Transcriptie
1 SUMMER IN THE CITY WEERSVERSCHIJNSELEN EN LUCHTKWALITEIT IN DE STAD NLT MODULE VOOR HET VWO
2 De module Summer in the city weersverschijnselen en luchtkwaliteit in de stad is bestemd voor de lessen Natuur, Leven en Technologie (NLT). De module is op 16 september 2010 gecertificeerd door de Stuurgroep NLT voor gebruik op het vwo in domein C (Aarde). Het certificeringsnummer van de module is X VC. De originele gecertificeerde module is in pdf formaat downloadbaar via nlt.nl. Op deze website staat uitgelegd welke aanpassingen docenten aan de module mogen maken, voor gebruik in de les, zonder daardoor de certificering teniet te doen. Auteurs: Daniel Kunne Wageningen University Rogier Floors Wageningen University Liesbeth Meijer Docente Natuurkunde Gymnasium Apeldoorn Hendrik Jan Wolters Docent Aardrijkskunde Gymnasium Apeldoorn Hoofdredacteur: Jeroen Sijbers NLT steunpunt Wageningen University Wetenschappelijk Expert: Arnold Moene Leerstoelgroep Meteorologie en Luchtkwaliteit van Wageningen University Met medewerking van: Janneke Elberse Wageningen University Simon Hageman Wageningen University Guido Linssen NLT steunpunt Wageningen University Mia Drummen Taalkundig adviseur Andries de Vries Wageningen University Lisette Klok TNO Bouw en Ondergrond afdeling Urbane Leefomgeving Theo Brandsma KNMI Aangepaste versies van deze module mogen alleen verspreid worden, indien in dit colofon vermeld wordt dat het een aangepaste versie betreft, onder vermelding van de naam van de auteur van de wijzigingen. De digitale bronnen die leerlingen nodig hebben bij deze module zijn beschikbaar via het vaklokaal NLT: nlt.nl/ Versie Het auteursrecht op de module berust bij Wageningen University. Wageningen University is derhalve de rechthebbende zoals bedoeld in de hieronder vermelde creative commons licentie. De auteurs hebben bij de ontwikkeling van de module gebruik gemaakt van materiaal van derden en daarvoor toestemming verkregen. Bij het achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, enz. is de grootst mogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instanties zijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties, enz. van een module, dan worden zij verzocht zich in verbinding te stellen met Wageningen University. De module is met zorg samengesteld en getest. Wageningen University, Landelijk Ontwikkelpunt NLT, Stuurgroep NLT, SLO en auteurs aanvaarden geen enkele aansprakelijkheid voor onjuistheden en/of onvolledigheden in de module. Ook aanvaarden Wageningen University, Landelijk Ontwikkelpunt NLT, Stuurgroep NLT, SLO en auteurs geen enkele aansprakelijkheid voor enige schade, voortkomend uit (het gebruik van) deze module. Voor deze module geldt een Creative Commons Naamsvermelding Niet commercieel Gelijk delen 3.0 Nederland Licentie nc sa/3.0/nl
3 Inhoudsopgave 1 Inleiding In deze module Een zinderende wereldreis Deel I Straling & Energie Landgebruik Metingen Stralingsbalans Straling van de zon Emissie en absorptie van straling Zwarte stralers Zonnestraling in de atmosfeer Kortgolvige stralingsbalans Langgolvige stralingsbalans Stralingsbalans aan het oppervlak Warmtetransport en de energiebalans Energiebalans van het aardoppervlak Stofeigenschappen Soortelijke warmte Warmtegeleiding Verdampingswarmte Voelbare warmtestroom (H) Latente warmtestroom (L v E) Bodem warmtestroom (G) Bowen verhouding Uiteindelijke energiebalans Practicum Intermezzo, interview met Gerrit Hiemstra Deel II Klimaat in de stad Temperatuur in de stad Straling en energie in de stad Kortgolvige straling Langgolvige straling De energiebalans Windsnelheid en wrijving Relatieve luchtvochtigheid Gevoelstemperatuur Koudestress Hittestress Practicum Computerpracticum Intermezzo, interview met Bart van den Hurk Deel III Luchtkwaliteit in de stad Toestand van de atmosfeer Effecten van natuurlijke stoffen in de atmosfeer Het broeikaseffect Stratosferisch ozon Effecten veroorzaakt door de mens Emissies door de mens Afbraak van stratosferisch ozon door CFK s... 70
4 4.3.3 Vorming van troposferisch ozon Fijnstof problematiek Smogvorming Transport en verblijftijd Transport in de atmosfeer Verblijftijd van stoffen in de atmosfeer Slot Computerpracticum Slotopdracht: de ideale stad Intermezzo, interview met Sanda Lenzholzer Begrippenlijst... 87
5 1 Inleiding 1.1 In deze module Hot town, summer in the city zijn de openingsregels van een Amerikaans lied dat in 1966 een hit was. In het tweede couplet wordt gezongen Cool town, evening in the city. Maar wordt het s avonds inderdaad wel zo koel in de stad? Jullie gaan het onderzoeken in deze module. Je gaat op wereldreis langs vier grote steden: Rotterdam, Singapore, Santiago en Stockholm. In iedere stad leer je een ander aspect van het stadsklimaat kennen. En je gaat na hoe het komt dat het stadsklimaat in deze vier steden zo verschillend is. Je maakt kennis met belangrijke basisbegrippen uit de meteorologie zoals stralings en energiebalans, relatieve luchtvochtigheid en gevoelstemperatuur. Ook problemen met de luchtkwaliteit in de stad, waaronder smogvorming, komen aan de orde. Meteorologische fenomenen kun je ook in het klaslokaal onderzoeken: dat zul je zien in twee practica. Verder ga je in computeropdrachten het effect van de stad op klimaatverandering bekijken en ga je de luchtkwaliteit bij een schoorsteen analyseren. Aan het eind van de module zet je in de slotopdracht de kennis die je hebt opgedaan over het stadsklimaat om in concrete maatregelen voor een aangename summer in the city. Naast de theorie en de practica zijn er als intermezzo s interviews opgenomen met mensen die dagelijks te maken hebben met de lesstof uit deze module. Op deze manier krijg je een idee van wat je hier later mee zou kunnen doen. Vereiste voorkennis: Scheikunde: schrijfwijze elementen en rekenen met concentraties Natuurkunde: basiskennis van straling, energie en optica. Wiskunde: basiskennis van logaritmische en exponentiële functies. Indeling Deze module bestaat uit drie delen met theorie, opdrachten en practica. Je docent zal de tijdsindeling en de eventuele groepsindeling voor de opdrachten en practica aangeven. De module wordt afgesloten met een schriftelijke toets. Leerdoelen Deel I Je kunt uitleggen wat het begrip Urban Heat Island betekent; Je kent de elementen in de stralingsbalans en in de energiebalans; Je weet waarvan de elementen in deze balansen afhankelijk zijn; Je kunt uitleggen wat voor invloed het landgebruik heeft op de stralings en energiebalans. Deel II Je kent de begrippen microklimaat en gevoelstemperatuur en de 4 factoren die hiervoor verantwoordelijk zijn; Je kunt uitleggen wat de invloed van de stadsstructuur op de stralings en energiebalans is; Je kunt uitleggen wat het windprofiel is en welke eigenschappen van het aardoppervlak hiervoor belangrijk zijn; Je kunt rekenen met de hoeveelheid vocht in de lucht; Je weet welke factoren belangrijk zijn voor een hoge en voor een lage gevoelstemperatuur. Deel III Je kent de verticale structuur van de atmosfeer; Je kunt uitleggen wat het (natuurlijk) broeikaseffect inhoudt Je kunt het belang van de ozonlaag uitleggen Summer in the City, augustus
6 Je kunt uitleggen hoe fijnstof en ozon in de stad ontstaan en welke invloed ze hebben op de mens; Je kunt van de twee soorten smog beschrijven wat voor eigenschappen ze hebben en hoe ze ontstaan; Je kent de invloed van atmosferische (in)stabiliteit op luchtvervuiling. Summer in the City, oktober
7 1.2 Een zinderende wereldreis Hoi allemaal, Goed om jullie te zien! Mijn naam is Peter Haarschop, geboren in Rotterdam, vlakbij de Euromast. Ik heb het er altijd erg naar mijn zin gehad. Een schitterende stad met een bruisend stadsleven en alle voorzieningen die je maar wenst. Tegenwoordig studeer ik meteorologie. Ik zal jullie in deze module met veel plezier meenemen naar mijn stad Rotterdam. We beginnen onze wereldreis dicht bij huis, in Rotterdam. Rotterdam is in de afgelopen eeuw explosief gegroeid. De werkgelegenheid in de haven en in de overige industrie trok veel mensen naar deze stad. Voor al deze mensen moesten heel veel woningen en winkels, cafeetjes, restaurants en andere uitgaansgelegenheden gebouwd worden. Momenteel is Rotterdam een moderne stad waar meer dan mensen wonen. Peter Haarschop studeert aan de universiteit van Wageningen. Hij hoorde dat er een project over het klimaat in de stad werd opgezet in zijn geboorteplaats Rotterdam. Enthousiast meldde hij zich aan om mee te helpen. Een paar maanden later, op een mooie zomerdag, reed hij op een fiets kriskras door Rotterdam. Op die fiets zaten allerlei meetinstrumenten, zoals een thermometer, een stralingsmeter, een windsnelheidsmeter en een luchtvochtigheidsmeter. Alle gemeten gegevens werden achteraf geanalyseerd. Wat bleek uit dit onderzoek? In het centrum van Rotterdam was het een stuk warmer dan aan de rand van de stad. Dit verschijnsel, waarbij de stad warmer wordt dan het platteland eromheen noemen we het Urban Heat Island effect. Het woord zegt het al: de stad is als een eiland, een hitte eiland, waar het warmer is dan in de omgeving. Zo'n Urban Heat Island kan problematisch worden, als de temperaturen daardoor te hoog oplopen: dit kan tot hogere sterfte leiden, met name onder ouderen. Zo zijn er in de zomer van 2006 in Nederland zeker 1000 mensen overleden aan de gevolgen van een hittegolf ( Op andere plaatsen op de wereld, waar de temperaturen vaker hoog zijn dan in Rotterdam, spreekt men dan ook met recht van een Urban Heat Island probleem. Bijvoorbeeld in Singapore, waar Peters vriend Siao Lee woont. Hij studeert environmental engineering aan de technische universiteit van Singapore. Figuur 1.1 Het centrum van Singapore. Summer in the City, oktober
8 Selamatsiang! Singapore is een fantastische stad om in te wonen. Downtown heb je fantastische kroegen en disco s. Het hectische leven in zo n grote stad spreekt me erg aan. Om te ontspannen en af te koelen ga ik soms naar de boulevard of het park om te genieten van het water en de natuur. Daar is het altijd een stuk koeler dan in het zakencentrum waar ik woon. Tot snel! Siao Singapore is het kleinste land van Zuid Oost Azië, maar er wonen wel bijna 5 miljoen mensen. Doordat er zo weinig ruimte is voor al deze mensen, is Singapore de lucht in gegaan. Enorme wolkenkrabbers bepalen het straatbeeld. Het is een rijke stad, die veel jonge mensen trekt, op zoek naar succes en het grote geld. Maar... het kan er wel verschrikkelijk warm zijn! Hitte is niet het enige probleem van dichtbevolkte steden. Ook smog is in veel grote steden een ernstig probleem: donkere wolken van vervuiling die in de stad hangen en die een verstikkend effect hebben op de inwoners. Bijvoorbeeld in Santiago, de hoofdstad van het Zuid Amerikaanse land Chili. Santiago is een metropool aan de voet van het Andesgebergte. Er wonen ongeveer 7 miljoen mensen. Maria Valdez woont er al haar hele leven en ze is absoluut niet van plan om er ooit definitief weg te gaan, hoe vervelend de smog ook is. Toen ze voor haar stage in Wageningen was, waar ze Peter ontmoette, verlangde ze al snel terug naar haar geboortestad. Hola! Hou je van de Zuid Amerikaanse cultuur, zang en dans midden op straat? Of hou je meer van bergbeklimmen in het Andesgebergte? Het kan allemaal hier en daarom vind ik Santiago zo n leuke stad. We hebben hier alleen heel vaak problemen met de luchtkwaliteit, dus vergeet je mondkapje niet! Adios, xx Maria Rotterdam, Singapore, Santiago: drie grote steden waar problemen met het stadsklimaat voorkomen. De meeste bewoners zijn blij met hun stad, ook al hebben ze last van de hitte en de smog. Hebben álle grote steden die problemen? Laten we eens kijken naar een stad in het noorden: Stockholm, de hoofdstad van Zweden. Daar woont Anna Pærson, de Zweedse vriendin van Peter. Summer in the City, oktober
