Aardwetenschappen

Lesdoelstellingen

• som de belangrijkste lagen van de atmosfeer en hun temperaturen op.
• Bespreek waarom alle weersomstandigheden plaatsvinden in de troposfeer.
• bespreken hoe de ozonlaag het oppervlak beschermt tegen schadelijke straling.,

Woordenschat

• aurora
• exosfeer
• inversie
• ionosfeer
• magnetosfeer
• mesosfeer
• ozonlaag
• zonne-wind
• stratosfeer
• temperatuur gradiënt
• thermosfeer
• troposfeer

Inleiding

De sfeer is gelaagd, wat overeenkomt met hoe de sfeer van de veranderingen in temperatuur met de hoogte. Door te begrijpen hoe de temperatuur verandert met de hoogte, kunnen we veel leren over hoe de atmosfeer werkt., Terwijl het weer plaatsvindt in de lagere atmosfeer, gebeuren interessante dingen, zoals het prachtige aurora, hoger in de atmosfeer.

luchttemperatuur

waarom stijgt warme lucht (figuur hierboven)? Gasmoleculen kunnen vrij bewegen en als ze niet worden vastgehouden, zoals in de atmosfeer, kunnen ze meer of minder ruimte innemen.

• wanneer gasmoleculen koel zijn, zijn ze traag en nemen ze minder ruimte in beslag., Met hetzelfde aantal moleculen in minder ruimte zijn zowel de luchtdichtheid als de luchtdruk hoger.
• wanneer gasmoleculen warm zijn, bewegen ze krachtig en nemen ze meer ruimte in beslag. Luchtdichtheid en luchtdruk zijn lager.

warmere, lichtere lucht is meer drijfkracht dan de koelere lucht erboven, dus het stijgt. De koelere lucht zakt dan naar beneden, omdat het dichter is dan de lucht eronder. Dit is convectie, die werd beschreven in het hoofdstuk platentektoniek.

de eigenschap die het meest opvallend verandert met hoogte is de luchttemperatuur., In tegenstelling tot de verandering in druk en dichtheid, die met hoogte afnemen, zijn veranderingen in luchttemperatuur niet regelmatig. Een verandering in temperatuur met afstand wordt een temperatuurgradiënt genoemd.

de atmosfeer wordt verdeeld in lagen gebaseerd op hoe de temperatuur in die laag verandert met de hoogte, de temperatuurgradiënt van de laag (figuur hieronder). De temperatuurgradiënt van elke laag is anders. In sommige lagen neemt de temperatuur toe met de hoogte en in andere neemt het af. De temperatuurgradiënt in elke laag wordt bepaald door de warmtebron van de laag (figuur hieronder).,

De meeste belangrijke processen van de atmosfeer vinden plaats in de laagste twee lagen: de troposfeer en de stratosfeer.,

troposfeer

De temperatuur van de troposfeer is het hoogst nabij het aardoppervlak en neemt af met de hoogte. Gemiddeld is de temperatuurgradiënt van de troposfeer 6,5°C per 1.000 m (3,6°F per 1.000 ft.) van hoogte. Wat is de warmtebron voor de troposfeer?het aardoppervlak is een belangrijke warmtebron voor de troposfeer, hoewel bijna al die warmte afkomstig is van de zon. Steen, Aarde en water op aarde absorberen het licht van de zon en stralen het terug in de atmosfeer als warmte., De temperatuur is ook hoger in de buurt van het oppervlak vanwege de grotere dichtheid van gassen. De hogere zwaartekracht zorgt ervoor dat de temperatuur stijgt.

merk op dat in de troposfeer warmere lucht zich onder koelere lucht bevindt. Wat denk je dat het gevolg hiervan is? Deze toestand is onstabiel. De warme lucht in de buurt van het oppervlak stijgt en koele lucht hoger in de troposfeer daalt. Lucht in de troposfeer mengt zich veel. Dit mengen zorgt ervoor dat de temperatuurgradiënt varieert met tijd en plaats., Het stijgen en zinken van lucht in de troposfeer betekent dat al het weer op de planeet plaatsvindt in de troposfeer.

soms is er een temperatuurinversie, de luchttemperatuur in de troposfeer neemt toe met de hoogte en warme lucht zit boven koude lucht. Inversies zijn zeer stabiel en kunnen enkele dagen of zelfs weken duren. Inversies vorm:

• Over land ‘ s nachts of in de winter wanneer de grond koud is. De koude grond koelt de lucht die erboven zit, waardoor deze laag lucht dichter wordt dan de lucht erboven.
• nabij de kust waar koud zeewater de lucht erboven afkoelt., Als die dichtere lucht landinwaarts beweegt, glijdt hij onder de warmere lucht over het land.

omdat temperatuurinversies stabiel zijn, vangen ze vaak verontreinigende stoffen op en veroorzaken ze ongezonde luchtomstandigheden in steden (figuur hieronder).

aan de top van de troposfeer is een dunne laag waarin de temperatuur niet verandert met de hoogte., Dit betekent dat de koelere, dichtere lucht van de troposfeer gevangen zit onder de warmere, minder dichte lucht van de stratosfeer. Lucht uit de troposfeer en stratosfeer mengen zich zelden.

stratosfeer

as en gas van een grote vulkaanuitbarsting kunnen in de stratosfeer barsten, de laag boven de troposfeer. Eenmaal in de stratosfeer, blijft het daar vele jaren hangen omdat er zo weinig vermenging is tussen de twee lagen. Piloten vliegen graag in de lagere delen van de stratosfeer omdat er weinig luchtturbulentie is.,

in de stratosfeer neemt de temperatuur toe met de hoogte. Wat is de warmtebron voor de stratosfeer? De directe warmtebron voor de stratosfeer is de zon. De lucht in de stratosfeer is stabiel omdat warmere, minder dichte lucht boven koelere, dichtere lucht zit. Hierdoor is er weinig vermenging van lucht in de laag.

de ozonlaag wordt gevonden in de stratosfeer tussen 15 en 30 km (9 tot 19 mijl) hoogte. De dikte van de ozonlaag varieert per seizoen en ook per breedtegraad.,

de ozonlaag is uiterst belangrijk omdat ozongas in de stratosfeer het grootste deel van de schadelijke ultraviolette (UV) straling van de zon absorbeert. Hierdoor beschermt de ozonlaag het leven op aarde. UV-licht doordringt cellen en beschadigt DNA, wat leidt tot celdood (die we kennen als een slechte zonnebrand). Organismen op aarde zijn niet aangepast aan zware UV-blootstelling, die hen doodt of beschadigt. Zonder de ozonlaag om UVC en UVB straling weer te geven, zou het meest complexe leven op aarde niet lang overleven (figuur hieronder).,

mesosfeer

temperaturen in de mesosfeer dalen met de hoogte. Omdat er weinig gasmoleculen in de mesosfeer zijn om de straling van de zon te absorberen, is de warmtebron de stratosfeer eronder. De mesosfeer is extreem koud, vooral aan de top, ongeveer -90°C (-130°F).

de lucht in de mesosfeer heeft een extreem lage dichtheid: 99,9% van de massa van de atmosfeer ligt onder de mesosfeer., Hierdoor is de luchtdruk zeer laag (figuur hieronder). Een persoon die door de mesosfeer reist zou ernstige brandwonden ervaren van ultraviolet licht, omdat de ozonlaag die UV-bescherming biedt zich in de stratosfeer beneden bevindt. Er zou bijna geen zuurstof zijn om te ademen. Nog vreemder, het bloed van een onbeschermde reiziger zou koken bij normale lichaamstemperatuur omdat de druk zo laag is.

thermosfeer en verder

de dichtheid van moleculen is zo laag in de thermosfeer dat een gasmolecuul ongeveer 1 km kan gaan voordat het botst met een ander molecuul. Omdat er zo weinig energie wordt overgedragen, voelt de lucht erg koud aan (figuur hierboven).

binnen de thermosfeer is de ionosfeer., De ionosfeer ontleent zijn naam aan de zonnestraling die gasmoleculen ioniseert om een positief geladen ion en een of meer negatief geladen elektronen te creëren. De vrijgekomen elektronen reizen door de ionosfeer als elektrische stromen. Door de vrije ionen heeft de ionosfeer veel interessante eigenschappen.

