Wat beweegt de atmosfeer?
Wat beweegt de atmosfeer?
In de atmosfeer wordt voortdurend zonne-energie omgezet in windenergie. In dit artikel beschrijven we hoe dit gebeurt. En passant wordt ook de atmosferische energiehuishouding beschreven en proberen we aan de hand van enkele getallen de menselijke energieconsumptie in een wereldwijd perspectief te plaatsen.
Waarom waait het altijd?
De wind waait voortdurend. Weliswaar is het soms windstil maar nooit overal tegelijk. Je kunt je afvragen hoe het mogelijk is dat de wind altijd maar waait. De wind wordt immers voortdurend afgeremd door wrijving met het aardoppervlak, en je zou denken dat daardoor de wind op een gegeven moment tot stilstand komt. Net zoals je op de fiets na korte tijd tot stilstand komt als je niet meer trapt. Dat ondanks de wrijving de wind toch blijft waaien, betekent dat de wind op de een of andere manier moet worden aangedreven, net zoals je door te trappen je fiets in beweging houdt. In dit artikel leggen we uit hoe dat werkt. Daartoe beginnen we met de zonnestraling die de aarde bereikt en die er uiteindelijk voor zorgt dat het alsmaar blijft waaien. En passant wordt ook de atmosferische energiehuishouding beschreven en plaatsen we aan de hand van enkele getallen de menselijke energieconsumptie in een wereldwijd perspectief.
Wat gebeurt er met de energie van de zon?
De zonnestraling die de top van onze atmosfeer bereikt heeft een intensiteit van ongeveer 340 Watt per m2. Dit is de waarde gemiddeld over de hele aarde en gemiddeld over dag en nacht. Dit getal is vrij eenvoudig te berekenen met de natuurkundige wet die beschrijft hoeveel stralingsenergie een lichaam uitzendt bij een bepaalde temperatuur. Het enige wat je naast deze wet moet weten, is de temperatuur en grootte van de zon en de afstand van de zon tot de aarde. De zon verliest door kernfusie elke seconde een massa van twee kilogram om de zonne-energie te maken die per seconde door de aarde wordt onderschept. Dit is ongeveer tienduizend keer zoveel als de huidige wereldwijde energieconsumptie, die gemiddeld per persoon neerkomt op 2500 Watt – een flinke waterkoker. Wolken weerkaatsen 30% van de inkomende zonnestraling en de atmosfeer absorbeert 20%. De aarde absorbeert de rest. Die energie raakt de aarde weer kwijt door verdamping (24%), directe warmteafgifte aan de atmosfeer (6%) en door het uitzenden van infrarode straling (20%). Deze infrarode straling wordt grotendeels (14%) geabsorbeerd door de atmosfeer, vooral door waterdamp en kooldioxide (het ‘broeikaseffect’). De verdampingsenergie komt in de atmosfeer vrij in de vorm van warmte als de waterdamp condenseert. Van de inkomende zonne-energie wordt dus uiteindelijk (20+24+6+14)=64% opgenomen door de atmosfeer. De atmosfeer verliest deze energie weer door het uitzenden van infrarode straling. Wereldwijd gemiddeld heerst aan de top van de atmosfeer stralingsevenwicht: de netto ingaande zonnestraling (100-30=70%) is even groot als de uitgaande infrarode straling (20-14+64=70%).
Poolwaarts warmtetransport
In- en uitgaande straling zijn wereldwijd weliswaar in evenwicht, maar lokaal geldt dit allerminst. Door de bolvorm van de aarde is de netto inkomende zonnestraling in de tropen groter dan in het gebied daarbuiten (de extratropen). De tropen zijn hierdoor niet alleen warmer dan de extratropen, maar ook de uitgaande infrarode straling is er groter. De netto inkomende zonnestraling is in de tropen ongeveer 40 Watt per m2 groter dan de uitgaande infrarode straling en in de extratropen is het andersom. De directe warmtebron van de tropische atmosfeer is niet de inkomende straling zelf, maar hoofdzakelijk de warmte die vrijkomt bij de condensatie van waterdamp in stijgende, afkoelende lucht. Ook in de extratropen komt condensatiewarmte vrij, maar deze is relatief gering en wordt gedomineerd door de afkoeling van de atmosfeer veroorzaakt door het uitzenden van infrarode straling. In de tropen komt meer condensatiewarmte vrij dan in de extratropen, doordat warme lucht meer waterdamp kan bevatten dan koude lucht. Ook al worden de tropen voortdurend opgewarmd en de extratropen voortdurend afgekoeld, het is niet zo dat de tropen alsmaar warmer en de extratropen alsmaar kouder worden. Stromingen in de atmosfeer (wind!) en in de oceanen zorgen ervoor dat het warmteoverschot van de tropen wordt getransporteerd naar de extratropen, waar zo de afkoeling wordt gecompenseerd. De tropen en de extratropen zouden zonder dit transport ongeveer 10 ºC warmer respectievelijk kouder zijn dan het geval is.
