Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

jhpol

In de laatste wetenschapsquiz voor de jeugd werd o.a. de volgende vraag gesteld:

Waarom is het op een berg kouder dan in een dal, hoewel je dan dichter bij de zon bent?

a de lucht op de berg is ijler

b je zit boven de wolken

c je zit boven de boomgrens

Het goede antwoord is a. Als je een pakketje lucht, zonder warmte toe te voegen of te onttrekken, samendrukt wordt het warmer - net als in een fietspomp. Daarbij wordt arbeid in warmte omgezet. Omgekeerd zal een pakketje lucht kouder worden als je het laat expanderen, of uitzetten. De lucht wordt dan ijler. Daarom is het op de bergtop kouder dan in het dal. Dit heet de eerste wet van de thermodynamica. Bovendien is de afstand van de aarde tot de zon zo verschrikkelijk groot, dat die paar duizend meter van het aardoppervlak tot het topje van de berg niks uitmaakt.

zie http://www.vpro.nl/wetenschap/nwq/index ... +playlocal+)

Maar ik vind dit een slechte verklaring. In het programma was een jochie dat eigenlijk een veel beter antwoord gaf: De zon verwarmt niet de lucht maar de aarde. Maar dat antwoord stond er niet bij.

Want wat gebeurd er b.v. op een warme zomerdag in je afgesloten huis als je alle binnendeuren open laat? De warme lucht gaat naar zolder en de koude lucht (is zwaarder) verzameld zich in de kelder of de beneden verdieping. Hoe ontstaat een inversielaag (warme luchtlaag) in de atmosfeer, hoe onstaat vorst aan de grond? Het antwoord van de wetenschapsquiz roept alleem maar meer vragen op.

Ook de verklaring dat samengedrukte lucht warm wordt vind ik zwak. De lucht was toch al samengedrukt? Alleen als je de lucht nog meer samendrukt wordt deze even warm. Maar dat is bij het onstaan van de aarde al weer een hele tijd geleden. Daarna koelt de lucht weer af zolang er geen zonnewarmte aan toe gevoegd wordt zoals in de winter op de noordpool.

De zon verwarmt de aarde. Luchtlaag vlak boven de aarde wordt verwarmt. Als het warm genoeg is zal dit luchtpakketje als een hete lucht ballon naar boven stijgen. Als met het toenemen van de hoogte, de temperatuur van de lucht met 1 graad of meer per 100 meter hoogte kouder wordt, zal dit pakketje door blijven stijgen. De afname van de temperatuur van dit pakketje doordat het in ijlere lucht komt, zakt minder snel dan de lucht in zijn omgeving. Het zal net zo lang blijven stijgen totdat het een warmere luchtlaag tegen komt. Dat is de reden dat door verwarming aan de aarde en dit soort luchtstromingen de lucht beneden warmer is dan boven. Hier komt dus inderdaad thermodynamica om de hoek kijken.

Maar de oorzaak dat het op lage hoogte warmer is, is dat de zon voornamelijk het aardoppervlak verwarmd.

Jan van de Velde

http://users.telenet.be/geowisvlio/Aardrij...e/atmosfeer.htm

Afbeelding

Dat verband tussen ijlere lucht en temperatuur is niet fout, maar ook verre van het hele antwoord. Of de temperatuurlijn in bovenstaand plaatje in (gemiddelde) absolute waarden correct is weet ik niet. Ik vind ook bronnen met iets hoger terug oplopende temperaturen in de stratosfeer, met waarden tot +15°C. Deze worden overigens veroorzaakt door chemische reacties (ozonreacties bijvoorbeeld). Die extreme temperaturen in ionosfeer en exosfeer ben ik ook nog niet helemaal uit.

Het antwoord van dat jochie is overigens ook niet correct. Op die berg sta je nog steeds op de aarde, met dat door de zon bestraalde en opgewarmde materiaal pal onder je voeten. Uitgestraalde warmte wordt wel door minder luchtmoleculen opgevangen en omgezet in dus minder kinetische energie per m3, die bij jouw botsingen met luchtdeeltjes jou op kan warmen. Ook heb je op een berg minder moleculen boven je die warmtestraling weer naar je kunnen terugkaatsen.

Cycloon

Wat is er dan mis met die wolken eigelijk ? Het is toch door het broeikaseffect van de wolken dat je het warm hebt gewoon op de aarde ? Als je dan boven de wolken komt is het toch zieozo kouder ?

jhpol

@Jan van de Velde:

Het verhaal van dat jochie was wel correct maar misschien niet volledig. Het spreekt mij meer aan dan het antwoord van de wetenschapsquiz.

