WEERSVERSCHIJNSELEN EN LUCHTKWALITEIT IN DE STAD NLT module voor het vwo werkgroep SUMMER IN THE CITY WEERSVERSCHIJNSELEN EN LUCHTKWALITEIT IN DE STAD NLT steunpunt Wageningen University Guido Linssen ir. Andries de Vries WND conferentie Zaterdag, 11 december 2010 Noordwijkerhout

Programma Werkgroep Vragen tijdens presentatie zijn welkom Presentatie (30 minuten) Achtergrond module Lesstof module (theorie en practica) Practica (2 x 20 minuten) Computerpracticum Experiment Vragen tijdens presentatie zijn welkom

NLT Steunpunt Wageningen University NLT modules 7 Gecertificeerd 3 in ontwikkeling Profielwerkstukken en Experimentdagen Ondersteuning docenten Bijscholing- en studiedagen Lesmateriaal en lesposters Mobiele practica Dwars door Wageningen WWW.NLT.WUR.NL

Achtergrond (1) NLT Module “Summer in the city” Nieuw! per september 2010 gecertificeerd Voor vwo 5 en 6 Lesstof Theorie van vakken: - natuurkunde - scheikunde - aardrijkskunde - wiskunde Vormen: - theorie - opdrachten - practica Actueel en praktijkgericht onderwerp: HET STADSKLIMAAT

Achtergrond (2) => Wat wordt bedoeld met ‘het stadsklimaat’? Weersverschijnselen en luchtkwaliteit Fysische en chemische reacties in atmosfeer en geografische aspecten ‘Urban heat island’ effect (‘hitte eiland’ effect) => Waarom is het in de stad warmer dan op het platteland? Luchtkwaliteit problematiek Voorbeeld van temperatuurverloop in een stad => Hoe en wanneer ontstaat smog? Temperatuurverschillen in Rotterdam zoals de bakfiets die registreerde. Met dank aan Bert Heusinkveld Motivatie onderzoek Volksgezondheid (hittegolf 2006: 2000 extra sterfgevallen) Klimaatverandering (significant meer zomerse dagen en hitte golven) (Bron: KNMI) Voortgaande verstedelijking… Bron: Quest (07/2010) Smog in Santiago

Inhoud Module Inleiding Straling en Energie Klimaat in de Stad Luchtkwaliteit in de Stad Slotopdracht

1 Inleiding Context Module: Wereldreis Rotterdam => urban heat island effect Singapore => urban heat island effect Santiago => smogvorming Stockholm => de ideale stad Selamatsiang! Singapore is een fantastische stad om in te wonen. Downtown heb je fantastische kroegen en disco’s. Het hectische leven in zo’n grote stad spreekt me erg aan. Om te ontspannen en af te koelen ga ik soms naar de boulevard of het park om te genieten van het water en de natuur. Daar is het altijd een stuk koeler dan in het zakencentrum waar ik woon. Tot snel! Siao Het centrum van Singapore

Practicum: Computer 2 Straling en Energie Verstedelijking! => Waarom is het in de stad warmer dan op het platteland? Landgebruik en landeigenschappen Stad: beton, asfalt en steen Platteland: bos, landbouwgrond, grasland => impact op straling- en energiebalans! Verstedelijking! Practicum: Computer (c) WUR Alterra Landgebruikkaart van Nederland (1900 vs 2000)

Q* = K* + L* = Kin – Kr + Lin – Luit Stralingsbalans Aardoppervlak Kin Kr K* Lin Luit Langgolvige kortgolvige straling straling L* Stralingsbalans aan het aardoppervlak Totale netto straling (Q*): Netto kortgolvige straling (K*) Netto langgolvige straling (L*) Q*: totale netto straling aan oppervlak [W/m²] K*: netto kortgolvige straling aan aardoppervlak [W/m²] L*: netto langolvige straling aan aardoppervlak [W/m²] Kr: gereflecteerde kortgolvige straling [W/m²] Kin: inkomende kortgolvige straling [W/m²] Lin: inkomende langgolvige straling [W/m²] Luit: uitgaande langgolvige straling [W/m²] A: albedo [-] Q* = K* + L* = Kin – Kr + Lin – Luit Albedo A = Kr / Kin Oppervlak Albedo (A) sneeuw / ijs 0,90 bebouwing 0,15 kale bodem 0,30 gras 0,25 asfalt 0,10 Albedo per type oppervlak

Energiebalans Q* = H + LvE + G [W/m²] Energiebalans aan het aardoppervlak Netto energie (Q*): Voelbare warmtestroom (H) Latente warmtestroom (LvE) Bodem warmtestroom (G) Q*: totale netto straling aan het oppervlak [W/m²] H: Voelbare warmtestroom (opwarming atmosfeer) [W/m²] LvE: Latente warmtestroom (verdampingswarmte) [W/m²] G: Bodem warmtestroom (opwarming van bodem) [W/m²] Dagelijkse cyclus Q* = H + LvE + G [W/m²] Dagelijkse cyclus Verhouding H en LvE ? De energiebalans van het aardoppervlak overdag en ’s nachts. De richting van de pijl geeft aan in welke richting de fluxdichtheid is

Practicum: Experiment 3 Klimaat in de Stad Stralingsbalans Kortgolvige straling => bebouwing bepaalt albedo Langgolvige straling => bebouwing emitteert en absorbeert straling => Bebouwing houdt straling(swarmte) vast! Energiebalans Stad (asfalt, beton en steen) => droog oppervlak Platteland (bos en grasland) => water beschikbaar stad: H > LvE platteland: H < LvE Model Dimensies gebouwen Gemiddeld albedo H/W1 W1/W2 0.40 1 1.0 0.29 2 3a 0.5 0.32 3b 0.27 3c 2.0 0.23 => impact energiebalans! Schematische weergave straling tegen hoge gebouwen Practicum: Experiment Foto met fish-eye lens Bron: Bert Heusinkveld De modelopstelling uit onderzoek Aida (1982) Albedo resultaten voor diverse opstellingen uit onderzoek K. Jusuf et al. (2007)

Wind Windsnelheid Verschil luchtdruk Wrijving met aardoppervlak Verticale windprofiel: logaritmisch verband U: Windsnelheid [m/s] u*: Wrijvingssnelhied [m/s] k: Von Karman constante: 0.4 [-] Z: hoogte vanaf aardoppervlak Z0: ruwheidslengte Ln: natuurlijke logartime Z0 : ruwheidslengte (maat voor ruwheid oppervlak) => afhankelijk van type landschap! Het windprofiel op verschillende plaatsen in de stad en op het platteland (Baumbach, G. 1991) => Hogere bebouwing, minder wind: versterkt ‘urban heat island’ effect!

4 Luchtkwaliteit in de Stad Effecten van natuurlijke stoffen in atmosfeer Effecten veroorzaakt door mens (luchtkwaliteit problematiek) Transport en verblijftijd stoffen in atmosfeer

Effecten van natuurlijke stoffen in Atmosfeer Stratosferisch ozon; Chapman mechanisme: Vorming ozon...... O2 + hν → 2 O• O• + O2 → O3 netto: 3 O2 + hν → 2 O3 ……en afbraak ozon O3 + hν → O• + O2 O• + O3 → 2 O2 netto: 2 O3 + hν → 3 O2 hν : energie van de UV-straling

Effecten veroorzaakt door mens Luchtkwaliteit problematiek Afbraak van stratosferisch ozon door CFK’s Fijnstof problematiek (aërosolen): particular matter 10 μm (PM10) particular matter 0,1 μm (PM0,1) EU norm per 2010: PM10 jaargemiddelde < 20 μg/m³ Smog in Londen (bron: eoearth.org) Smogvorming (‘smoke’ + ‘fog’) Wintersmog: condensatie waterdamp op SO2 en fijnstof gunstige weersomstandigheden: hoge luchtvochtigheid en windstil Smog in Santiago Zomersmog: vorming ozon in troposfeer (reacties NOx en vluchtige organische stoffen) gunstige weersomstandigheden: zon, warm en windstil NO2 + O2 → NO + O3 PM10 gehaltes gemiddeld per maand in 2008, gemeten door het RIVM

Transport en Verblijftijd van Stoffen in de Atmosfeer Wind (horizontaal): advectie Stabiliteit atmosfeer (verticaal): turbulentie Practicum: Computer Verspreiding luchtvervuiling vanuit puntbron in Gaussisch pluim model Concentratie stof in 3 dimensies Gauss kromme (kansverdeling) Invloed weersomstandigheden: Stabiel Neutraal Onstabiel Emissie van gassen door industrie C(t): concentratie stof op bepaald tijdstip [s] C(0): concentratie stof op tijdstip t = 0 [s] k: verwijderingsconstante [s-1]

Slotopdracht: ‘De Ideale Stad’ Groepsopdracht met debat Maatregelen voor verbetering stadsklimaat Planten van vegetatie en aanleg waterpartijen (vergroot latente warmtestroom) Groene gevels (vergroot latente warmtestroom) Verbetering isolering en schaduw gebouwen (efficiënter energie verbruik) Heffing op autorijden in stad (ter verbetering van luchtkwaliteit) Overzicht van een klimaatvriendelijke wijk Groene gevels (met dank aan Arnold Moene)

Vragen? einde presentatie Practica: Groep 1 => Computerpracticum (2 personen per computer) Groep 2 => Experiment Na 20 minuten wordt van practicum gewisseld