Albedo

Albedo iis het deel van het zonlicht dat diffuus wordt gereflecteerd door een lichaam. Het wordt gemeten op een schaal van 0 tot 1 , 0 komt overeen met een zwart lichaam dat alle invallende straling absorbeert tot 1 komt overeen met een lichaam dat alle invallende straling reflecteert.
Oppervlakte-albedo wordt gedefinieerd als de verhouding van radiositeit I tot de bestralingssterkte Ee (flux per oppervlakte-eenheid) die door een oppervlak wordt ontvangen. Het gereflecteerde aandeel wordt niet alleen bepaald door de eigenschappen van het oppervlak zelf, maar ook door de spectrale en hoekverdeling van de zonnestraling die het aardoppervlak bereikt. Deze factoren variëren afhankelijk van de atmosferische samenstelling, geografische locatie en tijd (zie positie van de zon).

Terwijl bi-hemisferische reflectie wordt berekend voor een enkele invalshoek van de positie van de zon, is albedo de directionele integratie van reflectie over alle zonnehoeken in een bepaalde periode. De temporele resolutie kan variëren van seconden (zoals verkregen uit fluxmetingen) tot dagelijkse, maandelijkse of jaarlijkse gemiddelden. Deze afbeelding toont een diagram van het albedo-effect. Deze afbeelding laat zien waar de energie van de zon distributief wordt. Het helpt om te benadrukken welke oppervlakken reflecteren en welke oppervlakken absorberen.

Tenzij gegeven voor een specifieke golflengte, verwijst albedo naar het gehele spectrum van zonnestraling. Vanwege meetbeperkingen wordt deze vaak gegeven voor het spectrum waarin de meeste zonne-energie het oppervlak bereikt (tussen 0,3 en 3 μm). Dit spectrum omvat zichtbaar licht (0,4–0,7 μm), wat verklaart waarom oppervlakken met een laag albedo donker lijken, bomen absorberen bijvoorbeeld de meeste straling, terwijl oppervlakken met een hoog albedo helder lijken, sneeuw reflecteert bijvoorbeeld de meeste straling.

IJs-albedofeedback is een positief feedbackklimaatproces waarbij een verandering in het gebied van ijskappen, gletsjers en zee-ijs de albedo- en oppervlaktetemperatuur van een planeet verandert. IJs is zeer reflecterend en reflecteert daarom veel meer zonne-energie terug naar de ruimte dan de andere typen landoppervlak of open water. IJs-albedo-feedback speelt een belangrijke rol bij de mondiale klimaatverandering. Albedo is een belangrijk concept in de klimaatwetenschap.

Afbeelding-1

Afbeelding-2

1: Albedoverandering in Groenland: De kaart toont het verschil tussen de hoeveelheid zonlicht die Groenland in de zomer van 2011 weerkaatste
en het gemiddelde percentage dat het weerkaatste tussen 2000 en 2006. Sommige gebieden reflecteerden bijna 20 procent minder licht dan
tien jaar geleden.

2: Deze afbeelding toont een diagram van het albedo-effect. Deze afbeelding laat zien waar de energie van de zon distributief wordt.
Het helpt om te benadrukken welke oppervlakken reflecteren en welke oppervlakken absorberen.

Terrestrische albedo

Elk albedo in zichtbaar licht valt binnen een bereik van ongeveer 0,9 voor verse sneeuw tot ongeveer 0,04 voor houtskool, een van de donkerste stoffen. Diep beschaduwde holtes kunnen
een effectief albedo bereiken dat de nul van een zwart lichaam benadert. Van een afstand gezien heeft het oceaanoppervlak een laag albedo, net als de meeste bossen, terwijl woestijngebieden enkele van de hoogste albedo's hebben onder de landvormen. De meeste landgebieden bevinden zich in een albedobereik van 0,1 tot 0,4. Het gemiddelde albedo van de aarde bedraagt ongeveer 0,3. Dit is veel hoger dan voor de oceaan, voornamelijk vanwege de bijdrage van wolken.

