Deel A: Planetaire circulatiepatronen

De atmosfeer door de wolken heen

×

Visualisatie van het aardemodel toont wolken uit een simulatie met behulp van het Goddard Earth Observing System (GEOS)-model, Versie 5.
Bron: NASA

Op de meeste dagen is de atmosfeer transparant en moeilijk met het blote oog te zien. Af en toe echter kunnen we door wolken, stof, mist of rook de beweging van de lucht om ons heen zien. Begin dit practicum met het bekijken van de video-animatie “GEOS 5 gemodelleerde wolken” die hieronder is gelinkt. Denk tijdens het bekijken van deze korte videoclip na over de volgende vragen over wolken, en hoe ze ons helpen om de atmosfeer beter te zien en te begrijpen. (Opmerking: het kan nodig zijn de video verschillende keren te bekijken om alle details te zien.)

• Waar zijn de wolken?
• Waarom bewegen ze?
• Zijn er gebieden zonder wolken?
• Zijn er gebieden met extreme bewolking?
• Bewegen de wolken zich oost en west, noord en zuid?
• Welke andere bewegingspatronen neem je waar?
• Hoe zorgen wolken ervoor dat we de wind kunnen zien?

Video met dank aan NASA/Goddard Space Flight Center.

Schalen van weer en klimaat

De atmosfeer is één samenhangend systeem. Voor het gemak van de studie verdelen wetenschappers de atmosferische circulatie en weerpatronen in categorieën op basis van hun grootte en duur. In het algemeen hebben de kleinere weersverschijnselen op lokale schaal de kortste levensduur, terwijl de patronen op wereldschaal weken of maanden kunnen aanhouden. In deze studie zul je beginnen met het verkennen van de grootste schaalpatronen, de planetaire of mondiale schalen, en werken aan de kleinste schaalpatronen, die plaatsvinden in je eigen buurt, schoolplein, of park.

×

Bron van tijdschaalgrafiek: Weather Studies: Introduction to Atmospheric Science, door Joseph Moran.

1. Download de hieronder gelinkte kaart en organigram en print ze uit. Gebruik tijdens het lezen de kaart en het organigram, waarvan rechts een voorbeeld is afgebeeld, om uw aantekeningen over de tijd- en ruimteschalen van weer en klimaat in Lab 3 te noteren. Printbare versie van weer- en klimaatschalen (Acrobat (PDF) 51kB Apr4 12) in (PDF).
2. Toegang tot, en print van een World: Klimaten kaart uit Education Place collectie van wereldkaarten (link niet beschikbaar).
3. Gebruik kleurpotloden om de locaties van de wereldwijde en continentale drijvende krachten van het klimaat op te tekenen op de World: Climates map.

Introductie tot Bewegende Warmte Interactief

Zoals je in Lab 2 hebt geleerd, wordt een groot deel van de inkomende zonnestraling niet rechtstreeks door de atmosfeer zelf geabsorbeerd, maar door de oppervlakken van de aarde, waaronder zowel het land als de oceaan. De atmosfeer wordt daarom grotendeels indirect verwarmd door langgolvige straling die door het aardoppervlak wordt uitgezonden. De atmosfeer werkt als een gasvormige vloeistof waarin zich convectiecellen vormen. Deze cellen verplaatsen warmte-energie en vocht van de ene plaats naar de andere. In dit practicum zul je de globale circulatiepatronen in de oceaan en de atmosfeer onderzoeken. De oceaan en de atmosfeer bundelen hun krachten om zowel materie als energie over de hele wereld te verplaatsen.

Begin dit deel van het practicum met het verkennen van de mogelijkheden van de interactieve module ‘Bewegende warmte’, hieronder. In dit interactieve programma bekijk je animaties, grafieken en korte video’s op basis van NASA-satellietgegevens. Tijdens het onderzoek ga je op zoek naar manieren waarop de oceaan en de atmosfeer samen vocht en warmte-energie over de wereld verplaatsen. Neem een paar minuten de tijd om de knoppen en lagen van dit interactieve leerinstrument te verkennen. Als je klaar bent met verkennen, klik je op de knop Luchtstroom om terug te keren naar het beginscherm.

*Deze video vervangt een Flash interactieve

De regisseurs van het mondiale weer en klimaat

In dit gedeelte maakt u kennis met elk van de belangrijkste regisseurs van het mondiale weer en klimaat. Maak aantekeningen over elke “regisseur” in je notitieboekje, of op het organigram aan het begin van het practicum.

Globale atmosferische circulatiecellen

De ongelijke verwarming van het aardoppervlak door de zon drijft de beweging van de atmosfeer aan, die wij ervaren als wind. Rondom de aarde zijn er drie grote convectiecellen, bekend als: Hadley, Ferrel, en Polaire circulatiecellen. Op wereldniveau helpen zij de inkomende zonnestraling op aarde te egaliseren door de overtollige thermische (warmte) energie van de equatoriale gebieden naar de polen te transporteren.

Kijk naar de circulatiecellen (klik op de knop onder Circulatiecellen), en zie hoe deze cellen samenwerken om lucht en warmte van de evenaar af te voeren naar de poolgebieden. De oorsprong van de energie die gebruikt wordt om deze luchtstromingen aan te drijven is binnenkomende zonnestraling. Het proces kan in de volgende stappen worden onderverdeeld, te beginnen bij de evenaar.

• Eerst warmt de zonnestraling het aardoppervlak op, dat vervolgens de atmosfeer verwarmt.
• Het verwarmde luchtpakket, een denkbeeldig stuk lucht, wordt minder dicht en begint te stijgen.
• De door de zon verwarmde lucht beweegt zich omhoog, weg van het aardoppervlak, waardoor een convectiecel ontstaat. Je hebt misschien vogels (of paragliders) gezien die lokale versies van dit soort “thermiek” gebruiken om zich moeiteloos omhoog te bewegen in de lucht met weinig of geen schijnbare vleugelbeweging.
• Het luchtpakket koelt af terwijl het opstijgt, waarbij latente (opgeslagen) warmte en vocht vrijkomen en wolken vormen.
• Als het luchtpakket de rand van de troposfeer bereikt, ongeveer 10 kilometer boven de aarde, draait het en begint zich in de richting van de polen te verspreiden.
• Op ongeveer 30˚ noorderbreedte begint de lucht te zinken, of te zakken. Dit zinken gebeurt omdat de lucht koeler en dichter is geworden. Het zinkende luchtpakket is droger omdat het zijn vocht heeft afgegeven toen het in de buurt van de evenaar steeg.
• Als de convectiecyclus van lucht terugkeert naar de aarde, warmt het op en droogt het uit door compressie, waardoor gebieden van hoge druk worden gevormd. Elke cyclus wordt voltooid wanneer de lucht terug naar het begin beweegt en weer opstijgt.

Wind en druk

Gebruik de interactieve warmtebeweging om de relatie tussen wind en druk te onderzoeken. Noteer je waarnemingen in je notitieboekje of op de kaart en de kaart in de link hierboven.

1. Klik op de knop om de Winden & Druk te tonen met de Circulatie Cellen aan. Merk op waar de hoge (H) en lage (L) druksystemen zich bevinden in relatie tot de circulatiecellen. Waar de lucht stijgt, is de luchtdruk laag; waar hij daalt, is hij hoog. Opmerking: de druk boven de evenaar is ook laag.
2. Verberg de circulatiecellen en druksystemen. Klik dan op de knop Alleen winden om de stroming van de belangrijkste wereldwinden te bekijken: de passaatwinden passaatwinden: deze winden waaien van oost naar west over de wereldbol. Het zijn oppervlaktewinden, stromend in het onderste deel van de atmosfeer. Zij bevinden zich op de breedtegraden die het dichtst bij de evenaar liggen. De passaatwinden sturen de stormbanen van tropische stormen en verplaatsen grote stofstormen van Afrika naar het Caribisch gebied. Door hun ligging, richting en persistentie konden handelsroutes over de Atlantische en Stille Oceaan tot stand komen. en de westenwestenwinden: worden zo genoemd naar hun stromingsrichting, van west naar oost. Het zijn oppervlaktewinden, stromend in het onderste deel van de atmosfeer. Ze bevinden zich tussen 30 en 60 graden noorder- en zuiderbreedte. Zij sturen stormen over Noord-Amerika. . De passaatwinden zijn de meest aanhoudende winden op de planeet. Ze waaien meer dan 80 procent van de tijd uit dezelfde richting! De westenwinden zijn belangrijk voor het weer en het klimaat in de aan elkaar grenzende Verenigde Staten.
3. Wissel het aardbeeld tussen Sea Surface Temperature (SST) en Blue Marble om de relatie tussen wolkenvorming en SST te bestuderen. Let op de uitlijning van de wolken en de winden rond de evenaar. De wolken worden gevormd door het vocht dat verdampt uit de oceaan. Neem even de tijd om de GEOS-animatie aan het begin van de pagina af te spelen om dit verband te bevestigen. Noteer vervolgens je waarnemingen en beantwoord de Checking In-vragen hieronder.

Waterkringlopen van verdamping en neerslag

1. Klik op de knop Play animations om vier animaties van NASA-satellietbeelden te bekijken. Lees de tekst boven elke animatie voor een beschrijving van de gegevens die worden weergegeven. (Opmerking: de videocontroller staat onder het beeld.) Terwijl de film wordt afgespeeld, wordt de tijdsperiode in dagen weergegeven, zodat u een idee krijgt van de snelheid waarmee de lucht- en oceaanstromingen bewegen. Let op de ruimtelijke (in de ruimte) en temporele (in de tijd) bewegingspatronen. In welke richting bewegen de water- en luchtstromingen? Zoals je hebt geleerd in Lab 2A, het watercyclus-lab, verdampt water op aarde meestal uit de oceaan, beweegt het met luchtstromingen, en regent of sneeuwt het over het land.
2. Gebruik de knoppen Overlay en Compare om verbanden tussen gegevensreeksen te zoeken. Lees de tekst boven de animaties die beschrijft wat er in de animatie speelt. Misschien moet je deze video’s een paar keer afspelen om alle details te zien.