9 God dag! Ik woon in Stockholm en ik heb Peter leren kennen toen hij een half jaar vakken heeft gedaan op onze universiteit. Stockholm heeft een mooie oude binnenstad waar je heerlijk door de straten kunt slenteren en álle winkeltjes af kunt gaan, maar we hebben ook veel parken en water. Als jullie langskomen, gaan we zeker een keertje door de stad varen! Kus! Anna Stockholm is de grootste stad van Zweden. Er wonen bijna 2 miljoen mensen. De stad is gebouwd op veertien eilanden, die via bruggen met elkaar verbonden zijn. Er is dus veel water midden in de stad en men kan zich in de stad per boot verplaatsen. Stockholm wordt daarom wel het Venetië van het Noorden genoemd. In Stockholm wordt het stadsklimaat veel minder beïnvloed door het Urban Heat Island effect en er is veel minder smogvorming. Komt dit door het vele water in de stad? Of is er een andere reden? We beginnen, in deel I, bij Peter in Rotterdam en kijken naar het verschil in temperatuur tussen stad en platteland. Waar komt dit verschil vandaan? De locatie op aarde, de tijd van het jaar en het landgebruik blijken essentiële factoren te zijn bij het ontstaan van het temperatuurverschil tussen stad en platteland. We zullen zien dat dit te maken heeft met de stralingsbalans en de energiebalans. Daarna pakken we het vliegtuig naar Azië en logeren we een tijdje bij Siao in Singapore. Het stadsklimaat (ook wel microklimaat genoemd) van Singapore wordt bepaald door tal van factoren, bijvoorbeeld wind, straling, temperatuur en luchtvochtigheid. Deze factoren hebben ook invloed op de gevoelstemperatuur. Hoe het klimaat van de stad eruitziet en hoe we de gevoelstemperatuur kunnen bepalen zullen we bekijken in deel II. In deel III gaan we naar de andere kant van de wereld, naar Chili. We gaan op bezoek bij Maria in Santiago. Haar opa heeft veel last van zijn longen en Maria zelf kan soms ook moeilijk ademen. De smog die vaak boven Santiago hangt is een groot probleem en maakt het leven in deze mooie stad soms erg lastig. Wat is smog precies en hoe ontstaat het? We zullen bekijken welke stoffen van invloed zijn op de luchtkwaliteit in Santiago en hoe ze zich gedragen in de lucht. Uiteindelijk komen we weer terug in Europa. We eindigen onze wereldreis bij Anna in Stockholm. Hier zullen we zien dat een grote stad niet per se problemen hoeft te hebben met het stadsklimaat. Anna hoorde via Peter dat de overheid in Nederland de steden wil aanpassen aan de verwachte warme zomers van het klimaat rond Anna wil graag laten zien dat Stockholm de ideale stad is! Ze daagt jullie uit om zelf aan de slag te gaan en zelf met oplossingen te komen. Dit ga je doen door middel van een debat tussen vier groepen uit de maatschappij, met als uitkomst een plan voor de ideale summer in the city. Opdracht 1. Zoek van alle vier de steden op waar ze op de wereld liggen (hun breedte en lengtegraad), en wat voor klimaat er heerst. Probeer er ook achter te komen hoeveel neerslag er valt in deze steden en wat de gemiddelde dagtemperaturen in de zomer en in de winter zijn. Summer in the City, oktober
10 2 Deel I Straling & Energie In dit eerste deel van de module gaan we op bezoek bij Peter. Zoals gezegd, is hij in het kader van zijn studie in Wageningen betrokken geraakt bij een project dat zich richt op het Urban Heat Island effect in Rotterdam, zijn geboorteplaats. We zullen zien dat het verschil in landgebruik tussen stad en platteland de directe oorzaak is van het ontstaan van het Urban Heat Island effect. Hoe komt dit? Verschillen in ondergrond, vegetatie en bebouwing hebben invloed op de stralingsbalans en de energiebalans. Het gevolg is dat de temperatuur in de stad hoger is dan in het gebied eromheen: Urban Heat Island. En waarom is dit effect in de ene stad veel sterker dan in de andere? We zullen zien dat dit te maken heeft met de ligging van de betreffende steden op aarde. Ook dat is te verklaren door de stralings en energiebalans te bestuderen. 2.1 Landgebruik Een belangrijk verschil tussen stad en platteland is het landgebruik. Met landgebruik bedoelen we de functie die een stuk land heeft: denk aan landbouwgrond (er worden bijv. aardappels op verbouwd) of natuurgebied (bijv. een bos). Ook het stedelijk gebied is een aparte categorie van landgebruik. Een stuk land hoeft niet voor altijd dezelfde functie te hebben. Zo is bijvoorbeeld de omvang van het stedelijk gebied in Nederland flink toegenomen naarmate de bevolking groeide. Dit kunnen we goed zien in figuur 2.1, waar het landgebruik in Nederland in 1900 en in 2000 is weergegeven. grasland akker en kale grond heide en hoogveen loofbos naaldbos bebouwing en wegen water rietmoeras zandgebied overig Opdracht 2. Figuur 2.1 Landgebruikkaart van Nederland. Links: 1900; rechts: 2000 Vergelijk de kaartjes in figuur 2.1. Welke vorm van landgebruik is het meest toegenomen tussen 1900 en 2000? En welke vorm(en) van landgebruik zijn het meest afgenomen? Veel van de natuurlijke ondergrond is in de stad veranderd in beton, asfalt en tegels. Een andere ondergrond betekent andere eigenschappen. Zo is het je vast wel eens opgevallen dat het asfalt van de weg in de zomer een stuk heter wordt dan het gras in het weiland ernaast. Regenwater dat op de grond valt, verdwijnt minder vlot de bodem in op een verharde ondergrond dan op een omgeploegde akker. Stel dat we heel Nederland zouden bedekken met huizen, wegen en parkeerplaatsen, hoeveel warmer zou het dan op een mooie zonnige dag worden? En waar moet het regenwater dan naar toe? Summer in the City, oktober
11 2.2 Metingen Over de hele wereld doen meteorologische instituten metingen. Voor deze metingen hebben ze speciaal ingerichte meetvelden, die buiten de stad liggen. Ook zijn er weeramateurs die met een klein meetstation nauwkeurig de temperatuur, luchtvochtigheid en windsnelheid bijhouden. Voor metingen binnen de stad laten weeronderzoekers mensen via een bepaalde route door de stad fietsen op een bakfiets met allerlei meetapparatuur erop, zoals ook Peter heeft gedaan. Uit al die waarnemingen is gebleken dat het in steden een stuk warmer is dan in het buitengebied. Tijdens rustig en windstil weer kan s nachts de temperatuur in de stad tot wel 5 C hoger zijn dan daarbuiten. Overdag is het verschil minder groot, maar kan het in de stad toch nog een paar graden warmer zijn. Ook binnen de stad zijn er verschillen. Zo is het in het stadscentrum het warmst en wordt het koeler naarmate je in de buitenwijken komt (waar vaak meer parken zijn en de huizen verder van elkaar staan). Figuur 2.3 is een schematische weergave van het temperatuurverloop dat je meet wanneer je van het platteland door een stad heen gaat en aan de andere kant weer op het platteland terechtkomt. Figuur 2.2 Meetstation van een weeramateur in de stad (KNMI) Figuur 2.3 Voorbeeld van temperatuurverloop in een stad 2.3 Stralingsbalans We hebben nu kennisgemaakt met het Urban Heat Island effect. We gaan nu op zoek naar een verklaring voor dit verschijnsel. In dat kader onderzoeken we de stralingsbalans op lokaal niveau: hoe zit deze stralingsbalans in elkaar en welke factoren spelen een rol bij deze balans? We beginnen met straling in het algemeen. De zon zendt straling uit, waarvan een gedeelte het aardoppervlak bereikt. Maar ook de aarde en de atmosfeer zenden straling uit. Wat gebeurt er met de uitgezonden straling? En waarom is die zo belangrijk voor ons? Straling van de zon De zon zendt drie soorten straling uit die invloed hebben op klimaat en weer: Zichtbaar licht: de regenboog geeft aan uit welke kleuren het zonlicht bestaat. Summer in the City, oktober
