Het broeikaseffect en de stralingsbalans van de aarde - v456

Het broeikaseffect en de stralingsbalans van de aarde - v456

Stralingsbalans van de aarde

Introductie

Het leven op aarde heeft alleen kunnen ontstaan dankzij verschillende systemen die naadloos op elkaar aansluiten. Je hebt zonlicht nodig voor licht en warmte, gassen in de dampkring om te kunnen ademen en te groeien en een natuurlijk broeikaseffect om te voorkomen dat het te koud op aarde wordt. Die onderlinge afstemming noemen we ook wel de stralingsbalans van de aarde.

In deze opdracht bekijken jullie hoe die onderlinge afstemming er uitziet. Daarbij onderzoeken jullie of door menselijk ingrijpen die balans gevaar loopt of niet.

Wat ga je leren?

Hoofdvragen

  • Hoe is de stralingsbalans van de aarde tot stand gekomen?
  • Wat betekent het als die balans een onbalans wordt?

Daarbij kijken jullie naar het natuurlijk broeikaseffect en de nadelige gevolgen van het versterkte broeikaseffect. Bij dit versterkte broeikaseffect speelt de mens een aanzienlijke rol.

Deelvragen

  • Wat zijn de gevolgen en welke oplossingen zijn mogelijk?
  • Wat kun jij daar zelf aan doen?

Begrippen

  • Albedo-effect
  • Atmosfeer
  • Klimaatverandering
  • Natuurlijk broeikaseffect
  • Stralingsbalans
  • Energiebalans
  • Versterkt broeikaseffect

Wat ga je doen?

Activiteiten

Vooraf

Wat kun je al?

Bestudeer de Kennisbank en maak de instaptoets.

Aan de slag

Stap 1

Je leest over de atmosfeer en broeikasgassen, die zich daar bevinden. Ook leer je wat het albedo-effect inhoudt. Je bekijkt een video en beantwoordt vragen.

Stap 2

Wat er wordt verstaan onder de stralings- en energiebalans leer je in deze stap. Je kijkt naar afbeeldingen daarover en maakt een oefening.

Stap 3

De aarde heeft al heel wat klimaatveranderingen doorstaan. Wat de natuurlijke oorzaken daarvan zijn, lees je hier. Je maakt een oefening.

Stap 4

Wat wordt bedoeld met het versterkte broeikaseffect, wordt hier uitgelegd. Om klimaatverandering te voorkomen moeten we onder een bepaalde atmosferische waarde CO2-concentratie blijven. Je bekijkt de recente waardes en maakt een oefening.

Stap 5

Klimaatverandering heeft grote gevolgen en wetenschappers buigen zich over oplossingen om de gemiddelde temperatuurstijging onder 2 °C te houden.

Afronding

Samenvattend

Maak een begrippenlijst. Vergelijk deze met een klasgenoot.

Eindopdracht A

Maak de eindtoets.

Eindopdracht B

Schrijf een open brief aan Shell met voorstellen.

Terugkijken

Kijk terug op de opdracht.

 

Tijd
De studiebelasting voor deze opdracht is ongeveer 2 SLU.

Wat kun je al?

Bestudeer de Kennisbank.

Klimaatverandering

Maak nu de instaptoets.

Aan de slag

Stap 1: Gassen en de dampkring

De atmosfeer en broeikasgassen

Onze planeet is verpakt in een laag van gassen, de atmosfeer of dampkring. Die laag is zo’n 1000 kilometer dik. Zonder deze laag zou het leven op aarde onmogelijk zijn.

De atmosfeer bevat de zuurstof (O2) die we inademen en de koolstofdioxide (CO2) die planten nodig hebben om te groeien. Dit zijn niet de enige gassen in onze atmosfeer. De atmosfeer bestaat uit:

  • 78,08%   stikstof
  • 20,95%   zuurstof
  • 0,93%    argon
  • 0,038%   koolstofdioxide
  • 0,002%   overige gassen als helium, krypton, lachgas, methaan, neon, ozon, waterdamp en xenon.

