Jaarlijkse variatie van zonne-instraling over de Benelux

De zon is een belangrijke drijfveer voor het klimaat op Aarde. Het is paleo-klimatologisch gezien dan ook een belangrijke verklarende factor voor temperatuurfluctuaties op onze planeet, en bovendien zorgen schommelingen in de inkomende, kortgolvige straling van de zon voor dagelijkse en seizoenale variaties qua temperatuur.

Daarnaast heeft de zon ook een rol betreffende het leven op Aarde, bijvoorbeeld via fotosynthese voor planten, de aanmaak van vitamine D in ons lichaam of door het gevaar voor een verbrande huid bij een hoge UV-index.

Maar hoe zit dat nu eigenlijk voor de Benelux? Waarom zijn er verschillen in zonne-instraling en temperatuur tussen de seizoenen? Wat is de jaarlijkse variatie van zonne-instraling over de Benelux? En wat is de rol van de zon in de regeling van het klimaat en het leven in de Benelux?

• Volg de weerupdates op de voet via Facebook en Twitter
• Volgen jullie al de weerberichten op Youtube?
• Bekijk het weerbericht voor de komende dagen

Deelnemen aan discussie? Ben je geïnteresseerd om deel te nemen als weeramateur of liefhebber van het weer aan het weerforum? Onderaan dit artikel krijg je bliksemsnel & gratis toegang tot alle reacties. Je kan ook je eigen weerfoto’s opladen.

Declinatiehoek van de Aarde

Om te beginnen proberen we de seizoenale variaties die we kennen te verklaren. De reden voor deze seizoenale variaties is, in tegenstelling tot wat de meesten denken, niet zozeer de variërende afstand tussen de Aarde en zon. Tijdens ons winterseizoen staat de Aarde namelijk dichter tegen de zon dan in het zomerseizoen, maar dat verschil heeft geen al te significante impact.

Vooral het feit dat de as van de Aarde doorheen het jaar door kantelt, is wel belangrijk. De Aarde helt namelijk met ongeveer 23.5° tegenover de aardas. De hoek die de Aarde zo maakt, noemt men de declinatiehoek. Deze varieert dus tussen -23.5° in de winter en +23.5° in de zomer.

Bij de start van de astronomische lente en herfst staat de zon daardoor loodrecht op de evenaar. Bij de astronomische zomer is dat dan weer het geval rond de Kreeftskeerkring op het Noordelijk Halfrond (ongeveer 23.5°N). Tijdens de winter staat deze loodrecht op de Steenbokskeerkring op het Zuidelijk Halfrond (ongeveer 23.5°Z), zie hiervoor de onderstaande figuur. Aangezien de zon straling en energie uitstraalt, die wordt omgezet in warmte, heeft dit dan ook een grote invloed op de temperatuur.

Declinatie en de hellingshoek van de zon

Maar waarom is dat nu zo en hoe hangt dit samen met de jaarlijkse variatie van de zonne-instraling over de Benelux? Wel, het is zo dat door de declinatie van onze planeet de hoeveelheid zonlicht die op de Aarde invalt op elke bepaalde tijd en plaats anders zal zijn. Dit heeft te maken met de hellingsgraad van de zon aan de hemel. Ook de bolvormige contour van onze planeet speelt hierin mee. 

Zoals eerder al gezegd staat de zon tijdens het begin van de astronomische herfst en lente dus loodrecht op de evenaar, waardoor een persoon de zon daar met een hoek van 90 graden zal ervaren (loodrecht op het aardoppervlak, recht boven die persoon). Op het Noordpoolgebied is dat net anders. Daar gaat de zon voor het eerst na lange tijd weer net boven het oppervlak uitkomen na de poolnachten (zie figuur hieronder).

Hellingshoek van de zon in de Benelux

Ook bij ons in de Benelux is die variatie duidelijk zichtbaar. Door de declinatie staat de zon in de winter veel lager aan de hemel dan in de zomer. In de winter komt de zon met een hoek van ongeveer 16° boven de horizon uit (eind december), in de zomer ongeveer 62° (eind juni).

Hieronder wordt de jaarlijkse variatie weergegeven voor een locatie op 51 graden noorderbreedte, wat ongeveer overeenkomt met het centrum van België. We zien duidelijk het minimum tijdens de winter en het maximum bij het begin van de zomer. Meer naar het noorden zullen deze hoeken iets lager zijn, naar het zuiden toe zullen ze iets hoger zijn.

De hoogste waarden vinden we steeds terug in het zuiden van de Benelux. Daar komt de zon steeds relatief hoger aan de oppervlakte dan in het noorden, zowel in de winter (17.5 tegenover 12.5 graden) als tijdens de zomer (64.5 tegenover 59.5 graden).

Belangrijk hierbij is de kromming van de Aarde, die toeneemt richting de polen. Hierdoor zal een persoon die zich noordelijker bevindt (ten opzichte van de evenaar op het Noordelijk Halfrond) de zon relatief gezien steeds minder hoog aan de hemel kunnen waarnemen. De hoogte van de zon bepaalt in sterke mate de sterkte van de inkomende zonnestraling en dus ook de temperatuur en bijvoorbeeld de UV index of hoe lang we in de zon moeten blijven voor een voldoende hoge aanmaak van vitamine D.

