dat Katrina ‘bijgevoed’ was door de Golf van Mexico.

New Orleans ligt aan de mondig van de rivier de Mississippi, die in een wijdvertakte delta de zee instroomt. c Leg uit dat New Orleans daardoor moeilijk is te beschermen tegen vloedgolven.

Figuur 59 New Orleans nadat Katrina er had huisgehouden.

Aarde en klimaat

A

44

K3.6 Afsluiting W Begrippenkaart Ga na of je van elk begrip goed weet wat het betekent.

W Samenvatting Bestudeer de samenvatting.

W Diagnostische toets Test je kennis over de leerstof in dit hoofdstuk.

Hoofdstukvraag en samenvatting 85 De hoofdstukvraag was: Wat is convectie en hoe zorgt convectie in de aarde, de oceanen en de atmosfeer voor de beweging van hele continenten, van lucht en van water? Geef een uitgebreid en compleet antwoord op deze vraag.

86 Maak een samenvatting van de paragrafen van dit hoofdstuk door antwoord te geven op de volgende vrage n: Paragraaf K3.2 a Uit welke lagen bestaat de aarde? b Hoe maakt een seismograaf een seismogram? c Wat is het verschil tussen P-golven en S-golven? d Beschrijf in eigen woorden de theorie van drijvende continenten. e Wat is de MOR? f Beschrijf in eigen woorden hoe oceaanbodem ontstaat door convectie. g Leg uit waardoor oceaanbodem onder het continent schuift en niet eroverheen. h Leg uit wat bedoeld wordt met ‘de kachel in de aarde’.

Paragraaf K3.3 en K3.4 i Waardoor neemt de luchtdruk in de atmosfeer af met de hoogte? j Waardoor neemt de luchtdichtheid af met de hoogte? k Waardoor neemt de temperatuur van de lucht af met de hoogte? Leg uit. l Waardoor neemt de temperatuur van de lucht boven de tropopauze weer toe met de hoogte? Leg uit. m Wat zijn isobaren en wat betekenen de getallen die erbij staan op de weerkaart? n Leg uit hoe een zeebries ontstaat. o Leg uit wat het ‘broeikaseffect’ is. p Waardoor is er in de tropen (gemiddeld) geen stralingsbalans? q Waardoor is er in de poolstreken (gemiddeld) geen stralingsbalans? r Leg uit wat de algemene circulatie is s Welke rol speelt verdamping en condensatie voor het Nederlandse klimaat? t Leg uit wat het corioliseffect is. u Waardoor is de straalstroom naar West-Europa van west naar oost?

Paragraaf K3.5 v Waardoor worden oceaanstromen in beweging gehouden? w Welk aandeel hebben oceaanstromen in de algemene circulatie? x Wat is de subtropische wervel in de Atlantische oceaan en hoe profiteert Nederland daarvan? y Welke twee voorwaarden zijn noodzakelijk voor het ontstaan van een tropische cycloon? Leg uit.

W Keuzeonderwerpen 1 Opwarming van de aarde 2 Eb en vloed 3 Tsunami’s 4 Aardwarmte, waterkracht, windenergie en zonne-energie

KEUZEONDERWERPEN De theorie van dit hoofdstuk gaat over stromingen in de aarde, de atmosfeer en de oceanen. Hiernaast staat een aantal keuzeonderwerpen waarin je dieper kunt ingaan op enkele aspecten van deze materie.

45

A

Aarde en klimaat K3.6 Afsluiting

EINDOPGAVEN 87 Afrika en Amerika zijn de laatste 190 miljoen jaar uit elkaar gedreven, volgens de theorie van de drijvende continenten van Alfred Wegener.

Figuur 60 a Welke argumenten had Wegener voor deze theorie?

Met behulp van de kaart van figuur 60 en het gegeven dat de oudste atlantische oceaanbodem 1,9 · 108 jaar oud is, kun je berekenen hoe snel de Atlantische Oceaan groeit. b Hoe ver zijn de Amerikaanse plaat en de Euraziatische plaat op de kaart uit elkaar geschoven? c Hoe lang is de evenaar op de kaart van figuur 60? d Hoe lang is de evenaar in werkelijkheid? e Bereken nu met welke gemiddelde snelheid Afrika en Amerika uit elkaar ‘drijven’. f Leg uit waarom drijven tussen aanhalingstekens staat.

88 Het broeikaseffect van de atmosfeer is een ingewikkeld proces dat nog niet in alle details bekend is. a Leg uit dat meer bewolking, bijvoorbeeld door uitwaaierende vliegtuigstrepen, twee gevolgen heeft die tegen elkaar in werken. b Leg uit waardoor een toename van het CO2-gehalte in de atmosfeer kan zorgen voor meer en zwaardere stormen, bijvoorbeeld in Nederland. c Waardoor hoeven we in Nederland nog niet bang te zijn voor tropische cyclonen die bijvoorbeeld Haïti of de Filippijnen treffen? d Ozon is geen broeikasgas maar speelt wel een belangrijke rol in de atmosfeer.

