Atmosferische temperatuur

Het verticale temperatuurprofiel

De rol van de zon in de atmosferische temperatuur

Het broeikaseffect

Bronnen

De temperatuur van de aardatmosfeer varieert met de afstand tot de evenaar (breedtegraad) en de hoogte boven het aardoppervlak (hoogte). Hij verandert ook met de tijd, variërend van seizoen tot seizoen, en van dag tot nacht, en ook onregelmatig door passerende weersystemen. Wanneer men echter de plaatselijke variaties op wereldschaal uitmiddelt, ontstaat er een patroon van wereldgemiddelde temperaturen. Verticaal gezien is de atmosfeer verdeeld in vier lagen: de troposfeer, de stratosfeer, de mesosfeer en de thermosfeer.

Het verticale temperatuurprofiel

Het gemiddelde van de atmosfeertemperaturen over alle breedtegraden en over een heel jaar geeft ons het gemiddelde verticale temperatuurprofiel dat bekend staat als een standaardatmosfeer. Het gemiddelde verticale temperatuurprofiel suggereert vier verschillende lagen (figuur 1). In de eerste laag, die bekend staat als de troposfeer, daalt de gemiddelde atmosfeertemperatuur gestaag vanaf de waarde aan het oppervlak, ongeveer 290 K (63 °F; 17°C) en bereikt een minimum van ongeveer 220 K (-64 °F; -53°C) op een hoogte van ongeveer 10 km. Dit niveau, bekend als de tropo-pauze, ligt net boven de vlieghoogte van commerciële straalvliegtuigen. De daling van de temperatuur met de hoogte, die de lapsnelheid wordt genoemd, is in de gehele troposfeer vrijwel constant op 43,7°F (6,5°C) per 0,6 mi (1 km). Bij de tropopauze neemt de snelheid van het verval abrupt af. De atmosferische temperatuur is bijna constant over de volgende 20 km, en begint dan te stijgen met toenemende hoogte tot ongeveer 50 km. Dit gebied van stijgende temperaturen is de stratosfeer. Aan de top van de laag, de stratopauze genoemd, zijn de temperaturen bijna even warm als aan de oppervlakte. Tussen ongeveer 31-50 mi (50-80 km) ligt de mesosfeer, waar de atmosfeertemperatuur weer begint te dalen met de hoogte en een minimum bereikt van 180 K (-136°F;-93°C) aan de top van de laag (de mesopauze), ongeveer 50 mi (80 km). Boven de mesopauze bevindt zich de thermosfeer, die, zoals de naam al aangeeft, een zone van hoge gastemperaturen is. In de zeer hoge thermosfeer (ongeveer 311 mi (500 km) boven het aardoppervlak) kunnen de gastemperaturen oplopen van 500-2.000 K (441-3, 141°F; 227-1, 727°C). De temperatuur is een maat voor de energie van de beweging van de gasmoleculen. Hoewel zij een hoge energie hebben, zijn de moleculen in de thermosfeer in zeer lage aantallen aanwezig, minder dan een miljoenste van de hoeveelheid die gemiddeld aan het aardoppervlak aanwezig is.

De atmosferische temperatuur kan ook worden uitgezet als een functie van zowel de breedtegraad als de hoogte. De figuren 2 en 3 tonen dergelijke grafieken, met de breedtegraad als x-coördinaat en de hoogte als y.

De rol van de zon in de atmosfeertemperatuur

De meeste zonnestraling wordt uitgezonden als zichtbaar licht, met kleinere gedeelten bij kortere golflengten (ultraviolette straling) en langere golflengten (infrarode straling, of warmte). Weinig van het zichtbare licht wordt door de atmosfeer geabsorbeerd (hoewel een deel door wolken in de ruimte wordt teruggekaatst), zodat het grootste deel van deze energie door het aardoppervlak wordt geabsorbeerd. De aarde wordt daarbij opgewarmd en straalt warmte (infrarode straling) naar boven uit. Hierdoor wordt de atmosfeer verwarmd, en net zoals men warmer wordt als men dichter bij een vuur staat, zijn de luchtlagen die zich het dichtst bij het oppervlak bevinden het warmst.

Volgens deze verklaring zou de temperatuur voortdurend moeten dalen met de hoogte. Figuur 1 laat echter zien dat de temperatuurS met de hoogte toeneemt in de stratosfeer. De stratosfeer bevat bijna alle ozon van de atmosfeer. Ozon (O3) en moleculaire zuurstof (O2) absorberen het grootste deel van de ultraviolette straling met korte golflengte van de zon. Tijdens dit proces worden zij uit elkaar gehaald en hervormen zich voortdurend. Het netto resultaat is dat de ozonmoleculen de ultraviolette straling omzetten in warmte-energie, waardoor de laag opwarmt en het stijgende temperatuurprofiel veroorzaakt dat in de stratosfeer wordt waargenomen.