Het albedo op het aardoppervlak wordt regelmatig geschat via aardobservatiesatellietsensoren
zoals NASA's MODIS-instrumenten aan boord van de Terra- en Aqua-satellieten, en het CERES-instrument op de Suomi NPP en JPSS. Omdat de hoeveelheid gereflecteerde straling per satelliet slechts voor één richting wordt gemeten, en niet voor alle richtingen, wordt een wiskundig model gebruikt om een voorbeeldset van satellietreflectiemetingen te vertalen in schattingen van directionele-hemisferische reflectie en bi-hemisferische reflectie (bijv. 16]). Deze berekeningen zijn gebaseerd op de bidirectionele reflectieverdelingsfunctie (BRDF), die beschrijft hoe de reflectie van een bepaald oppervlak afhangt van de kijkhoek van de waarnemer en de zonnehoek. BDRF kan vertalingen van observaties van reflectie in albedo vergemakkelijken.

De gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de aarde als gevolg van het albedo en het broeikaseffect bedraagt momenteel ongeveer 15 °C . Als de aarde volledig bevroren zou zijn (en dus meer reflecterend zou zijn), zou de gemiddelde temperatuur van de planeet onder -40 °C dalen.

Oppervlakte	Typische albedo
Vers asfalt	0,04
Open oceaan	0,06
Versleten asfalt	0,12
Naaldbos, zomer	0,08 tot 0,15
Loofbos	0,15 tot 0,18
Kale grond	0,17
Groen gras	0,25
Woestijnzand	0,40
Nieuw beton	0,55
Oceaanijs	0,50 tot 0,70
Verse sneeuw	0,80
Aluminium	0,85

Als alleen de continentale landmassa’s bedekt zouden worden door gletsjers, zou de gemiddelde temperatuur van de planeet dalen tot
ongeveer 0 °C. Als de hele aarde daarentegen bedekt zou zijn met water – een zogenaamde oceaanplaneet – zou de gemiddelde temperatuur op
de planeet stijgen tot bijna 27 C.

In 2021 rapporteerden wetenschappers dat de aarde in de afgelopen twintig jaar (1998–2017) met ~0,5% is gedimd, gemeten aan de hand van aardschijnsel met behulp van moderne fotometrische technieken. Dit kan zowel mede veroorzaakt zijn door de klimaatverandering als door een substantiële toename van de opwarming van de aarde. Het verband met klimaatverandering is tot nu toe echter niet onderzocht en het is
onduidelijk of dit een aanhoudende trend is.

Albedo met witte lucht, zwarte lucht en blauwe lucht

Voor landoppervlakken is aangetoond dat het albedo bij een bepaalde zonnezenithhoek θi kan worden benaderd door de evenredige som van
twee termen:

- de directionele-hemisferische reflectie bij die zenithoek van de zon, soms aangeduid als black-sky albedo

- de bi-hemisferische reflectie, soms aangeduid als witte luchtalbedo

Menselijke activiteiten

Menselijke activiteiten zoals ontbossing, landbouw en verstedelijking veranderen het albedo van verschillende gebieden over de hele wereld. Volgens Campra et al. kunnen menselijke invloeden op de fysieke eigenschappen van het landoppervlak het klimaat verstoren door de stralingsenergiebalans van de aarde te veranderen, zelfs op kleine schaal of wanneer ze niet door satellieten worden opgemerkt

De tienduizenden hectaren kassen in Almería, Spanje vormen een grote uitbreiding van witte plastic daken. Uit een onderzoek uit 2008 bleek dat deze antropogene verandering de lokale oppervlaktetemperatuur van het gebied met een hoog albedo verlaagde, hoewel de veranderingen gelokaliseerd waren. Uit een vervolgstudie bleek dat CO2-equivalentemissies die verband houden met veranderingen in het albedo aan het oppervlak een gevolg zijn van landtransformatie en de stijgingen van de oppervlaktetemperatuur die verband houden met klimaatverandering kunnen verminderen.