De atmosfeer als warmtemotor
In de atmosfeer wordt dus energie getransporteerd van de warme tropen, waar de energie vrijkomt, naar de koude extratropen, waar de energie wordt afgevoerd. Hierbij wordt een deel van de energiestroom omgezet in bewegingsenergie, in wind. Het is deze wind die de energiestroom mogelijk maakt. Dit is analoog aan wat in een motor gebeurt. Door verbranding van brandstof komt in een motor energie vrij waardoor het binnenste van de motor opwarmt. Er ontstaat hierbij een warmtestroom van de warme binnenkant van de motor naar de koude buitenlucht, waarvan een deel wordt omgezet in bewegingsenergie. Dit deel is altijd kleiner dan het zogeheten Carnot-rendement, dat gelijk is aan het verschil tussen de hoge en de lage temperatuur, gedeeld door de hoge temperatuur. De temperatuur wordt hierbij uitgedrukt in de eenheid Kelvin, wat gelijk is aan de temperatuur in graden Celsius plus 273. Een temperatuur van 27 ºC is dus hetzelfde als een temperatuur van 300 Kelvin. Het temperatuurverschil tussen tropen en extratropen is ongeveer 30 Kelvin, de temperatuur in de tropen is ongeveer 300 Kelvin, dus het Carnot-rendement van de atmosfeer is ongeveer 0,1. Van de warmtestroom in de atmosfeer van de tropen naar de extratropen kan dus maximaal 10% worden omgezet in windenergie. Het werkelijke rendement van de atmosfeer blijkt maar weinig minder te zijn. Door wrijving, vooral met het aardoppervlak, verliest de atmosfeer voortdurend zo’n 2 Watt per m2 bewegingsenergie. Deze bewegingsenergie wordt omgezet in warmte, net zoals je handen warm worden als je in je handen wrijft. Dit verlies van bewegingsenergie is in evenwicht met de aanmaak van bewegingsenergie - waarover hieronder meer. Het poolwaartse warmtetransport bedraagt 40 Watt per m2 (de hierboven genoemde netto inkomende straling in de tropen). Aannemende dat de tropen de halve aarde beslaan, bedraagt het wereldwijd gemiddelde poolwaartse warmtetransport dus ongeveer 20 Watt per m2. Hiervan wordt, zoals gezegd, 2 Watt per m2 omgezet in bewegingsenergie, zodat het rendement van de atmosfeer ongeveer gelijk is aan het maximaal haalbare Carnot-rendement van 0,1.
Het ontstaan van wind
Zoals gezegd remt het aardoppervlak de wind af. Toch valt deze niet stil en moet er dus wind ‘ontstaan’. Dat gebeurt doordat lucht, net als water, voortdurend het laagste punt opzoekt. Dat lijkt misschien vreemd en vraagt om een toelichting. Preciezer gezegd, beweegt in de atmosfeer koude lucht in het algemeen omlaag en warme lucht omhoog. Dat komt doordat de dichtheid van koude lucht groter is dan de dichtheid van warme lucht. Een gevolg hiervan is, dat als gelijke volumes koude en warme lucht respectievelijk omlaag en omhoog bewegen, er meer massa omlaag gaat dan omhoog. Het massamiddelpunt van de warme en koude lucht tezamen komt dus lager te liggen. Net als bij de appel die uit de boom valt, wordt hierbij potentiële energie van de zwaartekracht omgezet in bewegingsenergie van de lucht. Met andere woorden, er ontstaat wind. Een andere manier om hier tegenaan te kijken is een lichte vloeistof die drijft op een zwaardere vloeistof, bijvoorbeeld een laag olie op een laag water, waarbij het grensvlak tussen de twee vloeistoffen een helling heeft. Als de vloeistoffen de kans krijgen, zullen ze gaan bewegen, waarbij de helling afneemt, het massamiddelpunt lager komt te liggen en potentiële energie wordt omgezet in bewegingsenergie. Het stijgen van warme lucht en dalen van koude lucht is wat er gebeurt bij het ontstaan van een depressie. De warme lucht komt hierbij uit de (sub)tropen en de koude lucht uit de polaire gebieden. Waar deze luchtsoorten elkaar ontmoeten leiden de grote verschillen in temperatuur tot grote verschillen in luchtdruk, die op hun beurt weer leiden tot de krachtige winden waarmee de depressie gepaard gaat. De warme lucht spreidt zich hierbij uit over de koude lucht, het massamiddelpunt van de lucht daalt en de lucht gaat bewegen. Zo ontstaan de winden waarmee een depressie gepaard gaat. De warme lucht uit het zuiden beweegt hierbij naar het koude noorden, en de koude wind uit het noorden beweegt naar het warme zuiden (we gaan uit van de situatie op het noordelijk halfrond). De winden van de depressie verkleinen dus het noord-zuid temperatuurverschil en nemen zo hun eigen oorzaak weg.
Het vermogen (in Joule per jaar) van de in dit artikel beschouwde bronnen van energie. Van de zonne-energie die de aarde bereikt, wordt in de atmosfeer 6% als warmte van de tropen richting de polen getransporteerd. Ongeveer 10% van deze warmte wordt gebruikt om de atmosferische motor draaiende te houden. Dit nuttige vermogen van de atmosfeer is ongeveer even groot als het vermogen dat de mens aan de atmosfeer toevoegt via het versterkte broeikaseffect en ongeveer zestig keer zo groot als de menselijke energieconsumptie. Van deze energieconsumptie wordt momenteel ongeveer 0,4% als windenergie aan de bewegende atmosfeer onttrokken.
Het ontstaan van temperatuurverschillen
Ondanks de vermindering van het noord-zuid temperatuurverschil door de wind, blijft het noord-zuid temperatuurverschil toch bestaan. Kennelijk is er een mechanisme dat de temperatuurverschillen juist vergroot. Wat er gebeurt is dat, zoals hierboven beschreven, de tropen voortdurend worden opgewarmd door condensatie van waterdamp, en de extratropen voortdurend worden afgekoeld door infrarode uitstraling. Deze opwarming van de warme gebieden en afkoeling van de koude gebieden houdt het noord-zuid temperatuurverschil in stand, ondanks het warmtetransport door de wind van de warme naar de koude gebieden. Je kunt het vergelijken met een huis waarin het in de winter warm blijft zolang de kachel maar blijft branden, ook al stroomt er voortdurend warmte weg van binnen naar buiten het huis. De opwarming in warme en afkoeling in koude gebieden brengt het massamiddelpunt van de atmosfeer omhoog, waardoor potentiële energie ontstaat die weer kan worden omgezet in bewegingsenergie, in wind. Het blijft waaien zolang de zon schijnt. Als de zon niet meer zou schijnen, zou er geen water meer verdampen, zou er in de tropische atmosfeer geen condensatiewarmte meer vrijkomen, zouden temperatuurverschillen steeds kleiner worden en zou er steeds minder wind zijn. Zonder zon zou de windsnelheid al na een week zijn gehalveerd. Er ontstaat in de atmosfeer aan potentiële energie precies evenveel als er aan bewegingsenergie ontstaat, en beide zijn weer precies even groot als de afname van de bewegingsenergie van de lucht door wrijving met het aardoppervlak, die, zoals gezegd, 2 Watt per m2 bedraagt. Dit is, vermenigvuldigd met het oppervlak van de aarde, ongeveer 60 keer de huidige wereldwijde energieconsumptie, en 17.000 keer het wereldwijde vermogen aan windturbines. Van de beschikbare windenergie wordt dus momenteel ongeveer 0,006% door de mens gebruikt.
De bewegingsenergie van de atmosfeer en de aarde
De bewegingsenergie van de gehele atmosfeer is, gemiddeld over het jaar, ongeveer 6•10^20 Joule, wat overeen komt met een gemiddelde windsnelheid van ongeveer 15 meter per seconde. Deze energie is toevallig ongeveer even groot als de jaarlijkse energieconsumptie. De winden zijn het sterkst op het winterhalfrond, omdat hier de temperatuurcontrasten het grootst zijn. Oceanen verkleinen de jaarlijkse cyclus van de temperatuurcontrasten en daarmee die van de windsnelheid, waardoor de cyclus het sterkst is op het noordelijk halfrond. De wereldwijd gemiddelde bewegingsenergie is daardoor in onze winter ongeveer 15% groter dan in onze zomer. Niet alleen de atmosfeer maar ook de aarde zelf heeft bewegingsenergie, de aarde roteert immers om haar as. De rotatie-energie van de aarde is ongeveer 2•10^29 Joule. Met het huidige energieverbruik zou de wereld hier ruim 400 miljoen jaar mee toekunnen. Bij de huidige jaarlijkse groei van het energiegebruik van 2% zou deze periode overigens nog maar 800 jaar zijn. Van deze rotatie-energie kunnen we profiteren door gebruik te maken van getijdenenergie. Ondanks de grote hoeveelheid rotatie-energie zal getijdenenergie echter nooit een belangrijke energiebron worden: de bron is eendimensionaal -de kustlijn- terwijl de mensen die de energie nodig hebben in een tweedimensionaal vlak leven, en een groot verschil tussen eb en vloed bestaat slechts langs een klein gedeelte van de kust.
Geothermische energie
Naast rotatie-energie heeft de aarde ook energie in de vorm van warmte, ook wel geothermische energie genoemd. Hoe dieper in de aardkorst, hoe hoger de temperatuur. De toename bedraagt ongeveer 3 ºC per 100 meter. De aardkorst beslaat de buitenste 30 km van de aarde. Onder de aardkorst ligt tot een diepte van 3000 km de aardmantel en daaronder de aardkern. In de aardmantel loopt de temperatuur op van ongeveer 1000 ºC op 30 km tot 3000 ºC op 3000 km diepte en in de kern loopt de temperatuur verder op tot 5000 ºC. De mantel bestaat vooral uit steen en de kern vooral uit ijzer. Uit dit temperatuurverloop kun je, gebruik makend van de dichtheid en de soortelijke warmte van steen en ijzer, berekenen dat de geothermische energie van de aarde ongeveer 5•10^30 Joule bedraagt, ofwel 25 keer zoveel als de rotatie-energie van de aarde. Het is echter, net als bij de rotatie-energie, niet eenvoudig om de geothermische energie aan de aarde te onttrekken, omdat je er in de meeste gebieden boringen van enkele kilometers diep voor moet uitvoeren. In sommige gebieden, zoals in IJsland, zit de warmte echter dicht bij het oppervlak. In dat land voorziet aardwarmte in 16% van de energiebehoefte. Wereldwijd is het percentage 0,06.
Directe en indirecte opwarming door de mens
Bij het verbranden van fossiele brandstoffen warmt de aarde direct op door de warmte die vrijkomt bij de verbranding en indirect via het versterkte broeikaseffect door de kooldioxide die eveneens bij de verbranding vrijkomt. Sinds het begin van de industriële revolutie is de concentratie kooldioxide in de atmosfeer toegenomen van 270 tot 380 deeltjes kooldioxide per miljoen deeltjes lucht. Van het kooldioxide dat bij verbranding ontstaat, blijft ongeveer de helft achter in de atmosfeer en verdwijnt de andere helft in de oceanen en de biosfeer. Bij de verbranding die tot deze toename in kooldioxide leidde, kwam, per m2 aardoppervlak, ongeveer 50 miljoen Joule aan warmte vrij. Daarnaast heeft de kooldioxide-toename een versterkt broeikaseffect veroorzaakt van 1,5 Watt per m2, ofwel ongeveer 50 miljoen Joule per vierkante meter per jaar. Het duurt enkele honderden jaren voordat de oceanen en de biosfeer het extra kooldioxide hebben opgenomen en daarom voegt het extra kooldioxide, via het versterkte broeikaseffect, een hoeveelheid warmte aan de atmosfeer toe die enkele honderden malen groter is dan de warmte die vrijkwam bij de verbranding. Is dit versterkte broeikaseffect, dat je gratis honderden keer zoveel energie teruggeeft als je er ‘instopt’, daarmee het ei van Columbus voor het energieprobleem? Helaas niet, de extra 1,5 Watt per m2 aan infrarode stralingsenergie maakt de aarde hooguit een paar graden warmer waardoor ’s winters de kachel wat omlaag kan.
Samenvatting
Samenvattend kunnen we zeggen dat wind ontstaat in gebieden waar koude en warme lucht elkaar ontmoeten. Hierbij daalt de koude lucht en stijgt de warme lucht, waardoor het massamiddelpunt van de lucht daalt en potentiële energie van de zwaartekracht wordt omgezet in bewegingsenergie van de lucht. De bewegende lucht transporteert warmte van de tropen richting de pool, waardoor temperatuurverschillen afnemen. De temperatuurverschillen blijven desondanks bestaan, doordat in de warme gebieden warmte vrijkomt door de condensatie van waterdamp, terwijl de koude gebieden warmte verliezen door infrarode uitstraling. Je kunt de atmosfeer zien als een motor met een, gegeven de beschikbare hoge en lage temperaturen, zeer hoog rendement. De atmosfeer beweegt wat hij kan om temperatuurverschillen zoveel mogelijk te vereffenen.