Als de zon boven op een berg schijnt, wordt het daar wel degelijk warmer. Alleen de temperatuur is daar zonder zon ('s nachts) veel kouder, zodat het overdag meestal niet de temperatuur haalt die in het dal gehaald wordt. Het verschil in temperatuur tussen dag en nacht is boven op de berg meestal zelfs groter dan in het dal. Dus het komt wel degelijk door de zon.

@Cycloon:

Broeikas effect heeft niets met wolken te maken. Wolken houden de zon tegen zodat het overdag minder warm wordt. 's Nachts houden de wolken de warmteuitstraling tegen zodat het dan 's nacht warmer blijft. Als 's nachts alleen wolken in het dal hangen heb je wel gelijk

Cycloon

Ow sorry, je kan wel gelijk hebben, ik dacht dat het zonder wolken hier elke dag koud zou zijn. Maar idd, het zorgt ervoor dat het net iets frisser is overdag en iets warmer 's nachts

Jan van de Velde

Als de zon boven op een berg schijnt, wordt het daar wel degelijk warmer. Alleen de temperatuur is daar zonder zon ('s nachts) veel kouder, zodat het overdag meestal niet de temperatuur haalt die in het dal gehaald wordt. Het verschil in temperatuur tussen dag en nacht is boven op de berg meestal zelfs groter dan in het dal. Dus het komt wel degelijk door de zon.

dus komt het juist niet door de zon!!!!!

Want die schijnt op grotere hoogte feller dan op zeeniveau. Dan zou het dus in de bergen evenveel opwarmen of juist nog meer, en aangezien de zon op de berg even lang NIET schijnt als dat ze dat op zeeniveau NIET doet, is er geen reden waarom het in de bergen 's nachts sterker af zou koelen, althans geen reden die iets met opwarming door de zon te maken heeft.

Op zeeniveau zijn er BOVEN je meer luchtmoleculen die warmte terugkaatsen naar de aarde dan op grotere hoogte. Meer door de aarde uitgestraalde warmte komt dus terug (of blijft hangen als je het zo zou willen uitdrukken). Dat is samen met die lagere druk (minder moleculen per m3, dus ook minder kinetische energie per m3) ook precies de reden voor die vrijwel lineaire afname van temperatuur per kilometer atmosfeer.

Het jochie heeft geen gelijk, de wetenschapsquiz in principe wel....

jhpol

Het lijkt er nu toch op dat het antwoord van de wetenschapsquiz je een beetje op het verkeerde been zet. Als je alleen maar denkt aan moleculen per m3 en kinetische energie per M3 krijg je problemen met het volgende denkbeeldig experiment:

Maak een hele grote geisoleerde toren waar geen zon bij komt van 5 KM hoog. Boven in de toren heb je dan 0,5 atm onderin 1 atm.

Begin nu met bovenin warme lucht en onderin koude lucht en wacht af wat er gebeurd... Er gebeurd helemaal niets. Het is een stabiele situatie. Warme lucht is lichter en blijft dus boven. Koude lucht is zwaarder en blijft onder. Ondanks dat er onderin dubbel zo veel moleculen per m3 zijn, blijft het er dus kouder.

Begin je onderin met warme lucht dan krijg je wel te maken met het thermo dynamisch effect en zal het onderin warmer blijven.

Je moet dus onderin wel met warmte beginnen. En dat is dus de zon. Ik zou niet weten wat het anders kan zijn. Denk maar is aan de winter op de polen. Zonder zon koelt het er daar snel af.

De verklaring begint volgens mij dus met de zon die beneden de lucht verwarmt. Door inderdaad het thermodynamisch effect ontstaat er een verdeling van deze warmte naar boven toe waarbij de temperatuur met ongeveer 10 graden per kilometer afneemt. Boven op de berg start je dus 's ochtends met een veel lagere temperatuur. Daarom blijft het overdag kouder. En verder spelen er nog meer dingen mee zoals een koudere en vaak ook hardere wind.

Jan van de Velde

Begin nu met bovenin warme lucht en onderin koude lucht en wacht af wat er gebeurd... Er gebeurd helemaal niets. Het is een stabiele situatie.

