书籍暂未推出简体中文版——当前显示 Nederlands 版。
Aard- en ruimtewetenschappen basisschool en onderbouw · 1–9 年级
23De atmosfeer
Op een weerstation loopt een meteoroloog vlak voor het afgesproken uur het grasveld op met een ballon gevuld met waterstof of helium, ongeveer in doorsnee. Daaronder hangen aan een lang touw een kleine oranje parachute en een instrumentkastje van 60 tot 80 gram: een radiosonde. Ze laat los. De ballon stijgt ongeveer per minuut, en elke seconde zendt de radiosonde de druk, de temperatuur, de luchtvochtigheid en haar positie door. Terwijl de ballon stijgt, zwelt hij op, tot hij 6 tot in doorsnee is en knapt, vaak meer dan hoog, twee uur na de lancering. Op dezelfde uren van elke dag speelt hetzelfde tafereel zich af op meer dan 800 stations over de hele wereld.
Waarom zwelt de ballon op terwijl hij stijgt? Wat meet de radiosonde op weg naar boven, en waarom blijft de temperatuur niet gewoon dalen? Waar houdt de lucht op?
Wat je al weet
De atmosfeer is de laag lucht rond de Aarde. Lucht drukt op alles wat ze raakt: dat is de luchtdruk, gemeten met een barometer (de natuurkundeboeken). Weerdiensten geven hem in hectopascal (hPa); op zeeniveau is hij ongeveer . Droge lucht bestaat voor ongeveer 78 % uit stikstof en 21 % uit zuurstof, met een beetje argon, koolstofdioxide en andere gassen (de scheikundeboeken). Wolken bestaan uit piepkleine waterdruppeltjes of ijskristallen (Hoofdstuk 7).
23.1 Een dun omhulsel
Gezien vanuit het Internationale Ruimtestation is de atmosfeer een dunne gloeiende lijn langs de rand van de Aarde. Het grootste deel van de lucht, en bijna alle wolken, bevinden zich in de onderste paar kilometers.
De atmosfeer heeft geen scherpe bovengrens: de lucht wordt met de hoogte steeds ijler. Volgens afspraak begint de ruimte op ongeveer . Vergeleken met de straal van de Aarde, , is dat heel weinig: , minder dan 2 % van de straal. Op een globe van doorsnee zou de hele atmosfeer een laagje van ongeveer dik zijn.
23.2 De druk neemt af met de hoogte
De lucht onderin de atmosfeer draagt het gewicht van alle lucht erboven. Hoe hoger je klimt, hoe minder lucht er boven je overblijft, en hoe lager de druk. In het standaardmodel van de atmosfeer dat meteorologen en ingenieurs gebruiken, is de druk op zeeniveau , op ongeveer de helft daarvan, en op ongeveer een kwart.
Omdat de druk het gewicht van de lucht erboven meet, is het niveau van de halve druk ook de hoogte waaronder de helft van alle lucht ligt: de helft van de atmosfeer is samengeperst in haar onderste . Onder ligt ongeveer 78 % van de lucht, onder ongeveer 99 %.
Hoger blijft de druk dalen, telkens met ongeveer de helft na een paar kilometer, zodat hij al snel heel klein wordt. Machten van tien zijn de beste manier om hem te schrijven. Op is de druk ongeveer , ruwweg van zijn waarde op zeeniveau (een honderdste); op ongeveer , ruwweg ; op ongeveer , ruwweg van de druk op zeeniveau.
23.3 Temperatuur en de lagen
Iedereen die een berg heeft beklommen, weet dat de lucht met de hoogte kouder wordt. De radiosondes laten zien dat dit alleen in het onderste deel van de atmosfeer klopt. Hoger stopt de temperatuur met dalen, dan stijgt ze, dan daalt ze weer, en dan stijgt ze nog eens. Deze veranderingen verdelen de atmosfeer in lagen.
Definitie 23.1 (De lagen van de atmosfeer)
Van de grond af naar boven is de atmosfeer verdeeld in vier lagen, naar de manier waarop haar temperatuur met de hoogte verandert:
- de troposfeer, waar de temperatuur met de hoogte daalt en waar bijna al het weer zich afspeelt; haar bovengrens is de tropopauze;
- de stratosfeer, waar de temperatuur met de hoogte stijgt, tot ongeveer ;
- de mesosfeer, waar de temperatuur weer daalt, tot ongeveer ;
- de thermosfeer, waar de heel ijle lucht met de hoogte steeds heter wordt.
