Categorieën
Analyse

Seizoenen

Een vraag waar ik al lang mee worstel is: waarom is de zon in de zomer zoveel warmer dan de winter? Zeker, hij staat hoger. Maar toch niet zoveel hoger dat het zo’n verschil oplevert? Hoe zit dat met de seizoensverschillen?

Zonne-energie

Waar het mij eigenlijk om gaat is de zonne-energie en waarom die in zomer zoveel groter voelt dan in de winter. Dit merk ik bijvoorbeeld aan de opbrengst van onze zonnepanelen, die midzomer ruim tien maal groter is dan midwinter! Je ziet het ook aan de plantengroei in de tuin, die rond 21 juni het snelst is.

De probleemstelling is dus: waarom is de hoeveelheid zonne-energie op het aardoppervlak in de zomer zoveel groter dan in de winter?

Essentie van de zon

Aarde Zon HoekenIn essentie zijn de zon en de aarde twee bollen die in een jaar om elkaar heen cirkelen, terwijl de aarde ook nog éénmaal per etmaal om zijn eigen as draait. Die as is ten opzichte van het draaivlak van het zon-aarde systeem over een hoek van 23,5 graad gekanteld (deze hoek heet obliquiteit). Verder geldt dat de afstand tot de zon zo groot is ten opzichte van de zonnestraal dat de lichtstralen de aarde vrijwel parallel bereiken. Tenslotte is nog van belang dat de aarde omvat wordt door een atmosfeer waardoor slechts een deel van de zonne-energie de aarde bereikt.

Seizoensverschillen zonne-energie

Nu kunnen we de seizoensverschillen analyseren in de zonne-energie die de aarde bereikt. Laten we de extremen vergelijken: 21 juni en 21 december als de zon het hoogst staat (het culminatiepunt). De zon komt dan het hoogst respectievelijk het laagst. Het is niet moeilijk vast te stellen dat de maximale zonhoogte dan slechts afhangt van de obliquiteit δ en de breedtegraad φ. Midzomer is dat 90+δ-φ en midwinter 90-δ-φ. In Groningen op breedtegraad 53,2  is dat 60,3 respectievelijk 13,3 graden. De zon komt dus midzomer dus ruim 4,5 maal hoger dan midwinter.

Het verschil in zonne-energie die de aarde bereikt is echter veel groter dan die factor 4,5. Er zijn drie invloeden te onderscheiden.

Uitsmering

In Nederland staat de zon altijd schuin ten opzichte van het zenit (de verticaal). De stralingsenergie wordt dus altijd enigszins uitgesmeerd en wel evenredig met de cosinus van de hoek die de zon maakt ten opzicht van de horizon. Neem je dan de maximale hoeken zoals boven bepaald, dan zie je dat de uitsmering van zonne-energie in de zomer in Groningen bijna tweemaal zo klein is als in de winter.

Weglengte

Het zonlicht moet eerst door de atmosfeer voordat het de aarde bereikt, en daar wordt het door de lucht gereflecteerd, verstrooid en geabsorbeerd. Dit heet extinctie. Door de gemiddeld hogere zonnestand in de zomer is de door de atmosfeer afgelegde weglengte kleiner dan in de winter. Omdat de atmosfeer relatief dun is kom je op een omgekeerd evenredigheid met de sinus van de zonnehoek. Concreet betekent dit dat de atmosferische weglengte voor het Groningse middaglicht midwinter ruim 3,5 keer zo lang is als in de zomer. Onder aanname dat de extinctie ongeveer evenredig is met de weglengte komt er dus ook 3,5 keer zo weinig zonlicht doorheen.

Daglengte

Een laatste effect is de langere daglengte in de zomer, waardoor de zon veel langer het aardoppervlak beschijnt. Dit heeft geen invloed op de momentane warmte, maar wel op de energie die de zon geeft over een bepaalde periode, zoals bijvoorbeeld van belang is voor de opbrengst van zonnepanelen. Je kunt berekenen1De cosinus van de hoek die de aarde draait tussen zonsopgang en zonsondergang is op 21 december gelijk aan 2tan(δ)tan(φ). dat de daglengte op 21 juni in Groningen 70% van een etmaal bedraagt dus ruim 16,7 uur. Op 21 december is dat precies de nachtlengte. De dag is op de zonnewende dus 2,3 keer zo lang als de winterwende.

Conclusie

Combineer je uitsmering, weglengte en daglengte, dan zou je een factor van 17 krijgen van zonne-energie gedurende 21 juni ten opzichte van die tijdens 21 december. We hebben alleen het culminatiepunt bekeken, dus je mag dit niet over de hele dag rekenen. Maar die factor 17 is wel van dezelfde ordegrootte als 10 voor onze zonnepanelen, die overigens op het westen liggen. Het gaat erom dat de stand van de zon veel meer effect op de instraling heeft dan je op het eerste gezicht zou denken. Dus daarom is de zomerzon zoveel warmer.

 

 

 

 

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *