Echte wetenschap

erfenis van een interpretatie

Kernpunten klimaatwetenschap

De wetenschappelijke kant van de discussie over het broeikaseffect komt  merkwaardig genoeg zelden in beeld en hier is ook een belangrijke reden voor.  Zo gemakkelijk is het allemaal niet…
In dit verband is ongetwijfeld de meest gevatte zin van de zoveel besproken documentaire ‘The inconvienient truth”, van Al Gore over het klimaat: “That brings up the basics of the science of global warming, I’m not gonna spend a lot of time on this, because you know it well.” (min 8:20-8:26).
Dit is misschien wat kort door de bocht. De uitleg van Gore wordt vervolgens uitgewerkt in een Simsons- tekenfilm, met een uitleg die eigenlijk maar één ding duidelijk maakt; hoe belangrijk kan het zijn? Waarom zou je als niet-wetenschapper moeten weten hoe deze opwarming werkt? Dat maakt zaken, zoals Gore duidelijk zegt, immers onnodig ingewikkeld; er is opwarming en die wordt, volgens een grote meerderheid van de klimaatwetenschappers, veroorzaakt door kooldioxide. Meer kooldioxide geeft meer opwarming. Waarom zou je meer moeten weten?
De simpele versie van de broeikastheorie (zoals ook in de “An Inconvenient Truth” behandeld) gaat als volgt:
“Energie van de zon (zonne-energie) komt de atmosfeer van de aarde binnen en wordt warmte (infraroodenergie). Gassen in de atmosfeer, waaronder koolstofdioxide, laten het zonlicht door om het land en de oceanen te verwarmen, maar ze werken als een deken om infrarode energie op te vangen wanneer deze terug de ruimte in straalt. Dit staat bekend als het broeikaseffect.”
Deze ‘dekentjes-theorie’, kun je vervolgens te pas en te onpas overal terugvinden en maakt helaas iedere discussie onmogelijk. Dikkere dekentjes geven betere isolatie en dus meer warmte. Dat is niet meer dan logisch.
In het onderstaande is deze fundamentele broeikas-theorie weergegeven, zoals deze tegen het eind van de vorige eeuw, op basis van een aantal wetenschappelijke doorbraken, is ontwikkeld en die wel degelijk stof tot nadenken geeft.

De ontwikkeling van een vraagstuk

Een korte geschiedenis op hoofdlijnen, maar onmisbaar om te weten waarom en hoe de broeikas-theorie is ontwikkeld en op welke vragen de theorie antwoord gaf.

De aardse atmosfeer

Als eerste verdienen hierbij de verschillende onderdelen van de Aardse atmosfeer een nadere studie. Anders dan het bovenstaande broeikas-plaatje suggereert, bestaat onze atmosfeer uit verschillende lagen, waar zich heel verschillende chemische en fysische processen afspelen. Misschien wat saai, maar als naslagmogelijkheid voor het vervolg toch wel onmisbaar.

De ongemakkelijke theorie

Daarna komt de vraag aan bod waarom kooldioxide zo funest is voor het aardse temperatuur-evenwicht. Stralingsmodellen, eigenschappen die broeikas-gassen uniek maken, tegenstraling en het effect van een verdubbeling van het CO2-gehalte worden hier behandeld en waarom dit zo van belang zijn voor het begrijpen van het klimaat. Maar ook, hoe zich de 'dekentjes-theorie' zich kon ontwikkelen en ook waarom dit nu juist geen goede metafoor is voor het broeikas-effect.

De temperatuur-geschiedenis

De aangetoonde effecten van het broeikas-effect, veroorzaakt door een CO2-toename, is het volgende thema. Hierin aandacht voor de veelbesproken 'hockey-stick theorie' van Mann, prominent aanwezig in "An Inconvenient Truth' van Al Gore, de kritiek op de Hockey-stick en de weerlegging.

CONSENSUS OVER HET BROEIKAS_EFFECT

Het is niet anders. De broeikas-theorie is ingewikkeld. Maar geeft het feit dat er een 97% consensus is onder wetenschappers dan niet duidelijk aan dat het broeikaseffect bestaat?

Effecten van de klimaatverandering

Er valt niet aan te ontkomen. Er is veel kritiek op de broeikas-theorie en dan vooral op die aspecten die door de al genoemde documentaire van Al Gore voor het voetlicht werden gebracht, maar die onjuist bleken te zijn, of voorspellingen die tot dusverre zijn uitgebleven. In dit hoofdstuk is er aandacht voor die onderdelen van de theorie die onweersproken zijn gebleven en die aan de vooravond van de provinciale verkiezingen van 2019 ('de klimaat-verkiezingen") voor het voetlicht zijn gebracht door een aantal landelijke dagbladen.

Opkomst van een wetenschap

Pre-historie

Voor zover ik heb kunnen achterhalen was het allereerst de invloedrijke Franse wis-, schei- en natuurkundige Jean Fourier, die al in 1827 stelde dat de hitte van de zon werd geabsorbeerd door de aarde en ook nog werd teruggekaatst naar de aarde door de atmosfeer. Hij noemde dit proces het “broeikas-effect”.
De theorie werd enigszins gewijzigd in 1860 door John Tyndall, een Engelse wetenschapper, die erin slaagde om kooldioxide en waterdamp te isoleren als de stoffen in de atmosfeer die bij dit proces de belangrijkste rol speelden, waarbij hij tot de conclusie kwam dat waterdamp de belangrijkste van deze twee stoffen was.
Abbot en Fowle concludeerden aan de hand van de onderzoekingen van Rubens, Aschkinass en anderen dat zelfs bij heldere dagen het gehalte waterdamp in de atmosfeer genoeg was om 90% van de totale aarduitstraling te absorberen.
Hoofdzakelijk in de onderste regionen van de atmosfeer wordt de lucht zodanig verwarmd door de infrarode straling, dat deze opnieuw naar de aardoppervlakte wordt terug gestraald. Dit werd de tegenstraling van de atmosfeer genoemd. De met het gehalte waterdamp samenhangende grootte van de tegenstraling kan vervolgens worden berekend wanneer men de uitstraling van de aarde meet.
Een belangwekkende proef om deze tegenstraling aan te tonen werd door Maurer (1887) in Zürich uitgevoerd. Hij vond een uitstraling in wolkenloze nachten in juni tot 0,13 gcal per vierkante centimeter per minuut. De beroette koperplaat van de door hem benutte actionometer had echter bij de heersende temperatuur 0,50 gcal per minuut moeten verliezen op grond van de beroemde wet van Stephan-Boltzmann. Hij concludeerde dat het verschil tussen beide afkomstig moest zijn van een hypothetische “tegenstraling” die dan ook 0,37 gcal per vierkante centimeter per minuut moest bedragen.
In 1896 stelde Svante Arrhenius, een Zweedse chemicus, de eerste Zweed die een Nobelprijs kreeg en die op latere leeftijd voorzitter van de Nobelprijs- jury werd, dat veranderingen in de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor het komen en gaan van de ijstijden. Hij berekende dat het effect van een verdubbeling van kooldioxide in de atmosfeer een gemiddelde temperatuurstijging van 5 tot 6 graden Celsius teweeg zou brengen.
Verontrust door de industriële revolutie die op dat moment in volle ontwikkeling was, ging hij vervolgens in op de vraag hoe lang het ongeveer zou duren voordat het zover zou zijn. Hij kwam echter, gelet op de hoeveelheden kooldioxide die momenteel op aarde aanwezig zijn, afgezet tegen de toenmalige jaarlijkse menselijke industriële kooldioxide-productie, tot de conclusie dat dit ongeveer 3000 jaar zou duren.

De eerste scepticus

Hierna wordt de geschiedenis van het broeikas-effect enigszins troebel. Het is duidelijk dat klimaatwetenschappers als bijvoorbeeld G. Simpson zich in zijn studies uit 1928 duidelijk zoekt naar de stralingsevenwichten die later zouden worden gebruikt om het bestaan van het broeikas-effect aan te tonen, maar het zou toch zeker tot de jaren vijftig van de 20e eeuw duren voordat dit thema opnieuw onder de publieke aandacht zou worden gebracht.
Dit werd onder meer in de hand gewerkt door een veel oudere publicatie in “the Philosophical Magazine” in 1909 (Vol. 17, pp. 319-320) van Professor R. W. Wood, waarin deze op grond van een simpele proef duidelijk maakte dat het broeikas-effect, wat de basis was geweest van alle bovenstaande theorie, helemaal niet werd veroorzaakt door terugkaatsende infrarode straling, zoals bijvoorbeeld door glas, maar door het blokkeren van opstijgende warme lucht. In zijn artikel schrijft hij onder meer:
“Er lijkt een wijdverspreide overtuiging te heersen dat de relatief hoge temperatuur verkregen in een gesloten ruimte bedekt met glas, en blootgesteld aan zonnestraling, het resultaat is van een verandering van golflengte, dat wil zeggen dat de warmtestraling van de zon, die in staat is om glas te doordringen, op de wanden van de behuizing valt om zo de temperatuur in de kas te verhogen: de warmte-energie die vervolgens wordt uitgestraald door de wanden in de vorm van veel langere golven, kunnen het glas niet doordringen, waardoor de kas werkt als een stralings-val.Ik heb altijd het gevoel van twijfel gehad over dit probleem en of straling inderdaad wel zo’n grote rol bij de verhoging van de temperatuur speelt. Het leek mij veel waarschijnlijker dat de rol van het glas was gelegen in het voorkomen van het ontsnappen van de warme lucht, die door de grond binnen de behuizing wordt verwarmd.
Als we de deuren van een kas te openen op een koude en winderige dag, dan blijkt dat de stralings-val” al veel van “zijn efficiëntie” te verliezen. In feite ben ik van mening dat een kas gemaakt van een glas, die transparant is voor golven van elke mogelijke golflengte, een temperatuur zou laten zien, die zo niet helemaal, toch in ieder geval bijna zo hoog zal zijn als die welke wordt waargenomen in een glazen huis. Het transparante scherm kan de zonnestraling op de grond verwarmen en de grond verwarmt weer de lucht, maar alleen de beperkte hoeveelheid in de behuizing. In de “open lucht”, wordt de grond wordt voortdurend in contact gebracht met koude lucht door convectie stromen.
Om de zaak te testen heb ik twee behuizingen geconstrueerd van dozen zwarte karton, waarvan één overdekt met een glazen plaat, de andere met een plaat van steenzout (haliet) van gelijke dikte. Een thermometer werd opgenomen in elke ruimte en het geheel werd verpakt in katoen, met uitzondering van de transparante platen die werden blootgesteld aan de buitenlucht. Bij blootstelling aan zonlicht steeg de temperatuur langzaam tot 65 ° C, waarbij de behuizing bedekt met de steenzout plaat iets warmer werd dan die met de glazen plaat, vanwege het feit dat de uitgezonden straling van de zon met langere golflengte, ook werd afgevangen door het glas. Om dit ongewenste effect te elimineren werd het zonlicht eerst door een glazen plaat geleid.
Er was nu nauwelijks een verschil van één graad in de temperatuur van de twee behuizingen. De maximaal bereikte temperatuur was ongeveer 55 ° C. Van wat we weten over de distributie van energie in het spectrum van de straling uitgezonden door een lichaam op 55 ° C, is het duidelijk dat de steenzout plaat vrijwel alle straling kan doorlaten, terwijl de glasplaat alle straling volledig blokkeert. Dit toont dat het verlies van temperatuur van de grond door straling zeer klein is in vergelijking met de verliezen door convectie, dat wil zeggen dat we het feit dat de straling wordt ingevangen slechts een gering effect heeft op de temperatuur.
Heeft het dan ook wel nut om aandacht te besteden aan de rol van “gevangen straling” door de dampkring, in het afleiden van de temperatuur van een planeet? De zonnestralen dringen de atmosfeer binnen, verwarmen de grond, die op zijn beurt de atmosfeer verwarmt door direct contact en door convectie stromen. De ontvangen warmte gaat dus omhoog, wordt opgeslagen in de atmosfeer, en blijft daar aanwezig, vanwege de zeer lage stralende kracht (groot isolerend vermogen) van een gas. Het lijkt mij zeer twijfelachtig of de atmosfeer überhaupt wordt opgewarmd door het absorberen van de straling van de grond, zelfs onder de meest gunstige voorwaarden.
Ik pretendeer niet om me heel diep in deze materie te hebben verdiept, en wil alleen dit artikel publiceren om de aandacht te vestigen op het feit dat gevangen warmtestraling maar een zeer kleine rol lijkt te spelen in de realiteit waarmee we vertrouwd zijn.”
Daarnaast maakten experimenten van de gerenommeerde Zweedse natuurkundige Angström duidelijk dat meer koolstofdioxide in de atmosfeer helemaal niet leidde tot een temperatuurtoename, maar dat het wel de plantengroei stimuleerde.
En als laatste klap voor de broeikas-hypothese presenteerde Milutin Milankovitch in 1920 een mechanisme, waarbij aan de hand van veranderingen in de baan van de aarde rondom de zon (de zgn. Milankovitch cyclus), zeer accurate berekeningen gedaan konden worden ten aanzien van de meeste klimatologische veranderingen gedurende de afgelopen miljoenen jaren. Veranderingen van de baan van de Aarde rondom de zon worden overigens ook nu nog gezien als de belangrijkste veroorzaker van klimaatsveranderingen.
In de jaren 1910-1940, met name in de jaren dertig, werd de aarde echter warmer. In 1938 probeerde G. S. Callendar, een Engelse meteoroloog, om de “the Royal Society” te overtuigen van zijn stelling dat de Globale opwarming, net zoals de ‘oude’ theorie van Arrhenius voorspelde, was begonnen. Hij gebruikte de data van 200 weerstations wereldwijd om te laten zien dat de gemiddelde temperaturen tussen 1880 en 1930 waren gestegen met een halve graad Celsius. Hij berekende verder dat de temperatuur nog zo´n twee graden zou stijgen in de komende eeuw.

Na de tweede wereldoorlog

In de jaren die volgden deed “de global warming” het echter rustiger aan en bovendien begon de Tweede Wereldoorlog die de interesse in het onderwerp ‘wat deed verflauwen’. In 1957 publiceerde Roger Revelle, een Amerikaanse wetenschapper, echter zijn these dat de oceanen helemaal niet zoveel kooldioxide absorbeerden als wel werd gedacht. Op grond hiervan meende hij: “human beings are now carrying out a large-scale geophysical experiment of a kind that could not have happened in the past nor be reproduced in the future.”
In 1958 werd deze theorie zo geloofwaardig gevonden dat Roger Revelle in samenwerking met Charles Keeling genoeg fondsen bijeen wisten te krijgen om het Manua Loa observatory op te richten, waardoor zij in staat waren om kooldioxide metingen te doen ver van alle menselijke verontreiniging. Keeling ontwikkelde een meetapparaat dat zo nauwkeurig was dat hij ervan overtuigd raakte dat alle metingen die voordien naar het kooldioxide-gehalte waren gedaan onjuist waren.
Al na enkele jaren zagen zij een sterke trend in de richting van sterk toenemende gehalten kooldioxide. Op een grafiek uitgezet ontstond roemruchte Keeling curve, die seizoensinvloeden secuur weergaf, maar ook een gestadig toenemend kooldioxide gehalte in de atmosfeer. 
Dit leidde er in 1965 toe dat het Witte Huis een eerste studie liet uitvoeren naar de relatie tussen de uitstoot van kooldioxide en het toenemende gehalte van kooldioxide in de atmosfeer.
In de astro-fysische wereld was de broeikas-theorie inmiddels ook weer in het middelpunt van de belangstelling gekomen door een tweetal spectaculaire ontdekkingen, die nauw verband hielden met deze theorie. Vanwege het belang van deze ontdekkingen volgt allereerst een korte samenvatting van de problematiek op Venus en die van de jonge Aarde. 

Het Venus argument

De geschiedenis van de ontwikkeling van de broeikas-theorie is niet compleet zonder hierbij in te gaan op de snelle ontwikkelingen in het planetaire onderzoek in de jaren zestig.
Tot begin jaren zestig van de vorige eeuw werd vrij algemeen aangenomen dat de temperatuur van Venus niet veel kon afwijken van die van de Aarde. Schattingen die werden gedaan voor de invallende zonnestraling, warmtebalansen, albedo en dergelijke, gaven waarden die niet veel afweken van die van de Aarde. Gerenommeerde experts als Chamberlain en Kuiper berekenden een temperatuur van 285 K voor Venus, op grond van een analyse van de structuur van de 7820 en 8689 Ångström absorptiebanden van koolmonoxide.
Maar met de opkomst van de radioastronomie bleek Venus echter zeer hoge intensiteit microgolven (met een golflengte die iets groter is dan  infrarood) uit te stralen. Deze ontdekking, van Mayer et al. werd in gepubliceerd in “The astrophysical journal” van januari 1958, met de weinig spectaculaire titel “Observations of Venus at 3,15-cm Wavelength”.
Het was deze ontdekking die er echter toe leidde dat de jonge onderzoeker Carl Sagan van de Universiteit van Chicago, met ondersteuning van NASA, zijn studie: “The Radiation Balance of Venus” (1960) kon opstellen. Sagan stelt in deze studie onder meer:
“De klassieke studies naar de stralingsbalans van de Aarde zijn van de hand van Sir George Simpson. In Simpson’s eerste artikel, werd de geïntegreerde absorptiviteit van waterdamp gebruikt, gebaseerd op toen fragmentarisch bekende experimentele data. De stralingsflux geëmitteerd door de oppervlakte werd opgeteld door de stralingsflux geëmitteerd door de atmosfeer; Simpson vond dat de som hiervan in dezelfde ordegrootte, maar wel 40% minder was, dan die van geabsorbeerde stralingsflux van de zon.
Een veel betere overeenkomst werd gevonden in het tweede artikel van Simpson, waarin rekening was gehouden met de verschillende doorzichtigheid van de atmosfeer voor de verschillende golflengten.
Voor golflengten waarvoor de Aardse atmosfeer transparant is, nam Simpson aan dat de uitgaande straling van de Aardoppervlakte zelf afkomstig was; voor golflengten waarvoor de atmosfeer ondoorzichtig is, van de tropopauze en voor de overige golflengte werd een arbitraire uitstralingshoogte genomen, halverwege tussen oppervlakte en tropopauze.
In dit onderzoekstadium is de totale waterhoeveelheid in de atmosfeer van Venus nog niet bekend, waardoor de golflengte intervallen van relatieve doorzichtigheid niet nauwkeurig kunnen worden voorspeld.
Er zijn dan twee mogelijkheden. Aangenomen kan worden dat de bovenste atmosfeer van Venus ondoorzichtig is voor golflengten, waarvoor de 1 km atmosfeer van kooldioxide ondoorzichtig is en dat alle andere golflengten van een dieper niveau, nog nader vast te stellen niveau komen. Anderzijds kan ook Simpson’s eerste methode worden gehanteerd, waarbij de verbeterde experimentele waarden van geïntegreerde absorptie en uitstraling worden gebruikt…
De stralingstemperatuur van een atmosfeer-loze planeet met de albedo van Venus met dezelfde afstand naar de zon zou 250 graden Celsius zijn… Het is evident dat een oppervlaktetemperatuur van 600 K een zeer efficiënt broeikaseffect vereist. Gezien vanuit de stralingsbalans , zal de effectieve absorptiviteit van de atmosfeer, geïntegreerd over alle golflengten ongeveer gelijk zijn aan 0,995 voor nonsynchronome rotatie; de equivalente atmosfeer zal ondoorzichtig zijn tussen de 1,5 en 40 micrometer. Water is het enige molecuul dat waarschijnlijk overvloedig aanwezig is op Venus en wat de straling groter dan 20 micrometer absorbeert…
Als er een 1 km-atm van kooldioxide boven de effectief reflecterende laag aanwezig is voor de 8000 A absorptiebanden, zal de totale kooldioxide hoeveelheid in een convectieve atmosfeer van Venus 18 km-atm bedragen. De totale atmosferische druk op Venus is ongeveer 4 atmosfeer…
Extrapolatie van de kooldioxide en waterdamp uitstraling bij verhoogde temperaturen laten zien dat ongeveer 10 g/cm2 waterdamp noodzakelijk is voor een non-synchrone roterende Venus en 1 g/cm2 voor een synchroon roterende Venus om het benodigde broeikas-effect te kunnen bereiken.
In het licht van het huidige bewijsmateriaal is Venus een hete, droge, zanderige, winderige, bewolkte en waarschijnlijk levenloze planeet.”

Runaway

In een nieuw artikel van Sagan, geschreven in 1962, is opnieuw flinke wetenschappelijke vooruitgang geboekt. Sagan komt nu tot een waarschijnlijke druk van 55 atmosfeer en laat berekenen dat wanneer Venus net zoveel koolstof heeft als de Aarde, maar liefst 16 atmosfeer van deze atmosfeer zou kunnen bestaan uit kooldioxide. Wanneer de atmosfeer bestaat uit 20% kooldioxide en 80% stikstof (N2) geeft dit een druk van 55 atmosfeer.
“De hoge oppervlaktedruk en temperaturen zullen resulteren in een hoge ondoorzichtigheid van het hele infrarode spectrum. Druk-verbreding van de absorptiebanden van kooldioxide kan ervoor zorgen dat de golflengten rondom de 3,5 en 10 micrometer ondoorzichtig worden, die op de Aarde nog transparant zijn. Vervluchtiging van het oppervlaktemateriaal kan leiden tot op dit moment nog onvermoede ‘infrarood absorbeerders’ in de lagere atmosfeer.”
Deze overwegingen leiden tot een aanname van het broeikas-model als oorzaak voor de microgolf-emissie. Maar het is duidelijk dat de situatie veel meer complex is dan bij de oorspronkelijke opzet van het broeikasmodel voor Venus (Sagan, 1960). Dankzij de ondoorzichtigheid van de wolken en nabije infrarood kooldioxide absorptie, zal er veel minder zonlicht de lagere Cytherean atmosfeer bereiken dan oorspronkelijk werd gedacht. Een andere poging om gedetailleerde berekeningen voor het broeikas-effect op Venus op te stellen, zal moeten wachten tot het moment dat een betere benadering van de compositie en doorzichtigheid van de zichtbare wolken en een betere kennis van de compositie van de lagere atmosfeer beschikbaar zijn.”
Dit wetenschappelijke vacuüm leidde al snel tot nieuwe theorieën over het helse klimaat van Venus. Zo leidde de constatering van de afwezigheid van het belangrijke broeikasgas waterdamp niet alleen tot een mathematisch probleem om het broeikas-effect voor Venus vast te stellen; het leidde ook tot speculaties over de oorzaak van deze onverwachte afwezigheid van water.
Het artikel van A.P. Ingersoll uit 1969: “The runaway Greenhouse: A History of Water on Venus”, trok hierbij het meest de aandacht:
“In het model dat we hebben bediscussieerd is een evenwicht onmogelijk wanneer de zonneconstante een bepaalde kritische waarde overschrijdt, onder de voorwaarde dat de ondoorzichtigheid voor infrarode straling wordt veroorzaakt door het gas waarvan de concentratie wordt gecontroleerd door verdamping en condensatie…
Wanneer een planeet superkritisch is ten aanzien van water, zullen de oceanen verdampen en al het water zou in de atmosfeer terecht komen…
Er is alle reden om aan te nemen dat dit mogelijk zou kunnen gebeuren op Venus, wanneer hiervoor voldoende water beschikbaar zou zijn.”
Vervolgens gaat Ingersoll in op de bezwaren die eerdere auteurs als Hoyle (1955), Sagan (1960) en Gold (1964) hadden tegen de “runaway-hypothese”, om te komen tot zijn conclusie:
“In dit artikel hebben we laten zien dat een “runaway greenhouse regime” mogelijk is voor een planeet met oceanen en een omloopbaan in de nabijheid van de zon, zoals Venus. We hebben laten zien dat waterdamp uniform gemengd zou worden in de atmosfeer en dat grote hoeveelheden water door fotodissociatie zouden worden ontleed in een relatief korte tijd. Het is buiten de scope van dit artikel om na te gaan wat er zou gebeuren met de waterstof in de atmosfeer, of met de vrije zuurstof en of deze zich zou verbinden met het ijzer van de oppervlakte, of met atmosferische koolwaterstoffen om uiteindelijk kooldioxide te vormen. De hoge temperaturen gedurende dit “runaway proces” zouden dit proces ongetwijfeld versneld hebben.
Er zijn vele onzekerheden bij deze verklaring, maar het heeft het voordeel dat een belangrijk verschil tussen Venus en Aarde kan worden verklaard als een noodzakelijk consequentie van hun relatieve posities binnen het zonnestelsel.”
Wikipedia verduidelijkt het “runaway greenhouse effect” als volgt:
“Deze term werd bedacht door Caltech wetenschapper Andrew Ingersoll (1969) in een document waarin een model van de atmosfeer van Venus is beschreven. Hij ging er vanuit dat de planeten Aarde en Venus veel gelijkenis met elkaar vertoonden, waarbij ook op Venus oceanen ontstonden. Maar omdat Venus veel meer zonnestraling ontving dan der Aarde, ontwikkelde zich ook veel meer waterdamp in de atmosfeer van Venus, die ook weer zorgde voor een veel grotere absorptie van de inkomende straling, wat weer de oorzaak was van hogere temperaturen op de planeet en dus ook weer nog hogere gehalten waterdamp. Kortom, de oceanen verdampten en alle waterdamp kwam in de atmosfeer terecht.
Door de hoge concentraties waterdamp in de atmosfeer ontstond, door de invallende ultraviolette licht, fotodissociatie van de waterdamp, waarbij het lichtere waterstofgas kon ontsnappen naar de ruimte en de ontstane zuurstof ging reageren met de opgeslagen koolstof aan het oppervlakte van de planeet.
Hierdoor ontstond het kooldioxide wat het broeikas-effect weer versterkte en ook nu nog 96% van de atmosfeer uitmaakt.”
De algemeen beschrijvende toon van het artikel laat echter zien dat het broeikas-raadsel van Venus nog steeds niet is opgelost. De aanname van IPPC (1990) dat de planeet Venus kan worden opgevoerd als bewijs voor de stelling dat het broeikas-effect bestaat:
“Omdat hun oppervlakte temperatuur in goede overeenstemming zijn met die welke we kunnen berekenen op basis van de broeikas-effect theorie”, is dan ook wellicht wat overmoedig te noemen.
overigens zou hier voor Venus waarschijnlijk moeten worden gerekend met -46 graden Celcius, wat veel beter overeenkomt met de berekende waarde, uitgaande van een albedo van 76%, terwijl de gemiddelde gemeten temperatuur op Mars thans is gezet op -63 graden Celcius).

Gaia

In 1972 had Carl Sagan zijn aandacht verlegd van Venus naar Mars en de Aarde zelf. Hij publiceerde samen met George Mullen, een collega aan de universiteit van Cornell, waar hij naar zijn vertrek bij NASA een nieuwe baan aangeboden kreeg, het artikel: “Earth and Mars: Evolution of Atmospheres and Surface Temperatures”, waarin beide wetenschappers ingaan op de zgn. “Faint Young Sun Paradox”.
In de jaren vijftig van de vorige eeuw hadden astrofysici de natuurkundige principes van de ontwikkeling en evolutie van sterren blootgelegd. Wanneer deze wetten werden toegepast op de ster die we het beste kennen; onze zon, bleek er echter een probleem te bestaan. In de studies van Hole en Schwarzschild, beide uit 1958, werd aangetoond dat de zon op het moment van het ontstaan van het zonnestelsel, aanmerkelijk minder energie uitstraalde dan op dit moment het geval is. Hieruit concludeerde Ringwood, in zijn studie uit 1961, dat wanneer andere factoren gelijk blijven:
“the surface of the earth during the period between its birth, 4.5 billion years ago, and 3 billion years ago, would have passed through an intense ice age.”
Dit kan echter niet het geval zijn geweest, omdat er nogal wat paleontologisch bewijsmateriaal bestaat voor de stelling dat in ieder geval tijdens het Archeïcum (tijdvak van 4 tot 2,5 miljard jaar geleden) volop vloeibaar water (en zelfs rudimentair leven) aanwezig moet zijn geweest.
Wederom Carl Sagan komt, in dit geval samen met George Mullen de eer toe om in 1972 deze ‘faint sun paradox’ onder brede aandacht van het grote publiek te hebben gebracht. Een korte samenvatting van dit artikel, in de woorden van de auteurs zelf gaat als volgt:
“Solar evolution implies, for contemporary albedos and atmospheric composition, global mean temperatures below the freezing point of seawater less than 2.3 eons ago, contrary to geological paleontological evidence. Ammonia mixing ratios of the order o f a few parts per million in the middle Precambrian atmosphere resolve this and other problems. Possible temperature evolutionary tracks /or Earth and Mars are described. A runaway greenhouse effect will occur on Earth about 4.5 aeons from now, when clement conditions will prevail on Mars.”
Sagan en Mullen stonden stil bij het gegeven dat de helderheid van de sterren volgens een bepaald vaststaand schema evolueren. De helderheid van de zon zou hierdoor “in den beginne” van het zonnestelsel een ongeveer 40% lagere helderheid hebben dan nu, 4,59 miljard jaar later het geval is.
Iets dat in de onderstaande tabel (ontleend aan Wikipedia) is uitgewerkt.
Volgens het artikel heeft een dergelijke variatie “profound consequences” voor de temperatuur van “aardse planeten”. Maar heel bijzonder is dat er desondanks blijkbaar een redelijk constante temperatuur op Aarde heeft geheerst gedurende de gehele geschiedenis van de Aarde. In het artikel wordt dit als volgt uitgewerkt:
“Wij geloven dat het leven al vrij snel na de ontwikkeling van de Aarde begon, hierdoor moet er wel vloeibaar water zijn geweest gedurende de periode van 4,5 tot 3,5 miljard jaar geleden, maar uitgaande van een helderheid die zoveel procent lager is geweest zou de gemiddelde temperatuur op Aarde in de periode van 4 tot 4,5 miljard jaar geleden niet hoger zijn geweest dan 245 K, ofwel 28 graden beneden het vriespunt, dit terwijl fossiele data, afkomstig van de “Swaziland supergroup” laten zien dat er in ieder geval 3,2 miljard jaar geleden voldoende vloeibaar water op Aarde geweest moet zijn.”
Nadat in het artikel vervolgens wordt stilgestaan bij de mogelijkheid dat een verschillend albedo hiervoor verantwoordelijk zou kunnen zijn, welke ook weer mogelijkheid wordt verworpen, komen de auteurs vervolgens uit bij het broeikas-effect als mogelijke verantwoordelijke en oplossing voor deze ‘faint young sun paradox’:
“Hierdoor blijven veranderingen in de samenstelling van de atmosfeer over als mogelijke verklaring. Grote veranderingen van het CO2 gehalte zouden echter slechts geringe invloed hebben omdat de sterkste banden al verzadigd zijn. Een verandering van het huidige CO2 gehalte zou slechts een verandering van 2 graden Celsius teweeg brengen. De CO2 hoeveelheid wordt bovendien sterk gecontroleerd door het silicaat-carbonaat evenwicht, door de buffering door het zeewater en door de ademhaling en fotosynthese feedback.
Ook door de negatieve feedback van waterdamp bij koudere temperaturen is het niet aannemelijk dat waterdamp verantwoordelijk kan zijn voor de hogere temperaturen dan kan worden verwacht…
Vervolgens werden een groot aantal kandidaat- moleculen getest als veroorzaker van dit enorme broeikas-effect 3,5 miljard jaar geleden. Velen vielen ook weer af, maar Sagan en Mullen kwamen uit bij ammoniak als zeer geschikte kandidaat.
De evolutie van de Aardse atmosfeer verliep volgens Sagan en Mullen dan ook, na een aanvankelijke afkoeling door het verlies van waterstof uit de atmosfeer, “naar een milder klimaat, ongeveer 3,5 miljard jaar geleden, waarin de temperatuur werd gedomineerd door een broeikas-effect veroorzaakt door ammoniak en waterdamp”. 

