Waarom stijgt warme lucht op?

Lucht in de atmosfeer is eigenlijk niets anders dan een soep van constant bewegende moleculen. Voor beweging is energie nodig. Alle energie op aarde wordt geleverd door zonlicht, in de vorm van fotonen. Zodra fotonen het aardoppervlak bereiken, straalt de aarde op zijn beurt weer fotonen de atmosfeer in. Daar komen fotonen in aanraking met de moleculen. Vanaf dat moment gebeurd er van alles met de moleculen. Een combinatie van zwaartekracht, elektronen en kinetische energie zorgt er uiteindelijk voor dat opgewarmde lucht geforceerd stijgt. Oftewel, waarom stijgt warme lucht daadwerkelijk op?

Moleculen en fotonen

De atmosfeer bestaat uit voornamelijk moleculen. Een molecuul is opgebouwd uit atomen die chemisch aan elkaar verbonden zijn. Een atoom, zoals zuurstof of koolstof, heeft een atoomkern met daaromheen een negatief geladen wolk van elektronen. De elektronen zweven in bepaalde energiebanen om de atoomkern heen. Elektronen zweven in hoge energiebanen wanneer een atoom veel energie bevat, en andersom. Elk atoom, en dus molecuul, heeft energiebanen met unieke energiewaardes waarin elektronen kunnen zweven.

Energie op aarde is afkomstig van zonlicht, dat bestaat uit fotonen. Een foton is eigenlijk niets anders dan een klein pakketje lichtenergie van een bepaalde golflengte. Zodra de golflengte van een foton overeenkomt met de energiewaarde van een molecuul, kan het foton (en de energie die het bevat) opgenomen worden (geabsorbeerd). Met de energie van het foton wordt een elektron van het molecuul in een hogere energiebaan geplaatst. Het elektron is op dat moment in aangeslagen toestand. Echter, probeert een elektron altijd zijn laagste energieniveau, zijn grondtoestand, te bereiken. Elektronen zullen daarom razendsnel weer naar de grondtoestand vallen. Daarbij wordt er een foton uitgezonden met diezelfde energiewaarde als het foton dat het elektron aansloeg. Op deze manier verliezen moleculen de energie weer. Aangezien moleculen in de onderste laag van de atmosfeer constant worden blootgesteld aan langgolvige fotonen van de aarde, zullen ook elektronen constant in hogere energiebanen gezet worden. Deze moleculen krijgen netto dus meer energie.

Kinetische energie

De bovengenoemde energie is in dit geval kinetische energie (bewegingsenergie). Kinetische energie wordt in formule uitgedrukt als:

• E = kinetische energie
• m = massa
• v = snelheid

De moleculen krijgen dus netto meer kinetische energie, doordat elektronen in hogere energiebanen zweven. Aangezien de massa van een molecuul niet verandert, moet het molecuul een grotere snelheid krijgen. Dit is dan ook precies wat er gebeurt; moleculen onderaan de atmosfeer krijgen een hogere snelheid. De temperatuur van lucht wordt bepaald door de gemiddelde kinetische energie in het systeem. Anders gezegd, temperatuur is gelijk of evenredig aan kinetische energie. Het gaat om de gemiddelde energie, omdat niet alle moleculen met dezelfde snelheid door de lucht bewegen. Als gevolg van langgolvige straling van de aarde krijgen moleculen in de onderste laag van de atmosfeer meer kinetische energie. Hierdoor stijgt dus ook de temperatuur van deze luchtlaag.

Dichtheid en zwaartekracht

Moleculen in de atmosfeer zijn constant in beweging en botsen daarbij ook constant tegen elkaar. Bij een hogere temperatuur bewegen de moleculen sneller, waardoor botsingen krachtiger worden en vaker plaatsvinden. Door het heftige ‘trillen’ van de moleculen ontstaat er meer ruimte tussen de moleculen zelf. Ieder molecuul heeft namelijk meer ruimte nodig om zich te kunnen bewegen. Het aantal moleculen per volume lucht in de onderste laag daalt daardoor. Oftewel, de dichtheid van de onderste luchtlaag daalt ten opzichte van de koelere atmosfeer erboven. Des te hoger de temperatuur, des te lager de dichtheid. Net zoals alle materialen op aarde, is ook lucht in de atmosfeer onderhevig aan zwaartekracht van de Aarde. De zwaartekracht zal harder aan het materiaal ‘trekken’, wanneer de dichtheid of massa groter is. De dichtheid, en in dit geval dus ook de massa, van de koelere lucht ondervindt een grotere zwaartekracht dan de opgewarmde luchtlaag onderin. De koele lucht ‘zinkt’ naar het aardoppervlak, waarbij de lichtere, warme lucht omhoog wordt verdreven. Dit is waarom warme lucht stijgt. Deze verticale, stijgende beweging van warme lucht wordt convectie genoemd.

Afkoelen

Als gevolg van zwaartekracht bevinden de meeste moleculen zich dicht bij het aardoppervlak. Het aantal moleculen neemt daardoor met de hoogte af. Oftewel, de luchtdruk neemt met de hoogte af. Er bevinden zich namelijk steeds minder moleculen boven een luchtlaag zodra de luchtlaag stijgt. Door het zinken van koele lucht, stijgt de warmere lucht geforceerd op. De afnemende luchtdruk met hoogte biedt ruimte aan de warme luchtlaag om uit te zetten. Voor het uitzetten van lucht is energie nodig. Lucht is een slechte warmtegeleider. Er is daarom nauwelijks warmteuitwisseling tussen de stijgende luchtlaag en de omringende lucht. De warme luchtlaag moet voor het uitzetten dus zelf de benodigde energie leveren. Dit gaat ten koste van de kinetische energie van de moleculen. De totale hoeveelheid kinetische energie van de luchtlaag daalt. Als gevolg koelt de luchtlaag af.

Lees verder

• Waarom is de lucht blauw?
• Vochtigheid van de lucht
• Hoe ontstaat een regendruppel?
• Stabiliteit van de Atmosfeer
• Condensatiekernen - essentieel voor het Klimaat