Zonnestraling is een belangrijke meteorologische variabele die dient om de hoeveelheid "warmte" te bepalen die we van de zon op het aardoppervlak zullen ontvangen. Deze hoeveelheid zonnestraling wordt beïnvloed door klimaatverandering en het vasthouden van broeikasgassen.
Zonnestraling kan het aardoppervlak en objecten (inclusief onszelf) verwarmen, terwijl de lucht nauwelijks opwarmt. Bovendien is deze variabele cruciaal voor het evalueren van onze inspanningen in de strijd tegen klimaatverandering. Wil je alles weten over zonnestraling?
Zonnestraling gaat door de atmosfeer
Als we op een van deze hete zomerdagen op het strand liggen, gaan we lekker in de zon liggen. Hoe langer we op onze handdoek blijven liggen, hoe meer we merken dat ons lichaam opwarmt en onze temperatuur stijgt, totdat we een duik moeten nemen of de schaduw opzoeken omdat we verbranden. Wat is er dan gebeurd als de lucht zelf niet zo heet is? Wat er is gebeurd, is dat de zonnestralen door onze atmosfeer zijn gegaan en ons lichaam hebben verwarmd zonder de lucht zelf noemenswaardig op te warmen.
Iets vergelijkbaars met wat ons in deze situatie overkomt, gebeurt ook op aarde: de atmosfeer is bijna 'transparant' voor zonnestraling, maar het aardoppervlak en andere hemellichamen absorberen deze wel. De energie die de zon naar de aarde overdraagt, staat bekend als stralingsenergie. Straling reist door de ruimte in de vorm van golven die energie transporteren. Afhankelijk van de hoeveelheid energie die ze transporteren, worden ze ingedeeld in het elektromagnetische spectrum. We hebben de meest energierijke golven, zoals gammastralen, röntgenstralen en ultraviolette straling, maar ook golven met minder energie, zoals infraroodstraling, microgolven en radiogolven.
Alle lichamen zenden straling uit
Alle lichamen zenden straling uit afhankelijk van hun temperatuur. Dit wordt geregeld door de wet van Stefan-Boltzmann , die stelt dat de energie die een lichaam uitstraalt recht evenredig is met de vierde macht van zijn temperatuur. Daarom stralen de zon, een brandend stuk hout, ons eigen lichaam en zelfs een stuk ijs continu energie uit.
Dit brengt ons tot de vraag: waarom kunnen we de straling van de zon of een brandend stuk hout 'zien', maar niet de straling die we zelf uitzenden, van het aardoppervlak of van een stuk ijs? Wel, dit hangt grotendeels af van de temperatuur die elk object bereikt , en dus van de hoeveelheid energie die het uitstraalt. Hoe hoger de temperatuur van een object, hoe groter de hoeveelheid energie die het in zijn golven uitzendt, en daarom wordt het beter zichtbaar.
De zon heeft een temperatuur van 6.000 K en zendt voornamelijk straling uit in het zichtbare spectrum (ook wel lichtgolven genoemd). Daarnaast zendt de zon ultraviolette straling uit (die meer energie bevat en daarom bij langdurige blootstelling onze huid verbrandt), en de rest is infraroodstraling, die onmerkbaar is voor het menselijk oog. Dit is de reden waarom we de straling die ons eigen lichaam uitzendt niet kunnen waarnemen. Het menselijk lichaam heeft een temperatuur van ongeveer 37 graden Celsius en de straling die het uitzendt bevindt zich voornamelijk in het infraroodgebied.
Hoe zonnestraling werkt
Wetende dat objecten constant straling en energie uitzenden, roept waarschijnlijk een andere vraag op: waarom koelen objecten niet geleidelijk af als ze energie en straling uitzenden? Het antwoord is simpel: ze absorberen ook energie. Er is nog een wet, de wet van stralingsevenwicht, die stelt dat een object evenveel energie uitzendt als het absorbeert. Dit is de reden waarom objecten een constante temperatuur kunnen behouden.
In ons aarde-atmosfeersysteem vinden dus een reeks processen plaats waarbij energie wordt geabsorbeerd, uitgezonden en gereflecteerd, zodat de uiteindelijke balans tussen de straling die de bovenste atmosfeer bereikt vanuit de zon en de straling die de ruimte in ontsnapt nul is. Dit betekent dat de gemiddelde jaarlijkse temperatuur constant blijft. Wanneer zonnestraling de aarde binnendringt, wordt het grootste deel ervan geabsorbeerd door het aardoppervlak. Slechts een klein deel van de invallende straling wordt geabsorbeerd door wolken en lucht. De rest van de straling wordt gereflecteerd door het oppervlak, gassen en wolken en keert terug naar de ruimte.
