Elementaire broeikas-theorie

Het kan waarschijnlijk iedereen overkomen. Je leest een eigen stukje en bent uiteindelijk niet tevreden met hetgeen je hebt geschreven. Gelukkig is internet een vluchtig medium en kunnen dergelijke zaken vrij simpel worden opgelost.
Bij mijn vorige blog (Don’t shoot the messenger) werd ik wat overvallen door mijn verkeerde lezing van een stralingsgrafiek en kwam hier niet lekker uit. Uiteindelijk moet ik constateren dat het volstrekt onbegrijpelijk werd wat nu precies het verschil is tussen de traditionele ‘broeikas-theorie’ met haar tegenstraling die wordt veroorzaakt door een toename van het broeikasgas kooldioxide en datgene wat mij voor ogen staat. Hierbij een herkansing, waarbij eerst aandacht voor de traditionele kijk op de zaken (alarmistisch), om dat vervolgens te confronteren met mijn eigen visie op de temperatuur op Aarde.

Klassieke natuurkunde

Elk fysiek object straalt een hoeveelheid energie uit op golflengten die typisch zijn voor de temperatuur van het object: bij hogere temperaturen wordt meer energie uitgestraald met kortere golflengten. Op de pagina ‘klimaatalarm’ is al aangegeven dat de temperatuur op Aarde in eerste instantie wordt bepaald door de (stralings)energie die de Aarde ontvangt van de zon.
De energie die de zon uitstraalt is dus afhankelijk van de temperatuur van de zon. De zon gedraagt zich als een zgn. ‘zwarte straler’ met een temperatuur van ongeveer 5785 K.
De Zon is bijna perfect bolvormig. De diameter over de evenaar en de polen verschillen slechts 10 kilometer. De gemiddelde straal van de Zon bedraagt 696.000 kilometer en dat leidt tot een diameter van 1.392.000 kilometer.
De gemiddelde afstand tussen Aarde en zon is 149 597 870 700 meter. Dit betekent dat de Aarde per vierkante meter 1376 Wm-2 ontvangt. Door de aarde wordt daarvan onderschept de hoeveelheid die gaat door een oppervlakje (cirkel), met een straal gelijk aan die van de aarde. Dus Ea.π.Ra2.  Dit wordt echter verdeeld over het hele aardoppervlak 4.π.Ra2, zodat aan de bovenkant van de atmosfeer gemiddeld per vierkante meter 1376/4=349 W ontvangen wordt.
De reflectiviteit van het Aardoppervlak (albedo) is 0,3, zorgt ervoor dat van deze 349 slechts 244 W/m-2 kan worden opgenomen door het aardoppervlak. In een evenwichtstoestand moet de aarde dan ook weer 244 W/m-2 uitstoten, waardoor de gemiddelde temperatuur op Aarde niet meer zou kunnen zijn dan -16,8 oC.
Maar dit is 32 °C lager dan de gemiddelde temperatuur van 15 °C aan het aardoppervlak.
Het is dus de vraag waarom de bovenstaande berekeningen, die zo goed opgaan voor planeten als Mercurius en Mars, ineens niet meer zo goed zijn voor de situatie op Aarde.
Maar de Aarde is niet de enige planeet waar deze berekeningen niet opgaan, ook andere planeten met een flinke atmosfeer, zoals Venus en Jupiter, kampen met dezelfde (en nog veel grotere) afwijkingen. Voor de wetenschappers was het niet moeilijk om tot de conclusie te geraken dat de eigenschappen van de atmosfeer zorgen voor hogere temperaturen.
Nu is het stralingsgedrag van de atmosfeer, van gassen, veel lastiger dan dat van fysieke objecten. Gassen zenden en ontvangen slechts straling van bepaalde golflengtes. Infrarode straling (die wordt uitgezonden door het aardoppervlak) zal bijvoorbeeld niet worden geabsorbeerd door zuurstof en stikstof die verreweg het grootste deel (99,03%) van onze droge atmosfeer uitmaken.
Wel kan deze straling worden geabsorbeerd door de zgn. broeikasgassen. De belangrijkste hiervan zijn waterdamp (gemiddeld 0,25%) en kooldioxide (0,04%). De broeikasgassen absorberen infrarode straling, uitgezonden door het aardoppervlak, atmosfeer en wolken, behalve in een transparant deel van het spectrum, het zogenaamde “atmospheric window”.
Dit lijkt niet veel, maar experimenten en berekeningen hebben uitgewezen dat deze hoeveelheid broeikasgassen voldoende is om alle infrarode straling van het aardoppervlak binnen 30 meter te absorberen. En maakt het dan nog uit of nog meer broeikasgassen ervoor mogelijk voor kunnen zorgen dat de uitgaande straling nog eerder kan worden opgevangen?