Sommige gassen noemen we broeikasgassen, gassen die warmte vasthouden. De belangrijkste broeikasgassen zijn waterdamp, koolstofdioxide, methaan, distikstofmonoxide of lachgas en ozon. Deze gassen zorgen voor het natuurlijke broeikaseffect. Zonder dit broeikaseffect zou het op onze planeet te koud zijn om te overleven.

Bekijk de volgende video.

Klik op de afbeeldingen om
deze te vergroten.

Deze afbeelding vat de stappen nog eens samen:
De zonnestralen die de aarde van de zon ontvangt zijn kortgolvige stralen, die energie omzetten in licht en warmte. Je kunt de zon vergelijken met een gloeilamp; die lamp geeft licht, maar wordt ook te heet om met je handen vast te pakken.

De albedo

Meer dan de helft van de kortgolvige stralen worden gereflecteerd door de atmosfeer en door het aardoppervlak (de stappen 1 en 4 op de afbeelding). Die reflectie of weerkaatsing door het aardoppervlak heet het albedo-effect. De albedo van de aarde is het weerkaatsingsvermogen. Die reflectie geven we aan met waarden tussen 0 en 1, waarbij 0 staat voor een zwart, niet-reflecterende oppervlakte en 1 staat voor totale reflectie van een wit oppervlakte. De albedo wordt ook gemeten als percentage met een maximum van 100%.

De albedo heeft ook te maken met warmte. Je ziet dat goed aan het zwarte asfalt dat warmte vasthoudt.

Albedo in cijfers  
Verse sneeuw of vers ijs 80-95%
Oude smeltende sneeuw 40-70%
Wolken 40-90%
Woestijnzand 30-50%
Grondaarde 5-30%
Toendra 15-35%
Grasland 25-30%
Bos 10-20%
Water 6-60%

 

De warmte boven het (zwarte) asfalt
zorgt voor een luchtspiegeling.

Omdat grote stukken van de aarde veel licht reflecteren (water, ijskappen, wolken) heeft de aarde een relatief grote albedo (30-35%). De maan heeft door zijn vulkanisch gesteente een albedo van maar 7%. Door menselijk ingrijpen (bijvoorbeeld de grootschalige boskap) wijzigt de albedo van de aarde.

Stap 2: Stralings- en energiebalans

We kijken nog een keer naar het natuurlijk broeikaseffect en de afbeelding. Je weet al dat zonnestralen als energie met kortgolvige stralen het aardoppervlak bereiken.
De enorme hitte van de zon veroorzaakt, naast zichtbaar licht, ook kortegolfstraling als röntgen en ultraviolet. Terwijl inderdaad ultraviolette straling van de zon voor een deel door de dampkring wordt doorgelaten en het aardoppervlak bereikt, houdt de dampkring alle röntgenstraling van de zon of andere hemellichamen tegen.
De aarde wordt warmer en gaat daardoor ook straling uitzenden. Maar de aarde is veel kouder dan de zon en de straling is vooral infrarood. De straling wordt tegengehouden door de broeikasgassen.

Het verschil tussen de inkomende zonnestraling en de uitgaande aardse straling noemen we de stralingsbalans van de aarde. Over het geheel genomen is de verhouding tussen inkomende en uitgaande straling in balans. Als dat niet het geval zou zijn, zou de aarde voortdurend warmer of kouder worden. Je ziet op de afbeelding dat het aardoppervlak meer straling afgeeft (stap 5) dan het ontvangt (stap 3), maar dit tekort wordt gecompenseerd door het broeikaseffect (stap 7).
Ook binnen de atmosfeer is er een evenwicht. Het aardoppervlak straalt meer langgolvige straling uit dan het kortgolvige straling van de zon absorbeert. Maar dit tekort wordt opnieuw gecompenseerd door het broeikaseffect: de golven en warmte worden meermalen heen en weer weerkaatst tussen atmosfeer en aarde.
Het broeikaseffect is de grote motor van het klimaat van de aarde. Zonder het broeikaseffect zou het gemiddeld 33 oC kouder zijn op aarde!

De uitwisseling van straling met de ruimte is een fundamenteel proces binnen ons klimaatsysteem. De aarde ontvangt energie van de zon en verliest energie naar de ruimte door infrarode straling. Deze energiebalans beschrijft de energiestromen.
Onderstaande illustratie is afkomstig van de KNMI-website en geeft deze warmtehuishouding (in Watt/m2)van de aarde weer.



De energiebalans is van groot belang voor het klimaat op aarde want:

  • De gemiddelde temperatuur op aarde wordt er door bepaald;
  • Aan de evenaar ontvangt de aarde netto energie, terwijl ze aan de polen netto energie verliest. Dit verschil is de grondslag voor de algemene circulatie in de oceanen en in de atmosfeer, dus voor weer en klimaat.
  • De aarde ontvang iets meer energie dan ze verliest en dat is de bron van de klimaatverandering.

Stap 3: Klimaatverandering

Klimaatverandering: natuurlijke oorzaken

De aarde is al 4,6 miljard jaar oud. In die tijd heeft de aarde al veel klimaatveranderingen gekend die voortkomen uit wijzigingen in de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer en wijzigingen in de albedo van het aardoppervlak. Denk aan de ijstijden (met een hoger albedo dan nu) en de tijd van de dinosauriërs (150-65 miljoen geleden) toen er geen ijs lag op de Zuidpool (met een lager albedo dan nu).

Voor die klimaatveranderingen zijn er diverse natuurlijke oorzaken aan te wijzen.

  • Zonneactiviteit: schommelingen in de intensiteit van de zonnestraling die de aarde bereikt.
  • Vulkanische activiteit: vulkanen kunnen door grote uitbarstingen het klimaat beïnvloeden. Als stof en zwaveldeeltjes in de atmosfeer terechtkomen, houden ze zonlicht tegen en wordt het kouder.
  • Meteorietinslagen: een inslag van een forse meteoriet kan het klimaat vrij abrupt veranderen. De inslag gaat gepaard met een enorme vervuiling van de atmosfeer door stof, rook en roet. Dat kan het zonlicht jaren tegenhouden.
  • Variaties in de omloopbaan van de aarde rond de zon: de aarde maakt een ovale baan rond de zon. Als die baan iets verandert, komt de aarde in een deel van zijn omloopbaan dichter bij de zon en in een ander deel verder van de zon te liggen. Dat zorgt ervoor dat het warmer wordt in de delen die dichter bij de zon komen en kouder op delen die verder van de zon af komen.
  • De positie van de continenten heeft invloed op de zeestromen. Als de continenten allemaal dicht bij elkaar liggen (zoals miljoenen jaren geleden), is de stroming van de zee anders dan wanneer de continenten verder van elkaar af liggen (zoals nu). Zeewater wordt opgewarmd aan de evenaar en verspreid zich in de richting van de poolkappen. Hoe verder de continenten uit elkaar liggen, hoe minder effectief de warmte door de zee kan worden verspreid over de planeet.
  • Lucht- en zeestromen: zeestromen in de oceaan kunnen het klimaat beïnvloeden.

Stap 4: Het versterkte broeikaseffect

Na de laatste klimaatverandering aan het einde van de laatste IJstijd, zo’n tienduizend jaar geleden, is de gemiddelde wereldtemperatuur relatief stabiel geweest. Maar sinds de Industriële Revolutie (rond 1850) zijn de concentraties aan broeikaseffecten verhoogd en is de aarde aan het opwarmen. Volgens de meeste wetenschappers is die verhoging alleen te verklaren uit het gevolg van menselijke activiteiten.
Bekijk de volgende video.

Er zijn tal van oorzaken aan te geven, maar de belangrijkste is de massale verbranding van fossiele brandstoffen (zoals steenkool, aardolie en aardgas), waarbij grote hoeveelheden koolstofdioxide in de atmosfeer terechtkomen.

De menselijke activiteiten versterken het natuurlijke broeikaseffect en daardoor spreken we van het versterkte broeikaseffect.

De landen met de grootste uitstoot van broeikasgassen zijn China, de VS en de EU, gevolgd door Rusland en Japan. De top 25 van meest vervuilende landen zijn goed voor ongeveer 4/5 van de volledige uitstoot aan broeikasgassen. Door hun sterk groeiende economieën zijn landen als India en Brazilië met een echte inhaalslag bezig.

De kritische grens

De hoeveelheid CO2 in de atmosfeer wordt uitgedrukt in parts per million (ppm) of deeltjes per miljoen. Voor de Industriële Revolutie bedroeg de atmosferische CO2-concentratie ongeveer 260 tot 280 ppm.

Het niveau waar we onder moeten blijven om klimaatverandering te voorkomen, is 350 ppm.
Door grootschalige verbranding van fossiele brandstoffen, in combinatie met ontbossing, is de wereldwijde CO2-concentratie in de atmosfeer al flink opgelopen. Tot hoeveel? De huidige concentratie kun je terugvinden op co2now.org (Engels) en nl.co2.earth (Nederlands).  



Als de CO2-concentratie blijft stijgen lijkt het proces niet meer te stoppen. Dan komt bijvoorbeeld het broeikasgas methaan vrij uit de wegsmeltende permafrost in Siberië en dat zal de opwarming versnellen.
Om dit te vermijden wordt een stijging van de wereldtemperatuur met 2 graden Celsius als kritische grens aangehouden. Dit wordt een omslagpunt (Engels: tipping point) genoemd. Bij de stijging van de wereldtemperatuur van 2 graden Celsius geldt de wereldtemperatuur van 1800 als startwaarde. Anders gezegd: de aarde mag niet verder opwarmen dan 2 graden Celsius ten opzichte van 1800.
Zie het klimaat als een systeem waarin ‘alles met alles samenhangt’ en veranderingen gevolgen hebben voor alle afzonderlijke delen van het geheel. Als verstoring van het evenwicht dreigt, kunnen er negatieve terugkoppelingsmechanismen optreden (ze werken verandering tegen) of positieve (versterken verandering).

Stap 5: Gevolgen en oplossingen

Het klimaat verandert. De gevolgen daarvan zijn nu al voelbaar. Afhankelijk van de plaats waar je woont op aarde, zullen de gevolgen meer of minder groot zijn. Maar één ding is zeker: de al kwetsbare bevolking in ontwikkelingslanden zal de hoogste rekening gepresenteerd krijgen.

Gevolgen van de klimaatverandering:

  • Extreem weer zoals zware stormen, droogte of juist overvloedige neerslag komen steeds vaker voor.
  • De seizoenen zijn erg onstabiel geworden en dat heeft gevolgen voor de landbouw en voor de fauna en flora.
    Zie ook de video:

  • De zeespiegel stijgt en dat bedreigt miljoenen mensen die bij een kust wonen. Al is de ene kustbewoner beter af dan de andere: Nederland heeft bijvoorbeeld zowel de technische als de financiële middelen om zijn bewoners te beschermen. In een land als Bangladesh ligt dat heel anders.
  • De gletsjers en poolkappen smelten. Het afsmelten van de gletsjers brengt de watervoorziening van miljoenen mensen in gevaar en leidt bovendien tot een toenemend risico op rampen (o.a. het doorbreken van gletsjermeren).

Oplossingen zijn moeilijk te realiseren, maar niet onmogelijk. Om de negatieve gevolgen van de klimaatverandering binnen de perken te houden, gaan wetenschappers ervan uit dat de opwarming van de aarde zeker onder 2 °C ten opzichte van het pre-industriële niveau moet blijven.