‘ s nachts stuiteren radiogolven van de ionosfeer en terug naar de aarde. Daarom kun je ‘ s nachts vaak een AM-radiostation ophalen ver van de bron.,

De Van Allen-stralingsgordels zijn twee donutvormige zones van sterk geladen deeltjes die zich buiten de atmosfeer in de magnetosfeer bevinden. De deeltjes ontstaan in zonnevlammen en vliegen naar de aarde met de zonnewind. Eenmaal gevangen door het magnetische veld van de aarde, volgen ze langs de magnetische krachtlijnen van het veld. Deze lijnen strekken zich uit van boven de evenaar naar de Noordpool en ook naar de Zuidpool keren dan terug naar de evenaar.,

wanneer massieve zonnestormen ervoor zorgen dat de Van Allen gordels overbelast raken met deeltjes, is het resultaat het meest spectaculaire kenmerk van de ionosfeer — de nachtelijke aurora (figuur hieronder). De deeltjes spiralen langs magnetische veldlijnen naar de Polen. De geladen deeltjes activeren zuurstof-en stikstofgasmoleculen, waardoor ze oplichten. Elk gas straalt een bepaalde kleur licht uit.

Er is geen echte buitengrens aan de exosfeer, de buitenste laag van de atmosfeer; de gasmoleculen worden uiteindelijk zo schaars dat er op een gegeven moment geen meer zijn. Voorbij de atmosfeer is de zonnewind. De zonnewind bestaat uit deeltjes met hoge snelheid, meestal protonen en elektronen, die snel naar buiten van de zon reizen.

deze video is zeer grondig in zijn bespreking van de lagen van de atmosfeer., Vergeet niet dat de chemische samenstelling van elke laag vrijwel gelijk is, behalve voor de ozonlaag in de stratosfeer (8a): http://www.youtube.com/watch?v=S-YAKZoy1A0 (6:44).

KQED: verlichting van het Noorderlicht

Hoe zou het magnetische veld van de aarde er uitzien als het in kleuren was geschilderd? Het zou op de aurora lijken! Deze QUEST video kijkt naar de aurora, die aanwijzingen geeft over de zonnewind, het magnetische veld van de aarde en de atmosfeer van de aarde. Meer informatie vindt u op: http://science.kqed.org/quest/video/illuminating-the-northern-lights/.,

samenvatting van de les

• kenmerken van de atmosferische verandering met hoogte: dichtheid neemt af, luchtdruk neemt af, temperatuurveranderingen variëren.
• verschillende temperatuurgradiënten creëren verschillende lagen in de atmosfeer.
• De laagste laag is de troposfeer waar de meeste atmosferische gassen en alle weersomstandigheden van de planeet zich bevinden. De troposfeer wordt vanaf de grond verwarmd, waardoor de temperatuur afneemt met de hoogte. Omdat warme lucht stijgt en koele lucht zinkt, is de troposfeer onstabiel.,
• in de stratosfeer neemt de temperatuur toe met de hoogte. De stratosfeer bevat de ozonlaag, die de planeet beschermt tegen de schadelijke UV-straling van de zon.

Overzichtskwesties

1. geven een gedetailleerde uitleg waarom warme lucht stijgt.
2. waarom verandert de luchttemperatuur niet gelijkmatig met de hoogte? Geef voorbeelden.
3. beschrijf hoe de grond fungeert als warmtebron voor de troposfeer. Wat is de bron van energie en wat gebeurt er met die energie?
4. hoe stabiel is een inversie en waarom? Hoe ontstaat een inversie?,= = plaatsen in de nabije omgeving = = de onderstaande figuur toont nabijgelegen plaatsen in een straal van 16 km rond Phoenix. De zomers zijn extreem heet. De winterdagen zijn vaak vrij warm, maar de winteravonden kunnen vrij kil zijn. In December komen inversies vrij vaak voor. Hoe ontstaat onder deze omstandigheden een omkering en wat zijn de gevolgen van een omkering van deze uitgestrekte, auto-afhankelijke stad?
5. Waarom kan lucht uit de troposfeer en de stratosfeer zich niet vrij mengen?
6. Wat is de warmtebron voor de stratosfeer? Hoe wordt die warmte geabsorbeerd?
7. Beschrijf de vorming en het verlies van ozon in de ozonlaag. Komt het ene meer voor dan het andere?,
8. Hoe en waar worden “vallende sterren” gemaakt?waarom zou het bloed van een onbeschermde reiziger koken in de mesosfeer?

verder lezen/aanvullende Links

• NASA, het mysterie van het Aurora:http://www.youtube.com/watch?v=PaSFAbATPvk.

Points to Consider

• Hoe creëert zonne-energie de lagen van de atmosfeer?
• Hoe creëert zonne-energie het weer?
• wat zou er met het leven op aarde gebeuren als er minder ozon in de ozonlaag zou zijn?