12 Infraroodstraling (IR): dit is warmtestraling. Onze ogen zijn niet gevoelig voor deze vorm van straling maar we hebben een ander zintuig waarmee we deze straling kunnen voelen. Ultravioletstraling (UV): dit is straling waarvoor we geen zintuigen hebben. De straling richt schade aan. Het menselijk lichaam gebruikt pigment om de straling op te vangen en onschadelijk te maken. Daarom worden we bruin als we in de zon zitten. Naast deze vormen van straling zendt de zon nog andere vormen van straling uit maar die spelen in deze module geen rol van betekenis. Al deze vormen van straling maken deel uit van het elektromagnetische spectrum waarvan de eigenschappen in de 19 e eeuw zijn ontrafeld. Elektromagnetische straling zoals licht, IR en UV planten zich met grote snelheid (c = 3,0*10 5 km/s) in een golvende beweging voort. De golven transporteren energie. Het is deze stralingsenergie die de verschillende weersverschijnselen veroorzaakt waarover deze module gaat. In onderstaande figuur is het elektromagnetische spectrum gegeven. Figuur 2.4 Het spectrum van zichtbaar licht is een onderdeel van het totale elektromagnetische spectrum Emissie en absorptie van straling. De zon is dus een bron van stralingsenergie. Maar dat geldt voor veel meer objecten. Denk maar eens aan een zomerse situatie in de stad als de zon is ondergegaan en je naast een muur staat. De muur straalt warmte uit die je kunt voelen. Hetzelfde geldt voor het asfalt. Er is hier sprake van emissie. Het gaat hier om een heel algemeen verschijnsel. Bij elk voorwerp met een temperatuur hoger dan 0 Kelvin vindt stralingsemissie plaats. Dat de voorwerpen om je heen door het uitzenden van stralingsenergie naar de omgeving niet afkoelen komt omdat uit de omgeving ook weer stralingsenergie naar de voorwerpen gaat. Als straling op een object valt kunnen er drie dingen gebeuren: 1. Een deel van de straling gaat door het object heen (transmissie). Deze fractie wordt aangegeven met t (als getal tussen 0 en 1). 2. Een deel van de straling wordt weerkaatst door het object (reflectie). Deze fractie wordt aangegeven met r (als getal tussen 0 en 1). Summer in the City, oktober
13 3. Een deel van de straling wordt opgenomen door het object (absorptie). Deze fractie wordt aangegeven met a (als getal tussen 0 en 1). De geabsorbeerde straling kan eventueel daarna weer worden uitgezonden (volgens de stralingswetten van Wien en Stefan Boltzmann). De hoeveelheid straling die binnenkomt, wordt op 1 gesteld. Dit betekent dat de som van t, r en a ook altijd gelijk aan één moet zijn. Hoe de verhoudingen zijn tussen de drie fracties is afhankelijk van de eigenschappen van het object waarop de straling valt. 1 = t + r + a Als de absorptie van stralingsenergie even groot is als de emissie van stralingsenergie, is er sprake van een stralingsevenwicht. De temperatuur van het voorwerp blijft dan gelijk Zwarte stralers Een wit voorwerp is wit omdat het alle golflengtes van opvallend wit licht goed reflecteert. Een voorwerp dat geen enkele kleur goed reflecteert ziet er dan ook zwart uit. Een voorwerp dat alle opvallende straling absorbeert, wordt een zwart lichaam of een zwarte straler genoemd. Het is zelfs zo dat er geen betere stralers zijn dan zwarte stralers, omdat alle geabsorbeerde stralingsenergie weer moet worden afgestaan via stralingsemissie vanwege het stralingsevenwicht. Een zwarte straler is een ideaaltype. In werkelijkheid zal een lichaam alleen bij benadering op een zwarte straler kunnen lijken. De zon gedraagt zich in hoge mate als een zwarte straler. De straling die de zon uitzendt en die wordt uitgezonden door de buitenste schil van de zon lijkt sterk op die van een zwarte straler van ongeveer 6000 K. De hoeveelheid straling die een zwarte straler per seconde uitzendt (P in J/s), wordt berekend met de stralingswet van Stefan Boltzman. Stralingswet van Stefan Boltzmann: P = A * σ * T 4 (1) met P : vermogen [W] A: oppervlak van het stralende lichaam [m 2 ]. σ: constante van Stephan Boltzman: 5,67 * 10 8 [W / (m 2 * K 4 )] T: Temperatuur [K] De straling die een object uitzendt is verdeeld over het gehele spectrum, maar de hoeveelheid straling van één bepaalde golflengte hangt af van de temperatuur van de straler. De wet van Planck geeft aan op welke manier een zwarte straler de uitgezonden energie verdeelt over verschillende golflengtes en hoe dit afhangt van de temperatuur (in Kelvin). Door deze energieverdeling ontstaan de Planckkrommen. Enkele Planckkrommen zijn weergegeven in figuur 2.5. Summer in the City, oktober
14 Figuur 2.5 Planckkrommen van verschillende temperaturen. De Planckkrommen laten ook zien bij welke golflengte de maximale intensiteit optreedt (λ max ). Een object met een temperatuur van 4000 K zendt vooral licht uit met een golflengte van 700 nm (zie figuur 2.5). Dit komt overeen met rood licht. Hoe warmer het object, hoe korter de golflengte met de maximale intensiteit. Ook neemt de intensiteit van alle golflengtes toe als het object een hogere temperatuur heeft. Wilhelm Wien heeft aangetoond dat de golflengte waarbij de straling het sterkst is, λ max, omgekeerd evenredig is met de temperatuur van de zwarte straler. Verschuivingwet van Wien: λ max * T = k w (2) met λ max : de golflengte met maximale intensiteit [m] T: temperatuur van de zwarte straler [K] kw: de constante van Wien: 2,90 * 10 3 [m * K] Als de temperatuur van een object bekend is, kan door middel van de verschuivingswet van Wien worden berekend bij welke golflengte de meeste straling wordt uitgezonden. Als deze golflengte lang is (rond λ max = nm) heet deze langgolvige straling. De straling bevat in dit geval weinig energie. De aarde is een voorbeeld van een object dat langgolvige straling uitzendt. Als deze golflengte laag is (rond λ max = 500 nm) heet deze kortgolvige straling. Deze kortgolvige straling bevat veel energie. De zon is een voorbeeld van een object dat kortgolvige straling uitzendt. De grens tussen langgolvige en kortgolvige straling ligt bij een golflengte van 3000 nm. De scheiding tussen kort en langgolvige straling is gebaseerd op het verschil tussen de zon als stralingsbron en de aarde als stralingsbron. Summer in the City, oktober