Het is gebleken dat verstedelijking over het algemeen het albedo verlaagt met 0,01 à 0,02 met de aangrenzende akkerlanden, wat bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Het doelbewust verhogen van het albedo in stedelijke gebieden kan het stedelijke hitte-eiland verzachten. Ouyang et al. Geschat wordt dat, op wereldschaal, een albedostijging van 0,1 in stedelijke gebieden wereldwijd zou resulteren in een afkoelend effect dat gelijk staat aan het absorberen van ~44 Gt aan CO2-uitstoot.

Kassen van Almería, Spanje

Het opzettelijk verbeteren van het albedo van het aardoppervlak, samen met de thermische emissie overdag, is voorgesteld als een strategie voor het beheer van zonnestraling om energiecrises en de opwarming van de aarde te verzachten, bekend als passieve stralingskoeling overdag (PDRC). Inspanningen voor een wijdverbreide implementatie van PDRC's kunnen zich richten op het maximaliseren van het albedo van oppervlakken van
zeer lage naar hoge waarden, zolang er maar een thermische emissie van ten minste 90% kan worden bereikt.

Voorbeelden van terrestrische albedo-effecten

Verlichting

Albedo is niet direct afhankelijk van de verlichting, omdat het veranderen van de hoeveelheid binnenkomend licht de hoeveelheid gereflecteerd licht proportioneel verandert, behalve in omstandigheden waarin een verandering in de verlichting een verandering in het aardoppervlak op die locatie veroorzaakt zoals door het smelten van reflecterend ijs.
Dat gezegd hebbende, variëren albedo en verlichting beide per breedtegraad. Albedo is het hoogst nabij de polen en het laagst in de subtropen, met een lokaal maximum in de tropen

Instralingseffecten

De intensiteit van de albedo-temperatuureffecten hangt af van de hoeveelheid albedo
en het niveau van lokale zonnestraling. Gebieden met een hoog albedo in de Arctische en Antarctische gebieden zijn koud vanwege de lage zonnestraling, terwijl gebieden zoals de Sahara, die ook een relatief hoog albedo hebben, heter zullen zijn vanwege de hoge zonnestraling.

Tropische en subtropische regenwoudgebieden hebben een laag albedo en zijn veel heter
dan hun tegenhangers in gematigde bossen, die een lagere zonnestraling hebben. Omdat instraling zo'n grote rol speelt in de verwarmings- en afkoelingseffecten van albedo, zullen gebieden met een hoge instraling, zoals de tropen, de neiging hebben om een meer uitgesproken fluctuatie in de lokale temperatuur te vertonen wanneer het lokale albedo verandert.

Arctische gebieden geven met name meer warmte terug aan de ruimte dan ze absorberen, waardoor de aarde effectief afkoelt. Dit is een punt van zorg omdat ijs en sneeuw in het Noordpoolgebied sneller smelten als gevolg van hogere temperaturen, waardoor gebieden in het Noordpoolgebied ontstaan die aanzienlijk donkerder zijn (zijnde water of grond die donkerder van kleur is) en minder warmte terug de ruimte in reflecteren. Deze feedbacklus resulteert in een verminderd albedo-effect.

3: Het percentage diffuus gereflecteerd zonlicht ten opzichte van verschillende
oppervlakteomstandigheden

Afbeelding-3

Klimaat en weer

Sommige effecten van de opwarming van de aarde kunnen de opwarming versterken zoals de ijs-albedo-feedback. Waarnemingen en modelstudies geven aan dat er netto een positieve terugkoppeling is op de huidige opwarming van de aarde. Albedo beïnvloedt het klimaat door te bepalen hoeveel straling een planeet absorbeert. De ongelijkmatige verwarming van de aarde door albedovariaties tussen land-, ijs- of oceaanoppervlakken kan het weer beïnvloeden. De belangrijkste versterkende feedbacks zijn de waterdampfeedback, de ijs-albedofeedback en het netto-effect van wolken.