De troposfeer bevat ongeveer 99 % van de waterdamp van de atmosfeer, dus vormen bijna alle wolken, regen en sneeuw zich daarin. Haar lucht wordt voortdurend omgewoeld. De bovenkant van de troposfeer ligt niet overal op dezelfde hoogte: de tropopauze ligt het hoogst boven de evenaar, waar ze kan bereiken, en het laagst boven de polen, waar ze in de winter tot kan zakken. Ze ligt ook hoger in de zomer dan in de winter. In de standaardatmosfeer, een gemiddelde voor de gematigde breedten, ligt ze op .
Definitie 23.2 (Verticale temperatuurgradiënt)
De verticale temperatuurgradiënt is de snelheid waarmee de temperatuur van de lucht in de troposfeer met de hoogte daalt, in graden Celsius per kilometer. Hij verandert van dag tot dag en van plaats tot plaats; de standaardatmosfeer gebruikt een gemiddelde van per kilometer.
Methode 23.3 (Een temperatuurprofiel lezen)
- Zoek de hoogte op de verticale as en ga horizontaal naar de kromme; lees de temperatuur eronder af.
- Waar de kromme naar boven toe naar links helt, koelt de lucht af met de hoogte; waar ze naar rechts helt, warmt de lucht op met de hoogte; waar ze verticaal staat, verandert de temperatuur niet.
- De grenzen tussen de lagen liggen waar de kromme van richting verandert.
Voorbeeld 23.4 (Een lijnvliegtuig op kruishoogte)
Een lijnvliegtuig vliegt op , bij de tropopauze. Op het profiel is de temperatuur daar ongeveer . Met de temperatuurgradiënt: vanaf op zeeniveau koelt de lucht graden af, wat geeft. Op de drukkromme is de druk ongeveer , minder dan een kwart van de druk op de grond: de cabine moet onder druk worden gezet.
Boven de tropopauze, in de stratosfeer, vinden lijnvliegtuigen een rustiger vlucht: de lucht daar wordt met de hoogte warmer, dus wordt ze niet van onderaf omgewoeld. In de mesosfeer verbranden de meeste meteoren, en aan haar bovenkant, rond , bevindt zich de koudste lucht van de hele atmosfeer, ongeveer . In de thermosfeer verhitten de röntgenstraling en het ultraviolette licht van de Zon de heel ijle lucht tot honderden, soms duizenden graden; toch is er zo weinig lucht dat ze niet warm zou aanvoelen. Veel satellieten draaien daar om de Aarde.
23.4 De ozonlaag
De stratosfeer wordt met de hoogte warmer omdat ze een deel van het zonlicht absorbeert. Het gas dat het meeste daarvan doet, is ozon, een vorm van zuurstof (de scheikunde ervan staat in de scheikundeboeken).
Definitie 23.5 (Ozonlaag)
De ozonlaag is het deel van de stratosfeer, tussen ongeveer en , waar ongeveer 90 % van het ozon van de atmosfeer zit. Ze absorbeert het grootste deel van het schadelijke ultraviolette licht van de Zon.
Zelfs in de ozonlaag is ozon zeldzaam: maar 1 tot 10 moleculen op een miljoen. Toch houdt het samen met zuurstof tussen 95 % en 99.9 % tegen van het ultraviolette licht dat de Aarde bereikt, ook de schadelijkste soorten. De energie die het absorbeert, wordt omgezet in warmte; daarom stijgt de temperatuur door de stratosfeer heen. Zonder de ozonlaag zou het ultraviolette licht dat de grond bereikt levende wezens schaden.
In het veld — De weerballonnen volgen
Weerdiensten publiceren de metingen van hun radiosondes, vaak als een diagram van de temperatuur tegen de hoogte voor elke lancering. Zoek samen met een volwassene de peilingen op van het station dat het dichtst bij je ligt, gedaan om 00.00 of 12.00 uur UTC. Zoek de hoogte waar de temperatuur stopt met dalen: dat is de tropopauze op die dag. Vergelijk een peiling in de winter met een in de zomer.
23.5 Oefeningen
Oefening 23.1 ★
Koppel elke laag aan haar beschrijving: troposfeer; stratosfeer; mesosfeer; thermosfeer. (a) De temperatuur stijgt met de hoogte en de ozonlaag bevindt zich daar. (b) Bijna al het weer speelt zich daar af. (c) De koudste lucht van de atmosfeer bevindt zich aan de bovenkant ervan. (d) De heel ijle lucht wordt tot honderden graden verhit; veel satellieten draaien daar.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.1.
