Hoofdstuk 4 van: Kees Floor: Weerkunde, Meteorologie voor iedereen, Rijswijk 2004. Versie 3 januari 2009.
4.1 Inleiding
|
4.2 Zonnestraling
De zon straalt
zijn energie uit bij een oppervlaktetemperatuur van ongeveer 6000 graden C. Een
klein deel van de uitgezonden energie valt op de buitenste rand van de dampkring
en van dat kleine gedeelte bereikt slechts ongeveer de helft het aardoppervlak
(zie figuur). De andere helft wordt teruggekaatst de ruimte in of geabsorbeerd
en in warmte omgezet door wolken en door gassen in de atmosfeer als waterdamp,
koolzuurgas en ozon. De geabsorbeerde energie wordt echter ook weer door de dampkring
zelf uitgestraald de ruimte in, zodat er daardoor nauwelijks temperatuurveranderingen
in de atmosfeer optreden. In de figuur is een en ander schematisch weergegeven.
Invloed van de zonshoogte
op de hoeveelheid opgevangen zonnestraling per vierkante meter. | Op
de evenaar valt het zonlicht loodrecht in, bij de polen schuin. Daardoor is bij de polen minder energie beschikbaar per vierkante meter. (Zet de zaklamp met de muis hoger of lager.)(groter) |
Wisselbeeld: (muis naast beeld) Binnenkomende
straling: De zon levert overdag energie (kortgovige straling). (muis op beeld) Uitgaande straling: De aarde straalt dag en nacht zelf warmte uit (langgolvige straling). |
De zonnestraling die het aardoppervlak bereikt, wordt er gedeeltelijk
geabsorbeerd en omgezet in warmte. De mate van absorptie hangt sterk af van de
aard van het aardoppervlak. Begroeide en donkere delen, zoals bossen en asfalt,
absorberen de straling; witte delen, zoals sneeuw- en ijsvlakten, kaatsen haar
terug. Van de straling die door het oppervlak geabsorbeerd wordt, verdwijnt een
klein gedeelte de bodem in; die straling warmt zo diepere lagen in de bodem langzaam
op. De rest van de door de bodem opgenomen straling levert de energie om bodemvocht
te verdampen en om de lucht vlak boven het aardoppervlak op te warmen.
De
hoeveelheid zonnestraling die we aan het aardoppervlak op een vierkante meter
ontvangen, hangt af van de afstand van de aarde tot de zon en van de zonshoogte.
Deze hoeveelheid straling varieert dus in de loop van de dag en ook in de loop
van het jaar.
De meeste zonnestraling gedurende een etmaal wordt rond de middag
ontvangen, als de zon op zijn hoogst staat. Evenzo valt er 's zomers, als de zon
hoog aan de hemel staat, meer zonnestraling in dan 's winters.
De aarde ontvangt straling van
de zon, maar zendt zelf ook warmtestraling uit. Een deel daarvan wordt onderschept
door de atmosfeer en teruggestraald naar het aardoppervlak. Klik op de figuur
als de plaatjes niet wisselen. | Wisselbeeld:
Verdeling van de zonnestraling. Zet de muis op de afbeelding voor 'getallen' en
tekst. |
4.3 Aardse
straling
Het aardoppervlak en de atmosfeer zenden zelf ook onafgebroken
straling uit. Als de zon onder is, wordt geen zonnestraling meer ontvangen. Het
aardoppervlak gaat echter gewoon door met het uitstralen van warmte; ook blijft
het nog straling opvangen van de atmosfeer. Die straling is echter onvoldoende
om de afkoeling van het aardoppervlak tegen te houden. Doordat de aard van het
aardoppervlak van plaats tot plaats sterk varieert, zullen de uitstraling en daardoor
de nachtelijke afkoeling eveneens sterk wisselen van plaats tot plaats. De nachtelijke
afkoeling wordt echter niet alleen bepaald door uitstraling vanaf het aardoppervlak;
ook wind en eventueel aanwezige bewolking spelen een grote rol.