Dat maakt volgens de broeikas-theorie wel degelijk uit. Dat komt omdat, zoals Wikipedia al opmerkt, de naam broeikas-effect voor de extra opwarming door broeikasgassen eigenlijk slecht is gekozen:
“De vergelijking tussen een broeikas en het aardse broeikaseffect gaat niet goed op. In een broeikas stijgt de temperatuur ten opzichte van de omgeving. De primaire oorzaak hiervan is dat de lucht in de kas niet wordt ververst (in tegenstelling tot buiten de broeikas).
Het broeikaseffect verwijst echter naar een stralingsval, waarbij broeikasgassen door het in zonlicht opgewarmde aardoppervlak uitgezonden infrarode straling absorberen en gedeeltelijk weer terug naar beneden reflecteren. Het idee dat een daadwerkelijke broeikas op een vergelijkbare manier als stralingsval werkt, doordat gereflecteerd zonlicht in de kas van een langere golflengte is en daardoor wordt tegengehouden door het glas, is onjuist.
R.W. Wood toonde reeds in 1909 met een simpel experiment aan dat dit niet opgaat. Hij gebruikte twee verder identieke kassen, een van glas en de ander van steenzout. De laagfrequente straling die in de stralingsval voor warmteopwekking moet zorgen wordt wel door glas maar niet door steenzout gereflecteerd.
Als de stralingsval-hypothese juist is zou de glazen kas een aanzienlijk hogere temperatuur moeten krijgen. Beide kassen kregen echter vrijwel dezelfde temperatuur, waarmee werd aangetoond dat het “broeikaseffect” in daadwerkelijke broeikassen nauwelijks een rol speelt. De opwarming is hier vooral een gevolg van de geblokkeerde convectie, die normaal de opwarmende lucht naar boven zou afvoeren.
De aardatmosfeer kan haar warmte naar boven toe echter alleen kwijt kan aan het vacuüm van de ruimte en convectie begrenst zich op aarde tot de troposfeer. Warmtestraling is dus de enige vorm van warmteverlies voor de aarde als geheel, en om die reden is de stralingsval waar de naam “broeikaseffect” naar verwijst hier verhoudingsgewijs een veel grotere factor.”
Maar waarom zou het uitmaken dat er meer broeikasgassen in de atmosfeer zijn, als de stralingswarmte al binnen 30 meter kan worden geabsorbeerd door de reeds aanwezige broeikasgassen?
Dit heeft alles te maken met het merkwaardige feit dat verdubbeling van de hoeveelheid kooldioxide er iets merkwaardigs gebeurt. Tijdens laboratorium-proeven is namelijk gebleken dat het absorptiespectrum van kooldioxide in de atmosfeer iets verandert wanneer de concentratie van kooldioxide in de lucht toeneemt (zie onderstaande spectra).
Nu zou dit op zich ook nog geen ramp zijn, maar het wordt natuurlijk anders wanneer deze “spectrum-verbreding” plaats vindt op een plek waar zich het atmosferische venster bevindt.
Onze atmosfeer is grotendeels ondoordringbaar voor elektromagnetische straling zoals licht. Er zijn maar twee “vensters” naar het heelal: het ‘optische venster’, van 4000 tot 8000 A en het venster als gevolg van de onvolledige doorlating van het infrarood, met een ‘gat’ tussen de 7,5 en de 13 um. Zoals hierboven te zien gaat die spectrumverbreding ook over het gedeelte heen waar bij een ‘normale’ hoeveelheid kooldioxide straling simpelweg direct naar het heelal zou verdwijnen.
Hierdoor zal de oorspronkelijke forcering over de eerste 100 meter van de atmosfeer groter worden met ongeveer 100 * 15 / 180 = 8.3 %, welke waarde overeen komt met de toegenomen (antropogene) forcering die wordt veroorzaakt door een verdubbeling van de hoeveelheid kooldioxide. Volgens de broeikas-theorie moet deze berekening worden uitgevoerd over de vele lagen van de atmosfeer en opgeteld voor de hele atmosfeer.
Op basis hiervan heeft men kunnen berekenen dat de atmosfeer, door de verdubbeling van kooldioxide, een extra 3,39 W/m2 kan opvangen. En dat zou uiteraard een klimaateffect hebben.
Tot zover de ‘officiële leer’.

Vragen

Een van de meest vreemde verschijnselen van de Aardse atmosfeer, in het licht van het hierboven beschreven model, is dat zonnestraling binnen de Aardse atmosfeer eigenlijk maar in één relatief klein gedeelte invloed lijkt te hebben op de temperatuur. Boven de laag die we Planetary Boundary Layer (PBL) of planetaire menglaag noemen, zien we eigenlijk geen verschil in temperatuur tussen dag- en nachtperiode.
Ook is het vreemd dat boven de PBL een zgn. permanente temperatuur-inversie aanwezig is, die de PBL duidelijk afschermt van de rest van de atmosfeer. Nog vreemder is dat de temperatuur in deze bovenste luchtlagen verassend stabiel stijgt, dan wel daalt (gezien van boven naar beneden of omgekeerd). Een verschijnsel dat we ook zien bij andere planeten in ons zonnestelsel, waar temperaturen worden bereikt die nauwelijks verklaard kunnen worden door de broeikas-theorie.
Het zijn vragen waar de broeikastheorie geen antwoord voor heeft.
Een ander vervelend aspect van deze theorie is dat ondanks de grote belangen, die gemoeid zijn met deze theorie, er nog steeds geen experimenten bekend zijn waardoor de broeikas-stralings-theorie onomstotelijk wordt bevestigd.
De indruk wordt gewekt dat dit een allang gepasseerd station zou zijn, maar zoals ook door Hans Custers in zijn aardige stukje (gastblog van Tinus Pulles) op https://klimaatveranda.nl/2020/02/21/is-er-bewijs-dat-co2-emissies-het-klimaat-opwarmen/ wordt aangegeven heeft dat te maken met kennis:
“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.”
Volgens Pulles weten we dat:
“- de klimaatmodellen de relatie tussen de emissies van broeikasgassen zoals CO2 en de opwarming van de aarde vrij goed beschrijven; dat is inclusief de relatie tussen de antropogene emissies en de toenemende CO2-concentratie in de atmosfeer door fossiele brandstoffen en veranderingen in landgebruik (o.a. ont- en bebossing).
–  de bijdrage van andere oorzaken weliswaar aantoonbaar is, maar klein ten opzichte van de bijdrage door de toenemende CO2-concentratie.”
Probleem is dat die klimaatmodellen het helemaal niet zo goed doen:
Wat dus betekent dat we blijkbaar helemaal niet zo goed weten wat opwarming veroorzaakt.

De alternatieve verklaring

In zijn antwoord op vragen van lezers geeft Hans Custers, op de bovengenoemde webpagina, een belangrijke hint:
“Het klopt dat de temperatuur nooit hoger kan worden dan de temperatuur die correspondeert met de straling die erop valt. Dat is de wet van behoud van energie. Maar die corresponderende temperatuur wordt hoger als het uitgaande warmtetransport wordt belemmerd. Dat is zo in een broeikas en in een atmosfeer met broeikasgassen. Elementaire, volstrekt onomstreden natuurwetenschap.”
In de op de web-pagina ontkenners (zie link) weergegeven theorie wordt gesteld dat er inderdaad een blokkade is in het uitgaande warmtetransport van de aardkorst. Maar daarbij is atuurlijk wel van belang om te weten dat energietransport in de onderste lagen van de atmosfeer niet via stralingstransport gaat, wat ook lastig is omdat de atmosfeer, zoals we hebben gezien vrijwel ondoordringbaar is voor de meeste vormen van straling. 
Elektromagnetische straling, die wordt geabsorbeerd door  een broeikasgas-molecuul, zal immers niet direct worden uitgestraald. Er zit een vertraging in die met de Engelse term ‘relaxation time’ wordt aangeduid. In deze tussentijd zal het bewuste ‘aangeslagen’ molecuul talloze botsingen met andere gasmoleculen doorstaan, die hierdoor worden ‘getermaliseerd’. De ‘relaxation time’ is afhankelijk van de hoeveelheid botsingen die het doorstaat en hierdoor kan één aangeslagen molecuul broeikasgas talloze andere moleculen opwarmen, wat uiteraard de basis is van convectie. Convectie is dan ook de belangrijkste vorm van energietransport in de lagere atmosfeer. (het opwarmingsprincipe van de ‘echte broeikas’). 
Een voordeel van convectie is ook dat deze zichtbaar is te maken, zoals in de onderstaande animatie ook zien is. Het stelt het warmtetransport voor in de planetaire menglaag (PBL). En inderdaad is hier de energie-blokkade te zien. Het is de inversielaag die boven de PBL aanwezig is.
Boven de PBL zien we dus geen veranderingen meer in dag en nacht-temperatuur. De PBL is dan ook cruciaal om de wisselwerking tussen aardkorst en atmosfeer te begrijpen en dit maakt ook dat kooldioxide als ‘temperatuur-regelaar’ in de traditionele broeikas-theorie zwaar wordt overschat.
Een goede vervolgvraag is dan: hoe komt die blokkerende inversie boven de PBL dan tot stand?
Het uitgebreide antwoord hierop is ook weer te vinden op de genoemde ‘ontkenners-webpagina (herhaling link), maar het korte antwoord hierop is, dat deze zich op eenzelfde wijze vormt als op de voor de broeikas-theorie onbegrijpelijke planeten als Jupiter en Venus, waar meer energie wordt uitgestraald dan via zonnestraling deze planeten kan bereiken.
Zwaartekracht, uitgeoefend door het enorme gewicht van de atmosferen van deze planeten, zorgt ervoor dat de lucht wordt samengedrukt en hierdoor opwarmt. En dit met een heel constante ratio. Precies zoals we zien in de troposfeer boven de PBL-laag.
De 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 bovenliggende lagen van de troposfeer. Dit zorgt er ook voor dat de steeds kouder wordende PBL in de nachtperiode steeds kleiner wordt en groeit gedurende de tijd dat de zonnestraling de aardkorst opnieuw opwarmt.
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 hierboven al aangegeven werd deze proef al in 1909 door prof. R.W. Wood uitgevoerd).
Ook de onweerlegbare bewijzen voor het bestaan van het traditionele broeikas-model, zoals die worden geleverd door het bestaan van ‘tegenstraling’, zijn binnen dit model eigenlijk vrij simpel op te lossen. Tegenstraling bestaat, maar is alleen het gevolg van de elementaire natuurwet die stelt dat elk fysiek object (ook gas) een hoeveelheid energie uitstraalt op golflengten die typisch zijn voor de temperatuur van het object: bij hogere temperaturen wordt meer energie uitgestraald met kortere golflengten.
Eigenlijk zijn alle, voor de traditionele broeikas-theorie onoplosbare vraagstukken, die hierboven zijn opgesomd, vrij simpel door dit model op te lossen.
Alle vragen, behalve één wezenlijke vraag: hoe komt het dan dat de Aarde klaarblijkelijk opwarmt?
Op mijn web-pagina “Het veranderende klimaat” (zie link) ben ik hierop al ingegaan, maar het is misschien een goed idee om hieraan nog eens een volgende blog te wijden.

Dit bericht heeft 5 reacties.

  1. Fulco

    Beste Erik,
    Hier enige stof tot nadenken:
    De lucht in een fietsband is even warm als die van de omgeven lucht. De druk in de fietsband is veel hoger dan die van zijn omgeving.
    Hoewel er krachten nodig zijn om een kolom lucht overeind te houden wordt er geen arbeid verricht.

  2. Waarom denk je dat de lucht koud is als je het ventiel opendoet Fulco? En waarom denk je dat zwaartekracht niet voor opwarming kan zorgen? Dat is toch redelijk elementaire natuurkunde?

  3. Fulco

    Erik,
    Zolang de lucht in de band zit wordt er geen arbeid verricht, de lucht in de band is dan in stralings~ en geleidingsevenwicht met de omgeving. Zodra je de lucht uit de band laat lopen treed er bij het ventiel uitzetting op, dit is arbeid waar warmte vrij vrijkomt. Zwaartekracht kan wel degelijk tot opwarming leiden in bijvoorbeeld het geval van een instortende gaswolk voordat er evenwicht is tussen stralingsdruk en zwaartekracht. Onze atmosfeer stort echter niet in maar is redelijk stabiel. De zwaartekracht verricht geen arbeid en zal de atmosfeer derhalve niet opwarmen. De atmosfeer streeft naar stralings en geleidingsevenwicht met zijn omgeving.

    Onze Aarde is een bijzondere planeet omdat er heel veel water is. De temperatuur op aarde wordt niet gedomineerd door een stralingsbalans maar door convectie en de drie fase overgangen van water. Dit is een redelijk complex en niet volledig begrepen systeem dat in de klimaatmodellen slecht of niet wordt toegepast. CO2 heeft hier van invloed op omdat CO2 wel leidt tot convectie maar geen faseovergangen kent.

  4. Dag Fulco,
    Het zal je niet verrassen dat ik het niet helemaal met je eens ben. In het geval van de fietsband pomp je warme lucht de band in (voel maar eens aan de pomp zelf) die door de druk die je op de pomp zet wordt opgewarmd. In de band zelf zal er warmte-uitwisseling met de omgeving plaatsvinden omdat de band warmer is dan de omgeving en dat gaat niet lang goed, tenzij je de zaak héél goed isoleert. Als je vervolgens de band weer laat leeglopen, gaat de lucht die in de band zat weer uitzetten en koelt daardoor weer af.
    Je hebt geen arbeid nodig maar krachten om de temperatuur van een gas op te warmen. In de atmosfeer zijn er twee krachten die ervoor zorgen dat het gas enerzijds bij de Aardbol blijft (zwaartekracht) en anderzijds niet helemaal tot een platte schijf verwordt (interne spanning van de gasmoleculen). Vergelijk het maar met twee mensen die in een (goed geïsoleerde) met lucht gevulde-doos duwen en elkaar in evenwicht houden. In jouw definitie wordt er geen arbeid verricht, maar wanneer ze loslaten zul je een flinke afkoeling meten.
    De hypothese van de Aarde als waterplaneet heb ik altijd een beetje ongeloofwaardig gevonden omdat je op alle planeten van ons zonnestelsel met atmosfeer je hetzelfde ziet gebeuren. Hele stabiele opwarming in de laag onder de 0,1 atmosfeer, wat bij ons de troposfeer heet (zie pagina “ontkenners”).
    Water kan (om begrijpelijke redenen) alleen op Aarde een rol spelen, maar moet eerlijk zeggen dat ik me (daardoor ook) nooit heel diep in deze hypothese heb verdiept…

    1. Ik bedoel natuurlijk wel een indrukbare doos waardoor je het volume verandert, of misschien is een beter voorbeeld, een doos met beweegbare bovenkant waarop je gaat staan 🙂

Geef een antwoord