Klimaatfilosofie II, het broeikaseffect

Ik heb op mijn web-pagina ‘Klimaatalarm (uit 2022) al geprobeerd om het broeikas-effect samen te vatten. Maar op de KNMI site is te vinden hoe anno 2024 moet worden begrepen hoe kooldioxide verantwoordelijk is voor de opwarming van het klimaat.

Dit gaat volgens het KNMI aan de hand van de volgende vijf stappen:
“1) Normaal gesproken koelt de Aardatmosfeer af met 6,5 graden per kilometer. Dat komt door het feit dat de zon de bodem verwarmt, die vervolgens de lucht opwarmt, die vervolgens zal opstijgen en daardoor afkoelt.
2) De warmtestraling van de grond kan niet ongehinderd naar de ruimte stralen. Moleculen die uit twee atomen bestaan, zoals stikstof (N2) en zuurstof (O2) zijn doorzichtig voor warmtestraling. Complexere moleculen zoals waterdamp (H2O), kooldioxide (CO2) en methaan (CH4) zijn dat echter niet en nemen de warmtestraling op. Deze gassen worden daarom ook wel broeikasgassen genoemd.
De broeikasgassen zenden de opgenomen warmtestraling ook weer uit en wel op dezelfde golflengten waar ze de warmtestraling opnemen maar in een willekeurige richting. Zo “kaatst” de straling als het ware van molecuul tot molecuul naar boven, tot hoger in de atmosfeer er zo weinig broeikasgassen over zijn dat de straling ongehinderd naar de ruimte kan ontsnappen. Dit gebeurt gemiddeld op een hoogte van 5 km.
3) De zonnestraling naar de aarde is ongeveer 340 Watt per vierkante meter aardoppervlakte. Ongeveer een derde hiervan wordt teruggekaatst door wolken, sneeuw, ijs en andere niet-zwarte oppervlakken. De rest, 240 W/m², verwarmt de aarde. De aarde koelt echter weer af door warmtestraling uit te stralen. Als de gemiddelde temperatuur van de aarde niet verandert is dit precies even veel als de opgenomen zonnestraling. Dit heet stralingsevenwicht.
Voor de 240 W/m² die de aarde netto van de zon ontvangt en dus ook weer terug straalt geeft deze wet een temperatuur van -18ºC. Deze temperatuur wordt de effectieve stralingstemperatuur genoemd. Zonder broeikasgassen in de atmosfeer maar met dezelfde kleur zou dit de gemiddelde temperatuur aan de grond zijn.
4) Het aandeel broeikasgassen in de atmosfeer bedraagt ongeveer 0,4%. Door de CO2 en andere broeikasgassen die van nature in de atmosfeer voorkomen, komt de warmtestraling naar het heelal maar voor 10% rechtstreeks van het aardoppervlak (de witte golflengtes rond 10 μm bovenaan in Figuur 1). Het overgrote deel wordt onderweg naar boven vele malen opgenomen en weer uitgestraald. Pas op 5 kilometer hoogte gemiddeld ontsnapt de straling. Op die hoogte is de temperatuur dus volgens de Wet van Stefan-Boltzmann -18 ºC.
Omdat de temperatuur per kilometer hoogte 6,5ºC afneemt is het aan de grond is een stuk warmer, het is daar gemiddeld 14,5ºC. (Dit is makkelijk te berekenen als -18 ºC plus 6,5 ºC/km over 5 km.)
Het verschil met de situatie zonder broeikasgassen, waarbij het aan de grond -18 ºC zou zijn, wordt het broeikaseffect genoemd. (Het werkt echter heel anders dan een glazen broeikas die voornamelijk opwarmt doordat vocht niet kan ontsnappen, de naam is ongelukkig gekozen.)
5) Als er meer CO2 en andere broeikasgassen in de atmosfeer komen, ontsnapt de warmtestraling minder makkelijk. De gemiddelde hoogte waarop er zo weinig broeikasgassen zijn dat de straling naar de ruimte ontsnapt neemt dus toe. Op die grotere hoogte is het echter kouder dan -18ºC. De aarde straalt dan volgens de wet van Stefan-Boltzmann minder warmtestraling uit.
Er komt dus meer zonnestraling binnen dan er warmtestraling uitgestraald wordt. De extra straling heeft als gevolg dat de aarde opwarmt totdat de temperatuur op die grotere hoogte weer -18ºC is. Dan straalt de aarde weer evenveel warmte uit als er zonnestraling binnenkomt en verandert de temperatuur niet meer.
Als de temperatuur op 5 km hoogte stijgt, moet de temperatuur aan de grond ook stijgen. De temperatuur daalt immers nog steeds met ongeveer 6,5ºC per kilometer hoogte. Hoeveel de temperatuur aan de grond precies stijgt hangt af van allerlei mee- en tegenwerkende factoren, ook wel terugkoppelingen genoemd, (…)
Het effect van alleen CO2 zou een stijging van de wereldgemiddelde temperatuur zijn van 1,2 ºC voor een verdubbeling van de concentratie. Dat is relatief eenvoudig uit te rekenen.
Door de terugkoppelingen is het effect uiteindelijk groter. De terugkoppelingen zijn echter veel moeilijker te bepalen.
De beste schatting van het totale effect is zo’n 3 ºC voor een verdubbeling van de CO2 concentratie, met een onzekerheidsmarge van ongeveer 2 ºC tot zo’n 4,5 ºC temperatuurstijging wereldgemiddeld.”

