Wat zijn virussen en wat doen ze ons aan?

Inhoudsopgave

Bouw van een virus. Hoe gedragen virussen zich? Kans op infectie hangt af van intensiteit sociaal contact. Immuunsysteem is het afweersysteem. Macrofagen en lymfocyten (witte bloedcellen). Het coronavirus dat de ziekte COVID-19 veroorzaakt. Elektronenmicroscopische beelden van het coronavirus. Er zijn meer virussen dan sterren in het heelal.

Virussen zijn minuscule micro-organismen met een afmeting van slechts ’n tienduizendste mm. In een druppel zeewater kunnen er al meer dan 10 miljoen……..Het zijn de meest voorkomende biologische of misschien zelfs wel niet-biologische wezentjes op Aarde. Het enige doel dat ze hebben is, zich te vermenigvuldigen, maar daar hebben ze een slachtoffercel voor nodig…..

Gemiddeld zijn virussen 20 tot 30 nanometer groot, ongeveer 100 maal kleiner dan een bacterie.

1nm = ’n miljoenste mm      1μm = 1 micrometer = ’n duizendste millimeter.

Mould = schimmel       Yeast = gist           grootte van ’n virus = 10 duizendste mm 

Een virus is niets meer dan een eiwit pakketje met daarin wat genetisch materiaal. Soms zit er nog een membraan omheen, een zogenoemde envelop. Verder heeft een virus geen organellen, geen eigen stofwisseling en kunnen zich niet zelfstandig voortplanten. Doordat ze al deze eigenschappen missen, worden virussen door veel wetenschappers niet als levend organisme gezien.


Wat is een virus?

Bron: Maaike Borst. Journalist. Columnist. Dagblad van het Noorden.

Virussen zijn onlosmakelijk verbonden met het leven. En het enige doel dat virussen hebben is het verspreiden van het eigen erfelijk materiaal. Klinkt bekend? Inderdaad, alle levende organismen op aarde zijn voornamelijk hard bezig om hun erfelijk materiaal door te geven, om nakomelingen voort te brengen die zijn zoals zij zelf.

Bouw van een virus

Envelop is een extra buitenwand.
Spikes zijn uitsteeksels bestaande uit koolhydraat-eiwitcomplexen, die alleen passen op receptor-eiwitten van hun gastheercel.
Capside is de eiwitmantel
De Matrix bevat virale eiwitten

Er bestaan DNA- én RNA-virussen

DNA staat voor ‘deoxyribonucleic acid’, oftewel ‘desoxyribonucleïnezuur’
RNA staat voor ‘ribonucleic acid’, oftewel ‘ribonucleinezuur’
In cellen vind je verschillende typen RNA, met verschillende functies: mRNA (messenger) tRNA (transcript) en rRNA (ribosomaal, om een ​​ribosoom te vormen). Al deze verschillende typen hebben een rol in de productie van eiwitten op basis van informatie uit het DNA.

Virussen worden op basis van hun erfelijk materiaal ingedeeld en hoe dit is samengesteld: enkelstrengs RNA of dubbelstrengs DNA. Deze kenmerken bepalen ook hoe het virus zich vermeerdert in de gastheercel én of er aangrijpingspunten zijn voor de ontwikkeling van medicijnen.

DNA-virussen
Hierbij bestaat het erfelijk materiaal uit DNA. Na binnendringen gaat dit DNA naar de kern van de cel en vindt transcriptie van DNA naar mRNA plaats en kunnen er virale eiwitten gemaakt worden door translatie. Video Genetica-DNA-transcriptie-en-translatie. De cel schrijft vooral het virale DNA af en nauwelijks zijn eigen DNA. Behalve als dat DNA codeert voor eiwitten die het virus zelf nodig heeft bij het maken van het virale DNA. De meeste DNA-virussen zijn dubbelstrengs. Voorbeelden: adenovirussen, pokken, herpesvirussen (koortslip), Hepatitis B, Epstein-Barr (virus bekend van de ziekte van Pfeiffer).

RNA-virussen
Dit zijn de enige organismen waarbij het erfelijk materiaal uit RNA bestaat.
Bij de meeste RNA virussen wordt een kopie van het RNA gemaakt wat in een normale cel nooit gebeurt. Dit wordt  mogelijk gemaakt door een viraal enzym: RNA polymerase (RdRp), dat
bij het kopiëren van het RNA erg veel fouten maakt. De vraag is of dit erg is: het resultaat is dat alle nieuw gevormde virussen een andere mutatie hebben d.w.z. veranderd zijn dus verschillend. De meeste mutaties hebben echter geen invloed op de werking van het virus, en kunnen zelfs gunstig zijn voor het virus! Een verbeterde versie zoals beter bestand tegen de afweer van de gastheer of resistent tegen een antiviraal geneesmiddel. Deze voordelen wegen helaas ruimschoots op tegen de mislukte versies van het RNA-virus.

Retrovirussen
Dit zijn virussen die zich op ’n andere manier voortplanten: eerst dringt viraal RNA de gastheercel binnen. Naast het RNA wordt een DNA-keten gevormd, het RNA wordt afgebroken en het virale DNA wordt gerepliceerd, vaak met de nodige kopieerfouten. Het virale DNA, vaak met kopieerfouten, wordt ingebouwd in het DNA van de gastheercel. Bij transcriptie wordt viraal RNA gevormd en bij translatie ook virale eiwitten. Er komen dan vele virussen vrij uit de gastheercel.

DNA-virussen zijn waarschijnlijk ontstaan doordat een viruseiwit de halffabricaten van RNA kon omzetten naar die van DNA. Doordat DNA veel stabieler was dan RNA, waren de DNA-virussen in het voordeel in vergelijking tot RNA-virussen. Deze virussen hebben waarschijnlijk het RNA van een gastheer ‘per ongeluk’ omgezet in DNA. DNA was hierna een back-up voor de genetische informatie. Dit gaf die gastheer een evolutionair voordeel, want als zijn onstabiele RNA uit elkaar was gevallen, maakte hij gewoon nieuwe met zijn DNA-backup. Bron: Natuurinformatie

LUCA en virussen | Op zoek naar de klepel
Onze laatste gemeenschappelijke voorouder (LUCA: last universal common ancestor) zou niet een bacterie zijn, maar een protoeukaryote cel. Deze hypothetische cel bevatte een kern met RNA.

Er bestaat dus een zogenoemde RNA-wereld hypothese, waarin er ooit zowel polymeren als ribozymen bestonden, beide opgebouwd uit RNA.

  • Een polymeer is een organische verbinding waarvan de moleculen bestaan uit een opeenvolging van identieke, of soortgelijke, delen die chemisch aan elkaar zijn gekoppeld.
  • Ribozymen zijn RNA-moleculen die een katalytische (versnellende) rol speelt in een biochemische reactie.

De RNA-wereld lijkt weer een stukje waarschijnlijker

RNA is enkelstrenging, maar kan, net als DNA, informatie opslaan. Daarnaast is RNA ook in staat als enzym te fungeren. Die functies hebben nu de eiwitten. Daarnaast ontdekten onderzoekers dat RNA de kern is van verschillende moderne enzymen die wezenlijk zijn voor het leven, zoals het ribosoom dat de eiwitten produceert. In de RNA-wereld regelde RNA zowel de genetica (in feite de overdracht van informatie) als de biochemie in cellen.
Als dat klopt dan moet RNA zichzelf kunnen kopiëren om nieuwe cellen van de informatie te kunnen voorzien
. Bron: Alles over synbio

Maar : RNA-wereld-hypothese-klopt-niet bron: Visionair

Aanhangers van de RNA-wereld hypothese namen een aantal dingen aan over de evolutionaire oorsprong van het ribosoom. Deze aannames bleken niet te kloppen, bleek uit het onderzoek van zijn groep. De belangrijkste foutieve aanname: het deel van het ribosoom dat verantwoordelijk is voor het opbouwen van eiwitten,  het peptidyl transferase centrum (PTC), is helemaal niet het oudste deel van het ribosoom, zoals gedacht. Transferasen zijn eiwitten (enzymen) die delen van chemische verbindingen overgedragen. Evolutionair gezien bleek het PTC zich pas gevormd te hebben, vlak nadat de twee primaire subonderdelen van het ribosoom aan elkaar waren gaan zitten (met RNA-ketens ertussen). Dit was een sterke aanwijzing dat eiwitten al bestonden voor ribosomale RNA’s actief werden

Hoe gedragen virussen zich?

Virussen-vriend-of-vijand

A-virus-attacks-a-cell.

Virussen hebben een “gastheer-cel” nodig om zich te kunnen voortplanten. Ze zijn in feite op zoek naar een slachtoffer-cel. Zich vermenigvuldigen doet een virus namelijk door een bacteriële, plantaardige of dierlijke cel te kapen om te kunnen penetreren oftewel de cel met hun eigen RNA te infecteren. In dit RNA bevinden zich alle ­instructies die nodig zijn om nieuwe viruseiwitten te ­produceren. Een virus heeft een aantal heel grote uitsteeksels – S-eiwitten of spikes, waarmee het virus zich kan binden aan eiwitten op de “gastheer-cel”. Het coronavirus hecht – net als het SARS-virus – aan ACE2, een eiwit dat voorkomt op de cellen van de luchtwegen.

Eiwitten op het oppervlak van een “gastheer-cel” werken ongeveer hetzelfde als een slot: zonder sleutel gebeurt er niets en blijft de cel dicht. Het S-eiwit, een spike, van het coronavirus past precies op het ACE2-eiwit. Door deze connectie tussen de spikes van het virus en de receptoren van de cel, accepteert de cel het genetisch materiaal van de virus. Hierdoor kan het RNA van de kaper rechtstreeks geïnjecteerd worden. De meeste virussen gaan letterlijk een stapje verder: door de connectie gaat de cel open en het virus kan in z’n geheel naar binnen.

How-do-viruses-reproduce.

Eenmaal in de cel gedraagt een virus zich als een computervirus. Het erfelijk materiaal van het virus werkt als een kwaadaardige boodschap die de cel herprogrammeert. Het maakt vervolgens misbruik van de aanwezige ‘kopieermechanismen’ om zijn eigen genetisch materiaal te kopiëren. Nadat het virus zich meerdere malen heeft verdubbeld, valt de slachtoffercel uiteen en komen er vele tientallen verdubbelde virussen vrij. Nieuwe virusdeeltjes verlaten de oorspronkelijke cel om op zoek te gaan naar een eigen slachtoffer. De oorspronkelijke cel sterft en dat zorgt voor schade. Bij luchtweg­virussen, zoals het coronavirus, is die schade vaak te herstellen. Cellen in de luchtwegen delen zich en dus kunnen nieuwe cellen de functie van de gedode cellen overnemen.

De ernst van een virusinfectie wordt bepaald door verschillende factoren in het lichaam. De beschikbaarheid van de receptor waaraan het virus moet binden, speelt daarbij letterlijk een sleutelrol. Maar ook de omgeving waarin het ­virus terecht komt is cruciaal. De bovenste lucht­wegen (neus en keel) zijn echt een andere omgeving dan de onderste luchtwegen (longen). In de ­bovenste luchtwegen is de temperatuur ’n paar graden lager dan in de longen. Sommige virussen, zoals het griepvirus, kunnen zich goed vermeerderen bij een lagere temperatuur.

Kans op infectie hangt af van intensiteit sociaal contact.

De kans op een influenza-infectie (van “gewone” griepvirus) is sterk afhankelijk van de intensiteit van sociale contacten. De kans op besmetting is het grootst in besloten, drukbezochte ruimten, zoals kantoor, openbaar vervoer, school en kinderdagverblijven. Mensen die in een groot huishouden wonen hebben meer kans met het virus in aanraking te komen dan mensen in een klein huishouden.

Het overbrengen van het influenzavirus (transmissie) loopt via druppels of vernevelde deeltjes in de lucht én via lichamelijk contact. De druppels kunnen zich op de slijmvliezen van de mond en de neus afzetten als ze worden ingeademd, hoewel ze te groot zijn om de longen te bereiken. De vernevelde deeltjes zijn kleinere deeltjes die ook de onderste luchtwegen kunnen bereiken. Bij transmissie via direct contact wordt het virus via een besmet voorwerp of persoon overgebracht op de slijmvliezen van de bovenste luchtwegen. Influenzavirus kan enkele uren tot meerdere dagen op oppervlakken buiten het lichaam overleven. De incubatietijd voor influenza is 1 tot 5 dagen, met een gemiddelde van 3-4 dagen.

Een goede fysieke weerstand verkleint de kans om geïnfecteerd te worden. Met andere woorden zorg dat je immuunsysteem op peil blijft.

Immuunsysteem is het afweersysteem

Het immuunsysteem is het systeem van het lichaam dat ervoor zorgt dat bacteriën, virussen, parasieten en andere micro-organismen geen schade kunnen toebrengen aan organen en weefsels. Het immuunsysteem kan worden onderverdeeld in een aspecifiek (aangeboren) en adaptief (verworven) deel.

  • Het aspecifieke deel is snel werkzaam, maar minder specifiek voor de ziekteverwekker (pathogeen).
  • Het adaptieve deel daarentegen past zich aan het pathogeen aan; dit kost tijd, maar zal uiteindelijk een sterkere afweer worden. Bovendien is het lichaam daarna vaak langdurig beschermd tegen dit pathogeen.
Hoe-werkt-mijn-immuunsysteem?

Het immuunsysteem kan worden onderverdeeld in een adaptief (verworven) en een aspecifiek (aangeboren) deel. Het adaptieve, trage deel past zich aan de pathogeen (ziekteverwekker) aan, maar zal uiteindelijk een sterke afweer worden. Als je besmet bent met een pathogeen en je overleeft het, dan ben je de rest van je leven meestal immuun voor deze specifieke pathogeen. Dit gegeven ligt ten grondslag aan vaccineren. Het aspecifieke, aangeboren deel is direct werkzaam, maar minder specifiek voor de ziekteverwekker en kan de afweer soms maar weinig op  gang brengen.  Het lichaam heeft een aantal middelen paraat staan om bacteriën en andere boosdoeners buiten de deur te houden:

Als eerste is de huid hier een belangrijk onderdeel van. Dit komt doordat de huid een sterke barrière voor ziekmakers die het lichaam in willen dringen. De huid houdt dus de meeste ziekmakers tegen. Een aantal plaatsen zijn echter niet afgeschermd: mond, neus, ogen,… maar daar zorgen trilhaartjes of traanvocht voor de nodige hindernissen.

Ook onze darmen zijn belangrijk in het immuunsysteem. Voor het optimaal functioneren van het immuunsysteem is een goede darmflora noodzakelijk. De darmflora heeft veel verschillende functies in ons lichaam. Het biedt bescherming tegen pathogenen (ziektekiemen). De darmflora creëert een milieu waarin pathogenen zich niet thuis voelen. Ook voedselvertering is een belangrijke functie van de darmflora. Wanneer de darmflora optimaal is vormt deze een laag in de darmen die optimale bescherming biedt voor het binnendringen van pathogenen.

Darmen: de-werking-van-het-immuunsysteem
Hierin is ook te zien wanneer het immuunsysteem overactief is en er een auto-immuunziekte kan ontstaan. Dit betekent dat het immuunsysteem zich tegen het lichaam zelf keert.

Symptomen voor een mogelijk verzwakt immuunsysteem:

  • Vermoeidheid
  • Allergieën, astma en eczeem
  • Vatbaar voor infecties
  • Wondjes genezen langzaam
  • Vaak verkouden
  • Kans op auto-immuunziekten
  • Veel stress
  • Droge slijmvliezen zoals een droge neus en droge ogen
  • Geen goede ontlasting
  • Verhoging, maar geen koorts
  • Huidproblemen en uitslag

Door goed voor jezelf te zorgen kan het immuunsysteem versterkt worden:

  • Verse dierlijke vetten uit vlees en vis (zelf ben ik vegetariër)
  • Koudgeperste oliën: olijf-, noten- of zadenolie 
  • Uien en knoflook
  • Koud geperste groentesappen of het vocht na het koken van groenten
  • Verse kruiden, bijvoorbeeld peterselie, dille, koriander, lente-ui en bieslook
  • Zwemmen in schone en natuurlijk wateren zoals meren, rivieren en de zee
  • Buiten bewegen in de frisse lucht
  • Verstandig genieten van de zon

Om je immuunsysteem tegen te werken moet je vooral deze 10 dingen doen:

  1. Suiker eten en zelfs alles waar suiker in zit
  2. Bewerkte koolhydraten eten, zoals koek, suikers in ontbijtgranen en veel pasta
  3. Bewerkte vetten, zoals margarine en vloeibare bakvetten gebruiken
  4. Vooral geen goede eiwitten gebruiken uit vis, eieren, noten en zaden
  5. Niet bang zijn van chemicaliën zoals pesticiden
  6. Je veel blootstellen aan straling van computers, wifi, tv en telefoon
  7. Medicijnen gebruiken zoals antibiotica, antidepressiva en pijnstillers
  8. Niet of nauwelijks in de frisse lucht zijn en niet teveel bewegen
  9. Zonlicht mijden
  10. In een steriele omgeving leven waardoor je te weinig contact hebt met micro-organismen

Macrofagen en lymfocyten (witte bloedcellen)

macrophage-cytokine-release.
Cytokinen zijn signaalmoleculen

Ondanks alle fysieke belemmeringen, slagen micro-organismen er soms toch in ons lichaam binnen te dringen. Gelukkig beschikken we over een bijzonder agressief korps aan cellulaire verdedigers om indringers aan te vallen en te vernietigen. De belangrijkste componenten daarvan zijn macrofagen en witte bloedcellen (lymfocyten). Macrofagen vernietigen lichaamsvreemde micro-organismen. Ze stormen af op elke indringer en vernietigen hem onmiddellijk. Witte bloedcellen werken specifieker.

De bescherming tegen één micro-organisme werkt uitsluitend voor dat micro-organisme, niet voor een ander. Ons immuunsysteem heeft ook een geheugen. Eén enkele blootstelling aan een ziekteverwekker kan leiden tot een bescherming voor enkele maanden of zelfs jaren. Na een eerste blootstelling wordt de bescherming versterkt tegen een tweede infectie van hetzelfde micro-organisme. Tegen dit lichaamsvreemd deeltje worden specifieke antilichamen (bepaalde eiwitten) aangemaakt. Het antilichaam herkent de indringer en gaat een specifieke binding vormen. Op één antigen past één soort antilichaam (antistof). Een antigen is een lichaamsvreemd, niet-eigen, macromolecuul. Het kan alleen een reactie van het afweersysteem opwekken als het of zelf voldoende groot is of als het door binding aan een ander molecuul, bijvoorbeeld een eiwit, groot genoeg wordt om een antistof-reactie op te wekken.

Deze binding kan enerzijds de levenscyclus van een vreemde indringer, zoals een virus, blokkeren waardoor het zich niet meer kan vermenigvuldigen. Anderzijds geeft de binding ook een signaal aan de macrofagen om de indringer op te ruimen en te vernietigen.

Auto-immuunziekte.

Als je immuunsysteem infecties opruimt, krijg je ontstekingsverschijnselen zoals koorts, zwellingen, roodheid en een pijnlijk gevoel. Koorts betekent meestal dat je afweersysteem een ziekteverwekker aan het bestrijden is. Het opruimen van lichaamseigen overbodig geworden celresten gebeurt voortdurend. Wanneer het immuunsysteem zich tegen het lichaam keert, is er sprake van een auto-immuunziekte: bij het opruimen van lichaamseigen celresten gaat er iets verkeerd. Dit gebeurt bijvoorbeeld als goed werkende cellen worden opgeruimd.

Het coronavirus dat de ziekte COVID-19 veroorzaakt.

Coronavirus-breakthrough-scientists-grow-virus-in-lab-paving-way-for-vaccine.
Alle zwarte stippen zijn coronavirussen. Vele duizenden malen uitvergroot, want er passen zo’n 10.000 virussen in een millimeter! (zie verderop)
Zo-ging-het-corona-virus-de-wereld-over.
Zijn-wij-wel-goed-voorbereid-op-een-pandemie-zoals-het-coronavirus?

Symptomen corona

Koorts, droge hoest en kortademigheid zijn verreweg de meest voorkomende symptomen bij een besmetting van het COVID-19 virus. Corona zonder koorts komt ook wel voor, maar gemiddeld in slechts iets meer dan 10 procent van de gevallen. De klachten bij het coronavirus beginnen gemiddeld 5 tot 6 dagen na besmetting, maar soms ook wel tussen de 2 en 14 dagen.

Hoe loop je een besmetting op?

Je loopt een besmetting in de meeste gevallen op door rechtstreeks contact met een besmette persoon. Wanneer die hoest en niest, kunnen grote druppels of nevels beladen met virusdeeltjes in je neus, mond en slijmvliezen belanden. Je kan ook een infectie oplopen wanneer je een besmet persoon de hand schudt of wanneer je voorwerpen aanraakt waarop druppeltjes van die besmette persoon met het virus zijn beland.

Hoe beperk je het risico? 

De beste manier om een besmetting te voorkomen is vooral zorgen dat je immuunsysteem op peil is!!!! Zorg voor schone handen en was die regelmatig én houdt 1.50 meter afstand. Echter o.a. in verpleeg- en verzorgingscentra, is het onmogelijk deze afstand tot de bewoners in acht te nemen. Ofschoon je er eigenlijk van uit moet gaan, dat jezelf en iedereen die je tegenkomt potentieel besmet is.  Want niet iedereen die besmet is wordt ziek, maar wie besmet is kan wel het virus doorgeven. 

Heeft een masker dragen zin? 

Voor wie niet besmet is, heeft het dragen van een gewoon masker weinig zin. Alleen specifieke hoogfiltratiemaskers – type FFP2 of FFP3 – filteren de lucht die je inademt en beschermen de dragers. Maar door een internationaal tekort aan deze maskers worden ze voorbehouden aan artsen en verzorgend personeel, die rechtstreeks contact hebben met positief geteste personen. Wie besmet is moet wél een masker dragen om zijn omgeving niet te besmetten. Belangrijk daarbij is dat er geen uitblaasventiel op zit, want dan blaas je het virus net uit.

Wie loopt het grootste risico ernstig ziek te worden?

  • Zoals zo vaak bij infectieziekten bepaalt de mate waarin je immuunsysteem reageert op de besmetting hoe ziek je wordt.
  • Belangrijk om daarbij in het achterhoofd te houden, is dat in meer dan 80 procent van de infecties de gevolgen beperkt blijven tot milde symptomen. 

Ouderen en in het bijzonder tachtigplussers behoren tot de risicogroepen waarbij de ziekte ernstiger verloopt. Vanaf de leeftijd van 80 is ook het risico op overlijden het hoogst.

Naast ouderen behoren patiënten die belast zijn met bepaalde andere ziektes tot de risicogroepen. Uit een groot aantal epidemiologische gegevens blijkt dat een derde van de patiënten cardiovasculaire problemen (hart en vaatziekten) heeft , diabetes en/of een hoge bloeddruk. Op basis van wat onderzoekers tot op heden weten, lijken kinderen geen echte risicogroep te vormen. Kinderen kunnen echter het virus wél oplopen en ook doorgeven zonder zelf symptomen te vertonen.

In tegenstelling tot de gewone griep zijn er nog geen aanwijzingen dat zwangere vrouwen een ernstiger verloop kennen. Maar omdat een zwangerschap gepaard gaat met een relatieve onderdrukking van het immuunsysteem, krijgen zwangere vrouwen wel de raad om extra waakzaam te zijn voor een besmetting en zich na contact met een bevestigde patiënt te laten testen.

Hoe-voorkom-je-verspreiding-van-virussen-als-griep-en-het-coronavirus.
Ga ervan uit, dat jezelf besmet kunt zijn. Bij een hoest- of niesbui kunnen wel 10 miljard virusdeeltjes verspreid worden.

Handen wassen en/of desinfecterende handgel
Hierom-werken-mondkapjes-niet-tegen-corona.

Elektronenmicroscopische beelden van het coronavirus.

What-the-coronavirus-looks-like-up-close
Deze elektronenmicroscopische opname toont de COVID-19-virus(geel) – geïsoleerd van een patiënt in de VS, dat tevoorschijn komt uit het oppervlak van in labortorium gekweekte cellen (blauw / roze) . Credit NIAID-RML

Er zijn meer virussen dan sterren in het heelal.

Zo’n 70% van alle virussen die mensen ziek maken, is afkomstig uit het dierenrijk.
Mazelen, een virusinfectie, wordt veroorzaakt door een luchtwegvirus, dat vooral kinderen treft. Het uit zich als een lichaamsbedekkende laag van wondjes en blaren. Als je de mazelen al eens doorstaan hebt, kun je de mazelen niet nog eens krijgen. Als je gevaccineerd bent tegen de mazelen, is er een kleine kans dat je alsnog mazelen krijgt. Toch zijn er nog regelmatig uitbraken, ook in Nederland, met name in regio’s met een lage vaccinatiegraad. Dit zijn vooral regio’s waar mensen vanwege religie of overtuiging geen vaccinatie wensen. Dit geldt ook voor de jaarlijkse griepvaccinatie.

Waterpokken zijn ook het gevolg van een virusinfectie. Wat veel mensen niet weten, is dat je dit virus de rest van je leven met je meedraagt. Op oudere leeftijd kan dit virus weer de kop opsteken in de vorm van gordelroos.  Spaanse griep (1918-1920), ­veroorzaakt door influenza A/H1N1. Wereldwijd 500 miljoen besmettingen en 50 tot 100 miljoen doden.
Sars (2002-2003), veroorzaakt door een andere soort coronavirus. Wereldwijd ruim 8000 besmettingen en bijna 800 doden.
Mexicaanse griep (2009-2010), ­veroorzaakt door influenza A/H1N1. Naar schatting raakte 11 tot 21 procent van de wereldbevolking besmet en vielen er bijna 300.000 doden.
Ebola (2013-2016), veroorzaakt door het ebolavirus. Bijna 30.000 besmettingen (vooral in West-Afrika) en ruim 11.000 doden. Het hiv-virus (humaan immunodeficiëntievirus) veroorzaakt aids.

Jenner en de koepok-inenting (1798)
Duizenden jaren teisterden pokken de mensheid. Waarschijnlijk dook de ziekte zo’n 10.000 jaar voor Christus op, toen de eerste nederzettingen in het noordoosten van Afrika werden gebouwd. De Britse arts Edward Jenner maakte met een wonderlijke uitvinding een einde aan de kwelling: een vaccin.
Middeleeuwse oorzaken en behandelingen van de pest
In 1347 kwam een besmettelijke ziekte naar West-Europa. Toen de ziekte was uitgeraasd in 1351 waren 25 miljoen mensen in West-Europa gestorven.

In oktober 1347 arriveerden Genuese schepen op Sicilië. De schepen kwamen uit De Krim en tijdens de tocht was een groot deel van de bemanning en de passagiers slachtoffer geworden van een dodelijke ziekte: de pest. Via het Middellandse Zeegebied bestormde de pest, later ook de Zwarte Dood genoemd, het Europese continent om in minder dan vijf jaar een derde tot de helft van de bevolking weg te vagen. Niemand was veilig voor deze ziekte, ongeacht maatschappelijke positie of genomen voorzorgsmaatregelen. Wereldwijd maakte de pest een geschatte 75 tot 100 miljoen dodelijke slachtoffers. In Europa duurde het tot ongeveer het jaar 1600 voordat het bevolkingspeil van begin veertiende eeuw weer bereikt was.

De pest inspireerde wél tot daden van medemenselijkheid en heroïek. En uiteindelijk werd in deze periode de basis gelegd voor de Renaissance, voor het nieuwe Europa.

De Zwarte Dood in Vlaanderen en Europa……Epiloog: Het onderzoek naar de economische gevolgen van de Zwarte Dood, en de politieke reactie daarop, openbaarde ons een wereld die soms akelig dichtbij lijkt. De economische dynamiek die de Zwarte Dood op Europa los liet, en de verwoede pogingen van politici om haar in te dijken, kent immers tal van raakvlakken met kwesties die brandend actueel zijn. Net zoals vandaag werden ook toen al de lonen van werknemers door de overheid bevroren. Ook toen al ging een gestage inflatie met de koopkracht van de burger aan de haal. Ook toen al was er sprake van ongecontroleerde migratie, die een onvoorziene impact zou hebben op de arbeidsmarkt en op de lonen. Ook toen al werd massaal geld bijgedrukt, waardoor de inflatie nog werd aangewakkerd. Er is niets nieuws onder de zon. De meest opvallende parallel is ongetwijfeld het inherente onvermogen van de politieke macht om de ‘invisible hand’ van de economie fundamenteel bij te sturen. De elitaire pogingen om ‘de staat van oorlog aan de pest’ te herstellen bleken immers bij voorbaat futiel. Het primaat van de economie wordt daardoor eens te meer bevestigd als historische wetmatigheid door de tijd heen, of, zoals een Amerikaans president het ooit plastisch verwoordde: “It’s the economy, stupid” Ook nu weer door ene Amerikaanse president….

Ontstaan-Renaissance.pdf……..de veertiende eeuw werd ook geplaagd door pestepidemieën. Tussen 1347 en 1351 stierven in Europa circa 25 miljoen mensen aan de pest. Door deze sterfte ontstond er in veel ambachten een te kort aan arbeiders. Dit leidde tot de invoering van veel nieuwe technieken. Rond 1450 ontdekte men , de kunst om met losse letters boeken te drukken. De uitvinding van de boekdrukkunst maakte het mogelijk om nieuwe denkbeelden snel te verspreiden. Kunstenaars en geleerden elders in Europa konden nu eenvoudig kennisnemen van de Renaissance. Vanaf de 16e eeuw verschoof het centrum van kunst en wetenschap zich naar West-Europa.

Wat een geniale roman uit 1929 ons leert over corona
van de Zwitserse schrijver Charles-Ferdinand Ramuz
‘De Pest’ van Albert Camus.
Het verhaal speelt zich af in de Algerijnse stad Oran. Op zeker moment wordt de stad van de buitenwereld afgesloten. Camus beschrijft de evolutie van de menselijke reacties bij het voortschrijdende onheil: van aanvankelijke onverschilligheid, over ontkenning naar wanhopige bestrijding en ten slotte berusting. Als eindelijk, na bijna een jaar, hulp komt vanuit Parijs, loopt het aantal doden terug en wordt de quarantaine (van 40 dagen….quarante jours) opgeheven. Ondanks het verschrikkelijke drama eindigt het verhaal met een zekere opluchting en feeststemming.

De geschiedenis schijnt zich te herhalen. Ook nu weer, met het uitbreken en de pandemieverschijnselen ten gevolge van het Coronavirus zien we in 2020 opnieuw daden van medemenselijkheid en heroïek. Deze pandemie zal verstrekkende gevolgen (kunnen) hebben. Er zal op vele terreinen een verandering plaatsvinden. Allereerst in de tot voor kort ondergewaardeerde zorg en het onderwijs. Verder in diverse takken van cultuur, theater, horeca, de hele reisbranche als gevolg van de ‘anderhalve meter afstand’.

De mechanismen van het quantum, fysica op het allerkleinste niveau.

Inhoudsopgave

Fotosynthese. Cyanobacteriën. Annalen de Physik. Foto-elektrisch effect. Zijn het nou golven of deeltjes? Superpositie. Golffunctie. Onzekerheidsprincipe. Schrödingervergelijking. Quantumtunneling. De Kopenhagen-interpretatie en de kat van Schrödinger. Verstrengeling. Spin. Quantumprocessen in biologische systemen. Vogels vossen en trekvogels oriënteren zich op aardmagnetische velden.

In plaats van quantummechanica hanteer ik zelf liever de term quantumfysica, omdat het de fysica is, dat het mechanisme verklaart hoe alles op de allerkleinste schaal werkt! Het is de beste beschrijving die we hebben van de aard van de deeltjes waaruit materie bestaat en de krachten waarmee ze interageren.

  • Kwantumfysica ligt er ten grondslag aan hoe atomen werken, en dus waarom chemie en biologie werken zoals zij werken.

Maar aangezien het quantum mechanisme in hoge mate een wiskundige benadering kent, kan ik dit niet wiskundig verdiepen, omdat ik er de opleiding niet voor heb. Ik ga deze microscopische wereld van atomen en elektronen benaderen vanuit mijn eigen wetenschappelijke interesse. De bronnen die ik hiervoor raadpleeg zijn voornamelijk de wetenschappelijke en educatieve website quantumuniverse.nl/dossier-quantumfysica. Quantummechanica is een onderliggende theorie, terwijl quantumfysica de toepassing in de natuurkunde is. Beide termen worden in de praktijk nogal eens door elkaar gebruikt, echter natuurwetenschappers hebben een sterke voorkeur voor de term quantummechanica…..okey ik ben geen natuurwetenschapper….
Quantummechanisme is nauwelijks goed uit te leggen zonder uitgebreide voorbeelden. Die voorbeelden worden gewoonlijk aan de natuurkunde ontleend, waardoor het verschil tussen quantummechanica en quantumfysica in de praktijk soms wat vervaagt.

De Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman zei ooit: “Ik denk dat ik rustig kan zeggen dat niemand de quantummechanica écht begrijpt. Als je denkt dat je de quantummechanica begrijpt, dan heb je het niet begrepen.” Deze stelling daagt me uit! Want ook de natuur maakt gebruik van de gekke regels van de quantumfysica. Het allermooiste en ’t meest indrukwekkende voorbeeld van een quantum-fysisch proces is fotosynthese. Het zou op een ‘klassieke manier’ niet te verklaren zijn, hoe lichtenergie in bladgroenkorrels van planten wordt omgezet in bruikbare bouwstoffen. Wie het mechanisme van fotosynthese écht wil begrijpen, vindt antwoord in de quantumfysica!!

Fotosynthese

De reacties die gebeuren tijdens de fotosynthese zijn te onderscheiden in twee opvolgende fasen: -de-lichtreactie-en-de-donkerreactie. Tijdens de lichtreacties wordt lichtenergie omgezet in chemische energie in de vorm van de energiedragende stoffen ATP en NADPH. Hierbij komt zuurstof vrij als afvalproduct. Tijdens de donkerreacties worden deze stoffen gebruikt om van koolstofdioxide (CO2) de energierijke stof glucose te maken.

ATP (adenosinetrifosfaat) wordt in cellen gebruikt voor de opslag van energie. NADPH (Nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat) is de belangrijkste reductor in cellen (waarbij elektronen afgestaan worden) en levert een bron van elektronen voor diverse andere reacties.

Hoe werkt fotosynthese? De fotosynthese in detail
Pi is een anorganisch fosfaat
Thylakoïde membraanorganisatie en samenstelling in cyanobacteriën en planten. Cyanobacteriële thylakoïde membranen bevinden zich direct in het cytosol, zijn in lagen gerangschikt, maken contact met het plasmamembraan en hebben aangehechte phycobilisomen (eiwitcomplexen). Thylakoïde membranen in landplanten bevinden zich in de chloroplast, zijn georganiseerd in grana-stapels die onderling verbonden zijn door stroma-blootgestelde lamellen en bevatten chlorofyl-eiwitcomplexen.

Cyanobacteriën

Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is 6b45c080-8d00-41cb-8bc3-e0099f82563e_eenanabaenaketenentweeworonichinianaegelianakoloni_6cec12fa_490x3301.jpg
Cyanobacteriën zijn minuscule organismen. Ze zijn eencellig, kolonievormig of komen voor als meercellige filamenten.

Cyanobacteriën worden ook wel misleidend blauwalgen genoemd vanwege de blauw/groene pigmenten, maar ze hebben geen relatie met algen omdat dit eukaryote organismen zijn. Deze synthetiserende bacteriën kunnen zich alleen asexueel voortplanten door celdeling. Een ronde kolonie wordt gevormd door celdelingen in meerdere richtingen; een filament door celdeling in één bepaalde richting. De aldus gevormde keten van cellen wordt een trichoom genoemd. Een trichoom kan recht zijn, gedraaid of vertakt. Van filamenteuze vormen kunnen kleine fragmenten uitgroeien tot een nieuwe lange keten van cellen. De endosymbiosetheorie verklaart, dat cyanobacteriën zijn opgenomen in plantencellen en zijn ontwikkeld tot chloroplasten: bladgroenkorrels.

Waarom zijn cyanobacteriën belangrijk?
Cyanobacteriën zijn één van de oudste bekende organismen op Aarde en dateren van meer dan 2 miljard jaar geleden. Vóór deze bacteriën, toen de atmosfeer nog erg zuur was, bestonden er verschillende microben op onze planeet. Deze organismen bloeiden in afwezigheid van zuurstof. Ongeveer 2,4 miljard jaar geleden begon de aardatmosfeer te oxideren en in ruil daarvoor ontstond de 21% zuurstofatmosfeer die we momenteel kennen. Cyanobacteriën creëerden de atmosfeer die het leven ondersteunde en het leven zou anders niet hebben kunnen bestaan.

Uit de elementen CHONSP: koolstof (C), waterstof (H), zuurstof (O), stikstof (N), zwavel (S) en fosfor (P) halen cyanobacteriën de koolstof uit lucht en water in de vorm van CO2 en H2O. Hier maken ze organische stoffen van door fotosynthese, waarbij vervolgens stikstof (N) het meest nodig is voor het maken van eiwitten en fosfor (P), hun eigen DNA en voor de opslag van energie (ATP). Daarnaast zijn ook de metalen ijzer, koper en magnesium in zeer lage concentraties noodzakelijk voor hun groei.

Voor de vorming van één glucosemolecuul (C6H12O6) moet de Calvincyclus zesmaal worden doorlopen. Calvincyclus is de donkerreactie, gebruikt de energie om koolstofdioxide om te zetten in glucose.

Fotosynthese is voor ons mensen een extreem ingewikkeld quantummechanisch systeem, maar voor planten al vele miljoenen jaren en voor de eenvoudigste microben al 2,5 miljard jaar een vanzelfsprekend groei- en samenwerking-systeem in een indrukwekkend fenomeen, dus ontdek/microbiologie/endosymbiose/

Video: Quantum-theory-full-documentary-
Van de Amerikaanse natuurkundige Brian Greene, geeft een breed beeld van Quantummechanica.

Annalen der Physik

Een eerste aanzet tot de ontwikkeling van de theorie werd gegeven door Max Planck in het jaar 1900. Hij ontwikkelde en publiceerde zijn bevindingen in het toonaangevende natuurkundetijdschrift Annalen der Physik. Planck ontdekte dat de energie van elektromagnetische golven (waar bijvoorbeeld het zichtbare licht een vorm van is) niet continu is, maar discreet. Dit betekent dat die energie niet elke willekeurige waarde kan aannemen, zoals de uurwijzer op je horloge, maar dat ze zich stapsgewijs gedraagt, zoals de meeste secondewijzers: ze is altijd een veelvoud van een vaste hoeveelheid. Deze vaste hoeveelheid energie in pakketjes noemde Planck ‘quanta’ naar het Latijnse woord voor ‘hoeveel’. Planck gaf ook aan hoe groot die pakketjes precies waren: voor licht met een bepaalde golflengte λ, en een bijbehorende frequentie ν, was de hoeveelheid energie (E) in één pakketje gelijk aan E = h ν. In woorden: de energie van één pakketje kon eenvoudig berekend worden door de frequentie met een bepaald getal h te vermenigvuldigen. Die verhoudingsfactor, h, was een nieuwe, door Planck voorspelde natuurconstante (zie verderop).

Albert Einstein haakte hier op in en stelde dat je die quanta als deeltjes kunt beschouwen. Deze deeltjes noemde hij fotonen. Bijna twintig jaar later merkte Louis de Broglie op (spreek uit de Bruie), dat deeltjes soms golfeigenschappen hebben. Er zal nou eenmaal aanvulling en verbetering blijven op ons bekende macroniveau over de microstructuren op allerkleinste schaal: quantum-versus-klassiek.

Het volgende is terug te vinden in m’n vorige blog: Het denkende bewustzijn, dus ik citeer:In de laatste decennia van zijn leven behandelde Planck vooral filosofische vragen van zijn fysieke wereldbeeld. Hij bevestigde stevig het bestaan ​​van God en zag in de wetenschap een zoektocht naar zijn empirische kennis, maar zonder ooit in staat te zijn om dat doel op deze manier volledig te bereiken.

“Als een mens die zijn hele leven gewijd heeft aan de meest helderhoofdige wetenschap, aan de studie van de materie, kan ik u als een resultaat van mijn onderzoek over atomen zo veel zeggen: er bestaat geen materie op zichzelf. Alle materie ontstaat en bestaat alleen door een kracht die de atoomdeeltjes vibreert en ze samenhoudt. Maar omdat er geen intelligente kracht of eeuwige kracht in het hele universum bestaat, moeten we achter deze kracht een bewuste intelligente geest accepteren. Deze geest is de oorsprong van alle materie. Niet de zichtbare maar de onzichtbare ‘geestelijke’ materie is het echte, het ware, want materie bestaat helemaal niet zonder de geest. Het onzichtbare, onsterfelijke geestelijke is de waarheid! Maar aangezien geesten er niet van zichzelf kunnen zijn, maar gecreëerd moeten worden, ben ik niet bang om deze mysterieuze schepper een naam te geven, zoals alle volkeren op aarde die al duizenden jaren noemen: God!” 

Hiermee komt de natuurkundige, die z’n hele leven met de aard en het wezen van materie te maken had, van het rijk der materie naar het rijk van de geest…..en hiermee op het terrein van de filosofie?

Zwarte stralers

Max Planck begon aan de Universiteit van Berlijn en verrichtte onderzoek naar de wetten van de thermodynamica en de uitstraling van energie door zwarte lichamen (black body radiation). Hij zocht naar de oplossing voor het probleem waar de klassieke natuurkunde niet uit kwam: hoe luidt de formule die het continue energieverloop beschrijft van een energie-uitstralend lichaam. Een zwart lichaam, ook wel zwarte straler genoemd, is een voorwerp dat alle invallende elektromagnetische straling volledig in zich opneemt. Het is tevens een ideale straler. De straling die een zwart lichaam uitzendt is thermische straling.

H.Bruning › applets. Met deze applet kun je stralingskrommen van een zwarte straler bestuderen: grafieken met de intensiteit van de uitgestraalde thermische straling als functie van de golflengten.

Een zwart lichaam zendt dus, afhankelijk van zijn temperatuur, straling van verschillende golflengten uit. De verdeling van de intensiteit van die verschillende golflengten heeft een karakteristieke vorm en wordt ook wel een Planck-kromme genoemd.

planckkromme – Natuurkunde uitleg
De werking van een zwarte straler is te vergelijken met een heel klein gaatje in een dichte doos. Het licht wat hier in valt, weerkaatst een aantal keren tegen de wanden, maar het komt  de doos niet meer uit.
Alle straling die op dit voorwerp valt, wordt geabsorbeerd. Doordat het alle straling absorbeert, stijgt de temperatuur en gaat het zelf straling uitzenden. Een zwart gat is volgens de berekeningen van Hawking een perfecte zwarte straler.

Foto-elektrisch effect

Albert Einstein werkte dit idee verder uit, en stelde dat je die quanta als deeltjes kunt beschouwen en noemde deze deeltjes fotonen. Wanneer fotonen met hogere energie op een metalen plaat vallen, kunnen vanaf het metaal elektronen vrijgemaakt worden. Dit wordt het foto-elektrisch-effect genoemd.

Bijna twintig jaar later merkte Louis de Broglie op, dat deeltjes soms ook golfeigenschappen hebben. Dit verschijnsel, dat deeltjes en golven soms erg veel van elkaar weg hebben, wordt de golf-deeltje-dualiteit genoemd en kan gezien worden als één van de peilers van de quantumfysica.

Zijn het nou golven of deeltjes?

Om de golf-deeltje-dualiteit aan te tonen: het tweespletenexperiment
wave-particle-duality.

Bron van het nu volgende: Quantum Universe. Niet alleen blijken “klassieke golven” (zoals licht) óók deeltjeseigenschappen te hebben, maar “klassieke deeltjes” (zoals elektronen) blijken óók golfeigenschappen te hebben. Daarmee stonden natuurkundigen voor een raadsel. Is licht nu een golf of een deeltje? Zijn elektronen deeltjes of golven?

Het antwoord kwam in 1924 van de Duitse natuurkundige Max Born: licht en elektronen zijn geen golven of deeltjes: licht en elektronen zijn ’t allebei.

Superpositie

Maar……quantummechanica gaat over kansen. Een quantummechanisch systeem hoeft niet in één specifieke toestand te zijn: het kan in zekere zin in verschillende toestanden tegelijk zijn. Zo kan een deeltje bijvoorbeeld voor 50% op positie A zijn, en voor 50% op positie B. Een dergelijke toestand noemen we een superpositie. Pas wanneer we de positie van het deeltje meten, verandert deze situatie en “stort de golffunctie in” tot een positiebepaling die ofwel aan positie A 100% kans toekent, ofwel aan positie B. Met andere woorden: door het doen van de meting “dwingen we het deeltje te kiezen”, en pas op dát moment is het deeltje niet meer in een superpositie, maar ofwel op plaats A, ofwel op plaats B.

Eén enkele elektron kan zich op twee plekken tegelijkertijd bevinden. Onderin botst het deeltje met zichzelf en zorgt voor interferentie.
Interferentie

Een enkele elektron kan op één en hetzelfde moment jouw kamer binnenkomen, én in de kamer naast je. Dit klinkt raar, maar het is een eigenschap die alle golven met elkaar gemeen hebben. Als je hard op tafel slaat gebeurt precies hetzelfde: je hoort het geluid in de kamer waar je bent, en tegelijkertijd in de kamer naast je. De helft van de geluidsgolf die je gemaakt hebt bevindt zich dan in de ene kamer, en de helft in de andere. Als we zeggen dat een elektron zich in een superpositie bevindt, bedoelen we daarmee precies hetzelfde. De helft van de elektron-golf bevindt zich dan op één plek, en de helft op een andere.

Golffunctie.

De golffunctie van een deeltje is gerelateerd aan de waarschijnlijkheid voor het vinden van een deeltje. De golf heeft als het ware de functie van het onvindbaar zijn van een deeltje. Waar de golf het grootst is, is de kans om een deeltje aan te treffen het grootst.

Het gedeelte over het ‘kwadraat van de golflengte en complexe getallen’ is vrij ingewikkeld en zou te ver voeren. Het is belangrijk dat we beseffen dat het kansbegrip, dat in de quantummechanica een rol speelt, een fundamenteel kansbegrip is. Het is een totaal ander kansbegrip dan bij het gooien van de alledaagse dobbelsteen. Bij quantumkansen ligt dat heel anders. Om dat te begrijpen is het raadzaam het tweespletenexperiment ui te leggen.

Om het interferentiepatroon op het scherm te kunnen verklaren, moeten we aannemen dat de lichtgolf door allebei de spleten gaat. In zekere zin gaat de golf/het lichtdeeltje dus door allebei de spleten: het is op een gegeven moment voor bijvoorbeeld 50% in de ene spleet, en voor 50% in de andere, zoals ze zijn in superpositie. Als we bij de spleten een meting zouden doen, zouden we het deeltje in één van de spleten aantreffen, maar als we die meting niet doen, is het deeltje echt “op beide plaatsen tegelijk”. Quantumgrootheden worden om die reden ook wel ‘vaag’ genoemd: die grootheden hebben niet één specifieke waarde, maar allerlei verschillende waardes tegelijk met allerlei verschillende kansen.

In het dagelijks leven ervaren we de wereld namelijk niet als ‘vaag‘. We zien voorwerpen op duidelijk bepaalde plaatsen, zien ze bewegen met duidelijk bepaalde snelheden, enzovoort. Hoe kan het dat we de quantumonzekerheden in ons dagelijks leven helemaal niet zien? Dit blijkt een erg diepgaande vraag te zijn, en natuurkundigen zijn het nog altijd niet allemaal eens over het exacte antwoord. De reden is, dat deze vraag deels tot het domein van de filosofie hoort, en niet tot dat van de natuurkunde.

Onzekerheidsprincipe van snelheid / positie en van positie / impuls

Deze theorie stelt dat men óf de snelheid óf de positie van een subatomair deeltje op een bepaald moment kan kennen (meten) maar niet allebei tegelijkertijd. De reden hiervoor is dat door de manier van snelheid meten de positiemeting van het deeltje onzeker wordt. Andersom geldt dat het meten van de positie van het deeltje, de snelheid van het deeltje beïnvloedt en de snelheidsmeting onnauwkeurig maakt.

Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is 141007-quantumfysica-40-6381.jpg
Wanneer Heisenberg tegelijkertijd de positie en de snelheid (impuls) van een deeltje wilde berekenen was de uitkomst onzeker of onnauwkeurig. Hij meende dat deze onzekerheid niet het gevolg was van een tekortkoming in de vergelijkingen, maar van de aard van de subatomaire wereld.
Δx = onzekerheid plaats
Δp = onzekerheid impuls (snelheid)

Als je van een Quantumdeeltje weet hoe snel het beweegt, kun je onmogelijk weten waar het is.  Sterker nog: een Quantumdeeltje waarvan je de snelheid of preciezer gezegd: de impuls kent, heeft geen exact te bepalen positie, en bevindt zich in een superpositie van alle mogelijke locaties. Het tegenovergestelde is trouwens ook waar. Als je weet waar een Quantumdeeltje is, is zijn impuls volkomen onbepaald. Dit klinkt allemaal weer erg mysterieus, maar het is wederom een algemene eigenschap van alle golven.

  • Impuls is een van de meest centrale natuurkundige grootheden. Het is zelfs een fundamenteler begrip dan het alledaagse begrip snelheid.

Impuls en snelheid hebben veel met elkaar te maken. Als we van een voorwerp de massa en de snelheid weten, dan is de impuls gemakkelijk te berekenen.

  •  impuls (p) is massa maal snelheid: p = m.v

Als ik tegen een voetbal aan schop, zal die bal met een veel grotere snelheid wegvliegen dan de snelheid waarmee mijn been bewoog. Als een meteoriet met 10 km/s op het aardoppervlak neerstort, betekent dat (gelukkig!) niet dat de hele Aarde daardoor met 10 km/s gaat bewegen. In beide gevallen komt dat door het grote massaverschil: de massa van mijn been is groter dan die van de voetbal / de massa van de Aarde is veel groter dan die van de meteoriet. Wat behouden is, is de impuls: massa maal snelheid. Wat behouden is, is de impuls: massa maal snelheid. Als mijn been tien keer zo zwaar zou zijn als de bal, zal de bal tien keer de snelheid van mijn been krijgen. Doordat de Aarde een gigantisch aantal malen zwaarder is dan de meteoriet, zal de Aarde een even gigantisch kleine fractie van de snelheid van de meteoriet overnemen.

Voor planeten, biljartballen en puntdeeltjes is de impuls gelijk aan de massa maal de snelheid. Als je van een bal met een bepaalde massa de snelheid kent, weet je dus ook zijn impuls: p = m.v

Voor watergolven in een meer of geluidsgolven in de kamer om je heen, is het niet zozeer de snelheid als wel de golflengte die bepaalt wat de impuls van de golf is. De snelheid van het geluid ligt immers vast, en is voor alle geluidsgolven hetzelfde. De golflengte hangt echter ook af van de frequentie, en is voor iedere golf anders. De relatie tussen golflengte, snelheid en frequentie wordt gegeven door de formule:  

λ= v/f

λ de golflengte, v de snelheid, en f de frequentie.

Voor Quantumdeeltjes is het de golflengte die de impuls bepaalt, volgens de formule:    

 p= h/λ
Hier is p de impuls, en de letter h is de constante van Planck = h ≈ 6,62606957 10-34 J/Hz.

De constante van Planck is zoals we zien enorm klein: in niet-wetenschappelijke notatie zouden we schrijven: 0,000000000000000000000000000000000662606957 Watt. Deze constante is een getal dat je kunt meten, en dat nooit verandert (net zoals de lichtsnelheid nooit verandert).

Voor golven is de onzekerheidsrelatie tussen positie en impuls, een verband tussen positie en golflengte.

Onzekerheidsrelatie voor gewone watergolven. Je bent pas zeker over een golflengte als de golf zich onafgebroken herhaalt. Is dit niet het geval, dan kun je nooit zeker zijn over wat de golflengte precies is, maar word je wel steeds zekerder van de positie van de golf.

De golflengte is de afstand waarover de vorm van een golf iedere keer exact herhaald wordt. Van de golf aan de linkerkant in afbeelding kunnen we dus niet goed zeggen wat de golflengte is. Er is wel een patroon dat een beetje herhaalt wordt, maar na twee golfjes houdt het op. Om een echt goed gedefinieerde golflengte te hebben moeten we een golf beschouwen zoals in het midden van de afbeelding. Deze golf herhaalt dezelfde vorm van het begin van het water tot het eind, en we kunnen dus duidelijk zeggen wat de lengte van het zich herhalend patroon is. Van deze golf kunnen we echter onmogelijk zeggen waar hij zich bevindt. De golf strekt zich uit over de gehele wateroppervlakte, en de positie is dus volkomen onbepaald. Om de positie goed te kunnen bepalen, hebben we een golf nodig die lijkt op degene aan de rechterkant in het onderstaande afbeelding. Van deze golf kunnen we duidelijk zeggen waar hij is.

In de quantummechanica ziet de analogie met de watergolven er als volgt uit: Als ik de kansverdeling (en dus ook de golffuncties) van de plaats en snelheid van een systeem op een bepaald moment ken, hoe veranderen de bijbehorende kansen (en dus de golffuncties) dan in de loop van de tijd? Het zal duidelijk zijn dat er, om deze vraag te kunnen beantwoorden, geheel nieuwe natuurwetten nodig zijn. Het vinden van de natuurwetten waaraan de golffuncties uit de quantummechanica voldoen, was een belangrijke zoektocht aan het begin van de 20e eeuw.

Schrödingervergelijking

De meest beroemde formulering is afkomstig van de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger, die het antwoord in 1925 weergaf in zijn befaamde Schrödingervergelijking:

Schrödingervergelijking
Hiervoor is een volledig eerstejaars universiteitscollege quantummechanica nodig. Voor een niet-wiskundige uitleg: Quantumfysica (5): De Schrödingervergelijking
We zien dat de vergelijking iets zegt over golffuncties: zowel links als rechts staat de golffunctie Ψ. Hoe deze golffunctie in de toekomst gaat veranderen, hangt af van wat die golffunctie op dit moment is.
De golf heeft als het ware de functie van het onvindbaar zijn van een deeltje.
Zie afbeelding hieronder.
Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is golffunctie1.png

Quantum tunneling

Een ander indrukwekkend fenomeen is Quantum Tunneling, net als Superpositie, besproken door Leo Kouwenhoven in de video: de-wondere-wereld-van-kwantummechanica-leo-kouwenhoven-nwo-spinoza-te-paard
Wat is het quantum-tunnel-effect? Een deeltje, dat te weinig energie heeft om over de berg heen te komen, gaat dan door een tunnel naar de andere zijde.
Een deeltje, dat te weinig energie heeft probeert aanvankelijk over de muur te komen.
Gaat dat niet, dan er maar dwars doorheen.
tunnel-effect
Een ander voorbeeld van tunneling is radioactief verval: als we lang genoeg wachten zullen bepaalde atomen door exact dit proces een aantal van hun kerndeeltjes verliezen, ondanks dat dat proces klassiek gezien onmogelijk is. Als de energiebarrière die overwonnen moet worden groot is, kan dit nog steeds heel lang duren.

Ik vond overigens nóg een tunneling van deeltjes: scanning-tunneling-microscope……alsof je gedachten op papier zet.

De Kopenhagen-interpretatie

Slechts 25 jaar nadat Planck het eerste gezicht van een nieuwe fysica liet zien, waren er niet één, maar twee concurrerende versies van de quantummechanica: die van Heisenberg en de golftheorie van Schrödinger. De twee versies schenen volkomen verschillend: dit is een pure wetenschappelijke kwestie: wie had er gelijk??? Erwin Schrödinger had bewezen dat de twee theorieën, hoewel ze zeer verschillend leken, altijd dezelfde uitkomst opleverden.

Kopenhagen-interpretatie was vastgesteld in 1927 (te Kopenhagen) door Niels Bohr en Werner Heisenberg. Volgens deze interpretatie beschrijft de quantummechanica alleen kansen en waarschijnlijkheden. Sterker nog, de wereld zou écht zo in elkaar zitten. Deeltjes hebben geen bepaalde plaats of impuls. In deze interpretatie speelt de waarnemer (iemand of iets die de metingen uitvoert) een cruciale rol – de meting verstoort het systeem en dwingt het om één van de mogelijke toestanden aan te nemen. Bijvoorbeeld bij de interferentie van elektronen in het tweespletenexperiment: Het elektron komt op álle mogelijke plaatsen van het scherm aan – maar kan op alleen maar één plaats gedetecteerd worden. Het scherm dwingt het elektron om één de van de mogelijke plaatsen te kiezen. Deze interpretatie is het meest gangbare, die door de meeste natuurkundigen gevolgd wordt.

Stel je meet de positie van een deeltje, en het bevindt zich op punt A. Waar was het deeltje net (ultra kort) vóór dat de meting gedaan werd? Hierop zijn verschillende antwoorden: Een realist zegt: Het deeltje moet al op C geweest zijn. Dit klinkt logisch, een deeltje zou toch nooit zomaar op een plek kunnen verschijnen? Dit houdt in dat de quantummechanica dan een onvolledige theorie zou zijn. Die streng de regels van het quantummechanisme navolgt zou zeggen: Het deeltje was helemaal nérgens. Pas toen het gemeten werd, nam het deeltje een bepaalde plaats in. De meting observeert niet de huidige toestand, maar veroorzaakt deze. Dit is de zogenaamde Kopenhagen interpretatie. Het ingewikkelde van Quantummechanica zit hem in het feit dat de Kopenhagen interpretatie bewezen is. Dus: is de maan er wel, ook als niemand kijkt?

Bohr’s Kopenhagen-interpretatie van quantummechanica werd theoretisch bewezen door wat een beroemd gedachte-experiment is geworden met een kat en een doos. Het wordt de kat van Schrödinger genoemd en werd voor het eerst geïntroduceerd door de Weense natuurkundige Erwin Schrödinger in 1935.

De Kopenhagen-interpretatie stelt dus in wezen dat een object in een fysiek systeem tegelijkertijd in alle mogelijke toestanden kan bestaan, maar het observeren van het systeem dwingt het systeem in te storten en dwingt het object in slechts één van die mogelijke toestanden. Schrödinger was het niet eens met deze interpretatie.

Schrödinger wilde dat mensen zich konden voorstellen dat een kat, een flesje gif, een geigerteller, radioactief materiaal en een hamer zich in een verzegelde container bevonden. De hoeveelheid radioactiviteit was echter zó klein dat het slechts een opname van 50% tegen 50% in de loop van een uur zou hebben. Als de geigerteller straling waarnam, zou de hamer de het flesje gif breken en de kat doden. Tot het moment dat iemand de container zou openen en het systeem zou observeren, was het onmogelijk om te voorspellen over de toestand van de kat. Dus totdat het systeem ineen zou storten, zou de kat in een superpositie-zombie-toestand verkeren, zowel levend als dood.

“Natuurlijk”, beweerde Schrödinger, “dat was belachelijk, quantumsuperpositie zou niet kunnen werken met grote objecten zoals katten, omdat het onmogelijk is voor een organisme om tegelijkertijd levend en dood te zijn”. Daarom beredeneerde hij dat de interpretatie van Kopenhagen niet klopte. Hoewel veel mensen ten onrechte aannemen dat Schrödinger het uitgangspunt achter het gedachte-experiment ondersteunde, deed hij dat echt niet! Zijn standpunt was juist dat het onmogelijk was. Hoewel het waar is dat moderne experimenten hebben aangetoond dat quantumsuperpositie werkt voor quantumdeeltjes zoals elektronen, dat het voor grotere objecten anders moeten worden beschouwd.

Delftse-wetenschappers-kijken-stiekem-naar-schrödingers-katten en zien verstrengeling.

Verstrengeling van deeltjes.

Deeltjes hebben voor 50% kans om op positie A zijn, en voor 50% kans op positie B: een superpositie. Pas wanneer we de positie van het deeltje meten, verandert deze situatie en “stort de golffunctie ineen” tot een functie die ofwel aan positie A voor 100% kans toekent, ofwel aan positie B.

Met andere woorden: door het doen van de meting “dwingen we het deeltje te kiezen”, en pas op dat moment is het deeltje niet meer in een superpositie, maar ofwel op plaats A, ofwel op plaats B.

Maar zodra we het hebben over paren van deeltjes wordt het nog veel interessanter. Om dit te begrijpen is het goed het elektron nader te bekijken, dat maar in een klein aantal toestanden kan zijn. Een elektron blijkt namelijk niet alleen eigenschappen zoals een plaats en een snelheid te hebben, maar ook een eigenschap die we spin noemen.

Voor ik verder ga eerst iets over een quantummechanisch principe ‘Spin’.

Spin

Een elektron kan op maar twee manieren “rondtollen”. Spin ½ is a ‘double-rotation’. Spin is een magnetische richting van een elementair deeltje.

undefined ‘Spin’ betekent eigenlijk rotatie, maar heeft in deze betekenis niets te maken met een daadwerkelijke draaiing van een deeltje om zijn as. Een enkel punt in de ruimte kan continu draaien zonder verstrikt te raken. Merk op dat na een rotatie van 360 ° de spiraal tussen de wijzers van de klok mee en tegen de klok in draait. Het keert terug naar zijn oorspronkelijke configuratie na het draaien van een volledige 720 °

In de kwantummechanica is spin een intrinsieke eigenschap van alle elementaire deeltjes. Alle bekende fermionen, de deeltjes die gewone materie vormen: protonen, neutronen, elektronen, neutrino’s en quarks hebben een spin van ½

Spin is een magnetische richting van een elementair deeltje. Het is een kwantummechanische eigenschap, die op geen enkele wijze met de klassieke mechanica is te beschrijven. Voor deeltjes is de richting van de spin een belangrijke beschrijving van het impulsmoment.

Impulsmoment (draai-impuls) is de “hoeveelheid draaiing” van een voorwerp. Impuls is de “hoeveelheid beweging”, gerelateerd aan de snelheid en de massa (in het Engels momentum).

Behoud van impulsmoment bij kunstschaatsers: Als een kunstschaatser een pirouette maakt, zie je vaak dat de draaiing wordt ingezet met wijd uitgestrekte armen. Als de schaatser de armen intrekt wordt de draaiing enorm versneld. Dat is een direct gevolg van het behoud van impulsmoment: de afstand van de armen tot het midden wordt steeds kleiner, dus de snelheid wordt groter.

Vervolg verstrengeling

Uitleg Bell-test in New Scientist Dutch article: Hanson en collega’s deden dat door te bewijzen dat twee deeltjes die 1,3 kilometer uit elkaar zaten, elkaars eigenschappen deelden. Nature News doet hier verslag van.

De onderzoekers begonnen met twee niet-verstrengelde elektronen die in diamantkristallen zaten in verschillende laboratoria op de campus van Delft, 1,3 kilometer uit elkaar. De basis van het Delftse experiment bestaat uit een paar van verstrengelde elektronen, opgesloten in de twee diamanten, die zich op een ruime kilometer afstand van elkaar bevinden. Aan het begin van het experiment zijn beide elektronen, die zich al op de ver verwijderde locaties bevinden, elk afzonderlijk in een superpositie van ‘rechtsom draaien’ en ‘linksom draaien’. De elektronen weten echter nog niets van elkaar, dus elke combinatie van spins is mogelijk. Beide elektronen zenden echter licht uit – in de vorm van lichtdeeltjes: fotonen – en dit licht bevat informatie over de draairichting van het elektron. Het zijn vervolgens de fotonen die, via ondergrondse glasvezelkabels, bij elkaar worden gebracht in het Delftse experiment.

Diamantkristallen hebben niet altijd een perfect kristalrooster van koolstofatomen….

Dit was bekent bij de onderzoekers!
V = ‘defect’ in rooster

Soms bevat dit rooster ‘ergens ineens’ een stikstofatoom, met vlak ernaast een ontbrekend koolstofstoom. Een ‘nitrogen vacancy’….een defect in een kristalrooster. Wat een val blijkt te zijn voor elektronen! Dit was dus de truc en daarom werden diamanten gebruikt! Delftse groep meet magneetvelden met diamant

Elk elektron werd individueel bestraald door een laser waardoor als reactie een foton uitgestraald werd. Beide fotonen reisden vervolgens naar een derde locatie met ’n spiegeltje. Daar werden de twee fotonen met elkaar verstrengeld – en dit zorgde ervoor dat beide partnerelektronen ook verstrengeld raakten.

Dit werkte niet elke keer. In totaal wist het team in negen dagen 245 verstrengelde elektronenparen te genereren. De metingen van het team overschreden de grens van Bell en ondersteunden opnieuw de standaard kwantumweergave. Het experiment rekende met beide mazen tegelijkertijd af: omdat de elektronen gemakkelijk te volgen waren, was de detectielus geen probleem en werden ze ver genoeg van elkaar gescheiden om ook de communicatie-mazen te sluiten. Licht doet er net geen 4,3 µs (4,3 microseconden = 4,3 miljoenste seconde) over om die afstand af te leggen. Dat is meer dan de tijd die de Delftse onderzoekers nodig hadden om de staat van de deeltjes op beide plekken te meten….licht kan niet sneller dan de lichtsnelheid…….

We hebben geen andere keus, dan gewoon te accepteren dat de kwantumfysica de materiële wereld verklaart in termen die we onmogelijk kunnen combineren met onze ervaring in de grotere, ‘klassieke’ wereld. Maar misschien is er een nóg betere, meer intuïtieve theorie in aantocht, die we nog moeten ontdekken.

Ik zou richting “Quantumfysica van het bewustzijn” kunnen opgaan: Bewustzijn uit een buisje: microtubili. Maar ik ben het eens met wat er in het artikel staat: quantumfysica speelt zich af op het allerkleinste niveau, terwijl onze hersencellen zich op een ander niveau bevinden: factor véél groter, warmer en natter…..De video van Stuart Hameroff is terug te vinden in mijn andere blog Het denkende bewustzijn.

Quantumprocessen in biologische systemen

In 1925 beschreef Schrödinger vergelijkingen, om de bewegingen van atomen, fotonen en elektronen te kunnen berekenen. In de afgelopen jaren is gebleken dat het mogelijk is van toepassing op grotere systemen en biologische processen die afhankelijk zijn van quantum effecten, zoals bij fotosynthese of bij oriëntatie en navigatie bij trekvogels.

Afbeelding toont het mechanisme van fotosynthese
Video How-quantum-biology-might-explain-lifes-biggest-questions.

Quantumbiologische aspecten in de plantenwereld

Fotosynthese
The Magical Leaf

Elke seconde straalt de zon duizenden biljoenen lichtdeeltjes uit. Zonlicht landt op het blad in quantumpakketjes: fotonen. Deze lichtdeeltjes zijn elektromagnetische golfjes met een welbepaalde energie. Allereerst komt deze energie aan bij een zogeheten ‘antenne’, ’n verzameling van honderdduizenden chloroplasten (bladgroenkorrels)

Planten hebben een plantaardige celcyclus. In plantencellen bevinden zich bladgroenkorrels of chloroplasten. Bladgroenkorrels kennen ook een membraan, de thylakoid, die is opgebouwd uit eiwitten en vetten. Hierin liggen verzamelingen van enkele honderden chlorofyl-moleculen ingebed, de zogenaamde fotosystemen, dit zijn eiwitten en moleculen die samen de energietoelevering verzorgen voor de fotosynthese. Ze functioneren als ‘antennes’, die lichtdeeltjes van de zon opvangen. Fotosystemen absorberen vooral blauw en rood licht; groen licht wordt juist verstrooid. Daarom zijn planten groen.

Als het fotosysteem een lichtdeeltje (foton) opvangt, wordt de lichtenergie overgenomen door een electron, dat daardoor in een hogere baan komt. Dit verschijnsel heet excitatie. Het electron, in deze toestand wordt daarom ook exciton genoemd. Het exciton kan door trillingen van molecuul naar molecuul springen en zo door het fotosysteem bewegen.

Thylakoïden liggen in chloroplasten als stapels munten op elkaar

De membranen van thylakoïden bevatten moleculaire complexen die gebruikt worden bij de lichtreacties van de fotosynthese. Het vangen van de lichtenergie leidt in de thylakoïden tot een aantal complexe reactieketens waaruit het organisme zelf voedingsstoffen kan vormen. Aan één zijde van de thylakoïde-membraan bevindt zich een gespecialiseerd molecuul, dat het reactiecentrum wordt genoemd. Het reactiecentrum kan het exciton binden en daardoor ontstaat een elektrische spanning over de membraan. Het fotosysteem functioneert dus als een foto-elektrische cel, die met behulp van licht een elektronenstroom genereert.

De verzameling chlorofylmoleculen die het antennecomplex vormen en het reactiecentrum.

De elektronen worden toegeleverd aan de fotosynthese reactie. Een elektron binnen deze bladgroenkorrels worden door het zonlichtdeeltje aangeslagen en in een hoger baan gezet…..

Zonlicht (UV) botst op electron, zo ontstaat licht

…..en krijgt daardoor meer energie die wordt gebruikt om door het fotosysteem heen te ‘springen’ opzoek naar een overbrugging. Dit is voor te stellen als een “doolhof van touwbruggen” die, als de exciton de weg weten te vinden, leiden tot het zogeheten ‘reactiecentrum’. In dit reactiecentrum vindt uiteindelijk een reactie plaats waardoor de energie van het foton wordt omgezet in chemische energie. Het reactiecentrum is te vergelijken met een batterij dat wordt opgeladen. De reacties zijn besproken aan het begin van dit blog (overigens is deze hele beschrijving ook terug te vinden in mijn blog over de Celcyclus).

Het overbruggingsgebied is een ware nachtmerrie, want “je moet zo snel mogelijk door het doolhof heen zien te springen”.  De sprongen nemen alle energie op uit de lichtfotonen van de zon. De antennecomplexen vangen energie van de zon op en geven deze door aan het reactiecentrum. Zo’n energiepakketje dat wordt doorgegeven wordt een exciton genoemd. Het fotoactieve molecuul dat hierbij betrokken is, is het chlorofyl = bladgroen. Het exciton combineert met en wordt aangetrokken door een elektronengat om het op te vullen. QUANTUMEFFICIËNTIE: Zoals aangeslagen atomen na korte tijd weer terugvallen naar de grondtoestand, zo doen ook chlorofylmoleculen dat. Daarbij zenden ze een foton uit met een golflengte tussen de 670 en 720 nm. Dit wordt fluorescentie genoemd. Als dit gebeurt, kan de plant deze energie dus niet gebruiken voor een fotosynthese-reactie, en dus ook niet voor andere levensprocessen. Hoe meer fluorescentie je ziet, hoe inefficiënter de energieoverdracht dus is.

Het overbruggingsgebied is een ware nachtmerrie, want het exciton (het energiepakketje) moet zo snel mogelijk door het doolhof heen zien te springen om in het reactiecentrum te komen. ik voor animatie.
Puzzel die de mobiliteit van gaten in een atoomrooster illustreert. De tegels zijn analoog aan elektronen, terwijl de ontbrekende tegel (rechter benedenhoek) analoog is aan een elektronengat.
Wanneer een elektron een heliumatoom verlaat, laat het een elektronengat achter. Hierdoor wordt het heliumatoom positief geladen. Er zal dus extreem snel een elektron ingevangen moeten worden om het atoom weer neutraal te maken.

Als het namelijk te lang duurt om het reactiecentrum te bereiken heeft het exciton te weinig tijd om op tijd te komen en is al de energie reeds opgenomen. Slechts 1 nanoseconde heeft het aangeslagen electron hier de tijd voor, dit is ’n miljardste seconde. Fotosynthese is een uiterst nauwkeurig, bijna uitgekiend biologisch quantumproces op ultra kleine schaal in ’n extreem kort tijdbestek.

Vogels oriënteren zich op aardmagnetische velden met behulp van quantumcoherentie d.w.z. dat alle deeltjes in dit systeem op één of andere manier met elkaar zijn verstrengeld.

Birds-can-navigate-earths-magnetic-field.

Het mysterie achter de manier waarop vogels navigeren, kan eindelijk worden opgelost: het is niet het ijzer in hun snavel dat een magnetisch kompas levert, maar een eiwit in hun ogen waarmee vogels de magnetische velden van de aarde kunnen ‘zien’. Het oogeiwit wordt Cry4 genoemd en het maakt deel uit van een klasse eiwitten: cryptochromen – fotoreceptoren die gevoelig zijn voor blauw licht, die zowel in planten als dieren voorkomen. Deze eiwitten spelen een rol bij het ritme van de schommeling in de biochemische, fysiologische en gedragsfuncties om zich te oriënteren door magnetische velden te detecteren, een gevoel dat magnetoreceptie wordt genoemd.

We weten dat vogels alleen magnetische velden kunnen detecteren als bepaalde golflengten van licht beschikbaar zijn – specifiek hebben onderzoeken aangetoond dat magnetische magnetoreceptie van vogels afhankelijk is van blauw licht. Dit lijkt te bevestigen dat het mechanisme visueel is, gebaseerd op de cryptochromen, die de velden mogelijk kunnen detecteren vanwege de quantumsamenhang. Bron Science Alert

Maar misschien is het meest goed bestudeerde voorbeeld van magnetoreceptie het geval van trekvogels zoals Europese roodborstjes (Erithacus rubecula), die het magnetische veld van de aarde gebruiken om hun weg te vinden tijdens migratie.

Cryptochrome and Magnetic Sensing Zéér indrukwekkend!
Bron: Home van deze Biophysics Group.
De quantum mechanische fysica van magnetische detectie is vergelijkbaar met de fysica van fotosynthese. Voor ons moeilijk te begrijpen terwijl vogels en planten dit proces al 400 miljoen jaar toepassen!

Schematische weergave van een vogel-oog afbeelding hierboven.

a. Het netvlies zet beelden van het optische systeem van het oog om in elektrische signalen die worden verzonden langs de lichtgevoelige ganglioncellen die de optische zenuw naar de hersenen vormen.

b. en c. retina-segment (netvlies-segment) en uitvergroting Retinal Layers. Het netvlies bestaat uit verschillende cellagen. De primaire signalen die ontstaan ​​in de buitenste segmenten van de staafjes en de kegeltjes worden doorgegeven aan de horizontale, de bipolaire, de amacrine en de ganglioncellen.  

d. e. f. Het primaire signaal wordt gegenereerd in het receptor-eiwit rhodopsine, schematisch weergegeven. De rhodopsine bevattende membranen vormen schijven (discs) met een dikte van ± 20 nm, die ± 20 nm ook weer van elkaar verwijderd zijn.

Het vermeende magnetisch-veld-gevoelige eiwit cryptochroom kan op een specifiek georiënteerde wijze tussen de schijven van het buitenste segment van de fotoreceptorcel worden gelokaliseerd, zoals schematisch weergegeven in paneel d. De cryptochromen (f) zouden ook op een specifiek georiënteerde wijze bevestigd kunnen zijn aan het membraan van het binnenste segment van de fotoreceptorcel (f).

Wanneer de vogel zijn kop beweegt, verandert de hoek tussen zijn kop en het magnetische veld van de aarde, het patroon van donkere vlekken zou over zijn gezichtsveld bewegen en het zou dat patroon kunnen gebruiken om zich ten opzichte van het magnetische veld te oriënteren. Bron: Cryptochrome and Magnetic Sensing

De proteïne cryptochroom (Cry) bevindt zich ook in het netvlies van de vos. Die eerst op z’n gehoor afgaat en daarna ook met de bewegingen van z’n kop het aardmagnetisch veld voelt. Op die manier ‘ziet’ de vos een prooi de magnetische veldlijnen passeren.

Trekvogels en quantummechanica | The Quantum Universe
Hierin wordt de werking van het radicaalpaarmechanisme uitgelegd dat gebaseerd is op de spins van elektronen en protonen.

Men weet nu dat het vogelkompas kan worden samengesteld tijdens een chemische reactie in het oog van de vogel, waarbij het radicaalpaarmechanisme in werking treedt, dat is gebaseerd op de spins van elektronen. Een radicaal, ook wel vrije radicaal genoemd, is een atoom dat één ongepaard elektron heeft. Een ongepaard elektron behoort niet tot een elektronenpaar en gaat daardoor gemakkelijk een binding aan. Een elektronenpaar is een paar van twee elektronen in de buitenste schil van een atoom die geen binding aangaan.

Maar het is nog niet helemáál zeker dat het radicaalpaarmechanisme in het Cryptochrome-molecule ook daadwerkelijk aan de basis ligt van hun kompas. Er zijn inmiddels wel uitgebreide computermodellen gemaakt van het gedrag van cryptochroom, en op natuurkundig niveau lijkt alles goed te werken. Gebeurt wat de computermodellen ons vertellen ook écht in het oog van vogels? Daarnaar wordt op dit moment nog uitgebreid onderzoek gedaan.

Deze onzekerheid voldoet dus trefzeker aan de strenge regels van de quantummechanica en de quantumfysica op het allerkleinste niveau van atomaire en subatomaire deeltjes. Diezelfde regels en wetten bepalen ook, dat het quantummechanisme alleen kan plaatsvinden bij de allerlaagste temperatuur van 0° Kelvin, dit is – 273,15°C. Bij die extreem lage temperatuur staan de atomen namelijk zo goed als stil, en zou je in principe precies kunnen weten waar de subatomaire deeltjes zijn, hoe “snel” ze bewegen en waar ze naartoe gaan.

Deze wonderlijke quantumwereld maakt het ook mogelijk een sprong vooruit te maken: Waar houdt de quantumwereld op en begint de wereld die wij kunnen zien, horen en voelen.

De-wondere-wereld-van-kwantummechanica-leo-kouwenhoven-spinoza-te-paard.

TU Delft: Quantumfysica op macroscopische schaal
Megamolecuul-van-2-000-atomen-is-op-twee-plekken-tegelijkertijd
Deze quantummechanische eigenschap is nog nooit eerder bij zulke grote objecten waargenomen.

Symmetrie en Symmetriebreking

Inhoudsopgave

M.C. Escher en het Alhambra van Granada in Zuid-Spanje Symmetrietransformaties Symmetriegroep Symmetriebreking Magnetisme Spontane Symmetriebreking Higgsdeeltjes Ontstaan van licht Een absoluut vacuüm bestaat niet CP-schending wel Elementaire deeltjes en antideeltjes Asymmetrie tussen materie en antimaterie Radioactief verval

Symmetrie

Voor de meesten is symmetrie iets wat meteen opvalt. Onze hersenen zijn namelijk goed in het herkennen van patronen, en we kunnen snel zien wanneer iets symmetrisch is of niet. Bron afbeelding Zoda Przygoda Mahanna.

Symmetrie gaat over invarianten, over wat onveranderd blijft na verschuiving, draaiing of spiegeling van een figuur of object. Je verschuift, draait of spiegelt een object en je ziet geen verschil. Het is een transformatie, die het object op zichzelf invariant laat en daarbij isometrisch de afstanden behoudt. Om symmetrie van figuren te bestuderen, is kennis over meetkundige-transformaties nodig.

  • Invariantie onder een bepaalde verschuiving: translatiesymmetrie, wanneer het in een bepaalde richting verschoven wordt
  • Invariantie onder een bepaalde draaiing: draaisymmetrie,  als een object na draaiing over een bepaalde hoek identiek blijft.
  • Invariantie onder een bepaalde spiegeling: spiegelsymmetrie, een figuur die van zijn gespiegeld beeld niet te onderscheiden is. Het is de meest gebruikelijke soort symmetrie.
  • Invariantie onder een combinatie van translatie- en spiegelsymmetrie: glijspiegeling. De oriëntatie wordt dus verwisseld. Oriëntatie wordt ook wel (rechts- of links)handigheid of chiraliteit genoemd van een geordende basis: een soort van asymmetrie, die het onmogelijk maakt om een spiegeling te repliceren door een enkelvoudige rotatie. Alle basissen zijn asymmetrisch en hebben twee mogelijke oriëntaties, net zoals de rechter- en linkerhand van het menselijk lichaam. In het driedimensionale platte vlak worden de twee mogelijke basisoriëntaties rechtshandig en linkshandig genoemd.
Links wordt de linkshandige- en rechts de rechtshandige oriëntatie in het platte vlak (de Euclidische ruimte) weergegeven.

Een korte wiskundige benadering van symmetrie

In de wiskunde kent symmetrie een meer abstractere benadering: om te verwijzen naar een object dat onder bepaalde transformaties onveranderd blijft. Een transformatie is een partiëlefunctie f die een set X aan zichzelf toewijst, d.w.z. f : X → X. Partiële functie

Let op: bepaalde terminologie heeft een wiskundige betekenis. Wikipedia is hierin een doolhof, dus ik omschrijf zo veel mogelijk termen.

  • Een functie geeft de afhankelijkheid aan van één element met betrekking tot een ander element oftewel een afhankelijk verband tussen bepaalde elementen. Een functie f  is een relatie tussen twee verzamelingen X en Y met de eigenschap dat aan ieder element x  uit X precies één element  y uit Y is gekoppeld. Meestal wordt het begrip gebruikt in de context waarin deze elementen getallen zijn d.w.z. aanduidingen voor ’n bepaalde hoeveelheid. 
  • Een element is een onderdeel van een verzameling. Alle elementen samen vormen de verzameling.
  • Een set een goed gedefinieerde verzameling van verschillende objecten, beschouwd als een (wiskundig) object op zichzelf.
  • Afbeelding: in de wiskunde is het begrip afbeelding de verzamelingtheoretische interpretatie van het begrip functie (de afhankelijkheid aan van één element met betrekking tot een ander element)
  • Verzameling: is een collectie van verschillende elementen

Een object of een figuur dat niet door een bepaalde verschuiving of spiegeling op zichzelf kan worden afgebeeld, wordt dat mogelijk wél door de combinatie ervan, zoals bij isometrie in de euclidische ruimte (de vlakke ruimte die niet is gekromd).

Een isometrie of isometrische afbeelding is een functie (afhankelijke verband) die twee metrische ruimten (een verzameling) op elkaar afbeeldt en die daarbij de afstanden bewaart.

Een wiskundig object is een abstract object dat ontstaat in de wiskunde. Voorbeelden van wiskundige objecten zijn o.a. getallen, verzamelingen, functies en bepaalde verbanden (relaties). De meetkunde kent ook wiskundige objecten, zoals punten, lijnen, driehoeken, veelvlakken, cirkels, bollen en variëteiten.

In de gehele Arabische wereld, vanaf Marokko, langs geheel noordelijk Afrika, via Turkije tot in Iran en zelfs India, is ornamentale kunst overvloedig aanwezig: sierlijk gekalligrafeerde Arabische teksten, rijkelijk bewerkte plafonds en mozaïekvloeren en intrigerende veelkleurige wandversieringen in de vorm van regelmatige patronen. Deze ornamentale kunst is ook terug te vinden in Zuid-Spanje, Andalusië om precies te zijn, en de Mezquita, de kathedraal van Córdoba. In het jaar 711 waren namelijk de Moren, Noord-Afrikaanse berbers, het Iberische schiereiland binnen gevallen, vandaar de verspreiding van deze ornamentale kunst.

Het Alhambra, het rode Paleis in Andalusië.
granadas-alhambra-palace.

M.C. Escher

De Nederlandse kunstenaar M.C. Escher is bekend om zijn vlakke geometrische patronen en ruimtelijke onmogelijke bouwconstructies. Zijn grafisch werk maakte hem wereldbekend, maar de invloed van islamitische kunst op zijn werk is maar bij weinig personen bekend.

Eshers fascinatie voor vlakverdelingen in de islamitische kunst ontstond tijdens twee reizen naar Zuid-Spanje, in 1922 en 1936, waar hij het Alhambra van Granada en de Mezquita van Córdoba bezocht. De eindeloze herhalingen en regelmaat waarmee patronen gehele vlakken vullen, intrigeerden hem. Al snel maakte hij patronen met herkenbare dierenfiguren met de unieke veranderingen in de kunstwerken. Ook verdiepte hij zich in wiskundige benaderingen naar patroonvorming.

Hoe komt het dat deze abstracte kunstvorm zich juist in noordelijk Afrika, Egypte, Turkije en het oude Perzische rijk had ontwikkeld? De verspreiding van de islam over deze gebieden speelde hierbij een cruciale rol. Omdat deze religie afbeeldingen van mensen en dieren op religieuze gebouwen niet toestaat, werd gezocht naar andere vormen van decoratie. Maar er was ook nog iets anders waardoor het ontwerpen van geometrische patronen gestimuleerd werd.

In de culturele centra van de islamitische regio bloeide de wetenschap tijdens de middeleeuwen. Niet alleen de theologie en geneeskunde, maar ook astronomie, meetkunde en algebra ontwikkelden zich sterk. Er werden bijeenkomsten georganiseerd tussen wiskundigen en mozaïekontwerpers. Tijdens deze bijeenkomsten werden meetkundige problemen besproken. De ontwerpers gebruikten de informatie die ze kregen van de wiskundigen om nog mooiere patronen te ontwerpen.

Het ontstaan van de prachtige mozaïeken is dus te danken aan de samenwerking tussen ontwerpers en wiskundigen. Verder wijzen velen op het idee dat men juist met de abstracte, meetkundige ontwerpen wilde verwijzen naar de wijsheid en grootsheid van Allah. Zoals in het westen alle wijsheid toebedeeld werd aan God en in de oosterse religie aan Boeddha.

Wat bij die patronen vooral opvalt is de eindeloze variatie in de keuze van de motieven en kleuren. Maar ook de aard van de symmetrieën vertoont allerlei variaties. Je ziet vierkanten, zeshoeken, stervormige achthoeken, twaalfhoeken, zestienhoeken en allerlei andere motieven die kunstig ineen gevlochten zijn en zich tot aan de randen toe steeds weer blijven herhalen.

Sommige motieven zijn spiegelsymmetrisch

Andere vertonen draaiingsymmetrie en als je zulke patronen met wiskundige ogen bekijkt, zie je abstracte onderliggende structuren van symmetrietransformaties. Zoals bij alle abstracties, ontzie je de werkelijkheid: je dringt de specifieke vormen van de motieven in het patroon naar de achtergrond, en concentreert je op de rotaties en spiegelingen die het patroon als geheel in zichzelf overvoeren. Wanneer de motieven van een patroon zich in een of meer richtingen herhalen, zal de wiskundige het patroon in gedachten onbeperkt periodiek voortzetten, ook al is het in werkelijkheid begrensd. We denken ons in dat die begrenzing een soort ‘venster’ vormt waarachter het patroon zich onbeperkt voortzet. In dat geval heeft dat onbegrensde patroon ook translaties (verschuivingen) als symmetrieën.

Het is vrijwel zeker dat men destijds mozaïeken ontwierp door één of een paar zogenaamde cellen te tekenen met behulp van pen, passer en liniaal. Hierdoor ontstonden bepaalde patronen.

Een ‘cel’ is ’n deel van een mozaïek waarmee, samen met zijn spiegelbeeld, het gehele mozaïek opgebouwd kan worden. Als je van een cel en zijn spiegelbeeld stempels zou maken, dan zou je een compleet mozaïek kunnen stempelen! Meestal liggen de randen van een cel op symmetrieassen van het gehele mozaïek. Een cel is vaak vierkant of wat gebogen, maar kan ook een rechthoekige vorm hebben.

We zien hier een samenstelling van cirkels en sterpatronen binnen een rechthoekige begrenzing. Wanneer we dit samenspel in gedachten naar alle kanten onbeperkt voortzetten, zijn er tal van translaties (verschuivingen) die het patroon in zichzelf vermeerderen.

Ook onder een rotatie over 120° rond het middelpunt van zo’n samenstelling, gaat het patroon als geheel in zichzelf over. Er zijn verder rotaties over 180° en over 60° die het patroon in zichzelf vermeerderen. Zulke translaties en rotaties noemen we symmetrieën van het patroon. Ze brengen een groep voort, de symmetriegroep van het patroon. Alle transformaties die een zelfde figuur invariant (onveranderd) laten, horen samen. Ze vormen een groep. Als je ze omkeert of met elkaar samenstelt, blijf je altijd in die groep. Ook het begrip groep is één van de sleutelbegrippen van de wis- en natuurkunde.

Symmetriegroep

Definitie symmetriegroep:
De verzameling van alle symmetrieën van een bepaalde figuur wordt de symmetriegroep van die figuur genoemd.

De symmetriegroep van een object in één, twee of drie dimensies is de groep verzamelingen van al zijn mogelijke symmetrieën. In de wiskunde is een groep ’n bepaalde algebraïsche structuur (verzameling), waarop een of meer bewerkingen (operaties) gedefinieerd zijn die aan bepaalde wetmatigheden voldoen. Met andere woorden: een groep bestaat uit een verzameling (bijvoorbeeld G) en een operatie (groepsbewerking) die altijd op twee elementen van G werkt

Een verzameling G is een collectie van verschillende objecten, elementen (onderdelen ván die verzameling) genoemd, die zelf als een wiskundig object wordt beschouwd.

De doorsnede van de verzamelingen A en B wordt genoteerd als A B

Een operatie: In de simpelste vorm van zijn betekenis staat de term operatie of bewerking in de wiskunde en de logica voor een actie of procedure die uit een of meer invoerwaarden een nieuwe waarde produceert. Voorbeelden van operatie:machtsverheffen, plus-, min-, deel- en maalteken.

Symmetriebreking

Symmetriebreking kan worden onderscheiden in twee soorten, expliciete symmetriebreking en spontane symmetriebreking, gekenmerkt door het feit of de grondtoestand niet invariant (onveranderlijk) is. Als een symmetrie expliciet gebroken wordt is er geen enkele symmetrie meer. Spontane symmetriebreking is wat subtieler, het betekent niet dat de symmetrie helemaal verdwenen is, maar dat alleen in bepaalde toestanden, zoals het vacuüm, de symmetrie gebroken is. Grondtoestand is de laagst mogelijke energie toestand. De energie van de grondtoestand is bekend als nulpunt-energie van het systeem. Een aangeslagen toestand is een staat waar de energie groter is dan in de grondtoestand. In het quantumveld wordt de grondtoestand gewoonlijk het vacuüm genoemd.

Expliciete symmetriebreking.
Een natrium atoom in keukenzout (NaCl) verspringt van plaats en breekt zo de symmetrie van het kristal. Bron: Quantum Universe

Spontane symmetriebreking komt veelvuldig voor in de natuur en vormt o.a. de verklaring voor het Higgs-deeltje! 

Voorbeeld van een spontane symmetriebreking. Een potlood op zijn punt laten balanceren.

Het principe van spontane symmetriebreking is gemakkelijk te begrijpen door een scherp potlood te nemen, en te proberen dit op zijn punt te balanceren. Als je een mooi rond potlood hebt, dat symmetrisch is omdat het er van alle kanten hetzelfde uitziet, zou het in principe mogelijk moeten zijn om het potlood rechtop op zijn punt te laten staan. Het zou daarbij in principe niet uit moeten maken hoe scherp het potlood is. Maar een potlood kun je onmogelijk op zijn punt laten balanceren, dus het potlood zal spontaan omvallen.

De symmetrie wordt daarbij spontaan gebroken, en het potlood valt slechts één wél bepaalde kant op. Bij objecten die bestaan uit miljarden quantumdeeltjes, kunnen spontaan symmetrieën breken. Dit is ook de reden dat een magneet een noord- en een zuidpool kan hebben.

Het in het dagelijks leven meest bekende, en misschien wel meest voorkomende, voorbeeld van spontane symmetriebreking is de faseovergang van water van vloeibare naar vaste toestand. De ongeordende toestand van vloeibaar water heeft hier een continue translatiesymmetrie: in welke richting je ook kijkt, het is in alle richtingen ongeordend symmetrisch. We gaan echter naar een toestand waarbij deze symmetrie niet meer bestaat. Vloeibaar water is homogeen, wat betekent dat het in alle richtingen en op alle plekken hetzelfde is. Het ene molecuul is in deze toestand niet van het andere molecuul te onderscheiden. Bij ijs is het echter zo dat de moleculen in een vast rooster terechtkomen waardoor we opeens wel moleculen zouden kunnen onderscheiden; ijs is niet meer homogeen. Door het rooster van de ijskristallen maakt het opeens wel uit in welke richting je kijkt. De oneindig symmetrische toestand gaat dus verloren, oftewel de symmetrie is gebroken. Dit is een simpele schets van een voorbeeld van symmetriebreking in het dagelijks leven.

Magnetisme

We gaan nu kijken naar een ander voorbeeld van symmetriebreking, die optreedt bij ferromagnetisme, een verschijnsel waarvan het resulterende effect veel in het dagelijks leven wordt gebruikt, maar de symmetriebreking zelf is niet zo zichtbaar als bij het bevriezen van water. Een ferromagneet kun je beschrijven met behulp van magnetische dipooltjes die de spins van de ongepaarde elektronen in het metaal representeren. In principe kunnen deze dipooltjes in iedere willekeurige richting wijzen en bij een voldoende hoge temperatuur doen ze dit ook. Het metaal is in dat geval niet gemagnetiseerd, omdat alle dipooltjes in een andere richting wijzen, er is dus geen resulterend magnetisch veld.

Dit is overigens ook de reden dat een magneet een noord- en een zuidpool kan hebben.

Bij ferromagnetische materialen kunnen onder invloed van temperatuursveranderingen magnetische eigenschappen verdwijnen en weer terugkomen. Wanneer ferromagnetisch materiaal een temperatuur aanneemt die boven een bepaalde kritische waarde ligt, de Curie-temperatuur ( 770 °C en vernoemd naar de Franse natuurkundige Pierre Curie), dan houdt dat materiaal op magnetisch te zijn. Beneden deze temperatuur neemt bij het dalen van de temperatuur de omvang van de magnetisatie toe. Het fenomeen ferromagnetisme is een quantum effect dat niet beschreven kan worden door de klassieke fysica.

Hier volgt tóch een korte beschrijving van het fenomeen ferromagnetisme in relatie tot symmetriebrekingen:

Bij een bepaalde temperatuur is de oriëntatie van de weissgebiedjes willekeurig en symmetrisch verdeeld, in dit geval wil dat zeggen: invariant. De neiging van de verzamelingen atomen om zich in een specifieke richting te oriënteren wordt onderdrukt door de sterke thermische bewegingen.

Wanneer een extern magnetisch veld in de buurt is, komt er een specifieke oriëntatie van deze gebiedjes opgang, die verantwoordelijk is voor het ontstaan van een noord- en een zuidpool. Het is dus een asymmetrische situatie in een magneet, m.a.w. de symmetrie is gebroken!!!

Ferromagneten blijven gemagnetiseerd nadat ze bloot zijn gesteld aan een extern magnetisch veld. Wanneer een object magnetisch is, zijn vrijwel alle atomen waaruit het object is opgebouwd in een bepaalde richting georiënteerd. Feitelijk zijn er in een ferromagnetisch object magnetische domeinen of magnetische gebieden aanwezig als gevolg van de aanwezigheid van verzamelingen atomen met een zekere oriëntatie.

Uitleg van dit kwantummechanisch proces.
Als het ferromagnetische materiaal niet gemagnetiseerd is, zijn de weissgebiedjes willekeurig gericht en netto is er geen magnetische werking , dus is er sprake van ’n zekere symmetrie. Gebieden van Weiss zijn microscopisch kleine gemagnetiseerde gebiedjes in kristallen van magnetische materialen. Ferromagnetisme treedt op in materialen die ongepaarde spins bevatten waartussen een wisselwerking bestaat die ertoe leidt dat de atomaire magnetische momenten zich evenwijdig aan elkaar richten.
Dit leidt tot spontane of permanente magnetische velden rond een voorwerp dat uit een ferromagnetisch materiaal vervaardigd is. Wanneer ferromagnetisch materiaal permanent magnetisch blijft, wordt gesproken van remanentie.
Natuurkunde.nl – waarom is ijzer wél magnetiseerbaar?
Kwantummechanisch goed te begrijpen, wiskundig heel ingewikkeld.
Verklaring Weissgebiedjes-magneten

Bij een verdere verhoging van de temperatuur, boven de 770 °C, verliest een magneet zijn magnetische krachtwerking en verdwijnt het onderscheid tussen de noord- en de zuidpool. De willekeur in de oriëntatie van de atomen kan ook verloren gaan door het opgewarmde object weer te laten afkoelen. Bij het afkoelen neemt de intensiteit van de thermische bewegingen af. De thermische bewegingen werken de ordening van de domeinen steeds minder tegen. Ze vormen een steeds kleinere belemmering om de quantummechanische banden tussen de elektronenspins te herstellen. Er zal een einde komen aan de willekeurige of symmetrische verdeeldheid van de oriëntatie van de verzamelingen atomen. De omvang van de magnetisatie is een dalende functie van de temperatuur.

De bron van magnetisme is een elektrische stroom, dat wil zeggen lading die zich in een bepaalde richting beweegt. In magnetische materialen komt de magnetische krachtwerking tot stand door negatieve elektronen die rond de positieve kern van een atoom in een bepaalde richting draaien. Daarnaast brengt het ‘rondtollen’ van het elektron rond zijn eigen as ook een magnetisch veld met zich mee.

Spontane Symmetriebreking komt veelvuldig voor en vormt ook de verklaring voor de Higgsdeeltjes in het Higgsveld.

Mijn voorstelling van het Higgsveld dat ’t hele universum vult, waarin Higgsdeeltjes massa overdragen aan andere elementaire deeltjes die er doorheen bewegen.
De afbeelding leende ik van Pixabay.

Zodra we aannemen dat quantumdeeltjes bestaan uit golven, en niet uit puntdeeltjes, blijken veel van hetgeen we in eerste instantie raar en paradoxaal vinden, eigenlijk heel gewoon te zijn. Hetzelfde geldt voor het Higgsveld dat alom in het universum aanwezig is.

Higgsdeeltjes (Higgsbosonen) zijn ‘als klontjes in een dikke soep’, het Higgsveld, waar alle elementaire deeltjes zoals elektronen en quarks doorheen bewegen. Hoe meer Higgsdeeltjes er aan een deeltje ‘blijven plakken’, hoe moeilijker het beweegt en hoe meer massa het deeltje krijgt dat erdoorheen beweegt. Hoe sterker de interactie met de Higgsdeeltjes, hoe trager de deeltjes, m.a.w. hoe zwaarder ze zijn. Overigens, lichtdeeltjes/lichtgolfjes (fotonen) merken niks van het Higgsveld en hebben geen interactie met Higgsdeeltjes.

Het is voor te stellen, dat het voor de deeltjes het gevoel is, alsof ze onderwater bewegen en het omringende water een stroperige omgeving wordt, waardoor het bewegen vertraagt.

Het quantumveld heeft een “voorkeur” voor symmetrie waarin alle massa’s nul zijn, net als die van het foton. IJkdeeltjes met massa (deeltjes die een bepaalde kracht overdragen, zoals een foton de elektromagnetische kracht overdraagt) zijn uitgesloten van symmetriebreking’, maar ook hier kunnen wiskundige oplossingen geconstrueerd worden waarin de symmetrie toch gebroken is en de deeltjes wél massa hebben!

Yōichirō Nambu een Japans Amerikaans natuurkundige, één van de grondleggers van de snaartheorie, bedacht de kleurlading van quarks en deed pionierswerk op het gebied van de spontane symmetriebreking.

Nambu bracht het concept van spontane symmetrie naar voren. Hij kwam op dit idee terwijl hij de theorie van supergeleiding probeerde te begrijpen: proef-supergeleiding een magneet kan blijven zweven. Supergeleiding is een quantummechanische racebaan, ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes in 1911. Elektronen in een supergeleidend materiaal bewegen zo effectief dat ze geen weerstand voelen, met als gevolg dat er ook geen vermogen verloren gaat. Bovendien zijn ze ook niet meer te stoppen: ze zouden jarenlang door blijven bewegen.

Het was Nambu in 1959, en onafhankelijk Philip Anderson iets eerder in 1958, die begreep wat er aan de hand was. Ze beseften dat, in afwezigheid van elektromagnetische interacties, de supergeleidende toestand de symmetrie spontaan verbrak. Het is een symmetrie geassocieerd met het feit dat elektrische lading behouden is. Deze symmetrie is anders dan de rotatiesymmetrie die spontaan wordt verbroken in magneten of kristallen. Nobelprijswinnaar Yoichiro Nambu. Wat deed hij precies …

Van symmetrie naar deeltjes

Nambu-Goldstonebosonen zijn massaloze deeltjes die ontstaan als een continue symmetrie spontaan gebroken wordt. We beginnen met het concept ‘continue symmetrie’: bijvoorbeeld  translaties (verschuivingen): bij een oneindig lang touw is er geen verschil tussen het rechte touw zoals wij dat hebben neergelegd, en het touw nadat eraan getrokken is (een translatie): het maakt niet uit hoeveel er precies aan het touw getrokken wordt, alle translaties laten de toestand (het touw als geheel) ‘invariant’. 

Zo’n translatiesymmetrie is ook aanwezig in bijvoorbeeld vloeistoffen. In het linker plaatje van de afbeelding zien we een vloeistof: de moleculen bewegen vrijelijk door elkaar heen in willekeurige richtingen: er is een volledige continue translatiesymmetrie. Als we met een microscoop naar deze vloeistof kijken, en de vloeistof in willekeurig welke richting willekeurig veel opschuiven onder de microscoop, dan zien we nog steeds eenzelfde, ongeordende toestand.

Na het balancerend en vallend potlood nog een voorbeeld van spontane symmetriebreking.
Fase-overgang naar een kristal.
In de rechter toestand is de continue translatiesymmetrie ‘spontaan’ gebroken.

Stel nu dat we de vloeistof afkoelen. Onder een zekere temperatuur zal die stollen en een kristalstructuur aannemen. Deze faseovergang is te zien in de afbeelding.

De grondtoestand, de toestand met de laagste energie, in dit geval de kristal-toestand aan de rechter kant, is niet meer invariant onder alle translaties, maar alleen nog onder discrete translaties. De linker toestand in de afbeelding is natuurlijk ook niet exact invariant onder translaties, maar alle meetbare natuurkundige eigenschappen van de vloeistof die daar is afgebeeld zijn dat wel. Het gaat erom dat een grondtoestand niet langer invariant is onder de (volledige) symmetrie. 

Nambu realiseerde zich dat de eigenschappen van de grondtoestand belangrijk zijn bij het bestuderen van spontane symmetriebreking. Bij de faseovergang naar een kristal was de grondtoestand bijvoorbeeld niet meer invariant onder continue translaties, maar wel nog onder discrete, beperkte translaties.

Een dergelijke symmetriebreking leidt volgens Goldstone en Nambu tot het bestaan van massaloze deeltjes (of quasideeltjes), de Nambu-Goldstonebosonen……

…….die je kunt zien als excitaties (tijdelijk verhuizen) van de grondtoestand, zoals de excitatie van een elektron en licht wordt uitgezonden.

Ontstaan van licht

Excitatie van een elektron door opname van de energie van een foton
Door excitatie ontstaat licht.

Licht ontstaat doordat atomen aangeslagen worden. In het simpelste geval, bij een waterstofatoom, gaat dit als volgt: Het enkele elektron van het waterstofatoom cirkelt in een baan dicht om de kern (1). Als het atoom botst met een vrij bewegend elektron, in dit geval afkomstig van een magnetische storm van de zon (2 en 3), dan schiet het elektron van het waterstofatoom in een hogere baan rondom de kern: het atoom is aangeslagen (4). De energie die bij de botsing wordt overgedragen bepaalt in welke baan het elektron schiet; hoe meer energieoverdracht, hoe hoger de baan.
De aangeslagen toestand duurt zeer kort, in de orde van een honderdmiljoenste seconde. Het atoom ‘valt’ daarna terug naar de grondtoestand. De energie die vrijkomt bij dit terugvallen wordt uitgezonden in de vorm van een foton, een lichtdeeltje (5). De golflengte van dit licht (en dus de kleur) is afhankelijk van de hoeveelheid energie die vrijkomt. Hoe meer energie, hoe korter de golflengte van het uitgezonden licht.

In het geval van ons kristal zijn die trillingen de zogeheten fononen: trillingen in de uitwijking van de deeltjes in het kristal, die zich als golven verplaatsen (en daarmee overigens verantwoordelijk zijn voor het doorgeven van geluid). Als zo’n golf gelokaliseerd is rond een bepaalde plek gedraagt die zich als een deeltje, maar wel een deeltje ‘zonder traagheid’ –  zonder massa, dus.

Fononen zijn collectieve uitwijkingen van moleculen die zich als golven door een kristal kunnen verplaatsen.

De Goldstone-Nambu-theorie voorspelt ook hoeveel types van dit soort deeltjes er ontstaan. Dat heeft te maken met het verschil tussen de oorspronkelijke symmetrie, en de symmetrie die na breking overblijft. Dat is nogal een wiskundig verhaal, maar met nog een voorbeeld komen we een heel eind. Denk daarvoor aan een ferromagneet: een materiaal dat zelf geen magneetveld opwekt, maar wel reageert op een extern magneetveld – het bekendste voorbeeld is waarschijnlijk ijzer.

Kompasnaaldjes van ijzer reageren op een extern magneetveld.

De Britse fysicus Jeffrey Goldstone, toonde aan dat in een dergelijk geval van symmetriebreking meestal extra deeltjes in de theorie voorkwamen, en dat die deeltjes vervolgens wél weer massaloos waren… het probleem van de (ontbrekende) massa kwam via een achterdeur dus weer terug. Goldstone onderzocht de ‘continue symmetriebrekingen’, de continue kleine vervormingen d.w.z. dat de grondtoestand niet onveranderlijk blijft. Grondtoestand is, zoals gezegd, de laagst mogelijke energie toestand. De energie van de grondtoestand is bekend als nulpunt-energie van het systeem. Uitleg: Volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg is de onzekerheid in plaats en impuls altijd groter dan een bepaalde waarde. Er blijft dus altijd een bepaalde onzekerheid over in zowel plaats als impuls. Een aangeslagen toestand is een staat waar die groter is dan de grondtoestand. In het quantumveld wordt de grondtoestand gewoonlijk het vacuüm genoemd.

Een absoluut vacuüm bestaat niet

Het Zwangere Niets – For the Joy of Science
Het vacuüm bestaat uit kwantumfluctuaties die korter duren dan de kleinste eenheid van tijd en daardoor geen tijd kennen en ook geen ruimte.

Volgens de quantumtheorie kan een absoluut vacuüm, in de zin van een ruimte zonder deeltjes, theoretisch niet bestaan. Het vacuüm, dat wordt gedefinieerd als de toestand met de laagste energie, bevat een veelheid aan virtuele deeltjes, die onder meer verantwoordelijk zijn voor het Casimir-effect en het Higgsveld. Virtual Particles Can Have Real, Observable Effects // Licht uit het niets: Dynamisch Casimir-effect aangetoond – Visionair

Door een nieuw vacuüm te creëren omschrijft het Higgs-mechanisme exact datgene wat ‘spontane symmetriebreking’ wordt genoemd. Deeltjes krijgen via dit mechanisme massa, proportioneel aan de vacuümwaarde van het Higgsveld.

In dat geval verschijnen noodzakelijkerwijs nieuwe massaloze deeltjes in het spectrum van mogelijke excitaties, of lichte deeltjes als de symmetrie niet exact is. Het voorspelde deeltje bleek een boson met spin nul, wat betekent dat het geen richting heeft, geen snelheid kan hebben en dat de effecten van het Higgsveld niet afhangen van plaats of snelheid.

De artikelen uit 1964 vonden de mazen in het door Goldstone opgespannen wiskundige net, en beschreven hoe ijkdeeltjes (bosonen) tóch spontane symmetriebreking konden vertonen, zonder dat de extra deeltjes zelf weer massaloos zouden zijn. Een mooie prestatie, die natuurlijk extra glans kreeg toen bleek dat de natuur ook daadwerkelijk van deze mogelijkheid gebruik maakt.

Dat werd volledig duidelijk in 2012, toen op het CERN het deeltje werkelijk werd ontdekt – het door Nambu en Goldstone en Englert en Brout en Higgs voorspelde deeltje – dat inderdaad verre van massaloos was: dit “nieuwe” maar eigenlijk oeroude deeltje is zelfs één van de zwaarste elementaire deeltjes die we op dit moment kennen!

Aan Peter Higgs kwam de eer toe dat dit deeltje én het hele veld aan zijn naam verbonden werd.
Higgs-boson-discovery-wins-nobel-prize-for-physics

Het standaardmodel en het Higgsboson (Higgsdeeltje)

Door te kijken naar de symmetrieën die in de natuur aanwezig zijn, kan op een relatief eenvoudige manier het gedrag van deeltjes worden beschreven. Het standaardmodel beschrijft drie van de vier fundamentele krachten:

  • De sterke wisselwerking (die ervoor zorgt dat atomen bij elkaar blijven)
  • De zwakke wisselwerking (verantwoordelijk voor radioactiviteit) 
  • De elektromagnetische wisselwerking (beschrijving van licht en lading).

De enige kracht die ontbreekt is de zwaartekracht, omdat het nog niemand gelukt is om ook de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die het effect van massa’s op ruimte-tijd beschrijft, en de Quantumtheorie te verenigen in een toetsbare wetenschappelijke theorie: de theorie ‘van alles’.

  • In het Standaard Model worden de symmetrieën van de natuur verklaard door ze om te zetten in vergelijkingen van vrije deeltjes zonder massa’s en zonder interacties.
  • De strategie van het Standaard Model is om vervolgens, om alles wat er gebeurt wat “verboden is”. wat volgens ‘de standaardregels niet kan of niet mag geschonden worden’ te beschrijven als een kleine verstoring van de situatie…….

Een andere schending is de CP-schending.

CP-schending (Charge and Parity violation)

CP-schending op quantumniveau bewerkstelligt ’n omkering van de ruimte-assen en maakt door een ladings-omkering, van een deeltje z’n antideeltje.

Het eenvoudigst uitgelegd wil het zeggen, dat materie zich anders gedraagt dan antimaterie.   Normaal zou je verwachten dat lading en ‘draairichting’ (pariteit) altijd hetzelfde zijn, zich ’t zelfde gedragen en behouden blijven, ook bij omkering.

De schending van CP symmetrie speelt een essentiële rol in de verklaring waarom na de inflatie van het heelal (beter bekent als de “oerknal”) wel materie is overgebleven en geen anti-materie.

Elementaire deeltjes en antideeltjes

CP-schending was de allereerste elementair bewuste symmetriebreking: ieder deeltje dat gevormd wordt krijgt tegelijkertijd een antideeltje. Dat antideeltje is precies hetzelfde als het deeltje, behalve dat het een tegengestelde lading heeft.

Als een deeltje en zijn antideeltje elkaar tegenkomen heffen ze elkaar op: annihilatie, hierbij komt energie vrij.

Maar met die symmetrie duikt één van de grootste problemen uit de kosmologie op. Tijdens het ontstaan van het heelal moet immers alle nu bestaande materie gevormd zijn, uit energie. Maar als dat zo is, waarom is er dan niet evenveel materie als antimaterie in het heelal? Sterker nog: waarom hebben alle nieuw gevormde materie- en antimateriedeeltjes elkaar niet geheel geannihileerd? Als deze deeltjes elkaar tegenkomen, op elkaar bosten, vernietigen ze elkaar onder uitzending van ’n lichtflits.

Blijkbaar is er een onderliggende regel bij de interactie tussen deeltjes die ervoor zorgt dat materie en antimaterie toch niet precies elkaars tegengestelde zijn. Vandaar dat wetenschappers de praktische weg hebben gekozen om het verstoorde evenwicht te leren begrijpen: net zolang experimenteren totdat de verschillen tussen materie en antimaterie zich laten zien.

Wanneer CP-symmetrie in bepaalde deeltjes geschonden wordt, blijven die ’n fractie van een miljoenste seconde langer bestaan.

Wetenschappers van het Fermilab lieten in hun deeltjesversneller, protonen en antiprotonen op elkaar botsen. Bij die botsingen komen, naast energie, zoals hierboven beschreven, ook nieuwe deeltjes vrij. In dit geval waren die deeltjes muonen, een soort extra zware elektronen.

Je zou verwachten dat er bij de botsingen even vaak muonen als hun antideeltjes, de antimuonen, gemaakt worden. Dat is de enige manier waarop de energie van de botsing behouden kan blijven. Maar na heel lang en nauwkeurig meten kwamen de onderzoekers erachter dat er toch écht meer muonen dan antimuonen ontstaan. Aan het einde van het experiment was er zelfs 1% meer materie dan antimaterie gevormd. Een klein verschil, zou je zeggen, maar als je er maar lang genoeg mee doorgaat raakt zo alle antimaterie op!

Asymmetrie tussen materie en antimaterie

Deze asymmetrie tussen materie en antimaterie is dus aangetoond, maar waar het effect vandaan komt blijft onduidelijk. De belangrijkste theorie die de voorkeur van het heelal voor materie probeert te verklaren werd door Andrei Sakharov ontwikkeld. Deze theorie, CP schending, gaat er vanuit dat deeltjes waarvan de spin (pariteit / richting) en lading wordt omgedraaid nét iets meer veranderen dan dat je op die basis zou verwachten.

Toch is de theorie niet genoeg om alles te kunnen verklaren: de voorkeur van het heelal voor materie is namelijk veel groter dan zijn theorie uitlegt. De wetenschappers wijzen daarom op een ander mechanisme dat voor de eigenaardige vondst verantwoordelijk kan zijn!

Bij een proton-antiprotonbotsing worden namelijk niet onmiddelijk muonen gevormd. Daarvóór ontstaan er namelijk andere deeltjes: B-mesonen. Vreemde, zware samengestelde deeltjes, die bestaan uit een ‘bodem’ antiquark en een ‘vreemd’ quark en die voortdurend heen en weer oscilleren (schommelen)  tussen z’n materie en antimaterie staat van zijn! Deze deeltjes zijn berucht om hun vreemde gedrag: ze veranderen aan de lopende band van materie naar antimaterie en terug.

Maar, nu komt het:

Het is voor B-mesonen iets makkelijker van anti-B-meson naar B-meson om te schakelen dan andersom. Vandaar dat ze zich gemiddeld iets langer als materie gedragen dan antimaterie, en dus ook iets vaker naar gewone muonen dan naar antimuonen vervallen. Die B-mesonen moeten ook in de eerste momenten na de inflatie hebben bestaan en men vermoedt dat onderzoek van de B-mesonen het werkelijke geheim van de baryon asymmetrie kan onthullen. (baryonen zijn protonen en neutronen)

Kortom, het Standaardmodel moet nog eens goed tegen het licht worden gehouden om de Baryon Asymmetrie goed te kunnen verklaren! In Japan en de VS zijn natuurkundigen met experimenten bezig, om B-mesonen en anti-B-mesonen te produceren. Uit de resultaten daarvan blijkt dat in het verval van deze deeltjes andere dingen gebeuren dan het Standaardmodel op grond van de CP-schending voorspelt. In de VS is dit het BaBar experiment. Zie ook dit proefschrift van de Vrije Universiteit van Amsterdam: research.vu.nl

Radioactief verval

Uit het bovengenoemde proefschrift: …..Protonen en neutronen zijn allebei opgebouwd uit twee verschillende soorten quarks, ‘up en down quarks’. Eigenlijk bestaat alles wat we op aarde hebben uit elektronen en op en neer quarks…….

Bij quarks spelen de twee kernkrachten een cruciale rol. Er is de sterke kernkracht, die quarks bij elkaar houdt en ze tot protonen en neutronen vormt. De zwakke kernkracht kan ervoor zorgen dat een neutron wordt omgezet in een proton: het Bètaverval β−-verval. Tegelijkertijd wordt dan ook nog een elementair (geladen) deeltje uitgezonden: een zogeheten W-boson. Dit boson is niet stabiel en vervalt naar bijvoorbeeld een elektron met een antineutrino deeltje.

Bètastraling β-verval: protonen worden aangeduid in het rood, neutronen in het blauw; het intermediaire W-boson werd voor de eenvoud weggelaten

Bij bètaverval treedt er een CP-schending op!!

Bètaverval is een radioactief verval.

Radioactiviteit

  • Als een atoomkern instabiel is bestaat de kans dat die vervalt. De kern wordt radioactief en zendt straling uit: Alfastraling / Beta-straling / Gammastraling. Het zijn deeltjes/golfstralingen d.w.z. dat er een deeltje of meerdere deeltjes (of golfjes) worden weggeschoten. Er ontstaat dan een andere atoomkern.
  • Is die nieuwe kern stabiel dan is het vervalproces afgelopen. Zo niet, dan vervalt die ook en kan er een hele vervalreeks volgen, tot er uiteindelijk een stabiele kern is gevormd.
Alfastraling is een ioniserende straling die voldoende energetisch is om een elektron uit de buitenste schil van een atoom weg te slaan.
Gammastraling is de sterkste vorm van straling die we kennen. Het zijn geen deeltjes maar golven die worden weggeschoten.
Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is 1024px-beta-minus_decay.svg1_.png
Bètaverval is radioactief verval. Bij bètaverval treedt er een CP-schending op.
CP-schending is dus symmetriebreking!!
Nikhef.nl › quantum › breking

Verre bronnen van Kosmische straling ontdekt.

Een superzwaar actief zwart gat in de kern van het verre sterrenstelsel PKS 1441, een blazar, versnelt protonen (de gele p) naar de zeer hoge energieniveaus van kosmische straling. Door de NASA is deze blazar een Bonanza genoemd, een ‘goudmijn’ op een afstand van 7 miljard lichtjaar.
Video: NASA-blazar-bonanza. Hierdoor wordt een complexe cascade gecreëerd, die gammastralen (magenta) en ook de ‘geheimzinnige’ neutrino’s (blauw) afgeeft, die rechte paden door de ruimte volgen.
De gekoppelde detectie van deze twee deeltjes stelde astronomen in staat om de blazar te identificeren als één van de vele bronnen van kosmische straling.

Voor het eerst hebben wetenschappers hierdoor sporen van hoogenergetisch neutrino’s uit de ruimte kunnen herleiden tot hun bron.

Eerste ontdekking bron van hoogenergetische neutrino’s, die de richting aangeven waar kosmische straling vandaan komt.
Neutrino’s zouden tegelijk met kosmische straling geproduceerd worden.
Brusselaars sporen bron van kosmische neutrino’s op. Van een kubieke kilometer Antarctisch ijs wordt gebruik gemaakt om neutrino’s op te sporen.
Het Laatste Continent – IceCube
 

Uit het verre heelal hamert energierijke straling in op onze atmosfeer. Uit de deeltjeslawines die de straling vervolgens opwekt, kunnen natuurkundigen de energie van de straling meten. Terwijl materie op miljarden lichtjaren afstand, een superzwaar zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel binnenvalt, wordt een deel ervan naar buiten versneld met bijna de lichtsnelheid langs twee jets. Wanneer één van de jets toevallig in de richting van de Aarde is gericht, kan deze binnen onze atmosfeer gedetecteerd worden in een complexe cascade.

Extensive Air Showers
Een deeltje (proton) dat door de atmosfeer beweegt,
botst op andere deeltjes en breekt in nóg kleinere deeltjes uiteen. Het hele proces blijft zich herhalen, waardoor er een lawine aan deeltjes ontstaat. Zo creëert één enkel proton uit het heelal miljoenen deeltjes die op de aarde terecht komen.

Kosmische straling is eigenlijk geen straling, maar niets anders dan losse atoomkernen die met een gigantische snelheid door de ruimte vliegen en terecht kunnen komen op Aarde. Wanneer hoogenergetische deeltjes (kosmische “stralen”) de atmosfeer binnenkomen, verliezen zij hun energie via interacties met luchtmoleculen (zuurstof en stikstof). Daarna treedt een kernreactie op, die secundaire deeltjes produceert (vooral pionen en muonen), die vervallen of gaan opnieuw kernreacties aan met andere atoomkernen in de lucht. Deze nieuwe deeltjes maken vervolgens weer andere deeltjes, enz. Dit vermenigvuldigingsproces staat bekend als een deeltjescascade.

Er zijn 2 soorten kosmische straling: secundaire en primaire stralen. De primaire stralen zijn de oorspronkelijke stralen die uit de ruimte komen en de bovenkant van onze atmosfeer raken. De secundaire stralen worden gevormd door de botsing van de primaire stralen met de atomen van onze atmosfeer. Het grootste deel van de kosmische stralen die de Aarde bereiken zijn secundaire stralen.

Primaire stralen

De primaire stralen dringen normaal gezien door tot een hoogte van 15 kilometer en daar worden ze omgezet in secundaire stralen. Primaire stralen bestaan voornamelijk uit waterstofkernen (86%) en heliumkernen (13%), de overblijvende procent bestaat uit koolstof, calcium en ijzer. De meesten ervan bewegen zich voort met de snelheid van het licht. De atoomkernen botsen met een gigantische snelheid tegen atoomkernen in onze atmosfeer. Deze kunnen tot diep in het atoom doordringen om die volledig uit elkaar doen spatten. Daarbij kunnen wederom zeer energierijke deeltjes worden uitgezonden. Een primaire kosmische straal kan een stroom van secundaire stralen produceren, waarvan de banen zigzaggend, als een soort bliksem, naar beneden lopen.

Secundaire stralen

Slechts weinig van de primaire stralen kunnen doordringen tot het aardoppervlak. De secundaire straling bestaat uit een verzameling bonte deeltjes, die het resultaat is van een eindeloze schakering van wisselwerkingen. Ze bestaan deels uit protonen en neutronen, maar ook positronen.


Wanneer de deeltjescascade de grond bereikt, is die ongeveer 100 meter breed en 1-2 meter dik. Als het primaire kosmische deeltje een foton was, bevat de cascade elektronen, positronen en gammastralen. Als het primaire kosmische deeltje een atoomkern was, bevat de deeltjesregen ook muonen, neutrino’s en hadronen (protonen, neutronen en pionen). Het aantal deeltjes in de cascade hangt af van de energie van de primaire kosmische deeltjes, de observatiehoogte en schommelingen in de ontwikkeling van de ‘shower’. Deze deeltjesregen staat bekend als Extensive Air Shower, een uitgebreide luchtdouche. Bron: Pierre Auger Observatorium en Kennisklink

Development-of-a-cosmic-ray-shower-over-the-pierre-auger-observatory

Deeltjesdetector Pierre Auger – Radboud Universiteit

Artist impression van de reis van een kosmisch deeltje van een ver sterrenstelsel in de richting van het Pierre Auger Observatorium in Argentinië. Dit observatorium is speciaal gebouwd om zulke showers te detecteren. Het bestaat uit een netwerk van detectors en telescopen over een oppervlakte van drieduizend vierkante kilometer, op een onbewoond stuk pampa in Argentinië. Het detectornetwerk moet zo groot zijn omdat deze deeltjes uitermate zeldzaam zijn: er komt ongeveer één ultrahoog energiedeeltje neer per jaar per vierkante kilometer aardoppervlak

Hun oorsprong is te vinden ver van de Aarde zoals bij Supernovae en, zoals hierboven vermeld, bij Blazars, Quasars en Pulsars.

Deeeltjeslawines worden ook wel ‘extensive air-showers’ genoemd.
Video Waarom-is-kosmische-straling-levensgevaarlijk-voor-astronauten, maar niet voor gewone stervelingen die liever niet de ruimte willen verkennen….

Kosmische straling kan voor wolkenvorming zorgen!

Het grootste deel, de galactische straling, komt van bronnen buiten ons eigen Melkwegstelsel. De galactische straling bestaat voor 90% uit protonen en elektronen, voor de rest uit lichte heliumkernen en kernen van koolstof en stikstof. Zoals gezegd is ook de Zon een bron van deze deeltjesstraling weliswaar met zeer lage energie. Als deze deeltjes de aardatmosfeer binnendringen, kunnen ze met daarin aanwezige vluchtige stofjes botsen, zoals roet van het verkeer en andere aerosolen, waardoor deze tot minuscule druppeltjes condenseren. En rond deze druppeltjes kunnen vervolgens wolken ontstaan.

Als de Zon actief is, weert het zonne-magnetisch veld meer kosmische straling af dan tijdens rustige perioden en er is dan minder bewolking. Sterke zonne-activiteit verhoogt de bijdrage van solaire straling. Het magnetisch veld rond de aarde wordt door de zonne-activiteit zodanig beïnvloed dat de bijdrage van galactische straling afneemt. De Deense fysicus Henrik Svensmark over kosmische-straling

Maar wat zijn nou die ‘geheimzinnige’ neutrinos?

Neutrino’s zijn elektrisch ongeladen subatomaire deeltjes. De voornaamste interactie die neutrino’s vertonen is de zwakke kernkracht. Neutrino’s zijn niet gevoelig voor de sterke kernkracht en ook niet voor elektromagnetische interacties. Doordat het neutrino zo weinig wisselwerking vertoont met materie, gaat het bijna ongehinderd door gewone materie heen. Een blok lood zou een lichtjaar (circa 9,5 biljoen km) dik moeten zijn om de helft van de neutrino’s die erdoorheen gaan tegen te houden.

Video juni 2018: Secrets of the universe may lie in an old gold mine in South Dakota The-international-hunt-for-the-ghost-particle.

Wetenschappers geloven dat gelijke delen gewone materie en antimaterie hadden moeten worden gecreëerd tijdens de vorming van het universum. Maar dat gebeurde niet en niemand weet waarom. In plaats daarvan wordt het zichtbare universum gedomineerd door gewone materie.

Neutrino’s kunnen de reden zijn waarom – natuurkundigen hebben er de komende 10 jaar alles voor over om uit te vinden.

Neutrino’s zijn lastige kleine dingetjes, die behoren tot de meest voorkomende deeltjes in het universum. Ze hebben nauwelijks interactie met wat dan ook en reizen met een gigantische vaart dat grenst aan de lichtsnelheid. Drie biljoen neutrino’s vlogen gewoon door je lichaam terwijl je de laatste twee zinnen las – en dát is de grote uitdaging voor de onderzoekers. Misschien zou het beter zijn als ze je gewoon passeren, maar als je ze probeert te meten, betekent dit dat je gigantische detectoren nodig hebt om slechts een paar interacties te zien en ze dan te kunnen meten.

The Super-Kamiokande neutrino detector in Japan

Om de kleinste dingen te meten, moet alles groter zijn: wetenschappers willen meer neutrino’s vangen met grotere detectoren. Want hoe groter de detector, hoe meer reacties er per jaar voorkomen. En alles moet diep onder de grond worden geplaatst om het tegen kosmische stralen te beschermen. In het komende decennium zullen geavanceerde, ultramoderne technologie gebruikt worden om de detector te bouwen en data-verzamelsystemen creëren die vastleggen en analyseren wat er binnenin gebeurt. Het ingewikkelde proces omvat een reeks taken, waaronder het maken van elektronica die kan werken bij temperaturen rond -150 graden Celsius. Voor de ‘grootste ijskist ter wereld’, is vloeibaar argon nodig, dat de koele omgeving vereist.

Vloeibaar argon, een edelgas, is wat neutrino’s – en antineutrino’s, hun tegenhanger, net als materie en antimaterie – in de detector tegenkomen, waardoor wetenschappers kunnen zien wat er gebeurt bij de zeldzame gelegenheid dat de mysterieuze deeltjes interageren met atomen. Verschillen in het aantal en de eigenschappen van neutrino’s versus antineutrino’s zouden kunnen aangeven waarom materie in ons universum domineert boven antimaterie en kunnen wellicht laten zien of neutrino’s een rol hebben gespeeld bij de vorming van het universum.

Even iets dichter bij huis:

De meeste neutrino’s die de aarde bereiken, zijn afkomstig van de Zon. Per seconde wordt elke vierkante centimeter van de ruimte in de nabijheid van de Aarde, die loodrecht op de richting van de zonnestralen staat, gepasseerd door 65 miljard zonneneutrino’s.

Zonneneutrino’s worden in de Zon geproduceerd als een product van kernfusie. Het elektron-neutrino ontstaat bij bètaverval.

Bij het β+ verval (ook positron-emissie of positron-verval genoemd), wordt via de zwakke kernkracht een proton omgezet in een neutron, waarbij een positron (het antideeltje van een elektron) en een neutrino vrijkomen.

Bij het β− verval wordt door de zwakke kernkracht een neutron omgezet in een proton, waarbij een elektron en een antineutrino vrijkomen.

Zonneneutrino’s worden in de Zon geproduceerd als een product van kernfusie.

In lichte sterren als de Zon verloopt de kernfusie van waterstof, volgens de proton-protoncyclus tot helium.

Waterstof heeft 3 isotopen: protium (1H), deuterium (2H) en tritium (3H).

  • Protium is een stabiel isotoop
  • Deuterium is een stabiele isotoop
  • Tritium is radioactief en vervalt door bètaverval naar Helium-3

Helium-3 of 3He is een stabiele isotoop van helium

Helium-4 of 4He is een stabiele isotoop van helium

Vervalprocessen.

Bètaverval is een radioactief verval, waarbij een bètadeeltje, namelijk een elektron (of een positron), wordt uitgestraald (bètastraling). Het is een symmetriebreking

Bètastraling. β− verval: een neutron wordt omgezet in een proton, waarbij een elektron en een elektron-antineutrino vrijkomen.

Hiermee is aangetoond dat bètaverval het eerste natuurkundige bewijs gaf voor het bestaan van neutrino’s en dus ook van anti-neutrino’s.

Neutrino’s breng ik nu nóg dichterbij!

Ze vliegen voortdurend om én zelfs door ons heen! Neutrino’s zijn ongeladen en, naast fotonen (lichtdeeltjes/lichtgolfjes), de meest voorkomende deeltjes in het universum. Op dit moment….en dit is onvoorstelbaar….gaan er elke tel meer dan tien miljard dwars door je lichaam!!! Neutrino’s gaan overal dwars doorheen, en toch merken we er niks van. Dit komt doordat zwaartekracht geen enkele invloed op ze heeft: je voelt hun aanwezigheid niet. Ze zijn niet elektrisch geladen en worden dus niet beïnvloed door elektromagnetische krachten.

Een neutrino-detector ziet er uit als een futuristische kunstinstallatie of een vijfsterrenhotel uit een toekomstige menselijke beschaving op Mars. De duizenden glazen bollen zorgen ervoor dat de detector er zo cool uit ziet, maar ze zijn er niet voor de sier: het doel van deze bollen is om de lichtgevende golven van deeltjes die door de botsing tussen de neutrino en een ander deeltje ontstaan op te vangen en te verstreken. Hierdoor kan informatie worden verkregen over onder andere de energie en stuwkracht van de neutrino.

Natuurkundigen zien neutrino’s van gedaante veranderen

Neutrino-oscillatie (fluctuatie/schommeling) is een quantummechanisch fenomeen. Het blijkt, dat wanneer een neutrino van een specifiek lepton-variant gemeten wordt  (elektron-, muon- of tau-neutrino) en later nog ‘ns, het een ​​ander neutrino-variant geworden is. De waarschijnlijkheid van het meten van een bepaalde variant van een neutrino varieert tussen de 3 bekende toestanden..
Neutrino-oscillatie is van groot theoretisch en experimenteel belang, omdat de precieze eigenschappen van het proces licht kunnen werpen op verschillende eigenschappen van de neutrino. In het bijzonder impliceert dit dat de neutrino een massa heeft.

Theorie
Neutrino-oscillatie is de wisseling tussen de varianten en massa-eigenschappen van neutrino’s. Dat wil zeggen dat de drie neutrinotoestanden (elektron-, muon- of tau-neutrino) die in wisselwerking staan ​​met elektronen (de geladen leptonen) elk een andere superpositie zijn van de drie neutrinotoestanden met een bepaalde massa.

Terwijl een neutrino-superpositie zich door de ruimte verplaatst, gaan de quantummechanische fasen van de drie massastadia met miniem verschillende snelheden voort, vanwege de minieme verschillen in hun respectievelijke neutrinomassa’s. Dus als een neutrino bijvoorbeeld ‘begon’ als een elektronenneutrino, zal een mengsel van elektron-, mu- en tau-neutrino enige afstand afleggen. Omdat de quantummechanische fase op een periodieke manier voortschrijdt, zal de toestand na die afstand terugkeren naar de oorspronkelijke variant en zal de neutrino weer voornamelijk een elektronenneutrino zijn. Het soortgehalte van de neutrino zal echter blijven oscilleren – zolang het de quantummechanische samenhang behoudt.

Superpositie

Quantummechanica gaat over kansen. Een quantummechanisch systeem hoeft niet in één specifieke toestand te zijn: het kan in zekere zin in verschillende toestanden tegelijk zijn. Door het doen van de meting “dwingen we (in dit geval) de toestand van de neutrino te kiezen”, en pas op dát moment is de neutrinotoestand niet meer in een superpositie, maar ofwel een elektro- muon- of tau-neutrino.

Waar-zouden-we-zijn-zonder-quantummechanica. In een volgende blog ga ik me verdiepen in de quantummechanica en quantumfysica.

Paleoklimatologie

Inhoudsopgave:

De geschiedenis en de veranderingen van het klimaat. De atmosfeer 4 miljard jaar geleden. Milanković Cycli. Een kleine planeet kwam in botsing met de Aarde. The Late Heavy Bombardment. Eerst even wat grillen van de Zon. Klimaatveranderingen in de opeenvolgende tijdperken. Precambrium en de eerste ijstijd 2,4 tot 2,1 miljard jaar geleden. Pangea, Jura en Krijt. Oceanische stromingen en de aanzet tot het huidige klimaat. El Niño van 350.000 jaar geleden terug te vinden in koralen. Intertropische Convergentiezone.

De geschiedenis en de veranderingen van het klimaat.

Zo’n 2,5 miljard jaar geleden waren er al klimaatveranderingen. Aardwetenschappers van de Universiteit Utrecht en de Universiteit van Genève hebben voor het eerst aangetoond dat het klimaat op Aarde 2,5 miljard jaar geleden regelmatige veranderingen onderging. Lees het hele artikel op de website van de Faculteit Geowetenschappen van de Universiteit Utrecht.

  • Klimaten in alle tijden streven een evenwicht na, in de verdeling van warmte en afkoeling van onze planeet. Dit zijn processen die vele miljoenen jaren in beslag nemen. Wijzelf streven er een heel mensenleven na om in evenwicht te zijn.
  • Nog maar 10.000 jaar geleden begon het Holoceen, dat nog niet is beëindigd, omdat de Noord- en Zuidpool nog bevroren zijn.

Enorme ijsberg breekt af in het zuiden van Antarctica

Een enorme ijsberg van 1.636 vierkante kilometer groot drijft rond op de Zuidpool. De ijsberg is afgebroken van de Amery ijsvlakte. Het maakt deel uit van de natuurlijke cyclus en is dus niet het gevolg van de opwarming van de aarde. Het is echter wel een bijzonder fenomeen dat slecht om 60 à 70 jaar plaatsvindt. Smelten is een ander proces

IJs op Antarctica smelt toch minder snel dan gedacht. Relatief warm oceaanwater doet de ijsplaten van onderaf verwarmen. Door het dunner worden van de ijslaag vermindert de druk op de bodem waardoor de ondergrond de mogelijkheid krijgt om ‘op te veren’ (= omhoog komen). Het ‘opveereffect’ van de ondergrond zorgt ervoor dat het relatief warme oceaanwater minder de kans krijgt om het ijs van onderaf te laten smelten. Bron:geowijs1

Het klimaat heeft al 2 miljard jaar een golvend karakter van warme interglacialen, afgewisseld met koude glaciale perioden. Interglacialen werden bovendien afgewisseld met korte koude intervallen, terwijl glacialen korte warme tussentijden kende. Ook het interglaciale Holoceen van dit moment, na het Kwartaire glaciaal, kent een koude interval: een kortstondig ‘ijstijdje” van slechts 300 jaar.

In het verre verleden zijn er vaak hele warme perioden geweest met veel en soms wel zeer veel CO2 in de atmosfeer. Hoe verhoudt zich dat tot de huidige opwarming van de Aarde? De wetmatigheid van de natuur stelt nou eenmaal, dat een toename van CO2 in de atmosfeer leidt tot een toename van temperatuur. Dit gaat uiteraard ook op voor tijden, vóórdat er mensen waren!

Ik ga nu heel ver terug in het verleden.

De atmosfeer in het Hadeïcum 4,7 tot 3,7 miljard jaar geleden

Uit het binnenste van de jonge aarde ontsnapten gassen door de immense hitte. Zij vormden de Oeratmosfeer die bestond uit grote hoeveelheden waterdamp, stikstof, ammonia, waterstof, methaan, zwavelwaterstof en koolmonoxide. Een vergelijkbaar gasmengsel dat vrijkomt bij vulkaanuitbarstingen. Uit de Oer-atmosferische wolken regende het duizenden jaren lang en brachten talloze kometen grote hoeveelheden water op de jonge Aarde.

Het water van de inslaande kometen vormde de eerste oceanen: origins-of-oceans.

De aanblik van de aarde in het Archaeïcum van 3,7 tot 2,5 miljard jaar geleden

Aan het eind van het Hadeïcum, zo’n 4 miljard jaar geleden, waren de meteorietregens afgenomen, waarna de aardkorst afkoelde. Ook de waterdamp koelde af en werd vloeibaar water. De eerste oceanen werden gevormd. Onderzeese vulkaanuitbarstingen kwamen vaak voor. De hete lava stolde in zee en werd gesteente. De gesteenten klonterden samen en vormden de eerste kleine continenten, die hier en daar boven water uitstaken.

De atmosfeer in het Archaeïcum

De aarde was omgeven door een dikke laag gas met veel kooldioxide, stikstof en water. De samenstelling van deze oeratmosfeer zou voor het meeste huidige leven giftig zijn. Er zat nog geen zuurstof in de atmosfeer. Het was in zeer kleine hoeveelheden aanwezig, doordat het slechts werd geproduceerd bij de afbraak van waterdamp door UV-straling in de hogere delen van de atmosfeer. Dit zuurstofgas verspreidde zich in zeer lage concentraties in de atmosfeer, maar zodra het in aanraking kwam met gesteente aan het aardoppervlak reageerde het direct daarmee. Deze kleine concentratie zuurstof in de atmosfeer zorgde er bovendien voor, dat organische verbindingen door allerlei oxidatiereacties meteen afgebroken werden. Leven op het land was niet mogelijk, want er was nog geen ozonlaag, die de schadelijke UV-straling tegenhield.

Aan het begin van het Archeïcum bedroeg de lichtkracht van de Zon slechts 75% van de huidige waarde. De Aarde zou te koud zijn geweest voor vloeibaar water, terwijl het sedimentair gesteente uit deze tijd erop wijst, dat dit er wel degelijk al was. Het afzetten van sediment is namelijk een proces waarbij (koolstof)deeltjes bezinken of neerslaan in water.

  • Vermoed wordt daarom dat er heel veel koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer aanwezig moet zijn geweest, waardoor de Aarde warmte kon vasthouden! Mooi toch?

Het leven in het Archeïcum was slechts beperkt tot eenvoudige eencelligen, die nog niet ‘aan fotosynthese deden’. Dit is overigens wat we ons dienen voor te stellen als we denken aan buitenaards leven op miljarden planeten in het universum…..

Een miljard jaar later, aan het begin van het Proterozoïcum, ‘brak er een zuurstof-revolutie uit’ en de eerste generaties meercelligen hadden mogelijk het aardse licht al miljoenen jaren eerder gezien. De opkomst van de meercellige eukaryoten hield echter de verdere verspreiding van de cyanobacteriën niet tegen. Deze konden wél foto-synthetiseren, en zij waren het die de zuurstof-revolutie op wereldschaal hadden ontketend! Aanvankelijk reageerde al het zuurstof met zwavel, koolstof en ijzer: zwaveldioxide bij het nog steeds voortdurende vulkanisme / koolstofdioxide CO2 / ijzeroxide in Banded Iron Formaties zoals in Isua, West-Groenland .

Afbeeldingsresultaat voor banded iron formations isua
Het oudste rotsgesteente op Aarde
is gevonden op
isua, greenland

Toen de ‘afzetgebieden’ van zuurstof zowat allemaal bezet waren, en door het verschijnen van meerdere organismen de fotosynthese toenam, begon de zuurstofconcentratie in de atmosfeer te stijgen. Het organisme dat afstierf, werd in lagen ondergraven waardoor niet-geoxideerd koolstof verdween. Mogelijk de aanzet tot het kunnen ontstaan van het eerste methaangas?

Tijdens het Proterozoïcum groeide de gezamenlijke continentale massa sterk aan door de samenvoeging van microcontinenten (kratons). Ook kwamen gedurende het Proterozoïcum de eerste gebergtevormingen voor, die zorgden voor verplaatsende atmosferische variaties.

Het is met zekerheid vastgesteld, dat de eerste ijstijd heeft plaatsgevonden kort na het begin van het Proterozoïcum, zo’n 2,5 miljard jaar geleden. Tijdens het Neoproterozoïcum (1 miljard – 500 miljoen jaar geleden) waren er minstens vier ijstijden.

IJstijden en klimaatveranderingen werden toen ook al voornamelijk aangezet door de Milanković Cycli.

Milanković Cycli

Milutin Milanković beschrijft in 1941 dat de variaties in de baan van de Aarde rond de Zon (excentriciteit), de variaties in de aardashoek (obliquiteit) en de tolbeweging van de aardas (precessie) van invloed zijn op de temperatuur op Aarde. Als gevolg van deze variaties varieert de temperatuur op aarde en zijn de laatste ijstijden gedurende 2,5 miljoen jaar tot heden te verklaren.

Excentriciteit, obliquiteit en precessie beschrijven de effecten van de aardse bewegingen op het wereldklimaat. Wanneer de drie cycli samenkomen, kan dit een aanwijzing zijn voor een ijstijd.

IJstijden en interglacialen worden primair in gang gezet door variaties in de baan van de aarde om de zon en de stand van de aardas ten opzichte van die baan. Als deze veranderingen ervoor zorgen dat de seizoenverschillen op het noordelijk halfrond klein zijn, treedt er een ijstijd op. Broeikasgassen zijn niet de oorzaak van de ijstijden, maar zij versterken de temperatuurveranderingen wel. Vulkanisme en meteorietinslagen zijn eerder oorzaken van plotselinge afkoeling, wat een naderend glaciaal zou kunnen gaan inleiden.

Het verloop van de temperatuur en CO2-concentratie in de laatste 420 duizend jaar laat zien dat beide met elkaar samenhangen. Een cyclus van een ijstijd en een interglaciaal (warme tijd tussen twee ijstijden) beslaat ongeveer honderdduizend jaar. Op die tijdschaal wordt klimaatverandering gestuurd door veranderingen in de baan van de aarde om de zon en de stand van de aardas ten opzichte van die baan. De ligging van de continenten en de mate waarin het land is ‘opgeveerd’ na beëindiging van de vorige ijstijd zijn mede bepalend of een volgende ijstijd mogelijk is.  

Excentriciteit.
De baan van de aarde rond de zon is een ellips. De excentriciteit is de mate waarin deze ellips afwijkt van een cirkel. De periodiciteit van de excentriciteit is 100.000 jaar.

Deze excentriciteit varieert in de tijd van bijna cirkel (excentriciteit van 0,005) tot licht elliptisch (excentriciteit 0,028). De huidige excentriciteit bedraagt 0,017. Deze variaties in excentriciteit ontstaan door de invloed van de zwaartekracht van de planeten Saturnus en Jupiter.

Obliquiteit.
De hoek die de aardas maakt met de loodlijn op het vlak waarin de aarde rond de zon draait varieert van 22,1° tot 24,5°, met een periodiciteit van 41.000 jaar.

Bij een grotere hoek nemen de verschillen tussen de seizoenen voor wat betreft de instraling van de zon toe. Zowel op het noordelijk als het zuidelijk halfrond worden de zomers dan warmer en de winters kouder. Momenteel neemt de obliquiteit af en is 23,44°

Precessie is de tolbeweging van de aardas en heeft een periodiciteit van ongeveer 26.000 jaar.

Precessie is het gevolg van de getijdenkrachten die zowel de zon als de maan op de aarde uitoefenen, versterkt door het feit dat de aarde niet perfect rond is.

Precessie is de beweging die de draai-as van een roterend voorwerp maakt onder invloed van een uitwendige kracht. Het eenvoudigste voorbeeld van precessie kan men zien aan een draaiende draaitol. Als de tol niet precies rechtop staat, zal de zwaartekracht proberen om de rotatieas ‘om te laten vallen’. Dat gebeurt echter niet: in plaats daarvan draait de rotatieas rond om de verticaal.

Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is ap-figuur-21.png
Precessie is vergelijkbaar met de beweging van een tol.
R= rotatie
P= precessie
N= nutatie

Gedurende de geologische geschiedenis schommelt de hoek die de Aarde maakt t.o.v. de ecliptica tussen de 21,5 en 24,5 graad. De Aarde is platter aan de polen dan aan de evenaar dus is er geen perfecte bolvorm. De Zon zal daarom door de aantrekkingskracht proberen de aardas loodrecht op de ecliptica te krijgen. Doordat de Aarde om haar as draait, is het resultaat dat de aardas zelf een kegel rondom de pool van de ecliptica beschrijft: nutatie. Dit uit zich in een cirkel rondom de hemelpool, momenteel een cirkel van 23,5 graden. De rotatie-as wijst momenteel in de richting van Polaris, de Poolster. Doordat de aardas in een 14.000-jarige cyclus ronddraait, wordt Vega op een bepaald moment in de toekomst de Poolster.