Bron KNMI
In de atmosfeer wordt voortdurend zonne-energie omgezet in windenergie. In dit artikel beschrijven we hoe dit gebeurt. En passant wordt ook de atmosferische energiehuishouding beschreven en proberen we aan de hand van enkele getallen de menselijke energieconsumptie in een wereldwijd perspectief te plaatsen.
Waarom waait het altijd?
De wind waait voortdurend. Weliswaar is het soms windstil maar nooit overal tegelijk. Je kunt je afvragen hoe het mogelijk is dat de wind altijd maar waait. De wind wordt immers voortdurend afgeremd door wrijving met het aardoppervlak, en je zou denken dat daardoor de wind op een gegeven moment tot stilstand komt. Net zoals je op de fiets na korte tijd tot stilstand komt als je niet meer trapt. Dat ondanks de wrijving de wind toch blijft waaien, betekent dat de wind op de een of andere manier moet worden aangedreven, net zoals je door te trappen je fiets in beweging houdt. In dit artikel leggen we uit hoe dat werkt. Daartoe beginnen we met de zonnestraling die de aarde bereikt en die er uiteindelijk voor zorgt dat het alsmaar blijft waaien. En passant wordt ook de atmosferische energiehuishouding beschreven en plaatsen we aan de hand van enkele getallen de menselijke energieconsumptie in een wereldwijd perspectief.
Wat gebeurt er met de energie van de zon?
De zonnestraling die de top van onze atmosfeer bereikt heeft een intensiteit van ongeveer 340 Watt per m2. Dit is de waarde gemiddeld over de hele aarde en gemiddeld over dag en nacht. Dit getal is vrij eenvoudig te berekenen met de natuurkundige wet die beschrijft hoeveel stralingsenergie een lichaam uitzendt bij een bepaalde temperatuur. Het enige wat je naast deze wet moet weten, is de temperatuur en grootte van de zon en de afstand van de zon tot de aarde. De zon verliest door kernfusie elke seconde een massa van twee kilogram om de zonne-energie te maken die per seconde door de aarde wordt onderschept. Dit is ongeveer tienduizend keer zoveel als de huidige wereldwijde energieconsumptie, die gemiddeld per persoon neerkomt op 2500 Watt – een flinke waterkoker. Wolken weerkaatsen 30% van de inkomende zonnestraling en de atmosfeer absorbeert 20%. De aarde absorbeert de rest. Die energie raakt de aarde weer kwijt door verdamping (24%), directe warmteafgifte aan de atmosfeer (6%) en door het uitzenden van infrarode straling (20%). Deze infrarode straling wordt grotendeels (14%) geabsorbeerd door de atmosfeer, vooral door waterdamp en kooldioxide (het ‘broeikaseffect’). De verdampingsenergie komt in de atmosfeer vrij in de vorm van warmte als de waterdamp condenseert. Van de inkomende zonne-energie wordt dus uiteindelijk (20+24+6+14)=64% opgenomen door de atmosfeer. De atmosfeer verliest deze energie weer door het uitzenden van infrarode straling. Wereldwijd gemiddeld heerst aan de top van de atmosfeer stralingsevenwicht: de netto ingaande zonnestraling (100-30=70%) is even groot als de uitgaande infrarode straling (20-14+64=70%).
Poolwaarts warmtetransport
In- en uitgaande straling zijn wereldwijd weliswaar in evenwicht, maar lokaal geldt dit allerminst. Door de bolvorm van de aarde is de netto inkomende zonnestraling in de tropen groter dan in het gebied daarbuiten (de extratropen). De tropen zijn hierdoor niet alleen warmer dan de extratropen, maar ook de uitgaande infrarode straling is er groter. De netto inkomende zonnestraling is in de tropen ongeveer 40 Watt per m2 groter dan de uitgaande infrarode straling en in de extratropen is het andersom. De directe warmtebron van de tropische atmosfeer is niet de inkomende straling zelf, maar hoofdzakelijk de warmte die vrijkomt bij de condensatie van waterdamp in stijgende, afkoelende lucht. Ook in de extratropen komt condensatiewarmte vrij, maar deze is relatief gering en wordt gedomineerd door de afkoeling van de atmosfeer veroorzaakt door het uitzenden van infrarode straling. In de tropen komt meer condensatiewarmte vrij dan in de extratropen, doordat warme lucht meer waterdamp kan bevatten dan koude lucht. Ook al worden de tropen voortdurend opgewarmd en de extratropen voortdurend afgekoeld, het is niet zo dat de tropen alsmaar warmer en de extratropen alsmaar kouder worden. Stromingen in de atmosfeer (wind!) en in de oceanen zorgen ervoor dat het warmteoverschot van de tropen wordt getransporteerd naar de extratropen, waar zo de afkoeling wordt gecompenseerd. De tropen en de extratropen zouden zonder dit transport ongeveer 10 ºC warmer respectievelijk kouder zijn dan het geval is.
