3. Klimaat en klimaatverandering

Uitstoot van de aarde

De zonnestraling die door de aarde wordt geabsorbeerd, moet weer worden afgevoerd zodat er een netto evenwicht is tussen geabsorbeerde en uitgestraalde energie. Alleen dan zal de gemiddelde temperatuur van de Aarde gemiddeld constant blijven. Dit gebeurt door warmtestraling, warmte die vanaf het aardoppervlak in de richting van de ruimte wordt uitgestraald. We hebben het al eerder gezien: lichamen met een temperatuur van ongeveer 20°C (of: 300 K) stralen in het golflengtegebied rond 10 μm.

De straling die door het aardoppervlak wordt uitgezonden, moet echter de ruimte in via de atmosfeer. Er zijn - zoals beschreven op de vorige pagina - spoorgassen die straling absorberen, vooral kooldioxide en waterdamp. In de golflengten van 8 tot 13 μm is hun absorptie laag, dus hier bereikt de straling de ruimte zonder al te veel verliezen. Dit spectrale bereik wordt het atmosferische infraroodvenster genoemd.

Infraroodmetingen met satellieten laten zien hoe de uitgezonden straling van het aardoppervlak wordt beïnvloed door de atmosfeer. In het diagram is een spectrum (zwarte lijn) gemeten met de IRIS-spectrometer op de NIMBUS 3-satelliet met zicht op de Sahara-woestijn, vergeleken met een modelberekening van de stralingsoverdracht (rode lijn). In het model wordt uitgegaan van een temperatuur van 320 K (of: 47°C).

Er zijn ook emissiegrafieken voor zwarte lichamen met temperaturen tussen 220 en 320 K in de grafiek opgenomen als stippellijnen. Het is te zien dat in het bereik van 8 tot 13 μm - met uitzondering van een gebied met ozon (O3) - de meting en het model de curve van een zwart lichaam met een temperatuur van 320 K zeer goed benaderen. De spectrometer meet de straling die wordt uitgezonden door de warme Saharabodem.

Gebieden met kleinere waarden van de gemeten en gemodelleerde radiantie zijn gelabeld met de spoorgassen waarvan de absorptie de helderheid vermindert: waterdamp (H2O), kooldioxide (CO2), methaan (CH4) en ozon (O3). Absorptie betekent: slechts een beperkte hoeveelheid straling bereikt de ruimte, of helemaal geen straling. In feite worden de spoorgassen op lagere hoogtes opgewarmd door de straling die van het aardoppervlak komt. De spoorgassen in deze lagen stralen dan terug naar de grond, in wat atmosferische terugstraling wordt genoemd.

Dit is het broeikaseffect.


Zoom Sign
Straling van de aarde gemeten in de ruimte

Stralingssterkte van de aarde gemeten in de ruimte (zwart) en gemodelleerd (rood) bij golflengten in het infraroodgebied van 7 tot 25 μm (bovenste schaal). Het golfgetal (onderste schaal) komt overeen met de omgekeerde golflengte 1/λ, wordt gespecificeerd in de eenheid cm-1, en is een grootheid die vaak wordt gebruikt in de atoomfysica. 'ATM window' staat voor het atmosferisch infraroodvenster.
MODTRAN® staat voor 'MODerate resolution atmospheric TRANsmission', een computermodel voor simulaties van de atmosferische stralingsoverdracht.
Bron: MODTRAN Infrared Light in the Atmosphere, Universiteit van Chicago, VS.
Vraag: Wat "ziet" de spectrometer in gebieden met weinig straling? ↓
Antwoord: (maar denk er eerst zelf over na!) ↓
De straling die door de aarde wordt uitgezonden, bereikt de ruimte alleen in het golflengtegebied van het infrarode atmosferische venster. Bij andere golflengtes wordt de straling tegengehouden door spoorgassen; dit staat bekend als het broeikaseffect.

Een toename van de hoeveelheid broeikasgassen versterkt het broeikaseffect en leidt tot een warmer klimaat.