Welke (voor alle leven op aarde noodzakelijke) rol speelt ozon?

P RO B L E E M O P LO SS E N Je kunt een aantal eindopgaven stapsgewijs uitwerken.

K3.6 Afsluiting Aarde en klimaat

A

46

89 De algemene circulatie is het totale proces dat de zonnewarmte over de aarde

340 binnenkomende zonnestraling

300 260

vermogen P (1012 W)

intensiteit I (W/m2)

verdeelt.

De figuren 61a en 61b geven globaal de energiestromen weer. a Wat geeft de groene lijn in figuur 61a weer? b Wat geeft de rode lijn in figuur 61a weer? c Welk verband is er tussen de figuren 61a en 61b? d Leg uit waardoor de blauwe grafiek van figuur 61b een piek te zien geeft bij 20° N.B. e Leg uit waardoor het energietransport van de oceaan in figuur 61b ten noorden van 60° N.B. bijna nul is.

In figuur 61a staat bij de y-as de eenheid W/m2 en in figuur 61b staat bij dezelfde as de eenheid petawatts (PW). f Verklaar dit verschil in eenheden.

energie overschot

uitgaande warmtestraling

220

6

gezamenlijk energietransport

5 energietransport door de atmosfeer

4 3

180

2 140 100

energie tekort

energie tekort

energietransport door de oceanen

0

60 20 -90

1

-75

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45 60 75 90 geografische breedte (°)

-1

0

10

20

30

40

50

60

70 80 90 noorderbreedte (°)

Figuur 61a De stralingsbalans Figuur 61b Transport van warmte door de lucht en het water op het noordelijk halfrond

47

A

Antwoorden op rekenvragen & Register

Antwoorden op rekenvragen K3 23 a Afstand langs grootcirkel is ongeveer 15° ➞ 1000 s verschil = 15 minuten c 40° Z.B. en 175° O.L. is recht tegenover 40° N.B. en 9° W.L. ➞ 180° verschil ➞ 18 minuten.

25 c 0,013 % 45 c 997 hPa

67 a b 81 b c 82 b

0,05 N 7,8 N 9,5 · 1022 J 3,2 · 1022 J 1,1 · 1015 W = 1,1 PW

Register A aardbeving 18 albedo 27 algemene circulatie 31 atmosferische lucht 19 atmosferische luchtdruk 22 B binnenkern 11 buitenkern 11 breuklijn 18 broeikaseffect 28 broeikasgassen 28 C condensatie 6 condensatiekernen 26 continentale korst 11 convectie 12, 20 convectiecel 24 convectiestromingen 15 corioliseffect 32 corioliskracht 32 D dauwpunt 26 E expansie 20 F front 35 G golfstroom 36

H hectopascal 22 I inversie 21 isobaar 22

straalstroom 35 stratosfeer 21 subductiezone 15 subtropische wervel 40 supercontinent 8

K kern 11 korst 11

T tektonische plaat 14 temperatuur 6 trog 15 tropische cycloon 38, 40 tropische storm 38 tropopauze 21 troposfeer 21

L landwind 24 luchtdruk 19 M magma 15 mantel 11 mid-oceanische rug (MOR) 10 O oceanische korst

11

P passaatwinden 32 P-golven 9 R relatieve vochtigheid

26

S schijnkracht 32 seismogram 8 seismometers 8 S-golven 9 soortelijke warmte 6

V verdampen 6 verdampingswarmte 29 versterkt broeikaseffect 28 verzadigd met waterdamp 26 vulkanen 18 W warmte 6 warmtecapaciteit 6 wet van Buys Ballot 32 Z zeebries 23

Illustratieverantwoording

Illustratieverantwoording Beeld Omslag: Arnold Bartman Fotografie, Haarlem Corbis: inzetfoto, achterzijde IStockPhoto: silhouet

aanleveren

Colofon Ontwerp, opmaak en beeldresearch Michelangela, Utrecht Tekeningen Jaap Wolters, Amersfoort Erik Eshuis, Groningen EMK, Deventer

Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff is dé educatieve mediaspecialist en levert educatieve oplossingen voor het Primair Onderwijs, Voortgezet Onderwijs, Middelbaar Beroepsonderwijs en Hoger Onderwijs. Deze oplossingen worden ontwikkeld in nauwe samenwerking met de onderwijsmarkt en dragen bij aan verbeterde leeropbrengsten en individuele talentontwikkeling.

ThiemeMeulenhoff haalt het beste uit élke leerling.

Meer informatie over ThiemeMeulenhoff en een overzicht van onze educatieve oplossingen: www.thiememeulenhoff.nl of via de Klantenservice 088 800 20 15

ISBN 978 9006 31285 0 Vierde druk, eerste oplage, 2014 © ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2014 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 voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw voor het gebruikte papier op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

A

48