Systeem aarde: hoofdstuk 1

Paragraaf 1 De zon als motor van het klimaatsysteem

• Het weer betreft de toestand van de atmosfeer zoals deze zich op een bepaald moment op een bepaalde plaats voordoet. Het gemiddelde van de weersverschijnselen in een gebied over een langere periode (meestal 30 jaar) noemen we het klimaat.

• De temperatuur in de luchtlaag boven de aarde wordt bepaald door de balans tussen de inkomende straling van de zon en de uitgaande straling van de aarde. Het saldo ervan op een bepaalde plaats noemen we de stralingsbalans. Deze kan positief (stralingsoverschot) of negatief (stralingstekort) zijn. De zon stuurt kortgolvige straling (gedeeltelijk zichtbaar licht) naar de aarde toe. In de dampkring vindt absorptie plaats van een belangrijk deel van de schadelijke ultraviolette straling door de ozonlaag. Hiernaast kaatsen wolken, stofdeeltjes en ijsdeeltjes een deel van de kortgolvige straling terug naar de hemelruimte. Deze reflectie is vooral groot bij een lage invalshoek van de zon en een lichte kleur van het aardoppervlak. De door de zon opgewarmde aarde straalt door zijn relatief lage temperatuur langgolvige straling uit. Ongeveer 90% ervan wordt door broeikasgassen in de atmosfeer weer geabsorbeerd. Gassen als waterdamp, kooldioxide (CO2), methaan (CH4), stikstofoxide (N2O) en CFK’s warmen hierdoor de atmosfeer op en zorgen voor een natuurlijk broeikaseffect en een leefbare temperatuur op aarde. De stralingsbalans verschilt op aarde per plaats. Verschillen in de invalshoek van de zon zorgen tussen evenaar en pool voor verschillen in de hoeveelheid zonnestraling per oppervlakte-eenheid. Verschillen in de temperatuur van het aardoppervlak zorgen voor verschillen in de omvang van de uitstraling van de aarde. Als resultaat is er globaal tussen 40º NB en 40º ZB een stralingsoverschot en op hogere breedten een stralingstekort.

• De ozonlaag bevindt zich in de stratosfeer op 15 – 40 km hoogte. De ozon ontstaat doordat het ultraviolette zonlicht de splitsing van zuurstofmoleculen (O2) in losse zuurstofatomen (O) activeert. Deze kunnen zich vervolgens met andere zuurstofmoleculen verbinden tot ozon (O3). Bij dit proces vindt absorptie van de ultraviolette straling plaats en omzetting in warmte. De ozonlaag verandert per geografische breedte en per seizoen. De ozonlaag is het dikst boven de evenaar omdat de aanmaak door de zon hier het grootst is. Bij de polen zou de hoeveelheid ozon zonder toestroming van lucht die ozon toevoert laag zijn. In de winter blokkeert echter sterke hoge druk bij de pool de toestroming van lucht met ozon. De ozonlaag bij de polen is vanaf de jaren tachtig dunner geworden. Boven Antarctica is zelfs sprake van een ozongat. De oorzaak is het door de mens in de lucht brengen van chloor dat ozon afbreekt.
Chloor zat onder andere in de drijfgassen van spuitbussen, de koelvloeistof van koelkasten en in piepschuim. Sinds 1 januari 1989 is het Montreal Protocol van kracht. Dit wereldwijde milieuverdrag verbiedt het gebruik van ozonafbrekende stoffen. Dankzij het Montreal Protocol is sprake van herstel van de ozonlaag. Het herstel van het ozongat verloopt echter zeer traag.

Paragraaf 2 Water als energietransporteur

• Water is een belangrijke energietransporteur en zorgt voor een transport van warmte van de evenaar naar de polen. De oceaanstromen spelen bij dit warmtetransport een grote rol. Globaal bezien stroomt er vanaf de tropen opgewarmd zeewater richting polen en stroomt er vanaf de poolgebieden afgekoeld water retour. Bij het warmtetransport speelt gelaagdheid in het zeewater door verschillen in dichtheid op basis van temperatuur en
zoutgehalte een rol. Er is sprake van thermohaline stromingen. Warm water is hierbij minder dicht en beweegt boven koud water. Veranderingen in het zoutgehalte van het zeewater door verdamping, bevriezing en verdunning (door toevoer van zoet rivierwater of smeltwater van het land) beïnvloeden ook de gelaagdheid van het zeewater.

• Voor het transport van warmte van evenaar naar de polen zijn afzinkgebieden op hoge breedten met dalend zeewater essentieel. De afzinkgebieden fungeren als een diepwaterpomp en bevorderen het ontstaan van circulatiecellen.
Toename van het zoutgehalte van het zeewater (door warmteafgifte aan de lucht) zal de werking van de diepwaterpomp en de aanvoer van energie versterken. Toevoer van zoet rivierwater of smeltwater zal de werking van de diepwaterpomp juist verzwakken. In het noorden van de Atlantische Oceaan liggen afzinkgebieden ten noorden van IJsland en in de Labradorzee. De mate van werking van deze afzinkgebieden heeft grote invloed op het klimaat van West-Europa en Noord-Amerika.

• In het zeewater op aarde is een grote buffervoorraad warmte opgeslagen. In de winter heeft de warmte een matigende invloed op de temperatuur van het aangrenzende land. In de zomer is meer sprake van een verkoelende invloed. Het grote zeewateroppervlak bevordert de opname van waterdamp in de lucht.

• De kringloop van het water heeft twee kenmerken:

1) Er is sprake van een stroming van water tussen reservoirs als bijvoorbeeld de zee, de meren, de lucht en de rivieren. De verblijftijd kan kort of lang zijn.

2) Er is sprake van een stroming tussen toestanden (waterdamp, water, ijs). Bij de overgangen is sprake van opslag (bijvoorbeeld bij verdamping) of vrijkomen van energie (bijvoorbeeld bij condensatie).

Paragraaf 3 Lucht als energietransporteur

• Voor luchtbewegingen is het ontstaan van verschillen in temperatuur van het aardoppervlak tussen gebieden noodzakelijk. In relatief warme gebieden ontstaat door het uitzetten en minder dicht worden van de lucht aan het aardoppervlak lage druk. In relatief koude gebieden is de lucht dichter en ontstaat hoge druk. De luchtdrukverschillen hebben een stroming van lucht van een hogedrukgebied naar een lagedrukgebied tot gevolg.

• Door de draaiing van de aarde beweegt lucht niet in een rechte lijn van hoge druk naar lage druk. Er is sprake van een soort afbuigende kracht: de Corioliskracht. Buys Ballot formuleerde dit in een wet: “Met de wind in de rug (dus bezien vanaf een hogedrukgebied) ondervindt een wind op het noordelijk halfrond een afwijking naar rechts en op het zuidelijk halfrond een afwijking naar links”.

• Door de Corioliskracht kent elk halfrond drie circulatiecellen:

1. Een sterk ontwikkelde circulatiecel tussen 0º en 35º breedte: de Hadleycel, met aan het aardoppervlak een toestroming van lucht naar de evenaar door de passaten. Bij de evenaar komen de passaten samen (convergeren) en is sprake van een zone van lage druk in de tropen: de intertropische convergentiezone (ITCZ). De hier opstijgende lucht zorgt voor overvloedige neerslag en wolkenmassa’s. Rond de 35º breedte is sprake van dalende lucht met droogte en het voorkomen van woestijnen.

2. Tussen 60º en 90º breedte is sprake van een zwak ontwikkelde circulatiecel: de Polaire cel. Aan het aardoppervlak stroomt de lucht van hoge druk in de koude poolgebieden naar lage druk rond de 60º breedte.

3. Tussen 35º en 60º breedte is sprake van een wat betreft vorm sterk veranderlijke circulatiecel: de Ferrelcel. Rond de 60º breedte is sprake van een botsing van koude lucht vanaf de poolgebieden en warme lucht uit de subtropen. Er is sprake van een gedwongen stijging van lucht waarbij de warme lucht boven de koude lucht opstijgt. We vinden hier een bijzondere vorm van lage druk: een depressie.

• Kerngebieden van lage druk worden aan het aardoppervlak gekenmerkt door toestromen (convergentie) en opstijgen van lucht. De cyclonale beweging van lucht leidt tot wolkvorming en neerslag. Kerngebieden van hoge druk worden gekenmerkt door een dalende luchtbeweging die wordt versterkt doordat de lucht aan het aardoppervlak vanaf de hoge druk naar alle richtingen kan wegstromen (divergentie). Er is sprake van een anticyclonale beweging van lucht met droogte en een wolkeloze hemel.

• Als een stuk continent binnen de invloedssfeer van de Hadleycel een groot verschil in temperatuur kent tussen zomer (verhitting en lage druk van de ITCZ) en winter (afkoeling en hoge druk) is er bij de passaten een halfjaarlijkse omkering van de windrichting. We noemen een passaat dan een moesson.

• Het gebied van de Grote Oceaan kent langjarige schommelingen in de verdeling van de luchtdruk. Onder normale omstandigheden is hier sprake van stabiele passaatwinden die van de hoge druk bij de subtropen naar de lage druk bij de evenaar waaien. Omdat de passaten naar het westen waaien wordt de warme bovenlaag van de oceaan westwaarts getransporteerd. Het warme wateroppervlak zorgt bij Indonesië, Nieuw Guinea en de Filipijnen voor intensieve opstijging van lucht en veel neerslag. In het oosten van de oceaan heeft westwaarts transport van de bovenlaag van het zeewater aanvulling uit de diepte van relatief koud zeewater dat voedselrijk is tot gevolg. Voor de kust van Peru leidt dit tot een grote rijkdom aan plankton en vissen. Tijdens El Niño jaren is de hoge druk bij de subtropen wat minder hoog en de lage druk bij de evenaar wat minder laag. Hierdoor vermindert de kracht van de passaten en er is boven de Grote Oceaan zelfs sprake van een omkering van windrichting. Een zwakke westenwind zorgt voor een oostwaarts transport van het warmste zeewater en de lage druk. Bij Indonesië en Nieuw Guinea zorgt de verzwakking van de lage druk voor droogteperioden met het optreden van bosbranden. Voor de kust van Peru en Ecuador is er minder opstijgend voedselrijk koud zeewater en dus minder vis. Er is hier wel meer neerslag.

Paragraaf 4 De klimaatgebieden op aarde

• Het klimaat op aarde verschilt per gebied. Een klimaatindeling met klimaat- grenzen is altijd arbitrair. De gekozen systematiek bepaalt het resultaat. Vaak worden temperatuurgrenswaarden gebruikt. Deze kunnen bijvoorbeeld gekoppeld worden aan het voorkomen van bepaalde boomsoorten of landbouwgewassen (wijngrens, palmgrens).

• Köppen is bij zijn klimaatindeling uitgegaan van verschillen in plantengroei in de wereld. Ieder gebied met een bepaalde plantengroei werd door hem gekarakteriseerd wat betreft de hoogte van de gemiddelde temperatuur (per jaar, van de warmste maand, van de koudste maand), de gemiddelde neerslag en de verdeling van de neerlag over de seizoenen.

• In de klimaatindeling van Köppen in de atlas zijn de hoofdletters A, C, D, en E gekoppeld aan de gemiddelde temperatuur die van A naar E afneemt. De hoofdletter B is gekoppeld aan het voorkomen van droogte. De verdeling van de neerslag over de seizoenen wordt bij de A, C en D-klimaten aangegeven door de toevoeging f (neerslag in alle jaargetijen), s (droge zomer) en w (droge winter).

• Bij klimaatverklaring speelt ten aanzien van de temperatuur de geografische breedte, de afstand tot de zee en de hoogteligging een rol. De neerslag wordt vooral bepaald door de ligging en eventuele verplaatsing van lagedrukgebieden (neerslag) of hogedrukgebieden (droogte) tussen zomer en winter.

Paragraaf 5 Landschapszones en klimaat

• Onder landschap verstaan we de totaliteit van een gebied zoals deze is ontstaan door de samenwerking van de geofactoren: gesteente en reliëf, klimaat, bodem, water, plantengroei (vegetatie), dierenwereld en de mens. Als een geofactor verandert heeft dit door de onderlinge samenhang gevolgen voor de andere geofactoren. Er is hierbij wel sprake van een rangorde in de mate van doorwerking op de ander geofactoren. Het klimaat heeft de hoogste rang orde. Dit wil zeggen dat een klimaatverandering op de andere geofactoren sterk zal doorwerken.

• Ten aanzien van het voorkomen van landschappen op de schaal van de aarde is sprake van een ordening in landschapszones. De landschapszones zijn aardomvattende natuurlijke gebieden die wat betreft de opbouw en werking van klimaat, plantengroei, water en bodem een eenheid vormen. In iedere landschapszone zijn globaal bezien de natuurlijke processen en mogelijkheden voor de mens gelijk. Dit geldt bijvoorbeeld voor de stroming van de rivieren, de soort rivieren, de soort erosieprocessen, de bodems, de lengte van het groeiseizoen en de voedselproductie.

• Landschapszones worden het duidelijkst gekarakteriseerd door de plantengroei:

1. De tropische zone heeft tropisch regenwoud, moessonbos en savanne

2. De aride en semi-aride zone heeft woestijn en grassteppe

3. De subtropische zone heeft altijd groene mediterrane vegetatie

4. De gematigde zone heeft zomergroen loofbos

5. De boreale zone heeft naaldbos en permafrost

6. De polaire zone heeft toendra en permafrost

• Het klimaat heeft grote invloed op de watervoorziening van planten. Het klimaat bepaalt allereerst de omvang van de transpiratie van planten. De transpiratie is nodig voor de groei van planten. Gemiddeld transpireren planten tijdens het groeiseizoen ongeveer 400 mm water. Het water moeten de planten met hun wortels uit de bodemwaterzone (water en lucht in de poriën) opnemen. Voor omvang van de watervoorraad in de bodem is ook de hoogte van de oppervlakteverdamping belangrijk. Dit betreft de verdamping op bodem-oppervlak en de bladeren van planten. Vaak is tijdens het groeiseizoen in de zomer sprake van een situatie waarbij de omvang van de totale verdamping (oppervlakteverdamping en transpiratie) de neerslag overtreft. De planten kunnen alleen blijven groeien op basis van een buffervoorraad water in de bodem. Een vochtbalans van de bodem geeft aan of er in de loop van het jaar sprake is van een watertekort of wateroverschot.

• De ligging van landschapszones is geen constant gegeven. In het geologisch verleden waren tijdens de ijstijden de landschapszones totaal anders. In Nederland daalde de julitemperatuur dan onder de 10 ºC (soms 5 ºC). Er was vanaf de polen sprake van een forse groei van ijskappen en een opschuiving van koude klimaten en landschapszones naar de gematigde breedten.

Paragraaf 6 Landschapszones en de mens

• In de landschapszones kan sprake zijn van landdegradatie. Landdegradatie betreft alle veranderingen in het landschap die het vermogen van bodem en grond om gezond voedsel, gewassen, zoet water, brandhout (natuurlijke hulpbronnen) te produceren verminderen. Landdegradatie kan natuurlijke oorzaken hebben maar ook door de mens op gang worden gebracht. Indien er sprake is van veel schade en/of een groot aantal slachtoffers spreken we van een ramp. Bij natuurrampen speelt het klimaat vaak een rol: bijvoorbeeld langdurige droogte of hevige moessons. Het kan ook gaan om vulkaanuitbarstingen, aardbevingen of tsunami’s. Van een milieuramp spreken we indien door menselijk handelen ernstige schade wordt aangebracht aan het milieu (water, bodem en lucht) als leefomgeving van mensen, planten en dieren. Meestal is bij milieurampen sprake van milieuverontreiniging. We spreken hiervan als door de mens stoffen in het milieu worden gebracht met hogere concentraties dan in de natuur gebruikelijk is en tevens schade wordt aangebracht aan de gezondheid van mensen, planten en dieren.

• De aride en semi-aride landschapszone (BW- en BS-klimaat) kent landdegradatie door:

1- Bodemerosie door wind en water. Door gebrek aan neerslag is er weinig bodembedekking door planten en is er grote kans op winderosie. Als er neerslag valt is de intensiteit ervan hoog. Dit bevordert watererosie.

2- Verwoestijning. Hiermee wordt bedoeld dat een gebied door natuurlijke (droger wordend klimaat) of menselijke activiteiten steeds minder plantenmassa kan produceren en steeds meer woestijnachtige kenmerken krijgt. Vooral in de steppegebieden aan de randen van woestijnen is het gevaar voor verwoestijning groot. Door de groei van de bevolking is er steeds meer behoefte aan brandhout en is door groei van vee vaak sprake van overbeweiding. Te intensieve teelt van voedergewassen leidt tot bodemuitputting.

3- Verzilting. Irrigatielandbouw in de omgeving van oases (vaak rivieroases) leidt tot het te zout worden van de bodem. Het toegevoerde irrigatiewater bevat altijd zouten die bij verdamping van het water neerslaan. Het teveel aan zouten kan door toevoer van spoelwater afgevoerd worden. Er is dan wel een goede drainage nodig die het spoelwater afvoert en voorkomt dat het grondwater te hoog wordt.

• De subtropische en gematigde landschapszone is vanouds wat betreft klimaat (Cs, Cf en Df) een goed woongebied en kent landdegradatie door:

- Bodemerosie door water. Vooral op hellingen met erosiegevoelig materiaal zoals löss.

- Aardverschuivingen. Komen vooral op hellingen in de subtropische zone voor na perioden met intense neerslag. De verweringslaag is dan met water verzadigd.

- Overstromingen van rivieren. Ontbossing van hellingen heeft het optreden van afvoerpieken bevorderd.

- Verwoestijning en verzilting. Komt in sommige gebieden van de subtropische zone voor door een droger klimaat of menselijk handelen (irrigatielandbouw, bosbranden).

• De boreale en polaire landschapszone ((Df-, Dw-, Et-, Ef-klimaat) kent landdegradatie door de gevolgen van een warmer wordend klimaat door versterking van het natuurlijk broeikaseffect door de mens. Hierdoor is sprake van:

• Versterking van de opdooi in de permafrost. De actieve of opdooilaag is bij het huidige klimaat in de koudste gebieden 30 – 50 cm dik. De dikte neemt in de boreale zone toe tot een aantal meters. Versterking van de opdooi door opwarming leidt tot het ontstaan van ontoegankelijke moerasvlakten en maakt de bouw van huizen, straten, pijpleidingen en spoorwegen nog moeilijker. Door het gevaar voor verzakking is doorgaans een fundering op palen noodzakelijk.

• Verandering van het afvoerkarakter van rivieren. In de winter hebben de rivieren een geringe afvoer. In de lente of de voorzomer ontdooit het water dat in sneeuw en ijs in de bovenlopen van de rivieren opgeslagen was en is er een piek in de waterafvoer. Een warmer wordend klimaat zal deze piek versterken en vervroegen. Meer overstromingen zijn het gevolg.

Paragraaf 7 De landschapszones in de toekomst

• De opwarming van de aarde door versterking van het broeikaseffect door de mens zal leiden tot een verschuiving van de landschapszone richting pool. Het naaldbos zal in sommige gebieden de toendra gaan vervangen en sommige mediterrane planten rukken op naar de gematigde zone. Door de veranderde levensomstandigheden zullen bepaalde soorten planten en dieren verdwijnen en nieuwe soorten zich vestigen.

• Het warmer wordende klimaat zal door zeespiegelstijging in kustgebieden leiden tot een toename van natuurlijke gevaren. Er zullen in de landschapszones ook allerlei terugkoppelingen optreden. Terugkoppelingen zijn effecten die het warmer worden van het klimaat ofwel versterken (meekoppeling) ofwel verzwakken (tegenkoppeling). In de polaire zone treden door een warmer klimaat drie soorten terugkoppelingen op:

• Minder weerkaatsing (reflectie) van zonnestraling door afsmelten van sneeuw en ijs. Er wordt door meer donker landoppervlak meer zonnestraling geabsorbeerd.

• Verandering in de circulatiecellen in de oceanen. Door toevoer van zoet smeltwater van gletsjers en vermindering van zee-ijs wordt het zeewater bij de afzinkgebieden minder zout. De werking van de diepwaterpomp en de toestroming van warm oceaanwater uit de tropen wordt hierdoor minder.

• Opname of uitstoot van broeikasgassen. Door opdooi van permafrost in veengebieden komt een deel van het organische materiaal tot ontbinding waardoor het sterke broeikasgas methaan (CH4) vrijkomt. Bij opdrogen van de veengronden komt het broeikasgas CO2 vrij. Beide broeikasgassen zullen leiden tot extra opwarming.

• Aanpak van landdegradatie kan op twee manieren:

- Goed hazard management kan de nadelige effecten van landdegradatie verminderen.

- Duurzaam landgebruik probeert het optreden van landdegradatie te voorkomen. Er is dus sprake van bestrijding bij de bron. Gestreefd zal moeten worden naar een vorm van landgebruik waarbij er een evenwicht is tussen de mogelijkheden van het landschap en de benutting door de mens, om zo de perspectieven van toekomstige generaties niet in gevaar te brengen.