Het Evenwicht van Aardse Warmte: De Rol van Broeikasgassen en uitstraling
Het complexe samenspel van stralingsenergie op aarde is cruciaal voor het begrijpen van het klimaatsysteem. Bij een temperatuur van ongeveer 15 graden Celsius straalt het aardoppervlak een indrukwekkende hoeveelheid warmte uit, ongeveer 400 watt per vierkante meter (W/m²). Deze uitgestraalde warmte wordt echter niet rechtstreeks de ruimte in gestuurd, omdat broeikasgassen in de atmosfeer een groot deel ervan absorberen.
Deze absorptie door broeikasgassen zoals waterdamp (86%), koolstofdioxide (4%) en methaan (2%) maar ook lachgas (N2O) en fluorgassen dragen bij aan het broeikaseffect. Dit effect creëert een opwarmend effect op de atmosfeer, vergelijkbaar met de manier waarop glas in een kas werkt. Het gevolg is dat niet alle uitgestraalde warmte direct ontsnapt naar de ruimte, maar een deel ervan wordt vastgehouden en terug naar het aardoppervlak gestuurd. Hierdoor blijft de oppervlaktetemperatuur hoger dan deze anders zou zijn zonder deze broeikaseffect.
Maar wat gebeurt er met de resterende warmte? Naast de geabsorbeerde warmte door broeikasgassen, vindt er nog een ander belangrijk proces plaats: de uitgestraalde warmte van de atmosfeer zelf. Deze uitgestraalde warmte, samen met de resterende warmte van het aardoppervlak die niet door broeikasgassen wordt geabsorbeerd, vormt een evenwicht met een gemiddelde van ongeveer 240 W/m².
De afkoeling door uitstraling is dan even groot als de opwarming door de zon. De uitstraling gaat dag en nacht door.
De stralingscoëfficient van vast materiaal zoals , staal, steen, gras en bomen is groter dan die van gassen zoals lucht. Daarom koelen de vaste voorwerpen sneller af en condenseert het waterdamp uit de lucht op het gras (dauw) of zien we dat autodaken berijpt zijn. Daken kunnen wel 20 graden kouder worden dan de buitenlucht.
In de land- en tuinbouw wordt met dit fenomeen onvoldoende rekening gehouden bij het beschermen van gewassen. In de bouwconstructies wordt veel warmte verloren door dit onbegrepen fenomeen van uitstraling. Elk materiaal met een temperatuur hoger dan 0 K (‐273,15 °C) zendt warmte uit, dus praktisch gezegd: alle voorwerpen in je omgeving (dus ook mensen) zenden warmte uit en ontvangen ook warmte van elkaar. Dit natuurlijk onder de voorwaarde dat deze voorwerpen elkaar kunnen “zien”.
Deze absorptie door broeikasgassen zoals waterdamp (86%), koolstofdioxide (4%) en methaan (2%) maar ook lachgas (N2O) en fluorgassen dragen bij aan het broeikaseffect. Dit effect creëert een opwarmend effect op de atmosfeer, vergelijkbaar met de manier waarop glas in een kas werkt. Het gevolg is dat niet alle uitgestraalde warmte direct ontsnapt naar de ruimte, maar een deel ervan wordt vastgehouden en terug naar het aardoppervlak gestuurd. Hierdoor blijft de oppervlaktetemperatuur hoger dan deze anders zou zijn zonder deze broeikaseffect.
Maar wat gebeurt er met de resterende warmte? Naast de geabsorbeerde warmte door broeikasgassen, vindt er nog een ander belangrijk proces plaats: de uitgestraalde warmte van de atmosfeer zelf. Deze uitgestraalde warmte, samen met de resterende warmte van het aardoppervlak die niet door broeikasgassen wordt geabsorbeerd, vormt een evenwicht met een gemiddelde van ongeveer 240 W/m².
De afkoeling door uitstraling is dan even groot als de opwarming door de zon. De uitstraling gaat dag en nacht door.
De stralingscoëfficient van vast materiaal zoals , staal, steen, gras en bomen is groter dan die van gassen zoals lucht. Daarom koelen de vaste voorwerpen sneller af en condenseert het waterdamp uit de lucht op het gras (dauw) of zien we dat autodaken berijpt zijn. Daken kunnen wel 20 graden kouder worden dan de buitenlucht.
In de land- en tuinbouw wordt met dit fenomeen onvoldoende rekening gehouden bij het beschermen van gewassen. In de bouwconstructies wordt veel warmte verloren door dit onbegrepen fenomeen van uitstraling. Elk materiaal met een temperatuur hoger dan 0 K (‐273,15 °C) zendt warmte uit, dus praktisch gezegd: alle voorwerpen in je omgeving (dus ook mensen) zenden warmte uit en ontvangen ook warmte van elkaar. Dit natuurlijk onder de voorwaarde dat deze voorwerpen elkaar kunnen “zien”.
| Materiaal / stof | emissie coëfficiënt ε |
|---|---|
| Zilver, gepolijst | 0,03 |
| Koper, gepolijst | 0,04 |
| Lucht | 0,05 |
| Aluminium, spiegelend | 0,05 |
| Allumiunium folie | 0,10 |
| Metaal, blank | 0,16 |
| Gras | 0,50 |
| Grond | 0,60 |
| Stalen rails | 0,70 |
| Koper, geoxideerd | 0,82 |
| Metaal, verroest | 0,85 |
| Linoleum | 0,88 |
| Materiaal / stof | emissie coëfficiënt ε |
|---|---|
| Lak, zwart hoogglans | 0,88 |
| Glas | 0,88 |
| Papier | 0,89 |
| Lak wit | 0,89 |
| Hout | 0,91 |
| Dakpan | 0,93 |
| Beton | 0,93 |
| Lak, zwart mat | 0,97 |
| Naakte huid | 0,97 |
| Katoen | 0,68 |
| Wol | 0,73 |
Stralingswet van Bolzmann
Deze wet beschrijft de hoeveelheid vermogen in Watt
dat een voorwerp verliest door uitstraling .
Waarbij (σ: sigma) de Stefan-Boltzmann constante is, namelijk 5,67 x 10-8 W / (m² · K⁴). H is het warmteverlies in Watt. Het getal ε (de emissiecoëfficiënt), een getal tussen 0 en 1 dat aangeeft hoe goed een voorwerp warmte uitstraalt/absorbeert. Bij een perfect zwart object is dit 1 en bij een object dat alles reflecteert is dit 0; zie tabel hierboven. Tot slot stelt A de oppervlakte van het object in m2 voor. T de temperatuur van het object (in Kelvin). T = 273,15 + C, waarbij C de temperatuur in °C is. Zie rapport zonne instraling in Nederland KNMI
Afkoeling van een naakt persoon
Een naakt persoon met een huid oppervlak van 1,6 m2 en een huid temperatuur van 30 oC, straalt uit aan warmte: 750 watt. Hij ontvangt ook warmte uit de omgeving (lucht, wanden en muren etc.), anders zou deze persoon zeer snel onderkoeld raken. en persoon wekt in rust 60 -80 watt op en als deze een workout doet 300 watt.
Uitstraling van een gewas met gebruik van aluminium folie.
Tijdens een windstille en heldere nacht koelt het daar sterker af. Voorwerpen op het aardoppervlak en ook bomen, struiken, bladeren en grassprietjes zenden voortdurend straling uit en verliezen onder die omstandigheden snel warmte. Stel het is buiten 6 graden.
Het warmteverlies bedraagt circa 240 watt per m2. Dit warmteverlies kan leiden leidt tot een temperatuurdaling van 15 graden in de nacht voor de bloesem en bladeren in vrijstaande gewassen. Het gewas gaat dan bevriezen tot -9 oC en vriest stuk. Zou je aluminiumfolie toepassen dan is het warmteverlies 48 watt per m2. De temperatuurdaling bedraagt dan 3 graden het gewas krijgt dan een temperatuur van 3 graden en vriest niet stuk.