15 Opdracht 3. Geef een schatting van de t (transmissie), r (reflectie) en a (absorptie) in onderstaande situaties. Situatie t r a Zonlicht valt op een grasveld Zonlicht valt op een ruit Rood licht valt op een rood dak Groen licht valt op een blauwe auto Wit licht valt op een volmaakt zwart lichaam Opdracht 4. Het licht van de zon bestaat uit alle kleuren van de regenboog. Welke kleuren zijn dit? Waarom noemen we de zon dan toch een zwarte straler? Opdracht 5. a. Bereken voor zowel de zon als de aarde het stralingsvermogen via de wet van Stefan Boltzmann. Neem aan dat de gemiddelde temperatuur van de zon 5796K is, en dat die van de aarde gemiddeld 288K is. b. Bepaal met behulp van de Planckkrommen in welke golflengte de zon en de aarde het meeste licht uitzenden. Ga na of dit klopt met de wet van Wien. c. Laat via een berekening zien hoeveel energie van de zon de gehele aarde bereikt (=bovenkant van de atmosfeer, bereken ook de zonneconstante!). Denk er hierbij aan dat de energie die de zon aanstraalt over een steeds groter boloppervlak wordt verdeeld. Summer in the City, oktober
16 2.3.4 Zonnestraling in de atmosfeer De intensiteit van de instraling van de zon aan de bovenkant van de atmosfeer wordt de zonneconstante genoemd. De hoeveelheid straling die daadwerkelijk het aardoppervlak bereikt, is afhankelijk van de toestand van de atmosfeer en de zonshoogte, ofwel de hoek die de zonnestralen met het aardoppervlak maken. De zonshoogte is afhankelijk van het tijdstip van de dag, de dag van het jaar en de locatie op aarde. Wat betreft de locatie op aarde wordt de zonshoogte bepaald door de breedtegraad. Rotterdam, Stockholm, Singapore en Santiago liggen op verschillende breedtegraden en de hoeveelheid straling die ze ontvangen is daardoor verschillend. Figuur 2.6 De hoek die de zonnestraling met het aardoppervlak maakt verschilt per breedtegraad Wanneer de zon recht boven Singapore staat, waardoor de zonnestralen daar invallen onder een hoek van 90 0, maken de zonnestralen in Stockholm juist een kleine hoek met het aardoppervlak (zie figuur 2.6). De hoeveelheid zonnestraling die het aardoppervlak in onze steden bereikt is niet alleen afhankelijk van de locatie van deze steden. De aanwezigheid van een atmosfeer en wolken heeft ook effect op de inkomende zonnestraling. Van de kortgolvige zonnestraling die de atmosfeer binnenkomt, bereikt slechts een gedeelte rechtstreeks het aardoppervlak. Dit gedeelte heet de directe straling. Een ander gedeelte van de straling wordt door lucht en stof in de atmosfeer weerkaatst (verstrooid) in alle richtingen. Een deel van deze weerkaatste straling verlaat de atmosfeer. Een ander deel van de weerkaatste straling bereikt alsnog de aarde: dit noemen we de diffuse straling. Een deel van de (weerkaatste) straling wordt geabsorbeerd in de atmosfeer. In figuur 2.7 is schematisch weergegeven wat er gebeurt met de straling die de atmosfeer binnenkomt. Figuur 2.7 Wat gebeurt er met de straling in de atmosfeer? Figuur 2.8 laat zien dat er een groot verschil is tussen de straling die aan de bovenkant van de atmosfeer binnenkomt (TOA) en de hoeveelheid straling die het oppervlak van de aarde bereikt (Totaal). Zelfs op zonnige dagen zijn er veel gassen in de atmosfeer die straling kunnen absorberen. Dit zien we bijvoorbeeld bij de letters B en C. In de grafiek is ook te zien welk deel van de straling op een heldere dag verstrooid wordt en vervolgens de aarde als diffuse straling bereikt. De zonshoogte speelt hier ook een rol: hoe lager de zon aan de horizon staat, des te langer is de weg van de straling door de atmosfeer waardoor er des te meer straling wordt geabsorbeerd resp. Summer in the City, oktober
17 verstrooid. Op geheel bewolkte dagen wordt nagenoeg alle straling weerkaatst en/of geabsorbeerd door de wolken, waardoor alleen diffuse straling binnenkomt op het aardoppervlak zichtbaar TOA Spectrale stralingintensiteit W/m 2 /μm Totaal Direct Diffuus 500 A B C μm Figuur 2.8 Absorptiepatroon van de atmosfeer op een heldere dag voor verschillende golflengtes; uitleg: zie tekst Opdracht 6. De maximale instralinghoek van de zonnestraling op het aardoppervlak midden op de dag hangt af van de breedtegraad en de tijd van het jaar. Vergelijk in de onderstaande tabel de instralinghoek van de zon voor enkele locaties op aarde voor vier dagen in het jaar en vul de lege plekken in. Tabel 2.1 instralinghoek op verschillende plaatsen Datum Rotterdam Stockholm Evenaar Noordpool (52 NB) (59 NB) (0 NB) (90 NB) 21 maart juni september december Opdracht 7. Neem Figuur 2.7 over en schrijf in deze afbeelding op de juiste plaats de volgende begrippen: Verstrooiing Reflectie (2x) Absorptie (2x) Diffuse straling Directe straling Summer in the City, oktober
18 Opdracht 8. Waarom zie je op bewolkte dagen bijna geen schaduwen van objecten? Kortgolvige stralingsbalans De directe en de diffuse straling vormen samen het totaal wat aan kortgolvige straling binnenkomt op het aardoppervlak. Deze straling wordt K in genoemd. Het is in de praktijk niet gemakkelijk te schatten hoe groot K in is. Deze hoeveelheid hangt af de zonshoogte en van eventueel aanwezige wolken. Ook speelt de afstand tussen de aarde en de zon een kleine rol. Van K in wordt een deel gereflecteerd door het aardoppervlak. Dit gedeelte noemen we K r. K r hangt o.a. af van de hoek van de inkomende straling en van de structuur en andere eigenschappen van het aardoppervlak. De fractie van de inkomende straling die gereflecteerd wordt, noemen we het albedo A. Het albedo is dus: A = K r / K in (3) met A: albedo [ ] K r : gereflecteerde kortgolvige straling [W/m 2 ] K in : inkomende kortgolvige straling [W/m 2 ]. De netto kortgolvige straling op het aardoppervlak is nu: K * = K in K r = K in * (1 A) (4) met K * : netto kortgolvige straling aan het aardoppervlak [W / m 2 ]. K in K r Aardoppervlak K* Figuur 2.9 Kortgolvige straling Deze netto kortgolvige straling wordt door het aardoppervlak geabsorbeerd. In figuur 2.9 is de kortgolvige stralingsbalans grafisch weergegeven. Enkele lokale albedo s van verschillende soorten landgebruik zijn weergegeven in Tabel 2.2. In deze tabel kun je zien