Om dit te bereiken zal de uitstoot van broeikasgassen in 2050 80 tot 95 procent lager moeten zijn dan die in 1990. Diverse studies tonen de haalbaarheid daarvan aan, als er in elk geval op grote schaal actie wordt ondernomen om dat doel te bereiken. In 2015 is op een klimaatconferentie het Akkoord van Parijs bereikt. Daarin verplichten de ondertekenaars zich om de opwarming van de aarde ten opzichte van het pré-industriële tijdperk te beperken tot 2 graden en te streven naar 1,5. Het is inmiddels door 174 landen ondertekend, ook door Nederland.

Afronding

Samenvattend

Bij 'Wat ga je leren?' worden de volgende begrippen genoemd.
Geef zelf een omschrijving van deze begrippen.

​Albedo-effect  
Atmosfeer  
Klimaatverandering  
Natuurlijk broeikaseffect  
Stralingsbalans van de aarde  
Versterkt broeikaseffect  


Bespreek de begrippen met een klasgenoot.

Eindopdracht A: Toets

Eindopdracht B: Brief schrijven

Het Nederlands-Britse oliebedrijf Shell – het op vijf na grootste bedrijf ter wereld – wist eind 1985 al dat er een verband was tussen het gebruik van fossiele brandstoffen en de opwarming van de aarde. In 1991 bracht Shell een videoband uit onder de titel ‘Climate of Concern’. De film toonde alarmerende grafieken over de CO2-uitstoot, sprak over de toename van extreem weer, over eilanden die onder water zullen verdwijnen en introduceerde de nieuwe term ‘broeikas­vluchtelingen’.

Kijk hier naar de hoogtepunten van Shells klimaatfilm Climate of Concern (1991). Klik rechtsonder in de player op ‘cc’ om de ondertiteling aan te zetten.


“De hypnotiserende beelden geven een duidelijke waarschuwing” en “Nu actie ondernemen is de enige veilige verzekering die we hebben”, zei de voice-over. Kennelijk wist Shell in 1991 al voldoende om de noodklok te luiden.

De focus op duurzame energie verdween echter weer en voor lange tijd. De olie- en gaswinning was te profijtelijk. Shell ging zelfs in de tegenaanval. Shell sloot zich aan bij de Global Climate Coalition. In deze lobbygroep waren alle oliebedrijven lid. De lobby kreeg twee doelen: twijfel zaaien over de klimaatwetenschap en benadrukken dat regulering – als die er dan toch kwam – de samenleving duur zou komen te staan.

Op 28 februari 2017 dook de oude videoband ‘Climate of Concern’ weer op. De Engelse krant The Guardian en De Correspondent brachten de film opnieuw uit, ditmaal in een digitale versie.
Ruim 25 jaar na het maken van de videoband ‘Climate of Concern’ is er nog niet veel veranderd. Shell richt zich nog steeds vrijwel volledig op de olie- en gaswinning en dus op fossiele brandstoffen.
De film van Shell riep in 1991 op tot actie en men deed daar toen weinig mee. Misschien kan Shell dat nu alsnog zelf doen?

Opdracht

Na 2017 heeft Shell beloofd te vergroenen, dat wil zeggen meer rekening te gaan houden met het beperken van vervuiling, uitputting van grondstoffen en uitstoot van broeikasgassen. Ook heeft het beloofd mee te helpen met de energietransitie, het vervangen door fossiele brandstoffen door schone(re) die bovendien niet snel of helemaal niet opraken. Maar komt Shell die beloften wel na en zo ja, in welke mate dan? Zoek dat uit op internet.  

Aan de hand van wat je te weten komt, schrijf je:

  • een oproep aan Shell om de harder te werken vergroening en meer bij te dragen aan die energietransitie, met enkele suggesties erbij, of:

  • een brief aan Shell waarin je dit bedrijf prijst voor wat het op beide gebieden aan het doen is en waarom het hiervoor lof verdient.