Afkoeling van een naakt persoon
Een naakt persoon met een huid oppervlak van 1,6 m2 en een huid temperatuur van 30 oC, straalt uit aan warmte: 750 watt. Hij ontvangt ook warmte uit de omgeving (lucht, wanden en muren etc.), anders zou deze persoon zeer snel onderkoeld raken. en persoon wekt in rust 60 -80 watt op en als deze een workout doet 300 watt.
Uitstraling van een gewas met gebruik van aluminium folie.
Tijdens een windstille en heldere nacht koelt het daar sterker af. Voorwerpen op het aardoppervlak en ook bomen, struiken, bladeren en grassprietjes zenden voortdurend straling uit en verliezen onder die omstandigheden snel warmte. Stel het is buiten 6 graden.
Het warmteverlies bedraagt circa 240 watt per m2. Dit warmteverlies kan leiden leidt tot een temperatuurdaling van 15 graden in de nacht voor de bloesem en bladeren in vrijstaande gewassen. Het gewas gaat dan bevriezen tot -9 oC en vriest stuk. Zou je aluminiumfolie toepassen dan is het warmteverlies 48 watt per m2. De temperatuurdaling bedraagt dan 3 graden het gewas krijgt dan een temperatuur van 3 graden en vriest niet stuk.
De naakte mens verliest door uitstraling 750 watt, bij een heldere lucht. Overdag warmt de zon de mens op, 's-nachts niet.
De linkerauto koelt niet af onder de carport. De daktemperatuur blijft circa 8 oC. De rechterauto koelt wel af. Dak, voor- en achterruit zullen onder nul geraken en berijpen. Het dak zal circa -7oC worden.
Door de grote temperatuurverschillen zal de lak sneller verouderen
Door de grote temperatuurverschillen zal de lak sneller verouderen
Hoe lager de emissiefactor des te minder het materiaal zal afkoelen door uitstraling. Tuinbouwers zullen met aluminium folie kwetsbare gewassen kunnen beschermen;- dit heeft een beter effect dan het besproeien.
Besproeien maakt het gewas nat met water. Door de uitstraling koelt dat natte gewas wel af echter het water gaat bevriezen, maar dat kost energie. Namelijk 60 x zoveel als het afkoelen met 1 graad. Vaak is het voldoende om de nacht te overleven voor de bloesem. Met aluminiumfolie wordt de afkoeling door uitstraling voorkomen.
Het asfalt op bruggen koelt sneller af dan het asfalt op wegen. De oorzaak hiervan is gelegen in het feit dat vanuit de aarde er warmteaanvoer is naar het opperlak door geleding en dat vindt bij bruggen niet plaats. Dat is de reden waarom het asfalt op bruggen sneller berijpt en dus glad wordt.
Waterdamp in de lucht vriest vast op autoruiten en autodaken. Het oppervlak van auto's kan wel 15 graden kouder worden dan de buitenlucht waar ze in staan.
Besproeien maakt het gewas nat met water. Door de uitstraling koelt dat natte gewas wel af echter het water gaat bevriezen, maar dat kost energie. Namelijk 60 x zoveel als het afkoelen met 1 graad. Vaak is het voldoende om de nacht te overleven voor de bloesem. Met aluminiumfolie wordt de afkoeling door uitstraling voorkomen.
Het asfalt op bruggen koelt sneller af dan het asfalt op wegen. De oorzaak hiervan is gelegen in het feit dat vanuit de aarde er warmteaanvoer is naar het opperlak door geleding en dat vindt bij bruggen niet plaats. Dat is de reden waarom het asfalt op bruggen sneller berijpt en dus glad wordt.
Waterdamp in de lucht vriest vast op autoruiten en autodaken. Het oppervlak van auto's kan wel 15 graden kouder worden dan de buitenlucht waar ze in staan.