Het natuurlijk broeikaseffect

Klimaat is gerelateerd aan een gemiddelde weertoestand waarbij meteorologen bepaalde waarden (zoals temperatuur, neerslag, windsnelheid, ...) middelen over een periode van 30 jaar. Extremen (zoals tropische cyclonen, overstromingen, droogte, ...) en hun variatie met de seizoenen (bv. moessons in India) bepalen echter het klimaat in een regio.

De "motor", die het klimaat aandrijft, is stralingsenergie afkomstig van de dichtstbijzijnde ster, onze zon. (= stralingsforcering)

De stralingsforcering bestaat uit:

kortgolvige straling (UV-straling, straling in het zichtbare gebied en het nabije infrarood) uitgezonden door de zon.
langgolvige straling (thermisch infrarood), die de aarde terug uitzendt, na absorptie van de inkomende kortgolvige straling.

Niet alle inkomende straling wordt door het aardoppervlak geabsorbeerd:

Een gedeelte van de straling wordt, zoals u ziet op de afbeelding, als kortgolvige straling gereflecteerd door atmosfeer, wolken en aardoppervlak (vooral oppervlakten bedekt met sneeuw en ijs en wateroppervlakte op hogere geografische breedte).
De planetaire albedo is de fractie van het invallende zonlicht, dat uiteindelijk naar de ruimte wordt gereflecteerd. De mondiale gemiddelde waarde is nu ongeveer 0.3 (1=volledige terugkaatsing, 0=volledige absorptie).
Een gedeelte (ongeveer 19%) wordt door de atmosfeer geabsorbeerd:

Voor de UV-straling geldt dat het grootste gedeelte van de UV-C-straling wordt geabsorbeerd door moleculair zuurstof in de hogere atmosfeer. De resterende UV-C-straling en een gedeelte van de UV-B-straling worden door ozon geabsorbeerd in de stratosfeer.
Voor het infrarood geldt dat een gedeelte van het nabije infrarood wordt geabsorbeerd door vooral waterdamp en koolstofdioxide.

Ongeveer de helft van de inkomende zonnestraling, die de atmosfeer binnendringt, bereikt het oppervlak. Het aardoppervlak zendt de geabsorbeerde straling terug uit onder de vorm van thermische infrarode straling. Deze straling wordt voor een groot deel weer door de atmosfeer geabsorbeerd. De atmosfeer zendt op haar beurt de geabsorbeerde straling in alle richtingen uit, dus ook in de richting van het aardoppervlak. Deze infrarode straling is dus een extra bron van energie voor het aardoppervlak (=atmosferische tegenstraling). De temperatuur nabij het oppervlak is daarmee hoger dan wanneer er geen atmosfeer zou zijn (=natuurlijke broeikaseffect). De bijdrage van elk broeikasgas aan het totale broeikaseffect is afhankelijk van de golflengten die worden geabsorbeerd en van de atmosferische concentratie.

De volgende grafiek geeft het absorptiespectrum weer voor de gehele atmosfeer in functie van de golflengte. Je ziet dat niet alleen waterdamp (H₂O) en koolstofdioxide (CO₂) thermische IR straling absorberen, maar dat ook methaan (CH₄) en lachgas (N₂O) een bijdrage leveren.

In realiteit varieert het klimaat sterk in ruimte en in tijd. Er is een groot verschil in absorptie van zonnestraling door het aardoppervlak. Als gevolg van de afnemende zonshoogte in functie van de geografische breedte ontstaat er een toename van het albedo in de richting van beide polen.



	Bron: ClimatePrediction.net

Bovenstaande grafiek geeft aan hoe de inkomende kortgolvig straling (blauw) en de uitgaande langgolvige straling (rood) variëren met de geografische breedte. De x-as geeft de geografische breedte aan (0°=evenaar) en de y-as de hoeveelheid stralingsenergie. De tropen absorberen netto energie ("excess": de hoeveelheid geabsorbeerde energie > de hoeveelheid uitgaande energie) in tegenstelling tot de polen, die netto energie emitteren ("deficit") in de vorm van langgolvige straling.

Omdat elk systeem streeft naar energie-evenwicht, moet de aarde continu warmte "verpompen" van de tropen naar de polen. Dit warmtetransport vindt plaats:

Via de atmosfeer: Energie (warmte) wordt op de evenaar naar hogere lagen in de atmosfeer getransporteerd door voelbare warmte (droge convectie) en door latente warmte (natte convectie). Latente warmte neemt ongeveer 80% van het verticale transport voor zijn rekening. Daar watermoleculen in de gasfase een hogere energie (hogere trillingsfrequentie) hebben dan watermoleculen in de vloeistoffase zal bij condensatie van waterdamp tot wolken de latente warmte vrijkomen. Buien zijn daardoor zeer effectief in het transporteren van energie van het aardoppervlak naar de atmosfeer. De stijging van de equatoriale lucht heeft tot gevolg dat op elk halfrond lucht uit de subtropen en de gematigde zones naar de evenaar beweegt. Deze luchtstroming wordt op grotere hoogte gecompenseerd door luchtstromen vanaf de evenaar naar het noorden en het zuiden. Deze lucht koelt door uitstraling af, terwijl ze in de richting van de polen stroomt. Omdat de aarde rond haar as draait zullen luchtmassa's niet rechtstreeks van de evenaar naar de polen bewegen (coriolis-effect), maar bewegen volgens een patroon van 3 cellen:



	Bron: ClimatePrediction.net

Via de oceanen: De oppervlaktestromingen worden in hoofdzaak aangedreven door atmosferische winden. Stromingen in de diepte worden aangedreven door variaties in temperatuur en zoutgehalte (=thermohaline circulatie):



	Bron: ClimatePrediction.net

Dankzij het natuurlijke broeikaseffect bedraagt de gemiddelde mondiale temperatuur ongeveer 15°C. Zonder atmosferische tegenstraling zou de gemiddelde temperatuur op aarde niet hoger uitkomen dan -18°C !