dat het voor de fractie van de zonnestraling die gereflecteerd wordt, uitmaakt of de straling op een gletsjer, op een voetbalveld of op een winkelstraat valt. Voor het verschil tussen stad en platteland is het lokale albedo dus belangrijk. In de tabel zien we bijvoorbeeld dat sneeuw en ijs een enorm hoog albedo hebben en dus heel veel zonnestraling reflecteren. In Stockholm ligt er in de winter altijd sneeuw op de daken en in de straten, terwijl in Singapore de temperatuur nooit onder het vriespunt duikt. Je kunt je voorstellen dat er in Singapore Tabel 2.2 Albedo per type oppervlak Oppervlak bomen 0,15 sneeuw / ijs 0,90 bebouwing 0,15 water 0,10 kale bodem 0,30 gras 0,25 woestijn 0,25 Albedo (A) in de winter veel minder zonnestraling gereflecteerd wordt, resp. dat een groter deel van deze straling geabsorbeerd wordt. We kunnen ook kijken naar het gemiddelde albedo van de hele aarde. Dit staat in Figuur 2.10 weergegeven. Het gemiddelde albedo van het aardoppervlak (aardoppervlak albedo) is beduidend Summer in the City, oktober
19 lager dan het albedo van de aarde als planeet (planetair albedo). Dit komt doordat de wolken en de atmosfeer veel kortgolvige straling reflecteren, verstrooien en absorberen. Opdracht 9. Figuur 2.10 Gemiddelde kortgolvige stralingsbalans van de gehele aarde over 24 uur (bron: IPCC) Geef in Figuur 2.10 aan wat het aardoppervlak albedo is en wat het planetair albedo is en geef de waarde van beide. Opdracht 10. Bereken met de waarden die je ingevuld hebt in Tabel 2.1 hoe groot K in is voor elke instralinghoek, gegeven dat de beschikbare energie per vierkante meter loodrecht op de zonnestraling 1367 Watt is, aan de bovenkant van de atmosfeer. Neem aan dat het overal zonnig is en dat 70% van de straling door de atmosfeer komt en het aardoppervlak bereikt. Tabel 2.3 Inkomende energie op verschillende plaatsen Datum Rotterdam Stockholm Evenaar Noordpool (52 NB) (59 NB) (0 NB) (90 NB) 21 maart 21 juni 21 september 21 december Opdracht 11. Stel dat het aardoppervlak voor 70% uit water bestaat. Van het landoppervlak is 15% bebouwd, 10% sneeuw/ijs en 10% woestijn. 25% van het landoppervlak bestaat uit bos en de rest wordt opgevuld door grasland. Wat zou het gemiddelde albedo van het aardoppervlak zijn van deze aarde? Wat zou er met dit albedo gebeuren wanneer een groot deel van het bos gekapt wordt en er kale grond voor in de plaats komt? En wat gebeurt er met het albedo wanneer al het ijs smelt? Summer in the City, oktober
20 2.3.6 Langgolvige stralingsbalans Omdat het aardoppervlak een temperatuur boven het absolute nulpunt heeft (gemiddeld 288 Kelvin), zendt de aarde ook straling uit. Het aardoppervlak zendt langgolvige straling uit (volgens de wetten van Boltzmann en Wien). De uitgaande straling heeft het symbool L uit. L uit is afhankelijk van de temperatuur van het aardoppervlak. Overdag is deze temperatuur vaak hoger dan s nachts vanwege de opwarming door de straling van de zon. Overdag zal het aardoppervlak dan ook meer straling uitzenden. Ook zal L uit in warme gebieden groter zijn dan in koude gebieden, want hoe hoger de temperatuur hoe meer energie er wordt uitgestraald. Van de langgolvige straling die de aarde uitzendt, wordt gemiddeld een klein deel doorgelaten naar de ruimte: 20 30%. De rest wordt geabsorbeerd door de atmosfeer. Dit komt voornamelijk door de aanwezigheid van waterdamp en broeikasgassen zoals CO 2, N 2 O en CH 4. Als het bewolkt is, wordt zelfs alle langgolvige straling in de atmosfeer geabsorbeerd. In wolken is water namelijk niet alleen in de vorm van waterdamp, maar ook in vloeibare vorm (waterdruppeltjes) en/of vaste vorm (ijskristallen) aanwezig. Water in vloeibare en vaste vorm gedraagt zich in het langgolvige gebied praktisch als een zwart lichaam: er wordt geen straling gereflecteerd, alle straling wordt geabsorbeerd. De energie die geabsorbeerd wordt door de atmosfeer, wordt ook weer uitgezonden (in de vorm van langgolvige straling). Dat uitzenden gebeurt in alle richtingen: zowel naar het aardoppervlak als naar boven, naar de ruimte. Het aardoppervlak ontvangt dus niet alleen kortgolvige straling van de zon, maar ook langgolvige straling van de atmosfeer, L in. Van deze langgolvige straling afkomstig uit de atmosfeer wordt een deel gereflecteerd door de aarde, L r. Dit gedeelte is echter verwaarloosbaar klein ten opzichte van de straling die de aarde zelf uitzendt. Om die reden zal L r worden weggelaten in de berekening van de netto straling. De netto langgolvige straling op het aardoppervlak wordt gegeven door: L * = L in L uit (5) De netto langgolvige straling is weergegeven in Figuur L* L in L uit Aardoppervlak Figuur 2.11 De netto langgolvige straling op het aardoppervlak L * is sterk afhankelijk van temperatuur, bewolking en de aanwezigheid van waterdamp in de atmosfeer. L * is meestal kleiner of gelijk aan 0. Dit betekent dat de aarde meer langgolvige straling uitzendt dan hij ontvangt vanuit de atmosfeer. Als het helder is en er weinig langgolvige straling binnenkomt vanuit de atmosfeer is L * sterk negatief: L in < L uit. Als het bewolkt is, zoals het in Rotterdam vaak is, en de luchttemperatuur is ongeveer gelijk aan de temperatuur van het aardoppervlak dan is L * ongeveer 0. Dan is L in = L uit. Opdracht 12. Hoe komt het dat de langgolvige stralingsbalans ongeveer constant is in de loop van een dag, en de kortgolvige stralingsbalans niet? Summer in the City, oktober
21 2.3.7 Stralingsbalans aan het oppervlak Wat er totaal bij het aardoppervlak aan straling binnenkomt en uitgaat wordt de stralingsbalans genoemd. De totale netto straling (Q * ) op het aardoppervlak is de som van de netto kortgolvige en de netto langgolvige straling. Q * = K * + L * = K in K r + L in L uit (6) Overdag is Q * meestal positief. Het aardoppervlak ontvangt straling van de zon en vanuit de atmosfeer. s Nachts ontvangt het aardoppervlak alleen straling uit de atmosfeer, maar blijft zelf wel straling K in K r uitzenden. Omdat de L uit vaak L in L uit Aardoppervlak groter is dan de L in is Q * s nachts negatief. Wanneer de instraling L* K* groter is dan de uitstraling, zal de Figuur 2.12 De stralingsbalans van het aardoppervlak temperatuur van het aardoppervlak stijgen. Is het omgekeerde het geval, dan zal de temperatuur dalen. Een overzicht van de stralingsbalans is weergegeven in Figuur Figuur 2.13 geeft weer hoe de stralingsbalans gedurende een dag verandert. De linker figuur is van een vrijwel onbewolkte dag, de rechter van een dag met wat bewolking in de middag. Je kunt hierop goed zien dat de kortgolvige straling op een onbewolkte dag exact de baan van de zon volgt, terwijl de langgolvige straling een stuk constanter blijft gedurende 24 uur. Let bij de bewolkte dag er op dat de inkomende langgolvige straling hoger is op het moment dat het bewolkt wordt stralingsfluxdichtheid (W/m2) tijd (uren GMT) tijd (uren GMT) L_in L_uit K_in K_uit Figuur 2.13 Stralingsbalans op het aardoppervlak van twee dagen in juli 2003 (links: 10 juli en rechts: 11 juli). De metingen zijn verricht op het meteostation de Haarweg in Wageningen. Met dank aan Bert Heusinkveld, Wageningen Universiteit. Let op: de schaal van beide grafieken is niet hetzelfde! De stralingsbalans is echter niet op de hele aarde hetzelfde. Zo is het jaargemiddelde van de netto straling in de buurt van de evenaar, bijvoorbeeld in Singapore, positief. Dit wordt veroorzaakt door een hoge K in. In Rotterdam en Stockholm komt juist minder kortgolvige zonnestraling op het aardoppervlak en is het jaargemiddelde van de netto stralingsbalans negatief. Op de Noordpool geldt dit nog sterker; dat is de reden dat het daar een stuk kouder is dan in de tropen. De gemiddelde Summer in the City, oktober
22 stralingsbalans van de hele aarde is precies nul, maar voor onze vier steden afzonderlijk hoeft dit niet zo te zijn. En er zijn niet alleen verschillen tussen de jaargemiddeldes van de vier steden, uiteraard zijn er van dag tot dag verschillen tussen de grootte van de termen van de stralingsbalans, en tussen de stralingsbalansen van onze steden onderling. In deel 2 zullen we merken wat voor effect deze verschillen in de stralingsbalans op het stadsklimaat hebben. Opdracht 13. Welke termen heb je nodig om K * en L * te berekenen? Beschrijf het verloop van ieder van deze termen vanaf zonsopkomst tot de volgende zonsopkomst. Beschrijf ook het effect van bewolking op deze termen tijdens zo n dag. Summer in the City, oktober
23 2.4 Warmtetransport en de energiebalans Steden worden niet voor niets Urban Heat Islands genoemd: warmte speelt er een belangrijke rol. Hoe verloopt het transport van warmte? Is dit binnen de stad anders dan erbuiten? Zoals je weet is warmte een vorm van energie en energie kan op drie manieren worden getransporteerd: via geleiding, via stroming of via straling. Aan het aardoppervlak komen alle drie de vormen van transport voor. Ook kunnen hier verschillende soorten energie in elkaar worden omgezet. Het landgebruik heeft grote invloed op de energieomzettingen die aan het aardoppervlak plaatsvinden en zodoende zullen deze processen in de stad en op het platteland niet hetzelfde verlopen. We kijken in dit hoofdstuk naar deze processen met behulp van de energiebalans Energiebalans van het aardoppervlak We hebben in hoofdstuk 2.3 gezien dat de netto straling op het aardoppervlak afhankelijk is van de inkomende kortgolvige straling van de zon (K in ), de langgolvige straling van de atmosfeer (L in ), de uitgaande kortgolvige straling door weerkaatsing (K r ) en het zelf uitzenden van langgolvige straling door de aarde (L uit ). De netto straling op het aardoppervlak wordt aangegeven met de term Q *. Wat gebeurt er nu met de energie als Q * positief is, dat wil zeggen dat het aardoppervlak meer straling absorbeert dan dat het weerkaatst en uitstraalt? Als Q * positief is, wordt de energie van het aardoppervlak voornamelijk gebruikt voor drie processen: 1. De energie wordt omgezet in een voelbare warmtestroom, met als gevolg opwarming van de lucht vlak boven het aardoppervlak. Dit wordt aangeduid met de term H. 2. De energie wordt gebruikt om water te verdampen. Verdamping van water kost energie maar leidt niet tot een temperatuurverhoging. Dit heet latente warmtestroom; deze wordt aangeduid met de term L v E. L v E is het product van de verdampingswarmte L v [J kg 1 ] en de verdamping E [kg m 2 s 1 ]. 3. De energie wordt gebruikt om de bodem te verwarmen. Dit wordt aangeduid met de term G en wordt ook wel de bodem warmtestroom genoemd. Dit samen geeft de totale energiebalans van het aardoppervlak: Q * H L v E G = 0 (7) De grootte van de processen Q *, H, L v E en G worden uitgedrukt in fluxdichtheid, ofwel energiestromen per tijdseenheid en oppervlak [J s 1 m 2 ] of [W m 2 ]. Met Q * : Netto straling aardoppervlak [W m 2 ] H: Energie die wordt gebruikt om de atmosfeer vlak boven het aardoppervlak op te warmen [W m 2 ] L v E: Energie die wordt gebruikt om water te verdampen [W m 2 ] G: Energie die wordt gebruikt om de bodem te verwarmen [W m 2 ] In Figuur 2.14 staat de energiebalans van het aardoppervlak overdag en s nachts weergegeven. Let hierbij vooral op de richting van de pijlen! Summer in the City, oktober
24 Figuur 2.14 De energiebalans van het aardoppervlak overdag en s nachts. De richting van de pijl geeft aan in welke richting de fluxdichtheid is Opdracht 14. Beschrijf (min.100 woorden) voor alle vier de termen op de energiebalans (Q *, G, H, L v E) wat de verschillen tussen overdag en s nachts zijn. Vermeld de richting van de fluxdichtheden en geef logische verklaringen voor de verschillen die je ziet. We gaan nu verder in op eigenschappen van stoffen die bepalen welke energieverdeling er plaats vindt (4.2). Vervolgens zal er afzonderlijk ingegaan worden op de drie bovengenoemde processen H, L v E en G (4.3 t/m 4.5). Ten slotte wordt aangegeven wat de invloed van landgebruik is op de energieverdeling, wat natuurlijk erg belangrijk is om te weten wanneer we het verschil tussen de stad en het platteland willen bepalen (4.6 en 4.7) Stofeigenschappen De energie aan het aardoppervlak wordt gebruikt voor de drie processen H, L v E en G. De grootte van deze drie processen wordt weliswaar voor een belangrijk deel bepaald door Q *, maar de verdeling van de energie over deze drie processen wordt bepaald door stofeigenschappen, de windsnelheid en de relatieve vochtigheid. Het aardoppervlak bestaat uit verschillende stoffen, en deze stoffen hebben allemaal hun eigen karakteristieke stofeigenschappen. Vanwege deze karakteristieke stofeigenschappen is de verhouding tussen H, L v E en G mede afhankelijk van de samenstelling van het aardoppervlak. Voornamelijk de aanwezigheid van water speelt hierin een belangrijke rol, omdat water heel andere stofeigenschappen heeft dan de grond zelf. We zullen nu de stofeigenschappen soortelijke warmte, warmtegeleidingscoëfficiënt en verdampingwarmte nader bekijken. In Binas kun je de waarde van deze eigenschappen voor een groot aantal stoffen vinden Soortelijke warmte Eén van de eigenschappen waarin stoffen verschillen, is de hoeveelheid energie die nodig is om de betreffende stof op te warmen. Zo kost het bijvoorbeeld veel meer energie om een pannetje water te verwarmen dan een pannetje olie. Met de soortelijke warmte wordt aangegeven hoeveel energie Summer in the City, oktober