In de mesosfeer neemt de temperatuur weer af naarmate de hoogte toeneemt. De thermosfeer is echter onderhevig aan ultraviolette en röntgenstraling met zeer hoge energie en korte golflengte. Wanneer de op dit niveau aanwezige atomen of moleculen een deel van deze energie absorberen, worden zij geïoniseerd

(er wordt een elektron verwijderd) of gedissocieerd (moleculen worden gesplitst in hun samenstellende atomen). De gaslaag wordt sterk verhit door dit energiebombardement, vooral tijdens perioden waarin de zon grote hoeveelheden kortegolfstraling uitzendt.

Het broeikaseffect

De zonne-energie is niet de enige bepalende factor voor de temperatuur van de atmosfeer. Zoals hierboven opgemerkt, absorbeert het aardoppervlak zonnestraling in het zichtbare gebied,

KEY TERMS

Broeikaseffect -De opwarming van de aardatmosfeer als gevolg van het opvangen van warmte die door bepaalde gassen in de atmosfeer van de aarde wordt teruggestraald.

Infrarode straling -Straling vergelijkbaar met zichtbaar licht, maar met een iets langere golflengte.

Lapse rate -De snelheid waarmee de atmosfeer afkoelt met toenemende hoogte, gegeven in eenheden van graden C per kilometer.

Mesosfeer -De derde laag van de atmosfeer, liggend tussen ongeveer 50 en 80 kilometer hoogte en gekenmerkt door een kleine lapse rate.

Stratosfeer -Een laag van de bovenste atmosfeer boven een hoogte van 5-10,6 mi (8-17 km) en zich uitstrekkend tot ongeveer 31 mi (50 km), afhankelijk van het seizoen en de breedtegraad. Binnen de stratosfeer verandert de luchttemperatuur weinig met de hoogte, en er zijn weinig convectieve luchtstromen.

Thermosfeer -De bovenste laag van de atmosfeer, beginnend op ongeveer 50 mi (80 km) en zich uitstrekkend tot honderden mijlen of kilometers in de ruimte. Door het bombardement met zeer energetische zonnestraling kan deze laag zeer hoge gastemperaturen hebben.

Troposfeer -De luchtlaag tot 15 mi (24 km) boven het aardoppervlak, ook bekend als de onderste atmosfeer.

Ultraviolette straling -Straling vergelijkbaar met zichtbaar licht, maar van kortere golflengte, en dus hogere energie.

Röntgenstraling -Lichtstraling met golflengten korter dan de kortste ultraviolet; zeer energetisch en schadelijk voor levende organismen.

Zendt infrarode straling terug naar de ruimte. Verscheidene atmosferische gassen absorberen deze warmtestraling en stralen deze opnieuw uit in alle richtingen, ook terug naar het aardoppervlak. Deze zogenaamde broeikasgassen houden de infrarode straling vast in de atmosfeer, waardoor de temperatuur stijgt. Belangrijke broeikasgassen zijn waterdamp (H2 O), kooldioxide (CO2) en methaan (CH4). Geschat wordt dat de temperatuur van het aardoppervlak gemiddeld ongeveer 32°C (90°F) koeler zou zijn als er geen broeikasgassen zouden zijn. Omdat deze temperatuur ver onder het vriespunt van water ligt, zou de planeet zonder broeikaseffect veel minder geschikt zijn voor leven.

Weliswaar zijn broeikasgassen essentieel voor het leven op aarde, maar meer is niet per se beter. Sinds het begin van de industriële revolutie halverwege de negentiende eeuw heeft de mens door de verbranding van fossiele brandstoffen steeds grotere hoeveelheden kooldioxide in de atmosfeer gebracht. Het niveau van kooldioxide dat in de verre atmosfeer wordt gemeten, is sinds het begin van de metingen in 1958 voortdurend gestegen. Als deze stijging zich vertaalt in een overeenkomstige stijging van de atmosfeertemperatuur, kan dit onder meer leiden tot het smelten van de poolijskappen en het zwellen van de zeeën, met als gevolg dat kuststeden onder de oceaan komen te liggen; verschuivingen in het klimaat die wellicht leiden tot uitstervingen; en onvoorspelbare veranderingen in wind- en weerpatronen, wat de landbouw voor grote uitdagingen stelt. Het voorspellen van de veranderingen die een toename van broeikasgassen met zich mee kan brengen, is een gecompliceerde zaak. De interactie tussen de atmosfeer, de oceanen, de continenten en de ijskappen wordt niet volledig begrepen. Hoewel bekend is dat een deel van de uitgestoten kooldioxide door de oceanen wordt geabsorbeerd en uiteindelijk als carbonaatgesteente (zoals kalksteen) wordt afgezet, is niet bekend of dit een gestaag proces is en of het gelijke tred kan houden met het huidige productieniveau van kooldioxide.