Uiteraard ben ik blij met deze samenvatting. Het blijkt dat het KNMI de adiabatische koeling en opwarming op dit moment veel serieuzer neemt dan dit plusminus twee jaar geleden het geval was. Toch valt niet te ontkennen dat er nogal veel ongerijmds in deze samenvatting voor ons leken te vinden is.

Het lijkt me zinvol om themagewijs, vragenderwijs, zoals een Platonisch onderzoek betaamd, in te gaan op de bovenstaande stellingen.

Thema: natuurkunde

Allereerst is het dan de vraag: hoe goed wordt de natuurkunde van het broeikas-effect weergegeven met het bovenstaande KNMI-model?

Er zijn dan toch wat punten van aandacht.

  • Gesteld wordt dat de zon de bodem verwarmt, die de lucht zal verwarmen die vervolgens opstijgt en daardoor afkoelt.

Maar zo is het eigenlijk niet. Vanaf de mengzone (500 meter tot 2 kilometer boven het aardoppervlak) wordt de lucht niet meer door de opgewarmde bodem verwarmd of afgekoeld. Zoals op deze site is te zien (zie link) wordt de atmosfeer boven de menglaag niet of nauwelijks meer beïnvloed door opstijgende of dalende luchtstromen.

Convectie is in de laag boven de mengzone te verwaarlozen, omdat de potentiele temperatuur tussen de bovenzijde van de mengzone en de tropopauze nagenoeg gelijk blijft. De convectie in de mengzone wordt in het onderstaande filmpje mooi in beeld gebracht

De temperatuur net boven de mengzone wordt merkwaardig genoeg ook nauwelijks beïnvloed door dag- en nacht ritme. Dat kan natuurlijk niet wanneer de lezing van het KNMI zou kloppen.
2) Gesteld wordt dat de straling als het ware van molecuul tot molecuul naar boven “kaatst”, tot hoger in de atmosfeer er zo weinig broeikasgassen over zijn dat de straling ongehinderd naar de ruimte kan ontsnappen. “Dit gebeurt gemiddeld op een hoogte van 5 km.”
Ook dit kan niet kloppen. En wel om twee redenen.
Allereerst wordt hier dus de zgn. ‘stralingsval’ beschreven. Wikipedia omschrijft deze wat uitgebreider dan het KNMI doet: 

“De vergelijking tussen een broeikas en het aardse broeikaseffect gaat niet goed op. In een broeikas stijgt de temperatuur ten opzichte van de omgeving. De primaire oorzaak hiervan is dat de lucht in de kas niet wordt ververst (in tegenstelling tot buiten de broeikas). Het broeikaseffect verwijst echter naar een stralingsval, waarbij broeikasgassen door het in zonlicht opgewarmde aardoppervlak uitgezonden infrarode straling absorberen en gedeeltelijk weer terug naar beneden reflecteren.”