De aardse atmosfeer

Het onderstaande plaatje, uit Wikipedia kan inmiddels wel iconisch genoemd worden. Het geeft de verschillende luchtlagen van de atmosfeer weer, afgezet tegen druk en temperatuur.
We zien een wisselend beeld, in de ene laag stijgt de temperatuur en die neemt weer af in de volgende laag. In het onderstaande zal dan ook eerst eens nader worden uitgewerkt welke processen hierbij allemaal een rol spelen.

Een blik op de exosfeer

Van boven naar beneden gezien is er dan allereerst de exosfeer waar moleculen direct worden aangestraald door de zon. De toename van de temperatuur in deze exosfeer is het gevolg van absorptie van zgn. synchotron straling. Deze synchotron straling ontstaat doordat geladen deeltjes, vooral elektronen, gevangen worden in een magneetveld van een ruimteobject (hier vooral de zon). De geladen deeltjes zullen rondtollen om de magneetveldlijnen en hierbij versnellen.
De deeltjes die dan dus versneld worden zenden straling uit in alle richtingen. De golflengte van uitgaande straling hangt af van de sterkte van het magnetisch veld en de energie van de geladen deeltjes. De aard van de straling kan variëren van radiostraling tot röntgenstraling.
De temperatuur in de exosfeer is afhankelijk van de zonneactiviteit. Overdag bedraagt de temperatuur tussen de 1200 en 1700°C met uitschieters naar 2000 °C, terwijl ’s nachts de temperatuur daalt tot ongeveer 500 tot 1000°C.
De analyse van de waarnemingen van de dichtheden op een bepaalde hoogte, gedurende verschillende jaren, heeft verschillende periodieke veranderingen in de toestand van het bovenste gedeelte van de atmosfeer aan het licht gebracht. We zien bijvoorbeeld een trage verandering over een periode van 11 jaar als gevolg van de elfjaarlijkse cyclus van de activiteit van de Zon; een periodieke verandering van 27 dagen als gevolg van de rotatie van de Zon, en een dagelijkse verandering als gevolg van het verschil tussen dag en nacht. Verder zijn er ook belangrijke fluctuaties gedurende magnetische stormen en tenslotte, een halfjaarlijks effect, waarbij de dichtheid een maximum vertoont in april en oktober, en een uitgesproken minimum in juli en een secundair minimum in januari.
De vrije weglengte, d.i. de gemiddelde afstand afgelegd door een atmosferisch deeltje tussen twee opeenvolgende botsingen, bereikt een gemiddelde waarde van rond de 100 km op een hoogte van 500 km, daar waar die slechts 0,1 micron bedraagt aan het aardoppervlak. De exosfeer wordt dan ook gedefinieerd als dat gedeelte van de atmosfeer, waar het aantal botsingen tussen deeltjes verwaarloosbaar wordt. De deeltjes gedragen er zich vrij en kunnen verschillende trajecten volgen; sommigen slagen er zelfs in om te ontsnappen uit de aardse atmosfeer. De gewone definitie van temperatuur evenals de wetten van de hydrostatica zijn er niet meer geldig.
De hoge temperaturen van de bovenste tientallen kilometers van de atmosfeer worden met name veroorzaakt door de chemische veranderingen die optreden als gevolg van de ionisatie van de hier aanwezige moleculen. Ionisatie vindt plaats als de temperatuur/ straling de elektronen van het aangestraalde atoom of molecuul zodanig versnellen dat deze kunnen ontsnappen aan de positieve kernlading van het betreffende atoom of molecuul. Deze straling wordt dus opgenomen door het betreffende atoom of molecuul en zorgt dus voor een heftig bewegen van het atoom/ molecuul, wat dus overeenkomt met warmte. Het is deze ionisatie die voor de hoge temperatuur van de Exosfeer zorgt en in stand houdt.

De ionosfeer

De onderste lagen van de exosfeer worden dan ook wel (naar het voorkomen van vrije ionen) ionosfeer genoemd.De ionosfeer begint ongeveer op een hoogte van tachtig kilometer boven het aardoppervlak en heeft een dikte van ongeveer 200 kilometer. De ionosfeer bestaat voornamelijk uit atomair zuurstof O (wat domineert) en moleculaire zuurstof O2. Het gas in de ionosfeer is zo ijl, dat de vrije elektronen voor een korte tijd kunnen bestaan, alvorens zich weer te binden aan een neutraal molecuul.
Onderzoek heet uitgewezen dat de ionosfeer is opgedeeld in vier van elkaar te onderscheiden lagen.
–  Allereerst is er de D-laag. Deze loopt van ongeveer zeventig tot honderd kilometer boven het aardoppervlak. Ze bestaat alleen overdag en absorbeert alle straling tot 4 MHz.
–  Vervolgens is er de E-laag. Deze loopt ongeveer van honderd tot tweehonderd kilometer hoogte. Dit is een laag met een erg hoge dichtheid van neutrale moleculen en atomen, zodat de vrije elektronen, die ontstaan door de zonnestraling, snel weer opgenomen worden. Hieruit volgt dat de laag het dikst is rond het middaguur en naarmate de dag vordert oplost.
–  De F-laag is de laatste laag en splitst zich gedurende de dag in tweeën: -de F1- en de F2-laag op een hoogte van respectievelijk 225 en 300 kilometer. Nachts vormen deze twee weer een enkele laag op een hoogte van 280 kilometer.
De hierboven genoemde E-laag komt grotendeels overeen met de onderste laag van de thermosfeer. We zien dat hier dat de ionisatie, die zorgde voor hoge temperaturen, wordt omgekeerd; de elektronen worden weer ingevangen door neutrale atomen en moleculen, een proces dat energie kost, waardoor de temperatuur in deze laag weer daalt van 1200/1700 graden overdag en 500/1000 ’s nachts tot -83 overdag tot zelfs -123 graden ‘s nachts. De atmosferische druk neemt hier toe van 10-12 mb tot 0,1 mb.

De mesosfeer

De ionosfeer wordt door een grenslaag gescheiden van de hier onder liggende (40 kilometers dikke) mesosfeer. Deze tussenlaag is zeer stabiel. De koelste laag ligt onderop, wat betekent dat in een dergelijke laag nauwelijks uitwisseling plaatsvindt in verticale richting. De moleculen van de mesofeer blijven in de mesosfeer, die van de thermosfeer blijven in de thermosfeer, keurig gescheiden door de grenslaag, de zgn. mesopause.
In de mesofeer wordt ultraviolette straling opgevangen. De druk neemt hier toe van 0,1 mb tot 1,7 mb. In de mesofeer is naar onder toe een toenemend gehalte aan ozon aanwezig en wordt daarom ook wel de ozon-laag genoemd. Er vindt hier door de UV-straling een omzetting plaats van zuurstofmoleculen naar ozon-moleculen (ionisatie), waardoor in deze laag opnieuw opwarming plaatsvindt. Deze laag is hierdoor niet stabiel en de opgewarmde ozon zal opstijgen tot het niveau van de onderste lagen van de thermosfeer. Onderin de mesosfeer zal dus de hoogste temperatuur heersen, die in de gehele mesosfeer opwarmt van gemiddeld -118oC tot +15oC.

De stratosfeer

Omdat in lagere luchtlagen, die van de stratosfeer, onvoldoende UV- straling en (dus) ozon aanwezig is om de (steeds compactere) lucht voldoende op te warmen, zien we dan ook weer een afkoeling van de lucht van gemiddeld + 15oC tot  -56,5oC (standaard atmosfeer). De druk loopt hierbij op van 1,7 tot ongeveer 200 mb.
De onderste lagen van de 35 km dikke stratosfeer, grenzen aan de bovenste lagen van de troposfeer. Hier ontstaat dan ook weer een stabiele luchtlaag (de tropopauze) waar de warmste luchtlagen zich bovenin bevinden en er dus nauwelijks verticale luchtbewegingen zullen plaatsvinden.
Vanaf de onderste lagen van de stratosfeer zien we nu een zeer snelle toename van de druk. In nog geen 15 kilometer wordt de druk van 100 opgevoerd naar 1000 mb.

De troposfeer

Binnen de dan nog volgende troposfeer, dat  gedeelte van de atmosfeer dat grenst aan de aardoppervlakte, kan dan nog de atmosferische (ook wel: planetaire) grenslaag (de PBL) worden onderscheiden, die zich meestal op ongeveer twee kilometer van de aardkorst laat kennen door een inversielaag die hier een groot deel van de dag aanwezig is. Gewoonlijk wordt de PBL gedefinieerd als de atmosferische laag, die rechtstreeks wordt beïnvloed door de onderliggende aard- (of zee-) oppervlak.
Alleen binnen deze grenslaag is de dagelijkse gang (opwarming en afkoeling in de dag- en nachtperiode) goed merkbaar. Deze grenslaag wordt gekenmerkt door turbulente bewegingen en fluxen ter grootte van de hoogte van deze atmosferische laag.
Misschien wel het belangrijkste kenmerk van de troposfeer is dat hier weer een sterke opwarming plaats vindt, waarvoor de broeikasgassen verantwoordelijk worden gehouden. Op welke wijze dit gebeurt zal in het onderstaande nader worden bestudeerd.

Een ongemakkelijke theorie

Een studie over het broeikas-effect kan niet voorbijgaan aan datgene wat publicitair gezien de discussie tot een niet eerder gekend niveau heeft weten te brengen, de documentaire van Al Gore over het klimaat.
Toch is dit, zoals hierboven al geschetst, niet echt de juiste plaats om te zoeken naar de wetenschappelijke onderbouwing van het broeikas-effect. Om te begrijpen waardoor kooldioxide zo funest is voor het klimaat kan wellicht dan ook beter naar de wetenschappelijke onderbouwing, zoals gegeven door het IPCC, worden gekeken. In het IPCC-rapport uit 2001 (TAR); kan de volgende, blijkbaar voor leken geschreven, korte beschrijving van het broeikas-effect worden gevonden:
“De ultieme bron van energie die het klimaatsysteem drijft is de straling van de zon. Ongeveer de helft van de straling bestaat uit het zichtbare kortgolvige deel van het elektromagnetisch spectrum. De andere helft is meestal in het nabij-infrarode gedeelte, terwijl ook nog een gedeelte aanwezig is in het ultraviolette deel van het spectrum. Elke vierkante meter van de aarde boloppervlak buiten de atmosfeer krijgt gemiddeld gedurende het jaar 342 Watt zonnestraling, 31% hiervan wordt onmiddellijk naar de ruimte weerkaatst door de wolken, de atmosfeer en het aardoppervlak. De resterende 235 Wm-2 wordt gedeeltelijk geabsorbeerd door de atmosfeer, maar het meeste hiervan (168 Wm-2) verwarmt het aardoppervlak: het land en de oceanen.
Het aardoppervlak geeft die warmte terug aan de atmosfeer, gedeeltelijk als infrarode straling, deels als voelbare warmte en waterdamp, die zijn warmte afgeeft wanneer het hoger in de atmosfeer condenseert. Deze uitwisseling van energie tussen oppervlak en atmosfeer betekent dat onder de huidige omstandigheden een globale gemiddelde temperatuur nabij het oppervlak van 14° C wordt gehaald, maar deze temperatuur neemt snel af met hoogte en bereikt een gemiddelde temperatuur van -58 ° C aan de bovenkant van de troposfeer.
Voor een stabiel klimaat, is een evenwicht nodig tussen inkomende zonnestraling en de uitgaande straling van het klimaatsysteem. Daarom moet het klimaat systeem zelf ook weer gemiddeld 235 W/m2 terug de ruimte in stralen. Details van deze energiebalans zijn te zien in figuur 1.2, waaruit blijkt aan de linkerkant wat er met de inkomende zonnestraling gebeurt, en aan de rechterkant hoe de atmosfeer de uitgaande infrarode straling uitstraalt.
Elk fysiek object straalt een hoeveelheid energie uit op golflengten typisch zijn voor de temperatuur van het object: bij hogere temperaturen wordt meer energie uitgestraald met kortere golflengten. Voor de aarde geldt dat wanneer het 235 Wm-2, moet uitstralen, hiervoor een effectieve emissie temperatuur van -19 ° C aanwezig moet zijn met typische golflengten in het infrarode deel van het spectrum.
Maar dit is 33 ° C lager dan de gemiddelde temperatuur van 14 ° C aan het aardoppervlak!
Om te begrijpen waarom dit zo is, moet men rekening houden met de stralingseigenschappen van de atmosfeer in het infrarode deel van het spectrum. In de atmosfeer zijn meerdere gassen aanwezig die infrarode straling absorberen en uitzenden. Deze zogenaamde broeikasgassen absorberen infrarode straling, uitgezonden door het aardoppervlak, atmosfeer en wolken, behalve in een transparant deel van het spectrum, het zogenaamde “atmospheric window” […].
Deze broeikasgassen stralen op hun beurt de geabsorbeerde infrarode straling in alle richtingen uit, ook naar beneden, terug naar het aardoppervlak. Hierdoor houden de broeikasgassen de warmte binnen de atmosfeer.
Dit mechanisme heet het natuurlijke broeikaseffect. Het nettoresultaat is een opwaartse overdracht van infrarode straling uit het warmere niveau nabij het aardoppervlak, naar de hoger gelegen koudere niveaus. De infrarode straling wordt effectief terug de ruimte uitgestraald vanuit een hoogte met een temperatuur van gemiddeld -19 ° C. Hierdoor is er dus een evenwicht met de binnenkomende straling, terwijl het aardoppervlak op een veel hogere temperatuur van gemiddeld 14 ° C wordt gehouden. Deze effectieve emissie temperatuur van -19 ° C komt in gematigde breedten voor op een hoogte van ongeveer 5 km.
Merk op dat het essentieel is voor het broeikaseffect dat de temperatuur van de lagere atmosfeer niet constant (isotherm) is, maar afneemt met de hoogte. Het natuurlijke broeikaseffect maakt deel uit van de energiebalans van de aarde, zoals schematisch wordt weergegeven in figuur 1.2. “
Het zal duidelijk zijn; wanneer de terug-straling van de atmosfeer om, nog nader uit te werken oorzaken, verandert, dan zal dit ernstige consequenties hebben voor de huidige evenwichtssituatie.
Echter, om te weten wat er nu precies gebeurt wanneer het kooldioxidegehalte verdubbelt, is kennis van de natuurkunde achter het broeikaseffect onontbeerlijk.

Natuurkundige basis van de broeikas

Vaste lichamen kennen veel losgebonden elektronen die maken dat licht van vrijwel alle golflengten kan worden geabsorbeerd en uitgestraald. Een zich op dat punt ideaal gedragend lichaam wordt een ‘zwarte straler’ genoemd. Zowel de zon als de aarde gedragen zich volgens de huidige stand van wetenschap nagenoeg als zodanig.
De golflengte van door vaste lichamen uitgestraalde elektromagnetische straling wordt bepaald door de temperatuur van deze lichamen. Volgens de wet van Stefan-Boltzmann (uit 1884) is de energie van door vaste lichamen uitgezonden straling gelijk aan een constante (die naar Stefan-Boltzmann is genoemd, met een grootte van 5,67*10-8 Js-1m-2K-4) maal de vierde macht van de temperatuur.
De energie die de zon uitstraalt is afhankelijk van de temperatuur van de zon. De zon gedraagt zich als een 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.
Sinds september 2012 is de astronomische eenheid, de gemiddelde afstand tussen aarde en zon gedefinieerd als exact 149 597 870 700 meter.
Aan de hand van deze gegevens kan berekend worden hoeveel energie van de zon de aarde bereikt:
Totaal uitgezonden straling door de zon kan worden berekend door de hoeveelheid uitgestraalde energie (M) van de zon te vermenigvuldigen met de oppervlakte van de zon, ofwel:
 Ez = M*4*π*Rzon2 = 5,67*10-8 * 57854 *4*π*696.000.0002 = 3,87*1026 Wm-2
De door de zon uitgezonden straling gaat door een bol met een straal gelijk aan die van de aardbaan. Op deze afstand wordt dus per m2 de volgende hoeveelheid straling opgevangen:
Ea = Ez/(4*π*Ro2) = 3,87*1026/(4* π*149 597 870 7002) = 1376 Wm-2
De hoeveelheid energie per seconde (W) van de zon, die een vierkante meter (m2) van de aarde zou kunnen absorberen, is dus 1376 W/m2. 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 gehele aardoppervlak, dus over het oppervlak van de aardbol 4.π.Ra2, zodat aan de bovenkant van de atmosfeer gemiddeld per vierkante meter 1396/4=349 W ontvangen wordt.
Het totale vermogen (ofwel totale energie per seconde), dat de aarde dus ontvangt is het frontaal oppervlak van de aarde π R2 (waarbij R de straal van de aarde is) vermenigvuldigd met de ontvangen energie per vierkante meter per seconde.
Het totale vermogen wat wordt opgevangen hangt echter ook nog af van de zogenaamde albedo factor. Deze factor is een maat voor de reflectie van de aarde. Met bijvoorbeeld veel ijs en wolken is de albedo groot; land is een slechtere reflector en maakt de albedo lager.
De hoeveelheid ingestraalde energie per seconde is het stralingsvermogen van de zon die de aarde bereikt. Deze duiden we aan met S in W/m2. Als a een maat is voor de spiegeling (de albedo) dan is (1 – a) de maat voor de hoeveelheid straling die de aarde bereikt.
De zon gedraagt zich als een zwarte straler met een temperatuur van ongeveer 5785 K.
Het aardoppervlak is een vrijwel zwarte straler met een effectieve stralingstemperatuur van 287°K en straalt voornamelijk infrarode straling uit (tussen de 5 en 40 micrometer) met een totaal van 385 W/m2.
Dit is eigenlijk nogal verrassend te noemen omdat deze uitstraling dus blijkbaar hoger is dan de hoeveelheid energie van het zonlicht die door de aarde maximaal (dus ook nog zonder rekening te houden met de albedo) wordt ontvangen (349 W/m2).
Om dit verschil te kunnen verklaren moet, volgens de klassieke broeikas-theorie, worden gekeken naar de bijzondere eigenschappen van de atmosfeer die de Aarde omringt. Er is nl. een reden waarom sommige gassen broeikasgassen worden genoemd en andere niet.
Gassen kunnen, zoals Gustav Robert Kirchhoff halverwege de negentiende eeuw ontdekte, anders dan vaste lichamen, slechts licht van bepaalde golflengten opnemen of uitstralen. Een gas absorbeert juist die golflengten, die het in lichtgevende toestand zelf uitzendt. Een bekend proefje met NaCl laat dit zien: een damp van natrium vangt juist de gele spectraallijnen weg die zout (natrium) in een vlam uitzendt.
Later postuleerde Kirchhoff een drietal empirische wetten aangaande de spectrale compositie van licht uitgestaald door lichtende objecten:
– Een hete, vaste stof produceert een continu spectrum.
– Een heet gas produceert een spectrum met discrete golflengten, die afhangen van de energieniveaus van de atomen in het gas.
– Een hete, vaste stof omgeven door een koel gas (ten opzichte van het object) produceert een semi-continu spectrum, met gaten die afhangen van de energieniveaus van de atomen in het gas.
Omdat gassen dus alleen licht van bepaalde golflengten kunnen absorberen, zijn er slechts een aantal gassen die (afhankelijk van de temperatuur van het gas en dat van het uitstralend object) in staat zijn om infrarood licht van de golflengten die door de aarde worden uitgestraald te absorberen. Zo gedragen stikstof (N2) en zuurstof (O2) zich in grote lijnen als een “ideaal gas”, omdat deze gassen, binnen bepaalde temperatuurgrenzen en waarden van de luchtdruk, vrijwel zonder morren voldoen aan de kinetische gastheorie (waarin de uitstraling van een gas in het geheel wordt verwaarloosd).
Kooldioxide is echter een gas, zoals in de bijgevoegde figuur is te zien, wat wel in staat is om infrarode straling te absorberen bij de in de atmosfeer heersende luchtdruk en (dus) ook uit te stralen. Kooldioxide, onder de omstandigheden zoals die in de laagste regionen van de atmosfeer heersen, absorbeert licht met een golflengte van rond 2,7 micrometer en 4,3 micrometer en vanaf de 13 micrometer. Waterdamp is een ander gas wat in staat is om infrarode straling, met nog een ruimer bereik dan kooldioxide op te nemen of uit te stralen, namelijk van 0,7 tot 7 (met een gat in het deel dat mooi door kooldioxide wordt opgevuld rond de 4,3 micrometer) en ook vanaf 13 micrometer.
Kooldioxide en waterdamp zijn dus zgn. broeikasgassen omdat zij in staat zijn om het door de aarde uitgestraalde infrarode licht van 5 tot en met 40 micrometer geheel of gedeeltelijk op te nemen.
Er zijn eigenlijk maar twee “vensters” naar het heelal: het ‘optische venster’, van 4000 tot 8000 A, een ‘radiovenster’ voor straling met een golflengte van ongeveer 1 cm tot 20 meter. Daarnaast is er nog de belangrijke onvolledige doorlating van het infrarood, met een ‘gat’ tussen de 7,5 en de 13 um, zoals uit het bijgevoegde plaatje kan worden gezien. Dit laatste “gat” wordt in de broeikastheorie het “atmosferische venster” genoemd.
Voor de overige golflengten is de atmosfeer vrijwel ondoorlatend. McIlveen stelt: “the atmosphere is almost completely opaque in substantial parts of the spectrum… and the atmosphere is really very opaque indeed to the wavelengths strongly absorbed by water vapour and carbon dioxide. A layer only 30 m deep contains enough carbon dioxide and water vapour to absorb all terrestrial radiation”.(Fundamentals of Weather and Climate, Chapman & Hall, (1992))
De relatie met de temperatuur
Meer CO2 in de atmosfeer zou ons klimaat warmer doen worden. Maar hoe werkt dat dan en, niet onbelangrijk ook, om hoeveel opwarming gaat dat nu eigenlijk?
Allereerst dan een blik op de werking van broeikasgassen in zijn algemeenheid. Het is vaker verteld. Zonder broeikasgassen zou de temperatuur van de Aarde een gemiddelde waarde van -19 graden Celsius hebben. Door de aanwezigheid van broeikasgassen wordt deze temperatuur met 33 graden verhoogd, tot de veel aangenamere +14 graden Celsius. Maar hoe gaat dat dan in zijn werk? 
Om deze theorie helder te krijgen wil ik ook hier worden teruggegrepen naar ‘klassiek werk’, in dit geval: “Fysische aspecten van het C02-probleem” (1982). De academische kwaliteiten van de van de auteurs; Cor Schuurmans, (winnaar van de Buys-Ballotmedaille 1995, destijds hoofd onderzoek van het KNMI hoogleraar klimaatdynamica in Utrecht en onderzoeksdirecteur van het KNMI, expert reviewer van het TAR), Hans Oerlemans (professor aan de meteorologie van de Universiteit van Utrecht en hoofdauteur van het IPCC in 1990, 1996 en 2001) en Robert Mureau (meteorologisch onderzoeker, verbonden aan het KNMI, later hoofd onderzoek bij MeteoGroup) zouden voldoende kredietwaardig moeten zijn om een betrouwbare beschrijving, in de lijn van het IPCC, te geven om het verband tussen toegenomen straling en temperatuur te geven.
Het betoog van de bovengenoemde auteurs kan als volgt worden samengevat:
“C02 Iaat zonnestraling vrijwel ongehinderd door, maar het absorbeert de langgolvige straling die door het aardoppervlak wordt uitgezonden. Het atmosferische C02 straalt echter ook weer uit, zowel naar boven, als terug naar het aardoppervlak. Het is deze terugstraling (meestal tegenstraling genoemd) die bet broeikaseffect veroorzaakt.”
De motor van het systeem is dus de zon. Die straalt ons haar energie toe in de vorm van zonlicht, een breed spectrum van elektromagnetische straling. Wanneer het zonlicht de aarde bereikt, wordt een gedeelte (iets minder dan een derde) onmiddellijk weerkaatst door de dampkring (de atmosfeer) en het aardoppervlak.
Het overige deel wordt echter door de aarde, de atmosfeer en de aardkorst opgenomen en zal deze opwarmen. De deeltjes die deze energie hebben opgenomen zullen deze ook weer uitstralen, maar nu met een energieniveau (wat veel lager zal zijn) wat hoort bij de temperatuur van deze deeljes. De uitgestraalde energie is vaak niet meer dan infraroodstraling, die wij als warmtestraling herkennen.
Een deel van deze uitgezonden straling verlaat onze dampkring zonder opgenomen te worden door de atmosfeer. Maar bepaalde gassen die van nature in de atmosfeer aanwezig zijn – de zogenaamde broeikasgassen – zullen deze infraroodstraling ook gedeeltelijk absorbeeren (en weer uitzenden). maar hierdoor ontstaat dus als het ware een tweede energiebron, die de atmosfeer opwarmt. het lijkt dan logisch; meer broeikasgassen in de atmosfeer zorgt ervoor dat de atmosfeer meer opwarmt, omdat deze de tegenstraling doet toenemen.
Schuurmans et al. stellen vervolgens: “De grootte van deze extra tegenstraling kan voor iedere hoogte boven het aardoppervlak worden bepaald door rekening te houden met de temperatuur- en drukafhankelijkheid van de absorptie en emissie. Met behulp van hoogte-afhankelijke numerieke stralingsmodellen is aangetoond dat de extra tegenstraling bij meer CO2 een maximum heeft op 20 km hoogte. Hieruit kan onmiddellijk worden afgeleid dat meer CO2 in de luchtlaag beneden 20 km tot verwarming leidt en, in de luchtlagen boven 20 km tot afkoeling. Immers, de temperatuurverandering (dT) in een laag is evenredig met de stralingsdivergentie (dF/dZ) volgens:
\frac{dT}{dX}=\frac{-1}{C_{p}\rho }\frac{\partial F_{n}}{\partial Z}
Hierin is CP = soortelijke warmte en ρ = dichtheid van lucht. Waar de netto tegenstraling -Fn met de hoogte z toeneemt treedt dus verwarming op en waar -F met de hoogte afneemt afkoeling.
Vijftien jaar geleden konden op grond van zulke stralingsberekeningen reeds goede benaderingen van de werkelijkheid worden gepubliceerd.
Kwalitatief is het beeld sindsdien ongewijzigd gebleven: met meer CO2 zal de stratosfeer in temperatuur afnemen en de troposfeer iets warmer worden. (Bij een lagere C02-concentratie zijn de temperatuureffecten juist omgekeerd). Het gaat er echter vooral om wat er kwantitatief gebeurt. Daarover is minder eenduidigheid en in feite draait daar de hele C02-klimaatdiscussie om…”
Dit klinkt wat raadselachtig, omdat de simpele versie die hierboven is weergegeven (het zgn. ‘dekentjes-model’), ook voorbijgaat aan de werkelijke  reden voor de theoretische opwarming. In feite laten de prachtige figuren die het broeikas-effect moeten illustreren weinig anders zien dan een schematische voorstelling van hoe men dacht dat een broeikas zou werken. Kortgolvige straling dringt door de glazen plaat (getekend als de atmosfeer), kan niet ontsnappen door deze glasplaat (getekend als de broeikasgassen) en de warmte blijft gevangen. Hoe dikker de glasplaat, hoe meer warmte gevangen blijft.
Echter, al in 1909 kon aan de hand van een simpel experiment worden aangetoond dat een glazen kas niet zo werkt. Door het glas wordt simpelweg voorkomen dat de door convectie opgewarmde lucht ontsnapt.
Elementaire natuurkunde -warmteoverdracht
Voor het begrijpen van de atmosfeer van een planeet is het van belang om te bezien hoe de toegevoerde externe energie wordt verdeeld. Welke warmteoverdrachtsmechanismen zijn van belang?
Voor de aardse atmosfeer is één ding duidelijk; conductie (geleiding, de deeltjes zelf bewegen niet)  van de energie is in ieder geval in de onderste lagen van de aardatmosfeer van ondergeschikte betekenis. Lucht is een goede isolator, dus energie kan op deze wijze nauwelijks worden verspreid.
Maar dat geldt zeker niet voor convectie (stroming, energietransport vindt plaats door transport van de opgewarmde deeltjes zelf). Al bij dubbele beglazing (waarbij gebruik wordt gemaakt van de isolerende werking van lucht) kan worden gezien dat de te hoge bijdrage van een broeikasgas (meestal waterdamp) het effect heeft om de isolerende werking van dubbel glas teniet te doen. Waterdamp kan de warmtestraling aan de ene kant van het raam opnemen en zeer effectief naar de andere kant van het raam transporteren. Dit is dan ook het belangrijkste effect van de broeikasgassen in de onderste luchtlagen. Zij kunnen de warmtestraling van de aardoppervlakte opnemen en deze warmte direct naar hogere luchtlagen transporteren. 
Als laatste is er natuurlijk radiatie, straling. Deze vorm van energietransport staat centraal in de broeikas-theorie, maar vast staat sinds 1909 dat deze vorm van energie-uitwisseling in kwantiteit ondergeschikt is aan convectie, in ieder geval in de onderste luchtlagen.
En hoe zit het dan met de aarde? Aangenomen mag dus worden dat de uitgestraalde warmte de lucht in de onderste lagen opwarmt. Binnen dertig meter is de uitgestraalde warmte, door tussenkomst van de broeikasgassen, echter geabsorbeerd door de atmosfeer. Wanneer de opwarming van de Aardkorst door zonnestraling te groot wordt zorgt dit voor een plaatselijke opwarming en ontstaan convectiestromingen, turbulentie (onstabiele atmosfeer), die de atmosferische grenslaag kenmerkt.  Door een turbulent transport van de warmte naar de bovenste lagen van de atmosfeer, waar de energie weer naar het heelal wordt uitgestraald. En dat is maar gelukkig, omdat het anders al snel erg warm zou worden op onze planeet
Boven deze atmosferische grenslaag (boudary layer) zien we dus eigenlijk vrijwel altijd een stabiele atmosfeer. Hier zien we een geleidelijke afname van de temperatuur, die vooral door geleiding en adiabatische afkoeling verklaard moet worden.
De oorspronkelijke energiestraling zal hierdoor steeds slechter door de bovenliggende lagen opgenomen kunnen worden en aan de bovenzijde van de troposfeer zien we dan ook een temperatuur van -56 graden Celsius. Deze geleidelijke afname is gemodelleerd als een gemiddelde uitstraling in het midden van de troposfeer, op ongeveer 5 kilometer hoogte, waar de temperatuur -19 graden bedraagt. het gehalte waterdamp wordt hier zo laag dat de aan de waterdamp gebonden straling niet meer kan worden opgenomen door hogere luchtlagen, iets dat bij kooldioxide aan de top van de troposfeer ook gebeurd. (zie onderstaand spectrum van de uitgestraalde energie van de aarde; in dit specifieke geval vindt de uitstraling van waterdamp al op geringe hoogte plaats (rond de 270 K, ofwel al direct boven de PBL), die van kooldioxide aan de top van de troposfeer. Op dat moment is er dus een evenwicht tussen de inkomende straling en uitgaande straling. 
Samenvattend kunnen we dus stellen dat opgewarmde deeltjes voortdurend energiestraling uitwisselen, maar als de temperatuur van de deeltjes gelijk is, heeft dit netto geen enkel effect. Wel is er natuurlijk een temperatuurgradiënt naar boven toe, waardoor, als er op een bepaalde hoogte geen deeltjes meer zijn die de straling kunnen absorberen (bijvoorbeeld kooldioxide boven de troposfeer, of waterdamp op een gemiddelde hoogte van 5 kilometer), dan zal deze straling worden uitgestraald naar het heelal. Punt is nu dat de uitgestraalde energie in evenwicht moet zijn met de binnenkomende zonnestraling, om de temperatuur op aarde niet telkens te laten toenemen. 
Schuurmans et al. gebruiken deze theorie om het stralingsevenwicht aan de bovenzijde van de atmosfeer als volgt te modelleren:
“De geabsorbeerde zonnestraling door de aarde (gegeven door de ontvangen zonnestraling (So) van 349 Wm-2 maal de fractie niet gereflecteerde hoeveelheid straling (1- albedo(A))) moet per tijdseenheid gelijk zijn aan de totale hoeveelheid uitgestraalde (infrarode) straling aan de bovenzijde van de atmosfeer (Io) volgens Stefan- Boltzmann (Io = σT4). Hierdoor geldt dus ook: Io = S0 *(1-A).
Maar de uitgestraalde hoeveelheid infrarood licht (Io) moet ook gelijk zijn aan het door de aarde uitgestraalde hoeveelheid infrarood licht (Is), minus de fractie van dit licht die door de atmosfeer wordt geabsorbeerd (y).
Wanneer deze geabsorbeerde fractie weer wordt uitgestraald, kan de straling in principe maar twee kanten op (omhoog of omlaag) wat statistisch verdeeld wordt. Er kan vanuit worden gegaan dat de helft omhoog gaat en de helft terug naar de aarde wordt gezonden, ofwel:
Io = Is – ½ y*Is, wat dan weer kan worden uitgeschreven als:
(1- A)So = (1- ½ y)Is = Io
Hierbij is A dus de albedo van de aarde (fractie teruggekaatst zonlicht); So = ontvangen zonnestraling (is ongeveer gelijk aan ¼ * zonneconstante); y = fractie van de infrarode straling die wordt geabsorbeerd door de atmosfeer;  Is = uitstraling van het aardoppervlak (σT4 ) en Io = infrarode straling aan de rand van de atmosfeer (die dus in evenwichtsituatie gelijk moet zijn aan invallende zonnestraling). Een en ander is hieronder grafisch weergegeven:

Tegenstraling

Het is goed om hier even te blijven stilstaan bij een van de felst bekritiseerde onderdelen van de broeikas-theorie. Deze kritiek heeft betrekking op het feit dat het onmogelijk is dat de aarde kan worden opgewarmd door haar eigen afvalproduct. De radiatieplaatjes van Trenberth en het IPCC ogen natuurlijk ook vreemd. Hoe kan de Aardkorst met een hogere temperatuur worden opgewarmd door de straling vanuit de atmosfeer die een veel lagere temperatuur heeft? Op de alarmistische site “The science of doom” wordt onder https://scienceofdoom.com/2010/07/17/the-amazing-case-of-back-radiation/ specifiek ingegaan op deze problematiek: 
“Allereerst, wat is “achtergrondstraling”? Het is de straling die wordt uitgezonden door de atmosfeer die op het aardoppervlak valt. Het is ook meer correct bekend als neerwaartse langegolf-straling – of DLR.
Het bijzondere aan achtergrondstraling is hoeveel verschillende manieren waarop mensen tot de conclusie komen dat het niet bestaat of geen effect heeft op de temperatuur aan het aardoppervlak. Dit moet wel mee te maken hebben met het feit dat als je naar de top van de atmosfeer wilt kijken (vaak afgekort als “TOA”) er metingen in overvloed zijn. Dit komt omdat (sinds de late jaren ’70) satellieten continu dagelijkse metingen verrichten van binnenkomende zonne-energie, gereflecteerde zonne-energie en uitgaande lange golflengten.
Als u echter naar het oppervlak wilt kijken, zijn er veel minder waarnemingen. En wel omdat satellieten deze waarden niet kunnen meten. Over de hele wereld zijn er veel thermometers die elk uur de temperatuur meten, maar instrumenten om de straling nauwkeurig te meten zijn veel duurder. Dus deze parameter heeft het minste aantal metingen. Dit betekent niet dat er geen sprake is van “back-radiation”, maar er zijn gewoon minder meetlocaties…
Gewone lezers van deze blog zullen duidelijk zijn over het verschil tussen zonne- en “terrestrische” straling. Zonnestraling heeft een piekwaarde rond 0,5 μm, terwijl straling van het aardoppervlak of van de atmosfeer zijn piekwaarde heeft rond 10 μm en er is zeer weinig cross-over. Dit betekent dat zonnestraling en aardse / atmosferische straling gemakkelijk kunnen worden onderscheiden. Conventioneel gebruikt de klimaatwetenschap “korte golf” om te verwijzen naar zonnestraling – voor straling met een golflengte van minder dan 4 μm – en “lange golf” om te verwijzen naar aardse of atmosferische straling – voor golflengten van meer dan 4 μm.
Dit is erg handig. We kunnen straling meten in de golflengten> 4μm, zelfs overdag, en we weten dat de bron van deze straling het oppervlak is (als we opwaartse straling van het oppervlak meten) of de atmosfeer (als we neerwaartse straling aan het oppervlak meten). Als we ’s nachts straling meten, is er natuurlijk geen verwarring mogelijk. In het onderstaande is een meetperiode van twee weken weergegeven van DLR voor Billings, Oklahoma uit de BSRN-archieven.  
Dit is BSRN-stationnr. 28, Breedtegraad: 36.605000, Longitude: -97.516000, Hoogte: 317.0 m, Soort oppervlak: gras; Type topografie: plat, landelijk.”
Het is goed om de meetresultaten ook eens nader te bestuderen. Voor mij was het in ieder geval een eye-opener dat, zoals hier duidelijk te zien is dat, zoals verwacht kon worden, juist in de nachtperiode de aardkorst door de atmosfeer wordt “aangestraald’. Logisch ook, omdat de temperatuur van de aardkorst nu juist lager wordt dan die van de onderste lagen van de atmosfeer, zodat er ook geen sprake kan zijn van een strijdigheid met de natuurkundige wetten op dit punt. 

Toename van kooldioxide

Maar wat gebeurt er nu als de hoeveelheid broeikasgassen verandert? In eerste instantie zou je zeggen; weinig. Broeikasgassen zorgen ervoor dat de uitgestraalde energie wordt opgevangen en verdeeld over de luchtlagen. Binnen dertig meter is alle warmtestraling van de Aarde opgevangen en wordt deze energie gemengd in de onderste luchtlagen (PBL). Maakt het dan iets uit of die onderste dertig meter iets kleiner wordt?
Dit zou zo zijn als er met die verdubbeling van de hoeveelheid kooldioxide niet 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. Ter herinnering; 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 over het gedeelte heen waar bij een ‘normale’ hoeveelheid kooldioxide straling simpelweg direct naar het heelal zou verdwijnen. 
Op basis hiervan heeft men kunnen berekenen dat de atmosfeer, over de vele luchtlagen heen tot de top van de troposfeer, een extra 3,39 W/m2  kan opvangen. En dat heeft een klimaateffect wat door Schuurmans et al. als volgt wordt uiteen gezet.
“Door verhoging van het kooldioxide gehalte wordt de fractie y groter (want meer straling van het aardoppervlak wordt onderschept) waardoor het evenwicht met de inkomende zonnestraling (1- a)So alleen kan worden hersteld door een toeneming van de uitstraling van het aardoppervlak Is. Dat gebeurt ook wanneer de temperatuur aan het aardoppervlak Ts hoger wordt. Het mooie van dit model is nu dat dit precies is wat kan worden verwacht wanneer de atmosfeer meer zonnestraling absorbeert.
Op grond van laboratorium proeven is gebleken dat door een toeneming van het C02-gehalte tot 2 keer de huidige concentratie, de fractie y zodanig toeneemt dat de uitstraling aan de rand van de atmosfeer ( Io ) met 4,2 W/m2 (latere berekeningen geven volgens Wikipedia een forcering van 3,39 W/m2), afneemt. “
Het broeikas-effect wordt dus veroorzaakt door het gegeven dat een (klein) deel van de straling van het atmosferische venster in plaats van met een stralingstemperatuur van gemiddeld 15 graden boven nul, nu wordt uitgestraald met een stralingstemperatuur van -56 graden Celcius. het verschil in energie wat normaal gesproken uit het systeem zou verdwijnen, blijft nu dus opgesloten zitten in de onderste luchtlagen en zal naar alle waarschijnlijkheid aan de energie-inhoud van de aardkorst ten goede komen.  
De klimaatmodellen-bouwers, die deze opwarming vervolgens in hun klimaatmodellen stopten, kwamen er vervolgens op uit dat in de hogere luchtlagen dus ook de meeste opwarming moest plaatsvinden en vonden in de resultaten vervolgens met name in de tropen (waar de troposfeer met kooldioxide) het dikst is, een extreme opwarming, de zgn. ‘tropische- Hot spot’. 
Omdat deze ‘Hot spot’ in de praktijk niet kon worden teruggevonden werden deze modellen een mooi mikpunt voor gemakkelijke klimaatsceptici, wat vervolgens weer om een ingewikkelde verdediging van de broeikas-theorie vroeg (zie bijvoorbeeld: https://skepticalscience.com/tropospheric-hot-spot-advanced.htm).  
Maar terug naar de theorie; als deze extra energie (3,39 W/m2) nu inderdaad terugkeert op de aardkorst zal dit een opwarming geven van 1 graad Celcius. maar daarbij blijft het natuurlijk niet. Schuurmans, Oerlemans en Mureau zetten uiteen waar het werkelijke gevaar van de stralingsforcering als gevolg van de toename van kooldioxide schuilt:
“De “stralingsforcering” van 4,2 W/m2  geeft vervolgens een opwarming van 1,23 graden Celsius. Deze extra warmte geeft echter ook een extra verdamping van (het broeikasgas) waterdamp. Dit zal vergelijkbare effecten oproepen als de verhoging van het CO2-gehalte en geeft een verhoging van nog eens 1,56 graden Celsius. Vervolgens moet dan nog worden gekeken naar de overige terugkoppelingseffecten die eigenlijk alleen aan de hand van satelliet-metingen kunnen worden afgeleid. Dit verband blijkt lineair te zijn en geeft een verhoging van de temperatuur door alle terugkoppelingsmechanismen samen met maar liefst 2,75 graden Celsius, ofwel een verdubbeling van de oorspronkelijke waarde.
Wanneer dan alle beschouwde effecten, samen met een extra verhoging van de absolute vochtigheid die dan nog niet gemoduleerd is, in beeld worden gebracht, blijkt dat de beste schatting voor de veranderende temperatuur, die wordt veroorzaakt door een verdubbeling van het kooldioxide-gehalte, moet liggen tussen de 2,8 en 4,7 graden Celsius.”

De temperatuur-geschiedenis

Tot zover (vooralsnog) de wetenschappelijke theorie. Maar hoe zit het dan met de praktijk van de opwarming?
Voor buitenstaanders in de klimaatdiscussie kwam het wellicht onverwacht. In 1998 publiceerde Science het onderzoek van Michael E. Mann, Raymond S. Bradley en Malcolm K. Hughes (MBH) waarin de CO2 -crisis een historisch perspectief werd geplaatst. De boodschap was niet mis te verstaan. Wanneer het kooldioxidegehalte stijgt, moet de hiermee samenhangende temperatuur van de atmosfeer ook stijgen.
De grafiek van Mann, hieronder weergegeven, werd volgens de auteur samengesteld met behulp van gegevens van jaarringen van bomen en ijskernen, en historische data. Deze gegevens werden vervolgens gebruikt om de temperaturen van de afgelopen 6 eeuwen te bepalen.
De grafiek werd dan ook direct toegevoegd aan het IPCC rapport van 2001. De gemiddelde temperatuur op aarde, die al sinds vele eeuwen redelijk constant was, werd in recente geschiedenis volgens Mann, als het blad aan een hockey-stick, omhoog geduwd.
Het resultaat mocht er zijn en dit onweerlegbare bewijs werd dan ook een van de belangrijkste elementen van Al Gore’s “Inconvenient Truth”.
Al snel kwam er stevige inhoudelijke kritiek op de deze ‘hockeystick theorie’ van Michael Mann. Met name de artikelen van Stephen McIntyre en Ross McKitrick (M&M) trokken hierbij de aandacht. Zij stelden immers dat zij dezelfde database als Michael Mann hebben gebruikt, en dezelfde soort van berekeningen hadden uitgevoerd, maar uitkomsten kregen die totaal anders waren dan wat door Mann werd gepubliceerd. Hiervoor was volgens hen maar een uitleg mogelijk; Mann en zijn medewerkers hadden de data gemanipuleerd. Wikipedia meldt hierover het volgende:
“Mann, Bradley en Hughes publiceerden vervolgens in Nature een correctie, waarin ze een aantal fouten dat in het materiaal dat online stond verbeterden, maar ze hielden vast aan hun oorspronkelijke resultaten.
Eugene Wahl en Caper Ammann toonden aan dat M&M de resultaten van MBH niet terugvonden omdat die de methode van MBH anders toepasten. De resultaten waren wel reproduceerbaar als de methode op dezelfde manier gebruikt werd. Volgens Mann hadden McIntyre en McKitrick verder 80% van de data uit de 15e eeuw weggelaten, waardoor de curve van M&M in die eeuw een opwarming vertoonde midden in de kleine ijstijd, wat overigens in geen enkele van de tientallen andere temperatuurreconstructies wordt waargenomen. Door weglating van die gegevens is de grafiek van M&M niet meer statistisch significant.
Echter, de geest was uit de fles; met de kritiek van M&M kwam de discussie over de hockeystickcurve op gang.
Hans von Storch, de ex-hoofdredacteur van Climate Research, vond die eerste kritiek van M&M weinig gefundeerd, en noemde zijn artikel uit 2004 de eerste serieuze kritiek. Von Storch beweerde dat Mann en zijn medeauteurs de natuurlijke variabiliteit met een factor twee onderschatten. Wahl et. al. hebben echter weer fouten in Von Storchs werk ontdekt.
In 2005 publiceerden McIntyre en McKitrick een nieuwe kritiek in het tijdschrift Geophysical Research Letters waarbij ze weer stelden dat de hockeystick vorm een artefact is van de statistische verwerking. Ze vonden met Manns methode in 99% van de gevallen een hockeystick, zelfs als ze rode ruis als gegevens gebruikten. Michael Mann werd verder aangevallen omdat hij de gebruikte gegevens niet volledig beschikbaar zou stellen.
Pas in dit stadium kwam uiteindelijk een groot deel van de brongegevens van Mann toch op zijn ftp-server te staan.
Het debat over de statistische verwerking ging verder over het gebruik van een gedecentreerde vorm van hoofdcomponentenanalyse, een methode waarbij normaal gecentreerd wordt rond de hele dataperiode. MBH wilden de componenten vergelijken met de temperaturen in de 20e eeuw, en hadden daarom gecentreerd op de periode 1900-1980 (het einde van de reconstructie), wat een weinig gebruikelijke manier van verwerken is. Latere studies toonden weer aan dat deze manier van standaardisering weinig invloed heeft op de uitkomst, en dat een eenvoudige middelingsmethode eveneens een hockeystick oplevert.
Het IPPC betrok de kritiek van McIntyre en McKitrick in het vierde assessment rapport, stelde dat de kritiek gegrond was, maar nauwelijks uitmaakte, zoals bleek uit het artikel van Wahl et al. (2006). Hierbij wordt echter voorbijgegaan aan het feit dat ook in dit artikel de conclusie luidde dat de grafiek van Mann niet wetenschappelijk robuust zou zijn geweest als hierbij niet zo nadrukkelijk de data van de befaamde Bristlecone pijnboom zouden zijn betrokken.
Ook de andere reconstructies die tegen die tijd bestonden, werden in de analyse betrokken.
Naast een aantal methodologische problemen in M&M’s kritiek bleek dat ze van hun 10.000 computerruns met ruis alleen de 100 lieten zien die het meest op een hockeystick leken, een vorm van cherry-picking.
Op verzoek van het Congres stelde de National Research Council een speciale “Committee on Surface Temperature Reconstructions for the Past 2,000 Years” samen. Deze bestond uit 12 onderzoekers uit verschillende vakgebieden met Gerald North als voorzitter.
De commissie concludeerde in 2006 dat de analyse van MBH inderdaad statistische tekortkomingen had, maar dat die weinig uitmaakten.
In 2006 publiceerde echter ook een team statistici onder leiding van Edward Wegman een rapport, dit op verzoek van de Republikeinse afgevaardigden in het Amerikaans Congres, Joe Barton en Ed Whitfield. De resultaten werden gepresenteerd op een hoorzitting in een commissie van het Congres onder leiding van Joe Barton.
Het rapport ging vooral in op de statistische analyse die in het MBH-rapport gebruikt werd, maar keek ook naar de persoonlijke en professionele banden tussen Mann en andere leden van de paleoklimatologische gemeenschap. De statistische verwerking in MBH98 en MBH99 zou onduidelijk en onvolledig zijn, zodat de kritiek van McIntyre en McKitrick gerechtvaardigd was. Het rapport bevestigde dat de gedecentreerde hoofdcomponentenanalyse, zelfs wanneer er random data wordt ingevoerd een hockeystick oplevert. Verder vond de commissie dat de eerste hoofdcomponent in de statistische analyse wordt gedomineerd door de Bristlecone pijnboom en de Vossenstaartpijnboom, maar dat er in de literatuur aanwijzingen zijn dat deze soorten misschien geen goede proxies vormen voor temperatuurverandering, omdat ze beter groeien als er meer CO2 voorhanden is.
Er zouden geen aanwijzingen zijn dat Mann en zijn co-auteurs contacten onderhielden met statistici. Tevens stelde het Wegman-rapport dat er een nauwe samenwerking bestaat tussen de paleoklimatologen en speculeerde dat daardoor onafhankelijk onderzoek mogelijk bemoeilijkt zou kunnen worden. Verschillende van de proxies worden hergebruikt in verschillende “onafhankelijke” studies zodat deze niet echt onafhankelijke verificaties zijn. Volgens de commissie bewijst de analyse van MBH niet dat de jaren 90 het warmste decennium was van het afgelopen millennium, en dat 1998 het warmste jaar van het millennium was.
Het Wegman-rapport heeft op zijn beurt behoorlijk wat kritiek gekregen. Zo werd het rapport volgens deze kritiek niet gecontroleerd door paleoklimatologen, hoewel Wegman tijdens de hoorzitting beweerde dat zes mensen informeel per e-mail het rapport hadden goedgekeurd.
Verder werd gesteld dat verbetering van de statistische fouten het resultaat van MBH’s grafiek niet significant verandert, ook niet voor de recente jaren. Verder leverden onderzoeken met andere statistische methodes gelijksoortige grafieken op.
De analyse van het sociale netwerk van Mann door de commissie-Wegman zou goede criteria missen. De analyse kon niet gelden voor 1998, omdat de reconstructie van MBH toen de eerste was. Een netwerk van co-auteurs is niet ongebruikelijk in wetenschappelijke subdisciplines.
Gedurende de hoorzitting definieerde Wegman het sociaal netwerk als reviewers die “actief met Michael Mann hebben meegewerkt aan het schrijven van wetenschappelijke artikelen” en antwoordde dat hijzelf met geen enkele van zijn reviewers iets heeft geschreven.
Gerald North, voorzitter van de commissie van de National Research Council die eerder de Hockeystick had bestudeerd (zie boven) stelde dat de politici op de hoorzitting waarop het Wegman-rapport werd voorgesteld “de wetenschappelijke informatie verdraaiden voor hun eigen propaganda-doeleinden. De hoorzitting diende niet om inlichtingen te verzamelen, maar reclame”.
Op de vraag of hij het oneens was met het Wegman-rapport antwoordde hij “Nee, we zijn het niet oneens met hun kritiek. In feite hebben we ongeveer hetzelfde gezegd in ons eigen rapport.”
Deze kritiek was dan wel niet erg duidelijk in de conclusie van het rapport van de commissie North terecht gekomen…
Michael Mann zelf gaf aan dat het rapport kritiekloos de beweringen van M&M napraatte, terwijl die al weerlegd waren in verschillende gecontroleerde artikelen. Maar die werden onverklaarbaar genegeerd werden door de commissie van Barton. De beweringen van M&M waren volgens Mann enkele weken tevoren verworpen door de National Academy.
De weblog Deep Climate stelde in december 2009 dat grote delen van het Wegman-rapport plagiaat zijn, waaronder de “sociaal netwerk”-analyse die woordelijk overeenkomt met Wikipedia.”
In oktober 2010 kondigde de George Manson Universiteit een formeel onderzoek aan naar de plagiaat-claims ten aanzien van hun beroemde medewerker, wat op februari 2012 werd afgerond.
Ten aanzien van het hoofdrapport vond de onderzoekscommissie echter dat er “no misconduct was involved”, while “extensive paraphrasing of another work did occur, in a background section… the work was repeatedly referenced and the committee found that the paraphrasing did not constitute misconduct”.
Een afzonderlijk onderzoek werd echter gedaan naar de publicatie van Said & Wegman, gebaseerd op het hoofdrapport, waar wel in een aantal onderdelen van het artikel plagiaat was gepleegd, waarvoor Professor Wegman als team-leider de verantwoordelijkheid droeg. Hiervoor kreeg hij dan ook een “official letter of reprimand”.
Inhoudelijk was er echter geen of nauwelijks kritiek op het rapport. Het kan dan ook merkwaardig worden gevonden dat het IPCC ondanks alles toch de kant van Mann bleef kiezen. Ook de andere reconstructies die tegen die tijd bestonden werden in de analyse betrokken om te komen tot een reconstructie die maar weinig afweek van de oorspronkelijke hockeystick.
In het vijfde rapport zijn opnieuw de analyses van Mann gebruikt voor een temperatuurreconstructie van het afgelopen millennium. Hieruit wordt ook duidelijk dat er inderdaad voor Europa mogelijk een moeilijk verklaarbare middeleeuwse warme periode was, maar dat dit een regionaal fenomeen geweest moet zijn omdat dit voor het Noordelijk halfrond in zijn totaliteit niet valt terug te vinden.
het zal duidelijk zijn dat dit koren op de molen was voor diverse ‘sceptici’. Alleen Mann was blijkbaar in staat om hockey-sticks te produceren! Het is voor mij ook onbegrijpelijk dat het IPCC hier kiest voor een confrontatie met de sceptici, op behoorlijk glad ijs, zoals uit de navolgende bladzijden nog duidelijk zal worden.

De klimaatmodellen

“Natuurlijke en antropogene stoffen en processen die het energiebudget van de aarde veranderen zijn aanjagers van klimaatverandering. Radiative forcing (RF) kwantificeert de verandering in energiefluxen veroorzaakt door veranderingen in deze aanjagers voor 2011 ten opzichte van 1750, tenzij anders aangegeven. Positieve RF leidt tot opwarming van het aardoppervlak, negatieve RF leidt tot afkoeling. RF is geschat op basis van in-situ en remote observations, eigenschappen van broeikasgassen en aërosolen, en berekeningen met behulp van numerieke modellen die waargenomen processen beschrijven.”
Aldus begint hoofdstuk C. van de IPCC samenvatting voor beleidsmakers van het “vijfde assessment cyclus”van Werkgroep I, die zich bezig houdt met de fysische principes van klimaatverandering. Voor de sceptici werd de nadruk op de “numerieke modellen die de waargenomen processen beschrijven” (de klimaatmodellen) gezien als een nieuwe focus voor het IPCC, nadat de hockeystick van Mann, door de vele kritiek, een te kwetsbaar icoon voor de klimaatverandering was geworden. 
Eigenlijk lijkt het een logische volgorde; nadat de reconstructies zijn voltooid, kunnen de voorspellingen volgen.  
De basis van het klimaat-modelleren is de bepaling van de effecten waartoe de vele terugkoppelingen (feedbacks) van de opwarming door broeikasgassen zouden leiden. Het doel is om te bepalen hoeveel de Aarde werkelijk zou opwarmen als gevolg van een verdubbeling van kooldioxide.
Het streven werd om een numerieke waarde te vinden voor de evenwichtsklimaatgevoeligheid (equilibrium climate sensitivity (ECS)). Wikipedia illustreert deze “climate sensitivity” als volgt:
Maar om te bepalen wat het klimaat gaat doen is niet alleen van belang hoe groot de ECS is. Van wellicht even groot belang is de waarde van de transient climate response (TCR). Dit is de hoeveelheid warmte die optreedt als het CO2 gehalte verdubbelt, maar daarbij slechts geleidelijk toeneemt (1% per jaar). Het wijkt af van de ECS waarde omdat hier nog geen sprake is van een evenwichtstoestand tussen atmosfeer en oceanen. 
Aangenomen wordt dat de TCR  lager is dan de ECS. Het IPPC geeft in haar vijfde assessment rapport (2014) aan dat de ECS 1,5-4,5 K moet bedragen, terwijl voor de TCR waarden worden gegeven die variëren van 1-2,5K. In de onderstaande figuur is te zien hoe de verschillende klimaatmodellen deze waarden in hun berekeningen hebben verwerkt.
Het onderzoek “An assessment of Earth’s climate sensitivity using multiple lines of evidence” (2020) door 25 vooraanstaande klimaatwetenschappers heeft de al vanaf 1990 bestaande onzekerheid van de (ECS) met een factor 2 verkleind.
Al vanaf 1990 (IPPC) werd hiervoor een range aangehouden van 1,5 tot 4,5 K, maar het team onder leiding van Sherwood wist deze range te verkleinen tot 2.6-3.9 K.
Toegankelijk is dit rapport, zelfs voor overtuigde “alarmisten”, overigens niet. Bijvoorbeeld H. Custers begint in zijn artikel over dit onderzoek op zijn site met de volgende opening: “Laat ik beginnen met een bekentenis. Ik heb het nog niet in zijn geheel gelezen. Dit stuk is mede gebaseerd op wat de auteurs er zelf over schrijven op Carbon Brief en RealClimate.”
Omdat ik graag wat meer wilde weten over de rol van bewolking bij de bepaling van de ECS, mede naar aanleiding van de onzekerheid die hierover door een van de auteurs (Z. Hausfather) werd uitgesproken op https://www.carbonbrief.org/explainer-how-scientists-estimate-climate-sensitivity,  heb ik wat gerichter gezocht en kom dan eigenlijk bij een vrij ontnuchterende passage uit:
“Clouds are one component with reductions of low and middle-level clouds producing a positive radiative adjustment of ~0.4 W m–2 (Andrews et al., 2012b, Kamae et al., 2015, Sherwood et al., 2015, Smith et al., 2018).
Several mechanisms for these cloud reductions have been identified.
First, the increase in CO2 causes the vertical profile of radiative cooling to shift to higher levels. This results in less radiative cooling at low levels, a shoaling of the marine boundary layer, and a reduction of low clouds (Kamae and Watanabe 2013). LES also simulates boundary layer shoaling and low cloud reductions (Bretherton et al., 2013, Bretherton and Blossey, 2014, Blossey et al., 2016), lending credence to the GCM results.
Second, the increase in CO2 also causes a reduction in the vertically-integrated tropospheric radiative cooling, which reduces the strength of the overall hydrologic cycle and hence the overall amount of cloud produced (Dinh and Fueglistaler, 2020).
Finally, plant physiological processes cause the stomatal resistance to increase with increasing CO2 (Doutriaux-Boucher et al., 2009). The resulting reduction in surface evaporation and concomitant increase in sensible heat flux to the atmospheric boundary layer dries and warms the near surface air. This reduces the low-level relative humidity and clouds over land (Arellano et al., 2012, Andrews and Ringer, 2014).”
Deze weergave is op zijn minst teleurstellend omdat er naast de eerste reden met vooral verwijzingen naar artikelen achter een betaalmuur, een tweede reden wordt aangevoerd die pas in 2020 lijkt te zijn ontdekt, maar die bij nadere studie alleen betrekking had op een snelle achteruitgang van bewolking en neerslag 10 dagen nadat een er een abrupte toename van kooldioxide plaats vindt. De laatste oorzaak moet in ieder geval discutabel genoemd worden. Een toename van plantengroei (en dus toename van verdamping) wordt gezien als één van de positieve effecten van een toename van kooldioxide in de atmosfeer.
Geconcludeerd moet dan ook worden dat de rol van bewolking ook na het rapport van Sherwoord et al. één van de grootste bronnen van onzekerheden in klimaatsimulaties blijft. 
Zoals Hausfather (juni 2018) op Carbonbrief.org aangeeft, is het erg onzeker hoe veranderingen in de graad van bewolking de ECS zullen beïnvloeden:
“An increase in low-altitude clouds would tend to offset some warming by reflecting more sunlight back to space, whereas an increase in the height of high-altitude clouds would trap extra heat. Meanwhile a shift in sun-blocking clouds from the tropics towards the poles, where the incoming sunlight is less intense, would decrease their power to block sunlight.
Changes in the composition of clouds also matter: clouds that contain more water droplets are “optically thicker” and more effective at blocking sunlight than those composed mainly of ice crystals. All this means the global net effect of cloud feedbacks is complex and hard for scientists to model precisely.”
 Hausfather is overigens wellicht nog wel bekender door zijn artikel uit 2019 (Evaluating the Performance of Past Climate Model Projections), waarin hij aannemelijk maakt dat zelfs 50 jaar oude klimaatmodellen het veelal bij het rechte eind hadden. Een studie die al snel door de sceptische molen ging. De Vos concludeert: “de paper van Hausfather et al heeft betrekking op 11 oude modellen van voor 1993. Veel van die oude modellen deden het eigenlijk helemaal niet goed. Het bekendste van die modellen, dat van Hansen, deed het zelfs bijzonder slecht.”  (zie: https://klimaatgek.nl/wordpress/2020/01/19/modellen-versus-waarnemingen/).” 
De klaarblijkelijk nogal gemakkelijk te weerleggen conclusies uit de studie van Hausfather, waren voor Middleton een leuke aanleiding om een algehele kritiek op de klimaatmodellen te verpakken: https://wattsupwiththat.com/2019/12/06/climate-models-have-not-improved-in-50-years. Maar ook in de studie van McKitrick & Christy (2018): A test of the tropical 200- to 300-hPa warming rate in climate models, komen de modellen er niet best vanaf. Hieronder zal wat uitgebreider ingegaan worden op deze kritiek. 

97% Consensus

Op de website https://klimaatveranda.nl/2016/04/13/consensus-over-consensus-brede-overeenstemming-in-de-wetenschap-over-de-menselijke-invloed-op-het-klimaat/ gaat klimaatwetenschapper Bart Verheggen in op de continue kritiek die door diverse sceptici wordt geuit ten aanzien van de basis-consensus die er in de klimaatwetenschap bestaat over menselijke invloed op het klimaat:
“De meeste wetenschappers zijn het er over eens dat de huidige klimaatverandering voornamelijk door menselijk handelen wordt veroorzaakt. Dat is keer op keer aangetoond op basis van enquêtes en literatuuranalyses. In het artikel “Consensus on consensus: a synthesis of consensus estimates on human-caused global warming”, door J. Cook, et al. wordt een overzicht gegeven van deze verschillende studies, die op basis van verschillende methoden tot een zeer vergelijkbare conclusie komen. Hieruit blijkt de robuustheid van de wetenschappelijke consensus over klimaatverandering.
Uit deze meta-studie blijkt ook dat de mate van overeenstemming dat de huidige opwarming door mensen is veroorzaakt het grootst is onder onderzoekers met de meeste expertise en/of de meeste publicaties in de klimaatwetenschap. Dat verklaart tegelijkertijd waarom literatuuranalyses, waarbij abstracts van wetenschappelijke artikelen worden beoordeeld op een eventueel standpunt over de oorzaak van klimaatverandering, over het algemeen een hogere mate van consensus vinden dan enquêtes. Immers, ervaren wetenschappers die veel hebben gepubliceerd over klimaatverandering hebben in het algemeen een goed begrip van de oorzaken van de opwarming, en zij hebben vaak meer artikelen gepubliceerd dan hun ‘sceptische’ collega’s(…)
Uit de vele –ongefundeerde- kritieken op consensus studies blijkt dat dit nog steeds een hot issue is in het publieke debat, ondanks het feit dat studie na studie het beeld bevestigt dat er brede overeenstemming is onder wetenschappers over het grote plaatje: het warmt op en dat komt (grotendeels) door de mens. Een substantieel deel van het brede publiek is er dan ook nog steeds over in verwarring, en ook in de politiek, scholen en media wordt klimaatverandering vaak niet conform de wetenschappelijke inzichten weergegeven – al is dat in Nederland niet zo extreem als in bijvoorbeeld de VS.”
Toch is de hoofdauteur van het artikel (J. Cook) waarnaar Verheggen verwijst, misschien niet de meest aangewezen persoon om de kritiek op de 97% consensus te weerleggen. Het was immers zijn eigen onderzoek waarover een groot deel van de wetenschappelijke discussie ging. 
Eigenlijk opende Barack Obama verrassend genoeg de discussie over de concensus. 
Door zijn tweet op 16 mei 2016, maakte bij in een klap een tot dan toe redelijk onbekende Australische wetenschapper, John Cook, wereldberoemd. In het artikel waarnaar Obama verwees, had Cook naar eigen zeggen: “the evolution of the scientific consensus on anthropogenic global warming (AGW) in the peer-reviewed scientific literature” geanalyseerd, door 11 944 “climate abstracts” van onderzoeken, uit de periode van 1991–2011, die op internet konden worden gevonden met de zoektermen ‘global climate change’ of ‘global warming’  te analyseren en classificeren. 
De onderzoeken werden in de volgende categorieën ingedeeld. 
Het resultaat van het onderzoek was vervolgens spectaculair. Wanneer de onderzoeken werden weggelaten waarin geen duidelijke mening werd uitgesproken over klimaatverandering bleek dat: “Among self-rated papers expressing a position on AGW, 97.2% endorsed the consensus.” 
De onderzoeken bleken als volgt te kunnen worden ingedeeld:
Uiteraard volgde kritiek van de sceptici. Bijvoorbeeld De Vos concludeert aan de hand van het onderzoek van Cook:
“32,6% steunt AGW, 66,7% van de samenvattingen toont geen standpunt met betrekking tot AGW en 0,3% wijst AGW af. Hoe komt men dan toch aan die 97% consensus? Dat is het gevolg van wat Cook et al vervolgens met deze uitslag doen. Ze schuiven het grootste deel (66,7%) van de uitslag opzij ( ‘no position’ en ‘uncertain’) en bekijken van de overgebleven categorieën hoe groot het percentage is dat “endorsed the consensus position that humans are causing global warming” : 97,1%. Dat is dus de bron van de bekende uitspraak “97% van de wetenschappers….” (…)
Kortom, een onderzoek met nogal wat tekortkomingen en onduidelijkheden. Conclusie kan in ieder geval zijn dat de uitslag van het onderzoek van Cook de  ‘97% consensus’ betreffende AGW  volstrekt niet steunt. Dat misverstand is door Cook et al zelf in het leven geroepen door de grote groep die geen standpunt ten aanzien van AGW inneemt weg te strepen.”  (https://klimaatgek.nl/wordpress/2016/10/19/die-97-consensus/)
PVV-leider Geert Wilders bleek het het onderzoek van Cook ook in deze context te hebben gelezen. In een debat gaf hij aan dat ‘tweederde van de klimaatwetenschappers geen standpunt heeft over schadelijkheid van CO2’.
NRC Handelsblad deed een factcheck naar deze uitspraak van Wilders. Maar de NRC schrijft: “Volgens Wilders concludeert Cook dat een derde (32,6 procent) van alle wetenschappers de invloed van de mens op het klimaat onderschrijft en dat twee derde geen standpunt inneemt. Maar dat is helemaal niet wat Cook en de zijnen schrijven. Zij onderzochten of ze zo’n standpunt konden halen uit de samenvatting.” (ik moet eerlijk toegeven dat ik niet helemaal begrijp wat hier nu wordt betoogd)
En: “Een wetenschapper die bijvoorbeeld onderzoek doet naar wat de temperatuurstijging in het Arctisch gebied betekent voor ijsberen, kan heel goed overtuigd zijn van de menselijke invloed op het klimaat, zonder dat te benoemen. Dat is helemaal niet vreemd”, schrijft Cook in een reactie per e-mail: “Je verwacht toch ook niet van moderne astronomen dat ze in hun artikelen telkens uitleggen dat de aarde om de zon draait.”
Toch is de onduidelijkheid hiermee niet helemaal verdwenen. In een artikel in de Washington Times van 16 april 2016 wordt bijvoorbeeld opgemerkt:
“The 97 percent of scientists frequently cited by President Obama who agree on climate change? Some of them are actually climate “deniers.”
Take David Legates, University of Delaware professor of climatology. He’s known as a leading “denier” for his skeptical take on the catastrophic climate change narrative, but he does agree that the climate is changing — which, by Mr. Obama’s standard, puts him in the 97 percent.
In fact, Mr. Legates says the figure is probably closer to 100 percent, because few reputable scientists would disagree that the climate changes, or even that humans have an impact on climate. Where he and other scientists part company with the “consensus” is on the narrower issues of whether human activity is the primary driver of global warming or whether it signals imminent climate disaster.”
Dit is met de ‘methode Cook’ een inderdaad lastiger te nemen klip. In een streven naar een zo hoog mogelijke consensus, verliest het onderzoek eigenlijk ook zijn wetenschappelijke relevantie. Weinig onderzoekers zullen ontkennen dat er klimaatverandering is en dat de mens hieraan een bijdrage levert. Maar in hoeverre?
Dit betekent natuurlijk wel dat een blinde verwijzing naar een 97% consensus met grote voorzichtigheid moeten worden gedaan en erkend moet worden dat inderdaad niet helemaal duidelijk is wat deze consensus nu eigenlijk betekent. Zeker wanneer dit onderzoek wordt afgezet tegen een veel specifieker onderzoek zoals door ruimte ingenieur Willie Soon en vooraanstaand astronoom Sallie Baliunas in 2003 naar de consensus ten aanzien van de klimaatontwikkelingen is gedaan. (zie pagina lauw-warm)

Effecten van de klimaatverandering

Het wereldnatuurfonds tekent op haar website de volgende effecten op die zullen optreden als gevolg van het broeikaseffect:
“Klimaatverandering heeft grote gevolgen voor dieren, het weer en voor mensen,die nu al merkbaar zijn. Hittegolven, droogte, overstromingen, schade aan ecosystemen, bedreiging van de voedselproductie en schade aan de gezondheid worden naar verwachting in de toekomst heviger. Als we niets doen, sterft mogelijk een derde van alle plant- en diersoorten nog deze eeuw uit.”
Het IPCC rapport uit 2018 laat zien dat de effecten die de klimaatverandering met zich mee zal brengen nog veel groter zullen zijn dat al eerder werd gedacht:
“Het afgelopen decennium heeft een verbazingwekkende reeks van recordbrekende stormen, bosbranden, droogtes, koraalverbleking, hittegolven en overstromingen over de hele wereld laten zien, waarbij slechts 1,0 graad Celsius opwarming van de aarde heeft plaatsgevonden. De verborgen kosten van klimaatverandering lopen honderden miljarden per jaar. Maar veel hiervan zal aanzienlijk slechter worden met 1,5 graden opwarming, en veel erger bij 2 graden Celsius, volgens het IPCC’s “Special Report” op Global Warming of 1.5 ° C “, waarin meer dan 6.000 onderzoeksartikelen zijn bestudeerd.
Het IPCC meldde ook dat 1,5 graden Celcius kan worden bereikt in slechts 11 jaar tijd – en vrijwel zeker binnen 20 jaar zonder grote reducties in kooldioxide (CO2) -uitstoot. Zelfs als dergelijke bezuinigingen onmiddellijk zouden beginnen, zou dit slechts 1,5 graden Celcius van het broeikaseffect vertragen, niet voorkomen.
Hoewel een verhoging van de kamertemperatuur met 0,5 graden Celsius onmerkbaar is, zal een permanente verhoging met een dergelijke bijdrage substantiele gevolgen hebben voor de gehele planeet volgens dit rapport. De effecten zullen worden gevoeld in ecosystemen en menselijke gemeenschappen en economieën.
“Het beperken van het broeikaseffect tot 1,5 ° C in vergelijking met 2 ° C zou de impact op ecosystemen, de menselijke gezondheid en het welzijn verminderen”, aldus Priyardarshi Shukla, voorzitter van het Global Center for Environment and Energy aan de universiteit van Ahmedabad in India en co-auteur van het speciaal verslag, in een verklaring.
Deze impact bestaat onder meer uit meer sterkere stormen, meer grillig weer, gevaarlijke hittegolven, stijgende zeeën en een grootschalige verstoring van infrastructuur en migratiepatronen. “
De zekerheid aangaande klimaatverandering mag dan zijn toegenomen. Omgekeerd evenredig verhoudt de kritiek op belangrijke stellingen zich tot deze wetenschappelijke zekerheid.
Aanhoudende kritiek
Maar de scenario’s die Gore en het IPCC zelf aan hun publiek hebben voorgehouden zijn blijkbaar toch niet altijd waterdicht gebleken. Het is eigenlijk een nogal ontluisterende zaak voor de ‘kimaat-wetenschappers’ dat een populistische politicus als Thierry Baudet tijdens de Klimaatdebatten in de Tweede Kamer, grafieken kan laten zien waaruit blijkt dat het allemaal wel meevalt met het extreme weer, zonder door het kabinet (ondersteund door het ambtelijke (milieu-)apparaat)  tot de orde te worden geroepen.
Wat blijft er dan nog over van de harde stellingen van Gore en het IPCC? Maarten Keulemans heeft hiervan een studie gemaakt die hij in zijn blog van 8 februari 2019, in de Volkskrant weergeeft. De belangrijkste punten uit zijn verhaal zijn:
  1. Opwarming in het verleden was wel degelijk gerelateerd aan de kooldioxidegehalten in de atmosfeer
Keulemans citeert hoogleraar paleo-oceanografie Appy Sluijs (Universiteit Utrecht). ‘Natuurlijk, het klimaat verandert altijd. Maar belangrijker is de vraag: waardoor kwam dat? En je ziet dan dat er vaak op de een of andere manier CO2 bij betrokken is, als aanjager van de temperatuur.’
Neem het aflopen van de laatste ijstijd, zo’n twintig- tot tienduizend jaar geleden. De instraling van de zon veranderde, waardoor het warmer werd. Maar daarna kwam er CO2 vrij uit de diepzee en ging de wereldtemperatuur verder omhoog, hand in hand met de toename van broeikasgassen. Bij een andere bekende prehistorische warmteuitbraak, het ‘paleoceen-eoceen thermaal maximum’ van zo’n 56 miljoen jaar geleden, gaven waarschijnlijk vulkaanuitbarstingen de eerste duw, waarna er een enorme bel broeikasgas wegborrelde uit de zeebodem en de temperatuur in enkele duizenden jaren tijd met 5 of 6 graden steeg.
En het recente verleden? Sceptici wijzen hier doorgaans op warme periodes uit historische tijden. De Vikingen vestigden zich op Groenland omdat het er vriendelijk en ‘groen’ was, in de Alpen komen onder de gletsjers soms boomresten vandaan die groeiden in de dagen van de Romeinen, en de middeleeuwen waren zo warm dat men in Engeland wijn verbouwde.
Maar duik in de achterliggende studies, en de wetenschap achter zulke aansprekende anekdotes blijkt genuanceerd. Inderdaad wijzen zaken zoals oude koralen en chemische afdrukken in ijskernen en sedimenten erop dat het van ongeveer 900 tot 1300 warmer was op aarde. Warmer dan halverwege de vorige eeuw werd het wereldgemiddelde echter niet, en de opwarming die er was, was ongelijk verdeeld. Zo blijkt uit een omvangrijke reconstructie in Science dat de zuidelijke kant van Groenland precies op een warme plek lag. Maar op veel plekken werd het juist koeler.
Ook het zogeheten ‘holocene klimaatoptimum’, een warmte van zesduizend jaar geleden die de het-valt-wel-meeërs graag aanhalen, beperkte zich vooral tot het noordelijk halfrond, en dan nog vooral de zomers. ‘Feit is dat op wereldgemiddeld niveau het klimaat de afgelopen tienduizend jaar juist best stabiel was’, zegt Sluijs.
Minstens zo belangrijk is een andere les van vroeger: klimaatverandering verandert de wereld. Tijdens de laatste echt hete episode – in de steentijd, zo’n 125 duizend jaar geleden – waren Antarctica en Groenland deels gesmolten en stond de zeespiegel zes tot negen meter hoger dan nu, een stand die veel kustgebieden in de problemen zou brengen.
Bovendien gaat de huidige temperatuurstijging, naar historische maatstaven, extreem snel.
2. Alleen CO2 kan de oorzaak van deze opwarming zijn
Het officiële IPCC-standpunt is dat het ‘extreem waarschijnlijk’ is – meer dan 95 procent zeker – dat menselijke broeikasgassen ‘de dominante factor’ zijn van de opwarming. In oktober scherpte het IPCC dat aan. Om precies te zijn: er is meer dan twee derde kans dat de waargenomen opwarming nagenoeg helemaal is toe te schrijven aan de mens.
De afgelopen decennia was men druk in de weer met het ‘afpellen’ van de natuurlijke factoren die het klimaat beïnvloeden. Zoals de intensiteit van de zon tegenover de gemeten temperatuur.
Zulke berekeningen voerde men ook uit voor de schommelingen in de aardbaan, omslagen in de zeestromen, ozon, kosmische straling, veranderend landgebruik enzovoorts. Al die natuurlijke omstandigheden leveren een wiebelende klimaatgrafiek op, die heel aardig meebeweegt met de werkelijk gemeten wereldtemperatuur. Met één verschil: het wordt niet, zoals in het echt, warmer. Alleen door CO2 en andere broeikasgassen toe te voegen aan de mix, gaat de wereldtemperatuur omhoog. Conclusie: CO2 is de hand die de wereldtemperatuur optilt.
Dat komt overigens niet onverwacht. Bekend is immers dat CO2 een broeikasgas is: het molecuul absorbeert (net als andere broeikasgassen) warmtestraling vanaf de aarde en straalt het weer uit naar alle kanten, waardoor er meer warmte blijft hangen in de dampkring. En het CO2-gehalte in de dampkring neemt toe door menselijke uitstoot, zoals de metingen op Hawaii door het Amerikaanse onderzoeksinstituut NOAA laten zien.
Er is meer dat op CO2 wijst. De nachten warmen meer op dan de dagen, precies zoals verwacht op een planeet die meer moeite heeft zijn infraroodstraling kwijt te raken. Hogere luchtlagen koelen wat af, wat een aanwijzing is dat de opwarming niet van de zon komt, maar uit de dampkring zelf.
En anderhalve eeuw metingen brengen een ijzeren wetmatigheid aan het licht: hoe meer broeikasgassen, des te hoger de temperatuur. Dat ziet er dan zó uit – let op de vele recente jaartallen rechtsboven:
Voor de liefhebber: de twee correleren met een zogenoemde ‘r’ van 0,94, een bijna perfect verband. ‘Ik ken in het klimaat niets maar dan ook niets dat zo’n sterke correlatie vertoont’, zegt klimaatwetenschapper Geert Jan van Oldenborgh van het KNMI.
Maar zijn broeikasgassen ook de hoofddader? Kan er niet stiekem een andere, nog onbekende factor in het spel zijn? Klimaatwetenschappers achten dat hoogst onwaarschijnlijk. Zo wees een recente statistische analyse uit dat er geen aanwijzing is voor zo’n nog verborgen x-factor. ‘Geloof me, die is er ook gewoon niet’, zegt Van Oldenborgh. ‘Reken maar dat we ons allemaal gek hebben gezocht. Want als je hier een gat in kunt schieten, sta je meteen in Nature.’
‘Mensen die beweren dat we alleen maar naar CO2 kijken en niet naar andere factoren, snappen er gewoon niets van’, zegt atmosfeerwetenschapper Bart Verheggen (Amsterdam University College). ‘Dat gaat er volledig aan voorbij dat we het systeem al heel lang bestuderen, en dat wat we zien en meten juist heel goed samenvalt met wat we al weten over CO2 en andere broeikasgassen. Er zijn meerdere bewijslijnen, en samen geven die een coherent beeld.’
3. De klimaatmodellen zijn wel betrouwbaar
De kritiek van de sceptici op de klimaatmodellen zijn een vertrouwd gegeven, alleen kloppen de grafieken waarop zij hun beweringen staven niet helemaal.Het gaat alleen over de hogere luchtlagen, en technische zaken zoals de keuze van het nulpunt en de manier van gladstrijken zijn zo gekozen dat het verschil tussen waarneming en model extra groot lijkt.
Toen NASA-klimaatwetenschapper Gavin Schmidt de grafiek hertekende, kreeg hij dan ook een grafiek waarin de satellietwaarnemingen veel minder achterlopen op de modellen:
Let wel: ‘De verschillen zijn niet verdwenen’, moet ook Schmidt toegeven. Dat heeft alleen waarschijnlijk meer te maken met de metingen dan met de modellen, vermoeden kenners. Zo zijn ballonmetingen berucht onbetrouwbaar, alleen al omdat men er goedkope wegwerp-apparatuur gebruikt. Ook satellietwaarnemingen zijn weinig precies, zegt satellietonderzoeker Stef Lhermitte (TU Delft). ‘Onder die meetreeksen zitten zeer veel onzekerheden en aannames.’
Een andere kwestie speelt op de grond. Ook daar lopen de echt gemeten temperaturen sinds 1979 zo’n 35 procent achter op de modellen, volgens berekeningen van onder meer de onafhankelijke Britse wiskundige Nic Lewis. ‘Dit blijft een van de belangrijkste onderwerpen’, vindt klimaatpublicist Marcel Crok. ‘De mainstream weigert gewoon toe te geven dat de modellen de opwarming sinds 1979 met 35 procent overschatten.’
Geert Jan van Oldenborgh van het KNMI wijst er echter op dat het beeld wordt verstoord door twee afkoelende vulkaanuitbarstingen, de El Chichon in 1982 en de Pinatubo in 1994: die twee blauwe kuiltjes naar beneden die u hierboven ziet. De effecten daarvan zijn in de modellen sterker dan in het echt – met als gevolg dat de modelopwarming daarna wat steiler omhoog lijkt te gaan. ‘Waarschijnlijk schrijven we aan een vulkaanuitbarsting te veel afkoelende zwaveldruppeltjes in de atmosfeer toe’, zegt hij. ‘En als je lager begint, ga je harder omhoog.’
En bekijk bovenstaande grafiek vooral als geheel. Opvallend is dat de modellen de waargenomen trends (in grijs) over de hele eeuw juist prima berekenen. Sinds 2014 maakt de temperatuur bovendien een inhaalslag, waardoor de modellen minder achterlopen. ‘Ik ben juist iemand die de observaties heilig vindt’, zegt Van Oldenborgh. ‘Maar in dit geval zitten de modellen opvallend goed.’
Maar in de discussie over de klimaatmodellen heeft elk argument een tegenargument. Zo wijst Lewis erop dat de 35 procent achterstand ook blijft als je de periode ná de vulkanen onder de loep neemt. ‘Geert Jan verdedigt het onverdedigbare’, mailt hij.
Zo kun je de zaak, afhankelijk van je aannames, op verschillende manieren bekijken. Volgens een recente analyse van de Amerikaanse klimaatwetenschapper Zeke Hausfather gingen de oudere IPCC-modellen 28 procent te langzaam en gaan de huidige modellen 9 procent te hard; volgens een andere, pas verschenen studie in Nature komen juist de klimaatmodellen die het ‘warmst’ staan afgesteld het beste overeen met de werkelijkheid.
De enige zekerheid is dat er nog veel onzeker is – en dat alle afwijkingen ten opzichte van de modellen tot dusver nog binnen de marges van het toeval vallen. Volgens een Britse statistische analyse zal het nog jaren duren voordat we echt kunnen zeggen of de modellen al dan niet te warm staan afgesteld.
Een ongemakkelijke situatie, vindt Lewis. ‘Natuurlijk zit er grote onzekerheid in de modellen. Maar het is de bovenkant en het gemiddelde van de verwachtingen waarop we ons klimaatbeleid baseren, niet de uitschieters aan de onderkant.’
Na de publicatie in de Volkskrant op 8 maart 2019 volgden de andere kranten al snel. Het AD kopte met: 
“Klaar met alle meningen over klimaatverandering? Dit zijn de feiten”
18 VRAGEN De scepsis over de opwarming van de aarde neemt in Nederland toe. Maar hoe zit het eigenlijk met onze kennis? Wij zetten de achttien prangendste vragen op een rijtje. En de antwoorden natuurlijk.” (op 9 maart, met vrijwel dezelfde line-up als ‘de deskundigen’ van de Volkskrant een dag eerder).
In dit kader zijn natuurlijk de volgende vragen en antwoorden relevant:
7. Wat merken we nu al van het broeikaseffect?
Eén hete zomer of ronduit lenteachtige februarimaand wijst nog niet meteen op een veranderend klimaat. Maar de langetermijnstatistieken zijn zonneklaar: er is sprake van een opwarmende trend. In Nederland is de gemiddelde temperatuur afgelopen honderd jaar al 1,9 graden gestegen – bijna dubbel zoveel als de gemiddelde opwarming wereldwijd. Het aantal zomerse dagen per jaar nam hier met bijna twintig toe, het aantal vorstdagen met ongeveer hetzelfde aantal af. De hoeveelheid neerslag is met ruim 20 procent gestegen; hevige stortbuien komen veel vaker voor.
Wereldwijd is de kans op droogte, hittegolven en overstromingen toegenomen. Dat zorgt nu al voor schade aan ecosystemen, meer mislukte oogsten en gezondheidsproblemen.
8. Wat kunnen de gevolgen zijn van grote temperatuurstijging?
Voorspellen is natuurlijk altijd gevaarlijk. Maar mocht het ergste doemscenario van het IPCC – 6 graden opwarming – uitkomen, dan duidt alles er volgens internationale klimaatwetenschappers op dat het leven op grote delen van de aardbol erg onaangenaam, zo niet onmogelijk, wordt. Weerpatronen raken compleet ontregeld. De zeespiegel stijgt in een paar eeuwen 10 tot 12 meter.
Wij Nederlanders kunnen daar misschien nog vrij lang tegen worden beschermd met kostbare XXL-deltawerken. Maar geldt dat ook voor de honderden miljoenen mensen in dichtbevolkte kustgebieden in landen als Indonesië en Bangladesh? Subtropische gebieden en steppes zullen verwoestijnen. Grote delen van de wereldbevolking zullen kampen met watertekorten. In de tropen wordt de hitte ondraaglijk: wie zich bij temperaturen van meer dan 40 graden en hoge luchtvochtigheid enigszins inspant, kan binnen een paar uur sterven aan oververhitting.
Bij een temperatuurstijging van meer dan 2 graden sterven koralen op grote schaal af. Bij verdere opwarming sterven ook andere dieren en planten uit. In Zuid-Europa en andere gebieden richting de evenaar daalt de voedselproductie. Eten wordt duurder. Ondervoeding, infectieziekten, diarree, hart- en ademhalingsziekten nemen toe. Overstromingen en droogtes maken meer slachtoffers en leiden tot burgeroorlogen – met vluchtelingenstromen tot gevolg.
Positieve gevolgen zijn er ook: zo kan in het hoge noorden meer voedsel worden verbouwd. En scheepsroutes worden korter doordat de Noordelijke IJszee ijsvrij wordt.
Een grote zorg is wat er kan gebeuren als bepaalde keerpunten (‘tipping points’) worden overschreden. Boven een nog onbekende temperatuur kunnen Groenland en West-Antarctica zo snel smelten dat het proces niet meer te stoppen is. Ook dreigen uit de smeltende permafrost enorme hoeveelheden methaan vrij te komen, die opwarming kunnen versnellen. Net als CO2 die vrijkomt als het Amazonewoud zou afsterven door droogte. Waar sneeuw en ijs smelten, blijven donkere aarde en zwart zeewater over die zonlicht absorberen en niet reflecteren. Ook dat effect kan de opwarming aanjagen. Niemand weet precies bij welke temperaturen zulke processen optreden.
De afbeelding hieronder laten zien wat er gebeurt met Londen als de wereldwijde temperatuur met meer dan twee graden stijgt.
Op 10 maart volgt ook het NRC “In ultieme vorm twijfel zaaien over klimaatverandering;  Lobby van klimaatsceptici Sinds vrijdag hebben klimaatsceptici een stichting om “onwaarheden bloot te leggen” en het “hele klimaatverhaal te vertellen”. Vooral in De Telegraaf en Elsevier komen ze aan het woord….De twijfelzaaiers creëren een ‘parallel universum’, met eigen conferenties, websites en rapporten die een soort spiegelbeeld vormen van de reguliere klimaatwetenschap. Vooral in de Verenigde Staten is dit parallelle universum groot, met conservatieve denktanks als het Heartland Institute, het Cato Institute en het Free Enterprise Institute, deels gefinancierd door oliemaatschappijen.”Het is met andere woorden, volgens het NRC,  vrij zinloos om te kijken naar de argumenten van andersdenkenden.
Ik vraag via deze webpagina’s om iets meer geduld.