Een zaak van enig gewicht

Het is onomstreden; op grond van basis natuurkundige wetten kan worden berekend dat de hoeveelheid zonnestraling die de Aarde bereikt veel te weinig is om de gemiddelde temperatuur op de Aarde te verklaren.
Om te kunnen verklaren waarom de Aarde, in strijd met deze ‘wetenschappelijke waarheid’, dan toch de temperatuur heeft die het leven op Aarde mogelijk heeft gemaakt, zijn er eigenlijk twee verklaringsprincipes.
De eerste is de bekendste. Het broeikas-effect. In mijn blog ‘elementaire broeikas-theorie’ heb ik al uiteen gezet hoe dit werkt. Kort samengevat: Zonnestraling wordt door broeikasgassen ‘geabsorbeerd’ en de energie blijft hierdoor min of meer ‘gevangen’ in de atmosfeer, die vervolgens de Aarde weer opwarmt.
Volgens deze ‘broeikas-theorie’ is het dus van het grootste belang dat niet teveel broeikasgassen in de atmosfeer terecht komen, omdat anders steeds meer energie achter blijft in de atmosfeer, waardoor de temperatuur op Aarde zal toenemen. De chemische samenstelling van de atmosfeer is dus van het grootste belang voor de temperatuur van de Aarde, volgens deze theorie.
Een andere, veel minder bekende, mogelijkheid om deze hogere temperaturen te verklaren, is door gebruik te maken van de ‘ideale gaswet’. Hierin is duidelijk gemaakt dat het aantal gasdeeltjes in een bepaald volume, bepalend is voor zowel druk als temperatuur van deze ruimte. Hierbij is de chemische samenstelling van het gas eigenlijk nauwelijks van invloed op de temperatuur.
Omdat zwaartekracht er ook voor zorgt dat dichterbij de Aarde veel meer deeltjes zijn dan bovenin de atmosfeer (een technische uiteenzetting, zie link), kun je verwachten dat de temperatuur op Aarde wordt beïnvloed door de zwaartekracht van de Aarde.
Misschien wel het belangrijkste argument wat spreekt voor de waarde van de ‘zwaartekracht-theorie’ (wat waarschijnlijk ook de reden is dat zij, door verschillende onderzoekers, steeds weer opnieuw wordt ‘uitgevonden’), is dat aan de hand hiervan het zgn. adiabatische temperatuurverval (adiabatic lapse rate (ALR)) binnen de atmosfeer kan worden berekend. En dat dus niet alleen voor de Aarde, maar voor alle planeten in ons zonnestelsel.
De temperatuur van de atmosfeer daalt met de hoogte (in een droge atmosfeer) volgens een vaste formule, nl. ALR= dT/dz = g/Cp. De temperatuur neemt af, afhankelijk van de zwaartekrachtconstante (g) van de planeet, gedeeld door de warmtecapaciteit van de atmosfeer bij constante druk (Cp).
Dat deze formule altijd opgaat is eigenlijk in strijd met de broeikastheorie, die aangeeft dat de aard van de moleculen (zijn het broeikasgassen of niet) van groot belang is voor de hoeveelheid opwarming of afkoeling van de atmosfeer. Toch gaat dezelfde formule, waarin de zwaartekracht dus een belangrijke rol speelt, bijvoorbeeld ook op voor de planeet Venus, waar de atmosfeer vrijwel geheel bestaat uit kooldioxide.
De zwaartekracht-theorie wordt echter eendrachtig bestreden door zowel broeikas-adepten als door sceptici. Het is dan ook goed om te weten waarom de broeikas-theorie toch beter bij de feiten zou passen.

Een alarmistische weerlegging

Voor een weerlegging van een sceptische theorie moet je bij klimaatveranda zijn. Ik loop toevallig weer tegen een gastblog van Tinus Pulles aan (die als alarmist voldoende overtuigde door te stellen: “naar mate je meer verstand hebt van de klimaat­wetenschap, ben je er meer van overtuigd dat het beschikbare bewijs (evidence) voldoende is om er vertrouwen in te hebben dat fossiel CO2, geëmitteerd als gevolg van het stoken van fossiele brandstoffen, inderdaad de belangrijkste “boosdoener” is in het klimaatprobleem.”).
Hij gaat in zijn blog in op de (inderdaad erg onnavolgbare) zwaartekracht-theorie van Nikolov en Zeller, te vinden op: https://klimaatveranda.nl/2019/03/08/het-atmosferisch-thermisch-effect-ate-van-ned-nikolov-en-karl-zeller/. Pulles stelt:
“Kort samengevat komt hun theorie [van N&Z] erop neer dat de gemiddelde temperatuur aan het oppervlakte van een hemellichaam alleen wordt bepaald door de intensiteit van de zonnestraling en de atmosferische druk aan het oppervlak van dat hemellichaam. De samenstelling van de atmosfeer is daarbij, in hun ogen, niet relevant. (…)
Als we toch aannemen dat hun theorie klopt, blijkt uit een eenvoudig gedachtenexperiment, dat die theorie in tegenspraak is met de wet van behoud van energie.
[Daarnaast kunnen] de ijstijden alleen worden verklaard als de aarde tientallen procenten van de atmosfeer kan verliezen en weer opnieuw invangen. Of als de wet van behoud van massa niet zou gelden.
Het is in wezen niet veel meer dan een ingewikkelde vorm van curve fitting. En het resultaat gebruiken ze om onomstreden (want op tal van manieren bevestigde) fysische kennis over de energiehuishouding van de atmosfeer naar de prullenbak te verwijzen. Zonder daar een alternatief tegenover te stellen, of zelfs maar een begin van een verklaring te geven over waar de bestaande kennis niet zou kunnen kloppen.”
Opvallend is dat Pulles blijft verwijzen naar “de onomstreden (want op tal van manieren bevestigde) fysische kennis over de energiehuishouding van de atmosfeer (= de broeikas-theorie), hoewel tot dusver het experimentele bewijs voor het bestaan van deze theorie, nog steeds moet worden gevonden.

Een sceptische weerlegging

Het is bijna grappig te noemen dat Pulles zijn simpele gedachtenexperiment ontleent aan Willis Eschenbach, huisschrijver van de sceptische Wattsupwiththat –website (overigens zeer de moeite van het lezen waard).
Maar er zijn nog meer en uitgebreidere kritieken verschenen op deze site. Samenvattend is de bijdrage van Bob Wentworth (https://wattsupwiththat.com/2021/04/10/a-greenhouse-gas-planetary-temperature-formula-to-put-nikolov-and-zellers-pressure-formula-in-context/).
Volgens Wentword zijn er een flink aantal redenen om sceptisch te zijn ten aanzien van de zwaartekracht-theorie, die onder te verdelen zijn in fundamentele, procedurele en meer specifiek ten aanzien van de theorie van Nikolov en Zeller zelf.
Op fundamenteel niveau verwijst ook Wentworth naar het simpele gedachtenexperiment van Eschenbach. Op procedureel niveau gaat het weer om de theorie van van Nikolov en Zeller die een 90 K koudere temperatuur voor de aarde zonder atmosfeer berekenen dan alle andere theorieën. Hij argumenteert dat deze aanname foutief is, wat ik graag van hem wil aannemen.
Ook op de site van Rob de Vos (https://klimaatgek.nl/wordpress/luchtdruk/) worden tegen-argumenten aangedragen ten aanzien van een andere populaire zwaartekracht-theorie, nl. die van Jelberg.
Op deze pagina is te lezen:
“Ruim een jaar geleden heb ik met John M. Wallace van de University of Washington de theorie van Jelbring via email besproken. Wallace is een deskundige op het gebied van atmosferische processen, en auteur van een standaardwerk op dit gebied, “Atmospheric Science: An Introductory Survey “.
Hij schreef me op 4 december 2010: “ Hans Jelbring’s article illustrates the basic conceptual problem that’s common to the article. Jelbring is correct when he says that the adiabatic lapse rate is largely determined by the gravitational acceleration and the chemical makeup of the gases in a planetary atmosphere. He is also correct in noting the relevance of the adiabatic lapse rate to the observed lapse rate in the Earth’s atmosphere: the adiabatic lapse rate is the upper limit on the observed lapse rate. It is realized in regions of the atmosphere that are strongly heated from below.
To understand how radiative transfer influences surface temperature, one needs to go beyond the concept of the adiabatic lapse rate and consider an atmosphere in “radiative-convective equilibrium, as discussed on p. 421-422 of the 2nd edition of our textbook. In such an idealized 2-layer atmosphere, the lower layer, which is comparable in depth to the troposphere, has a lapse rate equal to the adiabatic lapse rate. Two points emerge from this simple analysis:
(1) Were there is no greenhouse effect, the lapse rate in a planetary atmosphere would be isothermal (i.e., temperature would not change with height). In this case, the dry adiabatic lapse rate would be unchanged from its present value, but it would be completely irrelevant to the interpretation of the observed lapse rate.
(2) Greenhouse gas concentrations have no effect on the adiabatic lapse rate in the lower “convective” layer, but they determine the depth of that layer: increasing greenhouse gases increases the surface temperature of the planet not by changing the lapse rate, but by deepening the convective layer. “
De reactie van Roy Spencer, gekend kritisch klimaatprofessor, is ongeveer van hetzelfde laken een pak. Hij stelt: “ The average air temperature at any altitude (including the surface) is an energy budget issue, not an air pressure issue. In fact, energy budget considerations explain the average temperature of just about everything we experience on a daily basis: the inside of buildings, car engines, a pot on the stove, etc. ………Many years ago Danny put together such a model so we could examine global warming claims, especially the claim that increasing CO2 will cause warming. The model was indeed able to explain the average vertical temperature structure of the atmosphere.” .
Dat laatste is een van de manco’s in de nieuwe theorie: waarom neemt de temperatuur niet af met de hoogte, maar zien we in de stratosfeer hogere temperaturen?
In de gangbare stralingstheorie is dat makkelijk te verklaren: O3 absorbeert daar veel zonne-energie. Ik heb Nikolov gevraagd om een reactie op dit punt, en hij emailde: “ Yes, you are correct that radiative exchange dominates the thermodynamics of in the stratosphere. Convection is of secondary importance there … ”. Overigens beloofde hij met een officieel antwoord te komen op de kritiek uit het blogveld.
Een ander probleem dat nog niet is opgelost met de nieuwe theorie zijn de temperatuurschommelingen op geologische tijdschaal. De onderzoekers wijzen naar periodes met extra tektonische activiteiten, waardoor wellicht meer gassen dan normaal uit mantel en aardkorst naar de atmosfeer zijn getransporteerd. Dat is echter speculatief en zal nader uitgewerkt dienen te worden. Overigens weten trouwe lezers van deze site dat ook binnen de vigerende theorie de oorzaken van temperatuurveranderingen op geologische tijdschaal niet zomaar een op een te koppelen zijn aan de chemische samenstelling van de atmosfeer, noch aan kosmische oorzaken.
Een ander probleem is dat in de gangbare theorie over de verticale temperatuurverdeling in de atmosfeer de opwarming van de onderzijde van de troposfeer een afkoeling van de bovenste troposfeer veroorzaakt. Die afkoeling is gemeten. Hoe is dat in te passen in de nieuwe theorie?”

Argumenten en ook tegen-argumenten

Daar kan de zwaartekracht-theorie het dus mee doen. Samengevat zien we dus:
  1. Op basis van een simpel gedachtenexperiment is de opwarming door zwaartekracht simpel te weerleggen.
  2. Broeikasgassen zouden zorgen voor het bestaan van de adiabatic lapse rate, zonder broeikasgassen zou de temperatuur niet veranderen met de hoogte.
  3. Bovendien zijn broeikasgassen verantwoordelijk voor de hoogte van de troposfeer.
  4. De gemiddelde lucht temperatuur op iedere hoogte komt voort uit de uitwisseling van energie op iedere hoogte en heeft niets uit te staan met luchtdruk.
  5. Er kan niet worden verklaard waarom de temperatuur niet altijd afneemt met de hoogte. We zien immers in de stratosfeer hogere temperaturen?
  6. De temperatuurschommelingen op geologische tijdschaal worden (ook) niet verklaard met deze theorie.
In het onderstaande wil ik deze argumenten toch nog even puntsgewijs behandelen.

1) Op basis van een simpel gedachtenexperiment is de opwarming door zwaartekracht simpel te weerleggen

Eschenbach schreef het ‘simpele gedachtenexperiment’ inmiddels al weer tien jaar geleden, te vinden op: https://wattsupwiththat.com/2012/01/13/a-matter-of-some-gravity/ (u ziet, de titel van deze blog komt niet uit de lucht vallen).
Hij begint met een ‘elevator speech’ over het broeikaseffect:
The poorly-named “greenhouse effect” works as follows:
  • The surface of the earth emits energy in the form of thermal longwave radiation.
  • Some of that energy is absorbed by greenhouse gases (GHGs) in the atmosphere.
  • In turn, some of that absorbed energy is radiated by the atmosphere back to the surface.
  • As a result of absorbing that energy from the atmosphere, the surface is warmer than it would be in the absence of the GHGs.
En stelt vervolgens dat een dergelijke simpele samenvatting over het zwaartekracht-effect eigenlijk nog steeds niet is gegeven. Vervolgens gaat hij verder door te stellen:
“I hold it can be proven that there is no possible mechanism involving gravity and the atmosphere that can raise the temperature of a planet with a transparent GHG-free atmosphere above the theoretical Stefan-Boltzmann (S-B= stralings) temperature.
The proof is by contradiction. This is a proof where you assume that the theorem is right, and then show that if it is right it leads to an impossible situation, so it cannot possibly be right.
So let us assume that we have the airless perfectly evenly heated blackbody planet that I spoke of above, evenly surrounded by a sphere of mini-suns. The temperature of this theoretical planet is, of course, the theoretical S-B temperature.
Now suppose we add an atmosphere to the planet, a transparent GHG-free atmosphere. If the theories of N&K and Jelbring are correct, the temperature of the planet will rise.
But when the temperature of a perfect blackbody planet rises … the surface radiation of that planet must rise as well.
And because the atmosphere is transparent, this means that the planet is radiating to space more energy than it receives. This is an obvious violation of conservation of energy, so any theories proposing such a warming must be incorrect.
Quod erat demonstrandum”

Een simpele weerlegging

Ik ben dus van mening dat Eschenbach hier wat te kort door de bocht gaat. Wanneer de temperatuur van de planeet stijgt, als gevolg van de toevoeging van de atmosfeer, dan gebeurt dat natuurlijk niet vanzelf. De zwaartekracht-theoretici menen dat door de toevoeging van de atmosfeer, de warmte op de planeet zal toenemen als gevolg van de werking van de zwaartekracht op de gasdeeltjes. Dit zorgt voor een nieuw energetisch evenwicht, waardoor de planeet in kwestie inderdaad meer energie zal uitstralen dan zij ontvangt van de zon.
Dat moet te testen zijn en inderdaad; dit soort planeten bestaat wel degelijk. Bij Jupiter is bewezen dat er door de planeet meer twee maal zoveel energie wordt uitgestraald, dan de planeet ontvangt van de zon (https://www.urania.be/astronomie/sterrenkunde/zonnestelsel/jupiter). Ook van Saturnus is bekend dat de planeet meer energie uitstraalt dan hij van de zon ontvangt (https://nl.wikipedia.org/wiki/Saturnus_(planeet)). Bij Venus is dat waarschijnlijk het geval. Er zijn metingen waarbij dit is vastgesteld, maar die werden vervolgens ter discussie gesteld vanwege de: “duidelijke strijd met de natuurkundige wetten”.
Het ‘simpele gedachtenexperiment’ is daardoor wat mij betreft dus geen doorslaggevende reden daarvoor dat een zwaartekracht-theorie niet zou kunnen bestaan. Een ‘elevator-speech’ van de zwaartekracht-theorie zoals die mij voor ogen staat:
  • Het enorme gewicht van de atmosfeer van de aarde, zorgt ervoor dat de lucht in de troposfeer wordt samengedrukt en hierdoor opwarmt. Net zoals we zien op vrijwel alle planeten met een atmosfeer, in ons zonnestelsel.
    Boven de troposfeer is de druk die de gas-moleculen op elkaar kunnen uitoefenen minder belangrijk en zijn andere processen van opwarming (straling) van veel groter belang.
  • De opwarming in de troposfeer, boven de PBL-laag, gebeurt met een heel constante ratio, die ook op basis van onomstreden natuurkundige wetten berekend kan worden; de adiabatic lapse rate (ALR).
  • Dit zorgt er ook voor dat zich een PBL kan vormen, waar de atmosfeer in wisselwerking met de aardkorst treedt en daar in de dagperiode kan opwarmen door de zonnestraling die de aardkorst opwarmt. Deze PBL wordt in de nachtperiode steeds kleiner omdat de luchtdeeltjes in de PBL vervolgens de aardkorst weer zullen opwarmen.
  • De geleidelijk opgewarmde troposfeer zorgt hierdoor op een gegeven moment voor een temperatuur-inversie, daar waar de uitgestraalde warmte van een door de zonnestraling opgewarmde aardkorst, kleiner wordt dan de door zwaartekracht opgewarmde, bovenliggende lagen van de troposfeer.
  • De PBL is daarmee totaal vergelijkbaar met een ‘glazen broeikas’ waar blokkade van de convectie zorgt voor opwarming. Iets wat experimenteel vrij simpel is aan te tonen (zoals al eerder is aangegeven werd deze proef waarin dit wordt aangetoond, al in 1909 door prof. R.W. Wood uitgevoerd).
Dit model heeft bovendien als belangrijk voordeel dat deze experimenteel toetsbaar is, dit dus in tegenstelling tot de voor het broeikas-effect wezenlijke ‘stralingsval’, die tot dusverre nog steeds slechts een theoretisch construct is gebleven.

2. Broeikasgassen zouden zorgen voor het bestaan van de adiabatic lapse rate, zonder broeikasgassen zou de temperatuur niet veranderen met de hoogte.

Dit is aantoonbaar onjuist, aan de hand van de ‘ideale gaswet’ en het hydrostatische evenwicht tussen zwaartekracht en interne spanning van de luchtdeeltjes, is simpelweg uit te rekenen dat zich een ALR zal vormen, ook zonder broeikas-effect (zie ook deze link).

3. Bovendien zijn broeikasgassen verantwoordelijk voor de hoogte van de troposfeer.

Dit is een claim die moeilijk te weerleggen, maar even lastig te bewijzen is. Ze volgt in ieder geval niet uit de standaard broeikas-theorie, waarin het eigenlijk niet uitmaakt hoe diep de troposfeer is.
Bovendien laat het bewijsmateriaal van andere planeten over de hoogte van de troposfeer zien dat deze laag begint bij een atmosferische druk tussen de 0,1 en 0,2 atmosfeer (zie link), ongeacht de samenstellende deeltjes van deze atmosfeer. Ik kan me dus ook niet voorstellen dat de broeikasgassen daar ook voor verantwoordelijk zouden kunnen zijn.

4. De gemiddelde lucht temperatuur op iedere hoogte komt voort uit de uitwisseling van energie op iedere hoogte en heeft niets uit te staan met luchtdruk.

Dr. Spencer heeft natuurlijk gelijk als hij zegt dat: “The average air temperature at any altitude (including the surface) is an energy budget issue”.
Op basis van vrij basale natuurkunde kan echter worden berekend dat de zwaartekracht van de Aarde zorgt voor een ALR. Dat is ook een energy budget issue. Zwaartekracht levert hier de energie om moleculen samen te drukken die dan ook zullen zorgen voor opwarming (conform de ‘ideale gaswet’). Dat de luchtdruk er helemaal niet toe doet is voor mijn gevoel dan ook een vreemde contradictie in zijn redeneringen.

5. Er kan niet worden verklaard waarom de temperatuur niet altijd afneemt met de hoogte. We zien immers in de stratosfeer hogere temperaturen?

Zoals al eerder aangegeven zien we zien in de planeten van ons zonnestelsel vrijwel altijd hetzelfde model. De ALR komt pas om de hoek kijken als de hoeveelheid moleculen zodanig is dat deze voldoende krachten op elkaar gaan uitoefenen, wat blijkbaar pas gebeurt als de luchtdruk tussen de 0,1 en 0,2 atmosfeer bedraagt. Daarboven zijn andere processen van opwarming van toepassing, zoals het aangestraald worden van ozon, door ultraviolette straling. Het is de afname van ozon in de stratosfeer die zorgt voor de waargenomen afkoeling volgens de IPCC in AR6.
Dit argument is naar mijn mening dan ook geen weerlegging van de zwaartekracht theorie.

6. De temperatuurschommelingen op geologische tijdschaal worden (ook) niet verklaard met deze theorie.

Zoals de Vos zelf al (terecht) aangeeft heeft ook de broeikas-theorie de nodige problemen met de geologische klimaatveranderingen. Pulles maakt er echter een fundamentele kwestie van:
“De ijstijden kunnen alleen worden verklaard als de aarde tientallen procenten van de atmosfeer kan verliezen en weer opnieuw invangen. Of als de wet van behoud van massa niet zou gelden.”
Het zou aardig zijn geweest als Pulles de ontstaansgeschiedenis van de atmosfeer even had nagelezen. Het kan alsnog, onder de kop “faint young sun” (zie link) heb ik de literatuur op dit gebied wat samengevat, een paar punten hieruit:
“Geologisch onderzoek laat zien dat op de Aarde land en water reeds zo een 4,4 miljard jaar geleden aanwezig moeten zijn geweest. De aanwezigheid van water wijst ook op het bestaan van een atmosfeer die moet hebben belet dat al het nieuwe water tegelijk zou gaan verdampen.
Verondersteld wordt dat door grootschalige vulkanische activiteit gassen worden uitgestoten, waarvan de zwaarste ervan worden vastgehouden door het zwaartekrachtveld van de planeet. Zo ontstaat een ‘stabiele’ atmosfeer: waarschijnlijk een mengsel van voornamelijk koolstofdioxide [CO2], methaan [CH4], stikstof [N2] en een variabele hoeveelheid waterdamp [H2O] en ammoniak [NH3]. De atmosferische druk moet toen een riante 11.000 hPa geweest zijn. Ter vergelijking: wij leven in deze tijd onder een druk van gemiddeld 1.013 hPa. De oppervlaktetemperatuur moet ongeveer 85°C hebben bedragen en dat met een Zon die weinig warmte gaf. (…)
De atmosfeer van de Aarde veranderde door toedoen van de blauwalgen, wat onder meer een ernstige reductie van de dikte van de atmosfeer met zich meebracht.
Sanjoy Som wist in een artikel uit 2012 aan de hand van fossiele regendruppel-inslagen in Zuid- Afrika aan te tonen dat de luchtdruk op Aarde, 2,7 miljard jaar geleden, in ieder geval niet meer kon zijn dan de helft van de huidige waarde. De ‘dikte van de atmosfeer’ op Aarde nam af, evenals de temperatuur…
Deze periode was immers ook het begin van de serie van ijstijden die al in de laatste periode van het Archaïcum werd ingezet. Een van de oudste getuigen hiervan vinden we terug in de 2,8 miljard jaar oude sedimenten van het Zuid Afrikaanse Witwatersrand. Maar van de vroege ijstijden rond 2,3 miljard jaar geleden, de ijstijden van het Huronien, vinden we op meerdere continenten de kenmerken terug.
De temperaturen op Aarde fluctueerden in die periode mogelijk meer dan ooit. Dit zou dan, volgens de gravitatie-theorie, dan ook samen moeten hangen met grote veranderingen in de dikte van de atmosfeer.”
Goed, het zal duidelijk zijn, ik ben niet onder de indruk van de argumenten die de zwaartekracht theorie naar de prullenbak zouden verwijzen…

Geef een antwoord