(a) stratosfeer; (b) troposfeer; (c) mesosfeer; (d) thermosfeer.
Oefening 23.2 ★
Gebruik het temperatuurprofiel van de standaardatmosfeer. (a) Wat is de temperatuur op zeeniveau? (b) Op ? (c) Op ? (d) Op ? (e) Tussen welke hoogten verandert de temperatuur niet?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.2.
(a) . (b) Ongeveer . (c) Ongeveer . (d) Ongeveer . (e) Van tot ongeveer (en over een paar kilometer rond en net boven ).
Oefening 23.3 ★
Waar of niet waar? Verbeter de onware zinnen. (a) De temperatuur van de lucht daalt altijd met de hoogte. (b) De helft van alle lucht ligt onder ongeveer . (c) De ozonlaag bevindt zich in de troposfeer. (d) De tropopauze ligt boven de evenaar hoger dan boven de polen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.3.
(a) Niet waar: ze daalt in de troposfeer, stijgt in de stratosfeer, daalt in de mesosfeer en stijgt weer in de thermosfeer. (b) Waar. (c) Niet waar: ze bevindt zich in de stratosfeer. (d) Waar.
Oefening 23.4 ★
In welke laag bevindt elk van deze zich? (a) Een regenwolk. (b) Een lijnvliegtuig op . (c) Een weerballon vlak voordat hij knapt, op . (d) Een meteoor die op verbrandt.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.4.
(a) De troposfeer. (b) De stratosfeer (in de standaardatmosfeer ligt de tropopauze op ). (c) De stratosfeer. (d) De mesosfeer.
Oefening 23.5 ★★
Op een zomerdag is het op zeeniveau . Stel dat de lucht per kilometer afkoelt. (a) Wat is de temperatuur op ? (b) Op ? (c) Op ongeveer welke hoogte bereikt de lucht ? Rond af op één decimaal.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.5.
(a) . (b) . (c) De lucht moet 20 graden afkoelen: , dus op ongeveer .
Oefening 23.6 ★★
Een berghut staat op . Een wandelaar vertrekt uit een dorp op , waar het is. Met een temperatuurgradiënt van per kilometer: (a) Hoeveel kilometer klimt de wandelaar? (b) Hoeveel graden koelt de lucht af? (c) Welke temperatuur kan de wandelaar bij de hut verwachten?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.6.
(a) . (b) : ongeveer 16 graden. (c) .
Oefening 23.7 ★★
Stel dat de druk elke halveert, te beginnen met op zeeniveau. (a) Wat is de druk op ? Op ? Op ? (b) De standaardatmosfeer geeft op deze drie hoogten ongeveer , en (bij op zeeniveau). Is de halveringsregel goed dicht bij de grond? En hoger?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.7.
(a) , en . (b) Dicht bij de grond is de regel goed ( tegenover ). Hoger geeft hij te veel: tegenover , en tegenover . De halveringsregel is maar een ruwe leidraad.
Oefening 23.8 ★★
Op zeeniveau is de druk ongeveer , dat is hPa. (a) Op is hij ongeveer . Schrijf dit als een macht van tien, en zeg hoeveel keer kleiner hij is dan op zeeniveau. (b) Op is hij ongeveer . Schrijf dit als een macht van tien. (c) Hoeveel keer kleiner dan op zeeniveau is hij?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.8.
(a) hPa; : honderd keer kleiner. (b) hPa. (c) : honderdduizend keer kleiner.
Oefening 23.9 ★★
Een weerballon is bij de lancering in doorsnee en als hij knapt. (a) Hoeveel keer breder is hij als hij knapt? (b) Leg uit waarom hij opzwelt terwijl hij stijgt. (c) Waarom hangen weerdiensten er een parachute onder?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.9.
(a) keer breder. (b) Terwijl hij stijgt, drukt de lucht eromheen steeds minder hard, dus zet het gas binnenin uit en groeit de ballon tot zijn wand scheurt. (c) Nadat de ballon is geknapt, remt de parachute de val van de radiosonde af, zodat die niemand verwondt en niets beschadigt.
Oefening 23.10 ★★
De tropopauze kan boven de evenaar bereiken en boven de polen in de winter tot zakken. (a) Hoeveel keer dikker is de troposfeer boven de evenaar in dit geval? Rond af op één decimaal. (b) Op het standaardprofiel ligt de tropopauze op . Ligt de standaardatmosfeer dichter bij die van de evenaar of bij die van de polen? (c) Een piloot vliegt van een poolgebied naar de evenaar op een vaste hoogte van . Bevindt het vliegtuig zich aan het begin (in de winter) in de troposfeer of in de stratosfeer? En aan het eind?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.10.