Daglengte in de Benelux

Niet alleen beïnvloedt de declinatie van de Aarde de hoogte van de zon, maar ook de daglengte. Het patroon is ook in de Benelux elk jaar weer aanwezig. Gemiddeld gezien duurt een dag op z’n korst een 7-tal uren. Bij het begin van de zomer stijgt dit echter naar ongeveer 16 uur. In de onderstaande figuur wordt deze jaarlijkse variatie van de daglengte weergegeven, opnieuw voor 51°N. Hierbij wordt de tijd waarop de zonne-instraling niet 0 is, opgeteld voor een horizontaal oppervlak.

In de Benelux resulteert dit in tegenstrijdige patronen. Tijdens het zomerseizoen is de daglengte groter in het noorden (meer dan 16,5 uur). In de winter is dit in het zuiden het geval (bijna 8 uur). Nog meer naar het noorden (vanaf ongeveer 66.5°N) krijgt men te maken met pooldagen (24 uur licht) in de zomer en poolnachten (24 uur donker) tijdens de winter. Rond de evenaar is de daglengte min of meer constant (12 uur) doorheen het gehele jaar. Hoe hangt dit nu samen met de jaarlijkse variatie van zonne-instraling over de Benelux?

Inkomende zonnestraling aan de top van de atmosfeer

We kunnen nu een aantal punten uit het artikel samenvoegen. De declinatie van de Aarde, de hoogte van de zon tegenover het aardoppervlak en de variërende daglengte bepalen namelijk samen de totale hoeveelheid inkomende zonnestraling (op een horizontaal vlak aan de top van de atmosfeer). De invloed van de afstand tussen de zon en de Aarde is niet zo bepalend in de bestaande seizoenale variatie.

Doordat de zon hoger aan de hemel staat in de zomer en omdat de dagen langer zijn, is er een minder grote oppervlakte en minder veel tijd nodig om aan dezelfde hoeveelheid energie te geraken dan tijdens de winter. Tijdens het zomerseizoen bevat het aardoppervlak dus meer energie die kan omgezet worden in warmte. Tijdens de winter is dit veel minder door de kortere daglengte en de lage stand van de zon. Hierdoor valt de temperatuur veel lager uit.

Zonne-instraling over de Benelux

Hoe zit het voor de Benelux? Omdat de zon hoger staat in de zomer en de dagen langer zijn, is de hoeveelheid inkomende zonne-instraling uiteraard het hoogst rond het begin van de zomer. De maximale waarden overschrijden gemiddeld zo’n 40 MJ per vierkante meter per dag. In de winter zakt dit naar een 7-tal MJ per vierkante meter per dag. De jaarlijkse variatie van de zonne-instraling over een plek in de Benelux is weergegeven in onderstaande figuur.

Wanneer we de totale instraling vergelijken over de gehele Benelux, zien we de hoogste waarden in de zuidelijke gebieden. Dit was ook te verwachten uit voorgaande uitleg. Hoe meer naar het zuiden, hoe groter de potentiële instraling. En dus ook hoe warmer het klimaat (indien andere variabelen zoals de hoogte niet meegenomen worden). Meer noordelijk wordt die energie minder goed verdeeld, met bijgevolg een minder hoge jaarlijkse temperatuur.

We dienen hierbij te vermelden dat de hierboven beschreven zonne-instraling enkel van toepassing is op de top van de atmosfeer. Op hun pad doorheen de atmosfeer spelen nog een heleboel processen op die inkomende kortgolvige straling in. Zo kan deze beïnvloed worden door een beperkte atmosferische transmissiviteit (bijvoorbeeld door wolken of aerosolen). Maar er kan ook een deel terug gekaatst worden door het oppervlaktealbedo. Bovendien bepaalt ook de geometrie het oppervlak zelf (de helling en de hellingsrichting) hoeveel straling ontvangen wordt. Daardoor zal de effectieve zonne-instraling aan het oppervlak veel lager uitvallen dan wat er potentiëel binnenkomt aan de top van de atmosfeer.

Conclusie

Wat is nu de jaarlijkse variatie van zonne-instraling over de Benelux? Zoals duidelijk werd doorheen de tekst, speelt de zon een belangrijke rol in de regeling van het klimaat in de Benelux. Seizoenale variaties ontstaan daarbij dominant door de kanteling van de Aarde via de declinatiehoek. De afstand tussen de Aarde en de zon is hierin minder belangrijk. De zonne-instraling zal hierdoor, in combinatie met de bolvormige contour van onze planeet waarbij de kromming toeneemt richting de polen, namelijk op elke tijd en plaats op Aarde anders zijn.

Tijdens ons zomerseizoen is de hoogte van de zon tegenover het aardoppervlak en de daglengte hoger dan tijdens het winterseizoen. Hierdoor is een minder kleine oppervlakte nodig om aan een bepaalde hoeveelheid energie te geraken dan tijdens de zomer. Daarom is de potentiële inkomende zonne-instraling groter.

Die straling en energie worden omgezet in warmte, met als gevolg een hogere temperatuur. Bovendien bepaalt de zonne-instraling ook andere zaken. Zoals hoe snel men verbrand door een hoge UV of hoe snel men vitamine D aanmaakt. De zon is dus een niet te missen drijfveer om het klimaat in de Benelux te kunnen begrijpen!