Sinds het begin van de satellietmetingen door de Amerikaanse National Oceanic and Atmospheric Administration is het wateroppervlak van de oceanen nog nooit zo warm geweest als nu, meldt de Gelderlander op 5 mei 2023: “Met een temperatuur van 21,1 graden is het eerdere record van 21,0 graden uit 2016 verbroken.” Oceanograaf Sjoerd Groeskamp zegt: “In de bovenste twee meter van de oceaan zit evenveel warmte als in de gehele atmosfeer”.
Deze uitspraak vraagt erom om gecontroleerd te worden. Om de warmte (of liever de energie) te berekenen, moet je kijken naar temperatuurverschillen.
a) Leg uit waarom dat nodig is
Je kunt niet goed spreken over de warmte die ergens in zit. Wel over warmte die toegevoerd of afgevoerd moet worden. Dan is het temperatuurverschil van belang: de stijging of daling.
b) Herformuleer de zin op een manier waarop die natuurkundig gecontroleerd kan worden.
“Per graad temperatuurstijging van de bovenste twee meter van de oceaan is evenveel energie nodig als per graad temperatuurstijging van de gehele atmosfeer”.
We gaan nu stap voor stap (vraag c t/m g) de uitspraak verifiëren.
Het totale oppervlak van de oceanen is 3,6 . 108 km2.
c) Bereken hoeveel energie nodig is om de bovenste twee meter zeewater één graad te verwarmen.
De soortelijke warmte van zeewater c = 3,93 . 103 J/kg . K (Binas tab 11).
De massa van de bovenste twee meter oceaan bereken je met m = ρV.
Het volume van de waterlaag bereken je met V = Ad. De dichtheid van zeewater ρ = 1,024 . 103 kg/m3 (Binas tab 11).
$Q=cm\Delta T = c \cdot \rho A d \cdot \Delta T = 3,93\cdot 10^3 \cdot 1,024\cdot 10^3\cdot 3,6\cdot 10^{14}\cdot 2\cdot 1=2,90\cdot 10^{21}~\mathrm{J}$
Het is ingewikkeld om te berekenen hoeveel energie nodig is om de hele atmosfeer één graad te verwarmen. Op de eerste plaats omdat de atmosfeer naar boven toe steeds ijler wordt en geen scherpe afgrenzing heeft. Op de tweede plaats omdat de soortelijke warmte van lucht afhangt van de druk en de temperatuur; de druk en de temperatuur hangen ook weer af van de hoogte.
We doen twee aannames: 1) tachtig procent van de massa van de lucht van de atmosfeer zit in de onderste 10 km; 2) de soortelijke warmte van de lucht in deze laag is gelijk aan die op zeeniveau.
d) Bereken het volume van de onderste 10 km van de atmosfeer.
V = Ad.
Het oppervlak A van de aarde bereken je met:
$A_{bol}=4\pi r^2=4\pi\cdot (6,371\cdot 10^6)^2=5,10\cdot 10^{14}~\mathrm{m}^2$ (je kunt het ook gewoon opzoeken).
Dus: $V=Ad = 5,10\cdot 10^{14}\cdot 10\cdot 10^3=5,10\cdot 10^{18}~\mathrm{m}^3$
e) Bereken de massa van de atmosfeer. Tip: gebruik Binas tab 30F.
We kijken eerst naar de onderste 10 km.
ρ = 1,0 kg/m3 (Binas tab 30F).
m = ρV = 1,0 · 5,10 . 1018 = 5,10 . 1018 kg.
Dit is tachtig procent van de massa van de hele atmosfeer.
Dus matmosfeer = (100/80) · 5,10 . 1018 = 6,4 . 1018 kg.
f) Bereken hoeveel energie nodig is om deze laag één graad te verwarmen.
Weer geldt Q = cmΔT.
c = 1,00 . 103 J/kg (Binas tab 12).
$Q=cm\Delta T = 1,00\cdot 10^3\cdot 6,4\cdot 10^{18} \cdot 1 = 6,4\cdot 10^{21}~\mathrm{J}$
g) Is je uitkomst in overeenstemming met wat Groeskamp stelt?
Voor het verwarmen met één graad van de bovenste twee meter van de oceaan kwamen we uit op 2,9 . 1021 J (antwoord c).
Voor de gehele atmosfeer vinden we 6,4 . 1021 J. Gezien de aannames die we in onze berekening gemaakt hebben, is dit niet heel nauwkeurig.
De uitkomsten zijn verschillend, ze schelen een factor twee. Ze hebben dus wel dezelfde orde van grootte. We kunnen concluderen dat onze berekening de bewering van Groeskamp bevestigt.
De temperatuurtoename van het wateroppervlak van 21,0 naar 21,1 graden tussen 2016 en 2023 lijkt weinig. Maar volgens Groeskamp is dit toch zorgelijk. Hij legt uit: “Negentig procent van de extra warmte die wordt veroorzaakt door klimaatverandering komt terecht in de oceaan.”
Wind en golfstromen zorgen voor menging. Langzaam maar zeker worden ook diepere lagen opgewarmd. “Over honderd of duizend jaar kun je nog de gevolgen merken van deze opwarming”, stelt Groeskamp.
h) Hoe komt het dat je de gevolgen zo lang blijft merken?
Water kan heel veel warmte opslaan. Dat blijkt uit de bovenstaande berekeningen. Door de grote diepte kan er nog veel meer warmte in worden opgeslagen. Die warmte kan ook weer afgegeven worden. Met één graad temperatuurdaling van de bovenste twee meter van de oceaan kan de hele atmosfeer één graad stijgen. Overdracht van warmte van water naar lucht gaat langzaam.
i) Wat is daar zorgelijk aan?
Gedurende heel lange tijd zal het opgewarmde oceaanwater voor temperatuurstijging van de atmosfeer kunnen zorgen.
Opwarming van de oceaan heeft gevolgen voor het zeeleven. Dat is veel in het nieuws.
j) Zoek daarvan enkele voorbeelden op.
Wereldnatuurfonds: Klimaatverandering heeft invloed op veel soorten zeedieren. Door opwarming sterven de koraalriffen, door verzuring sterven de schelpdieren en door stijging van de zeespiegel verdwijnen belangrijke legstranden van zeeschildpadden.