De hoeveelheid straling die door een object wordt weerkaatst ten opzichte van de invallende straling, wordt 'albedo' genoemd. We kunnen dus stellen dat het aarde-atmosfeersysteem een gemiddelde albedo van 30% heeft. Vers gevallen sneeuw of sommige cumulonimbuswolken met een aanzienlijke verticale ontwikkeling hebben een albedo van bijna 90%, terwijl woestijnen een albedo van ongeveer 25% hebben en oceanen rond de 10% (waardoor ze bijna alle straling absorberen die hen bereikt).
Hoe meten we straling?
Om de zonnestraling die we op een bepaald punt ontvangen te meten, gebruiken we een apparaat dat een pyranometer wordt genoemd. Dit apparaat bestaat uit een sensor in een transparante halve bol die alle straling met zeer korte golflengten doorlaat. Deze sensor heeft afwisselend witte en zwarte segmenten die de straling verschillend absorberen. Het temperatuurverschil tussen deze segmenten wordt gekalibreerd op basis van de stralingsflux (gemeten in watt per vierkante meter).
Een schatting van de hoeveelheid zonnestraling die we ontvangen, kan ook worden verkregen door het aantal uren zonneschijn dat we hebben te meten. Om dit te doen, gebruiken we een instrument dat een heliograaf wordt genoemd. Dit wordt gevormd door een glazen bol gericht op het geografische zuiden, die als een groot vergrootglas fungeert en alle ontvangen straling concentreert in een gloeiend punt dat een speciale papieren tape verbrandt met een schaalverdeling met de uren van de dag.
Zonnestraling en verhoogd broeikaseffect
We hebben eerder gezegd dat de hoeveelheid zonnestraling die de aarde bereikt en verlaat gelijk is. Dit is niet helemaal waar, want als dat zo was, zou de gemiddelde wereldtemperatuur op onze planeet -88 graden Celsius zijn. We hebben iets nodig om warmte vast te houden en zo een comfortabele en leefbare temperatuur te behouden die leven op aarde mogelijk maakt. Hier komt het broeikaseffect om de hoek kijken. Wanneer zonnestraling het aardoppervlak bereikt, wordt bijna de helft ervan teruggekaatst in de atmosfeer voordat het de ruimte in wordt gestoten. We hebben besproken hoe wolken, lucht en andere atmosferische componenten een klein deel van de zonnestraling absorberen. Deze geabsorbeerde hoeveelheid is echter niet voldoende om een stabiele temperatuur te handhaven die onze planeet leefbaar zou maken. Hoe kunnen we leven met deze temperaturen?
Broeikasgassen zijn gassen die een deel van de warmte die door het aardoppervlak wordt uitgestraald vasthouden, waardoor deze niet terug de atmosfeer in kan ontsnappen. Voorbeelden van broeikasgassen zijn waterdamp, koolstofdioxide (CO2), stikstofoxiden, zwaveloxiden en methaan. Elk broeikasgas heeft een andere capaciteit om zonnestraling te absorberen. Hoe groter de capaciteit om straling te absorberen, hoe meer warmte het vasthoudt en voorkomt dat deze de ruimte in ontsnapt.
Door de hele menselijke geschiedenis heen is de concentratie broeikasgassen (met name CO2) gestaag toegenomen. Deze stijging is grotendeels te wijten aan de Industriële Revolutie en de verbranding van fossiele brandstoffen in de industrie, energieproductie en transport . De verbranding van fossiele brandstoffen zoals olie en steenkool produceert CO2- en methaanemissies. Deze steeds hogere emissies houden een aanzienlijke hoeveelheid zonnestraling vast, waardoor deze niet terug de ruimte in kan ontsnappen.
Dit staat bekend als het broeikaseffect. De toename van dit effect, dat we het broeikaseffect noemen, is echter contraproductief , omdat we hiermee de gemiddelde wereldtemperatuur steeds verder laten stijgen. Hoe hoger de concentratie van deze stralingsabsorberende gassen in de atmosfeer, hoe meer warmte ze vasthouden en hoe hoger de temperaturen dus zullen stijgen.
Zonnestraling en klimaatverandering
De opwarming van de aarde is wereldwijd bekend. Deze temperatuurstijging door het grote vasthouden van zonnestraling veroorzaakt een verandering in het wereldklimaat. Het betekent niet alleen dat de gemiddelde temperatuur van de planeet zal stijgen, maar dat het klimaat en alles wat daarmee samenhangt, zal veranderen.
Stijgende temperaturen veroorzaken instabiliteit in luchtstromen, oceaanmassa's, de verspreiding van soorten, de opeenvolging van seizoenen en een toename van extreme weersomstandigheden (zoals droogte, overstromingen, orkanen, enz.) . Om ons stralingsevenwicht op een stabiele manier te herstellen, moeten we daarom de uitstoot van broeikasgassen verminderen en ons klimaat herstellen.