Maar experimenteel bewijs voor het bestaan van zoiets als stralingsval is in de afgelopen 120 jaar, toen bleek dat het broeikaseffect als zodanig niet bestond (maar leek te berusten op het tegengaan van convectie), nooit gevonden. En dat lag zeker niet aan een gebrek aan belangstelling voor deze kwestie.
En eigenlijk geldt dit ook voor de terugkoppelingen die het KNMI noemt en die zouden zorgen voor een verdubbeling van de opwarming door kooldioxide.

Maar naast dit historische gebrek en dus nogal een belangrijke tekortkoming voor een wetenschappelijke theorie, moet er nog een akelige fout in deze weergave van het KNMI zijn geslopen.
Het is logisch dat die 5 kilometer een mooi referentiepunt is, omdat de temperatuur op die hoogte 18 graden onder nul is, wat precies de temperatuur is die verwacht kan worden door de ingestraalde hoeveelheid zonne-energie. Er is dan een  ‘stralingsevenwicht’. Maar is er ook enig bewijs voor deze stelling?
Wanneer de straling, die zorgt voor de Aardse opwarming,  vanaf dit punt zou kiezen voor een directe snelweg uit onze atmosfeer, dan zou op 5 kilometer hoogte ook een aardig temperatuur-effect te vinden moeten zijn (tenzij straling helemaal niet zou zorgen voor opwarming).
Toch laten de ballon metingen (twee maal per dag) die al sinds vele decennia worden gebruikt om Skew-T grafieken op te kunnen stellen, ter hoogte van deze belangrijke vijf kilometer grens, helemaal niets bijzonders zien. De potentiele temperatuur blijft gewoon gelijk.
Hieronder is een willekeurig voorbeeld van een dergelijke grafiek, waarvan er dus zeer vele zijn opgesteld.

(blauw is de dauwpunt temperatuur, rood is de temperatuur)

Maar ook vele andere metingen geven in het hele traject boven de mengzone (500 meter tot 2 kilometer) en de tropopauze (9-12 kilometer) niks anders zien dan een gelijk blijvende potentiele temperatuur en dus een hele gestage afkoeling.
En dat zou toch niet kunnen wanneer op 5 kilometer boven de Aarde plotseling een equivalent van alle ingestraalde stralingsenergie verdwijnt. Adiabatische afkoeling is immers per definitie een proces waarin geen warmte (straling) met de omgeving wordt uitgewisseld.
De ideale gaswet (waarop de potentiele temperatuur is gebaseerd) klopt dan ook alleen in een gesloten systeem, zonder energie-uitwisseling met de omgeving. De ontsnapping op 5 kilometer van grote hoeveelheden stralingsenergie zouden een massale verstoring van de temperatuuropbouw moeten laten zien; alleen, dat gebeurt dus niet.
Dus, ofwel er is structureel mis met weerballonnen, dan wel dit onderdeel van de KNMI-versie van de broeikastheorie klopt helemaal niet…”

Thema: logische opbouw van de theorie

Maar hoe zit het dan met de logische opbouw van dit model? En ja, ook daarover valt wel het een en ander op aan te merken.
Op zichzelf is het natuurlijk wel logisch dat naar een stralingsevenwicht wordt gezocht. Maar de wijze waarop deze uiteindelijk wordt gevonden is op zijn minst dubieus te noemen.

We constateren dat de ingestraalde straling van de zon zou moeten zorgen voor een gemiddelde temperatuur van -18 °C. En hoe vinden we dan een stralingsevenwicht? We gaan zoeken naar een punt in de atmosfeer waar deze temperatuur kan worden gevonden!

Vervolgens stellen we dat de atmosfeer op dat punt een ‘zwart lichaam’ is, en daar dus alle ingekomen straling uitstraalt.
Voor zover mijn natuurkundige kennis reikt is het stralingsgedrag van een gas nogal wat anders dan die van een vast lichaam, maar waarom zou het punt op 5 kilometer dan het punt moeten zijn waar de straling vertrekt? Of; waarom is niet het punt in de stratosfeer gekozen waar deze temperatuur ook wordt bereikt, op ongeveer 40 km hoogte, of in de mesosfeer op ongeveer 60 km hoogte, of in de thermosfeer waar we deze temperatuur ook weer tegenkomen?