(a) keer dikker. (b) Dichter bij die van de polen: ligt boven maar onder (het profiel beschrijft de gematigde breedten, niet de evenaar). (c) Aan het begin ligt de tropopauze op ongeveer , onder het vliegtuig: het vliegtuig bevindt zich in de stratosfeer. Aan het eind ligt de tropopauze op ongeveer : het vliegtuig bevindt zich in de troposfeer.
Oefening 23.11 ★★★
Het deel van alle lucht dat onder een bepaalde hoogte ligt, is , waarbij de druk op die hoogte is en de druk op zeeniveau. (a) Op is : welk deel van de lucht ligt eronder? (b) Op is . (c) Op is . Geef de antwoorden in procenten, in hele getallen. (d) Welk deel van de lucht ligt boven ?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.11.
(a) : 50 %. (b) : 78 %. (c) : 99 %. (d) Ongeveer 1 %.
Oefening 23.12 ★★★
Een schoolglobe is in doorsnee, dus zijn straal, , staat voor de straal van de Aarde, . (a) Voor hoeveel kilometer staat op de globe? Rond af op een hele kilometer. (b) Hoe dik, in millimeter, zou de atmosfeer tot op deze globe zijn? (c) En de troposfeer, die dik is? (d) Een vel papier is ongeveer dik. Hoeveel vellen zouden de troposfeer van de globe vormen?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.12.
(a) km per centimeter. (b) cm, ongeveer . (c) cm, ongeveer . (d) : twee of drie vellen papier.
23.6 Probleem: Een weerballon volgen
Probleem 23.1
Weekendprobleem — een weerballon stijgt door de atmosfeer; zijn temperaturen tonen de lagen, en zijn drukken tonen waar nog een kwart van de druk op zeeniveau over is
Een radiosonde wordt opgelaten vanaf een station op zeeniveau. De ballon stijgt met ongeveer per minuut. De tabel geeft de druk en de temperatuur die de sonde meet (de waarden van de standaardatmosfeer, afgerond).
| hoogte (km) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| druk (hPa) | 1013 | 795 | 617 | 472 | 357 | 265 | 194 | 142 |
| temperatuur (C) | 15 | 2 | ||||||
| hoogte (km) | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28 | 30 |
| druk (hPa) | 104 | 76 | 55 | 40 | 30 | 22 | 16 | 12 |
| temperatuur (C) |
Deel I — De klim.
- Hoeveel meter stijgt de ballon in 10 minuten?
- Hoe lang doet hij erover om te bereiken? En ?
- De ballon knapt op . Hoe lang heeft de vlucht geduurd, in uren en minuten?
- Noem de laag waarin de ballon zich op bevindt, en de laag waarin hij zich bevindt als hij knapt.
Deel II — De temperatuur.
- Hoeveel graden daalt de temperatuur tussen de grond en ?
- Wat is de temperatuurgradiënt in graden per kilometer in dit deel van de klim?
- Tussen welke hoogten blijft de temperatuur gelijk? Waar ligt de tropopauze?
- Wat gebeurt er met de temperatuur boven ? Welk gas verklaart dat?
Deel III — De druk.
- Wat is de helft van de druk op zeeniveau? Tussen welke hoogten wordt die bereikt?
- Wat is een kwart van de druk op zeeniveau? Rond af op een hele hectopascal.
- Tussen welke twee hoogten van de tabel wordt dit kwart bereikt?
- De druk daalt tussen en met . Op ongeveer welke hoogte is de druk een kwart van zijn waarde op zeeniveau, als je aanneemt dat hij gelijkmatig daalt? Rond af op één decimaal.
Oplossing
Oplossing van Probleem 23.1.
1. m.
2. minuten; minuten.
3. 100 minuten, dat is 1 uur en 40 minuten.
4. Op : de troposfeer (de temperatuur daalt nog). Op : de stratosfeer.
5. graden.
6. per kilometre.
7. Van tot blijft ze . De afkoeling stopt tussen en : de tropopauze ligt op ongeveer .
8. Ze stijgt: op , op . De ballon bevindt zich in de stratosfeer, die wordt opgewarmd door het ozon dat het ultraviolette licht van de Zon absorbeert.
9. ; die wordt bereikt tussen () en ().
10. .
11. Tussen () en ().
12. Vanaf moet de druk nog hPa dalen, van de 71 hPa die hij over 2 km verliest: km. De druk is een kwart van zijn waarde op zeeniveau op ongeveer .