Albedo-temperatuurfeedback

Wanneer het albedo van een gebied verandert als gevolg van sneeuwval, ontstaat er feedback over de sneeuwtemperatuur. Een laag sneeuwval verhoogt het lokale albedo en reflecteert zonlicht, wat leidt tot lokale afkoeling. Als er geen verandering in de buitentemperatuur dit gebied beïnvloedt, zouden het verhoogde albedo en de lagere temperatuur in principe de huidige sneeuw in stand houden en verdere sneeuwval uitlokken, waardoor de sneeuw-temperatuurfeedback wordt verdiept. Omdat het lokale weer echter dynamisch is als gevolg van de wisseling van seizoenen, veroorzaken uiteindelijk warme luchtmassa's en een directere invalshoek van zonlicht het smelten. Wanneer het gesmolten gebied oppervlakken met een lager albedo onthult, zoals gras, grond of oceaan, is het effect omgekeerd: het donkerder wordende oppervlak verlaagt het albedo, waardoor de lokale temperatuur stijgt, wat meer smelten veroorzaakt en dus het albedo verder verlaagt, wat resulteert in nog meer verwarming. .

Sneeuw

Het sneeuwalbedo is zeer variabel, variërend van wel 0,9 voor vers gevallen sneeuw tot ongeveer 0,4 voor smeltende sneeuw en zo laag als 0,2 voor vuile sneeuw. Boven Antarctica bedraagt het sneeuwalbedo gemiddeld iets meer dan 0,8. Als een marginaal met sneeuw bedekt gebied warmer wordt, heeft de sneeuw de neiging te smelten, waardoor het albedo daalt, wat dus leidt tot meer smeltende sneeuw omdat er meer straling wordt geabsorbeerd door het sneeuwpakket (de positieve feedback van het ijs-albedo)

In Zwitserland hebben de burgers hun gletsjers beschermd met grote witte dekzeilen om het smelten van het ijs te vertragen. Deze grote witte lakens helpen de zonnestralen af te weren en de hitte tegen te gaan. Hoewel deze methode erg duur is, is gebleken dat deze werkt door het smelten van sneeuw en ijs met 60% te verminderen.

Net zoals verse sneeuw een hoger albedo heeft dan vuile sneeuw, is het albedo van met sneeuw bedekt zee-ijs veel hoger dan dat van zeewater. Zeewater absorbeert meer zonnestraling dan hetzelfde oppervlak bedekt met reflecterende sneeuw. Wanneer het zee-ijs smelt, hetzij als gevolg van een stijging van de zeetemperatuur, hetzij als reactie op de toegenomen zonnestraling van bovenaf, wordt het met sneeuw bedekte oppervlak kleiner en komt er meer zeewateroppervlak bloot te liggen, waardoor de snelheid van de energieabsorptie toeneemt. De extra geabsorbeerde energie verwarmt het zeewater, wat op zijn beurt de snelheid waarmee het zee-ijs smelt, verhoogt. Net als bij het voorgaande voorbeeld van het smelten van sneeuw, is het smeltproces van zee-ijs dus een ander voorbeeld van positieve feedback. Beide positieve feedbackloops worden al lang erkend als belangrijk voor de opwarming van de aarde.

Cryoconiet, poederachtig, door de wind meegevoerd stof dat roet bevat, vermindert soms het albedo op gletsjers en ijskappen.

De dynamische aard van albedo als reactie op positieve feedback, samen met de effecten van kleine fouten bij het meten van albedo, kan leiden tot grote fouten in energieschattingen. Om de fout in energieschattingen te verkleinen, is het daarom belangrijk om het albedo van met sneeuw bedekte gebieden te meten door middel van teledetectietechnieken in plaats van één enkele waarde toe te passen voor albedo over brede gebieden.

Kleinschalige effecten

Albedo werkt ook op kleinere schaal. In zonlicht absorbeert donkere kleding meer warmte en lichtgekleurde kleding reflecteert deze beter, waardoor enige controle over de lichaamstemperatuur mogelijk wordt door gebruik te maken van het albedo-effect van de kleur van externe kleding.