Helemaal bijzonder wordt het dat wordt gesteld dat de adiabatische afkoeling (door het stijgen van door de aardkorst opgewarmde gassen) voor deze temperatuur verantwoordelijk moet zijn. Terwijl daling van de hier oorspronkelijk aanwezige luchtlagen (en dus een adiabatische opwarming), weer verantwoordelijk moet zijn voor de temperatuur op Aarde.
Er zal lucht verplaatst worden, maar zal de verdrongen lucht ook helemaal naar beneden toe verplaatst worden? Dat zou zo zijn wanneer een grote luchtlaag ineens massaal gaat opstijgen, maar we weten dat sterk opgewarmde lucht  alleen in luchtbellen opstijgt. Veel waarschijnlijker is het dan dat door verdringing alleen een deel van de onderste luchtlaag wat verder naar beneden gaat, geen vijf kilometer dus…

Bovendien moet het  iedereen met een enigszins geschoolde achtergrond toch opvallen dat we hier met een cirkelredenering te maken hebben (de grens van 5 kilometer is gevonden door een adiabatische afkoeling van de bodemtemperatuur, terwijl de bodemtemperatuur weer afhankelijk zou moeten zijn van die grens op 5 kilometer).
Daarnaast zal een adiabatische opstijging, zoals hierboven al aangegeven, vrijwel nooit door de grens van de mengzone kunnen breken, aangezien hier meestal een flinke inversielaag kan worden gevonden. Ook zou de hier geschilderde adiabatische opwarming (door daling van de verdrongen luchtlagen) dan ook nog eens plaats moeten vinden met een droge adiabaat. Dit omdat de lucht op 5 kilometer nauwelijks nog water bevat.
Dit betekent een aanvullende 3,5 graden opwarming per kilometer (natte lucht koelt af/warmt op met 6,5 graden per kilometer stijging/daling, droge lucht met 10 graden per kilometer daling/ stijging). Dit zou dus een extra opwarming van 5*3,5 = 17,5 °C betekenen.
Nee, dat klopt dus ook al niet.

Thema: paleontologie

Maar, om het KNMI maar even te helpen, er lijkt toch echt een nauwe relatie te bestaan tussen het gehalte kooldioxide en de opwarming en afkoeling van het klimaat gedurende de laatste honderdduizenden jaren. Dat moet dan toch als bewijs gelden voor de geschetste opwarmend vermogen van kooldioxide?

Dat zou inderdaad logisch lijken, maar helaas blijkt het zo te zijn dat het gehalte kooldioxide achter loopt bij de temperatuur-ontwikkeling.
Dat is iets wat ook de rechtbank in Engeland al eerder heeft vastgesteld (voor een uitgebreide uiteenzetting, zie ook link). 
Maar ook op de op de korte termijn, die wetenschappers hebben kunnen onderzoeken, blijkt dat zo te zijn. En die ontwikkeling zou ook logisch verklaarbaar zijn, aangezien oceaanwater, waar verreweg de meeste kooldioxide is opgeslagen, minder goed wordt in het vasthouden van kooldioxide bij hogere temperaturen. Er is dus een kip- en – ei verhaal, waarover meer te vertellen is in deze link.

Daarnaast is er een gekke relatie waar het gehalte van kooldioxide in de atmosfeer betreft.

Wanneer deze onder een bepaald minimum zakt van ongeveer 180 ppm, sterven hogere planten af, wat zeker een klimaateffect zal hebben. We hebben daarvan een voorproefje gezien in de dertiger jaren op de prairies (’the great plains’) van de Verenigde Staten.

Door erosie en droogte zullen de wolken verdwijnen wat zorgt voor een flinke temperatuurstijging. Dit gaat uiteindelijk wel weer zorgen voor ontgassing van de oceanen en een flinke opleving van de plantengroei. Gek genoeg zien we dus dat een (te) laag gehalte aan kooldioxide gaat zorgen voor opwarming. Dit terwijl een opbloei van de vegetatie, die gepaard gaat met een toename van kooldioxide, uiteindelijk weer zorgt voor meer bewolking en afkoeling, meer opname van kooldioxide door de oceanen en planten (o.a. bos- en veengronden).
In plaats van een zelf versterkend mechanisme zien we dus dat een maximale hoeveelheid kooldioxide weer wordt gevolgd door afkoeling.