Beoordeling

Jullie docent zal de brief aan Shell beoordelen. Daarbij wordt gelet op:

  • Bevat de brief concrete voorstellen aan Shell om vergaande klimaatverandering te stoppen?
  • Hebben jullie de voorstellen goed met argumenten onderbouwd?
  • Is de brief op een nette en correcte manier geschreven?
  • Hebben jullie geen storende taalfouten gemaakt in de brief?

Brief schrijven

Een brief is een goede manier om aan iemand te laten weten wat je van een bepaald
onderwerp vindt of iemand te vragen om in actie te komen rond een bepaald onderwerp.

 

Terugkijken

Intro

  • Lees de Introductie van de opdracht nog eens door.
    Is duidelijk waar het in deze opdracht over gaat?

Kan ik wat ik moet kunnen?

  • Lees de hoofdvraag en deelvragen nog eens door.
    Kun je oorzaken en gevolgen noemen van het versterkt broeikaseffect op aarde?

Hoe ging het?

  • Inhoud
    In de opdracht vergelijk je de stralings- en energiebalans op aarde.
    Ben je feiten tegengekomen die je nog niet wist of die je opmerkelijk vond? Noem er twee.
  • Samenvattend
    Was het eenvoudig om de genoemde begrippen te omschrijven?
    Vond je het ook zinvol om de begrippen met een klasgenoot te bespreken?

Bronnen

Websites:

Video's:

 

  • Het arrangement Het broeikaseffect en de stralingsbalans van de aarde - v456 is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    VO-content
    Laatst gewijzigd
    2022-03-09 16:13:57
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationale licentie.

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Toelichting
    Dit thema valt onder de arrangeerbare leerlijn van de Stercollecties voor Aardrijkskunde voor VWO leerjaar 4, 5 & 6. In het domein "Aarde" wordt het thema ''Broeikaseffect en de stralingsbalans van de aarde" besproken. Eerst wordt de samenstelling van de atmosfeer besproken, gevolgd door uitleg over het begrip "albedo". Albedo verwijst naar de mate van reflectie van een oppervlak op basis van zijn kleur, wat de hoeveelheid straling die de aarde absorbeert en daarmee opwarmt, beïnvloedt. De hoeveelheid straling die door de atmosfeer passeert en hoeveel de aarde daarvan absorbeert, wordt samengevat in de stralingsbalans van de aarde. Deze balans toont de gereflecteerde en geabsorbeerde straling. Natuurlijke factoren zoals zonneactiviteit, meteorietinslagen, variaties in de baan van de aarde rond de zon, continentale posities en lucht- en zeestromingen hebben invloed op het klimaat, inclusief natuurlijke klimaatopwarming. Maar het is van belang te beseffen dat deze factoren in vergelijking met door de mens veroorzaakte klimaatverandering slechts een kleine rol spelen. Daarom wordt ook uitleg gegeven over het versterkte broeikaseffect en hoe dit werkt.
    Leerniveau
    VWO 6; VWO 4; VWO 5;
    Leerinhoud en doelen
    Systeem aarde; Aardrijkskunde; Klimaat;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Studiebelasting
    6 uur en 0 minuten
    Trefwoorden
    aardrijkskunde, albedo, arrangeerbaar, broeikaseffect, energiebalans, klimaatopwarming, stercollectie, stralingsbalans, vwo456, zeestromingen

    Gebruikte Wikiwijs Arrangementen

    VO-content - Gereedschapskist. (2019).

    Gereedschapskist activerende werkvormen

    https://maken.wikiwijs.nl/105906/Gereedschapskist_activerende_werkvormen

    VO-content - Kennisbanken. (2019).

    Kennisbank Aardrijkskunde - v456

    https://maken.wikiwijs.nl/152369/Kennisbank_Aardrijkskunde___v456