Fotovoltaïsche effecten op zonne-energie

Albedo kan de elektrische energieopbrengst van fotovoltaïsche zonne-panelen beïnvloeden. De effecten van een spectraal responsief albedo worden bijvoorbeeld geïllustreerd door de verschillen tussen het spectraal gewogen albedo van fotovoltaïsche zonne-energie op basis van gehydrogeneerd amorf silicium a-Si:H cellen en op kristallijn silicium c-Si cellen gebaseerd vergeleken met traditionele spectrale technologie. Onderzoek toonde impacts aan van meer dan 10% voor verticaal (90°) gemonteerde systemen, maar dergelijke effecten waren aanzienlijk lager voor systemen met een lagere oppervlaktekanteling. Spectrale albedo heeft een sterke invloed op de prestaties van bifaciale zonnecellen, waarbij prestatieverbeteringen aan het achteroppervlak van meer dan 20% zijn waargenomen voor c-Si-cellen die boven vegetatie zijn geïnstalleerd. Een analyse van de bias als gevolg van de spiegelende reflectiviteit van 22 veel voorkomende oppervlaktematerialen zowel door de mens gemaakt als natuurlijk leverde effectieve albedowaarden op voor het simuleren van de prestaties van zeven fotovoltaïsche materialen gemonteerd op drie veel voorkomende fotovoltaïsche systeemtopologieën: industrieel zonneparken, commerciële platte daken en toepassingen met schuine daken voor woningen.

Bomen

Bossen hebben over het algemeen een laag albedo omdat het grootste deel van het ultraviolette en zichtbare spectrum wordt geabsorbeerd door fotosynthese. Om deze reden zou de grotere warmteabsorptie door bomen een deel van de koolstofvoordelen van bebossing kunnen compenseren Met andere woorden: het mitigerende effect van koolstofvastlegging door bossen wordt gedeeltelijk gecompenseerd doordat herbebossing de reflectie van zonlicht kan verminderen.

In het geval van groenblijvende bossen met seizoensgebonden sneeuwbedekking kan de albedo-reductie significant genoeg zijn om ontbossing een netto verkoelend effect te laten veroorzaken. Bomen hebben ook op uiterst gecompliceerde manieren invloed op het klimaat door middel van verdamping. De waterdamp veroorzaakt afkoeling op het landoppervlak, veroorzaakt verwarming waar het condenseert, werkt als een sterk broeikasgas en kan het albedo verhogen wanneer het condenseert tot wolken. Wetenschappers beschouwen verdamping over het algemeen als een netto-effect op afkoeling, en de netto-klimaatimpact van albedo- en verdampingsveranderingen als gevolg van ontbossing hangt sterk af van het lokale klimaat.

Bossen op middelhoge tot hoge breedtegraden hebben tijdens het sneeuwseizoen een veel lager albedo dan vlakke grond, wat bijdraagt aan de opwarming. Modellering die de effecten van albedoverschillen tussen bossen en graslanden vergelijkt, suggereert dat het uitbreiden van het landoppervlak van bossen in gematigde streken slechts een tijdelijk mitigatievoordeel biedt.

In seizoensgebonden met sneeuw bedekte zones zijn de winteralbedo's van boomloze gebieden 10% tot 50% hoger dan nabijgelegen beboste gebieden, omdat sneeuw de bomen niet zo gemakkelijk bedekt. Loofbomen hebben een albedowaarde van ongeveer 0,15 tot 0,18, terwijl naaldbomen een waarde hebben van ongeveer 0,09 tot 0,15. Variatie in het zomeralbedo tussen beide bostypen wordt in verband gebracht met maximale fotosynthesesnelheden, omdat planten met een hoge groeicapaciteit een groter deel van hun gebladerte laten zien voor directe onderschepping van inkomende straling in het bovenste bladerdak. Het resultaat is dat golflengten van licht die niet bij de fotosynthese worden gebruikt, eerder naar de ruimte worden gereflecteerd dan dat ze worden geabsorbeerd door andere oppervlakken lager in het bladerdak

Water

Water reflecteert licht heel anders dan typische aardse materialen.
De reflectiviteit van een wateroppervlak wordt berekend met behulp van de Fresnel-vergelijkingen.

Op de schaal van de golflengte van licht is zelfs golvend water altijd glad, zodat het licht plaatselijk spiegelend wordt gereflecteerd (niet diffuus). De glinstering van licht op water is hiervan een alledaags effect. Bij kleine hoeken van
invallend licht resulteren golven in een verminderde reflectiviteit vanwege de steilheid van de curve van reflectiviteit versus invalshoek en een lokaal verhoogde gemiddelde invalshoek.

Hoewel de reflectiviteit van water erg laag is bij lage en gemiddelde hoeken van invallend licht, wordt deze zeer hoog bij hoge hoeken van invallend licht, zoals die voorkomen aan de verlichte kant van de aarde nabij de Polen. Zoals hierboven vermeld, veroorzaakt golving echter een aanzienlijke vermindering. Omdat licht dat spiegelend wordt gereflecteerd door water de kijker gewoonlijk niet bereikt, wordt gewoonlijk aangenomen dat water een zeer laag albedo heeft, ondanks het hoge reflectievermogen bij hoge invalshoeken

Witte kappen op golven zien er wit uit en hebben een hoog albedo omdat het water opgeschuimd is, dus er zijn veel over elkaar heen geplaatste beloppervlakken die reflecteren, waardoor hun reflectiviteit wordt opgeteld. Vers zwart ijs vertoont Fresnel-reflectie. Sneeuw bovenop dit zee-ijs verhoogt het albedo tot 0,9.

Reflectiviteit van glad water bij 20 °C, (brekingsindex=1,333)

Wolken

Wolken-albedo heeft aanzienlijke invloed op de atmosferische temperaturen. Verschillende soorten wolken vertonen een verschillende reflectiviteit, theoretisch variërend in albedo van een minimum van bijna 0 tot een maximum van bijna 0,8. Op een willekeurige dag is ongeveer de helft van de aarde bedekt met wolken, die meer zonlicht reflecteren dan land en water. Wolken houden de aarde koel door zonlicht te reflecteren, maar ze kunnen ook dienen als dekens om warmte vast te houden.

Het albedo en het klimaat worden in sommige gebieden beïnvloed door kunstmatige wolken, zoals die ontstaan door de contrails van zwaar commercieel vliegtuigverkeer. Een onderzoek naar het verbranden van de Koeweitse olievelden tijdens de Iraakse bezetting toonde aan dat de temperaturen onder de brandende olievuren maar liefst 10 °C kouder waren dan temperaturen enkele kilometers verderop onder een heldere hemel.

Aerosol-effecten

Aerosolen (zeer fijne deeltjes/druppeltjes in de atmosfeer) hebben zowel directe als indirecte effecten op de stralingsbalans van de aarde.
Het directe (albedo) effect is over het algemeen het afkoelen van de planeet. Het indirecte effect dat de deeltjes fungeren als wolkencondensatiekernen en veranderen daardoor de wolkeneigenschappen is minder zeker. Volgens Spracklen et al. de effecten zijn:

- Directe werking in spuitbus: Aërosolen verstrooien en absorberen straling direct. De verstrooiing van straling veroorzaakt atmosferische afkoeling,
terwijl absorptie atmosferische opwarming kan veroorzaken.

- Indirect aërosoleffect: Aërosolen wijzigen de eigenschappen van wolken via een subset van de aërosolpopulatie die wolkencondensatiekernen
worden genoemd. Verhoogde kernconcentraties leiden tot verhoogde concentraties van wolkendruppels, wat op zijn beurt leidt tot een groter
wolkenalbedo, verhoogde lichtverstrooiing en stralingskoeling (eerste indirecte effect), maar leidt ook tot verminderde neerslagefficiëntie en een
langere levensduur van de wolk (tweede indirecte effect).

In extreem vervuilde steden als Delhi beïnvloeden aërosol verontreinigende stoffen het lokale weer en veroorzaken ze overdag een stedelijk koel eilandeffect.

Bronnen: Wikipedia-nl, Wikipedia-de

Categorieën: Meteorologie I Weer A tot Z

Meteorologie A tot Z

Albedo