Zoals u in diverse voorbeelden hebt gezien, verplaatsen winden en oceaanstromingen niet alleen warmte, maar ook aanzienlijke hoeveelheden vocht over de aarde. Bestudeer de afbeelding links. (Klik op de afbeelding voor een grotere weergave, in een nieuw venster.)

3. Kijk naar het verband tussen de luchtcirculatiepatronen en de droge en natte gebieden. Let op de symmetrische bandering van natte en droge gebieden rond de aarde. Beantwoord de onderstaande Checking In-vragen terwijl je de afbeelding bekijkt.

Jetstreams

Setstreams zijn gebieden met snelstromende rivieren van lucht die rond de aarde cirkelen. Ze kunnen snelheden bereiken van meer dan 160 km per uur (100 mph). Ze bevinden zich op de grenzen van de Hadley-, Ferrel- en Polar-cellen, die hierboven zijn beschreven. Zij beïnvloeden de beweging van grotere luchtmassa’s die zich boven de continenten en oceanen bevinden. De straalstromen bevinden zich 6 tot 15 kilometer boven het aardoppervlak, op de grens tussen de troposfeer en de stratosfeer. Zij volgen de meanderende grenzen tussen de polaire en de midden-latitude luchtmassa’s. De polaire straalstroom, die over Noord-Amerika stroomt, is in de wintermaanden over het algemeen sterker in de Verenigde Staten. Hij stuurt beruchte winterweersomstandigheden als de “Alberta Clipper” en de “Polar Vortex” over de Grote Meren en New England. Als algemene regel geldt, dat wanneer de Polar Jet Stream zich ten zuiden van uw locatie bevindt, het weer relatief koud is.

Klik op deze link om een kaart te bekijken van de huidige Jet Streams op de locatie van de wereldbol. Zoek op de wereldbol naar het gebied met de snelste luchtstroom, rood gekleurd. Informatie over de gegevens kan worden gevonden door te klikken op het woord “earth” onder de grafiek. Bekijk de wereldbol om te zien hoe de straalstromen in de tijd meanderen. Noteer je waarnemingen van de algemene plaats van de straalstromen op je afgedrukte wereldkaart.

Thermohaliene circulatiepatronen in de oceaan

Windpatronen en stormen verplaatsen samen het grootste deel van de warmte rond de aarde. Volgens wetenschappers van het National Center for Atmospheric Research (NCAR) is 78% van het poolwaartse warmtetransport op het noordelijk halfrond, en 92% op het zuidelijk halfrond, te wijten aan atmosferische processen. Om hier een idee van te krijgen, kijk bijvoorbeeld eens hoeveel zonne-energie er nodig was om de watercyclus in Lab 2A aan te drijven. Toen het water veranderde van vloeibare naar gasvormige toestand, werd energie geabsorbeerd, waardoor een “wolk” van waterdamp werd gevormd. In de atmosfeer zijn wolken transporteurs van zowel vocht als warmte-energie.

×

Schematische weergave van thermohaliene circulatie. Bron: NOAA

Oceaanstromingen transporteren de rest van de warmte. Deze stromingen omvatten zowel oppervlaktestromingen, of door de wind aangedreven stromingen, als thermohaliene (thermo=warmte; haline=zout) of dichtheidsstromingen. Een eenvoudig schema van deze stromingen is links afgebeeld. Geschat wordt dat het water in deze stromingen er duizend of meer jaren over doet om over de aardbol te circuleren! Bekijk onderstaande korte video van de National Science Foundation (NSF) om meer te leren over deze belangrijke wereldwijde warmtetransporteur. Kijk tijdens het bekijken hoe de warmte door oceaanstromingen over de wereld wordt verspreid.
Beantwoord, na het bekijken van de video, de Checking In-vragen hieronder. (Let op: klik op de pijl, onder het beeldscherm, om de video te starten.) Earth’s Heat Balance is een serie video’s op Science 360.

Checking In

Volgens de video:

• Welk deel van de aarde ontvangt het hele jaar door de meeste zonne-energie (insolatie)?

De tropen.

Wereldwijde neerslag- en temperatuurpatronen bepalen samen met andere regionale en lokale invloeden, zoals de geografie, het klimaat van een gebied en, uiteindelijk, de vegetatiepatronen. In Lab 4: Climate Patterns and Life, ga je dieper in op de invloed van het klimaat op de ruimtelijke verdeling van het planten- en dierenleven.

Optionele uitbreidingen

De MeteoEarth App voor iPad en Android tablets, is een leuke manier om de relaties tussen weerdrijvers, zoals druksystemen en windpatronen, te onderzoeken.
Nieuwsgierig naar recente of historische weerpatronen? Kijk op deze geweldige website Climate Reanalyzer om een verscheidenheid aan fascinerende kaartschalen van mondiaal tot regionaal te zien.

Deze inhoud is alleen beschikbaar in flash formaat.
Raadpleeg onze instructies voor het aanzetten van Flash in uw web browser.