4.4
De rol van de wind
De wind bepaalt heel sterk hoe de warmte van
het aardoppervlak aan de lucht wordt afgegeven. Lucht is zelf een goede isolator,
zodat de warmte vrijwel niet door geleiding overgedragen wordt; de wind brengt
echter uitwisseling met de bodem op gang van zowel warmte als vocht. Naarmate
er meer wind is, is die uitwisseling effectiever.
Overdag, als de zon het
aardoppervlak sterk opwarmt, voert de wind de warmte af en draagt hij die over
aan de lucht. Dat leidt er toe dat de onderste luchtlagen gedurende de dag sterk
opgewarmd worden. Op dezelfde wijze bevordert de wind de verdamping vanuit een
vochtige bodem; dit proces is vergelijkbaar met droogwapperen van wasgoed in de
wind.
Na zonsondergang verandert de situatie. Het aardoppervlak koelt af door
uitstraling, maar de lucht erboven nog nauwelijks. Als het helder weer is met
weinig wind, zal de temperatuur van het aardoppervlak snel dalen. In het winterhalfjaar
komt de temperatuur van het aardoppervlak dan gemakkelijk onder het vriespunt.
De lucht erboven koelt echter niet zo sterk af. De temperatuur op enkele meters
hoogte is onder dergelijke omstandigheden in het algemeen wel vijf graden of meer
hoger dan de temperatuur vlak bij de grond.
Is de lucht erg vochtig, dan kan
vlak bij de grond gemakkelijk condensatie optreden doordat de lucht afkoelt tot
het dauwpunt (zie figuren hieronder). Afhankelijk van de windsnelheid leidt dit
tot mist of tot dauwvorming. Is de temperatuur van de bodem of van een wegdek
dan al beneden het dauwpunt, dan zal het teveel aan vocht veelal neerslaan als
dauw. Het optreden van mist of dauw heeft echter een sterk remmende invloed op
de afkoeling; bij condensatie van waterdamp komt namelijk veel warmte vrij, wat
verdere afkoeling van de lucht tegen gaat. Is er iets wind, dan zal die ervoor
zorgen dat de lucht in de onderste meters gemengd wordt, waardoor de mist zich
gemakkelijk in de hoogte uitbreidt. Is het windstil, dan gebeurt dat niet.
|
Grondmist, ontstaan na nachtelijke afkoeling.
De rol van de wind is echter wat gecompliceerder dan tot nog toe werd beschreven.
4.5
De rol van bewolking
Naast de wind speelt ook de bewolking een
grote rol bij de nachtelijke afkoeling. In wolken zitten waterdruppeltjes en ijskristallen.
Het water in die wolken, zowel in vaste als in vloeibare vorm, absorbeert vrijwel
alle straling die door het aardoppervlak wordt uitgezonden. Afhankelijk van de
temperatuur van de wolken, - en dus van de hoogte waarop ze zich bevinden, - zal
de bewolking een groot deel van de straling weer terugstralen naar het aardoppervlak.
Dit verklaart het verschil in temperatuur na een heldere en na een bewolkte nacht.
In een heldere nacht kan de aardse straling ongehinderd naar de wereldruimte verdwijnen,
waardoor sterke afkoeling optreedt. Is het daarentegen bewolkt, dan wordt die
straling onderschept en in meerdere of minderde mate teruggestraald. Daarbij moet
nog in rekening gebracht worden dat de atmosfeer zelf ook warmte uitstraalt, gedeeltelijk
ook naar het aardoppervlak toe.
Ook kan het zijn dat nog een gedeelte van
de straling die het aardoppervlak bereikt, gereflecteerd wordt. Dat hangt sterk
van de aard van het oppervlak af. De hoeveelheid door de aarde uitgezonden straling
is ongeveer even groot als de door de atmosfeer naar het aardoppervlak gezonden
hoeveelheid straling. De straling uitgezonden door de wolken ligt in de orde van
een tiental procenten van deze waarden. Wolken spelen dan ook een grote rol bij
de nachtelijke afkoeling. Of er uiteindelijk meer energie uitgestraald wordt door
het aardoppervlak dan er ontvangen wordt, hangt sterk van de bewolking af. Een
geringe hoeveelheid bewolking is al voldoende om de balans te laten doorslaan
naar een situatie waarbij het aardoppervlak meer straling ontvangt dan kwijt raakt,
waarbij de nachtelijke afkoeling sterk vermindert of stopt. Een voorbeeld van
een gedurende de nacht oplopende temperatuur bij het binnendringen van bewolking
geeft de figuur hiernaast.