De atmosfeer als warmtemotor
In de atmosfeer wordt dus energie getransporteerd van de warme tropen, waar de energie vrijkomt, naar de koude extratropen, waar de energie wordt afgevoerd. Hierbij wordt een deel van de energiestroom omgezet in bewegingsenergie, in wind. Het is deze wind die de energiestroom mogelijk maakt. Dit is analoog aan wat in een motor gebeurt. Door verbranding van brandstof komt in een motor energie vrij waardoor het binnenste van de motor opwarmt. Er ontstaat hierbij een warmtestroom van de warme binnenkant van de motor naar de koude buitenlucht, waarvan een deel wordt omgezet in bewegingsenergie. Dit deel is altijd kleiner dan het zogeheten Carnot-rendement, dat gelijk is aan het verschil tussen de hoge en de lage temperatuur, gedeeld door de hoge temperatuur. De temperatuur wordt hierbij uitgedrukt in de eenheid Kelvin, wat gelijk is aan de temperatuur in graden Celsius plus 273. Een temperatuur van 27 ºC is dus hetzelfde als een temperatuur van 300 Kelvin. Het temperatuurverschil tussen tropen en extratropen is ongeveer 30 Kelvin, de temperatuur in de tropen is ongeveer 300 Kelvin, dus het Carnot-rendement van de atmosfeer is ongeveer 0,1. Van de warmtestroom in de atmosfeer van de tropen naar de extratropen kan dus maximaal 10% worden omgezet in windenergie. Het werkelijke rendement van de atmosfeer blijkt maar weinig minder te zijn. Door wrijving, vooral met het aardoppervlak, verliest de atmosfeer voortdurend zo’n 2 Watt per m2 bewegingsenergie. Deze bewegingsenergie wordt omgezet in warmte, net zoals je handen warm worden als je in je handen wrijft. Dit verlies van bewegingsenergie is in evenwicht met de aanmaak van bewegingsenergie - waarover hieronder meer. Het poolwaartse warmtetransport bedraagt 40 Watt per m2 (de hierboven genoemde netto inkomende straling in de tropen). Aannemende dat de tropen de halve aarde beslaan, bedraagt het wereldwijd gemiddelde poolwaartse warmtetransport dus ongeveer 20 Watt per m2. Hiervan wordt, zoals gezegd, 2 Watt per m2 omgezet in bewegingsenergie, zodat het rendement van de atmosfeer ongeveer gelijk is aan het maximaal haalbare Carnot-rendement van 0,1.
Het ontstaan van wind
Zoals gezegd remt het aardoppervlak de wind af. Toch valt deze niet stil en moet er dus wind ‘ontstaan’. Dat gebeurt doordat lucht, net als water, voortdurend het laagste punt opzoekt. Dat lijkt misschien vreemd en vraagt om een toelichting. Preciezer gezegd, beweegt in de atmosfeer koude lucht in het algemeen omlaag en warme lucht omhoog. Dat komt doordat de dichtheid van koude lucht groter is dan de dichtheid van warme lucht. Een gevolg hiervan is, dat als gelijke volumes koude en warme lucht respectievelijk omlaag en omhoog bewegen, er meer massa omlaag gaat dan omhoog. Het massamiddelpunt van de warme en koude lucht tezamen komt dus lager te liggen. Net als bij de appel die uit de boom valt, wordt hierbij potentiële energie van de zwaartekracht omgezet in bewegingsenergie van de lucht. Met andere woorden, er ontstaat wind. Een andere manier om hier tegenaan te kijken is een lichte vloeistof die drijft op een zwaardere vloeistof, bijvoorbeeld een laag olie op een laag water, waarbij het grensvlak tussen de twee vloeistoffen een helling heeft. Als de vloeistoffen de kans krijgen, zullen ze gaan bewegen, waarbij de helling afneemt, het massamiddelpunt lager komt te liggen en potentiële energie wordt omgezet in bewegingsenergie. Het stijgen van warme lucht en dalen van koude lucht is wat er gebeurt bij het ontstaan van een depressie. De warme lucht komt hierbij uit de (sub)tropen en de koude lucht uit de polaire gebieden. Waar deze luchtsoorten elkaar ontmoeten leiden de grote verschillen in temperatuur tot grote verschillen in luchtdruk, die op hun beurt weer leiden tot de krachtige winden waarmee de depressie gepaard gaat. De warme lucht spreidt zich hierbij uit over de koude lucht, het massamiddelpunt van de lucht daalt en de lucht gaat bewegen. Zo ontstaan de winden waarmee een depressie gepaard gaat. De warme lucht uit het zuiden beweegt hierbij naar het koude noorden, en de koude wind uit het noorden beweegt naar het warme zuiden (we gaan uit van de situatie op het noordelijk halfrond). De winden van de depressie verkleinen dus het noord-zuid temperatuurverschil en nemen zo hun eigen oorzaak weg.
Het vermogen (in Joule per jaar) van de in dit artikel beschouwde bronnen van energie. Van de zonne-energie die de aarde bereikt, wordt in de atmosfeer 6% als warmte van de tropen richting de polen getransporteerd. Ongeveer 10% van deze warmte wordt gebruikt om de atmosferische motor draaiende te houden. Dit nuttige vermogen van de atmosfeer is ongeveer even groot als het vermogen dat de mens aan de atmosfeer toevoegt via het versterkte broeikaseffect en ongeveer zestig keer zo groot als de menselijke energieconsumptie. Van deze energieconsumptie wordt momenteel ongeveer 0,4% als windenergie aan de bewegende atmosfeer onttrokken.
Het ontstaan van temperatuurverschillen
Ondanks de vermindering van het noord-zuid temperatuurverschil door de wind, blijft het noord-zuid temperatuurverschil toch bestaan. Kennelijk is er een mechanisme dat de temperatuurverschillen juist vergroot. Wat er gebeurt is dat, zoals hierboven beschreven, de tropen voortdurend worden opgewarmd door condensatie van waterdamp, en de extratropen voortdurend worden afgekoeld door infrarode uitstraling. Deze opwarming van de warme gebieden en afkoeling van de koude gebieden houdt het noord-zuid temperatuurverschil in stand, ondanks het warmtetransport door de wind van de warme naar de koude gebieden. Je kunt het vergelijken met een huis waarin het in de winter warm blijft zolang de kachel maar blijft branden, ook al stroomt er voortdurend warmte weg van binnen naar buiten het huis. De opwarming in warme en afkoeling in koude gebieden brengt het massamiddelpunt van de atmosfeer omhoog, waardoor potentiële energie ontstaat die weer kan worden omgezet in bewegingsenergie, in wind. Het blijft waaien zolang de zon schijnt. Als de zon niet meer zou schijnen, zou er geen water meer verdampen, zou er in de tropische atmosfeer geen condensatiewarmte meer vrijkomen, zouden temperatuurverschillen steeds kleiner worden en zou er steeds minder wind zijn. Zonder zon zou de windsnelheid al na een week zijn gehalveerd. Er ontstaat in de atmosfeer aan potentiële energie precies evenveel als er aan bewegingsenergie ontstaat, en beide zijn weer precies even groot als de afname van de bewegingsenergie van de lucht door wrijving met het aardoppervlak, die, zoals gezegd, 2 Watt per m2 bedraagt. Dit is, vermenigvuldigd met het oppervlak van de aarde, ongeveer 60 keer de huidige wereldwijde energieconsumptie, en 17.000 keer het wereldwijde vermogen aan windturbines. Van de beschikbare windenergie wordt dus momenteel ongeveer 0,006% door de mens gebruikt.
De bewegingsenergie van de atmosfeer en de aarde
De bewegingsenergie van de gehele atmosfeer is, gemiddeld over het jaar, ongeveer 6•10^20 Joule, wat overeen komt met een gemiddelde windsnelheid van ongeveer 15 meter per seconde. Deze energie is toevallig ongeveer even groot als de jaarlijkse energieconsumptie. De winden zijn het sterkst op het winterhalfrond, omdat hier de temperatuurcontrasten het grootst zijn. Oceanen verkleinen de jaarlijkse cyclus van de temperatuurcontrasten en daarmee die van de windsnelheid, waardoor de cyclus het sterkst is op het noordelijk halfrond. De wereldwijd gemiddelde bewegingsenergie is daardoor in onze winter ongeveer 15% groter dan in onze zomer. Niet alleen de atmosfeer maar ook de aarde zelf heeft bewegingsenergie, de aarde roteert immers om haar as. De rotatie-energie van de aarde is ongeveer 2•10^29 Joule. Met het huidige energieverbruik zou de wereld hier ruim 400 miljoen jaar mee toekunnen. Bij de huidige jaarlijkse groei van het energiegebruik van 2% zou deze periode overigens nog maar 800 jaar zijn. Van deze rotatie-energie kunnen we profiteren door gebruik te maken van getijdenenergie. Ondanks de grote hoeveelheid rotatie-energie zal getijdenenergie echter nooit een belangrijke energiebron worden: de bron is eendimensionaal -de kustlijn- terwijl de mensen die de energie nodig hebben in een tweedimensionaal vlak leven, en een groot verschil tussen eb en vloed bestaat slechts langs een klein gedeelte van de kust.