Er zijn echter meerdere processen die klimaatverandering aan kunnen zetten zoals CO2 en het zeer krachtige methaan. Beide broeikasgassen zijn zeer effectief voor opwarming, zowel na een ijstijd als de huidige opwarming. Grote hoeveelheden methaan uit het permafrost rond de arctische gebieden komen op dit moment (2020) vrij. Wat we ook steeds terugzien na een glaciale periode is fotosynthese, zowel cyanobacteriën als door planten en bomen.

Einde van een ijstijd.

De overgang van ijstijd naar interglaciaal gaat veel sneller dan andersom. De volgende processen dragen bij aan het einde van een ijstijd:

  • Door een lager broeikasgehalte en het aangroeien van de ijskap dalen de temperaturen in principe steeds verder, maar valt er ook steeds minder neerslag waardoor de ijsgroei steeds minder wordt.
  • De zeespiegeldaling en de uitbreiding van het zeeijs leiden ertoe dat het wateroppervlak kleiner wordt, waardoor ook de CO2 opname afneemt.
  • Het landoppervlak daalt een paar honderd meter door het gewicht van de ijskap, waardoor de sneeuwgrens naar het noorden opschuift. Dit is geen doorslaggevende factor, maar draagt wel bij aan de beëindiging van een ijstijd.
  • Als uiteindelijk ook door veranderingen in de baan van de aarde om de zon de seizoensverschillen groter worden, leidt dat in de polaire zomer tot meer afsmelting en in de winter tot minder neerslag en dus tot minder aangroei van de ijskap.
  • Het lichtweerkaatsend vermogen van de ijskappen neemt sterk af zodra sneeuw en ijs aan de oppervlakte nat worden. Meer warmte vroeger in het jaar leidt dus direct tot een zeer snelle afname van de weerkaatsing van het licht en veroorzaakt een verder slinken van de ijskap.
  • Door de slinkende ijskap wordt het warmer en smelten op termijn grote partijen zeeijs. Zonne-energie wordt daardoor in de poolgebieden beter geabsorbeerd, waardoor de temperatuur nog verder stijgt.
  • De oceanen warmen op waardoor het opgeslagen CO2 weer vrijkomt uit de diepzee en de temperatuurstijging wordt versterkt. Bron: Klimaat voor Ruimte

Ik ga nu verder nadat de Aarde al is ontstaan.

Ten tijde van het Hadeïcum was de aardkorst vloeibaar en zeer heet. Vanuit de hete kern van de aarde ontstond er stroming van gesmolten gesteente naar de buitenste delen van de aarde. De aan het aardoppervlak afgekoelde gesteenten zakten naar beneden. Deze zogenoemde convectiestroming is vandaag de dag nog steeds aan de gang in de mantel van de aarde. Het zorgt ervoor dat het aardoppervlak in beweging blijft, waardoor ook de aardplaten bewegen.

Behalve de convectiestroming moet er ook al heel vroeg een magnetische veld zijn geweest, dat berust op de dynamowerking vanwege de vaste nikkel-ijzeren kern, met eromheen ’n buitenkern bestaande uit vloeibare ijzer en nikkel.

Mantelconvectie

Meteorietinslagen veranderden zowel het oppervlak als de temperatuur van de Aarde.

Afbeeldingsresultaat voor meteorietinslagen
Meteorietinslagen veranderden zowel het oppervlak als de temperatuur van de Aarde. Er kwam echter ’n zeer cruciale inslag aan:

Een kleine planeet kwam in botsing met de Aarde.

Ongeveer 150 miljoen jaar na het ontstaan van het Zonnestelsel, zo’n 4,5 miljard jaar geleden, botste ’n kleine planeet ter grootte van Mars op de jonge Aarde. Het aardoppervlak veranderde door de inslag in één grote lavasoep. Een deel van het puin van de kleine planeet Theia, belandde op de Aarde, maar een groot deel verzamelde zich in een stofwolk om onze planet en klonterde samen om de Maan te vormen.

De kleine planeet Theia botst op de jonge Aarde.
Het aardoppervlak veranderde door de inslag in één grote lavasoep.

The Late Heavy Bombardment

Deze duurde ongeveer 2 miljoen jaar. Sommige kraters van dit gigantische bombardement zijn zo groot als Aardse continenten.

EerstIk vind het vanzelfsprekend, dat de inslag van de ‘planeet Theia’ en het heftige bombardement, dat zo’n 2 miljoen jaar duurde (!!), de jonge planeet Aarde de nodige tikken hebben gegeven, dat de obliquiteit (de hoek die de aard-as maakt) vanaf die periode eigenlijk al is bepaald. Deze heeft, zoals al verteld, een periodiciteit van 41.000 jaar. Momenteel neemt die af en is 23,44°. Zou dat ’n tiende graad meer of minder zijn, dan is er al ’n andere instraling van de grillige Zon, vooral op de beide polen…..

Eerst even wat grillen van de Zon…..

…..omdat die al 5 miljard jaar lang de allesbepalende factor is van het aardse klimaat……….

De Zonnecyclus is een proces van zonneactiviteit in een kortdurende cyclische variëteit van slechts 11 jaar. Samenhangend met deze periode, die ook wel ‘ns 14 jaar kan duren, is het aantal zonnevlekken dat varieert…..

zon
Actuele Zon
Met een klik op de Zon zie je de zonnevlekken van dit moment!

Wat zijn Zonnevlekken?

Zonnevlek umbra and penumbra
Umbra is het donkerste deel van de schaduw, waar de lichtbron volledig wordt geblokkeerd.
Penumbra is het gebied waarin slechts een deel van de lichtbron zichtbaar is.

Zonnevlekken kunnen soms vele malen groter worden dan de Aarde zelf. Ze zijn donker van kleur aangezien dit “koudere” gebieden zijn op het zonneoppervlak. Een grote zonnevlek kan een temperatuur hebben van 3700°C, als we dit vergelijken met de temperatuur van de fotosfeer, het ‘Zonne-oppervlak’, die is 5500°C…..

Zonnevlekken ontstaan waar magnetische veldlijnen vanuit het binnenste van de Zon naar buiten komen. Elke vlek heeft z’n eigen magnetische polariteit. Rond het zonneminimum zullen er weinig tot geen zonnevlekken te vinden zijn. Zonneactiviteit zal tot 2040 blijven afnemen – Alles over …sterrenkunde. Later, in het hoofdstuk over de Magnetosfeer, kom ik terug op de zonneactiviteit

Klimaatveranderingen in de opeenvolgende tijdperken.

We zien hierin duidelijk dat er sprake is van een cyclische, dus golvende klimaatstructuur. Glacialen en interglacialen gaan in elkaar over, in een geleidelijk proces van soms wel honderden miljoenen jaren…..

Klimaatveranderingen werden in het verleden voor een groot deel bepaald door plaattektoniek en de samenstelling van de daaraan onderhevige veranderende atmosfeer. Natuurlijke factoren en grote natuurrampen hebben in dit verleden vrijwel zeker, klimaatveranderingen veroorzaakt of in gang gezet.

De snelheid waarmee klimaatveranderingen zich voltrekken varieert sterk. Deze veranderingen kunnen traag en geleidelijk verlopen maar ook snel en schoksgewijs. Bovendien verlopen klimaatveranderingen niet overal even snel en op dezelfde manier. Over de oorzaak van klimaatveranderingen in het verleden is niet altijd veel bekend. Hoe verder men teruggaat in het verleden, hoe moeilijker het onderzoek naar klimaatveranderingen wordt.

Het Hadeïcum is het begin van het Precambrium (4,5 – 3,8 miljard jaar geleden) wordt in de geologische tijdsschaal gebruikt om de periode aan te duiden tussen het ontstaan van de Aarde en het voorkomen van de eerste sedimentaire (vaste) gesteenten. Zoals eerder is gezegd had dit tijdperk een oeratmosfeer die bestond uit grote hoeveelheden waterdamp, stikstof, ammonia, waterstof, methaan, zwavelwaterstof en koolmonoxide

Het Archaeïcum (3,8 miljard tot 2,5 miljard jaar geleden), had inmiddels een klimaat dat zeer heet moet zijn geweest. De atmosfeer bestond waarschijnlijk uit een mengsel van gassen waaronder waterdamp, stikstof, waterstof, methaan, ammoniak, koolstofdioxide en koolstofmonoxide.

Continenten waren nog niet aanwezig en de dunne instabiele aardkorst bestond uit kratons (continentale aardkorst) die grotendeels onder water stonden. De oceaan was bezaaid met kleine eilandjes. Het klimaat was daardoor gelijkmatig verdeeld over de aardbol. De atmosfeer bevatte hoge concentraties broeikasgassen zoals koolstofdioxide, methaan en ammoniak. De activiteit van de Zon was nog gering, maar mede door de aanwezigheid van deze broeikasgassen was het zeer heet.

De eerste vormen van leven zijn waarschijnlijk al rond 3,6 miljard jaar geleden, halverwege het Archeïcum, ontstaan. Het betrof de eerste extremofiele soorten bacteriën.

Het Precambrium bevat alle tijd tussen het ontstaan van de Aarde 4,5 miljard jaar geleden en 542 miljoen jaar geleden.

Terwijl de Panthalassic Ocean altijd een ondiepe zee was met een diepte van niet meer dan twee kilometer, is de Panafrican Ocean een afgrond van mysterieuze wezens geweest. Op een diepte van vijf kilometer wemelde het van leven. Verschillende basale geschelpte weekdieren bewoonden alle rotsen, niet bedreigd door roofdieren, hun schelpen zijn een voldoende verdediging tegen de overlevenden van het begin van de eerste ijstijd. Roofkwallen zwommen vrij rond in de open zee.

De Precambriaanse tijd is ook bekend als de “Age of Early Life”. Het vroege leven trotseerde ijzige koude, die toen al afgewisseld werden met warme periodes. Er waren uitgebreide gletsjers in de buurt van de polen. Al met al was er in de precambrische tijd niet ’n stabiel klimaat.

Z540_zonef.jpg (61851 bytes)
540 miljoen jaar geleden

Het zout in oceanen.

Oceanen waren 3,5 miljard jaar geleden zouter. Het merendeel van de zout-ionen in oceanen bestaat uit natrium en chloor (die samen het ons bekende keukenzout vormen: Natriumchloride). Het chloor in de vroege oceanen moet grotendeels afkomstig zijn geweest van vulkanisme waarbij veel zoutzuur (Waterstofchloride) vrijkwam. Het natrium moet door uitloging van verweerde gesteenten in de oceanen terecht zijn gekomen. In de loop van de geschiedenis zijn er op tal van momenten en op tal van plaatsen grote hoeveelheden zout in oceanen neergeslagen, bijvoorbeeld door verdamping van water in ondiepe zeeën. Veel van die zoutafzettingen zijn later door andere gesteenten bedekt, maar ooit moeten ze deel van het in de vroegere oceanen voorkomende zout hebben uitgemaakt. Zouden al die ‘begraven’ zoutvoorkomens weer in oceanen oplossen, dan zou het zoutgehalte in oceaanwater met circa 30 procent toenemen. Daarnaast bevat al het grondwater bij elkaar nog eens zoveel zout dat, als dat ook in zee terecht zou komen, het zoutgehalte zelfs ongeveer zou verdubbelen.

Tussen 3,2 en 2 miljard jaar geleden nam het zoutgehalte in de toenmalige oceanen geleidelijk af, op het eind zó vlug, dat binnen zo’n 100 miljoen jaar de helft van alle bekende zoutlagen werden gevormd. Pas in de laatste half miljard jaar, bereikte het zoutgehalte in zee waarden die vergelijkbaar zijn met nu

Eerste IJstijd in het Precambrium.

  • De Huronische ijstijd is de oudste bekende ijstijd die duurde van 2,4 tot 2,1 miljard jaar geleden, aan het begin van het Paleoproterozoïcum.
  • Deze ijstijd was het gevolg van de eerste ‘zuurstofrevolutie’ veroorzaakt door krioelende legers van cyanobacteriën. De archeïsche atmosfeer werd fotosynthetiserend omgevormd tot een stikstof-zuurstofatmosfeer. De globale ‘vergiftiging’ van de atmosfeer met zuurstof leidde tot een ongekende massaextinctie van het anaerobe leven.
  • Aanvankelijk werd alle door cyanobacteriën geproduceerde zuurstof aan al het ijzer gebonden dat tijdens deze periode aan het aardoppervlak aanwezig was. Nadat alle ijzer aan het aardoppervlak was geoxideerd, steeg de zuurstofconcentratie in de atmosfeer
  • Vrijwel alle methaan, dat een sterk broeikasgas is, verdween uit de atmosfeer, waardoor de atmosfeer sterk afkoelde en geleidelijk deze ijstijd begon

Op het einde van het Precambrium traden nóg ‘ns twee ijstijdvakken op, resp. ongeveer 710 en 635 miljoen jaar geleden. Zowel de oudste (Sturtian) als de jongste (Marinoan) van deze twee ijstijdvakken worden ervan ‘verdacht’ zo koud te zijn geweest dat zelfs de oceanen bij de evenaar bevroren waren. Daarom wordt wel van ‘sneeuwbal aarde’ gesproken. Aan die volledige ijsbedekking wordt echter ook door veel deskundigen getwijfeld: sneeuwbal-aarde-verrassend-vriendelijk-voor-leven…

Cambrium 540 tot 500 miljoen jaar geleden

Na de eerste ijstijden was door het smeltende ijs was het zeeniveau tot grote hoogten gestegen: aan het einde van het Cambrium lag het enkele honderden meters hoger dan tegenwoordig. Zodra het ijs op de oceanen was weggesmolten nam de fotosynthese-activiteit van de cyanobacteriën en de eerste plantaardige cellen weer sterk toe. Deze levensvormen kregen weer voldoende zonlicht en er hadden zich bovendien veel voedingsstoffen in het water  opgehoopt.

Het leven zou een explosieve impuls hebben gekregen, dus was er sprake van een “Cambrische explosie”. Maar het leven onderging eigenlijk helemáál geen ‘explosieve groei’ in het Cambrium:

“De ‘Cambrische explosie’ blijkt eigenlijk een gestage evolutie te zijn geweest, die ongeveer 100 miljoen jaar duurde” Bron:Kennislink en Nature ecology

In de daaropvolgende 50 miljoen jaar die het Ordovicium omspande, verplaatsten Baltica en Siberië zich naar het noorden. Baltica ontstond bij het uiteenvallen van het supercontinent Rodinia. Tegen het eind van het Ordovicium, 460 miljoen jaar geleden, begon de ene oerzee zich te sluiten, terwijl de andere zich begon te openen. Delen van Gondwana splitsten zich af van dit supercontinent. De resterende delen verplaatsten zich naar het zuiden, waardoor het huidige Noord-Afrika boven de Zuidpool kwam te liggen.

Door tektonische krachten waren er perioden met grote vulkanische activiteit, die land toevoegden aan de oostkust van Australië, delen van Antarctica en Zuid-Amerika. Veel van wat we weten over de veranderingen in het klimaat en de positie van de continenten is afgeleid aan de hand van fossielen van kleine diertjes die leefden in de zeeën.

Veel wetenschappers denken dat de hoeveelheid koolstofdioxide in het Ordovicium zeer hoog was. Meer dan twintig keer zo hoog dan nu het geval is. Maar het is moeilijk om de nauwkeurige hoeveelheid koolstofdioxide uit oude gesteenten af te leiden. In de loop van het Ordovicium werd de temperatuur op aarde lager, en in het late Ordovicium was er zelfs sprake van een “korte” ijstijd.….dit is moeilijk voor te stellen in een wereld met veel broeikasgassen.…..

Iedereen is bekend met de massa-extinctie waardoor de dinosaurussen stierven, in het Krijt 60 miljoen jaar geleden. Maar ongeveer vierhonderd miljoen jaar daarvóór vond er een nog grotere massa-extinctie plaats: de Laat-Ordovicische massa-extinctie. Het klimaat zou vrij plotseling omgeslagen zijn naar ’n periode van nog geen 3 miljoen jaar, waardoor bijna alle zeedieren uitstierven. De oorzaak van de wereldwijde extinctie wordt gekoppeld aan de ijstijd die toen plaatsvond: Het Hirnantien. Een groot deel van de zeedieren heeft zich in de volgende miljoenen jaren kunnen herstellen of heeft zich verder ontwikkeld tot nieuwe soorten.

In het patroon waarmee de Aarde op veranderingen reageert, is dus in al die miljoenen jaren nog niets veranderd. Daaruit blijkt wel hoe stabiel de Aarde en haar atmosfeer zijn. Men zou denken dat deze conclusie de wetenschappers optimistisch maakt: toen heeft de Aarde het ondanks de broeikasgassen gered, dus dan moet dat nu toch ook lukken? Toch zijn de wetenschappers niet overtuigd. De Aarde weet natuurlijke broeikasgassen prima te verwerken, maar hoe zit dat met de gassen die door toedoen van de mens in de atmosfeer belanden, zo vragen ze zich af. (Bron:Scientias)

Na de ijstijd aan het eind van het Ordovicium werd het in het Siluur opnieuw warmer. Doordat het zuurstofgehalte in de atmosfeer verder steeg, kon een beschermende ozonlaag ontstaan.

Nadat in de nieuw gevormde oceanen primitieve vormen van leven mogelijk werden, was de zuurstofproductie op gang gekomen (….als een bijproduct van de fotosynthese). Door de opbouw van zuurstof kon er ook ozon gevormd worden.

Nadat er voldoende ozon gevormd was werd het aardoppervlak beschermd tegen ultraviolette straling. Deze bescherming zorgde ervoor dat ook buiten de oceanen leven tot ontwikkeling kon komen.

De meeste ozon in de atmosfeer bevindt zich tussen 15 en 40 km hoog. Ozon is een uit 3 zuurstofatomen bestaand gas dat de meeste schadelijke ultraviolette stralen van de zon absorbeert en ook warmteverlies van de aarde voorkomt. Ozon op leefniveau is schadelijk omdat het smog vormt. Zomersmog ontstaat door chemische reacties in de lucht onder de invloed van zonneschijn waarbij ozon en andere stoffen (zoals deeltjesvormige luchtverontreiniging herkenbaar aan de heiigheid tijdens zomersmogdagen) worden gevormd.

In de stratosfeer, tussen 10 en 40 km boven het aardoppervlak, ontmoet het licht van de zon de eerste moleculen van de aardse atmosfeer. Een molecuul overleeft een botsing met energierijk licht meestal niet. Licht heeft vaak zoveel energie dat elke atoombinding in een molecuul stuk gaat. Dat kost steeds een molecuul, maar zo komt dit energierijke licht niet op aarde.
Als een zuurstofmolecuul door dit soort licht getroffen wordt, splitst het zich in twee losse atomen, die op hun beurt met andere zuurstofmoleculen kunnen reageren tot ozon. De totale hoeveelheid ozon tussen ons en de ruimte komt overeen met een laag van maar ongeveer 3 mm dik die rond de aarde draait, al is deze ozon in werkelijkheid gelijkmatig verspreid in de atmosfeer.

Tijdens het erop volgende tijdperk, het Devoon, werden extreem droge periodes afgewisseld met periodes van zware regenval. De Aarde werd steeds warmer, waardoor het meeste landijs smolt en het zeeniveau steeg. Laurentia,  Baltica en Avalonia vormden op de evenaar Euramerica: het Old Red Sandstonecontinent. Dit continent dankt zijn naam aan de rode kleur van de bodem. Daar vormde zich het Caledonische gebergte: caledonische_orogenese door het naar elkaar toe bewegen van de platen (de gebergtevorming was al in het Siluur begonnen).

Tijdens het Devoon kwamen voor het eerst op ruime schaal landplanten en landdieren voor, zoals amfibieën en oervarens. In zee bleven de algen van grote betekenis en er ontstond een grote verscheidenheid aan vissen, vooral kaakloze vissen. Daarna traden de vissen met kaken op de voorgrond, zoals kraakbeenvissen (haaien) en longvissen. Ook  ongewervelden, zoals bijvoorbeeld ammonieten en koralen, kwamen tot bloei.

De vorming van Pangea nam ruim 50 miljoen jaar in beslag. Het zeer trage proces van het aaneengroeien van continentale platen.

306.jpg (127699 bytes)
255.jpg (119462 bytes)

Er waren weelderige moerasbossen rond de evenaar, dus de grondstof voor steenkool was in grote hoeveelheden aanwezig. Ook de warmere omstandigheden voor de vorming van steenkool waren in deze periode het meest gunstig. Ongeveer de helft van alle bekende steenkoolvoorraden op aarde is afkomstig uit het Carboon.

Halverwege dit tijdperk begon er op Gondwana een ijstijd. Met het periodieke afsmelten en weer aangroeien van de zuidelijke landijskappen steeg en daalde de zeespiegel vele malen sterk, waarbij de Tethys Zee ontstond. De Middellandse Zee is hier een overblijfsel van.

De twee gebeurtenissen hielden verband met elkaar. Door de enorme hoeveelheid planten was er veel fotosynthese, waarbij CO2 aan de atmosfeer werd onttrokken en zuurstof aan de atmosfeer werd toegevoegd. Omdat kooldioxide een belangrijk broeikasgas is, moet de gemiddelde temperatuur zijn gedaald waardoor de ijskap op de Zuidpool kon groeien. Tegelijkertijd moet het klimaat rond de evenaar warm zijn gebleven. Het Carboon was dus een tijdperk waarin grote klimaatverschillen bestonden, vergelijkbaar met de huidige situatie.

Jura 210 tot 140 miljoen jaar geleden

195.jpg (117442 bytes)
Dinosauriërs vormden de overheersende groep reptielen. Ze vertoonden veel verschillende vormen en levenswijzen. Dinosaurussoorten- Lees er alles over op Dinosaurus.nl

Tijdens het late Jura begon het wereldwijde klimaat te veranderen door het uiteenvallen van Pangea. De binnenlanden werden minder droog terwijl seizoensgebonden sneeuw en ijs de poolgebieden berijpten. Het algemeen heersende klimaat was nog steeds warm, zelfs in de buurt van de beide polen. Ongeveer 10% van de atmosfeer bestond toen uit koolstofdioxide (tegenwoordig is dat 4% maar….dat is behoorlijk aan het stijgen!). Kooldioxide houdt zonnewarmte vast, waardoor er toen ook al sprake was van broeikaseffect.

H160_zonef.jpg (73384 bytes)

Krijt 140 tot 65 miljoen jaar geleden

Steile krijtrotsen met wit strand en blauwe zee.
De krijtrotsen van Etretat, aan Normandische kust.

De oorsprong van deze krijtrotsen gaat terug tot 100 miljoen jaar geleden. Ze werden gevormd door een opeenstapeling van schelpen uit het Krijt. Normandië was toen bedekt met een ondiepe zee en er heerste een tropisch klimaat. Door daling van de zeespiegel en een stijging van de zeebodem kwamen deze, door schelpen opgebouwde rotsen later boven water te liggen.

066.jpg (121854 bytes)
De gemarkeerde punt is de Chicxulub-impact-visualization.

“Wel, misschien toch niet. Want uit nieuw onderzoek blijkt dat de dinosauriërs aan de vooravond van de grote massa-extinctie aan het einde van het Krijt nog in volle bloei verkeerden. Met behulp van grootschalige simulaties die in de paleontologie nog niet eerder zijn gebruikt, wijzen de resultaten van het onderzoek erop, dat de asteroïde de belangrijkste oorzaak van het uitsterven van de dinosauriërs was. Maar de studie laat ook zien wat er had kunnen gebeuren als deze plotselinge ramp niet zou hebben plaatsgevonden.

“Het meest ontroerende aspect van dit artikel is dat er meer dan genoeg habitats voor de dinosauriërs beschikbaar bleven, maar dat de dinosauriërs er simpelweg niet meer waren omdat ze door de asteroïde waren weggevaagd,” zegt hij. “Je wordt overvallen door een triest gevoel over al die dinosauriërsoorten die zich nog hadden kunnen ontwikkelen.”

Zouden dinosauriërs ook zonder meteorietinslag uitgeroeid zijn …

De Aarde tijdens het Paleoceen 66 – 56 miljoen jaar geleden.

Het Paleoceen is de periode waarin de Aarde zich hersteld van de grote inslag die in een klap een einde maakte aan de wereld van de dinosauriërs. Maar ook in zee verdwenen allerlei groepen, zoals de ammonieten en verschillende zeereptielen. Na een kortstondige afkoeling herstelde ook het klimaat zich verrassend snel. De eerste paar miljoen jaar na de aanslag was de Aarde nog steeds de broeikaswereld als die van het Krijt.

De continenten dreven langzaam verder uiteen, de Atlantische Oceaan opende zich nog meer. Afrika en India dreven noordwaarts. De nadering van Afrika vertaalde zich later in de eerste gebergtevorming van de Alpen. India koerste met een razende vaart op Azië af. Bij de botsing die er op volgde, is de Himalaya ontstaan.

Gedurende het Paleoceen herstelde ook het leven zich van de Krijt-Paleogeen-massa-extinctie. Op het land waren de overlevenden van de catastrofe kleinere dieren die zich in holen of in het water konden verschuilen, de zoogdieren, amfibieën, kleinere reptielen en vogels. Na het uitsterven van de dinosauriërs konden al deze groepen zich gaan verspreiden en verbreden, vooral de zoogdieren ontwikkelden zich snel tot de dominante groep. Omdat de continenten uit elkaar lagen, zou de evolutionaire verscheidenheid van zoogdieren op elk continent op verschillende wijze plaatsvinden.

Purgatorius was een prehistorisch zoogdier dat ongeveer 65 miljoen jaar geleden leefde tijdens de late Krijtperiode. Fossiele resten werden voor het eerst ontdekt in de jaren 1960 in Purgatory Hill, Tullock-formatie in Montana Noord-Amerika, .

Als je dit dier alleen zou beoordelen op de verschillende Purgatorius-foto’s die je kunt vinden, zou je er waarschijnlijk niet teveel over nadenken. Je zou denken dat het gewoon een soort knaagdier was dat heel lang geleden leefde. Als je dit dier echter op deze manier hebt afgewezen, mis je een van de belangrijkste feiten over Purgatorius. Het feit dat dier kleine diertje het verre familielid van primaten is – inclusief dus van ons.

Sommige paleontologen denken dat dit dier – dat ongeveer 6 centimeter lang was en slechts een paar gram woog – zou evolueren tot resusaap, chimpansees en mensachtigen. Ze nemen dit aan, omdat het de tanden van primaten had en leefde in de bomen van wat nu Noord-Amerika is om zichzelf te beschermen tegen enkele dinosaurussen die in staat waren om het te doden – namelijk T-Rex’s en roofvogels.

Purgatorius heeft door het uitsterven van de dinosauriërs kunnen overleven vanwege zijn unieke vermogen om in bomen te leven, door zaden en noten te eten. Vervolgens zou het de niche vullen die ooit door de grote dinosaurussen werd bezet.

Het klimaat in het Paleoceen

E060_zonef.jpg (79100 bytes)
Het klimaat tijdens het Paleoceen, 61 miljoen jaar geleden, was veel warmer dan vandaag. Palmbomen groeiden in Groenland en Patagonië (het uiterste zuiden van Zuid-Amerika). De mangrovemoerassen van Zuid-Australië bevonden zich op 65 graden zuiderbreedte, in het zuidpoolgebied.

Aan het einde van het Paleoceen/begin Eoceen vindt opnieuw een dramatische gebeurtenis plaats: in zeer korte tijd raken oceanen vergiftigd, sterft een belangrijk deel van het nieuwe zeeleven uit en maakt de temperatuur een flinke sprong omhoog. Twee wereldwijde crises in slechts negen miljoen jaar!

Het Paleocene-Eocene Thermal Maximum

Het Paleocene-Eocene Thermal Maximum (afgekort PETM) is een grote, snelle en kortstondige wereldwijde klimaatverandering die 55,8 miljoen jaar geleden plaatsvond. De gemiddelde temperatuur was tijdens de laatste miljoenen jaren van het Paleoceen gestegen en lag veel hoger dan nu het geval is. Nadat de temperatuur op Aarde over een bepaalde drempelwaarde heen kwam, kwamen bepaalde gasverbindingen op de oceaanbodem vrij, met name methaanverbindingen, zodat grote hoeveelheden van het broeikasgas methaan in de atmosfeer terechtkwamen. Methaanhydraten zijn verbindingen van water rond het vriespunt (ijs) en methaan, dat in de moleculaire holtes van het water zit opgesloten.

  • Grote hoeveelheden methaan zouden in korte tijd omgezet zijn naar CO2 door een reactie van methaan met UV straling van de Zon.
  • Dit staat in schril contrast met wat we tegenwoordig zien: Permafrost gebieden aan de Noord- en Zuidpool worden een bron van het broeikasgas methaan als de oppervlakte ontdooit door temperatuurstijging.

Door het PETM kwamen er veranderingen in de atmosferische circulatie. Deze circulatie zorgde samen met de oceanische circulatie ervoor, dat warmte door wisselwerking en convectie wordt verspreid over het hele aardoppervlak. Tijdens de PETM steeg daarom de gemiddelde temperatuur in 150.000 jaar nog eens met ongeveer 6 tot 10 graden. De Aarde was in het Paleoceen dus een ‘broeikaswereld’, waarin beide polen ijsvrij waren. De sterke temperatuurstijging van 10 °C , waarbij watertemperaturen aan de Noordpool werden bereikt van meer dan 23 °C, waren onmogelijk alleen door broeikasgassen veroorzaakt. Ook andere factoren zouden een cruciale rol hebben gespeeld in deze plotselinge opwarming. Hierbij wordt gedacht aan ‘feedback mechanismen’ zoals polaire stratosferische wolken, of orkaan-geïnduceerde mengingen van oceaanwater.

Aan het begin van het PETM vonden gedurende 5000 jaar overal ter wereld belangrijke veranderingen plaats in de ligging van de zeestromen. Het diepe water van de Atlantische Oceaan stroomde in die tijd van noord naar zuid in plaats van zuid naar noord, zoals gewoonlijk. Deze omkering van belangrijke zeestromen hield 40.000 jaar lang stand, om daarna weer naar de normale situatie terug te keren. Gevolg van de tijdelijke omkering was, dat warm water naar de diepere delen van de oceanen gebracht werd, wat voor meer opwarming van het klimaat zorgde. Overigens zette in deze zeer warme periode het zeewater uit, wat een hoger zeeniveau tot gevolg had.

Tijdens het PETM werd kwam in korte tijd (1000 jaar) tussen de 1500 en 2000 miljard ton koolstof in de oceanen en atmosfeer vrij. Dat is een snelheid die overeenkomt met de huidige snelheid waarmee de mens door verbranding van fossiele brandstoffen koolstofdioxide de atmosfeer in pompt. Het PETM duurde overigens zo’n 150.000 jaar, met een opwarming tussen 5 en 8°C, en viel tijdens een ongeveer 6 miljoen jaar lange periode van opwarming. Deze warme periode zou later in het Eoceen Optimum (ECO) haar hoogtepunt bereiken. Tegenwoordig denken wetenschappers dat de warme condities tijdens het Vroeg- Paleogeen vooral veroorzaakt zijn door de hoge concentraties broeikasgassen, en de daarmee geassocieerde terugkoppelingen. Tijdens het PETM is de toegenomen hoeveelheid CO2 in de atmosfeer vergelijkbaar met een toename indien álle fossiele brandstoffen opgebruikt zouden worden. Daarom wordt deze periode wel gezien als de beste analoog voor toekomstige klimaatverandering.

Herstel van de opwarming door een terugkoppeling: fotosynthese

Uit bepaalde waarden van boorkernen blijkt dat het klimaat een periode van 150.000 tot 30.000 jaar nodig had zich te herstellen. Dit is relatief snel ten opzichte van de (huidige) aanwezigheid van de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer dat gedurende een periode van 100.000 tot 200.000 jaar zou moeten verdwijnen. Er moet een mechanisme zijn waardoor de situatie zich zo snel kon herstellen.

De meest aannemelijke manier waarop de extra kooldioxide weer uit de atmosfeer verdween is een toename van de fotosynthese. In het warmere klimaat en door de hoge concentratie CO2 groeiden meer planten en algen die de koolstof in de vorm van organisch materiaal terug brachten naar de zeebodem. Het warme en natte klimaat zorgde ook voor een grotere erosiesnelheid waardoor meer voedingsstoffen de zee in spoelden.

Het Eoceen, 56 tot 33,9 miljoen jaar geleden, was een warme periode.

D050_zonef.jpg (80428 bytes)
Het Eoceen, 56 tot 33,9 miljoen jaar geleden, was een warme periode.

Zo’n 50 – 55 miljoen jaar geleden begon India in botsing te komen met Azië en vormde het Tibetaanse plateau en de Himalaya. Australië, dat aan Antarctica vast zat, begon zich snel noordwaarts te bewegen. Tijdens de warmste periode van het Eoceen, in het Eocene Climatic Optimum omstreeks 54 miljoen jaar geleden, groeiden er zelfs palmen rond de Noordelijke IJszee en 50 miljoen jaar geleden was deze zee bedekt onder een dikke laag van de drijvende zoetwatervaren. Dit alles wijst op een neerslagpatroon in de seizoenen op noordelijke hoge breedtegraden. Van de evenaar tot aan de poolcirkels was de Aarde bedekt met tropisch regenwoud. Er waren loofbossen op de Zuidpool, het was er nat en warm.

De ontdekking dat Antarctica nat en warm was is des te opvallender omdat polaire gebieden voor de helft van het jaar door de stand van de zon donker waren. Om de hoge temperaturen tijdens het Eoceen op polaire breedtegraden te verklaren, werd een verklaring gezocht in de ligging van de continenten op het zuidelijk halfrond. Australië zat tijdens het grootste deel van het Eoceen nog min of meer vast aan Antarctica en de doorgang tussen Antarctica en Zuid-Amerika was gesloten; hierdoor was er geen – huidig aanwezige – isolerende Antarctische circumpolaire. Warme stromingen afkomstig van lage breedtegraden konden daarom destijds de Antarctische kustlijn bereiken en opwarmen. Maar zelfs in afwezigheid van een isolerende circumpolaire stroming zouden de warme oceaanstromingen op lage breedtegraden de Antarctische kustlijn niet hebben kunnen bereiken. In plaats daarvan circuleerde het oppervlaktewater in de vorm van grote kloksgewijs circulerende stromingen.

Antarctische circumpolaire

De westenwinden worden veroorzaakt door lucht die stroomt van de subtropische hoge druk naar de lage drukcellen in de Polar Frontal Zone (blauwe band). De wind wordt westwaarts omgeleid door de Coriolis-kracht. Koude valwinden met hoge snelheden (katabatische winden) die naar het noorden afdalen vanuit de hogedrukcellen boven de Antarctische ijskap, worden naar het oosten geleid en drijven de polaire stroom nabij de kustlijn van Antarctica (grote blauwe pijlen afb. rechts). Hier in de ‘Antarctische pool frontale zone’ dalen de oppervlaktewatertemperaturen heel snel.

Na de koele slotfase van het late Paleoceen (het Oligoceen) stijgt de gemiddelde jaartemperatuur in het Vroeg-Mioceen. Het Midden-Mioceen kent weer subtropische waarden. Ook op wereldschaal is het Midden-Mioceen de warmste tijd van het Neogeen. Het Neogeen is een geologisch tijdperk wat duurde van 23 miljoen tot 2,6 miljoen jaar geleden. Primaten en mensachtigen kwamen in het late Neogeen tot ontwikkeling. Verder ontwikkelden zich de grassen en de kruiden. De Alpiene Orogenese, die begon in het Krijt, had een voortzetting tijdens het Mioceen.

Een ander tijdvak in het Neogeen is het Plioceen, van 5,3 miljoen – 2,5 miljoen jaar geleden.

Tijdens het Plioceen koelde het klimaat geleidelijk af tot de ijskappen op het noordelijk halfrond begonnen te groeien. Het gevolg hiervan was een zeespiegeldaling van wel 50 meter! Op verschillende continenten bestonden al grote groepen zoogdieren. De eerste mensachtigen verschenen tijdens dit tijdvak.

Een belangrijke ontwikkeling tijdens het Plioceen was het ontstaan van de Landengte van Panama als gevolg van de convergente beweging van 2 platen. Hierdoor raakten Noord- en Zuid-Amerika met elkaar verbonden en sloot de verbinding tussen de 2 oceanen zich. Dit had een aantal grote gevolgen.

  • Ten eerste veranderde de zeestroming in de Atlantische Oceaan. In plaats van met het koude water van de Grote Oceaan te mengen zou het warmere water van de Atlantische Oceaan naar het noorden gaan stromen, waardoor de Warme-Golfstroom ontstond. Vooral West- en Noord-Europa kregen daardoor een warmer en natter klimaat. Aan de andere kant kwam de stroom van koud water uit de poolstreken naar het zuiden op gang, zodat het klimaat in de tropische gebieden rond de Atlantische Oceaan juist afkoelde.
  • Een ander gevolg was een grootschalige uitwisseling van diersoorten tussen Noord- en Zuid-Amerika, die de Great-American-Interchange genoemd wordt.

Het Pleistoceen is het tijdvak van 2,5 miljoen tot 11,7 duizend jaar geleden. Het is een onderverdeling van het Kwartair.

Het Pleistoceen was een periode waarin ijstijden (glacialen) optraden, afgewisseld met warmere perioden (interglacialen). Dit tijdvak valt uiteen in drie delen, of series. Elke serie kent meerdere kortere tijdseenheden ofwel etages. Ik verwijs liever voor ’n volledige indeling om het volgende te lezen: Het Pleistoceen – Natuurinformatie

Ik wil me beperken tot het Laat-Pleistoceen.

Het Laat-Pleistoceen omvat 2 tijdseenheden en vormt daarmee de laatste interglaciaal/glaciaal-cyclus van de recente geschiedenis.

  • Het Eemien – 130.000 tot 115.000 jaar geleden en
  • Het Weichselien – 115.000 jaar geleden tot 10.000 jaar voor heden

Het Eemien is het voorlaatste Kwartaire interglaciaal. Op dit moment zitten we in een interglaciaal ná de laatste ijstijd van het Weichselien. De naam Eemien is afkomstig van het riviertje de Eem dat stroomt bij Amersfoort door de Eemvallei naar het IJsselmeer. Door het afsmelten van de grote landijskappen in Noord-Europa en Noord-Amerika stijgt de zeespiegelweer aanzienlijk: 1 tot 2 meter hoger lag dan tegenwoordig. Grote delen van het Nederlandse vasteland worden daarbij, voor het eerst na bijna 1,8 miljoen jaar, weer door de zee overspoeld.

Het Weichselien is de laatste ijstijd en dankt zijn naam aan de rivier de Weichsel in Polen. Glacialen kunnen in stadialen, korte nóg koudere periodes, en interstadialen, korte iets warmere periodes ingedeeld worden. Stadialen zijn perioden waarin het landijs zich uitbreidt. Tijdens het koudste deel van het Weichselien kwam het Scandinavisch landijs tot aan Hamburg, maar bereikte ons land niet. Wel bedekte het Engelse landijs het noordelijk deel van de Nederlandse Noordzee. De ontwikkeling van het klimaat tijdens het Weichselien heeft een fluctuerend verloop. De fase met maximale koude wordt pas tegen het einde van het Weichselien, rond 18.000 jaar geleden, bereikt.

Gedurende het Kwartair is er sprake van een groot aantal ijstijden of glacialen, koude periodes waarin met name op het noordelijk halfrond vaak grote landijskappen ontstonden. Deze cyclische klimaatveranderingen werden allen veroorzaakt door de Milanković-cycli. Met name de Excentriciteit en de Obliquiteit (zie eerder in deze blog).

De glacialen werden afgewisseld met vele relatief warme interglacialen waarin het landijs zich weer terugtrok. In totaal zijn er zo’n 4 grote ijstijden geweest gedurende het Kwartair, maar waarschijnlijk hebben er in totaal ongeveer 20 (kleine en grote) ijstijden plaatsgevonden in deze periode. Op dit moment zitten we in een interglaciaal en komt er over zo’n 100.000 jaar weer een ijstijd. Het is echter ook mogelijk dat we in een interstadiaal zitten, ’n korte iets warmere periode en dat het al veel eerder weer koud wordt. Het Holoceen, dat alleen de laatste 11.700 jaar beslaat, vormt in feite het laatste en nog niet beëindigde interglaciaal waarin we ons nu bevinden.

Geologievannederland.reconstructies-Holoceen

De wereld van het Holoceen

Het Holoceen omvat de afgelopen ruim elfduizend jaar en is een interglaciaal tijdvak waarin de mens de aarde overneemt. Bijna alle uithoeken van de wereld raken bewoond en de natuurlijke ecosystemen worden steeds verder teruggedrongen. Een ecosysteem is het geheel van al het levende en niet-levende in een bepaald gebied: planten, dieren, bodem en klimaat. Al deze onderdelen hebben invloed op elkaar m.b.t. uitwisseling van voedingsstoffen en energie. Met de opkomst van de mens is overal ter wereld de biodiversiteit van dier- en plantensoorten aan het verdwijnen. Nergens in West-Europa kom je nog echt oerbos of roedels wolven tegenkomen, terwijl ze hier van nature wel thuishoren.

Zo’n zesduizend jaar geleden waren beer, eland, oeros en wolf nog onderdeel van de inheemse fauna. In de elfde eeuw werd de bruine beer in ons land uitgeroeid. De laatste wilde wolf werd in 1897 waargenomen in de buurt van Heeze, Noord-Brabant. Maar in juni 2019 was er een verheugende ecologische comeback op de Veluwe waarneembaar: Wolvenpaar-op-de-veluwe-heeft-drie-welpen. Het heeft natuurlijk wél een keerzijde voor de menselijk opgebouwde ecosystemen van toerisme en veehouderijen.

Wereldwijd is het Holoceen de tijd waarin de zeespiegel vrij snel steeg door het smelten van de poolkappen, om vervolgens te stabiliseren tot het huidige niveau. Tegen die tijd kwamen ook de grenzen van woestijnen en gematigde bossen, op hun huidige plaats te liggen. Wat het Holoceen als periode tussen 2 ijstijden in zo bijzonder maakt is dat het al vele duizenden jaren een redelijk stabiel klimaat kent. Eerdere interglacialen kenden forse, maar ook minder heftige klimaatschommelingen.

Binnen het Holoceen zijn er ook in Nederland, nog wel merkbare kleinere variaties geweest. Zo is er vroeg in het Midden-Holoceen (ca. 9200-5700 jaar geleden) een natte periode geweest die vrijwel zeker heeft bijgedragen aan een grote uitbreiding van het hoogveenareaal. Ook zijn er relatief kleine verschillen geweest in jaartemperaturen. Een bekend voorbeeld is de ‘kleine ijstijd’, tussen de vijftiende en negentiende eeuw. De gemiddelde jaartemperatuur lag toen ongeveer een halve graad onder het gemiddelde in het Holoceen. De beduidend strengere winters in die periode vinden we nog terug op schilderijen waarin heel Nederland op het ijs schijnt te leven.

In het Vroeg-Holoceen, zo’n 10.000 jaar eerder, was Engeland verbonden met Nederland via een brede landbrug. Dit was Doggersland, een uitgestrekt gebied op de bodem van de droogliggende zuidelijke Noordzee. Het bestond uit heuvelachtig laagland met hier en daar een rivier door een glooiend parklandschap. De zeer lage zeespiegel werd veroorzaakt door smeltende ijskappen in het Noordpoolgebied na de laatste ijstijd, het Weichselien. In het vroeg Holoceen was er nog een laatste staartje merkbaar van een mondiale opwarming!

Doggerland of Doggersland was een uitgestrekt gebied tussen Engeland en continentaal Europa. In periodes met een lage zeespiegelstand was dit gebied onderdeel van de droogliggende bodem van de zuidelijke Noordzee. Dit was het geval tijdens elke ijstijd. De laatste keer vond dat plaats tijdens het Weichselien, de koude periode die zo’n 11.000 jaar geleden eindigde.

Doggerland had een rijk landschap van heuvels, rivieren en meren en een kustlijn met lagunes, moerassen en stranden. Het had bossen van eiken, iepen, berken, wilgen, els, hazelaar en dennen. Het was de thuisbasis van paarden, oerossen, herten, elanden en wilde varkens. Watervogels, otters en bevers wemelden in moerasgebieden en in ondiepe wateren, meren en rivieren wemelden ’t van vissen. Het was waarschijnlijk het rijkste jacht- en visgebied van Europa in die tijd en had een belangrijke invloed op het verloop van de prehistorie in Noordwest-Europa omdat maritieme en rivier-gebaseerde samenlevingen zich aan deze omgeving aanpasten.

Oceanische stromingen en de aanzet tot het huidige klimaat.

Zo’n 15.000 jaar geleden begon het klimaat op te warmen en de ijskappen begonnen te smelten. Twee duizend jaar later werd de opwarming plotseling onderbroken. Het vrijkomen van enorme hoeveelheden aan ijs gebonden zoet water, had invloed op de oceaanstromingen dus ook op de Golfstroom. Dit had weer gevolgen voor de grootschalige luchtcirculatie wat leidde tot een plotselinge afkoelperiode. Staat ons dit opnieuw te wachten?

Oceanische circulatie is samen met de Atmosferische circulatie de manier waarop warmte en afkoeling worden verspreid over het aardoppervlak.

Gerelateerde afbeelding

“Het belangrijkste klimaateffect waar Nederland mee te maken krijgt, is niet de temperatuurverandering maar de zeespiegelstijging. Daar maak ik me nog veel meer zorgen over. Er zijn hoe langer hoe meer indicaties dat het met Antarctica behoorlijk mis gaat. Met een blijvende instabiliteit van Antarctica, zal de snelheid van de zeespiegelstijging enorm toenemen. In het ongunstigste scenario hebben we zes meter stijging in 2200. Daar moet Nederland zich op voorbereiden.” aldus journalist en redacteur Han van de Wiel, auteur van een verslag in Down to Earth

Windgedreven oceaancirculatie

Figuur 1: Schematische weergave van de windgedreven oceaanstromingen aan het oppervlak [bron: NOC]
Bron KNMI

De oceaancirculatie vertoont grote variaties op diverse tijdschalen, en de afbeelding schetst dus een te eenvoudig beeld van de stromingen aan het zeeoppervlak. De aanwezigheid van deze variaties, in termen van wervels, heeft een beduidend effect op de gemiddelde circulatie. Wervels zijn bovendien van groot belang voor het warmtetransport in de oceaan, voor menging en voor het energieverlies door wrijving. Variaties in de oppervlaktecirculatie kunnen verschillende oorzaken hebben:

  • De oceaan kan passief reageren op veranderingen in de atmosferische windsterkte.
  • De variaties kunnen ontstaan door terugkoppelingen tussen veranderingen in de circulatie in de atmosfeer en in de oceaan, zoals bij El Niño en Moessons.
  • Interne processen in de oceaan zelf kunnen aanleiding geven tot variabiliteit.

Op de volgende koppeling zijn de zeestromingen en wervels in detail te volgen earth.nullschool.net. Klik op Earth en in het menu zie je Mode / Air –Ocean…..Animate Currents. Door met de cursor ingedrukt op de kaart te schuiven zie je de North Equatorial Current en Countercurrent en zelfs de Antarctic Circumpolar Current. Ook is de Agulhas Current te volgen, links van de Indian Ocean en zelfs dat deze stroming warm water lekt. In het volgende opmerkelijke artikel lees je hoe de-stromen-van-het-weer een cruciale rol spelen in de afkoeling en de opwarming van de Aarde.

Oceanen zijn de levensader van de Aarde, de natuur en al haar bewoners, omdat de wisselwerking van alle oceanen met de atmosferische circulatie een cruciale rol speelt in het klimaat van onze planeet. Zeestromingen bestaan uit horizontale en verticale componenten van het circulatiesysteem van oceaanwater dat wordt geproduceerd door zwaartekracht, windwrijving en variatie in waterdichtheid in verschillende delen van de oceaan.