Helaas niet. Of gelukkig niet, net hoe je het bekijkt.

http://galileo.phys.virginia.edu/classes/2...tic_theory.html

Afbeelding

In bovenstaand plaatje de snelheidsverdeling van stikstofmoleculen bij kamertemperatuur. Een graad of 20 meer of minder maakt nou ook niet zulke wezenlijke verschillen voor mijn betoog dat ik die erbij moet gaan halen. De gemiddelde snelheid van de moleculen in je toren is dus ergens zo rond de 700 m/s. Een molecuul dat van boven naar beneden vliegt en daarbij toevallig geen andere moleculen op zijn weg treft, zou dus in 7 seconden beneden kunnen zijn. Nou vliegen moleculen niet alleen maar van boven naar beneden v.v., maar ik hoop dat je snapt dat er in die toren van alles gebeurt, dat het allesbehalve een stabiele situatie is.

Het proces van die menging heet diffusie.

Nou kun je dus bovenin wel kinetische energie toevoegen om het daar even warmer te maken, maar dat zal dus niet erg lang helpen....

jhpol

Ik snap jou verklaring niet.

Waarom krijg je dan op een warme zomeravond in de zomer geen diffussie tussen de warme lucht op zolder en de koelere lucht beneden? Die molecuul is dan toch volgens jou in 10 milliseconden beneden?

Als ik de buitenramen en deuren dan dicht laat en en de binnendeuren open laat, blijft bij mij de warmte op zolder lang hangen.

Jan van de Velde

Waarom krijg je dan op een warme zomeravond in de zomer geen diffussie tussen de warme lucht op zolder en de koelere lucht beneden? Die molecuul is dan toch volgens jou in 10 milliseconden beneden?

Als ik de buitenramen en deuren dan dicht laat en en de binnendeuren open laat, blijft bij mij de warmte op zolder lang hangen.

Dat ene molecuul is zo beneden, maar die moeten ook al die opgewarmde muren etc onderweg nog afkoelen. De warmtecapaciteit van lucht is niet zo groot, en dus moeten er heel veel moleculen uitgewisseld worden voordat dat allemaal mee afgekoeld is. Niet bepaald een geïsoleerde toren.

Maar er is hoe dan ook een enorm verschil tussen

"er gebeurt helemaal niets, het is een stabiele situatie" en

"de warmte blijft lang hangen"

Ik zit een beetje vast met de vraag hoe ik het je dan moet uitleggen.

Dat moet met begrippen als adiabatische expansie, energiestromen door warmteconvectie en warmtestraling, maar dat krijg ik kennelijk nog niet zo simpel verklaard.

wannes

[quote="jhpol"

Maar ik vind dit een slechte verklaring. In het programma was een jochie dat eigenlijk een veel beter antwoord gaf: De zon verwarmt niet de lucht maar de aarde. Maar dat antwoord stond er niet bij.[/quote]

dus op een hoogvlakte zouhet warmer moetten zijn dan op een laagvlakte op gelijke breedtegraad

jhpol

@Jan

Lucht is mijn hobby. Ik ben namelijk zweefvlieger. Dus ik denk best vaak na over luchtsromingen, adiabatische expansie enz. Dus je mag het wat mij betreft ook wat ingewikkelder maken. Bekleed b.v. de binnekant van je huis met met piepschuim. Heeft nauwelijk warmtecapaciteit. Zal je zien dat de warmte nog steeds op zolder blijft hangen. Waarom hier dan geen diffusie en wel in de buitenlucht?

@Wannes

Van nature is de lucht rondom de aarde steen koud. Door verwarming aan het aardoppervlak en daarna door het adiabatische stijgen van deze verwarmde lucht krijg je een temperatuurs verloop van 7 tot 10 graden per kilometer. 's Nachts is het dan op zon hoogvlakte behoorlijk koud. o.a. door aanvoer van koude lucht vanuit de omgeving. Overdag doet de zon wel flink zijn best maar omdat het vanuit een veel lagere temperatuur begint, zal het niet zo heel erg heet worden. Afgelopen zomer was ik op vakantie in Zuidelijk Afrika (daar toen dus winter) 's Nacht op de hoogvlaktes koelde het af richting vriespunt maar overdag steeg het vaak tot tegen de 30 graden. De zon doet dus daar inderdaad flink zijn best.

Jan van de Velde

Zal je zien dat de warmte nog steeds op zolder blijft hangen. Waarom hier dan geen diffusie en wel in de buitenlucht?

Laten we die diffusie eventjes vergeten, die heb ik er alleen maar bij gehaald om te proberen aantonen dat je torenverhaal geen stabiele situatie was.

EDIT>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

het hele topic nog eens rustig doorlezend denk ik dat we eigenlijk een beetje fout begonnen zijn, waarna een grote verwarring is ontstaan doordat er torens en zolders zijn bijgehaald. Ook dat zweefvliegen is op zich een interessant verhaal, maar riskeert dat we nog verder van de hamvraag afdwalen.

Helemaal fout is dat jochie ook niet. Hieronder wil ik een poging doen even opnieuw te beginnen bij het begin, door middel van een modelletje. Alsa we dat verder uitbreiden, zien we vanzelf in hoeverre jochie en NWQ gelijk hadden. Mag ik vragen om er aub even geen andere effecten in te gooien? nachtvorst, thermiek, adiabatische expansie, broeikaseffect, ik denk dat we het allemaal een voor een met dit modelletje kunnen aanpakken. Maar niet alles tegelijk. Dan raken we de pad weer kwijt en blijven we kibbelen.

EINDE EDIT>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

(Warmte)straling. Een simpel maar redelijk werkend model.

Stel je de energie voor als tennisballen. Straling is energie die door de ruimte beweegt, vliegende of in dit geval voor mijn part ook rollende ballen.

Stel je atomen voor als mensen.

Mensen vangen de ballen (energie), houden ze even, en gooien ze dan weer weg. Alle ballen die niet gevangen worden rollen vanzelf weer verder over het veld.

Jij staat aan een kant van het veld met een ballenkanon en schiet per minuut 50 ballen af (50 porties energie per minuut).

In je veld staat een mens. Als er een bal in zijn hand vliegt, dan vangt hij hem. Dat gebeurt soms twee keer vlak achter elkaar, soms ook weer een tijd lang niet. Om de minuut gooit hij er ook weer een weg (als hij er een heeft tenminste) in een willekeurige richting.

Maar zoveel ballen vliegen er niet, hij kan niet op alle plaatsen gelijk zijn, en als hij er om de zoveel tijd een weggooit mogen we niet eens aannemen dat er een moment komt dat hij meer dan een bal op zak zal hebben.

Zet nu tien mensen neer. Het is logisch te veronderstellen dat er nu tien keer zoveel ballen gevangen worden. Gekker nog, alle mensen gooien ook weer ballen in willekeurige richtingen weg, dus er vliegen op elk moment meer dan 50 ballen per minuut over het veld, wat dus een betere vangkans oplevert. Er blijft meer energie in het veld hangen

Nou honderd mensen in dat veld. Dan duizend. Tenslotte staan ze hutje-mutje in het veld, en komt het moment dat vrijwel alle ballen worden gevangen, en de zakken van de meeste mensen beginnen uit te puilen van de tennisballen. Alleen de mensen aan de rand van het veld gooien nog wel eens ballen het veld uit.

Een bomvol veld is een vaste stof. Zolang je er energie inpompt zal het snel opwarmen, er zullen veel ballen (energie) in het veld blijven.

Een gas is een relatief leeg veld. Er worden weinig ballen gevangen, en hoe ijler het gas, hoe minder ballen gevangen zullen worden, en hoe minder ballen de mensen op zak zullen hebben. Minder mensen met bovendien minder ballen per vierkante meter, dus minder energie per vierkante meter veld. Dus een lagere temperatuur.

Dat was het principe, nou wat dichter naar de praktijk:

Neem nu voor het overzicht een American football pitch. Het laatste vak aan de overkant van het veld zet je bomvol. Dat is je stukje Aarde, vaste stof.

In het 10-20 yardvak zet je honderd man (dichte lucht nabij het aadoppervlak). In het volgende 90 , dan 80 enz, totdat je aan de overkant bent. Nou heb je een luchtkolom met naar boven toe afnemende dichtheid gecreeerd boven dat stukje aarde.

Onderlangs de aarde en langs de lange zijden van het veld (de verticale zijden van je luchtkolom) zet je een hoog hek. Dat mag in dit voorbeeld, want langs de zijkant zouden ook ballen weggegooid worden. En naast ons veld hebben we niet nog een veld waaruit weer ballen kunnen worden teruggegooid, (zoals op aarde wel een luchtkolom naast elke andere luchtkolom staat)dus we modelleren die teruggegooide ballen met een hek dat de ballen laat terugstuiteren het veld in.

Nog een eindje verder, in de ruimte, ga jij, de zon, staan met je ballenkanon. Nou begin je te schieten richting "aarde". Na een uurtje of 3 heb je 9000 ballen verschoten. Waar zullen die allemaal zijn denk je?

Heel veel in dat aardvak, (heb je trouwens voor je geestesoog de ballen langzaam de aardlaag zien binnendringen?),

al heel wat minder in de laag dichte lucht,

heel weinig in het dunstbezette vak vlak bij je.

En een redelijk aantal liggen al terug voor je voeten, buiten bereik van zelfs de dunste luchtlaag, die zijn dus terug de ruimte in gegooid.

Dus in welke "luchtlaag" bevindt zich de meeste energie per kuub, en dus de hoogste temperatuur? Juist, in die luchtlaag die het dichtst bij de aarde zit.

Stel je nou ook eens voor, je houdt op met schieten. (het wordt nacht).

De mensen gaan dapper door met ballen gooien en proberen te vangen. Steeds meer ballen verdwijnen terug de ruimte in, en als je maar lang genoeg wacht met opnieuw te beginnen te schieten zijn uiteindelijk alle ballen weer terug uit het veld verdwenen.

Ik hoop echt dat je deze vergelijking kan volgen. Ik zou het liever in een appletje steken, want dan zie je het gebeuren zonder dat je hoeft na te denken, maar ik heb geen idee hoe dat zou moeten. Maar als je het kan volgen, gaan we eens een berg in ons model stoppen.

EDIT>>>>>>>>>>>>>>>>>>> zie bovenin bericht

onez88888888

jhpol schreef:In de laatste wetenschapsquiz voor de jeugd werd o.a. de volgende vraag gesteld:

Waarom is het op een berg kouder dan in een dal, hoewel je dan dichter bij de zon bent?

a de lucht op de berg is ijler

b je zit boven de wolken

c je zit boven de boomgrens

Het goede antwoord is a. Als je een pakketje lucht, zonder warmte toe te voegen of te onttrekken, samendrukt wordt het warmer - net als in een fietspomp. Daarbij wordt arbeid in warmte omgezet. Omgekeerd zal een pakketje lucht kouder worden als je het laat expanderen, of uitzetten. De lucht wordt dan ijler. Daarom is het op de bergtop kouder dan in het dal. Dit heet de eerste wet van de thermodynamica. Bovendien is de afstand van de aarde tot de zon zo verschrikkelijk groot, dat die paar duizend meter van het aardoppervlak tot het topje van de berg niks uitmaakt.

zie http://www.vpro.nl/wetenschap/nwq/index ... +playlocal+)

Maar ik vind dit een slechte verklaring. In het programma was een jochie dat eigenlijk een veel beter antwoord gaf: De zon verwarmt niet de lucht maar de aarde. Maar dat antwoord stond er niet bij.

Want wat gebeurd er b.v. op een warme zomerdag in je afgesloten huis als je alle binnendeuren open laat? De warme lucht gaat naar zolder en de koude lucht (is zwaarder) verzameld zich in de kelder of de beneden verdieping. Hoe ontstaat een inversielaag (warme luchtlaag) in de atmosfeer, hoe onstaat vorst aan de grond? Het antwoord van de wetenschapsquiz roept alleem maar meer vragen op.

Ook de verklaring dat samengedrukte lucht warm wordt vind ik zwak. De lucht was toch al samengedrukt? Alleen als je de lucht nog meer samendrukt wordt deze even warm. Maar dat is bij het onstaan van de aarde al weer een hele tijd geleden. Daarna koelt de lucht weer af zolang er geen zonnewarmte aan toe gevoegd wordt zoals in de winter op de noordpool.

De zon verwarmt de aarde. Luchtlaag vlak boven de aarde wordt verwarmt. Als het warm genoeg is zal dit luchtpakketje als een hete lucht ballon naar boven stijgen. Als met het toenemen van de hoogte, de temperatuur van de lucht met 1 graad of meer per 100 meter hoogte kouder wordt, zal dit pakketje door blijven stijgen. De afname van de temperatuur van dit pakketje doordat het in ijlere lucht komt, zakt minder snel dan de lucht in zijn omgeving. Het zal net zo lang blijven stijgen totdat het een warmere luchtlaag tegen komt. Dat is de reden dat door verwarming aan de aarde en dit soort luchtstromingen de lucht beneden warmer is dan boven. Hier komt dus inderdaad thermodynamica om de hoek kijken.

Maar de oorzaak dat het op lage hoogte warmer is, is dat de zon voornamelijk het aardoppervlak verwarmd.

Kan het niet gewoon een combinatie van die 2 en misschien nog andere factoren?

Jan van de Velde

onez88888888 schreef:

Kan het niet gewoon een combinatie van die 2 en misschien nog andere factoren?

Ja natuurlijk. Maar bij dit soort vragen gaat het altijd om de belangrijkste factor.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

Re: Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?