Geothermische energie
Naast rotatie-energie heeft de aarde ook energie in de vorm van warmte, ook wel geothermische energie genoemd. Hoe dieper in de aardkorst, hoe hoger de temperatuur. De toename bedraagt ongeveer 3 ºC per 100 meter. De aardkorst beslaat de buitenste 30 km van de aarde. Onder de aardkorst ligt tot een diepte van 3000 km de aardmantel en daaronder de aardkern. In de aardmantel loopt de temperatuur op van ongeveer 1000 ºC op 30 km tot 3000 ºC op 3000 km diepte en in de kern loopt de temperatuur verder op tot 5000 ºC. De mantel bestaat vooral uit steen en de kern vooral uit ijzer. Uit dit temperatuurverloop kun je, gebruik makend van de dichtheid en de soortelijke warmte van steen en ijzer, berekenen dat de geothermische energie van de aarde ongeveer 5•10^30 Joule bedraagt, ofwel 25 keer zoveel als de rotatie-energie van de aarde. Het is echter, net als bij de rotatie-energie, niet eenvoudig om de geothermische energie aan de aarde te onttrekken, omdat je er in de meeste gebieden boringen van enkele kilometers diep voor moet uitvoeren. In sommige gebieden, zoals in IJsland, zit de warmte echter dicht bij het oppervlak. In dat land voorziet aardwarmte in 16% van de energiebehoefte. Wereldwijd is het percentage 0,06.
Directe en indirecte opwarming door de mens
Bij het verbranden van fossiele brandstoffen warmt de aarde direct op door de warmte die vrijkomt bij de verbranding en indirect via het versterkte broeikaseffect door de kooldioxide die eveneens bij de verbranding vrijkomt. Sinds het begin van de industriële revolutie is de concentratie kooldioxide in de atmosfeer toegenomen van 270 tot 380 deeltjes kooldioxide per miljoen deeltjes lucht. Van het kooldioxide dat bij verbranding ontstaat, blijft ongeveer de helft achter in de atmosfeer en verdwijnt de andere helft in de oceanen en de biosfeer. Bij de verbranding die tot deze toename in kooldioxide leidde, kwam, per m2 aardoppervlak, ongeveer 50 miljoen Joule aan warmte vrij. Daarnaast heeft de kooldioxide-toename een versterkt broeikaseffect veroorzaakt van 1,5 Watt per m2, ofwel ongeveer 50 miljoen Joule per vierkante meter per jaar. Het duurt enkele honderden jaren voordat de oceanen en de biosfeer het extra kooldioxide hebben opgenomen en daarom voegt het extra kooldioxide, via het versterkte broeikaseffect, een hoeveelheid warmte aan de atmosfeer toe die enkele honderden malen groter is dan de warmte die vrijkwam bij de verbranding. Is dit versterkte broeikaseffect, dat je gratis honderden keer zoveel energie teruggeeft als je er ‘instopt’, daarmee het ei van Columbus voor het energieprobleem? Helaas niet, de extra 1,5 Watt per m2 aan infrarode stralingsenergie maakt de aarde hooguit een paar graden warmer waardoor ’s winters de kachel wat omlaag kan.
Samenvatting
Samenvattend kunnen we zeggen dat wind ontstaat in gebieden waar koude en warme lucht elkaar ontmoeten. Hierbij daalt de koude lucht en stijgt de warme lucht, waardoor het massamiddelpunt van de lucht daalt en potentiële energie van de zwaartekracht wordt omgezet in bewegingsenergie van de lucht. De bewegende lucht transporteert warmte van de tropen richting de pool, waardoor temperatuurverschillen afnemen. De temperatuurverschillen blijven desondanks bestaan, doordat in de warme gebieden warmte vrijkomt door de condensatie van waterdamp, terwijl de koude gebieden warmte verliezen door infrarode uitstraling. Je kunt de atmosfeer zien als een motor met een, gegeven de beschikbare hoge en lage temperaturen, zeer hoog rendement. De atmosfeer beweegt wat hij kan om temperatuurverschillen zoveel mogelijk te vereffenen.
Bron KNMI