Hierover is natuurlijk veel meer te vertellen (zie link), maar het zal duidelijk zijn dat ook dit argument niet waterdicht is.

Thema: astronomie

Maar dan, het astronomisch bewijs is toch zeker wel stevig genoeg. Venus is ontzettend warm en lijkt op de Aarde. Het moet dan toch wel het broeikaseffect in optima forma zijn? Hoe kan daar twijfel over bestaan?

Toch zijn ook hier weer een aantal zaken tegenin te brengen. Allereerst is het voor broeikas-theoretici tot dusverre mathematisch onmogelijk gebleken om het klimaat van Venus te verklaren op grond van alleen het broeikas-effect.

Daarnaast is Venus niet de enige planeet waar een forse opwarming plaats vindt als gevolg van het hebben van een atmosfeer. Vrijwel bij alle gasreuzen is een vergelijkbare opwarming te vinden. Bij Jupiter gaat het dan om een gelijkmatige opwarming die uiteindelijk leidt tot temperaturen van 30.000 graden Kelvin. En nee, de atmosfeer bestaat hier uit Waterstof (niet te verwarren met Waterdamp) en Helium. Beide geen broeikasgassen.

Thema: het stralingsmodel zelf

Het stralingsmodel is echter al sinds decennia (door zowel alarmisten als sceptici) onaangevochten. Dat moet dan toch wel wijzen op het bestaan en de werkelijkheid van het broeikasmodel?
Ik waag het daarmee oneens te zijn. Het model doet namelijk aan iets wat erger is dan overdrijving; over-simplificatie.

De hoeveelheid straling die de Aardkorst bereikt is volgens dit model een gemiddelde waarde van dag en nacht en ook het gemiddelde van evenaar en de polen.
Maar een model wordt geacht om een representatie te zijn van de werkelijkheid, en die werkelijkheid is, dat de hoeveelheid straling die de Aarde bereikt nooit het gemiddelde is van dag en nacht, evenaar en de polen.
Dit leidt tot een aantal ongerijmdheden.
Zoals kan worden berekend (zie link) is de hoeveelheid zonnestraling die per vierkante meter op de Aarde afkomt 1362 W/m2 Op de Maan zorgt dit, conform de wet van Stefan-Boltzmann, voor een dagtemperatuur van 120 graden Celsius.

Voor de Aarde geldt dat vrij algemeen wordt aangenomen (en kan worden berekend), dat de atmosfeer in staat is om 31% van de zonnestraling ‘af te vangen’.

Op de evenaar betekent dit dat gedurende een groot deel van de dagperiode (1362*(100-31)/100=) 939,8 W/m2 straling wordt ontvangen. Dit zou aan de bodem al moeten leiden tot een temperatuur van 85,8 graden Celcius.
Het vervelende van een broeikaseffect is echter dat dit een puur passief gebeuren moet zijn. Veel straling en dus een zeer warme bodem, moet leiden tot veel terugstraling.
Wanneer, zoals het stralingsmodel aangeeft, 390 W/m2 straling van de aardkorst leidt tot een terugstraling van 324 W/m2, dan is deze terugstraling dus (324/390=) 83% van de uitgestraalde energie die de Aardkorst bereikt.

Maar deze bijdrage moet dus ook nog eens worden opgeteld bij de oorspronkelijke invallende straling. Dat wordt dus 939,8 + 780,7 = 1720 W/m2. Goed voor een temperatuur van 144 graden Celsius. Warmer nog dan de Maan.

Het lijkt me wat veel. Dat de oceanen in deze gebieden zich nog niet in een continu staat van overkoken bevinden mag dan ook een wonder heten.

Omgekeerd zal er op de polen en andere perifere stukken land, zoals Europa en Noord Amerika, nog weinig van de gemiddelde invallende- en tegenstraling overblijven. En zo koud is het daar nu ook weer niet.

Het lijkt me op grond van het bovenstaande dus niet dat het stralingsmodel op zichzelf een goede verklarende werking geeft voor het broeikas-effect.

En dat geldt dus wat mij betreft ook voor het vijf stappen-model wat het KNMI op haar website heet geplaatst. Er moet wel iets anders aan de hand zijn…

Wordt vervolgd…


Geplaatst

in

door

Tags: