5. Atmosferische circulatie en de ITCZ

Samenvatting voor aardrijkskunde - Atmosferische circulatie en de ITCZ 

Positie van de aarde en de zon

Om processen op aarde te begrijpen moeten we de positie van de aarde ten opzichte van de zon, en de gevolgen daarvan, goed begrijpen. De zon is namelijk ongelofelijk belangrijk voor heel veel processen op aarde; zonder de zon zouden wij niet kunnen leven. Maar hoe werkt dat eigenlijk? 

Atmosfeer

Om de aarde zit de atmosfeer heen. Deze atmosfeer bestaat uit een mengsel van allerlei gassen, dat door de zwaartekracht bij de aarde in de buurt wordt gehouden. Veel voorkomende luchtdeeltjes die in de atmosfeer zweven zijn zuurstof, koolstofdioxide en stikstof. Hoe dichter bij de aarde, hoe sterker de zwaartekracht, dus er zullen dicht bij de aarde meer luchtdeeltjes zijn dan ver weg van de aarde. 

Luchtdruk

Lucht is natuurlijk niet zo zwaar, maar ook niet gewichtloos, door de luchtdeeltjes die erin zitten. De atmosfeer is gemiddeld duizend kilometer dik, dus je kunt je voorstellen dat duizend kilometer aan luchtdeeltjes die naar beneden duwen op het aardoppervlak wél wat weegt. De druk die de lucht uitoefent op het aardoppervlak noemen we dan de luchtdruk. Deze luchtdruk is niet overal op aarde hetzelfde. Er zijn dus hoge luchtdrukgebieden en lage luchtdrukgebieden. 

Hoge en lage luchtdrukgebieden

Dit heeft voornamelijk te maken met de temperatuur. Doorgaans zetten stoffen die warm worden namelijk uit. En als de stoffen uitzetten, dan zijn er dus minder deeltjes per vierkante meter. Als er minder deeltjes zijn, dan is het gewicht van de lucht lager, waardoor er minder luchtdruk op het aardoppervlak duwt. Op warme plekken zal de luchtdruk dus doorgaans lager zijn. 

Daarnaast is het nog belangrijk om te begrijpen dat als de lucht lichter is geworden omdat er minder deeltjes per vierkante meter aanwezig zijn, dat het opstijgt. Denk aan een heliumballon. Helium is lichter dan de buitenlucht, daarom wil het steeds opstijgen. De warme lucht wil dus ook opstijgen, omdat de dichtheid van luchtdeeltjes lager is dan dat van de omgeving. 

Stijging van warme lucht op aarde

Dan vraag je je misschien af, als warme lucht opstijgt, waarom blijft het dan niet constant stijgen als het dichter bij de zon komt? Hiervoor moeten we begrijpen hoe de straling van de zon werkt. Als de zonnestralen de aarde raken, dan wordt de energie geabsorbeerd door het aardoppervlak, wat warmte veroorzaakt. Die warmte zal weer omhoog uitgestraald worden. Daarom is het dicht bij het aardoppervlak dus warmer dan hoog in de lucht. De luchtdeeltjes absorberen ook wel wat warmte, maar veel minder dan het aardoppervlak. 

Broeikaseffect

Echter is dit wel wat het broeikaseffect veroorzaakt. Doordat er bijvoorbeeld meer CO2 en stikstofdeeltjes in de atmosfeer komen door menselijke uitstoot, wordt er meer warmte vastgehouden door de lucht, wat dus moeilijker de atmosfeer uitgestraald kan worden. Daardoor warmt de aarde op, wat klimaatverandering als gevolg heeft. Overigens wordt ook een deel van de straling meteen door de luchtdeeltjes terug de ruimte in gekaatst. 

Stralingsbalans

Er komen dus zonnestralen de atmosfeer in, waarbij een deel van de energie wordt teruggekaatst en geabsorbeerd door de luchtdeeltjes. Vervolgens wordt het overgebleven deel geabsorbeerd door het aardoppervlak, wat voor warmte zorgt. De warmte wordt weer uitgestraald door het aardoppervlak. Ook is er een kleine warmtestroom uit het inwendige van de aarde, wat natuurlijk ook warm is. Op mondiale schaal is er dan een dynamisch evenwicht tussen inkomende zonnestraling en uitgaande warmtestraling. Dit noemen we de stralingsbalans. 

Invalshoek van zonnestralen

Oké, de luchtdruk is dus het hoogst dicht bij de aarde door de zwaartekracht en als het warm is, zal de lucht uitzetten waardoor het lichter wordt, waardoor het opstijgt. Dan is nu nog de vraag, hoe komt het dat het op sommige plekken op aarde warmer is dan op andere plekken? 

Dat heeft vooral met de invalshoek van de zonnestralen te maken. Als een zonnestraal schuin op de aarde staat, dan is de weg door de atmosfeer langer, waardoor meer warmte verloren gaat door weerkaatsing en absorptie van de luchtdeeltjes. Daarnaast is het oppervlakte waar de zonnestralen op vallen groter, waardoor de warmte over een groter oppervlak verspreid wordt. Hoe rechter de stralen op de aarde vallen, hoe warmer het dus is.

De evenaar

Zoals je kunt zien in de video hierboven, kunnen we een denkbeeldige lijn over de aarde trekken die de aarde verdeelt in het noordelijk en het zuidelijk halfrond. Deze lijn noemen we de evenaar, en ligt dus zover mogelijk van de uiterste polen van de aarde af. Ook zien we dat de zonnestralen niet helemaal recht op de evenaar staan. De aarde is een beetje gekanteld, met een hoek van 23,5 graden om precies te zijn. 

Doordat de aarde ook om de zon heen draait, staat de loodrechte lijn van de zon een deel van het jaar net boven de evenaar en een deel net eronder. Gemiddeld gezien is de evenaar dus de plek waar de zon door het jaar heen het meest recht op schijnt. We kunnen de aarde nog verder onderverdelen in horizontale lijnen. Deze noemen we breedtegraden. Op de evenaar is deze nul. 

Atmosferische circulatie (grote windsystemen)

Rond de evenaar is het dus warm omdat de zonnestralen er recht op staan. De lucht zet op, wordt lichter, en stijgt op. De luchtdruk is daar dus ook lager. Er is dus vaak sprake van een lagedrukgebied rondom de evenaar. Na ongeveer 10 kilometer kunnen de luchtdeeltjes niet meer verder stijgen. Nu zullen ze zich opsplitsen en zich voor een deel naar het noorden en voor een deel naar het zuiden verplaatsen. 

Na zo’n 3.000 kilometer, ten hoogte van de 30ste breedtegraad, zal deze lucht dusdanig afgekoeld zijn dat het zwaarder wordt en weer zal dalen. In deze koele lucht zullen zich veel meer luchtdeeltjes bevinden, waardoor de luchtdruk ook hoger is. Rond de 30ste breedtegraad vinden we dus hogedrukgebieden. Deeltjes zullen zich altijd willen verplaatsen van een hogedrukgebied naar een lagedrukgebied, dus de lucht zal beneden om weer terugstromen naar de evenaar. Denk hierbij aan water. Dit zal altijd van een hoge plek naar een lage plek stromen. Bij gasdeeltjes en druk is dat hetzelfde; hoog naar laag. 

Passaten en cellen

De luchtstromen van de 30ste breedtegraad, zowel noord als zuid, naar de evenaar noemen we passaten. De gehele circulatie tussen de evenaar en 30ste breedtegraad noemen we de Hadley-cel, waarvan dus alleen die naar de evenaar toe passaten zijn. Maar, deze Hadley-cel is niet de enige cel die er is. Rond de 60ste breedtegraad is er namelijk ook een lagedrukgebied. De lucht stroomt dan ook vanaf de 30ste naar de 60ste breedtegraad. 

Tegelijkertijd stroomt er ook lucht van de pool naar de 60ste. De koude lucht van de pool botst hier met de warme lucht van de 30ste breedtegraad. De koude lucht zal onder de warme lucht schuiven, waardoor de warme lucht weer opstijgt. Gezien er dus veel warme lucht, met weinig gewicht, bovenop ligt, is er een lagedrukgebied bij de 60ste. De deeltjes die genoeg zijn opgestegen verplaatsen zich weer richting het noorden en het zuiden. 

Zo krijgen we dus nog twee cellen. De luchtstromen tussen de 30ste en de 60ste breedtegraad noemen we de Ferrel-cel en de luchtstromen tussen de 60ste en de polen noemen we de Polaire-cel. Dit geheel van luchtverplaatsing noemen we de atmosferische circulatie of de grote windsystemen. 

Intertropische convergentiezone (ITCZ)

Rond de evenaar ligt een gebied dat nog wat extra aandacht vraagt. We weten ondertussen dat de zon hier relatief recht op het aardoppervlak staat, waardoor het erg warm is en de lucht opstijgt. Door deze extreme warmte zal er ook veel water verdampen en mee opstijgen, wat voor veel neerslag zal zorgen. Ook weten we dat het punt waar de zonnestralen recht op de aarde staan niet het hele jaar precies op de evenaar ligt, aangezien de aarde gekanteld is. 

Dit punt verschilt dus per moment in het jaar. Als het bij ons winter is, dan zal dit punt iets onder de evenaar liggen, en als het bij ons zomer is iets erboven. We kunnen dus op een bepaald moment in het jaar een lijn trekken over de aarde waar het op dat moment extreem heet is en waar veel neerslag valt. Dit noemen we de intertropische convergentiezone, afgekort ITCZ. We noemen het een intertropische convergentiezone omdat hier de passaten convergeren: bijeenkomen. 

Verplaatsing van de ITCZ

Je ziet dus (in de video) een lijn met een gebied eromheen waar het warm is en veel neerslag valt, wat we de ITCZ noemen. In juli ligt dit doorgaans boven de evenaar, en in januari doorgaans eronder. Tussen die periode beweegt het tussen deze lijnen. Ook zie je dat de lijn niet recht is. Dit is omdat de ITCZ de zon volgt, maar wel met een vertraging, omdat opwarmen wat tijd nodig heeft. 

Op het land gaat verwarming veel sneller dan op de oceaan. Daarom zal de ITCZ sneller meeschuiven met de zon op het land dan op de oceaan, en dat zie je terug in de lijn; de verplaatsing van de ITCZ tussen de seizoenen van noord naar zuid is op het land veel groter. Door deze verplaatsingen zijn op sommige plekken rond de evenaar duidelijke regenseizoenen te merken, zoals India bijvoorbeeld. 

Moessons

Je ziet dat de ITCZ rond januari een stuk onder India ligt, terwijl het rond juli boven India hangt. Rond juli zal er dus een lagedrukgebied ontstaan in India, doordat de zon er recht op staat, wat voor veel neerslag zal zorgen. Er is daar dus een duidelijk regenseizoen in de zomer. Zo'n regenseizoen noemen we een moesson. 

Een moesson wordt dus veroorzaakt doordat de ITCZ tijdens het jaar over het gebied heen schuift, waardoor er een periode veel regenval is en een periode niet. Er is in die tropische gebieden wind die een periode vanuit een bepaalde richting waait, om dan gedurende het jaar ongeveer 180 graden van richting te veranderen. Dit is dus een passaat die over de evenaar heen getrokken wordt omdat de luchtdruk op het andere halfrond nog lager is geworden door de verschuiving.