25 (in de vorm van warmte) het kost om 1 kilogram van een bepaalde stof 1 graad in temperatuur te laten stijgen. Als de soortelijke warmte groot is, zoals bij water, kan een stof veel warmte opnemen zonder dat daarbij de temperatuur veel stijgt. Water kan goed warmte opslaan of vasthouden, m.a.w. water heeft een grote warmtecapaciteit. Als we de soortelijke warmte weten, kunnen we de warmtecapaciteit van verschillende materialen met elkaar vergelijken. Q = c * m * ΔT (8) Met Q: toegevoegde warmte [J] c: soortelijke warmte [J / (kg * K)] m: massa [kg] T: temperatuurverandering [K] In Figuur 2.15 zie je de relatie tussen de temperatuurstijging en de toegevoegde hoeveelheid energie. Hierin kun je goed zien dat het weinig moeite kost om zand op te warmen en dat het heel veel energie kost om water op te warmen. Dit heb je vast wel eens gemerkt op een zonnige zomerdag op het strand: het zand is dan bijna te heet onder je voeten, terwijl het zeewater heerlijk verkoelend werkt. Figuur 2.15 De soortelijke warmte van water, lucht, asfalt en zand. De grafiek geeft de relatie tussen de temperatuurstijging van 1 kg materiaal met de daarvoor benodigde hoeveelheid energie. De helling van de verschillende grafieken is de soortelijke warmte Warmtegeleiding De warmtegeleidingscoëfficiënt van een stof geeft aan hoe goed deze stof in staat is warmte te geleiden. De eenheid voor deze coëfficiënt is W m 1 K 1. Naarmate de warmtegeleidingscoëfficiënt groter is, kan de betreffende stof meer energie transporteren bij een gegeven temperatuurgradiënt. Stoffen die zeer slecht warmte geleiden, stoffen met een lage warmtegeleidingscoëfficiënt dus, worden (warmte)isolatoren genoemd. Slechte warmtegeleiders houden de warmte goed vast, de warmte dringt maar langzaam door naar andere plaatsen in het materiaal. Als de soortelijke warmte van een object hoog is en de warmtegeleidingscoëfficiënt laag, kost het veel tijd om dit object op te warmen. Als de warmtebron zich maar op één plaats bevindt, zal het object vooral aan die kant opwarmen. De warmte zal nauwelijks worden verspreid door het object. Bij gebouwen is het erg Summer in the City, oktober
26 belangrijk om goed isolerend materiaal te kiezen, zodat het niet te warm wordt in de zomer en niet te koud in de winter Verdampingswarmte Watermoleculen worden bij elkaar gehouden door de Vanderwaalskracht, een onderlinge aantrekkingskracht tussen moleculen. Maar de moleculen in een vloeistof zijn constant in beweging en als er energie wordt toegevoerd, gaan ze sneller bewegen. De moleculen aan het wateroppervlak die genoeg energie bevatten, kunnen aan het water ontsnappen: het water verdampt. De inkomende energie wordt dan gebruikt om een molecuul van de Vanderwaalskracht te bevrijden, in plaats van de temperatuur te verhogen. Water verdampt niet alleen bij Celsius. Als je natte was buiten hangt, wordt die ook droog, terwijl de temperatuur niet in de buurt komt van het kookpunt van water. De energie die nodig is om één liter vloeistof om te zetten in damp wordt de verdampingswarmte genoemd. De verdampingswarmte van water bij 0 C is 2,50 * 10 6 J kg 1. Verdampen van water kost dus veel energie, veel meer dan verwarmen. De hoeveelheid verdamping hangt sterk af van de beschikbare energie. Dit zullen we zien in practicum 1. Een praktisch voorbeeld van verdamping is zweten. Tijdens lichamelijke inspanning verbruiken je spieren energie en komt er warmte vrij. Daardoor ga je zweten. Nu begrijp je waarom: het verdampen van zweet onttrekt energie aan het lichaam, zodat je lichaam niet verder opwarmt Voelbare warmtestroom (H) Een deel van de netto inkomende energie op het aardoppervlak wordt gebruikt om de luchtlaag vlak boven het aardoppervlak op te warmen. De energie die hiervoor verantwoordelijk is noemen we de voelbare warmtestroom H. Hoe groter H is, hoe meer de lucht zal opwarmen. Warme lucht is lichter dan koude lucht. De lucht die aan het aardoppervlak is opgewarmd stijgt op, waardoor er convectie (verticale luchtstroming) ontstaat. Deze convectie zorgt ervoor dat de warme lucht die van onderop komt, goed gemengd wordt met de koudere lucht die zich op grotere hoogte bevindt. Deze goed gemengde laag wordt de grenslaag genoemd. In de zomer is de grenslaag overdag ongeveer 1 km hoog. De hoogte van de grenslaag is direct afhankelijk van H, omdat naarmate H groter is, de lucht tot op grotere hoogte kan mengen. Meer over de grenslaag in paragraaf Latente warmtestroom (L v E) Een ander deel van de energie die beschikbaar is aan het aardoppervlak wordt gebruikt om water te verdampen. Dit noemen we de latente warmtestroom L v E. Deze leidt niet tot temperatuurstijging, maar tot de omzetting van vloeibaar water in waterdamp: water neemt energie op en gebruikt die om te verdampen. Hoe groter de latente warmtestroom, hoe minder energie er over is om de temperatuur te doen stijgen. Vegetatie speelt een belangrijke rol in het proces van verdamping. Een groot deel van het water dat wordt verdampt gaat via de vegetatie (als die aanwezig is). Water komt de plant binnen via de wortels. Plantenwortels kunnen tot diep in de grond reiken en zo veel meer water aanspreken dan alleen het oppervlaktewater. Via de huidmondjes van de plant wordt dit water verdampt. Deze manier van verdamping wordt transpiratie genoemd. Hoe meer vegetatie, hoe meer water er uit de bodem wordt gehaald en verdampt, dus stijgt de latente warmte in de energiebalans en is er minder energie over om het oppervlak te verwarmen. Dit is de reden dat het in een park koeler is dan in een volgebouwde winkelstraat. Hoe meer parken en groen in een stad, hoe koeler het over het algemeen zal zijn. Summer in the City, oktober
Nog meer weergeven