Het zal duidelijk zijn dat hierbij ook de wind
weer een rol speelt; die bepaalt mede of er net meer warmte wordt toegevoerd of
wordt afgevoerd. Verder speelt de terreininvloed ook weer mee. Het geheel is dus
een tamelijk ingewikkeld en vooral subtiel proces. Kleine veranderingen of verschillen
hebben grote invloed. Dat blijkt ook uit vergelijking van plaatsen waar mist en/of
gladheid ontstaat. Er treden vaak grote verschillen op over kleine afstanden.
Weerwaarnemingen Hoogeveen, Drenthe.
Tussen 22 en 23 uur raakt het bewolkt en komt de nachtelijke afkoeling
tot stilstand, waarna de temperatuur weer oploopt. Klik op de figuur voor
een vergroting.
|
|
Zonder bewolking (rechts) verdwijnt
de door de aarde uitgezonde straling naar de wereldruimte. Met bewolking
ontvangt het aardoppervlak zogeheten 'tegenstraling', door de bewolking
naar beneden uitgezonden warmtestraling. Daardoor koelt het aardoppervlak
bij aanwezigheid van bewolking minder af. (groter)
|
4.6 Gladheidssituaties door straling
In veel gevallen is de lucht droog genoeg om geen problemen met mist of gladheid
te veroorzaken gedurende winteravonden en stralingsnachten. Uit onderzoek bleek
echter dat gladheid en stralingsmist veelal optreden als er een westelijke of
noordelijke luchtcirculatie boven Nederland en omgeving staat. In dergelijke circulaties
wordt er lucht via de Noordzee aangevoerd. Deze lucht is in de onderste lagen
erg vochtig. Is het onder dergelijke omstandigheden gedurende de avond en nacht
helder en valt als gevolg van de zogenoemde dagelijkse gang van de windsnelheid
tevens de wind weg, dan vindt sterke afkoeling door uitstraling plaats. De lucht
koelt af tot het dauwpunt. Het dauwpunt is die temperatuur waarbij waterdamp begint
te condenseren door afkoeling van de lucht zonder dat er vocht wordt toegevoerd
of afgevoerd (zie verder hoofdstuk 6). Er ontstaat,
afhankelijk van de windsnelheid, mist of dauw. Vaak ook zal een wegdek sterker
afkoelen, tot onder het dauwpunt, waardoor het vocht op het wegdek neerslaat.
Verdere afkoeling tot temperaturen rond of onder het vriespunt kan in dit soort
situaties leiden tot gladheid, al of niet in combinatie met mist. Lokale effecten
spelen hierbij wel een heel grote rol. Er treden daardoor in die situaties altijd
aanzienlijke verschillen op tussen de ene plaats en de andere.
4.7
Temperatuur
In het voorgaande is het begrip 'temperatuur' vele
malen genoemd. In deze paragraaf lichten we de verschillende temperaturen die
in de meteorologie gebruikt worden nader toe.
De meest voorkomende temperatuur
is de 'luchttemperatuur'. Deze wordt gemeten op en hoogte van 1,5 m boven het
aardoppervlak. De meetopstelling (zie figuur) is zodanig dat stralingseffecten
de temperatuurmeting niet kunnen beïnvloeden. Er mag geen direct zonlicht
op de temperatuursensor vallen om te voorkomen dat de thermometer te hoge waarden
aanwijst. Ook mag de thermometer zelf niet uitstralen en daardoor te lage waarden
aangeven. Verder wordt de meetopstelling goed geventileerd, zodat de sensor zo
indringend mogelijk in aanraking is met de lucht waarvan we de temperatuur willen
weten.
De luchttemperatuur vertoont een dagelijkse gang; in het volgende hoofdstuk
gaan we daar verder op in. Nu volstaan we met op te merken dat de temperatuur
in de middag haar hoogste waarde bereikt: de maximumtemperatuur en kort na zonsopkomst
de laagste: de minimumtemperatuur.
Het vermelden van de waarnemingshoogte
bij de meetprocedure voor de luchttemperatuur is belangrijk. Dichter bij het aardoppervlak
is de invloed van in- en uitgaande straling groter. De temperatuur heeft er daardoor
een grotere dagelijkse gang, vooral bij helder weer. In de middag is het dichter
bij de grond warmer, rond zonsopkomst kouder dan op 1,5m. Vooral die lage temperaturen
zijn belangrijk voor bijvoorbeeld de landbouw; daarom wordt er ook op 10 cm hoogte
gemeten en per tijdvak van 6 uur wordt de laagste in die periode gemeten waarde
bepaald: de grasminimumtemperatuur.
Wegbeheerders en weggebruikers zijn vaak
geïnteresseerd in de temperatuur van het wegdek; als deze onder nul is en
het wegdek bovendien nat is of er neerslag verwacht wordt, kan gladheid optreden.
's Zomers wordt in de weerberichten vaak de zeewatertemperatuur opgenomen.
Omdat de doelgroep uit badgasten bestaat wordt de temperatuur opgegeven van het
Noordzeewater vlak onder de kust. Verder uit de kust heeft het zeewater gewoonlijk
een andere temperatuur (zie figuur wat verder naar boven rechts).
Belangrijk
is ook de gevoelstemperatuur. Deze temperatuur geeft beter aan dan de gewone luchttemperatuur
of we het warm of koud vinden. Als er wind staat bijvoorbeeld, voelt het bij lage
temperaturen nog veel kouder aan. Als het heet is, voelt het in vochtige lucht
benauwder aan dan in droge lucht. De gevoelstemperatuur geeft een waarde voor
de temperatuur die rekening houdt met windsnelheid en luchtvochtigheid. Als de
luchttemperatuur laag is en er veel wind staat, is de gevoelstemperatuur dan ook
lager dan de luchttemperatuur; als het warm is en vochtig, is de gevoelstemperatuur
hoger dan de luchttemperatuur.
4.8 De stad als
'warmte-eiland'
De luchttemperaturen die worden vermeld in weerrapporten
en weerberichten, worden gemeten op meteorologische waarnemingsstations in min
of meer landelijk gebied. Daardoor zijn ze onderling goed te vergelijken; vaak
zijn ze echter niet representatief voor temperaturen die binnen de bebouwde kom
optreden. Vooral in grote steden kunnen de verschillen aanzienlijk zijn. Het steen
en het beton van de bebouwing houdt overdag ontvangen zonnewarmte lang vast, zodat
het 's nachts maar langzaam afkoelt. Daarnaast wordt er in stedelijke gebieden
veel warmte geproduceerd, die naar buiten toe weglekt en temperatuurdaling 's
nachts tegengaat. Men zegt wel dat de stad fungeert als warmte-eiland (zie figuur
hieronder).
| |
|
De stad als
warmte-eiland. In het centrum is het een stuk warmer dan in de omgeving buiten de stad. De getallen hebben betrekking op een hete zomerdag. |
4.9. Stralingsbalans
Het stelsel
aarde-atmosfeer wordt door de eeuwen heen gemiddeld genomen niet warmer of kouder.
De temperatuur schommelt maar ongeveer 0,5 graad C. Er moet dus evenveel energie
door de aarde worden uitgestraald als ze van de zon ontvangt.
Verscheidene
onderzoekers hebben een zogeheten stralingsbalans opgesteld, waarin ze uitgerekend
hebben, dat de inkomende straling met de uitgaande in evenwicht is.
Het wordt echter steeds duidelijker, dat de toevoer van gassen, zoals CO2 en van andere verontreinigingen in de dampkring, die tengevolge van menselijke activiteiten ontstaat, dit evenwicht ernstig kan verstoren. Dat leidt tot het versterkt broeikaseffct en aanwarming van de aardse atmosfeer.
Van
de binnenkomende zonnestraling bereikt iets minder dan de helft het aardoppervlak.
|
Het aardoppervlak raakt die warmte
weer kwijt door verdamping, convectie (thermiek) en uitstraling.
|