De zeestromingen links van de kaart vervolgen in stromingen rechts van de kaart: 2 warm=19 warm // 3 warm =20 warm
major-global-ocean-currents

1. Pacifische Noordequatoriale stroom aangeduid als North Equatorial Current.

Deze zeestroming voert vanaf de westkust van Mexico (rechts) de oceaan over richting de Filippijnen (links). Het is voor een groot deel een voortzetting van de zuidwaarts gaande Californische stroom (rechts) en sluit uiteindelijk met de Noordequatoriale stroom weer aan bij de zeestroom Kuroshio (links). Ten zuiden van de Pacifische Noordequatoriale stroom ligt de Pacifische Equatoriale tegenstroom die in oostelijke richting stroomt. Ten noorden van de North Equatorial Current ligt de warme North Pacific Drift, die voornamelijk door de wind wordt gedreven.   

Gyre = ringvormige zeestroming. Noord-Pacific drift/gyre midden bovenste

De Equatoriale tegenstroom (counter current)

Pacific Noordequatoriale Tegenstroom: Pacific NECC is de belangrijkste oostwaartse>> oppervlaktestroming vanuit de warme <West Pacific (Azië) naar de koelere Oost-Pacific (Z-Amerika)>>. De NECC heeft een uitgesproken seizoensgebonden cyclus in de Pacifische Oceaan (alsook in de Atlantische Oceaan). De stroming heeft een maximale sterkte in de late noordelijke zomer en begin noordelijke herfst en een minimale sterkte in de late noordelijke winter en het noordelijke voorjaar.

De NECC is een bijzondere stroming omdat die, hoewel ‘t ‘n door de wind aangedreven circulatie betreft, water transporteert tegen de gemiddelde westwaartse windrichting in de tropen (de passaten). Bovendien verdwijnt deze tegenstroming in de Atlantische Oceaan in de late winter en het vroege voorjaar.

Theoretische achtergrond van deze tegenstroming

Het NECC is een directe reactie op de meridionale verandering van door de wind aangedreven wervelingen in de buurt van de Intertropical Convergentie Zone. Voor ’n deel dankt de tegenstroming zijn bestaan ​​aan het feit dat de ITCZ ​​niet op de evenaar ligt, maar enkele graden noordelijker. De verandering in de Coriolis beweging over de evenaar in combinatie met de ITCZ ​​is gelegen ten noorden van de evenaar en leidt tot een gebied van convergentie en divergentie in de verschillende oceanische lagen. Dit resultaat wordt verkregen door de Ekman spiraal.

Afbeeldingsresultaat voor ekman theorie oceaanstroming
De Ekman-spiraal beschrijft hoe de horizontale wind de oppervlaktewateren in beweging zet. Zoals weergegeven door horizontale lijnen, veranderen de richting en ook de snelheid van waterbeweging met toenemende diepte. Bron: Planeet Zee

Nog een opmerkelijk gegeven: De Pacific NECC is sterker tijdens warme oplevingen van de El Niño-Southern Oscillation (ENSO). Een sterker dan normaal NECC zou volgens de Amerikaanse oceanograaf Klaus Wyrtki wel ‘ns de oorzaak van een El Niño kunnen zijn vanwege het extra volume warm water dat het naar het oosten voert.

De aansluitende zeestromingen in de Pacifische Oceaan
  • Kuroshio (Japan Current 18 op kaart) is een warme golfstroom in het noordelijke deel van de Pacifische Oceaan en is een voortzetting van de Noord Equatoriale Stroom. De aanwezigheid van de warme Kuroshio heeft belangrijke klimaatbepalende gevolgen voor Japan, vergelijkbaar met het klimaateffect van de Warme Golfstroom in de Atlantische Oceaan voor Europa.

Het gebied ten zuiden van deze stroom tot aan de Noordequatoriale stroom staat ook wel bekend als een ‘zeewoestijn’ omdat er maar weinig grote vis in dit gebied zwemt. Er is daar wel een grote hoeveelheid plankton. Het gebied in het noorden van de Pacific is nu bekend door de enorme hoeveelheden plastic en ander afval dat daar bijeengedreven wordt. Het afval verzamelt zich juist op deze plek, doordat de grote ringvormige zeestroom in deze oceaan, het afval spiraliserend bij elkaar drijft.

  • De Oyashio (Okhotsk, 8 op kaart) is een koude subarctische oceaanstroom die zuidwaarts en linksom stroomt in de noordwestelijke Pacifische Oceaan. Ze botst met de Kuroshio om op deze manier de North Pacific Current te vormen. De koude stroom loopt via de Beringstraat in zuidelijke richting en brengt zo koud water uit de Noordelijke IJszee naar de Pacifische Oceaan. Het water van de Oyashio is rijk aan nutriënten (voedingsstoffen) en is bijgevolg rijk aan vissen. Uiteraard heeft ook deze stroming een belangrijke invloed op het klimaat in de regio.
  • De Kamchatka is een koude zeestroom die ten zuidwesten van de Beringstraat stroomt, langs de kust van de Siberische Stille Oceaan en het schiereiland Kamchatka. Een deel van deze stroom wordt dan de Oyashio-stroom, terwijl de rest zich aansluit bij de warmere Noord-Pacifische stroom.
  • De Alaska current is een warme zeestroming. De stroom vloeit voort uit de noordwaartse omleiding van de Noord Pacific Drift. De Alaska Current produceert 2 grote wervelingen met de klok mee: The Alaska Current en de Alaska Coastal Current
Afbeeldingsresultaat voor The Alaska Current en de Alaska Coastal Current
  • De Californische stroom is een zeestroom in de Pacifische Oceaan, die zuidwaarts beweegt langs de kust van Noord-Amerika tot het zuiden van Californië. Het is een van de grote opwellingsgebieden en vormt het oostelijke deel van de Noord-Pacifische gyre. Door de verplaatsing van relatief koud noordelijk water naar het zuiden is het kustwater aan de westkust van de Verenigde Staten kouder dan het water op dezelfde breedtegraad aan de oostkust. Opwelling van koud water uit de diepte zorgt voor een verdere afkoeling.

2. Pacifische Zuidequatoriale stroom aangeduid als South Equatorial Current. Onder deze zeestroom cirkelt de Zuid-Pacifische gyre.

De Humboldt- of Perustroom

Voor de westkust van Zuid-Amerika ligt een diepe kloof in de oceaanbodem die is ontstaan doordat twee tektonische platen tegen elkaar aanbotsen en (nog steeds) onder elkaar door schuiven. Dat zorgt aan de ene kant voor een enorm diepe kloof, aan de andere kant voor het ontstaan en het nog steeds verder aangroeien van het Andesgebergte. Zie ontstaan-van-het-Andesgebergte. Hier vinden we één van de grootste niveauverschillen ter wereld terug. Van het diepste punt van de kloof tot het hoogste punt van de Andes is ongeveer 15 km.

De Humboldtstroom is een koude golfstroom en heeft een laag zoutgehalte. Het koude water stijgt op en het opwellende water brengt mineraalrijk water van de zeebodem naar boven, wat aan fytoplankton voedingsstoffen biedt, zodat gebieden van opwelling rijk aan zeeleven zijn.

Omdat het een koude golfstroom is, levert deze stroming mist aan de nabijgelegen kust, maar helpt het tevens om de kust één van de meest intens droge gebieden ter wereld te maken. Want zowel Chili als Peru hebben te maken met een heel droog woestijnklimaat aan de kust. Ten westen van de smalle kuststrook van beide landen is er de koude golfstroom waardoor niet voldoende water verdampt om neerslag te vormen. Wat wel het geval is in Ecuador en Colombia waar de kustwateren warm zijn, wat meer verdamping dus neerslag geeft. Aan de andere kant van die smalle kuststrook ligt het hoog oprijzende Andesgebergte. Alle neerslag die van uit het oosten komt, bijvoorbeeld van over het Amazonegebied, botst letterlijk frontaal tegen de oostflanken van de Andes en valt aan die zijde uit als overvloedige neerslag. De oostzijde van de Andes is dan ook op veel plaatsen subtropisch.

De westkant daarentegen blijft dor. Beide fenomenen zorgen er samen voor dat weinig of geen neerslag de kusten van Chili en Peru bereikt en zorgen hier voor het ontstaan van twee van de meest droge gebieden ter wereld, de Sechura-woestijn in Peru en de Atacama-woestijn in noordelijk Chili. Sommige gebieden krijgen een half uur neerslag gespreid over twee jaar tijd!

Atacama-woestijn in Chili
Sechura-woestijn in Peru

De Sechura-woestijn beslaat een oppervlakte van 188 vierkante km. Hoewel geclassificeerd als woestijn vanwege de geringe hoeveelheid neerslag die jaarlijks wordt ontvangen, is deze woestijn blootgesteld aan stormen die voortvloeien uit de Stille Oceaan en overstromingen door rivieren. De woestijn wordt regelmatig overstroomd tijdens de El Niño-jaren. (later meer over El Niño)

Nabij Ecuador, het noordwesten van Zuid-Amerika, wordt de Pacifische Zuidequatoriale stroom direct aangedreven door passaatwinden die van oost naar west waaien. De Oost-Australische stroom, (East Australian Current), is een warme oceaanstroom die water ‘tegen de klok in’ naar de oostkust van Australië verplaatst. Het is de grootste oceaanstroom nabij Australië. Dit proces veroorzaakt draaikolken.

De Oost-Australische stroom vindt haar oorsprong in de tropische Koraalzee van waar ze water brengt dat arm is aan voedingsstoffen naar de koudere Tasmanzee. Dit proces veroorzaakt draaikolken.
Overigens aan de kust van Oost-Australië bevindt zich de Greatbarrierreef dat nu aan het verbleken is……

Video coral-reefs-climate-change

Video David-Attenborough-save-the-great-barrier-reef

Video The-perfect-coral-reef-David-Attenboroughs-great-barrier-reef-an-interactive-journey. David Attenborough over het kunnen overleven van het koraalrif:

“Is er nog een toekomst voor de koraalriffen, deze kostbare oceaanschatten? Dat hangt helemaal af van hoe snel de oceanen opwarmen en hoe warm de zeeën worden. Maar er is nog hoop, dankzij de manier waarop koralen zich voortplanten. Ieder jaar is er slechts één nacht waarin de volle maan ’n bijzondere gebeurtenis opwekt. Dan gaan de koralen paaien d.w.z. kuitschieten. Hele riffen planten zich op exact ’t zelfde moment voort. Miljarden en nog eens miljarden bevruchte eitjes drijven weg. Ze worden meegevoerd door oceaanstromingen. Dit gebeurt niet alleen bij koralen, maar ook bij veel andere bewoners van het rif. Jonge bevruchte eitjes worden door de oceanen meegevoerd, om veilige plekjes op te zoeken waar ze hun leven kunnen beginnen en riffen te vormen. We weten misschien niet hoe de toekomst van onze oceanen er uitziet, maar koralen kunnen opnieuw aangroeien. Zolang ’n paar riffen ’t overleven, is er nog een sprankje hoop

Maar er is gelukkig nog meer hoop! Sommige oorzaken dat koraalriffen achteruit gaan, kunnen door de mens worden weggenomen: https://www.coralgardening.org/nl/oorzaken/

Afbeeldingsresultaat voor tonga kaart
Locatie Tonga-Islands

Het nu volgende is ook een natuurlijk fenomeen, een cyclische ingreep op de passaatwinden, die gemiddeld elke 3 à 7 jaar plaatsvindt op de Pacifische Oceaan tussen de Zuid-Amerikaanse kust bij Peru en Australië/Indonesië aan de andere kant van de oceaan.

El Niño van 350.000 jaar geleden terug te vinden in koralen

De ‘jaarringen’ in fossiele koralen uit het tropische deel van de Stille Oceaan blijken karakteristieken te vertonen op basis waarvan het mogelijk is om de veranderingen in de temperatuur van het zeewater te reconstrueren. Daaruit komt naar voren dat El Niño ook al zo’n 350.000 jaar geleden terug te vinden is… Tom van Loon 06 mei 2004 Kennislink

El Niño

De El Niño van 1997-’98 wordt beschouwd als één van de krachtigste ENSO-gebeurtenissen uit de geschiedenis, wat resulteerde in wijdverspreide droogtes, overstromingen en andere natuurrampen over de hele wereld.
ENSO staat voor El Niño – Southern Oscillation.

El Niño betreft een klimaatcyclus in de Pacifische Oceaan dat zich eens in de 3 tot 7 jaar herhaalt. Deze cyclus wordt bepaald door de oostelijke passaatwinden, die van de Zuid-Amerikaanse westkust langs de evenaar in de richting van Indonesië waaien. De passaatwinden stuwen in cycli opgewarmd water op, waardoor de zeespiegel aan de westkant van de oceaan enkele decimeters hoger is dan in het oosten.

Passaatwinden aan de evenaar

Normaal gesproken wordt het water voor de westkust van Zuid-Amerika aangevoerd door de zuidelijke stroming van de Humboldtstroom die koud water uit het Antarctisch gebied brengt. Een El Niño begint met het opstuwen van warm oceaanwater door passaatwinden in de richting van Indonesië. Langs de westkust van Zuid-Amerika verschijnt koeler water aan de oppervlakte ter vervanging van het weggewaaide water.

Wanneer door natuurlijke factoren op gezette tijden, in de westelijke Pacifische Oceaan westerstormen zich gaan ontwikkelen die het warme water terugduwen naar Zuid-Amerika, en op deze manier de oostelijke passaatwinden verstoren, is El Niño begonnen. In een El Niño-jaar wordt er dus een stroming in gang gezet, die tropisch oceaanwater uit de omgeving van Indonesië en de Filipijnen westwaarts voert richting West-Amerikaanse kust. Dat warme water bevat veel minder voedingsstoffen en dus ook veel minder vis. Voor de Zuid-Amerikaanse vissers betekent dat een economische ramp.

Bovendien verdampt het opgewarmde oceaanwater sneller dan normaal, waardoor het normaal gesproken uitzonderlijk droge gebied in een jaar van El Niño wordt geteisterd door zware regenval. Aanvankelijk komt de regen goed van pas voor de landbouw, maar overvloedige regen leidt in de Andes vaak tot aardverschuivingen en modderlawines die in bewoonde gebieden rampzalige gevolgen kunnen hebben. Aan de andere kant van de Pacifische Oceaan, van Australië tot Indonesië, leidt El Niño juist tot een periode van uitzonderlijke droogte, met aldaar grote gevolgen voor de landbouw.

Maar in wezen is het een atmosferisch en oceanisch fenomeen, dat voor een natuurlijk evenwicht zorgt, links en rechts van de oceaan. El Niño’s zijn er niet op uit om mensen te treiteren en te ruïneren, zoals veel mensen dat wél doen….

El Niño behoort tot de grootste natuurlijke klimaatschommelingen op de aarde. Het is de benaming voor een buitengewone opwarming van het zeewater in de Pacifische Oceaan en de gevolgen daarvan. Normaal koelt warm zeewater relatief snel af. Bij ’n El Niño echter kan een afwijking van een paar graden, enkele maanden achtereen blijven bestaan omdat de opwarming ook de wind beïnvloedt. Tijdens El Niño wordt daardoor warm water aangevoerd naar de westkust van Zuid-Amerika en wordt verhinderd dat koud water uit de diepe oceaan omhoog komt. Ook het feit dat boven het warme water van een El Niño meer stormen voorkomen bleek een grote rol te spelen. Het is de sleutel voor maand- en seizoensverwachtingen en biedt mogelijkheden om ook de gevolgen van  weersomstandigheden, zoals aanhoudende droogte of overvloedige regen te voorspellen. Overigens met de opwarming van de Aarde is het maar de vraag, of er een verandering optreedt in de frequentie van ’n El Niño. El Nino in een veranderend klimaat (Kennislinkartikel van KNMI)

Het ontstaan van een El Niño is gekoppeld aan twee voorwaarden:

  • In de eerste plaats moet er in het westen van de Pacifische Oceaan meer warm water zijn dan normaal. De passaatwinden stuwen continu het door de zon opgewarmde oppervlaktewater richting Indonesië. Daar ontstaat een dikke laag warm water, terwijl langs de kust van Peru juist koel water bovenkomt.
  • Ten tweede moet het warmere water naar Zuid-Amerika teruggeduwd worden. In sommige jaren woeden in dit gebied gedurende de regentijd (oktober tot en met april), westerstormen die tegen de richting van de passaat in het water terugduwen naar Zuid-Amerika.

La Niña

Bij La Niña, de tegenhanger van El Niño, zijn de zeewatertemperaturen in een deel van de Stille Oceaan nabij de evenaar uitzonderlijk lager dan normaal. De oostelijke passaatwind is dan juist sterker. Door deze sterkere passaatwind komt meer koud water uit de diepe oceaan aan de oppervlakte. La Niña leidt in het voorjaar vaak tot kouder weer in het noorden van Zuid-Amerika terwijl Mexico een warmere lente mag verwachten. In de tropische en noordelijke Atlantische Oceaan, met uitzondering van de grote Antillen, wordt het voorjaar warmer dan normaal. Op de Filippijnen veroorzaakt La Niña vrijwel altijd meer regen dan normaal in de droge tijd die daar inmiddels is begonnen. Het noordoosten van Brazilië heeft meer kans op natter weer dan normaal.

ENSO

In plaats van El Niño is het beter te spreken over ENSO. (El Niño Southern Oscillation). Dit is een samenvoeging van El Niño, La Niña en de Zuidelijke Oscillatie in de atmosfeer. Drie verschijnselen die samen een onderling verband hebben. In de Stille Oceaan is altijd een van de drie situaties aanwezig. Om te weten in welke situatie we nu zitten, kijken we naar de NINO3-index. ENSO (El Niño / La Niña) – Vereniging voor Weerkunde en Klimatologie

Zuidelijke Oscillatie (NINO3=0)
Thermocline is de overgang tussen twee lagen water (of lucht) met verschillende temperatuur en dichtheid.


Aan de westkust van Zuid-Amerika komt koud zeewater omhoog. Oostelijke winden brengen dit water naar het westen. Tegen de tijd dat Azië wordt bereikt, is het zeewater vijf graden warmer. Boven dit warme zeewater stijgt lucht op en regent het vaker, dan bij het koude zeewater van Amerika. Door de opstijgende lucht wordt de luchtdruk lager en wordt de oostelijke passaatwind versterkt. Het patroon houdt zichzelf in stand.

El Niño (NINO3=hoog)

Tijdens deze situatie is de westkust van Zuid-Amerika opgewarmd. Hierdoor verandert de druk en wordt de oostpassaat minder sterk. Het zeewater stroomt niet zo snel meer weg en het warme water wordt nog warmer. De passaatwind wordt hierdoor nóg zwakker. Het regengebied dat normaal boven Indonesië ligt, is nu naar het midden van de Pacifische Oceaan verschoven. Uitlopers van deze regengebieden bereiken in de eerste maanden van een El Niño-jaar de kust van Zuid Amerika en ook landinwaarts. Deze regen kan veel schade aanrichten in de bergen van de Andes.

La Niña (NINO3=laag)
Tijdens deze situatie is de westkust van Zuid-Amerika koeler dan normaal. Hierdoor versterkt de oostpassaat en valt veel regen in Azië en Australië. De sterke oostpassaat stuwt veel warm water weg van de kust van Zuid-Amerika.

Invloed El Niño en La Niña op het weer in de wereld
Omdat El Niño een sterker verschijnsel is dan La Niña, is het verband met het wereldweer bij El Niño altijd sterker gebleken. Tijdens een El Niño blijkt vooral rond de evenaar veel invloed te zijn. Droogte komt voor in Indonesië, Noord-Australië en de Filippijnen. Aan de kust van Zuid Amerika en midden op de Pacifische Oceaan regen. Droogte komt ook voor in de Amazone en in zuidelijk Afrika. Oost Afrika heeft weer hevige regenval. Ook Noord-Amerika ondervindt invloed tot in Alaska aan toe. Ook heeft El Niño invloed op de orkaanactiviteit in verschillende delen van de wereld. 

Europa ligt buiten de belangrijkste banen met invloeden van El Niño. De effecten zijn hier dan ook zeer klein. In Spanje en Portugal valt in de herfst bij El Niño iets meer regen. In het voorjaar na een sterke El Niño krijgen we in Nederland en verder naar het oosten vaak een nat voorjaar, terwijl Oost-Spanje dan iets droger en warmer is. In delen van Scandinavië is de winter bij El Niño gemiddeld wat strenger dan normaal, maar op het winterweer in Nederland heeft El Niño geen aantoonbare invloed.

3. Indische Zuidequatoriale stroom aangeduid met South Equatorial Current

De rol van oceaanstromen en de Indische Oceaan:

  • Het oceaanstromingssysteem van de Indische Oceaan wordt grotendeels gecontroleerd en aangepast door landmassa’s en moessonwinden. De stromingen in de noordelijke Indische Oceaan veranderen hun stroomrichting twee keer per jaar als gevolg van noordoostelijke en zuidwestelijke moessonwinden.
  • Een moesson is een wind die waait in de tropen. De wind waait de ene helft van jaar de ene kant op en de andere helft van het jaar de andere kant op. Doordat de wind draait verandert het weer. Je hebt droge moessons en natte moessons. De bekendste moesson waait in het noorden van India. Van januari t/m maart waait hier een droge moesson vanuit het noordoosten. Van juni t/m september waait er een natte zuidwestelijke moesson. Deze wind brengt vanuit het zuidwesten hevige regenval mee. De moessonregens kunnen voor overstromingen zorgen, maar als ze uitblijven ontstaat er juist droogte. In zo’n moesson kan er soms net zoveel regen vallen als in een heel jaar in West-Europese landen valt.
  • Video uitleg moessons.

North-East Monsoon Current (Warm):

  • Noordoostelijke moessonwinden waaien vanaf het land naar de oceaan tijdens het winterseizoen op het noordelijk halfrond. Aldus worden in het westen noordoostelijke moessonstromen geproduceerd in de Indische Oceaan.

South-West Monsoon Current (Warm):

  • Omkering van de richting van de moessonwinden keert ook de richting van de oceaanstromingen van de Indische Oceaan tijdens het zomerseizoen om. Noordoostelijke moesson oceaanstromen verdwijnen en zuidwest moesson oceaanstromen worden ontwikkeld.
  • De algemene richting van de moessonstromen is van zuidwest naar noordoost, maar verschillende kleine takken komen uit de hoofdtak en verplaatsen zich in de Golf van Bengalen (rechts van India) en de Arabische Zee (links van India).
Het Himalaya-gebergte speelt hier een cruciale rol

Rol van de koude Somalische stroom:

  • De Somalische stroming verandert om de zes maanden van stroomrichting. Tijdens de noordoostelijke moesson stroomt de Somalische stroom naar het zuidwesten, terwijl het tijdens de zuidwestelijke moesson een belangrijke westelijke grensstroom is. Er komt een lagedrukgebied langs de oostkust van Somalië.
  • Na elke zes of zeven jaar, wordt het lagedrukgebied in de westelijke Arabische Zee een hogedrukgebied. Zo’n omkering resulteert in een zwakkere moesson in India.

Regensystemen en regenval

  • Er zijn twee regensystemen in India. De eerste is afkomstig uit de Golf van Bengalen en veroorzaakt regenval over de vlakten van Noord-India. De tweede is de stroom van de Arabische Zee van de zuidwest moesson die regen brengt naar de westkust van India.
  • De frequentie van tropische depressies die uit de Golf van Bengalen komen, varieert van jaar tot jaar. Het pad van deze depressies blijkt ook te veranderen met de positie van de ITCZ (Intertropische convergentie zone, waarover later meer). De hoeveelheid neerslag in Noord-India varieert met de frequentie van de tropische depressies. Gemiddeld worden elke maand één tot drie depressies waargenomen en de levensduur van één depressie is ongeveer een week.
  • Er kan echter een vertraging optreden in het moessonsysteem boven India. De belangrijkste reden voor deze vertraging is gelegen in de circulatie van de bovenlucht. Het blijkt dat het thermisch effect van de Himalaya’s op een hoogte van 5 km. net zo belangrijk is voor de ontwikkeling van de zomermoesson als de temperatuurverschillen tussen het Aziatische continent en de Indische Oceaan. Door de ligging van het hoge Himalaya-gebergte wordt vanaf het voorjaar veel warmte getransporteerd naar de bovenste lagen van de troposfeer (de onderste laag van de atmosfeer tot 18 km hoogte). Door dit warmtetransport ontwikkelt er zich een hogedrukgebied in de bovenlucht: Het Tibetan High. Hierdoor verschuift de westelijke straalstroom in de bovenlucht vrij plotseling naar het gebied ten noorden van de Himalaya’s en maakt plaats voor de Tropical Easterly Jet.
Afbeeldingsresultaat voor tropical easterly jet

De vorming van Tropical Easterly Jets resulteert in de omkering van bovenste luchtcirculatiepatronen: Hoge druk schakelt naar lage druk, en leidt tot het snel begin van moessons.

Waarnemingen hebben aangetoond dat de intensiteit en duur van de verwarming van het Tibetaanse plateau: Plateau-of-Tibet, een directe invloed heeft op de hoeveelheid regenval in India door de moessons.
Wanneer de zomertemperatuur van de lucht boven Tibet voldoende lang hoog blijft, helpt dit bij het versterken van de oostelijke jet en resulteert in zware regenval in India.
De oostelijke straalstroom zal niet ontstaan als de sneeuw op het Tibet-plateau niet smelt, en zal de regenval in India belemmeren.
Daarom zal elk jaar wanneer er veel en wijdverspreide sneeuw ligt op het Tibet-plateau worden gevolgd door een jaar van ’n zwakke moesson en weinig regenval.

Door de verandering van windrichting wordt er ook een andere luchtsoort aangevoerd, waardoor het weerbeeld sterk verandert. Daarom wordt ook wel gesproken van de natte moesson en de droge moesson. Tot begin juni is het noorden van India droog, maar in juni, juli en augustus valt er net zoveel regen als tijdens een volledig jaar in West-Europese landen. Daarna blijft het weer droog tot in juni de volgende moesson aanbreekt. Het klimaat wordt, vooral benoorden de evenaar, beheerst door het Aziatische vasteland. Voor Zuid-Azië splitst het zeegebied benoorden de 8 graden noorderbreedte in twee delen: de Arabische Zee en de Golf van Bengalen.

Arabische Zee
Golf van Bengalen

Door de ligging van het vaste land is het permanente hogedrukgebied op 30° Noorderbreedte (=Paardenbreedte tussen 25° en 45°) dat we op oceanen aantreffen, niet aanwezig.

Afbeeldingsresultaat voor paardenbreedten

Intertropische Convergentiezone

Gedurende de noordelijke zomer ontwikkelt zich boven het vasteland van Azië een lagedrukgebied, waardoor de Intertropische Convergentiezone (ITCZ) van lage druk zich tot 30° noorderbreedte kan verplaatsen.

Afbeeldingsresultaat voor tropical easterly jet
Afbeeldingsresultaat voor itcz
De Intertropische convergentiezone (ITCZ) is de zone met stijgende luchtbewegingen in de buurt van de evenaar. De wind kan er soms dagen of weken zeer zwakjes waaien, of zelfs helemaal gaan liggen.
Uitleg-van-de-intertropische-convergentiezone-itcz.

De Agulhasstroom

Dit is een Live-beeld van de Agulhasstroom 25-8-2019 onder de punt van Zuid-Afrika.
Deze warme stroming varieert in ’n oppervlaktetemperatuur van 14 ° tot 26 °C.
Sea-surface-temperature-and-the-Agulhas-current.

Bij de Kaap de Goede Hoop,vroeger de Stormkaap genoemd, ontmoet deze stroming uit de Indische Oceaan, een veel koudere en snellere oceaanstroming afkomstig van de koude streken van de zuidpool, de Westendrift. Op het punt waar de golfstromen elkaar ontmoeten ontstaan immense krachten op schepen door de hoge opzwiepende golven en draaikolken. Voortgang onder gunstige wind kunnen door een plotseling zeestroomwijziging, zomaar weer ongedaan gemaakt worden. De Agulhas-stroom is met een breedte van 100 kilometer een smalle zeestroming, maar wel één van de krachtigste ter wereld met een geschatte stroomsnelheid van 9,3 km per uur.

Afbeeldingsresultaat voor meteo maarssen de vliegende hollander
De Vliegende Hollander, sage Bron: Meteo Maarssen

De Agulhasstroom lekt regelmatig om de paar maanden warm water, al héél lang……al tijdens de IJstijden! Mogelijk zetten deze lekkages aan tot het einde van ijstijden. En deze kunnen, zeker nu met de wereldwijde opwarming, ook direct de moessons in Azië gaan beïnvloeden en de koude Westenwinddrift rond Antarctica……

Westenwinddrift of Circumpolaire stroming

De Antarctische oostelijke kuststroming (3 dikke blauwe pijlen) is een tegenstroming van de westenwindstroom en wordt voornamelijk aangedreven door oostenwinden ten zuiden van 66 ° ZB: Polar Easterly’s.

Afbeeldingsresultaat voor polar easterlies

De stroming is Barotroop (dit is een aanduiding voor een gelaagdheid van de atmosfeer of hydrosfeer, waarbij de vlakken van gelijke druk, in dit geval hogedruk Polar High, samenvallen met de vlakken van gelijke dichtheid). Thermohaline-effecten (door dichtheid van het koude en zoute water) kunnen hierbij dus ook belangrijk zijn.

094.jpg (122794 bytes)

Zo’n 90 miljoen jaar geleden lag Australië en Zuid-Amerika nog tegen Antarctica aan wat er voor zorgde dat de oceaanstromingen heel anders waren.
Tegenwoordig stroomt de sterkste oceaanstroming van de aarde in de zuidelijke oceaan om Antarctica heen. Dit is de Antarctische Circumpolaire Stroming. Hier wordt het zeewater met de klok mee rond het continent gepompt. Deze stroming verplaatst wel 52 duizend zwembaden met water en dat iedere seconde!

De Antarctische circumpolaire stroming stroomt vrij snel rond Antarctica en daarmee wordt voorkomen dat warme stromingen vanuit tropische gebieden Antarctica kunnen bereiken en daardoor blijft Antarctica ijskoud, voorlopig althans!
Zo zie je dat de oceaanstroming in de zuidelijke oceaan bepaalt hoe Antarctica er nu uit ziet. Een wit en ijzig continent, maar dat is niet altijd zo geweest.
Zo’n 50 miljoen jaar geleden, toen Australië en Zuid-Amerika heel dicht tegen Antarctica aan lagen bestond de Antarctische Circumpolaire Stroming nog niet.
Het zeewater moet dus heel anders hebben gestroomd in die tijd. En als de snelle Antarctische Circumpolaire Stroming er toen niet was, was er dan ook geen sprake van een ijskoud Antarctisch continent?

Om al die vragen te beantwoorden wordt er onderzoek gedaan aan oceaanbodem-sedimenten uit de zuidelijke Oceaan. Die opgeboorde sedimenten bestaan uit zand, klei, maar ook kleine fossielen. Die zijn eigenlijk neer gedwarreld op de oceaanbodem in vele miljoenen jaren tijd. Nu is te zien dat sommige fossielen stekeltjes hebben, andere zijn rond en weer andere hebben geen stekels. En het blijkt dat fossielen met stekels karakteristiek zijn voor warme oceaanstromingen, terwijl die zonder stekels juist karakteristiek zijn voor koude oceaanstromingen. Dus kunnen kan er aan de hand van de samenstelling van die fossielen in die sedimenten gekeken worden hoe die oceaanstromingen destijds gelopen hebben. Bron: schooltv

4. Atlantische Zuidequatoriale stroom aangeduid met South Equatorial Current.

De Benguelastroom is gedeeltelijk afkomstig uit de koude zeestroom rond Antarctica, en gaat gepaard met hevige winden. Bij Kaap Hoorn ontmoet deze stroming de warme Agulhasstroom, die daar een draai maakt. Op de bovenstaande kaart is duidelijk de onstuimigheid die deze 3 stromingen veroorzaken te zien onder de punt van Zuid-Afrika. Aan de andere kant van de Oceaan sluit de warme Zuidequatoriale zeestroom aan bij de eveneens warme Braziliëstroom. De koude noordwaarts stromende Falklandstroom kan ijsbergen meevoeren vanuit de Weddellzee nabij het Antarctisch schiereiland.

Door de ligging van de continenten is er een voortdurende cirkelende stroming (’n gyre) op de zuidelijke Atlantische Oceaan. De Cape Horn Current is een koude zeestroom die van west naar oost rond de punt van Zuid-Amerika stroomt. Deze stroom wordt veroorzaakt door de intensivering van de Westenwinddrift (Antarctic Circle) omdat deze de kaap snel rondgaat (door draaiing Aarde).

5. Atlantische Noordequatoriale stroom aangeduid met North Equatorial Current.

Afbeeldingsresultaat voor rennell current
GS = Golfstroom / NAD = North Atlantic Drift / RC = de warme Rennell Current.


De Warme Golfstroom

De Warme Golfstroom bevat verschillende stromingen: de stroming in Florida , de Golfstroom zelf en een oostelijke uitbreiding, de Noord-Atlantische Drift .

De stroming in Florida is snel, diep en smal, maar na het passeren van Cape Hatteras (boven Florida) wordt de Golfstroom minder diepgaand en ontwikkelt een reeks grote meanders die zich op een gecompliceerde manier vormen, losmaken en opnieuw vormen. Na het passeren van Newfoundland (schiereiland N.O. Canada) vormt de stroming de diffuse, ondiepe, brede, langzaam bewegende Noord-Atlantische Drift.

Voor de Britse eilanden splitst de stroming zich in twee takken, de ene naar het zuiden (de Canarische stroom) en de andere naar het noorden langs de kust van W en N Europa, waar het een aanzienlijke invloed heeft op het klimaat tot in Noordwest-Europa. De Drift is bijvoorbeeld bijzonder belangrijk omdat hij veel Noorse havens het hele jaar door ijsvrij houdt.

Zonder de warme Noord-Atlantische Drift zouden West-Europa net zo koud zijn als Canada, op dezelfde breedtegraad d.w.z. enkele graden kouder.

Een live-beeld van de Warme Golfstroom 29-8-2019, die ontspringt in de Golf Van Mexico. Vandaar de naam ‘Golf’
De warme Golfstroom is een onderdeel van de Thermohaline Circulatie.
Wat-gebeurt-er-als-de-atlantische-oceaan-anders-gaat-stromen-einde-der-tijden.

De twee belangrijkste drijvende krachten zijn de heersende zuidwestelijke passaatwinden en de circulatie van het water ver onder het oceaanoppervlak, de Noord-Atlantische Deep Water circulatie oftewel de Thermohaliene circulatie. Water in de Noord-Atlantische Oceaan zinkt omdat het een grote dichtheid heeft. Deze wordt verhoogd door zowel het zoutgehalte als de temperatuur – hoe kouder en zouter het water, hoe dichter het is. Dit diepe zoute water stroomt vanaf het Zuidpoolgebied naar de Golf van Mexico. Daar warmt het weer op om vervolgens verder te stromen als Warme Golfstroom naar de Noorse Zee. Het warme water levert warmte aan de atmosfeer op de koude noordelijke breedtegraden. De afname in temperatuur, samen met het hoge zoutgehalte van het water van tropische origine, zorgt ervoor dat de dichtheid toeneemt. In de tropen is door hoge temperaturen veel verdamping en zorgt daar voor een hoog zoutgehalte van het oppervlaktewater.

Het complexe geheel aan watertransport op de Atlantische Oceaan wordt ook wel aangeduid met de term Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). Het is een noordwaartse oppervlaktetestroming van warm water (op de kaart rood), met als tegenhanger een zuidwaartse stroming op diepte van koud water (blauw). De AMOC is het Atlantische deel van de Thermohaliene circulatie.

De Stromingen in de noordelijke Atlantische Oceaan zijn aan het vertragen

Ongeveer 11.000 jaar geleden viel de Thermohaliene circulatie vrij plotseling stil als reactie op subtiele verschuivingen in het wereldwijde klimaat. De circulatie vertraagde en leidde de loop van de Golfstroom zodanig af dat het regionale klimaat van de Noordoost-Atlantische Oceaan aanzienlijk koeler werd. Als gevolg hiervan zakte Noordwest-Europa binnen tientallen jaren terug naar de ijstijd.

Men vermoedt nu dat de opwarming van de aarde kan leiden tot een opnieuw stilvallen van deze circulatie en een vertraging of afleiding van de Golfstroom, wat ironisch genoeg zou leiden tot koudere klimaten in Noordwest-Europa. Bron: NRC Wetenschap

Het koude en vooral ook zoete smeltwater heeft een mindere dichtheid dan die van het warme zoute oceaanwater en vormt hierdoor een koude laag bovenop het zeeoppervlak. Die koude laag kan verhinderen dat het warme, zoute oceaanwater warmte naar de atmosfeer transporteert. Als het warme water geen warmte kan afgeven, kan het niet afkoelen en naar de bodem van de oceaan zinken. Het effect zou een afkoeling van de atmosfeer in de hogere breedtegraden betekenen. En misschien zelfs een opwarming van het Antarctisch gebied net als 15 miljoen jaar geleden: Warme oceaanstroming liet ijs Antarctica smelten

De ijskap van Groenland is op sommige plaatsen drie kilometer dik en bevat genoeg ijs om de zeespiegel wereldwijd met zeven meter te doen stijgen. Gedurende de twintigste eeuw is Groenland in totaal circa negen biljoen ton ijs kwijtgeraakt, wat heeft gezorgd voor een kwart van de wereldwijde zeespiegelstijging.

Er zou ongeveer 360 miljard ton ijs moeten smelten om de wereldzeeën met één millimeter te doen stijgen.

Wat veroorzaakt het smelten?

De opwarming van de aarde met slechts één graad Celsius is de grote boosdoener achter de versnelde afsmelting van de ijskappen. Op Groenland ontdekten onderzoekers dat de ijskap gedurende de zomers aan de oppervlakte afsmolt, als gevolg van een combinatie van hogere temperaturen en een negatieve fase in de Noord-Atlantische Oscillatie – een natuurlijke luchtdrukfluctuatie die tijdens zijn negatieve fase warm en zonnig weer naar het westen van Groenland brengt. Vóór 2000 leidde dit fenomeen niet tot een duidelijke afsmelting, maar sindsdien is de afsmelting tijdens de negatieve fase van de NAO enorm geweest.

Weliswaar de NAO-index in de winter, maar de warme invloed op West-Groenland is duidelijk.

En nu?

Als er niet snel maatregelen worden genomen om het verbruik van fossiele brandstoffen terug te dringen en daarmee de opwarming van de aarde tot staan te brengen, dan zou het ijs op Groenland voor een groot deel of geheel kunnen afsmelten en tot een zeespiegelstijging van zeven meter kunnen leiden. Dat zou plaatsvinden op een tijdschaal van eeuwen. Maar binnen tientallen jaren kan een opwarmingsdrempel worden bereikt, waardoor de afsmelting van het Groenlandse ijs onomkeerbaar zou worden als dat hoge niveau lang genoeg zou aanhouden,

Maar het ijs op Groenland valt in het niet bij de ijskap op de Zuidpool, die de wereldzeeën met 57 meter zou doen stijgen als hij geheel zou afsmelten. Alarmerend is dat ook op de Zuidpool meer ijs per jaar verdwijnt dan veertig jaar geleden.

In de afgelopen tien jaar bedroeg de gemiddelde afsmelting op de Zuidpool 252 miljard ton ijs per jaar.

De klimaatverandering doet zich voelen. De luchttemperatuur in de winter is sinds jaren vijftig met vijf graden gestegen. Onder invloed van de wind veranderen zeestromingen, waardoor warmer water uit de diepte naar boven komt, en dat heeft gevolgen voor het zee-ijs. Dat ontstaat nu later en dooit eerder weg. Het ijsvrije seizoen aan de westkust van het schiereiland duurt drie maanden langer dan in 1979.

De tegengestelde polen

De Noordpool warmt sneller op dan de Zuidpool

Het grote verschil, en dat is meteen het cruciale, is dat de Noordpool in een oceaan ligt, terwijl de Zuidpool op een diep bevroren continent te vinden is omgeven door oceanen. De basis van het warmtetransport begint in de tropen. Om tot een thermisch evenwicht te komen, zoekt de warmte een weg om koudere oorden warmte af te geven: door convectie via atmosfeer en oceanen richting het noorden en het zuiden. De beide polen zijn hierin de eindpunten van dat convectieve transport. Het Noordpoolgebied ontvangt warmte via atmosferische convectie én rechtstreeks van de Zon. Er wordt dus een dubbele versnelling in gang gezet.

  • Het terugkaatsende effect van de Zon op het witte (zee)-ijs, het Albedo-effect, verdwijnt omdat het zee-ijs wegsmelt door atmosferische opwarming
  • Zonnewarmte wordt geabsorbeerd door het steeds groter wordende wateroppervlak, dat voor meer afsmelting zorgt aan de randen van het zee-ijs.

Op en rond Antarctica is de situatie ingewikkelder. De stijging van de temperatuur en het verdwijnen van de albedo zijn hier niet de enige factoren die bepalend zijn. Ook veranderen er patronen van atmosferische en oceanische stromingen, waardoor ook de luchtdrukverschillen kunnen veranderen. Waar de dikte van het zeeijs in het noordpoolgebied in meters wordt uitgedrukt, loopt die van de Antarctische ijskappen op tot kilometers. Als zo’n ijskap begint te smelten, duurt het wel even voor het onderliggende landoppervlak bloot komt te liggen. Het effect op de albedo is er dus (nog) niet merkbaar.

Antarctica kent wel een bepalend windpatroon, die de afgelopen tijd wel degelijk is veranderd. De circulatie is zuidelijker opgeschoven in de richting van de pool en de windsnelheid is toegenomen. Dat heeft invloed op de beweging van het ijs dat op het oceaanoppervlak drijft. Het ijs drijft weg van het continent waardoor plekken met open water ontstaan, die opnieuw kunnen bevriezen. Het onvermijdelijke smeltwater aan de randen van het continent speelt ook een belangrijke rol m.b.t. het ontstaan van zee-ijs:

Smeltwater heeft invloed op de oceaan: het is kouder, maar door het lage zoutgehalte, lichter dan het water in diepere oceaanlagen. Daardoor komt er minder van dat diepere koude water aan het oppervlak, waardoor het lichtere “warmere” oppervlakte-water gemakkelijk kan bevriezen. Dat is dus de reden bij de toename van het Antarctisch zeeijs.

Er is nog een andere factor die van groot belang is bij een veranderend klimaat: Oceanen bevatten het overgrote deel van de warmte die in het klimaatsysteem zit. Oceaanstromingen bepalen in belangrijke mate waar die warmte terecht komt.

Afbeeldingsresultaat voor straalstroom
Voor de actuele straalstroom Earth Nullschool.
Klik op EARTH en bij MODE op AIR en vervolgens op 250 hPa

De straalstroom is een krachtige wind die met snelheden van 100 tot soms wel 400 kilometer per uur waait op grote hoogte. Deze straal stroomt van west naar oost op ongeveer 10 kilometer hoogte, in de troposfeer. Meteorologen onderscheiden een polaire straalstroom en een subtropische straalstroom. De ligging van de polaire straalstroom is van invloed op het weer in Nederland: ligt die ten noorden van ons dan is het warm, en ligt hij in het zuiden dan is het koud.

  • Een straalstroom brengt in de regel de ene depressie na de andere met veel regen en wind.

Het is van belang om te weten dat de straalstroom wordt aangedreven door het temperatuurverschil tussen de tropen en de polen, dus tussen de warmte en de kou. Die verschillen zijn de afgelopen jaren kleiner geworden gezien de opwarming van de beide poolgebieden.

De kracht van de straalstroom zit nu juist in de temperatuurverschillen tussen het noorden en het zuiden. In de zomer zijn/waren de verschillen tussen noord en zuid kleiner dan in de winter. Je zou dus zeggen dat de straalstroom in het winterhalfjaar sterker is.

Meridionale stroming (van noord naar zuid / van zuid naar noord)

  • De straalstroom is zwak en loopt als een kronkelende rivier met verschillende bochten. Die kronkels vormen een meanderend patroon. Bij zo’n patroon is het weer vaak grillig en wisselvallig.

Zonale stroming (van west naar oost)

  • De straalstroom is dan sterker en loopt in een relatief rechte lijn. Kronkels en bochten komen dan niet of nauwelijks voor. Deze situatie doet zich vaker in de winter dan in de zomer voor en staat voor een stabieler weertype: dat kan dus ook dagenlang stabiel slecht of nat weer betekenen.

Het gaat hierbij om de slingeringen van de straalstroom, die Rossby-golven of planetaire golven worden genoemd. Het zijn atmosferische golven, die makkelijk te herkennen is als grootschalige slingeringen van de straalstroom. Bij het ontbreken van Rossby-golven hebben we een strakke straalstroom: zonaal in een strakke lijn van west naar oost. Depressies komen dan snel op ons af. Maar bij flinke Rossby-golven ontstaan grote slingers dat de snelheid eruit gaat: meridionale stroming van noord naar zuid en dan kunnen er blokkades ontstaan. Wanneer blokkades lang stand houden ontstaat stabiel weer. In de winter hebben we dan veel koud weer en in de zomer veel warmte. Er zijn aanwijzingen dat er iets verandert in het gedrag van die Rossby-waves en dat dit invloed heeft op het weer. Als deze golvingen heftiger worden, zorgen ze voor het scheiden van koude en warme luchtmassa’s, waaruit luchtstromingen om hoge- en lagedrukgebieden ontstaan (cyclonen en anticyclonen).

Een Anticycloon is een Hogedrukgebied…een Cycloon een Lagedrukgebied

Het zijn dus juist weerpatronen hoog in de atmosfeer die sturend zijn voor de ontwikkelingen aan de grond. De straalstroom, die de koers van lagedrukgebieden en (bijbehorende) storingen bepaalt, wordt op grote hoogte aangestuurd door de Polar Vortex. Dit is een belangrijk onderdeel van het omvangrijke complexe systeem in onze atmosfeer dat resulteert in ons weerbeeld aan de grond.

De ‘Polar Vortex’ wordt gevormd door koude lucht rondom de polen,  vanaf 5 kilometer boven het aardoppervlak. Deze aanwezigheid van kou levert lagedrukwerking op in de bovenlucht.

Afbeeldingsresultaat voor polar vortex zuidpool

Dit is de poolwerveling op het noordelijk halfrond met een uitgesproken lagedruk, maar vanzelfsprekend gelden dezelfde basisprocessen op het zuidelijk halfrond, dus ook een lagedruk. Alleen wat ‘ingewikkelder’ omdat Antarctica een met ijs bedekt continent is.

Voor het nu volgende wil ik verwijzen naar de bron: scriptiesonline.uba.uva.nl

Antarctica heeft een oppervlakte van 20.000.000 km2 en is omsloten door 3 oceanen. 70% van het zoete water op de wereld is opgeslagen in gletsjers, waarvan 90% zich op Antarctica bevindt. Smelten van al het ijs op Antarctica kan een zeespiegelstijging van 70 meter tot gevolg hebben. De temperatuur komt nauwelijks boven nul, slechts het noordelijke deel van het Antarctic Peninsula (westelijke schiereiland) kan net boven het vriespunt komen. De hoger gelegen delen van Antarctica kunnen in de wintermaanden een temperatuur van -90 °C bereiken.

West-Antarctica kenmerkt zich door de ijsplaten die over het water reiken , maar nog vastzitten aan het landijs. Het Peninsula is een bergachtig gebied, heeft een milder klimaat en er is begroeiing als korstmossen mogelijk, ook doordat er ijsvrije rotsen zijn. Oost-Antarctica is het grotere gebied van Antarctica en is permanent bedekt met ijs. Het is er extreem koud en droog.

De polaire vortex boven de Zuidpool heeft invloed op het landijs van Antarctica. Het zorgt door föhnwinden voor een verwarmd klimaat op het peninsula en zorgt voor een pool-waardse stroom van warm zeewater op West-Antarctica, wat leidt tot meer afkalving onder de ijsplaten. Door het afkalvingsproces worden deze ijsplaten instabiel, wat zorgt voor afbraak van ijs. De versterking van de polaire vortex wordt beïnvloed door de atmosfeer. Het gat in de ozonlaag zorgt ervoor dat een deel van Antarctica – Oost-Antarctica – afkoelt, doordat warmte van de zon dat wordt teruggekaatst door het albedo effect, niet meer wordt vastgehouden. Dit afkoelen zorgt ervoor dat er eerder en langer polaire stratosferische wolken worden gevormd, dat weer leidt tot meer ozon afbraak. Het versterken van de polaire vortex, zorgt ook voor minder toevoer van warme windstromen vanuit het noorden, dat opnieuw leidt tot afkoeling van Oost-Antarctica, wat het proces hierboven benoemd weer versterkt. Hoewel kwantitatief onderzoek nodig is, laat dit literatuuronderzoek zien dat er een correlatie is tussen de polaire vortex en het afnemen van de totale ijsmassa van Antarctica, en dat dit mogelijk desastreuze gevolgen kan hebben op de rest van de wereld.

Verandering in de Polaire Vortex.

Ondanks de opwarming van de Aarde, blijken sommige gebieden van Antarctica juist langzaam af te koelen. Een normale vortex volgt een meanderend patroon, deze meanders worden de al eerder besproken Rossby golven genoemd. Deze golven nemen warme lucht uit het noorden mee naar het continent. Een sterkere vortex die evenwijdig loopt met de breedtegraden, neemt minder warme lucht uit het noorden mee en zorgt zo voor afkoeling. De vortex is sterker geworden door afkoeling van de atmosfeer, wat op zijn beurt het gevolg is van het gat in de ozonlaag boven Antarctica.

De vliesdunne ozonlaag bevindt zich in de stratosfeer en ligt ze op een hoogte van 30 km boven het aardoppervlak. In principe is ozon niets anders dan zuurstof (O2) waaraan zich door elektrische hoogspanning een extra zuurstofatoom heeft gekoppeld waardoor ozon (O3) ontstaat. In de natuur wordt ozon geproduceerd bij bepaalde chemische reacties. Het bekendste voorbeeld is natuurlijk de ozonlaag, waar ozon wordt geproduceerd door de ultraviolet stralen (UV-stalen) van de zon. Maar ozon wordt ook aangemaakt bij bijvoorbeeld onweersbuien en watervallen. Bij onweersbuien ontstaat de ozon door de extreem hoge voltages die daarmee gepaard gaan. De speciale frisse geur die men ruikt na een onweersbui is ozon. Het woord ozon is afgeleid van het Griekse woord ozein en betekent ruiken.

De dikte van de ozonlaag heeft effect op de lokale temperatuur en dus het afsmelten van landijs op Antarctica. Dit heeft te maken met een proces dat in de winter plaatsvindt. ‘s Winters daalt de temperatuur onder -78 °C waardoor polaire stratosferische wolken kunnen ontstaan.

Gerelateerde afbeelding

Parelmoerwolken kunnen ontstaan in gebieden waar het op grote hoogte in de atmosfeer extreem koud is. Dus ook boven de zuidpool is het ’s winters hoog in de atmosfeer koud genoeg om wolken te vormen. Hier worden ze Polaire Stratosfeer Wolken genoemd en zijn ze groter dan de parelmoerwolken. Deze wolken bestaan niet alleen uit ijskristallen van water, maar bevatten ook verbindingen van salpeterzuur en water. De massale vorming van deze wolken leidt uiteindelijk tot afbraak van ozon en de vorming van het ozongat boven de Zuidpool. Het Gat-in-de-ozonlaag-is-opnieuw-kleiner sinds het jaar 2000 2019

Sudden Stratospheric Warming SSW september 2019

Het volgende vind ik cruciaal met betrekking tot de berichtgeving van de afgelopen maanden over de enorme en zich nog steeds uitbreidende branden in Australië. Dit moet toch een oorzaak hebben, en die vond ik de afgelopen dagen.

September 2019 zijn er uitschieters in de weersomstandigheden als gevolg van het plotseling opwarmen van de stratosfeer boven Antarctica. Met als gevolg in Australië extreem hoger temperaturen en uitblijvende regenval.

Record-warme temperaturen boven Antarctica in de komende weken zullen waarschijnlijk bovengemiddelde lentetemperaturen en onder gemiddelde regenval in grote delen van New South Wales en Zuid-Queensland veroorzaken.
De opwarming begon in de laatste week van augustus, toen de temperaturen in de stratosfeer hoog boven de Zuidpool snel begonnen te verwarmen in een fenomeen dat ‘plotselinge stratosferische opwarming’ werd genoemd.

Ik vond informatie over de Antarctic Oscillation (AAO), een atmosferische variabiliteit van het zuidelijk halfrond. Het is ook bekend als Southern Annular Mode (SAM). Het wordt gedefinieerd als een gordel van westelijke winden of lage druk rond Antarctica die naar het noorden of zuiden beweegt.

Dit jaar (september 2019) zijn er uitschieters in weersomstandigheden op Australië als gevolg van het plotseling opwarmen van de stratosfeer boven Antarctica, met hogere temperaturen en uitblijvende regenval in Australië als gevolg.
Understanding-the-southern-annular-mode-sam. Antarctica is suddenly getting warmer.

Southern Annular Mode (SAM) ook bekend als de Antarctic Oscillation (AAO), beschrijft de noord-zuid/zuid-noord beweging van de westelijke windgordel die rond Antarctica cirkelt en domineert de middelste naar hogere breedtegraden van het zuidelijk halfrond.
De veranderende positie van de westelijke windgordel heeft invloed op de sterkte en positie van koude fronten en stormsystemen op de middelste breedtegraad en is tevens een belangrijke oorzaak van variabiliteit in regenval in Zuidoost Australië.

Een negatieve SAM-index zorgt voor een uitbreiding van de gordel van sterke westelijke winden richting de evenaar. In het voorjaar en de zomer betekent dit droogte in Zuidoost-Australië en hebben ze daar op dit moment te maken met de enorme bosbranden.

Dit verschuiven is de oorzaak van de maandenlange bosbranden in Australië zie: 6-12 2019 Australië gaat gebukt onder hevige bosbranden.
Droogte houdt oosten Australië in haar greep
Het westen kan volgens verwachting juist rekenen op een iets nattere periode. Daarmee kan daar de ‘lichte’ droogte weer ‘opgelost’ worden. Bron: Lars van Galen – 8 december 2019

De positieve fase van de  Indian Ocean Dipole (IOD verzwakt. (IOD is het ‘zusje’ van El Nino in de Indische Oceaan). Hoewel de index nog steeds boven de positieve IOD-drempel van +0,4 ° C ligt, geven de meeste internationale klimaatmodellen die door het Bureau zijn onderzocht aan, dat de positieve IOD in januari zal verdwijnen. De huidige verzwakking duidt erop dat begin januari een terugkeer naar neutraal waarschijnlijk is. Bij een ‘positieve fase van de IOD’ is er boven het relatief koude water bij Australië sprake van dalende luchtbewegingen en droogte. Positieve IOD-fasen in de lente (zoals dit jaar 2019/2020 gebeurd) worden vaak geassocieerd met een ernstiger brandseizoen voor Zuidoost-Australië in de zomermaanden.

De positieve fase van de IOD Unusually strong positive Indian Ocean Dipole (IOD) correleert met de negatieve SAM-index. De IOD is in feite een onbalans in zeewatertemperatuur tussen deze twee regio’s, oost en west.

Er zijn momenteel koelere wateren in het oosten en warmere wateren in het westen. Deze verandering vond plaats omdat ongewoon sterke oostelijke winden in de oostelijke regio boven Indonesië waaiden, die warmere wateren naar het westen duwden en ervoor zorgden dat kouder dieper water naar de oppervlakte in de oostelijke regio kwam. Terwijl de winden het oosten afkoelen en het westen verwarmen, verandert het patroon van tropische convectie.

Tropische convectie is voorstander van warmer water, dus we zien lagere druk, meer regen en stormen in het westen, waar we warmer water hebben. En we zien het tegenovergestelde in de oostelijke delen, waar we hogere druk hebben, minder regen en stormen en drogere omstandigheden in de regio boven Indonesië en Australië. De onderstaande afbeelding is een vereenvoudigde weergave van een positieve IOD-gebeurtenis.

Vervolg september 2019 SSW op het zuidelijk halfrond: zeldzaam | NoodweerBenelux. De opwarming begon in de laatste week van augustus, toen de temperaturen in de stratosfeer hoog boven de Zuidpool snel begonnen te verwarmen in een fenomeen dat ‘plotselinge stratosferische opwarming’ werd genoemd. Verwacht wordt dat de opwarming in de komende weken zal toenemen, en de effecten ervan zullen zich naar beneden naar het aardoppervlak uitbreiden, wat de komende maanden veel van Oost-Australië vergt.
The Bureau of Meteorology voorspelt de sterkste opwarming op Antarctica ooit, waarschijnlijk hoger dan het vorige record van september 2002.

Wat is er aan de hand?
Elke winter ontwikkelen zich westelijke winden – vaak tot 200 km per uur – in de stratosfeer hoog boven de Zuidpool en omcirkelen de poolstreek. De wind ontwikkelt zich als gevolg van het temperatuurverschil over de pool (waar geen zonlicht is) en de Zuidelijke Oceaan (waar de zon nog schijnt).
Terwijl de zon in het voorjaar naar het zuiden verschuift, begint het poolgebied op te warmen. Deze opwarming zorgt ervoor dat de stratosferische draaikolk en bijbehorende westelijke winden geleidelijk afzwakken gedurende een periode van enkele maanden.
In sommige jaren kan deze verdeling echter sneller gebeuren dan normaal. Luchtgolven uit de lagere atmosfeer (van grote weersystemen of stroom over bergen) verwarmen de stratosfeer boven de Zuidpool en verzwakken of “mixen” de snelle westelijke winden.

  • Zeer zelden (in cycli van 7 tot 10 jaar), als de golven sterk genoeg zijn, kunnen ze de polaire vortex snel afbreken en de richting van de wind omkeren, zodat ze oostelijk worden. Dit is de technische definitie van “plotselinge stratosferische opwarming”.

Hoewel we de afgelopen 60 jaar veel zwakke of matige variaties in de zuidelijke poolwervel hebben gezien, was de enige andere plotselinge opwarming van de stratosfeer op het zuidelijk halfrond in september 2002.
In tegenstelling, hun noordelijke tegenhanger komt om de twee jaar of zo tijdens de late winter van het noordelijk halfrond vanwege sterkere en meer variabele troposferische golfactiviteit.

Een positieve noot van plotselinge stratosferische opwarming is de vermindering – of zelfs helemaal afwezigheid – van het ozongat in de lente van Antarctica. Dit is om twee redenen:

  • Ten eerste betekent de snelle stijging van de temperaturen in de bovenste atmosfeer dat de superkoude polaire stratosferische ijswolken, die van vitaal belang zijn voor het chemische proces dat ozon vernietigt, zich misschien niet eens vormen.
  • Ten tweede vervoeren de verstoorde winden meer ozonrijke lucht van de tropen naar het poolgebied, waardoor het ozongat wordt hersteld.

Er wordt echter ook een verhoogde achteruitgang van het Antarctische zee-ijs verwacht tussen oktober en januari, met name in de oostelijke Rosszee en de westelijke Amundsenzee, omdat meer warm water richting Antarctica stroomt vanwege de zwakkere westenwinden.

Dankzij verbeteringen in het modelleren en de nieuwe supercomputer van het Bureau kunnen dit soort evenementen beter dan ooit worden voorspeld. In vergelijking met 2002, toen we pas wisten over het evenement nadat het was gebeurd, hadden we deze keer bijna drie weken bericht dat er een zeer sterk opwarmend evenement op komst was. We weten ook veel meer over het proces dat in gang is gezet en dat ons weer in de komende één tot vier maanden zal beïnvloeden.

De lagen in de atmosfeer

Ik heb me hiervóór beperkt tot de Stratosfeer. Hieronder de overige luchtlagen:

Afbeeldingsresultaat voor luchtlagen

De atmosfeer boven ons heeft veel verschillende lagen. Alle wolken en het weer dat we voelen, gebeurt in het laagste deel van de atmosfeer, de troposfeer genoemd. Deze reikt tot 8 km hoogte over de polen en tot 14-16 km hoogte boven de evenaar. Daarboven is een veel diepere laag die de stratosfeer wordt genoemd. Deze laag is ongeveer 30 km diep en is erg droog. De druk op de top van de stratosfeer is 1000 keer lager dan op het aardoppervlak. Anders dan in de troposfeer stijgt de temperatuur in de stratosfeer met de hoogte. Op ongeveer 50 km hoogte waar de temperatuur weer begint te dalen, eindigt de stratosfeer en begint de mesosfeer langzaam na de stratopauze. Stratosfeer is vooral bekend door de ozonlaag die het bevat, die ons beschermt tegen schadelijke effecten van UV-zonnestraling. Boven de zuidpool vinden we het inmiddels beruchte “ozongat”, dat elk jaar in juli verschijnt en tot december duurt.

Mesosfeer
Boven de stratosfeer bevindt zich de mesosfeer. Hier neemt de temperatuur af tot –90 °C. De afname stopt op ongeveer 80 km hoogte. Het is in de mesosfeer dat meteorieten, die de atmosfeer binnendringen, beginnen op te warmen. Ze komen met een zeer grote snelheid de atmosfeer binnen, waarbij ze te verhitten door de wrijving met de luchtmoleculen in de mesosfeer. Meteorietenregens zijn bekent als ‘vallende sterren’ vallendesterren.info
Thermosfeer
In de thermosfeer (ook wel ionosfeer genoemd) neemt de temperatuur sterk toe tot zo’n 1500 °C. Omdat de lucht hier ijl is, merkt men bijna niets van deze hitte. De straling van de zon ontleedt er moleculen, in positieve ionen en negatieve elektronen. Deze ionen en elektronen weerkaatsen radiogolven van bepaalde golflengten terug en maken zo radiocommunicatie over lange afstanden mogelijk.

De Kármánlijn. Het is een denkbeeldige grens om een onderscheid te kunnen maken tussen luchtvaart en ruimtevaart. Het ISS bevindt zich in de Thermosfeer op een hoogte van ongeveer 355 km. De Kármánlijn wordt beschouwd als het “begin van de ruimte”, maar eigenlijk “begint die pas” na de Exosfeer (de atmosfeer kent overgangen en heeft geen grenzen, evenals de ruimte…. De lijn is overigens gedefinieerd op initiatief van de Hongaars-Amerikaanse natuurkundige Theodore von Kármán).

Overdag is de lucht blauw omdat de atmosfeer zonlicht verstrooit. Voorbij de Kármánlijn is de atmosfeer zó ijl dat de blauwe kleur verdwijnt. De donkere ruimte en de sterren zijn dan zelfs overdag zichtbaar.

Vanuit de Thermosfeer is ook het Poollicht zichtbaar, daarover later meer.

Afbeeldingsresultaat voor poollicht

Exosfeer De buitenste laag, de exosfeer, is zeer ijl. Dit komt door de extreem lage druk van de aanwezig gassen. De temperatuur bereikt hier waarden tot boven de 1600 °C.

Afbeeldingsresultaat voor exosfeer

In dit buitenste deel van de dampkring kunnen atmosferische gassen, atomen en moleculen ontsnappen aan de aardse zwaartekracht, de ruimte in. Het grootste deel van de gassen in de exosfeer zijn lichte gassen, voornamelijk helium, koolstofdioxide en, in het laagste deel van de exosfeer, atomair zuurstof. Er zijn zo weinig deeltjes in deze ijle laag aanwezig dat ze zonder met elkaar te botsen door de laag kunnen bewegen. Ze volgen een eigen bepaalde baan.

Ionosfeer

Dit is het deel van de atmosfeer dat ligt op een hoogte van ongeveer 70 – 400 km boven de aarde. Onder invloed van zonnestraling worden de daar aanwezige gassen, met name zuurstof en stikstof, geïoniseerd. Dat wil zeggen dat uit de gasmoleculen elektronen worden vrijgemaakt. Hierdoor is de ionosfeer in staat radiogolven van richting te veranderen of te reflecteren. Dit maakt het mogelijk om over zeer grote afstanden te communiceren.

Afbeeldingsresultaat voor ionosfeer

Magnetosfeer

Zonder deze “magnetische bel” zou de Aarde onleefbaar zijn door de invloed van de voortdurende zonnewind.

De zonnewind is een voortdurende stroom plasma van geladen deeltjes protonen en elektronen. Deze worden door de aan aanwezigheid van een ‘boeggolf’ (beige band op de afbeelding) om de Aarde heen geleid met een gemiddelde snelheid van wel 450 km/s. Een kleine hoeveelheid van die deeltjes kan echter wél de magnetosfeer binnendringen, en veroorzaakt het poollicht. Op momenten dat de Zon zeer actief is, is de zonnewind sterker: er woedt dan een magnetische storm. Deze stormen veroorzaken elektrische velden in de magnetosfeer, wat storingen kan opleveren voor satellieten. Ook het poollicht neemt dan in hevigheid toe en komt op lagere breedtegraden van de Aarde terecht.

Een verschijnsel dat gepaard gaat met de zonnewind, is een Bow Shock, een ‘booggolf’. Het is als een boeggolf vóór een snel varende boot. Een Bow Shock wordt gevormd door de botsing met zeer hoge snelheid van de stellaire wind met een ander medium. Dus in het geval van de Zon: wanneer de supersnelle zonnewind botst met de eveneens voortbewegende Aarde. Hierbij worden de zonnewinddeeltjes vertraagd en vervolgens gedwongen een omweg te volgen rond de Aarde via de magnetosfeer. Deze magnetische bel creëert aldus een beschermde zone rond de Aarde.

De Bow shock dwingt de zonnewind om de magnetosfeer heen te buigen.
Het is als een golf die vóór een varende boot verschijnt…..
Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is bowshock_inpixio-deze.jpg
…..en is vergelijkbaar met de golf voor een rots in een stroom waar het water omheen moet stromen.

Ook de “lege ruimte” bevat protonen, elektronen, atomen, moleculen en andere materie. Wanneer planeten, sterren en ook plasmawolken uitgeworpen uit supernovae met hoge snelheid door de ruimte vliegen, worden in dit medium kosmische Bow Shocks gecreëerd.

Op momenten dat de Zon zeer actief is, is de zonnewind sterker. Wanneer is de Zon actief?

Allereerst: de Zon heeft dankzij haar enorm geleidend gasvormig inwendige, een zeer krachtig magneetveld.

Magnetische veldlijnen die diep in het inwendige van de Zon ontstaan door voortdurende bewegingen van gas met geladen deeltjes (protonen en elektronen). Vervolgens treden deze veldlijnen door het oppervlak naar buiten in de vorm van lussen.
Gerelateerde afbeelding
Wanneer krachtige zonnevlammen en zonneuitbarstingen zichtbaar zijn, spreken we van een actieve Zon.
Video: Surface-of-the-sun-as-youve-never-seen-it.

Het zonsoppervlak verkrijgt z’n hitte doordat hete gasbellen uit het binnenste opstijgen en hun warmte aan het oppervlak door convectie afgeven. Wanneer er storingen in het sterke magnetische veld van de Zon optreden, kan het gebeuren dat lokaal de hete gasbellen de fotosfeer niet kunnen bereiken, waardoor deze afkoelt. Op die manier ontstaat een koeler gebied op het zonsoppervlak, dat wij zien als een zonnevlek.

Afbeeldingsresultaat voor zonnevlekken
Op dit moment (2019) zijn er geen ‘storingen’ in het sterke magneetveld van de Zon zichtbaar als zonnevlekken!!
Zie daarom de actuele zonnebeelden op SOHO, Solar and Heliospheric Observatory van de NASA.
Zonnevlekken zijn niet zwart en niet koud. De temperatuur in een zonnevlek is lager dan die van de omgeving en daarom is een vlek donkerder dan het heldere zonsoppervlak. Umbra is het donkere en penumbra het lichtere deel van de schaduw.

Zonnevlekken worden dus veroorzaakt door magnetische storingen. Diezelfde storingen veroorzaken ook uitbarstingen op de Zon, waarbij vaak een stroom geladen deeltjes van het oppervlak van de Zon af wordt geschoten. Wanneer zo’n wolk deeltjes in de richting van de Aarde komt, en de magnetosfeer binnendringt, kunnen de deeltjes in de buurt van de Noord- en Zuidpool in botsing komen met deeltjes in de aardatmosfeer (zuurstof en stikstof), en het poollicht doen oplichten. De elfjarige cyclus van de zonnevlekken duidt op een cyclus in de activiteit van de Zon, en op een cyclus in het voorkomen van poollicht: wanneer er meer zonnevlekken zijn, is er een grotere kans op aurora.

Aurora

Afbeeldingsresultaat voor youtube poollicht
Video Poollicht
De kleuren van poollicht
Bron: Spacepage
Uitleg Kleuren in het noorderlicht en zuiderlicht.

In de periode 1650–1700, vlak nadat Galileï was begonnen met de eerste sporadische waarnemingen van de Zon, kwamen er relatief weinig zonnevlekken voor. Dit wordt het Maunder Minimum genoemd, en valt samen met een periode waarin er in West-Europa relatief strenge winters voorkwamen. Er waren toch wel grote verschillen tussen de seizoenen. Zo bleken in West-Europa vooral de winters kouder te zijn geweest en was dit in de zomers veel minder het geval. Lees verder →

Voor de schommelingen in het klimaat in die periode zijn meerdere factoren aan te wijzen: in dezelfde periode was er namelijk een hoge vulkanische activiteit!

Wat de zonneactiviteit betreft was er recentelijk in 2008 een minimum te zien in het aantal zonnevlekken. Rond 2014 was er een zonnemaximum, dat echter beduidend minder hoog was dan de afgelopen maxima. Op dit moment is er geen enkele zonnevlek te zien!!! Wat de oorzaak hiervan is, is nog onduidelijk……

Computersimulaties van het National Center for Atmospheric Research in Colorado voorspellen dat een ‘grand minimum’ in het midden van de 21ste eeuw de door de mens veroorzaakte opwarming van de aarde zou vertragen met enkele tienden van een graad. Maar op het einde van dat ‘minimum’ zou de opwarming van de aarde gewoon weer verdergaan. Prof. dr. Valentina Zharkova, hoogleraar Wiskunde aan de universiteit van Newcastle, doet een opmerkelijke voorspelling, dat er is een zonneminimum op komst is, die zal starten in 2020 en zal duren tot 2055!

Haar systeem van berekeningen bevestigt ook de zonneminima uit het verleden, zoals het Homer minimum (800-900BC), het Oort minimum (1000-150) en het Maunder minimum (1645-1715).

Het aantal zonnevlekken in de jaren 2020 en volgende zijn vergelijkbaar met het minimum aantal zonnevlekken in de Daltonperiode van 1790 – 1830. Ook NASA en NOA voorspellen een zeer lage zonneactiviteit voor de volgende zonnecyclus nr. 25, het laagste minimum in de afgelopen 200 jaar. In Juni 2010 hebben prof. dr. S. Duhau en prof. dr. C. de Jager in het Journal of Cosmology het artikel, ‘The Fortcoming Grand Minimum of Solar Activity’, gepubliceerd, waarin zij voorspelden dat er na cyclus 24 (de huidige cyclus) een langere periode van geringe zonneactiviteit op komst is. Over dit onderwerp worden nog vele discussies gevoerd. Sommige wetenschappers zijn ervan overtuigd, dat zonnevlekken kunnen zorgen voor een klimaatverandering op Aarde, maar anderen zijn het hier niet mee eens…..de tijd zal het leren. Bron: Climategate.nl


Kosmische straling
Het ‘grand minimum’ heeft nog een ander gevolg, meer bepaald voor de kosmische straling vanuit onze Melkweg. Normaal gesproken wordt onze planeet daarvan beschermd door het sterke magnetische veld van de Zon en z’n felle winden. Maar als de zonneactiviteit vermindert, krijgen we meer van die straling te verduren. Recent onderzoek toont aan dat kosmische straling de vorming van wolken op Aarde in de hand werkt. En die schermen ons af van de Zon en koelen de Aarde af.

Volgens sommige wetenschappers zou dat fenomeen alle andere klimaatfenomenen domineren de komende decennia.

Afbeeldingsresultaat voor kosmische straling veel bewolking


Golvende structuurvorming

Inhoudsopgave:

Golvende vorming Aarde. Ur, het eerste continent.

Voortplanting in golven is een eigenschap die het heelal zelf deed ontstaan. Golvende stralingen, energie en gebundelde fundamentele krachten werden met een overweldigende kracht de ruimte ingeblazen. Tijd bestond nog uit minieme eenheden waarbinnen je geen tijdsverloop kunt definiëren. In een hierop volgende ondefinieerbare periode van energie, konden zeer geleidelijk atomaire en subatomaire deeltjes hieruit gevormd worden. Golvend verspreidden en verzamelde deze deeltjes zich in omvangrijke koele gaswolken en met het verstrijken van zopas ontstane tijdsduur, kregen de eerste moleculen structuren aangemeten. Na nog ‘ns miljarden jaren in een proces van ster- en planeetvorming, vonden deeltjes en moleculen vaste vochtige bodems op vele miljarden planeten en manen, om uiteindelijk aan levensvormen structuur te geven.

Deze afbeelding brengt de ‘tijdloze’ dimensie het meest treffend in beeld, en zal ik daarom vaak terug laten komen in verschillende blogs. Deze ultrakorte golfuitbarsting van slechts 10−35 seconde, heeft alle toen nog verenigde krachten en velden, dus zelfs ook mijns inziens, het bewustzijnsveld golvend de ruimte ingeslingerd.
Visualization-of-gravity-and-curving in 3D

Het duurde ruim 9 miljard jaar voordat de pas gevormde Aarde, golvend om de Zon, zich óók moest gaan onderwerpen aan de natuurwetten.

In de eerste 50 – 100 miljoen jaar na het ontstaan van de planeet regende het planetoïden, meteorieten en kometen op Aarde. Het was ’n eerste kennismaking met objecten, die de banen van de planeten in andere golvingen doorkruisen. Door de onophoudende bombardementen werd de temperatuur in de jonge aardse atmosfeer extreem hoog, zodat de aardkorst gloeiend vloeibaar bleef.

De vroege Aarde werd tijdens het Late Heavy Bombardment (4,1 – 3,8 miljard jaar geleden), bestookt met planetoïden, meteorieten en kometen.
Afbeeldingsresultaat voor late heavy bombardment
Er zijn twijfels over lange duur het Late Heavy Bombardment. De oorsprong van de Maan is gerelateerd aan dit bombardement. Er zijn na de Apollomissies maangesteenten onderzocht en er bleken dataverschillen te zijn.
Het was eerder een “tijdelijke” maar stabiele gebeurtenis van bijna 100 miljoen jaar. Er is meer dan voldoende bewijs met behulp van kratertelling en relatieve datering dat de LHB wél heeft plaatsgevonden. (klik op afbeelding)

Uit verder onderzoek aan de maanstenen die mee zijn genomen met Apollo-missies. bleek dat het maangesteente vrijwel exact dezelfde samenstelling heeft als vergelijkbare gesteenten op Aarde. Alle andere hemellichamen in het zonnestelsel vertonen lichte afwijkingen in samenstelling van gesteenten.

In de prille aanvang van het zonnestelsel, toen er nog veel grote ‘proto-planeten’ rondcirkelden, kwam de pasgevormde Aarde in botsing met een ander hemellichaam met de naam Theia, ongeveer zo groot als de planeet Mars.

Ten gevolge van de botsing werd een groot deel van de aardmantel de ruimte in geslingerd. Uit de afkoelende brokstukken klonterde later de Maan samen, vóór het Hadeïcum, het tijdvak van circa 4,7 tot 3,7 miljard jaar geleden. Het Hadeïcum is genoemd naar de Griekse god Hades, de god van de onderwereld. De vroege Aarde was een onherbergzaam gebied, met gloeiend gesteente en giftige gassen.

Vanwege de ontstellende inwendige hitte, ontstond er een warmtestroming vanuit de kern naar de buitenkant van de Aarde. Je zou kunnen zeggen ‘de Aarde kende de eerste golvende voortplanting’ ten gevolge van enorme temperatuurverschillen. Het vloeibare gesteente stroomde naar de buitenkant, terwijl het afgekoelde gesteente naar beneden zakte. Deze zogenoemde convectiestroming is vandaag de dag nog steeds aan de gang in de aardmantel en laat ook de aardplaten bewegen.

Video plate-tectonics door convectie. Duidelijk zichtbaar is de golvende voortplanting van heet en afkoelend gesteente.

Uit het binnenste van de jonge Aarde ontsnapten gassen en vormden de atmosfeer. die bestond uit grote hoeveelheden waterstof, waterdamp, stikstof, ammonia, methaan, zwavelwaterstof en koolmonoxide. Een vergelijkbaar gasmengsel komt ook nu nog vrij bij vulkaanuitbarstingen.

Uit de oeratmosfeer regende vermengd water op de Aarde neer. Samen met het water dat door inslaande planetoïden en kometen op de Aarde terechtkwam, vormde dit de eerste oceanen. Ook kwam er water vrij bij vulkaanuitbarstingen.


De atmosfeer bevatte nog geen zuurstof. Daardoor kon er ook nog geen ozonlaag gevormd worden, die de schadelijke UV-straling van de Zon tegenhield. De straling en de giftige gassen maakten de aarde verder ongeschikt voor praktisch alle vormen van leven zoals we die nu kennen…...op misschien de microworld na!

In een geleidelijk proces van miljoenen jaren begon het aardoppervlak af te koelen. Het aanvankelijk vermengde regenwater veranderde van samenstelling en de hete dampen waren neergeslagen in de omvangrijke oceanen. Onderzeese vulkaanuitbarstingen brachten hete magma aan de oppervlakten en stolde tot lavagesteente.

En dan zien we, naast de golvende voortplanting, ook ander eigenschappen die ’t heelal kenmerken: samenklontering en zwaartekracht. Het gebeurde al vele miljarden jaren eerder toen gigantische gas-en stofwolken zich gingen verdichten en samenklonterden om sterren te laten ontstaan. Aan het begin van het Archeïcum klonterden lavagesteenten samen.

Lava vloeit uit en vormde de eerste kleine continenten, die hier en daar boven water uitstaken.

Het eerste continent Ur

In de vroege stadia van de formatie van de Aarde was de hittestroming zo intens dat het de stabiliteit voor continenten niet kon bieden. Uiteindelijk koelde de aarde af en dit was een noodzakelijke stap voor de vorming van continenten.

Drie miljard jaar geleden werd Ur het eerste supercontinent op Aarde. Het was waarschijnlijk kleiner dan Australië. Twee miljard jaar later voegde Ur zich met enkele andere kratons (stukken continentale aardkorst) samen om het grotere Rodinia te vormen. We vinden op dit moment segmenten van het eerste continent in zowel in Afrika, als in Australië en ook in India. Sommige wetenschappers denken echter dat Vaalbara, een theoretisch supercontinent, Ur misschien is voorgegaan. De naam Vaalbara is een samenvoeging van het Kaapvaal kraton in Zuid-Afrika en het Pilbara kraton in West-Australië. Dit is niet verwonderlijk: door tektonische verschuivingen gedurende honderden miljoenen jaren is het voor te stellen dat deze stukken aardkorst aan elkaar vast hebben gezeten.

Het bestaan en de ligging van de verschillende kratons en (super)continenten zijn gereconstrueerd met behulp van Paleomagnetisme. Gebaseerd op een nieuwe methode van paleomagnetische data-analyse, werd een reconstructie van de Kaapvaal, Pilbara en andere kratons in het Archeïcum getest. De meest waarschijnlijke posities van de verschillende kratons binnen de supercontinenten Kenorland en Rodinia zijn voorgesteld. Nieuwe paleomagnetische gegevens verkregen op basis van de archeïsche complexen maakten het mogelijk de beweging van kratons te berekenen op 4-9 cm per jaar. De paleomagnetische reconstructie is in goede overeenstemming met de structureel-geologische eigenaardigheden van de gezamenlijke complexen. Er zijn verschillende reconstructies voorgesteld voor de precieze onderlinge ligging van de kratons die samen Rodinia vormden. Op welke manier de kratons precies aan elkaar gelegen hebben, is niet geheel duidelijk. Belangrijk was wél dat Rodinia zich in de tropen bevond, waar het klimaat warm en nat is vergeleken met hogere breedtegraden.

Kenorland werd gevormd 2,7 miljard jaar geleden
De kratons die Rodinia vormden werden samengevoegd tussen 1,3 en 0,9 miljard jaar geleden.

Bij het zoeken naar bewijs van voorbije supercontinenten vonden geologen in mineralen van magmatische gesteenten van Rodinia, zirkoonkorrels, een duurzaam mineraal dat zich vormt bij gesmolten gesteenten bij hoge temperaturen.

Zirkonen geven een beeld van de eerste drie- tot vierhonderd miljoen jaar van de aarde,

De onderzoekers hebben aangetoond dat Rodiniaanse mineralen, die de elementen niobium en yttrium bevatten, vergelijkbare hoge concentraties van het element zirkonium bevatten. Bovendien komen deze pieken goed overeen met hogere wereldwijde concentraties van yttrium, niobium en zirkonium in de gevonden magmatische gesteenten van Rodinia, in vergelijking met alle andere supercontinenten. Om deze bevindingen te verklaren, veronderstellen de onderzoekers dat Rodinia tijdens zijn vorming mogelijk een beperkt boogmagmatisme heeft meegemaakt: Continental arc, een keten van vulkanen in een boogvorm. (de rode stippen en de groene gordels op de afbeelding van Rodinia)

Na zo’n 300 miljoen jaar dreven de kratons die dit supercontinent vormden uiteen. Dit had verstrekkende gevolgen voor de hele planeet: deze veranderde in een bevroren Aarde! Het opbreken van Rodinia zorgde ervoor dat een groter oppervlak van het continent aan de weer-elementen werd blootgesteld. Door het uiteenscheuren van Rodinia was er veel vulkanische activiteit, dus regen was bijzonder zuur. Het oppervlak van de continenten bestond voor het grootste deel uit jong basalt dat gemakkelijk erodeert. De natte, sterk geërodeerde gesteenten begonnen CO2 uit de lucht te halen, waardoor de temperatuur op aarde rap daalde.

De naam Rodinia is afgeleid van het Russische woord voor “voortbrengen”: het bracht met het uiteendrijven een (grotendeels) bevroren Aarde voort, 600 miljoen jaar geleden. Mogelijk was het een periode van wel 12-miljoen-jaar!

Bevroren Aarde kende warme plekken (de donkere gebieden), waardoor er tóch een weercirculatie mogelijk bleek te zijn.

De vulkaanuitbarstingen op de verschillende kratons zorgden voor een stijging van het koolstofdioxidegehalte in de atmosfeer, waardoor er  een broeikaseffect ontstond.
Als gevolg van het broeikaseffect nam de temperatuur op aarde toe en het ijs begon te smelten.

Afbeeldingsresultaat voor pannotia supercontinent
Kratons dreven uit elkaar door de voortdurende tektonische golvende bewegingen en brachten gedurende miljoenen jaren nieuwe continenten bij elkaar. Soms in het poolgebied, dan weer rond de evenaar. 600 miljoen jaar geleden was dit de formatie van Pannotia, waarvan het bestaan betwist wordt. (klik op afbeelding)

Het supercontinent Pannotia kwam in feite tot stand toen Rodinia zichzelf binnenstebuiten keerde. In plaats dat Laurentia het centrum van dit supercontinent werd, zoals het geval was met Rodinia, stond Afrika centraal, omringd door de rest van Gondwana (India, Antarctica, Australië, Madagascar, Arabië en Zuid-Amerika). Dit gebeurde omdat Pannotia werd gevormd door de subductie van uitwendige oceanen (die Rodinia uit elkaar haalde en Pannotia samen duwde). Pannotia was relatief kortdurend en kwam ongeveer 650 miljoen jaar geleden samen met de Pan-Afrikaanse orogenie (gebergtevorming) en brak toen ongeveer 560 miljoen jaar geleden uit elkaar met de opening van de Iapetus Oceaan.
Gedurende de periode zweefde Laurentia, Baltica en Siberië rond de buitenranden van Pannotia maar in dezelfde positie als zij hadden genoten in Rodinia. Het uiteenvallen van Pannotia en de opening van de Iapetus Oceaan leidden tot de explosie van het leven in het Cambrium, aangezien de oceaanbassins wijd verspreidden met de ondiepe continentale plankmarge die de verspreiding van enorme aantallen soorten planten en dieren in zee toeliet.

Afbeeldingsresultaat voor cambrische explosie
‘Cambrische explosie’ een achterhaald begrip. (klik op afbeelding)

Met de opening van de Iapetus Oceaan, Baltica en Siberië gescheiden van Laurentia en dreef in een tegenovergestelde richting. De Iapetus Oceaan sloot opnieuw in de vorming van het kleine supercontinent Laurasia ongeveer 420 miljoen jaar geleden. Laurasia werd later het noordelijke onderdeel van Pangaea.

Ongeveer 400 miljoen jaar geleden botste daarna Laurentia, dat vanzelfsprekend na miljoenen jaren ’n andere ligging had verkregen, tegen het continent Baltica. Hierbij vond orogenese plaats. Deze gebergtevorming wordt de caledonische_orogenese genoemd. De botsing zorgde voor het ontstaan van een gebergte, dat zich van de provincie Brabant tot in het zuiden van Engeland uitstrekte: Het Massief van Brabant is een reeks van plooien (en dus ondergrondse golvingen!).

Golvend Massief van Brabant.
Deze kaart illustreert het uiteenvallen van het supercontinent, Rodinia, dat 1100 miljoen jaar geleden ontstond. Het late Precambrium was een ‘Ice House’-wereld, net zoals het nu is/was met een bevroren Noord- en Zuidpoolgebied.
Alle zuidelijke continenten samen hebben ooit één geheel gevormd. India, Antarctica en Zuid-Afrika bevonden zich 140 miljoen jaar daarvóór rond de evenaar (zie kaart erboven). Het supercontinent Gondwana bevond zich vlakbij de zuidpool.
Gondwana lag rond de plek van het huidige Antarctica, maar het klimaat was redelijk mild. De blauwe stip is de Zuidpool.

De naam Gondwana komt van het gebied Gondwana in India, omdat één van de eerst gevonden rotsformaties van dit supercontinent in dat gebied zijn onderzocht. Om inzicht te krijgen in een vele miljoenen jaren lang proces van plaattektoniek:

Gondwana begon in het late Jura (ongeveer 160 miljoen jaar geleden) uiteen te vallen, toen Afrika zich losmaakte en langzaam naar het noorden begon te bewegen. Het volgende grote blok dat afbrak was India, samen met Madagaskar, in het vroege Krijt (ongeveer 125 miljoen jaar geleden). Later maakte India zich los van Madagaskar en dreef naar het noorden. Australië brak 96 miljoen jaar geleden van Antarctica af en Nieuw-Zeeland volgde ongeveer 80 miljoen jaar geleden.

Van het late krijt ga ik nu ‘even’ 161 miljoen jaar terug, toen in het late Perm, het grootste en het meest tot de verbeelding sprekende supercontinent Pangea was gevormd.

Vanaf 600 miljoen jaar geleden brak het vorige supercontinent Rodinia geleidelijk in verschillende kleinere delen uiteen. Uiteindelijk werd uit deze delen 300 miljoen jaar later, Pangea gevormd, dit gebeurde tijdens de hercynische_orogenese. Wat de Caledonische orogenese deed met het Massief van Brabant, deed de Hercynische orogenese met de Ardennen. Veel gebergten die bij de vorming van Pangea gevormd werden bestaan nog steeds, voorbeelden hiervan zijn de Oeral en de Appalachen.
Oeralgebergte in Rusland. Een van noord naar zuid gevormd gebergte met een lengte van 2500 km. Het was het gevolg van een beweging naar het zuidwesten van de Siberische plaat, waarbij de kleinere landmassa Kazachstanië bekneld raakte tussen deze plaat en het bijna samengestelde supercontinent Pangea.
Appalachen in oosten van N-Amerika heeft een lengte van 2400 km. Het reliëf vertoont ’n oude plooiing, waarbij de geplooide lagen overspoeld werden door de zee, afgevlakt werden en bedekt werden met nieuwe sedimentlagen. Na opheffing vormden zich een nieuw rivierpatroon. Zie kaart: Het Central Pangean-gebergte

Gebergtevorming zie ik als een golvende voortplanting van gesteentelaag over gesteentelaag in proces van ’n continentale verschuiving gedurende vele miljoenen jaren. Hierbij ontstaan glooiingen en steile hellingen.

Gebergtevorming wordt orogenese genoemd. Gebergten van betekenis worden doorgaans gevormd door het botsen van tektonische platen. De tektonische krachten zijn sterk genoeg om gebergteketens te vormen van kilometers hoog. De spanningen tussen de platen waren er al vanaf de prille wrijvingen die de eerste continenten bij elkaar dreven en zullen in de verre toekomst eenzelfde spanningsveld meedragen met voortdurende plate-tectonics (men vindt dat er perse muziek bij moet?!)

In de aardgeschiedenis hebben drie hoofdfases plaatsgevonden waarbij de meeste gebergten zijn ontstaan. Tijdens de Caledonische orogenese werden in het Paleozoïcum onder andere de Appalachen gevormd. In de Hercynische orogenese tijdens het boven Carboon werden diverse gebergten gevormd die inmiddels weer zijn verdwenen door erosie. Gesteentenresten zijn op sommige plaatsen nog terug te vinden en worden gebruikt voor datering van de oorspronkelijke gesteenten.

De Alpiene Orogenese begon halverwege het Krijt-tijdperk, en duurt in feite nog steeds voort. Bij de botsing van de Afrikaanse en Euraziatische plaat, ontstonden de eerst de Alpen, vervolgens de Karpaten, de Kaukasus en de gebergten in Turkije en Iran. De Middellandse Zee werd gevormd toen de tektonische platen van Afrika en Europa met elkaar botsten. Dit veroorzaakte een scheur waardoor het water van de Atlantische Oceaan in het Mediterraans gebied stroomde. Dit was de grootste overstroming ooit, deze duurde 2 jaar en de zeespiegel steeg met 10 meter per dag!

Bij de botsing van de twee platen werden ook gebergten op het Iberisch schiereiland en de Pyreneeën gevormd. In Noord-Afrika werd door de botsing het Atlasgebergte gevormd.

Tijdens de Alpiene Orogenese, waarin de Alpen hun vorm kregen, tilde de botsing tussen de beide platen ook het Ardennengebied naar zowat 700m hoogte. Op de kaart is ook duidelijk te zien, dat tijdens deze platenbotsing ook het Zwitserse- en Oostenrijkse hooggebergte zich heeft kunnen vormen.

Afbeeldingsresultaat voor geologie ardennen
De Ardennen werden omhooggeduwd door de hercynische_orogenese tijdens het Carboon, 300 miljoen jaar geleden, door het naar elkaar toe bewegen van de supercontinenten Gondwana en Euramerica.

Atlasgebergte

Het Atlasgebergte ligt in het noordwesten van Afrika en loopt van west naar oost door Marokko, Algerije en Tunesië. De hoogste toppen reiken tot boven 4.000 meter

Het gebergte is grotendeels het resultaat van de alpiene gebergtevorming, in het Krijt 70 miljoen jaar geleden.Tijdens de Hercynische orogenese zorgde de botsing tussen Gondwana en Laurazië voor de vorming van een lange bergketen (zoals bij de Himalaya) De Anti-Atlas zijn daarvan de restanten. De actieve orogenese strekte zich uit over een tijdsspanne van ongeveer 90 miljoen jaar.

De bergketen kan onderverdeeld worden in meerdere gebergten. De grootste en belangrijkste zijn, grofweg van west naar oost: Anti-, Hoge- en Midden-Atlas. De geologische sokkel, het grondgebergte van het Atlasgebergte, is ontstaan tijdens het Precambrium. De uitbreiding van het Atlasgebergte kwam 400 miljoen jaar later.

Het grondgebergte (de sokkel) werd 650 miljoen jaar geleden al gevormd

400 miljoen jaar later. Pangea heeft zich gevormd. Het Central Pangean-gebergte was een uitgestrekte bergketen. Restanten hiervan zijn de Appalachen en Anti-Atlas.
Het Centraal Pangea Gebergte werd gevormd als gevolg van een botsing tussen Laurazië (ofwel Euramerica) en het Supercontinent Gondwana tijdens de vorming van Pangea.

Het Himalaya-gebergte en het Tibetaanse Hoogland

Afbeeldingsresultaat voor mount everest
Een regio in het Himalayagebergte zou tegen het einde van de eeuw bijna helemaal vrij van gletsjers kunnen zijn, blijkt uit een nieuw onderzoek. Een mogelijke stijging van de sneeuwgrens naar 7000 meter, zou 90% van het huidige gletsjergebied blootleggen en smelten. De sneeuwophopingen zouden dan tijdens de moesson ernstig]] beperken. Nu ligt die grens tussen 3.200 en 5.500 meter.

Het Himalaya-gebergte is ontstaan toen een supercontinent uiteen viel in meerdere delen. Het gedeelte dat e nu kennen als India, is toen met hoge snelheid naar het noorden gedreven en is met volle snelheid op een groter continent, Eurazië geklapt.

Deze afbeelding heeft een leeg alt-attribuut; de bestandsnaam is ontstaan-hymalaya.jpg
Nog altijd bouwt zich een enorme spanning op tussen de platen. Als die spanning vrijkomt, voelt dat als een aardbeving. Het gebeurt bij de Himalaya nog steeds redelijk vaak, doordat de Indische plaat zo groot is.
Uit een simulatie blijkt dat dit soort bergen ontstaan bij een botsing tussen twee aardplaten die niet onder elkaar schuiven, maar met de zijkanten tegen elkaar blijven liggen.
De bergen worden daardoor als het ware uit de grond ‘geperst’ van het continent dat de klap opvangt.
Afbeeldingsresultaat voor mount everest
Mount Everest is 8848 meter hoog en ligt op de grens van Nepal en Tibet.
Uit een nieuw onderzoek blijkt, dat een regio in het Himalayagebergte, de thuisbasis van de iconische top van de Mount Everest, tegen het einde van de eeuw bijna helemaal vrij van gletsjers zou kunnen zijn.
Afbeeldingsresultaat voor Himalaya's ijskappen smelten - Geografie.nl
Himalaya’s ijskappen smelten

Waarom-is-Andes-berg-en-geen-zee?

Afbeeldingsresultaat voor raadsel andesgebergte ontrafeld
De Andes is een wat merkwaardige bergketen. Mysterie ontrafeld: waarom het ‘onmogelijke’ Andesgebergte tóch bestaat
nieuwe-theorie-over-vorming-Andes. De vrij vlakke topografie van de Andes lijkt er op te wijzen dat er een zeer visceuze stroming van korstmateriaal ook een grote rol heeft gespeeld.
Afbeeldingsresultaat voor Nieuwe theorie over vorming Andes
De Andes vanuit de ruimte. Het raadsel van de vlakke aardplaten onder het Andesgebergte ontrafeld.
Gerelateerde afbeelding
De Naczaplaat duikt onder de Zuid-Amerikaanse Plaat, en veroorzaakt daarmee veranderingen in de stroming van de mantel. In computersimulaties werd duidelijk, dat de verstoorde mantelstroming Zuid-Amerika naar het westen dreef, en de duikende Nazca-plaat op sommige plekken terug naar het oppervlak duwde, waardoor de Andes omhoog rimpelde.

Machu Picchu in het Andesgebergte

Machu Picchu — the ancient city of the Inca Empire.
With special thanks to AirPano
www.airpano.com/360photo/Machu-Picchu-Peru

De stad Machu Picchu is voornamelijk opgetrokken uit graniet. Onderzoek vond twee mijnen in de nabijheid waar het graniet vandaan kwam. Het graniet is een stollingsgesteente dat geïntrudeerd (het magma is in vast gesteente binnengedrongen) en gestold is tussen het late Perm en het midden Jura, zo’n 200 miljoen jaar geleden. In die tijd was er een rift die min of meer gelijk loopt met de hedendaagse Andes. Een rift is een gebied in een continent waar aardkorst-verdunning plaatsvindt. De plaatbeweging is er divergent, uit elkaar bewegend. Onder invloed van dit proces wordt een langgerekte laagte in het landschap gevormd, een riftvallei verzonken of ingedrukt beneden het omliggende gebied.

Tijdens het Eoceen (150 miljoen jaar later), transformeerde dit riftsysteem ten gevolge van de (in feite) nog steeds voortdurende Alpiene orogenese. De transformatie zorgde ook voor heel wat breuken. Machu Picchu is gelegen tussen twee breuklijnen waardoor ze in een slenk ligt, een tektonische vallei ontstaan door twee ‘evenwijdige’ afschuivingsbreuken waarbij delen van een planeetkorst uit elkaar worden getrokken. Je zou kunnen zeggen, dat het omhoog bewogen gebergte waar Machu Picchu en de Huayna Picchu, een horst vormt met steile hellingen.

Rocky Mountains

Met zijn 4401 m is Mount Elbert de hoogste berg van de Rocky Mountains

De Rocky Mountains worden over het algemeen gedefinieerd als zich uitstrekkend van de Brits-Columbia in het noorden tot New Mexico in het zuiden.
De gesteenten die in de Rocky Mountains aan het oppervlakte liggen werden gevormd vóórdat de bergen omhoogkwamen door tektonische krachten.
De basement van de Rockies werd 1,7 miljard jaar geleden golvend neergelegd: rockies-thrust-up-national-geographic.
Het oudste gesteente is op grote diepte gemetamorfoseerd in het Precambrium onder hoge druk en zeer hoge temperatuur. Het is de kern van het Noord-Amerikaanse continent.

De opbouw van de Rocky Mountains werd veroorzaakt door een ongewone subductie, waarbij een plaat onder een kleine hoek naar beneden dook onder de Noord-Amerikaanse plaat. Deze kleine hoek verplaatste de focus van bergvorming veel verder landinwaarts dan de normale 300 tot 500 km. De kleine hoek van de subductie deed de wrijving en andere interacties met de overrijdende plaat sterk toenemen. Enorme overschuivingen stapelden laag op laag waardoor de Rocky Mountains een buitengewone brede en hoge vorm hebben gekregen.

Gedurende het late Precambrium, 650 miljoen jaar geleden, lag westelijk Noord-Amerika onder een ondiepe zee. De planeet was een ‘Ice House’-wereld, met Europa 0p de Zuidpool!!
De huidige zuidelijke Rockies werden opwaarts gedwongen door de sedimenten van de voorlopers van de Rocky Mountains uit het Perm (300 miljoen jaar geleden). Dergelijke sedimenten werden vaak gekanteld onder steile hoeken langs de flanken van de huidige bergketen en ze zijn nu zichtbaar op veel plaatsen in de Rockies.

De Laramide orogenese was een periode van bergvorming in het westen van Noord- Amerika, die duurde van 80-50 miljoen jaar geleden. Tijdens deze orogenese werden de Rocky Mountains gevormd, maar de orogenese heeft invloed gehad van Mexico tot Alaska. Onmiddellijk na de Laramide orogenese waren de Rockies te vergelijken met het huidige Tibetaans Plateau, een hoogvlakte. In de laatste 50 à 60 miljoen jaar heeft erosie het gebergte afgesleten en het huidige landschap van de Rocky Mountains gevormd. De erosie heeft een grote verscheidenheid aan gesteenten blootgesteld aan het oppervlak. Dit is zichtbaar gemaakt in het filmfragment.

Monument Valley.
De vallei, gelegen op het Colorado Plateau op een hoogte van zo’n 1700 meter, bestaat uit zandsteen en siltsteen (een overgangsgesteente van kwarts en klei). De karakteristieke rode kleur is te danken aan het in de bodem aanwezige ijzeroxide. Door erosie van de bodem hebben zich zandsteenformaties gevormd die tussen de 100 en 300 meter hoog zijn.
Het gebied rond Monument Valley was eens een laagland. Gedurende miljoenen jaren werd er, door erosie van de toen nog jonge Rocky Mountains, materiaal gedeponeerd waardoor langzaamaan een plateau ontstond dat bijna 5000 meter boven zeeniveau reikte.
Tijdens de laatste 50 miljoen jaar is veel van dit materiaal op zijn beurt weer geërodeerd. De zachtere lagen waren meer aan erosie onderhevig dan de hardere gesteenten.

Grand Canyon

How-the-Grand-Canyon-formed. De Grand Canyon vormde zich vanaf 17 miljoen jaar geleden. In de kloof stroomt de rivier de Colorado, die zich in de loop van miljoenen jaren tot een diepte van 1600 m. in het gesteente heeft uitgesneden. De Grand Canyon is bijna 450 km lang en heeft een variërende breedte tot bijna 30 km.
De bron van de Colorado rivier ligt in de Rocky Mountains.

De Colorado-rivier is een 2300 km lange rivier in Noord-Amerika die door delen van de Verenigde Staten en Mexico stroomt.

De rivier begint in Rocky Mountain National Park, gelegen in de noordelijke regio van de Amerikaanse staat Colorado. De bovenloop lijkt heel anders dan de meer bekende delen van de rivier. In feite is de start van de Colorado-rivier slechts een kleine afwateringslijn die wordt gevoed door een natte weideomgeving in het park. De primaire waterbron van deze weide is het meer La Poudre Pass. Het oppervlak van het meer heeft een hoogte van 3048 m boven de zeespiegel in een bergpas. De Colorado-rivier loopt door vijf Amerikaanse staten en twee Mexicaanse staten voordat ze aankomt in de Golf van Californië.

Gerelateerde afbeelding
Moeilijk te geloven, dat de machtige Colorado-rivier hier ergens ontspringt!
De horizontaal gelegen gesteentelagen hebben een ouderdom tussen de 250 miljoen en 1,7 miljard jaar, van respectievelijk boven- tot onderaan. Deze lagen zijn al veel eerder gevormd dan de kloof zelf en waren al versteend voordat de insnijding begon. De meeste gesteenten zijn afgezet in een toenmalige oceaan, gezien het sedimenttype en de fossielen die erin worden gevonden.

In de loop van miljoenen jaren heeft het water van de Colorado deze kloof in het landschap vorm gegeven. Deze extreme erosie werd mogelijk doordat het gebied waarin de kloof ligt steeds verder omhoog rees. De Colorado erodeert ongeveer 16 cm per 1000 jaar. Het gesteente dat nu bloot komt te liggen is volgens metingen circa 2 miljard jaar oud. De geologische structuur is onderdeel van de Grand Staircase.

Rode punten van links naar rechts zijn: Pink Cliffs, Grey Cliffs, White Cliffs, Vermilion Cliffs, Chocolate Cliffs

Kleuren en leeftijd van de Grand Staircase

De Grand Staircase bestaat uit vijf gekantelde, naar het zuiden gerichte, steile hellingen die traptreden worden genoemd. De trappen van de Grand Staircase worden beschreven in hun kleuren: chocolade, vermiljoen, wit, grijs en roze. De onderste trede is gemaakt van kalksteen en staat bekend als de North Rim Grand Canyon.

  • De onderste laag is de Chocolate Layer – Grand Canyon – Chocolate Cliffs – De noordrand van de Grand Canyon is de oudste laag van de Grand Staircase. Het werd gevormd door zandige Kaibab-kalksteen tussen 200 tot 225 miljoen jaar geleden.
  • Vermillion Layer – Vermillion Cliffs – Deze roodachtige of vermiljoen gekleurde kliffen zijn ongeveer 165 tot 200 miljoen jaar oud. Ze bestaan ​​uit afgezet slib en woestijnduinen.
  • White Layer – White Cliffs – Dit zijn witte torenhoge zandstenen rotsen van Navajo. Deze witte, afgetopte dunne laag werd ongeveer 150 miljoen jaar geleden op de top van de tempelkap gedeponeerd gedurende de tijd dat water door de Navajo-woestijn stroomde en later bedekt door grote zandduinen.
  • Gray Layer – Grey Cliffs – Deze stap bestaat uit zachte krijtachtige leisteen en zandsteen die ongeveer 130 miljoen jaar geleden werd gestort. Het is zo oud als de dinosaurus!
  • De bovenste laag is de Pink Layer – Pink Cliffs – Deze rotsen zijn 50 tot 60 miljoen jaar oud (Claron formation)
Spooky-gulch-reflection-canyon.-grand-staircase-escalante-national-monument. Golvende structuren gestroomlijnd in een proces van vele miljoenen jaren

Ring of fire

Video The-depths-below-ring-of-fire

De Ring van Vuur is een belangrijk gebied in het stroomgebied van de Stille Oceaan, waar een groot aantal aardbevingen en vulkaanuitbarstingen plaatsvinden. In een hoefijzervorm van 40.000 km wordt het geassocieerd met een bijna ononderbroken reeks van oceanische greppels, vulkaanbogen, vulkanische gordels en plaatbewegingen. Het heeft 452 vulkanen (meer dan 75% van ’s werelds actieve en slapende vulkanen). Video Ring-of-fire-abbreviated

Ongeveer 90% van de aardbevingen in de wereld en 81% van ’s werelds grootste aardbevingen vinden plaats langs deze Ring van Vuur. Het hierna volgende meest seismisch actieve gebied (56% van de aardbevingen en 17% van ’s werelds grootste aardbevingen) is de Alpide-gebergtegordel, die zich uitstrekt van Java tot de noordelijke Atlantische Oceaan via de Himalaya en Zuid-Europa.
Alle maar drie van ’s werelds 25 grootste vulkaanuitbarstingen van de afgelopen 11.700 jaar deden zich voor bij vulkanen in de Ring van Vuur. [6]
De Ring van Vuur is een direct gevolg van plaattektoniek: bewegingen en botsingen van lithosferische platen. Het oostelijke gedeelte van de ring is het resultaat van de Nazca-plaat en de Cocos-plaat die onder de naar het westen bewegende Zuid-Amerikaanse plaat bewoog.
De Cocos-plaat wordt onder de Caribische plaat, in Midden-Amerika, ondergedompeld. Een deel van de Pacifische plaat en de kleine Juan de Fuca-plaat bewogen onder de Noord-Amerikaanse plaat.

Antarctica

Gerelateerde afbeelding

But this was the beginning

Om het Supercontinent Rodinia te vormen, 1,1 miljard jaar geleden, botste Laurentia (het huidige Noord-Amerika) op Antarctica. Hierdoor ontstonden
500 miljoen jaar later lag Antarctica op de evenaar

Antarctica is het koudste, droogste, hoogste en meest stormachtige continent. Het beslaat een oppervlakte van 13 miljoen km² – dit is groter dan Europa – en wordt bedekt door bijna 30 miljoen km² ijs – ongeveer 90% van de totale hoeveelheid ijs en 70% van de totale hoeveelheid zoet water op Aarde. Het ijs is gemiddeld 2,5 km dik met een maximale dikte van 4,8 km. Met een gemiddelde neerslag overeenkomend met minder dan 150 mm water is Antarctica een van de droogste woestijngebieden ter wereld. Minder dan 2% van het landoppervlak – het Transantarctisch Gebergte en de bergketens van het Antarctisch Schiereiland – is ijsvrij. De laagste temperatuur ooit gemeten in een weerstation was bij het Vostokstation Russia/Vostok op 1000 kilometer van de Zuidpool: −89,2 °C

Onder het Vostokstation op een diepte van bijna 350 meter ligt het grootste meer van Antarctica onder de ijskappen verborgen.


Het Vostokmeer is een in 1996 ontdekt meer dat zich onder ’n meer dan vier kilometer dikke ijskap bevindt. Met een oppervlakte van 15.690 km² heeft het een gemiddelde diepte van 344 m en een geschat volume van 5400 km³. In mei 2005 werd een eiland ontdekt in het midden van het meer.
Geheime bergketen ontdekt.
Wetenschappers hebben een gebergte onder Antarctica ‘ontdekt’ ter grootte van de Franse Alpen. Het gigantische bergmassief ligt begraven onder ’s werelds grootste ijslaag op vier kilometer diepte.
De onderzoekers moesten tijdens hun expeditie temperaturen van dertig graden onder nul trotseren om dit Gamburtsev gebergte in kaart te brengen. Wat ze daar aantroffen overtrof hun stoutste verwachtingen.
  • Welke tektonische krachten creëerden deze enorme bergketen?
  • Wat gebeurde er nog meer op deze planeet om deze gebeurtenis te activeren?
  • Wanneer zijn deze bergen ontstaan? Was het 500 miljoen jaar geleden of 50 miljoen jaar geleden?
  • Hoe lang zijn de bergen al ingesloten door het ijs?

Een 50-jarig mysterie over hoe bergen onder het Antarctische ijs gevormd zijn, kan eindelijk opgelost zijn. Onderzoekers denken te weten dat het Gamburtsev Subglaciaal gebergte, dat zich onder de enorme Oost-Antarctische ijskap bevindt, mogelijk is ontstaan ​​na een reeks dramatische tektonische gebeurtenissen.
Wetenschappers hebben zich afgevraagd hoe de bergketen in het minst onderzochte gebied op aarde werd gevormd sinds ze in 1958 werden ontdekt.
In de periode 2007-2009 werden de bergen die onder 3 km ijs liggen, geanalyseerd door een team van wetenschappers uit zeven lande, met behulp van gespecialiseerde radar en andere apparatuur aan boord van lichte vliegtuigen.

“Het begrijpen van de oorsprong van de Gamburtsevs was een hoofddoel van onze International Polar Year-expeditie”, aldus Dr. Fausto Ferraccioli, van de British Antarctic Survey en de hoofdauteur van het rapport
“Het was fascinerend om te ontdekken dat het Oost-Antarctische kloofsysteem lijkt op het Oost-Afrikaanse kloofsysteem – en dat dit het ontbrekende stuk van de puzzel is dat het Gamburtsev Subglaciaal gebergte helpt verklaren. Het systeem bleek ook grote subglaciale meren te bevatten. “
Door de gegevens te onderzoeken, ontdekten onderzoekers hoe in de afgelopen miljard jaar een stabiele aardkorst werd gevormd onder de bergen en het kloofsysteem in Oost-Antarctica. Deze kloof strekte zich uit over 3.000 kilometer, helemaal tot aan India.
In het Precambrium, botsten verschillende continenten, waardoor de oorspronkelijke bergen en de stabiele aardkorst ontstonden. Tussen de 250 miljoen tot 100 miljoen jaar geleden, tijdens de tijd van de dinosauriërs, zijn de bergen uiteindelijk geërodeerd en brak het Gondwana-supercontinent, inclusief Antarctica, waardoor de stabiele aardkorst door tektonische krachten werd opgewarmd. Dit veroorzaakte later extra opheffing, dus om opnieuw bergen te vormen , die werden geconserveerd door de enorme ijskap. Met 10 miljoen km² zo groot is als Canada. Gletsjers en rivieren vormden diepe valleien die de toppen omhoog trokken om het verbazingwekkende landschap te vormen dat wordt vergeleken met de Alpen op het Europese continent.

Diepste op land gelegen vallei ontdekt op Antarctica

High-precision-map-delivers-a-new-picture-of-antarcticas-topography.
The deepest point on continental Earth has been identified in East Antarctica, under Denman Glacier. This ice-filled canyon reaches 3.5km below sea level.
Het Transantarctisch Gebergte is een van de grootste bergketens ter wereld. De bergketen heeft een lengte van 4800 kilometer. Het verdeelt Oost- en West-Antarctica.

Het Transantarctisch Gebergte is ongeveer 65 miljoen jaar oud, veel ouder dan andere bergketens op Antarctica, die voornamelijk vulkanisch van oorsprong zijn. De bergen bestaan voornamelijk uit sedimentair zandsteen, afgezet door wind, water en ijs, en uit een stollingsgesteente (doleriet), dat zich ongeveer 400 miljoen jaar geleden gevormd heeft (door stolling van magma).

Kenmerkend voor gletsjers is dat ze bewegen onder hun eigen druk, als heel langzaam stromende rivieren. Gletsjers bedekken circa 15 miljoen km² aardoppervlak, dat komt overeen met ongeveer 10 % van het landoppervlak.

Als het warmer wordt, trekt de gletsjer zich terug naar hoger gelegen gebied, totdat een nieuw evenwicht is bereikt. Als het kouder wordt, breidt de gletsjer zich juist verder naar beneden uit. Omdat het klimaat van jaar tot jaar erg variabel is, zijn gletsjers eigenlijk nooit echt in evenwicht: onder invloed van natuurlijke veranderingen in sneeuwval en temperatuur passen ze voortdurend hun dikte en lengte aan.

De Antarctische circumpolaire stroom

De westenwinden worden veroorzaakt door lucht die stroomt van de subtropische hoge druk naar de lage drukcellen in de Polar Frontal Zone (blauwe band). De wind wordt westwaarts omgeleid door de Coriolis-kracht. Koude valwinden met hoge snelheden (katabatische winden) die naar het noorden afdalen vanuit de hogedrukcellen boven de Antarctische ijskap, worden naar het oosten geleid en drijven de polaire stroom nabij de kustlijn van Antarctica (grote blauwe pijlen). In de ‘Antarctische pool frontale zone’ dalen de oppervlaktewatertemperaturen heel snel.

De leidende theorie van de grote contrasten in zeeijs in het Antarctisch gebied is het verschuiven van heersende winden, waardoor de vorming van zeeijs op bepaalde plaatsen wordt gestimuleerd. Een andere verklaring wijst op de toegenomen smelt van de Antarctische ijskap, waardoor zich meer zoetwater met een hoger smeltpunt in de bovenste oceaanlagen rond Antarctica bevindt.

Ik zal hier uitgebreider ingaan in m’n volgende blog over klimaatverandering in de afgelopen 2,5 miljard jaar. Maar hier geef ik alvast aan, dat er twee uiteenlopende meningsverschillen zijn, twee tegenpolen die ik ‘Polaire meningen’ zou willen noemen. Dit wordt geïllustreerd met de volgende twee uitersten: enerzijds is-er- nog-niets-aan-de-hand-met-het-klimaat van de gerenommeerde geoloog Salomon Kroonenberg” en anderzijds lees je ’n toch wel vernederende kritiek: ‘De verhalen van Salomon Kroonenberg zijn een wetenschapper onwaardig’. Tenminste….. in de klimaatwetenschappelijk verantwoorde benadering over Klimaatverandering……

Mid-Oceanische ruggen

Dit is weliswaar op het aardoppervlak. Mid-Atlantische ruggen zijn ook langgerekte, hoger gelegen structuren op de oceaanbodem, die wel als ’n soort bergketens kunnen worden gezien.
Mid-oceanische ruggen
Langgerekte, hoger gelegen structuren op de bodem van oceanen.

De mid-oceanische ruggen zijn ontstaan na het uiteenvallen van het supercontinent Pangea.

Bij de oceanische ruggen bewegen verschillende platen van elkaar af, zijn divergerend. Het gevolg is dat er een ruimte ontstaat tussen de platen, dat zal worden opgevuld door gloeiend magma uit de laag onder de 80 km dikke lithosfeer. De magma zal aan het oppervlak stollen, waardoor een nieuwe oceanische korst zal worden gevormd. Op mid-oceanische ruggen komt veelvuldig vulkanisme voor.

Omdat de platen uit elkaar blijven bewegen, zal het proces door blijven gaan, waarbij steeds nieuwe lithosfeer worden gevormd bij de oceaanruggen. Men noemt in de platentektoniek een mid-oceanische rug daarom een spreidingszone. Het proces waarbij op spreidingszones oceanische korst wordt gevormd is oceanische spreiding.

De Mid-Atlantische Rug is een grotendeels onder water liggende bergketen. De rug strekt zich zo’n 330 km van de Noordpool uit tot het eiland Bouvet niet ver van Antarctica. Daarmee is het de langste bergketen ter wereld. Op sommige plekken komt de rug boven water uit in de vorm van eilandjes. Hoewel op sommige plaatsen vulkanische eilanden boven water uitsteken, ligt bij IJsland, de scheiding tussen de tektonische platen boven water.

In Þingvellir Nationaal Park in IJsland vind je een wel heel bijzondere kloof. Het is dé scheiding tussen het Noord-Amerikaanse en het Euraziatische continent. (zal ik vervangen door eigen foto)

Het gebied van Ðingvellir bevindt zich op de scheidingslijn van de Noord-Atlantische en Euraziatische platen, en schuift hier zeer geleidelijk uit elkaar. Dat het op de scheidslijn van twee platen ligt, maakt meteen ook duidelijk waarom het gebied zo vulkanisch actief is en er veel aardbevingen/bevinkjes zijn: de Aarde is hier voortdurend in beweging. De riftvallei loopt hier van het zuidwesten naar het noordoosten en varieert in breedte tussen de 25 km en 10 km. Het gebied is zichtbaar als parallel lopende kloven, met reusachtige rotsblokken langs de vallei, die zich met een onmerkbare snelheid van ongeveer 7 mm per jaar elkaar verwijderen.

Bovendien bevindt IJsland zich ook nog ’n op een hotspot. De plaats van de hotspot ligt vast door de plaats van de mantelpluim. Mogelijk worden hotspots veroorzaakt door een extensie (rekspanning) van de lithosfeer waardoor er een ‘verdunning’ ontstaat en dus een zwakke plek.
Mantelpluim

Hotspots komen niet noodzakelijk voor aan de randen van de platen. Ze zijn het gevolg van de hogere warmtestroom boven plekken waar opwaartse stroming in de mantel plaatsvindt. Doordat de plaat (die zich boven de warmere plek bevindt) beweegt, verplaatst het aardoppervlak zich ten opzichte van de hotspot. Hierdoor kan er zich in de loop der tijd een rij vulkanen ontwikkelen aan het aardoppervlak. De Hawaï-eilanden zijn op die manier gevormd.

De Hawaï-eilanden zijn liggen ook op een oceanische rug. De eilanden zijn een onderdeel van de Hawaï-Emperorketen. Een keten van zo’n 80 schildvulkanen/vulkanische eilandjes.

Alle zeeën en oceanen zijn verbonden door een samenhangend systeem, een golvende structuur van submariene gebergten en stromingen.

Thermohaline-circulation
Thermo refereert aan temperatuur en halien aan zout.

Met name in de Atlantische Oceaan lijkt de huidige circulatie de minst krachtige in 1600 jaar. Volgens de onderzoekers komt dat door de aanvoer van zoetwater van smeltende gletsjers op Groenland, sinds het einde van de Kleine IJstijd. Warm water verdampt en wordt daardoor zouter en zwaarder, maar met de extra aanvoer van zoet water zinkt het minder snel naar de diepte.

Globale oceanische circulatie

Aan de oppervlakte van de Atlantische Oceaan stroomt warm water van de evenaar naar het noorden. Dit water koelt onderweg af. Daarnaast verdampt meer water dan dat zoet water wordt toegevoegd, waardoor het water richting het noorden steeds zouter wordt. Hoe zouter en kouder het water, hoe hoger de dichtheid ervan. Om die reden zinkt het in het hoge noorden naar de diepte, waarna het terug naar het zuiden vloeit. Doordat dit systeem wordt aangedreven door temperaturen en zout, heet het ‘thermohaliene circulatie’, waarbij thermo refereert aan temperatuur en halien aan zout. Hierdoor ontstaat een lopende band van zeewater die warmte naar het noorden transporteert en ons klimaat verwarmt.

Wat als de circulatie stilvalt of stagneert?

De voor het Europese klimaat cruciale Warme Golfstroom kan in een warmer wordend klimaat wel ‘ns dreigen stil te vallen. Door de draaiing van de aarde ontstaan op de oceanen grote windgedreven wervels of draaikolken. Die wervelstromen zullen niet stilvallen, tenzij je de draaiing van de aarde stopzet. Maar het afzinken van ‘zwaar water’ kan echter wél stoppen. Zoet water lichter is dan zout water. In de Labradorzee (tussen Oost-Canada en Groenland) komt relatief zoet water uit de Arctische Oceaan terecht, en zoet smeltwater van het ijs op Groenland. Veel zoet water op de bovenlaag van de zee maakt het afgekoelde water weer lichter, zodat het niet zinkt. Dat proces kan heel abrupt stoppen. Als dat gebeurt, heeft dat effect op het klimaat in onze regio.

Kan Nederland afkoelen door opwarming van de aarde? Wie dat wil begrijpen, moet weten hoe de Atlantische Oceaan de temperatuur in West-Europa beïnvloedt. Aan de oppervlakte van de Atlantische Oceaan stroomt warm water van de evenaar naar het noorden. Dit water koelt onderweg af. Daarnaast verdampt meer water dan dat er zoet water wordt toegevoegd, waardoor het water richting het noorden steeds zouter wordt. Hoe zouter en kouder het water, hoe hoger de dichtheid ervan. Om die reden zinkt het in het hoge noorden naar de diepte, waarna het terug naar het zuiden vloeit. Doordat dit systeem wordt aangedreven door temperaturen en zout, heet het ‘thermohaliene circulatie’, waarbij thermo refereert aan temperatuur en halien aan zout. Hierdoor ontstaat een lopende band van zeewater die warmte naar het noorden transporteert en ons klimaat verwarmt. Die lopende band heet de ‘Atlantic Meridional Overturning Circulation’, afgekort AMOC.

We zagen al: hoe zouter en kouder het water, hoe hoger de dichtheid ervan. Om deze lopende band aan de gang te houden, is het belangrijk dat de dichtheid van water in het noorden hoog genoeg is om naar de bodem te zakken.

Maar als de oceaan minder afkoelt door een warmere atmosfeer, neemt de dichtheid van het water af. Als daarnaast de ijskappen rond de Noordpool afsmelten en de hoeveelheid regen door klimaatverandering toeneemt, wordt de noordelijke oceaan zoeter. Zoet water heeft een lagere dichtheid dan zout water, waardoor het water nog langzamer zinkt. Door dit alles vertraagt de lopende band en vermindert het warmtetransport naar het noorden.

De warmte die niet meer naar het noorden komt, blijft hangen in het zuiden. Daar vindt een versterking van de opwarming plaats. Afhankelijk van allerlei details kan dat betekenen dat de Antarctische ijskap sneller afsmelt, waardoor de zeespiegel harder stijgt.

Het elementaire bewustzijn

Inhoudsopgave:

Hoe is het periodiek systeem opgebouwd? Valentie-elektronen. Quarks de meest elementaire deeltjes en hun spin. Quark-gluon plasma.

De elementen. Waterstof. Helium. Kernenergie in de Zon. Koolstof. Methaan. Stikstof. Zuurstof. Cyanobacteriën. Fotosynthese. Ozon of smog. Oxidatie en verbranding.

De ontspannende werking van Epsom-zouten. Zwavelbronnen. Chloor en keukenzout. Calcium en koraalrif. Chroom 6 en ’n vulkaantje. IJzer. …….en niet te vergeten de rode planeet.

Hoe is het periodiek systeem opgebouwd?

Alle elementen zijn gerangschikt naar opklimmend atoomnummer.

Het atoomnummer geeft het aantal protonen in de kern van het atoom aan. Wanneer het atoom als geheel elektrisch neutraal is, is het atoomnummer gelijk aan het aantal elektronen in de elektronenwolk rond de kern. Juist die elektronen bepalen het chemische gedrag van een atoom. Atomen met hetzelfde atoomnummer maar verschillende massagetallen zijn isotopen.

Het massagetal is de som van het aantal protonen en neutronen in een atoomkern. De meeste atomen kunnen meerdere massagetallen hebben. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat het aantal neutronen in de kern kan variëren. Het aantal protonen in een bepaald atoom is echter altijd hetzelfde.

De atomaire massa-eenheid aangeduid als u van het Engelse atomic mass unit, is gedefinieerd als 1/12 van de massa van één koolstof-12 atoom = = 1,993 × 10−23 g

Elektronen in de buitenste regionen van de wolk, bepalen voornamelijk de scheikundige eigenschappen van de atomen. Elektronen zoeken hun eigen welbepaald plekje om de atoomkern. Ze zijn zich onbewust elementair en atomair bewust van hun omgeving.

De elektronenconfiguratie van een atoom geeft aan hoe de elektronen verdeeld zijn in banen rondom de kern van het atoom. Het woord ‘baan’ is hier echter ’n beetje misleidend, omdat het elektron zich ook als een golfverschijnsel gedraagt. Toch is het handig om van banen te spreken. Voor iedere golvende baan beschrijft een wiskundige formule de waarschijnlijkheid om het elektron ergens aan te treffen. Elke baan heeft een bepaald energieniveau ten opzichte van de kern en worden van binnenuit het eerst opgevuld In het algemeen geldt: hoe verder van de kern, hoe hoger het energieniveau, maar de elektronen beïnvloeden ook elkaar omdat zij geladen deeltjes zijn. Valentie-elektronen zijn de elektronen die zich bevinden in de buitenste regionen van de elektronenwolk van een bepaald atoom. Valentie-elektronen zijn cruciaal bij chemische bindingen tussen atomen: aljevragen.nl.atoombindingen

Erwin Schrödinger, een Oostenrijkse natuurkundige, beschreef de beweging van elektronen met golvingen in de elektronenwolk.
Instead of being organized in Bohr’s 2-D orbits, electrons are actually found in 3-D orbitals. Each orbital defines an area where the probability of finding an electron is high. These orbitals are known as electron “clouds”
De banen kunnen onderverdeeld worden in een aantal schillen en subschillen, die genummerd kunnen worden met hun hun kwantumgetallen-en-orbitalen.

Elektronenconfiguratie

De elektronenconfiguratie is de verdeling van de elektronen van een atoom over de beschikbare energieniveaus.

Toestand-beschrijving: volgens de klassieke mechanica is het mogelijk een bepaalde toestand van een systeem te beschrijven door van ieder van de deeltjes waar het systeem uit bestaat de positie en bewegingssnelheid op een bepaald moment aan te duiden. Het onzekerheidsprincipe stelt: hoe nauwkeuriger de plaats bekend is, hoe groter de onzekerheid in snelheid, en omgekeerd. Quantumgetallen worden in de quantummechanica gebruikt voor deze toestand-beschrijvingen.

We onderscheiden 7 hoofdschillen, K-L-M-N-O-P-Q. Hun kenmerk is het hoofdkwantumgetal n. We nummeren ze van 1 (overeenkomend met K) tot 7 (overeenkomend met Q). Er geldt dat hoe hoger de waarde van n is, des te groter is de energie van de schil.

Volgorde schillen in dit geval van het atoom Goud 79 elektronen chemica-clip-elektronenschillen-elektronenconfiguratie-en-edelgasconfiguratie

Elke hoofdschil bevat maximaal maar 2n22n2 elektronen, met een absoluut maximum van 32. Per hoofdschil zijn er ook nog n subschillen. Deze komen overeen met kleine energieverschillen binnenin de schil. Ze worden gekenmerkt door het nevenkwantumgetal ll. ll heeft een bereik van 0 tot n–1n–1. Er zijn 4 verschillende subschillen. We noemen ze s-p-d-f.

De elektronenconfiguratie van platina (Pt): 1s 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d9 6s1
(eerste schil 2 elektronen, tweede schil 8 elektronen, derde schil 18 elektronen, vierde schil 32 elektronen, vijfde schil 17 elektronen en de zesde schil 1 elektron)

Als in de elektronensamenstelling van een element slechts één elektron wordt uitgestoten of opgenomen verandert de samenstelling van de elektronen zodanig, dat er een ander element ontstaat: elementaire deeltjes beïnvloeden elkaar in een vervalproces van radioactiviteit. In een vervalproces, het β-verval, kan een neutron omgezet worden in een proton waarbij een elektron wordt uitgestoten: het atoomnummer is door het extra proton één hoger geworden. Bij elektronenvangst wordt een elektron door een proton opgenomen. Daarbij wordt het proton (met het opgenomen elektron) omgezet in een neutron en een neutrino. Het massagetal blijft daarbij gelijk, maar het atoomnummer wordt met één verlaagd.

Elektronegativiteit is de mate hoe sterk een atoom elektronen aantrekt. Hoe groter de elektronegativiteit, hoe sterker een atoom elektronen aantrekt.

Door ’n hoge elektronegativiteit, een maat voor de neiging van een atoom een binding aan te gaan met een ander atoom om de gezamenlijke elektronenwolk naar zich toe te trekken, binden niet-metalen hun elektronen heel sterk aan de kern. M.a.w. ze staan niet gemakkelijk een elektron af en zijn daardoor sterke oxidatoren, die gemakkelijk een elektron opnemen. Stoffen die elektronen gemakkelijk afstaat zijn reductoren. Een reactie tussen atomen, moleculen en/of ionen waarbij elektronen worden uitgewisseld, wordt een redoxreactie genoemd, een samenstelling van de begrippen reductie en oxidatie.

Edelgasconfiguratie: video de-edelgasconfiguratie-scheikunde-scheikundelessen.nl

Een edelgasconfiguratie is een toestand van de verdeling van elektronen, waarbij de elektronen in de buitenste schil, de configuratie (de samenstelling) van de elektronen van een edelgas hebben. Deze configuratie komt niet overeen met een lege, maar een volle buitenste valentieschil en wordt daarom ook open-schil-configuratie genoemd. De open-schil-configuratie is een energetisch gunstige configuratie, die ook nagestreefd wordt door atomen in hun verbindingen. Dat is de grond voor de octetregel met betrekking tot het aantal valentie-elektronen van de atomen in hun verbindingen. Octetregel zegt dat atomen op een zodanige manier proberen te combineren dat ze elk acht elektronen in hun buitenste schil hebben. Met andere woorden: atomen streven ernaar om een edelgas te vormen.

Valentie-elektronen

Valentie-elektronen zijn cruciaal bij chemische bindingen tussen atomen. Het aantal valentie-elektronen bepaalt de bindingsmogelijkheden van een atoom. Deze bevinden zich in de buitenste ‘banen’ of beter ‘regionen’ en worden daarom makkelijk afgestaan om een verbinding aan te gaan.

Alle atomen uit groep 1 hebben één valentie-elektron en alle atomen uit groep 2 twee valentie-elektronen. Uit groep 13 hebben er drie en uit groep 14 vier enz.

Een valentiebinding komt voort uit de regel dat het centrale atoom in een molecuul de voorkeur geeft aan het vormen van elektronenparen.  Met het begrip ‘valentie’ wordt het maximale aantal atomen aangegeven, dat een chemische verbinding kan aangaan met een gegeven ander atoom.

Groep (zie opbouw periodiek systeem)

Een verticale kolom van elementen die verwante eigenschappen vertonen wordt een groep genoemd. Er zijn in totaal 18 groepen.

Periode

Een horizontale rij van elementen met toenemend atoomnummer wordt een periode genoemd. Er zijn in totaal 7 periodes.

De meest elementaire deeltjes van het vroege universum: Quarks en hun eigenschappen.

Protonen en neutronen zijn opgebouwd uit quarks, die samen met elektronen de elementaire bouwstenen zijn van alle materie.

Zowel elektronen als quarks hebben eigenschappen die we spin noemen.

Zij kunnen maar op twee manieren “rondtollen”: Spin up en Spin down Dit is Spin ½ a ‘double-rotation’.
undefined
‘Spin’ betekent eigenlijk rotatie, maar heeft in deze betekenis niets te maken met een daadwerkelijke draaiing van een deeltje om zijn as. Een enkel punt in de ruimte kan continu draaien zonder verstrikt te raken. Merk op dat na een rotatie van 360 ° de spiraal tussen de wijzers van de klok mee en tegen de klok in draait. Het keert terug naar zijn oorspronkelijke stand na het draaien van een volledige 720 °
Zie ook Spinor voor een scherpe visualisering om spinning voor te kunnen stellen.

Spin is een magnetische richting van een elementair deeltje. Het is een kwantummechanische eigenschap, die op geen enkele wijze met de klassieke mechanica is te beschrijven.

Een magnetisch moment wordt ondervonden door lussen van elektrische stroom zoals in elektro- en permanente magneten, elementaire deeltjes, diverse moleculen én zelfs in planeten, manen en sterren.

Dit momentum wordt ondervonden wanneer dergelijke minuscule en grotere objecten doorheen een magneetveld bewegen en een magneetveld creëren. Het momentum geeft een maat van sterkte en de oriëntatie aan van de magnetische noord- of zuidpool dat het in dat veld veroorzaakt. 

Quark-gluon plasma

Quark-gluon plasma in het vroege universum creëert en magnetisch veld.
Hot-quark-soup-produced-at-rhic.

Quarks en gluonen zijn deeltjes met “kleurlading. Net zoals elektrisch geladen deeltjes elkaar beïnvloeden door het uitwisselen van fotonen, zo is er bij “gekleurde” deeltjes de sterke kernkracht voor het uitwisselen van gluonen. Hierbij worden ze vaak aan elkaar “gelijmd”. 
Van die ‘kleuren’ bestaan drie soorten, die elkaar samen opheffen, zoals positief + en negatief – dat doen bij de elektrische lading. Gekozen is daarom voor de naam kleur-lading, met als soortnamen “rood”, “groen” en “blauw” (samen “wit”).
undefined

Het universum bestond op zijn eerste momenten uit een perfecte vloeistof.
Wetenschappers van de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) van Brookhaven National Laboratory op Long Island, New York, hebben vijf jaar lang gezocht naar het quark-gluonplasma waarvan wordt gedacht dat het ons heelal heeft gevuld in de eerste microseconden van zijn bestaan.

Vreemd genoeg leek het eerder een vloeistof dan het verwachte hete gas.
Quarks zijn de bouwstenen van protonen en neutronen, en gluonen dragen de sterke kracht die ze met elkaar verbindt. Er wordt aangenomen dat deze deeltjes na de intense hitte van de oerknal enige tijd nodig hadden om tot gewone materie te condenseren.
Om deze soep van ongebonden deeltjes na te bootsen, versnelt de RHIC geladen goudatomen in de buurt van de lichtsnelheid voordat ze samen worden gebroken. Eerdere experimenten hebben aangetoond dat deze botsingen iets creëren dat twee biljoen graden Celsius bereikt: ongeveer 150.000 keer heter dan het centrum van de Zon.

Wanneer geladen deeltjes in deze quark-gluon-plasma bewegen, creëren ze een magnetisch veld, waardoor een netwerk van ‘spinning quarks and gluons’ ontstaat. Voor deeltjes is de richting van de spin een belangrijke beschrijving van het impulsmoment. Dit is een “hoeveelheid draaiing” van iets: een draai-impuls. Impuls is de “hoeveelheid beweging”, gerelateerd aan de snelheid en de massa (in het Engels momentum).

Behoud van impulsmoment bij kunstschaatsers: Als een kunstschaatser een pirouette maakt, zie je vaak dat de draaiing wordt ingezet met wijd uitgestrekte armen. Als de schaatser de armen intrekt wordt de draaiing enorm versneld. Dat is een direct gevolg van het behoud van impulsmoment: de afstand van de armen tot het midden wordt steeds kleiner, dus de snelheid wordt groter.

De elementen

De volgende animatie toont de opbouw van het hele periodiek systeem: de atoommassa wordt steeds zwaarder.

Animatie opvullend Periodiek Systeem atoms-orbitals-and-periodic-table

Waterstof en helium zijn de twee lichtste en tevens de allereerste atomen, die het hele stellaire proces in gang hebben gezet. De allereerste sterren in het universum zijn gevormd door het samensmelten van waterstof en helium. Hierna kwam de stellaire nucleosynthese opgang (=stellaire samenstelling), 200 miljoen jaar later in de gevormde sterren. De supernovae nucleosynthese, vele honderden miljoenen jaren later, zegt iets over de vorming van elementen tijdens de explosies van supernova’s. In een type Ia supernova, veroorzaakt door exploderende witte dwergsterren die te zwaar zijn geworden, kan op deze wijze magnesium tot en met nikkel ontstaan, in type II supernovae, zeer zware sterren die na de ijzerverbranding exploderen, kunnen nog zwaardere elementen vormen, waarbij heel snel neutronen worden ingevangen.

Mijn bronnen: Dynamisch Periodiek Systeem // Chemistry Explained // aljevragen.nl

1. Waterstof (H)

Atoommassa waterstof 1,0079u (unit)
De atomic mass unit is gedefinieerd als 1/12 van de massa van één koolstof-12 atoom = = 1,993 × 10−23 g
Elektronenconfiguratie: 1 valentie elektron // Orbitaal 1s1
Elektronenwolk met orbitalen. Een orbitaal is het gebied rondom een atoomkern waarin elektronen met een bepaalde energie zich met 90% waarschijnlijkheid bevinden

Waterstof is het meest eenvoudige element met slechts één proton en één elektron en is daarmee het meest voorkomende element in het universum. In 1766 werd door de Engelse chemicus en natuurkundige Henry Cavendish bewezen dat water een verbinding is van waterstof en zuurstof, toen hij experimenten uitvoerde met kwik. Hij vermoedde dat het metaal de bron van het gas was. Daarom noemde hij zijn nieuw ontdekte element brandbaar gas van metalen. Enkele jaren later gaf Antoine Lavoisier waterstof de huidige Latijnse naam hydrogenium. 

Onder atmosferische omstandigheden vormt waterstof een twee-atomig molecule: diwaterstof = moleculaire waterstof (H2) dat meestal gewoon als waterstof of waterstofgas aangeduid wordt.

Fysische eigenschappen waterstof

Onder extreem hoge druk, bijvoorbeeld in gasreuzen zoals de planeten Jupiter en Saturnus, komt metallische waterstof voor. Dit komt doordat de metallische moleculen (in dit geval moleculair waterstof) onder extreem hoge drukzich gaan gedragen als een vloeibaar metaal.

Waterstof is het meest voorkomende element in het universum en is tevens het lichtste element uit het Periodiek Systeem.

Bij extreem lage druk, zoals voorkomt in de ruimte tussen de sterren, komt waterstof vooral voor in de vorm van losse atomen, eenvoudig omdat er geen gelegenheid is om zich tot een molecuul te combineren.

  • De gebieden in het heelal waar moleculen ontstaan zijn daar veel te koud voor: de temperatuur ligt daar rond de 260 graden onder nul. Dat betekent dat de atomen niet snel genoeg bewegen om de reactiebarrière te overwinnen.

Het is verbazingwekkend dat er in de ruimte tóch moleculen gevormd worden. De ruimte is biljoenen malen ijler dan lucht. Dat maakt de kans dat twee atomen elkaar tegenkomen en een molecuul kunnen vormen erg klein. En zelfs als een molecuul gevormd wordt, valt deze meestal weer snel uit elkaar omdat er bijna nooit een ander molecuul in de buurt is om het overschot aan energie weg te vangen. Dat er toch moleculen in de ruimte worden gevormd, komt waarschijnlijk door de stofdeeltjes die in bepaalde gebieden zweven en waarop losse atomen en moleculen blijven plakken. De kans dat atomen een ander atoom op een stofdeeltje tegenkomen is daardoor veel groter dan in de omringende ruimte. Ook kan het stofdeeltje de energie opvangen die vrijkomt als een molecuul gevormd wordt, zodat het nieuwe molecuul kan afkoelen en stabiliseren. Maar daarmee kan nog niet alles verklaard worden.

2. Helium (He)

Atoommassa
4,0026 u
Elektronenconfiguratie:
0 Valentie-elektronen // Orbitaal 1s2
Edelgassen gaan nauwelijks verbinding aan met enig ander element, vandaar geen valentie-elektronen. 

Helium is een edelgas, omdat edelgassen per definitie niet of nauwelijks reageren met andere stoffen. Deze zeer geringe reactiviteit wordt veroorzaakt door de stabiele elektronensamenstelling. Uit de (edelgas)elektronenconfiguratie blijkt dat edelgassen nul valentie-elektronen hebben. Er zijn dus geen elektronen beschikbaar om een gemeenschappelijk elektronenpaar te vormen met een ander atoom. Er zal dan ook geen reactie optreden.
Deze configuratie is een energetisch gunstige configuratie, die in wezen ook nagestreefd wordt door alle atomen in hun verbindingen. Dat is de grond voor de octetregel en de 18-elektronenregel met betrekking tot het aantal valentie-elektronen van de atomen in hun verbindingen.

Het vroege heelal bestond uit een hete soep van losse protonen en neutronen. Door middel van nucleosynthese (kernfusie) in het vroege heelal kon helium worden gevormd. Er waren oorspronkelijk geen andere elementen dan waterstof met slechts één proton. Doordat het echter zo heet was, bevatten de protonen en neutronen in het jonge heelal veel energie, en tijdens een botsing konden ze daarom fuseren tot zwaardere elementen.
Dit wordt de oerknal nucleosynthese genoemd: de vorming van de allerlichtste elementen tijdens het ontstaan van het heelal. Dit noem ik liever na de Inflatie dan na de oerknal (er was namelijk niks dat het geluid van een knal kon weerkaatsen, er was niets, maar dit terzijde…..).
Aan de hand van onze huidige kennis van deeltjesfysica kunnen we berekenen dat ongeveer 3 minuten na het ontstaan, het heelal voor 76% uit waterstof en voor 24% uit helium bestond. Van de andere elementen was er slechts een minuscuul beetje aanwezig, en alleen van de allerlichtste.

Het element Helium (He) is het eerst ontdekt in de Fraunhoferlijnen van de zon. Ook Waterstof (H), Koolstof(C), Stikstof(N), Zuurstof(O) en IJzer(Fe) zijn in deze lijnen zichtbaar en dus aanwezig als elementen in de Zon d 2

Kernenergie in de zon

Per seconde wordt er ruim 600 miljoen ton aan waterstof omgezet in helium. Iedere seconde komt er voldoende vrij om de Verenigde Staten 50 miljoen jaar van elektriciteit te voorzien. De omzetting van één gram materie naar energie levert ongeveer 90 biljoen joule aan energie op. Genoeg om zo’n 7500 Nederlandse huishoudens een jaar lang van elektriciteit te voorzien.

Een waterstofkern die bestaat uit een proton en een neutron (“deuterium”), wordt samengevoegd met een waterstofkern die bestaat uit een proton en twee neutronen (“tritium”). Het resultaat is een instabiele kern met twee protonen en drie neutronen. Deze valt uiteen in een heliumatoom en een los neutron, dat weer kan worden gebruikt om deuterium en tritium te maken.
  • 1 biljoen = 1012 Een 1 met 12 nullen 1.000.000.000.000  oftewel miljoen maal miljoen. 1 kWh is 3.600.000 J of 3,6 MJ = 3,6 miljoen joule
  • 90 biljoen : 3,6 miljoen =   25.000.000.000.000 = 25 miljoen x miljoen kWh

Alle energiecentrales op de hele wereld produceren samen per jaar 1011 kWh. Dus moeten alle centrales ‘n miljoen jaar draaien om evenveel te produceren als de Zon. De druk in het hart van de zon is 250 miljard bar en  er heerst een temperatuur van zo’n 15 miljoen °C

3. Lithium (Li)

Atoommassa 6,941 u
Elektronenconfiguratie: 1 Valentie-elektron // Orbitaal [He]2s1 = 1s2+ 2s1
t/m Neon wordt de elektronen-configuratie verkort weergegeven door te beginnen met conf. van Helium (He = 1s2 )

Lithium behoort tot de alkalimetalen die over het algemeen zeer reactief zijn, lithium echter is het minst reactief! Vanwege de reactiviteit zijn alkalimetalen de meest onedele metalen die er zijn. Met water reageert lithium explosief snel, met zuurstof oxideert lithium heel vlug d.w.z. dat zuurstof heel snel elektronen opneemt van het metaal.

Lithium, ook wel het witte goud van de 21e eeuw genoemd, is een essentieel onderdeel van oplaadbare batterijen en vanwege de stijgende vraag naar elektrische auto’s is er een heuse rush op de grondstof: in 2016 kostte een ton nog iets minder dan 6000 dollar, een jaar later was de prijs meer dan verdubbeld.
Lithium-the-white-gold-of-bolivias-salt-desert.

4. Beryllium (Be)

Atoommassa 9,0122 u
Elektronenconfiguratie: 2 Valentie-elektronen // Orbitaal [He] 2s2
Beryllium is het lichtste lid van de familie van aardalkalimetalen.

Aardalkalimetalen zijn onedele metalen (die snel reageren) en de oxiden (verbindingen met zuurstof, waarvan zuurstof de oxidator is, die elektronen opneemt) zijn basisch. Een base – ook wel alkali genoemd – in oplossing heeft een pH-waarde (zuurtegraad) hoger dan 7, dus een lage zuurgraad. Zure oplossingen hebben een pH lager dan 7, en dus een hoge zuurgraad. Zuren zijn de tegenhangers van de basen. Zuren en basen reageren met elkaar in een proces dat neutralisatie genoemd wordt. De zouten van aardalkalimetalen lossen in het algemeen minder goed op in water dan de zouten van alkalimetalen. Een zout is een verbinding tussen positieve (tekort aan elektronen) en negatieve (overschot aan elektronen) ionen, respectievelijk kationen en anionen.

Naar verluidt heeft een oplossing van beryllium een zoetige smaak, vandaar dat dit element een tijd de naam glucinium heeft gedragen (van het Griekse glykys, wat zoet betekent). De vroege chemici die dit gemeld hebben deden dat echter stervend: berylliumverbindingen zijn namelijk zeer giftig.

Beryl is een wit, gelig wit, geelgroen tot groen, roze, blauwig tot groenblauw, rood of goudgeel aluminiumberylliumsilicaat.
Kostbare vormen van beryl zijn de half edelstenen aquamarijn en smaragd.

5. Boor (B)

Atoommassa 10,811 u
Elektronenconfiguratie: 3 Valentie-elektronen // Orbitaal [He] 2s2 2p1
Boor is een metalloïde (metaalachtig semi-metaal) d.w.z. qua eigenschappen tussen metalen en niet-metalen in.

Metalloïden is een groep elementen die sommige fysische en chemische eigenschappen van metalen heeft, maar ook eigenschappen van niet-metalen. De metalloïden zijn boor, arseen, antimoon, tellurium, germanium en silicium. Er is geen ondubbelzinnige lijst van eigenschappen te geven die nodig zijn om een metalloïde te definiëren.

Hoewel het element Boor één van de eenvoudigste kernen heeft, wordt het element alleen gevormd onder invloed van kosmische stralen en niet in sterren.

De isotopen van Boor met een massa lager dan 10 u vervallen naar minder zware elementen, zoals helium en beryllium . De zwaardere isotopen (vanaf 12B) vervallen naar koolstof.

De isotoop 10B is zeer effectief bij het behandelen tegen kanker.

Tijdens BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) krijgt een persoon met kanker een injectie met de isotoop 10B. Het boor heeft de neiging om direct naar kankercellen te gaan. De patiënt krijgt een injectie van boor die alleen in de kankercellen neerslaat.

Het lichaam van de patiënt wordt vervolgens gebombardeerd met neutronen die passeren zonder gezondheidscellen te beschadigen. Ze botsen dan met booratomen. Hierdoor wordt boor omgezet in lithiumatomen, alfadeeltjes en gammastralen. Een alfadeeltje is een heliumatoom zonder elektronen. Gammastraling is zeer energierijke straling die cellen kan doden.

De lithium-atomen en alfadeeltjes reizen slechts een korte afstand. Ze verlaten de kankercel niet, maar hebben genoeg energie om de cel te doden. Omdat ze de cel niet verlaten, vormen ze geen bedreiging voor gezonde cellen in de buurt. BNCT is niet volledig ontwikkeld. Maar het is veelbelovend als een kankerbehandeling.

6. Koolstof (C)

Atoommassa 12,011 u
4 Valentie-elektronen // Orbitaal [He]2s2 2p2

Koolstof wordt sinds mensenheugenis al gebruikt in de vorm van houtskool. Koolstof is een niet-metaal dat in verschillende vormen voorkomt zoals diamant en grafiet. De overige niet-metalen zijn stikstof, zuurstof, fosfor, zwavel en seleen.

Ook diamant en grafiet. beide zijn gelijksoortige vormen van koolstof, zijn al heel lang bekende vormen van koolstof. Grafiet-t.o.v.-diamant. Grafiet bestaat net als diamant uit pure koolstof. De twee mineralen verschillen alleen van elkaar door de samenstelling van de koolstof atomen. In grafiet zijn de atoomlagen met elkaar verbonden, daarom kunnen we ermee schrijven.

Verbindingen met koolstof en waterstof komen het meest voor. De eenvoudigste koolwaterstof is methaan CH4

  • knmi.nl/uitleg/broeikasgas-methaan. Methaan is na kooldioxide het belangrijkste broeikasgas dat bijdraagt aan de versterking van het broeikaseffect door de mens.
    Uit onderzoek van oude ijskernen blijkt dat methaan al sinds jaar en dag in de atmosfeer voorkomt. Variaties in de hoeveelheid in het verleden hangen sterk samen met veranderingen in temperatuur en kooldioxide (CO2). De ijstijden kenden de kleinste hoeveelheden methaan. In warme periodes (interglacialen) nam de hoeveelheid methaan weer toe.
  • Methaan is als broeikasgas 21 keer krachtiger als CO2.  Men schat dat methaan, ondanks de relatief kleine hoeveelheid ervan in de atmosfeer, verantwoordelijk is voor 15 – 17 % van alle opwarming die de afgelopen eeuw op de aarde heeft plaatsgevonden.
  • Methaan komt vrij bij de ontginning van aardolie en gas. Verder wordt methaan gevormd bij een onvolledige verbranding (bijv. bij het platbranden van tropisch regenwoud) of door gisting van organisch materiaal zoals op stortplaatsen en in waterrijke gebieden. Bij herkauwers (koeien, schapen, geiten …) gist het voedsel dat ze eten in hun maag en daarbij wordt methaan gevormd. Methaan komt dus ook in grote mate vrij als bijproduct in de steeds intensiever wordende veeteelt. 
  • De permafrost in het noordpoolgebied is al duizenden jaren bevroren. Met de opwarming van de aarde komt daarin langzaam verandering. Het leefgebied van bepaalde diersoorten verdwijnt, maar er ligt een groter gevaar op de loer: methaangassen.

7. Stikstof / Nitrogenium (N)

Atoommassa 14,0067 u
5 Valentie-elektronen // Orbitaal [He]2s2 2p3
  • Stikstof is een niet-metaal en is ’n voorwaarde voor alle leven op aarde. Het vormt namelijk de basis van ons DNA en onze eiwitten. De lucht om ons heen zit van nature vol stikstof. De samenstelling van de atmosfeer bestaat voor 78% uit stikstof en slechts voor 21% uit zuurstof. Wij mensen hebben echter geen gebonden of ongebonden vorm van stikstof nodig om van te leven. Voedingsstikstof stelt planten in staat eiwitten te maken die dienen als voedsel voor dieren en mensen.
nitrogen fixation
Bliksem kan nitraat (NO3-) vormen, dat middels neerslag in de bodem terecht kan komen.

Enkele belangrijke doorbraken in de luchtstudie vonden plaats in het jaar 1770. De sleutel was een eenvoudig experiment dat wetenschapsstudenten vandaag nog steeds doen. Het experiment begint met een lege fles die ondersteboven in een bak water wordt geplaatst. De lucht in de fles kan niet ontsnappen.

Proefje: Kaarsje onder glas. Simpel proefje, maar … – Slimme Handen

Als een brandende kaars in de fles wordt geplaatst met de ingesloten lucht, stijgt het water een beetje. Waarom gebeurt dit? Vroege chemici dachten dat een deel van de lucht wordt opgebruikt als de kaars brandt. De schotse natuurkundige Daniel Rutherford noemde het in 1772 al: noxious air, schadelijke lucht, omdat een vlam er in dooft. De Nederlandse benaming stikstof wijst op het feit dat het gas dieren doet stikken. Tegenwoordig weten ze dat een deel van de lucht zuurstof  is. Een ander deel van de lucht blijft achter. Dat deel verdwijnt niet als de kaars brandt dit is namelijk koolstofdioxide (CO2).

Proefje: Kaarsje onder glas. Simpel proefje, maar … – Slimme Handen

Waarneming: Na verloop van tijd wordt het vlammetje van de kaars minder hoog en dooft uiteindelijk. Verklaring: Voor de verbranding van kaarsvet (het vlammetje dus) is onder andere zuurstof nodig. Tijdens de verbranding wordt zuurstof uit de lucht omgezet in koolstofdioxide (CO2) en het is dus géén stikstof ‘die de vlam deed stikken’ zoals één van de ontdekkers van stikstof, de chemicus Daniel Rutherford (1749-1819) beweerde.

Kaarsvet is gemaakt van paraffine, stoffen die bestaan uit koolstof- en waterstofatomen. Dit vaste kaarsvet wordt eerst vloeibaar door de warmte, waarna het verdampt. Dit verdampte kaarsvet is de eigenlijke brandstof voor de verbranding.

Verbranding is een chemische reactie, wat betekent dat beginstoffen kunnen veranderen in andere eindstoffen. Atomen maken een andere combinatie zodat er andere moleculen ontstaan. De koolstofatomen in het kaarsvet vormen samen met de zuurstofatomen in de lucht, koolstofdioxide. De waterstofatomen in het kaarsvet combineren ook met zuurstofatomen, maar hier ontstaat H2O oftewel water(damp)!

Als de glazen pot over de kaars heen is geplaatst, is de beschikbare zuurstof maar beperkt. De vlam krijgt als het ware geen frisse lucht en stikt dus. De zuurstof in de omgekeerde fles is tijdens de verbranding allemaal omgezet in koolstofdioxide.

Dit eenvoudige experiment laat zien dat lucht bestaat uit (ten minste) twee verschillende elementen: zuurstof en iets anders. Een van de eerste mensen die ontdekte wat het ‘iets anders’ is, is de Schotse arts en chemicus Daniel Rutherford (1749-1819). Rutherford voerde een soortgelijk experiment uit zoals het kaars-in-een-fles onderzoek dat zojuist is beschreven.

De moderne naam stikstof werd voor het eerst gesuggereerd in 1790 door de Franse chemicus Jean Antoine Claude Chaptal (1756-1832). Deze naam was logisch voor chemici toen ze zich realiseerden dat het nieuwe gas aanwezig was in salpeterzuur en nitraten. Nitrogen is de samenvoeging van nitraat en salpeterzuur (nitro) en (gen) = “oorsprong van”. (nitrogen is het Engelse woord voor stikstof)

En dan de luchtvervuiling door stikstofdioxide

Beelden van de Chinese hoofdstad Peking – links zonder, rechts met smog.

Stikstofdioxide speelt ook een belangrijke rol in de atmosferische chemie, omdat het tot de productie van ozon in de troposfeer leidt. De troposfeer is het deel van de atmosfeer dat zich tot tussen de acht en zestien kilometer boven de grond uitstrekt.
Het wordt ook door de natuur gecreëerd door bliksem in de lucht en door activiteit van microben in de aarde, waar het als bron en tevens een proces dient in de stikstofkringloop
.

8. Zuurstof (O)

Atoommassa 15,999 u
2 Valentie-elektronen // Orbitaal [He]2s2 2p4

Hoewel zuurstof iets gewoons en vanzelfsprekends is, vind ik het juist heel belangrijk voor een verdieping in dit toch wel heel bijzondere element. Drie miljard jaar geleden was zuurstof nog voornamelijk gebonden aan koolstof CO2 door talloze vulkaanuitbarstingen.

Honderden miljoenen jaren lang was dit de aanblik van de vroege Aarde.

Cyanobacteriën

Cyanobacteriën zijn foto-autotroof wat betekent dat ze rechtstreeks kooldioxide en water kunnen synthetiseren (samenvoegen) met behulp van energie uit het zonlicht.
Het zonlicht wordt opgenomen door bladgroenkorrels in de bacteriecelen met behulp van de energie van het zonlicht wordt water en koolstofdioxide omgezet in glucose, met als afvalproduct zuurstof.

Dit hele proces wordt hierin beschreven: fotosynthese

Kolonies kalkrijke stromatolieten werden zo’n 2,8 miljard jaar geleden gevormd door cyanobacteriën. Hun kolonies boden bescherming tegen de aanwezigheid van zuren en andere opgeloste anorganische stoffen in de oerwateren van de Aarde.
Door fotosynthese produceerden deze micro-organismen zuurstof als afvalproduct…..

Fotosynthese is voor ons een zeer ingewikkeld quantumproces. Bacteriën passen dit echter al ruim 2,5 miljard jaar toe, zonder er over na te hoeven denken. Ook al bijna 450 miljoen jaar is dit complex ogend mechanisme bekend in de plantenwereld.

Zuurstof als element, een niet-metaal, werd in 1771 ontdekt en het was Antoine Lavoisier die het zijn wetenschappelijke naam oxygenium (zuurvormer) gaf. Het zou een onontbeerlijk bestanddeel zijn van een zuur. Hoewel oxiden (verbindingen met zuurstof) van vele elementen zuurvormend zijn, is het omgekeerde niet waar: om een zuur te vormen is zuurstof niet noodzakelijk. Het bleek namelijk dat er naast zure stoffen, ook zuurstofloze zure stoffen waren, een goed voorbeeld daarvan is zoutzuur. Dit sterke zuur stond bekend als geest van zout en in 1814 werd aangetoond dat daarin geen zuurstof voorkomt, maar dat het uit waterstof en chloor bestaat. De aanwezigheid van zuurstof moest daarmee als eis uit de definitie van een zuur weggelaten worden.

Dizuurstof (moleculaire zuurstof O2 dat zijn 2 atomen zuurstof, dus enkelvoudig) is het zuurstofgas dat we inademen. Het is onmisbaar voor alle organismen op Aarde. Zonder de enkelvoudige stof O2 zou er geen dissimilatie (celademhaling) mogelijk zijn in de mitochondriën. In samengestelde vorm is het ook een wijdverspreid element omdat alle water van de oceanen en alle silicaten (zouten)
waar de aardkorst uit bestaat zuurstof bevatten.

Vloeibaar zuurstof
gebruikt voor medische doeleinden en in de ruimtevaart. Video vloeibare-zuurstof

Dat zuurstof in vrije vorm in de atmosfeer voorkomt, is het gevolg van het leven op aarde, met name door de hierboven beschreven fotosynthese van cyanobacteriën en planten. Zonder die voortdurende productie zou al de vrije zuurstof geleidelijk uit de atmosfeer verdwijnen, omdat het zeer reactief is en zich heel gemakkelijk met andere atomen verbindt, denk aan CO2……

Naast gewone zuurstof, met twee zuurstofatomen per molecuul, bestaat er ook Ozon O3

In principe is ozon niets anders dan zuurstof (O2) waaraan zich door een hoog energetische spanning of een chemische reactie een extra zuurstofatoom heeft gekoppeld waardoor Ozon (O3) ontstaat. Het bekendste voorbeeld is de vorming van de ozonlaag, waar ozon wordt geproduceerd door de ultraviolet stralen van de zon.
Ozon wordt ook aangemaakt bij onweersbuien en watervallen. De speciale frisse geur die men ruikt na een onweersbui is ozon. Het woord ozon is afgeleid van het Griekse woord ozein, dat ruiken betekent.

Ozon op grote hoogte

…..de totale hoeveelheid ozon tussen ons en de ruimte komt overeen met een laag van maar ongeveer 3 mm dik die rond de aarde draait….

Ozon in de lagere atmosfeer

In de troposfeer, tussen 0 en 10 km boven het aardoppervlak, zit het meeste gas van onze dampkring: 90%. Hierin ademen we, en lozen we onze afvalgassen.
Omdat de luchtlagen boven de troposfeer de meeste zonnestraling absorberen, bereikt maar weinig straling de troposfeer. Bovenin deze luchtlaag is het zeer koud: -60 °C
In de troposfeer zit van nature weinig ozon: er dringt te weinig zonlicht door om ozon uit zuurstof te vormen, zoals dat in de stratosfeer wel gebeurt.

Ultraviolette straling

In de stratosfeer, tussen 10 en 40 km boven het aardoppervlak, botst het licht van de zon op moleculen van de aardse atmosfeer. Licht heeft vaak zoveel energie dat elke atoombinding in een molecuul stuk gaat. Dat kost steeds een molecuul, maar zo komt dit energierijke licht niet op aarde.

Ultraviolet A 400 – 315 nm: 98,7% van deze straling bereikt het aardoppervlak
Ultraviolet B 315 – 280 nm: slechts 1,3% bereikt het aardoppervlak
Ultraviolet C 280 – 100 nm: wordt volledig tegengehouden door de ozonlaag

Smog

Met een klein beetje stikstofmonoxide kan dus een vrij grote hoeveelheid ozon ontstaan. En hier beginnen de problemen. In automotoren wordt een beetje stikstofmonoxide NO gevormd, en ook in energiecentrales. Ook in huis wordt in allerlei apparaten een klein beetje NO gevormd. Zelfs de mens zelf blijkt een beetje NO te vormen. Al dit NO kan in de lucht ozon vormen. Een ozonconcentratie van 400 mg/m3 is te ruiken, en boven 600 mg/m3 veroorzaakt ozon irritatie van ogen, neus, keel en luchtwegen, en verder hoofdpijn, misselijkheid en benauwdheid.

Hetzelfde gas dat op grote hoogte, in de stratosfeer, het leven beschermt, is dus dichtbij, in de troposfeer, een vervuiler. Alleen de hoogte in de atmosfeer bepaalt of ozon vriend of vijand is.

Oxidatie

Oxidatie is het proces waarbij de geoxideerde stof, de reductor, dat elektronen afstaat aan een andere stof, de oxidator, dat elektronen opneemt. Een oxide is een verbinding tussen een ander element en zuurstof waarin zuurstof als oxidator optreedt. De naam ‘oxidatie’ wordt inmiddels bij uitbreiding gebruikt voor iedere willekeurige chemische reactie waarbij elektronenoverdracht plaatsvindt.

Elektronenoverdracht is het proces waarin een elektron van een molecuul of atoom zich verplaatst naar een andere deeltje. Elektronenoverdracht is het achterliggende mechanisme van redoxreacties, waarbij de oxidatietoestand van de reductor (de elektronendonor) en oxidator (de elektronenacceptor) in bepaalde mate verandert. Daarnaast vormt elektronenoverdracht de basis van ionaire bindingen door elektrostatische aantrekking tussen negatief en een positief geladen ionen. Een ion kan positief of negatief geladen zijn door respectievelijk een tekort of een overschot van een of meer elektronen.

Een reactie waarbij oxidatie optreedt heet een redoxreactie: Redoxreacties-eerste-introductie.

  • Een redoxreactie is een reactie tussen atomen, moleculen en/of ionen waarbij elektronen worden uitgewisseld (elektronenoverdracht). De term redox is een samenstelling van de begrippen reductie en oxidatie.

De oudst bekende, natuurlijke oxidatiereacties zijn dan ook alledaagse verschijnselen als verbranding en zuurstofcorrosie, waarbij zuurstofatomen de valentie-elektronen (in de buitenste regionen) afneemt van koolstofatomen uit koolwaterstoffen en hout, waarbij koolstofdioxide CO2 wordt gevormd, en van metalen als koper en ijzer, waarbij respectievelijk koperoxide en ijzeroxide (roest) worden gevormd.

Verbranding

Verbranding is een complex geheel van voornamelijk exotherme chemische reacties, (waarbij energie vrijkomt) tussen een brandstof en een oxidator, meestal zuurstofgas (Dizuurstof O2) waarbij warmte en licht ontstaat in de vorm van een vlam of een gloed, dus waarbij energie vrijkomt.

Verbrandingsreacties

Bij zuurstofcorrosie worden in waterdruppeltjes opgeloste zuurstofmoleculen gereduceerd d.w.z. dat elektronen door reductie worden opgenomen, terwijl het metaal gelijktijdig reageert tot een metaaloxide (roest).

Schema zuurstofcorrosie van ijzer (grijs) met roestvorming (rood) onder invloed van water (blauw) en zuurstof (wit) en enige stroming van geladen deeltje.

Het roesten van ijzer is een voorbeeld van zuurstofcorrosie. Roest is het roodbruine materiaal dat ontstaat wanneer ijzer reageert met zuurstof in de aanwezigheid van water. Het is een mengeling van ijzeroxide, zuurstof- en waterstofatomen.

Hematiet
IJzer wordt in natuurlijke staat gevonden in het erts hematiet als ijzeroxide

Metaalvormig ijzer heeft de neiging naar deze staat terug te keren wanneer het blootgesteld wordt aan lucht en water. Deze corrosie is te wijten aan de oxidatiereactie die plaatsvindt, wanneer het metaal ijzer, terugkeert naar een energetische voorkeurstoestand.

9. Fluor (F)

Atoommassa 18,998 u
1 Valentie-elektron // Orbitaal [He]2s2 2p5
Fluor is het meest actieve chemische element en reageert met vrijwel elk element. Het reageert zelfs met edelgassen bij zeer hoge temperatuur en druk.

Fluor is een halogeen d.w.z. het vormt zouten (verbindingen tussen positieve en negatieve ionen).
Fluor is een relatief zeldzaam element en komt zowel in sterren als op aarde maar weinig voor. In het zonnestelsel is er één fluoratoom op elke 8800 zuurstofatomen. Op Aarde wordt fluor voornamelijk gewonnen uit het mineraal fluoriet.

Afhankelijk van sporenelementen kunnen fluorietmineralen allerlei kleuren hebben: wit, geel, oranje, roze, bruin, groen, blauw, paars en doorzichtig. Bron: http://www.semoea.nl

De naam fluoriet is afgeleid van het Latijnse fluere, dat betekent “stromen, vloeien”. Dit mineraal wordt ook vloeispaat genoemd. Ook de naam van het element fluor is ervan afgeleid. Het verschijnsel fluorescentie is voor het eerst bij fluoriet bestudeerd en is hiernaar genoemd. Fluorescentie is een bijzonder geval van het uitzenden van licht. Het is een natuurkundig verschijnsel waarbij een atoom een hoog-energetische fotonabsorbeert, waardoor een elektron in een aangeslagen toestand belandt en vervolgens terugvalt naar de grondtoestand onder uitzending van een foton van lagere energie (Langere golflengte).

Consumenten zijn het best bekend met het gebruik van fluor in twee producten. Fluorgas wordt gebruikt om fluoriden te maken, verbindingen die in de jaren vijftig tot tandpasta zijn gemaakt. Fluoriden zijn effectief in het voorkomen van tandbederf en worden ook toegevoegd aan stedelijke watervoorzieningen.

Chemici gebruiken fluor vaak als breekijzer om weerbarstige elementen als de edelgassen argon, xenon en krypton te oxideren. Een aantal vroege onderzoekers heeft de extreme agressiviteit van fluor met blindheid of andere verminkingen moeten bekopen. Chemie is altijd een gevaarlijke wetenschap geweest. Vroege chemie was een gevaarlijke bezigheid. Mannen en vrouwen werkten met chemicaliën waarover ze weinig wisten. De ontdekking van nieuwe verbindingen en elementen zou gemakkelijk tragische gevolgen kunnen hebben. Fluor was bijzonder gemeen. Chemici leden vreselijke verwondingen en stierven zelfs voordat het element werd geïsoleerd. Fluorgas is uiterst schadelijk voor de weke delen van de luchtwegen.

In feite zijn er maar twee elementen die geen verbinding met fluor vormen: de edelgassen helium en neon. Hieronder voor het eerst gefilmd Intens licht van het zeer reactieve fluor in verbinding met het meest reactieve metaal cesium

10. Neon (Ne)

Atoommassa 20,17 u
0 Valentie-elektronen // Orbitaal [He] 2s2 2p6
Neon is net als de andere edelgassen een inert element dat niet of nauwelijks reageert met andere elementen.

Het kostte mensen eeuwen om lucht te begrijpen. Ooit dachten filosofen dat lucht een element was. Onder de oude Grieken, bijvoorbeeld, waren de vier basis-elementen lucht, vuur, water en aarde. Het eerste onderzoek om dat idee te weerleggen werd gedaan in de jaren 1770. In dat decennium werden twee nieuwe elementen ontdekt in de lucht: stikstof en zuurstof. Al enige tijd waren chemici ervan overtuigd dat deze twee gassen de enige waren die in de lucht aanwezig waren. Dat idee is gemakkelijk te begrijpen: stikstof en zuurstof maken meer dan 99% uit van de lucht. Maar na verloop van tijd werden scheikundigen vaardiger in het maken van metingen. Ze erkenden dat er naast stikstof en zuurstof nog iets anders in de lucht was. Dat “iets anders” was goed voor de resterende één procent die geen stikstof of zuurstof is. In 1894 werd een derde element in de lucht ontdekt: argon. Argon maakt ongeveer 0,934 procent uit van de lucht. Dus, stikstof, zuurstof en argon vormen samen ongeveer 99.966 procent van de lucht.

Maar wat was verantwoordelijk voor de resterende 0,034 procent lucht? Chemici wisten dat andere gassen in zeer kleine hoeveelheden aanwezig moeten zijn. Maar wat waren die gassen? Die vraag werd beantwoord tussen 1895 en 1900. Vijf meer inerte gassen werden ontdekt in de lucht. Een daarvan was neon.


Door een hoge spanning met een lage stroomsterkte tegen het flacon te houden, begint het neon te gloeien met rood-oranje licht, de luminescentie-intensiteit zal afhangen van de spanning en de gasdruk. Bij hoge spanning proberen elektronen uit de elektrode te vliegen. Een deel van hen passeert door het glas en botsen op moleculen neon in de injectieflacon. De elektronen van de neon-atomen worden aangeslagen door de botsingen, waarna ze terugspringen naar hun grondtoestand met een lagere energie. Als gevolg daarvan zendt het atoom een ​​foton van licht uit om de nu overtollige energie kwijt te raken.

De meest bekende toepassingen van neon is neonverlichting. Ook zijn nixie-klokken voorzien van dit gas. Zo werkt een nixie-klok. Tegenwoordig bestaan ​​er neonreclames van allerlei kleuren, vormen en afmetingen. Neonreclames zijn vaak gevuld met neongas, maar ze kunnen ook andere gassen bevatten. Het gas in de signaalbuis bepaalt de kleur van het afgegeven licht. Helium: goudgeel Argon: lichtblauw Xenon: helderpaars Kwik: UV licht

11. Natrium (Na)

Atoommassa 22,990 u
Elektronenconfiguratie: 1 Valentie-elektron // Orbitaal [Ne]= 1s22s2 2p6 3s1
t/m Argon wordt nu met conf. Neon begonnen = (He 1s2) 2s2 2p6 en er komt een elektron bij: 3s1

Natrium (Engels: Sodium) is een zilverkleurig alkalimetaal

Het zilverachtig-wit metaal heeft een wasachtig uiterlijk en is zacht genoeg om met een mes te snijden. Als het voor het eerst wordt gesneden is het oppervlak helder en glimmend, maar ’t wordt snel dof omdat natrium reageert met zuurstof in de lucht dat een witte poederlaag achterlaat: natriumoxide dat wordt gebruikt in straatverlichting, vanwege het heldere lichteffect.

Door middel van elektrolyse worden vaak chemische elementen geïsoleerd zoals ook natrium uit natriumhydroxide, ’n bijtende soda. De naam Natrium komt oorspronkelijk van het Egyptische ‘natron‘, wat zoiets als “natuurlijk zout” betekent.

  • Natrium in ons lichaam helpt om de balans tussen het vocht in en buiten de cel te handhaven door middel van osmose (dat wel de vloeistof door het membraan laat, maar niet de opgeloste stoffen). Net als kalium speelt natrium een belangrijke rol bij het overbrengen van zenuwimpulsen, hoofdzakelijk in het samentrekken van de spieren. De concentratie van natrium in het bloed wordt nauw gereguleerd o.a. door het dorstmechanisme.
    Hoe vertellen onze hersenen ons dat we dorst hebben?

12. Magnesium (Mg)

Atoommassa 24,305 u
2 Valentie-elektronen // Orbitaal [Ne] 3s2 = 1s22s2 2p6 3s2

Magnesium is een zilverwit aardalkalimetaal

Deze metalen worden gebruikt als legeringselement in constructiemetalen, omdat ze onedel zijn d.w.z. gemakkelijk reageren met andere metalen en dus legeringen, metallische mengsels, kunnen vormen. Magnesium was in de vorm van magnesiumoxide al heel lang bekend, maar pas in 1755 werd onderkend dat men bij magnesiumoxide met een nieuwe stof te maken had. Tot die tijd werd magnesiumoxide ongebluste kalk genoemd.
Omdat het met een fel wit licht brandt, wordt magnesium dikwijls in vuurwerk gebruikt en werd het in het verleden veel in flitslichten voor de fotografie toegepast.

De ontspannende werking van Epsom-zouten.

Misschien is de best bekende magnesiumverbinding magnesiumsulfaat (MgSO 4 ). Het is in de volksmond bekend als Epsom-zouten.

Epsomzout = Bitterzout

Een van de vroegste verhalen over Epsom-zouten gaat terug tot 1618. De stad Epsom in Engeland, leed aan een ernstige droogte. Een boer bracht zijn vee te drinken uit een waterpoel in het centraal park. Maar het vee zou het water niet drinken. De boer was verrast omdat hij wist dat ze erg dorstig waren. Hij proefde het water zelf en ontdekte dat het erg bitter was. De bitterheid was te wijten aan magnesiumsulfaat in het water. Deze verbinding werd bekend als Epsom-zouten. Mensen ontdekten al snel dat het baden in de natuurlijke wateren met Epsom-zouten ervoor zorgde dat ze zich beter voelden. De zouten leken eigenschappen te hebben die het lichaam kalmeerden. Het duurde niet lang voordat het baden in deze wateren erg populair werd. Tegenwoordig worden Epsom-zouten in badwater gebruikt. Ze ontspannen pijnlijke spieren en verwijderen ruwe huid. Veel mensen geloven dat de zouten hetzelfde ontspannende effect hebben als warmwaterbronnen.

13. Aluminium (Al)

Atoommassa 26,9815 u
3 Valentie-elektronen // Orbitaal [Ne =1s22s2 2p6 ]3s2 3p1

Aluminium is een zilverwit hoofdgroepmetaal, een metallieke geleider. De naam is afgeleid van het Latijnse woord alumen dat aluin betekent. Aluin is een verbinding van kalium, aluminium, zwavel en zuurstof.
De Romeinen gebruikten aluin als een samentrekkend en als bijtmiddel. Een samentrekkend middel is een chemische stof die ervoor zorgt dat de huid samen trekt. Door aluin over een snee te strooien, wordt de huid gesloten en begint de heling

Aluminium is het derde meest voorkomende element in de aardkorst, na zuurstof en silicium. Het is het na ijzer het meest gebruikte metaal ter wereld. Het is dan ook enigszins verrassend dat aluminium pas relatief laat in de menselijke geschiedenis werd ontdekt.
Aluminium werd in 1807 ontdekt door Humphry Davy, die het trachtte te bereiden uit aluminiumoxide. Jarenlang was het metaal zo kostbaar dat het in ornamenten toegepast werd. Pas in 1886 werd dankzij een elektrolyseproces de elektrochemische productie van het metaal op grote schaal mogelijk.
De grondstof voor aluminium is bauxiet. Uit bauxiet wordt aluinaarde gewonnen, een wit poeder dat verder bewerkt kan worden om zuiver aluminium te krijgen.

Bauxiet

‘Stop met aluminium!’

Het moet maar eens gezegd worden: aluminium behoort tot de meest milieubelastende van alle materialen. Toch wordt aluminium vaak gepromoot als ‘het groene metaal’. Dat is humor, als het niet zo treurig zou zijn.

Aluminium is het zwartste metaal

Het is eerder het meest zwarte metaal, vergelijkbaar met kolen. Dat is vooral te wijten aan de zogenoemde embodied energy (EE): de energie die is gaan zitten in het beschikbaar krijgen van het materiaal. Die ligt met ongeveer 220 miljoen kg vele malen hoger dan bij andere metalen. Daar ligt de EE rond de 25-50 miljoen kg. De EE van aluminium is zelfs 20 keer zo hoog als die van houten materialen!!

  • Het kost dus naar verhouding veel energie om het metaal uit zijn verbindingen vrij te maken. Veel aluminium wordt daarom tegenwoordig in kringloop gebruikt.

14. Silicium (Si)

Atoommassa 28,086 u
4Valentie-elektronen // Orbitaal[Ne =1s2 2s2 2p6] 3s2 3p2

Silicium is een donkergrijs metalloïde, een semi-metaal dat qua eigenschappen tussen de metalen en niet-metalen in zit. Metalloïden vormen de overgang van metalliek en reducerend gedrag (het opnemen van elektronen) naar niet-metaal en oxiderend gedrag (het afstaan van elektronen).

Silicium is het tweede meest voorkomende element in de aardkorst, dus na zuurstof. Veel stenen en mineralen bevatten silicium. Voorbeelden zijn zand, kwarts, klei, vuursteen, amethist, opaal, mica, veldspaat, granaat, toermalijn, asbest, talk, zirkoon, smaragd en aquamarijn. In de vorm van oplosbare zouten oftewel silicaten is het een noodzakelijke stof voor de groei van sommige planten en diersoorten. Silicium komt nooit voor als een vrij element. Het is altijd verbonden met een of meer andere elementen.

In zekere zin hebben mensen altijd silicium gebruikt. Bijna elke natuurlijk voorkomende steen of mineraal bevat wat silicium. Dus toen oude volkeren leemhutten of zandstenen tempels bouwden, gebruikten ze verbindingen van silicium.

Tot in de negentiende eeuw dacht niemand aan silicium als element. Vervolgens probeerde een aantal scheikundigen silicium te scheiden van de andere elementen waarmee het in de aarde was verbonden. De Engelse wetenschapper Sir Humphry Davy (1778-1829) ontwikkelde een techniek om elementen te scheiden die stevig aan elkaar vasthechten. Hij smolt deze verbindingen en gaf er een elektrische stroom doorheen (elektrolyse). De techniek was voor het eerst succesvol voor het produceren van vrij of elementair natrium, kalium, calcium en een aantal andere elementen…. maar aanvankelijk niet met silicium.

Chemici waren nieuwsgierig naar de soorten verbindingen die ze met silicium konden maken. Vele jaren later deden scheikundigen een aantal interessante ontdekkingen. Enkele groepen verbindingen hebben zeer belangrijke praktische toepassingen. Die verbindingen die nu bekend zijn als Siliconen.Tot slot: de Silicaten, dit zijn zouten van silicium, dat het meest in de aardkorst voorkomt.

15. Fosfor (P)

Atoommassa 30,974 u
5 Valentie-elektronen // Orbitaal [Ne] 3s2 3p3

Fosfor heeft verschillende samenstellingen met verschillende fysische en chemische eigenschappen.

De Duitse arts Henning Brand ontdekte in het jaar 1669 fosfor. Hij dacht dat de sleutel tot het veranderen van metalen in goud in urine kan worden gevonden. Hij besloot om te zoeken naar de “magische substantie” die lood in goud in de urine zou kunnen veranderen. Tijdens het verwarmen en zuiveren van urine verkreeg hij fosfor. De ontdekking was belangrijk omdat het de eerste keer was dat iemand een element ontdekte dat niet bekend was bij oude volken.
Niemand weet hoe hij besloot dat urine een chemische stof kan bevatten die kan worden gebruikt om lood in goud te veranderen. Zijn experimenten om zo’n chemische stof te vinden, waren natuurlijk een mislukking. Maar hij maakte onderweg een toevallige ontdekking. Die ontdekking was een materiaal dat gloeide in het donker: fosfor.

16. Zwavel (S)

Atoommassa 32,06 u
6 Valentie-elektronen // Orbitaal   [Ne =1s22s2 2p6 ]3s2 3p4

Al in de 9e eeuw was bekend dat een mengsel van zwavel, kool en teer uiterst brandbaar is en daarom werd het regelmatig toegepast bij oorlogshandelingen. In de mythologie werd zwavel vaak in verband gebracht met de hel. Vroegere alchemisten gebruikten voor zwavel een symbool dat bestond uit een driehoek met daarop een kruis.
Vroege denkers waren vaak verward over wat ze bedoelden met het woord ‘zwavel’. Ze hadden het vaak over alles dat verbrandde en gaven grote hoeveelheden rook af. Voor hen was ‘zwavel’ een ‘brandende substantie’. Het duurde eeuwen voordat wetenschappers zwavel als een element identificeerden.

Oudere mensen dachten zeker niet aan zwavel zoals moderne scheikundigen dat doen. In feite gebruikten ze het woord ‘element’ om te praten over alles dat basaal was. Oude Griekse filosofen dachten bijvoorbeeld dat alles uit vier elementen bestond: aarde, vuur, water en lucht. Andere filosofen dachten dat er maar twee elementen waren: zwavel en kwik. Rond 1774 was het de wetenschapper Antoine Lavoisier die ontdekte dat zwavel een chemisch element is en geen verbinding. Het komt als verbinding voor in mineralen zoals in pyriet. Zwavel wordt bij 120 graden vloeibaar en meestal geel van kleur, en brandt gemakkelijk met een blauwe vlam die een verstikkende reuk geeft namelijk zwaveldioxide. Zwavel in de buurt van vulkanen, vaak bij sulfatoren, hebben ook een typische geur.

Zwavelbronnen

Zwavelbronnen Krysuvik IJsland  

17. Chloor (Cl)

Atoommassa 35,45 u
2 Valentie-elektronen // Orbitaal   [Ne =1s22s2 2p6] 3s2 3p5

Chloor is een gas dat makkelijk zouten vormt (halogenen zijn zoutvormers). Keukenzout is een verbinding van het metaal natrium en chloorgas. Even iets over zoutvorming Video uitleg de-vorming-van-een-zout.

Chloor wordt in de een of andere vorm aan de meeste zwembaden en openbare watervoorzieningen toegevoegd omdat het bacteriën doodt die ziektes veroorzaken. Veel mensen gebruiken ook chloor om hun kleding te bleken. Grote papier- en pulpfabrikanten gebruiken chloor om hun producten te bleken.
Chloorverbindingen zijn al duizenden jaren belangrijk voor de mens. Aanvankelijk werd bij de ontdekking van het element gedacht, dat het een verbinding was met zuurstof.

Gewoon tafelzout is natriumchloride (NaCl). Toch werd chloor pas in 1774 als element erkend toen Scheele (’n apotheker) het mineraal pyrolusiet gemengd werd met zoutzuur. Hij ontdekte dat een groenachtig geel gas met een verstikkende geur “meest onderdrukkend voor de longen” ontsnapte.

Waar komt al dat zout in de zee dan vandaan? 

Het zout in zeewater is in feite een mengsel van vele zouten. Ruim driekwart van dat mengsel bestaat uit ‘steenzout’, dat wij in gezuiverde vorm als keukenzout kennen.

De hoeveelheid water dat uit de rivieren de zee in stroomt, komt door verdamping van het zeewater terug op het land in de vorm van neerslag. Het grootste gedeelte van de regen valt weer in de zee, slechts een klein gedeelte komt op het land: dit is de waterkringloop. Hierdoor verandert het totale zoutgehalte eigenlijk niet. Als het zeewater gaat verdampen blijft het zout achter in de zee. De zoutconcentratie wordt dan wat hoger, maar dit wordt weer opgeheven door het rivierwater, grondwater en regen wat weer terug in de zee komt.

Video Grootse zoutvlakte ter wereld reflections-from-uyuni-de-enrique-pacheco
In het zuidwesten van Bolivia ligt de Salar de Uyuni, de grootste zoutvlakte ter wereld.

18. Argon (Ar)

Atoommassa 39,948 u
2 Valentie-elektronen // Orbitaal [Ne]3s2 3p6

Het edelgas Argon
Onze atmosfeer bestaat voor 78% uit stikstof, 21% zuurstof, 1% uit argon en nog wat sporen van andere gassen, zoals koolzuurgas (CO2) en waterdamp.

In 1785 sprak Henry Cavendish een vermoeden uit dat argon aanwezig was in de lucht. maar het werd pas echt ontdekt door
Argon werd verkregen tijdens het vloeibaar maken van lucht.
Sir Rayleigh en Sir William Ramsay ontdekten in 1894 Argon door gefractioneerde destillatie van vloeibare lucht.
Gefractioneerde destillatie is het proces waarbij de vloeibare lucht langzaam opwarmt. Terwijl de lucht opwarmt, veranderen de verschillende elementen van een vloeistof terug naar een gas. Het deel van de lucht dat teruggaat naar een gas bij -185.86 ° C is Argon.

Argon is van belang bij elektrische verlichting. In fluorescerende lampen helpt het bovendien om het opstarten te versnellen. In lichtreclames geeft argon blauw licht.

Put an Argon surprise
Astronomers using Herschel have made the first discovery in space of a molecule including a noble gas. The molecule, argon hydride, was seen in the Crab Nebula,

19. Kalium (Ka)

Atoommassa 39,098 u
1 valentie-elektron // Orbitaal [Ar]4s1 = [Ne]3s2 3p6 4s1
Vanaf kalium wordt de elektronenconfiguratie (orbitaal) begonnen met de configuratie van argon [Ar]

Kalium is ook bekend onder de naam Potassium. Deze naam is afgeleid van het Nederlandse woord potas, vanwege het feit dat kaliumcarbonaat oorspronkelijk werd verkregen door het logen van hout en de substantie vervolgens te verhitten tot ‘as’ in een pot. Op lithium na is kalium ’t lichtste metaal dat we kennen. Door de hoge reactiviteit van kalium komt het in de natuur alleen maar voor in de vorm van zouten. Kaliumhydroxide wordt gebruikt voor de verzeping van vetten waarbij zachte (groene)zeep ontstaat.

Kalium oxideert in lucht en kan explosief reageren met water vanwege de vorming van waterstof: Potassium-in-water-reaction-only.

Kalium speelt een belangrijke rol in het lichaam zoals bij pulsoverdracht in zenuwen en aanmaak van eiwitten. Anders dan bij natrium bevindt maar 2% van het totale lichaamskalium zich buiten de cellen. Binnen de cellen is de concentratie vele malen. Dit verloop moet via pompen in de celmembraan actief intact gehouden: de natrium-kalium-pomp-sodium-potassium-pump. Deze pompen kunnen beïnvloed worden door onder andere insuline, waardoor het kalium naar de cel verdwijnt. Suikerpatiënten die insuline spuiten moeten hiermee rekening houden, om te voorkomen dat hun kaliumspiegels te laag worden. Opname van kalium verloopt via het maag-darm systeem en wordt bij overmaat via de nieren uitgescheiden.

20. Calcium(Ca)

Atoommassa 40,078 u
2 Valentie-elektronen // Orbitaal [Ar]4s2

De naam is afkomstig van het Latijnse Calx, dat “kalksteen” betekent. Calcium (kalk) is een lithofiel element, dat de voorkeur heeft zich met zuurstof of silicium te verbinden. Door de reactieve eigenschappen komt het niet in ongebonden toestand voor, voorbeelden calciumcarbonaat en gips.

Omdat calcium ook in hoge concentraties aanwezig is in het zeewater, is het van essentieel belang voor de groei van steenkoralen. Het skelet van steenkoralen bestaat uit calciumcarbonaat. Koraal, ook wel poliepen genoemd, zijn dieren die in de zee groeien, en maken een skelet van kalk. Koraal is dus niet – zoals veel mensen denken – een plant of steen, het bestaat uit vele kleine diertjes, algen. Via fotosynthese zetten ze koolstofdioxide die van het koraal komt om in zuurstof, die nodig is voor de poliepen om te overleven. Verder maken deze algensoorten ook koolhydraten via fotosynthese, die de koralen voorzien in hun voedselbehoefte. Het koraal vangt zelf ook wel wat voedsel, dit doen de koraalpoliepen met behulp van kleine tentakels die voedsel (minuscule zeediertjes) uit het water kunnen filteren.

Steenkoralen

Het kan uit gesteentes zoals kalksteen, marmer, calciet, dolomiet, gips, fluoriet en apatiet opgelost worden. Opgelost calcium in de oceanen wordt door diverse organismen gebruikt om hun skelet uit op te bouwen in de vorm van de mineraal calciet. Voor hun skeletbouw zijn ze afhankelijk van factoren zoals de watertemperatuur, hoeveelheid licht, waterdiepte, maar ook de zuurgraad van het water. Dat laatste is de afgelopen honderden jaren aan het veranderen: de zuurgraad (pH) is al gedaald van 8,2 naar 8,1 door de stijgende CO2 concentratie.

Neem ‘ns een kijkje in de greatbarrierreef, het grootste koraalrif ter wereld, nu het nog kan…..

21.Scandium (Sc)

Atoommassa 44,956 u
3 Valentie-elektronen // Orbitaal [Ar] 3d1 4s2

22. Titanium(Ti)

Atoommassa 47,867 u
4 Valentie-elektronen // Orbitaal [Ar] 3d2 4s2

Titanium kristal

23. Vanadium (V)

Atoommassa 50,942 u
5 Valentie-elektronen // Orbitaal [Ar] 3d3 4s2

De zouten van dit overgangsmetaal hebben verschillende kleuren

24. Chroom(Gr)

Atoommassa 51,996 u
6 Valentie-elektronen // Orbitaal [Ar] 3d5 4s1

Chroom is een blauw/groen/wit hard corrosie resistent overgangsmetaal. Het kan worden opgepoetst, zodat er een glanzend oppervlak ontstaat.
Chroom 6 bestaat uit een Chroom atoom en drie zuurstof atomen. Het dringt door de huid en celmembraan en kan DNA oxideren. Een chemische omschrijving van de stof is hier te vinden.

25. Mangaan (Mn)

Atoommassa 54,938 u
7 Valentie-elektronen //Orbitaal [Ar] 3d5 4s2

Het overgangsmetaal mangaan wordt de laatste tijd ook toegevoegd aan gesmolten staal om zuurstof en zwavel te verwijderen en vormt op die manier een legering met staal, zodat dit makkelijker in vorm te buigen is.

26. IJzer (Fe)

Atoommassa 55,845 u
6 Valentie-elektronen // Orbitaal [Ar] 3d6 4s2
Hematiet bestaat in zuivere toestand voor 70% uit ijzer en is daarmee het belangrijkste ijzererts. Door het op hoge temperatuur met koolstof te laten reageren wordt ijzer gewonnen.

Over de oorsprong tot de vorming van alle elementen heb ik in andere berichten al gesproken:

In het binnenste van een zware ster worden uiteindelijk atoomkernen van ijzer gevormd, en dat zijn de meest stabiele atoomkernen die in de natuur voorkomen. Je zou kunnen zeggen dat ijzer in een zware ster het element is, dat de aanleiding was tot de vorming van alle atomen en isotopen die we kennen.

rode superreus.

Eerst smelten waterstofatomen samen tot heliumatomen. Dit gebeurt in middelmatige sterren als de Zon. De Zon houdt dit 10 miljard jaar vol, waarvan er al 5 miljard jaar om zijn! In zwaardere sterren gaat dit proces verder. Zodra de waterstof verbruikt is, begint de ster ’n beetje in te storten door de eigen zwaartekracht en heeft nieuwe brandstof nodig om niet helemáál in elkaar te storten (alsof er over nagedacht wordt!). Het inwendige van de ster wordt dan zó heet, dat de heliumkernen samensmelten tot koolstofatomen. Dat geeft de ster weer energie om te schijnen! Is de koolstof verbruikt dan moet er wéér nieuwe brandstof aangemaakt worden…..letterlijk! Door de inwendige hitte van het opnieuw in elkaar krimpen, zullen de koolstofatomen samensmelten tot wéér zwaardere zuurstofatomen. Hierna volgen silicium, magnesium enzovoorts. Er zijn dus steeds nieuwe kernfusiereacties nodig die weerstand bieden aan de zwaartekracht van de ster. De eigen energieproductie voorkomt telkens, dat de ster onder zijn eigen gewicht ineenstort.

In het binnenste van de ster worden uiteindelijk zware atoomkernen van ijzer gevormd, en dat zijn de meest stabiele atoomkernen die in de natuur voorkomen.

IJzeratomen zullen nooit spontaan samensmelten tot nog zwaardere elementen, en er lijkt nu echt een einde gekomen te zijn aan de kernfusiereacties in de ster. De energieproductie komt dus tot stilstand, en de ster begint onder zijn eigen gewicht ineen te storten en implodeert. Hierdoor vallen de lagen met een gigantische snelheid naar binnen en worden deze lagen explosief rechtuit weer naar buiten geslingerd. Dit is een Supernova en in dit proces worden alle zwaardere elementen dan ijzer en alle isotopen gevormd, die uiteindelijk ook op onze planeet terecht kwamen. (dit proces verloopt via gigantische gas-en stofwolken en stervormingsgebieden, uitgelegd in een ander blog)

IJzer werd in het Oude Egypte, 6000 jaar geleden al gebruikt voor speerpunten en decoratieve versieringen. Veelal was het ijzer hiervoor afkomstig van ingeslagen meteorieten.

Archeologie en Educatie » IJzertijd
In de ijzertijd, zo’n 3000 jaar geleden, nam ijzer de plaats in voor brons. Een hoofdbestanddeel van brons, tin, werd namelijk minder beschikbaar.
IJzererts werd in eerste instantie in laagovens verwerkt.
In China werden in de 5e eeuw v.Chr. al de eerste hoogovens gebouwd
De eerste luchtvervuilende hoogovens

Corrosie en roesten

IJzer wordt in oorspronkelijke staat gevonden in het erts hematiet als ijzeroxide, ’n verbinding van ijzer met zuurstof. Het metaal ijzer heeft de neiging naar deze oorspronkelijke staat terug te keren wanneer het blootgesteld wordt aan lucht en water. Deze corrosie is te wijten aan de oxidatiereactie (waarbij elektronen worden uitgewisseld), die plaatsvindt wanneer het metaal een weg zoekt naar een energetische voorkeurstoestand, namelijk z’n oorspronkelijke staat: het oer-ijzererts

oer-ijzererts

Wanneer staal in contact komt met water begint er een elektrochemisch proces. De elektronen die vrijkomen verplaatsen zich naar de uiteinden van de waterdruppel, waar er meer opgeloste zuurstof voorhanden is. Ze reduceren de zuurstof (nemen elektronen op uit zuurstof), en met het water wordt een hydroxidegroep (zuurstof en waterstofatoom) gevormd.