Welk broeikas-effect?

wetenschappelijk verantwoord

Dwarsliggers

Als laatste dan toch ook aandacht voor de meest grote dwarsliggers in het wetenschappelijke debat, de ontkenners. Zichzelf zien ze zich waarschijnlijk als omgekeerde Cassandra-voorspellers en alles wel beschouwd, niet alles wat wordt gezegd kan worden afgedaan als botte onzin, al zijn zelfs de Luke-warmers hiervan blijkbaar overtuigd. Een krasse zin van de bekendste Nederlandse Luke-warmer Marcel Crok spreekt in dit verband boekdelen: “Een van de argumenten die je vaak hoort in het broeikasdebat, is dat het broeikaseffect keiharde wetenschap is en dat het derhalve onbegrijpelijk is dat sceptici het door de mens versterkte broeikaseffect ontkennen. Het simpelste antwoord op die vraag is dat serieuze sceptici (vooral degenen die publiceren in de wetenschappelijke literatuur) die keiharde fysica helemaal niet ontkennen.
Er is op dat punt geen debat! Sceptici betwisten uitsluitend de mate van opwarming die CO2 kan veroorzaken…
Het is belangrijk om te beseffen dat het klimaatdebat niet gaat over de directe rol van CO2, maar over de rol van feedbacks… Aanhangers van de broeikastheorie hebben gelijk als ze zeggen dat de fysica achter het broeikaseffect keihard is. Als je CO2 in een laboratorium aan metingen onderwerpt, dan absorbeert het infrarode straling. Daarom verwachten we enige opwarming van het klimaat. Hoeveel opwarming is echter onduidelijk, want daarvoor moet je eerst alle feedbacks in het klimaat goed begrijpen. De keiharde fysica uit het lab biedt dus weinig garanties voor de praktijk.”
Maar er zijn er die er dus anders over denken.  
Het is vrijwel onmogelijk geworden om alle ontkennende stromingen en –theorieën weer te geven, maar ik wil graag aandacht besteden aan datgene wat ikzelf de meest plausibele deniers-stromingen vind, waarbij het dan gaat over een aantal samenhangende theorieën die gezamenlijk een plausibele verklaring bieden voor de recente opwarming, ook zonder te hoeven terugvallen op vreemde “deus-ex-machina’s ” als vulkaanuitbarstingen, luchtverontreiniging door aerosolen in de jaren vijftig en toevallig ook onlangs in China of bijzondere zonneactiviteit in het begin van de twintigste eeuw. 
Bijzonder is natuurlijk wel dat veel van deze theorieën zijn te verbinden met een “echt broeikas-effect’, ontleend aan een aantal wetenschappelijke inzichten, die naar mijn mening ten onrechte niet de aandacht hebben gekregen die ze wel verdienen.

Het aanzien van de planeten

Om te leren over de werking van een atmosfeer lijkt het logisch om de recente kennis, die we hebben verworven van de atmosfeer van andere planeten in ons zonnestelsel, ook toe te passen op de atmosfeer die we het beste kennen, die van onze eigen Aarde.

Maar zoals Kuhn al zou hebben voorspeld; deze ‘nieuwe inzichten’ blijken nauwelijks te worden gebruikt bij het antieke vakgebied ‘klimatologie’, met wortels in de achttiende eeuw. De grondbeginselen van deze wetenschap kunnen eenvoudigweg niet open staan voor alle ‘nieuwe fratsen’. 
men zou het toch wel relevante informatie kunnen noemen dat ons broeikas-model helemaal niet toepasbaar is op het temperatuursverloop in de atmosfeer van andere planeten, maar dat de atmosfeer van deze planeten desondanks, qua structuur en temperatuurontwikkeling, akelig lijken op die van onze eigen planeet.  
Eigenlijk kan alleen zwaartekracht, of liever, het hydrostatische evenwicht tussen de interne druk van de gasmoleculen en de zwaartekracht, verantwoordelijk zijn voor de onvoorstelbare temperaturen die we vinden op Venus en Jupiter. Maar waarom speelt die kracht geen enkele rol op onze eigen planeet, volgens de Aardse klimaatdeskundigen? 
Het is elementaire natuurkunde die laat zien dat onze planeet precies dezelfde opwarming laat zien als die we kunnen verwachten wanneer we het Venus-model volgen. 
Alleen, dan moeten we dus uitgaan van een opwarming door zwaartekracht en ja, waarom kan dat niet? 

Processen in de troposfeer

Er zijn planeten die een dikke atmosfeer hebben zoals Venus en Jupiter. Er zijn planaten die nagenoeg geen atmosfeer hebben, zoals Mercurius en Mars, of onze eigen Maan.

Het al dan niet hebben van een atmosfeer blijkt dan nogal forse consequenties te hebben voor de temperatuur op een planeet. Planeten met een dikke atmosfeer zijn veel te warm en kennen eigenlijk geen verschil tussen dag en nacht. Het verschil tussen dag en nacht op planeten zonder atmosfeer is daarentegen weer dramatisch groot.
Maar wat geldt nu voor een planeet met een atmosfeer die te dun is voor het een en te dik is voor het ander?
Dan heb je een planeet als de Aarde, die een beetje te warm is en  die maar een beetje verschil heeeft tussen dag en nacht, en dat dus alleen in de menglaag. Het is juist die menglaag, de Planetary Boudary Layer, ‘vergeten door Wikipedia’, die een cruciale rol speelt op onze planeet en waarvan de eigenschappen helemaal niet kunnen worden verklaard door het stralingsmodel. Het standaardmodel wat tot dusverre, volgens onze klimatologen zonder discussie, voor de Aarde zou gelden.

Toch broeikaseffect, alleen, de naam is juist

Waarom verdwijnt de ingestraalde energie van de zon niet gewoon ‘s nachts, zoals eigenlijk zou moeten? En dan komen we bij het gelijk van onze allereerste klimatologen. Er moet wel een broeikaseffect zijn.

Alleen een broeikas-effect kan een plausibele verklaring bieden voor het contra-intuïtieve gegeven dat convectie en subsidentie kunnen zorgen voor een leefbare Aarde. 
Het is dan ook niet vreemd dat wetenschappelijke proeven uiteindelijk het bewijs kunnen geven dat straling eigenlijk een te verwaarlozen factor is. Maar dat betekent niet dat de ‘Planetary Boudary Layer’ niet zou kunnen werken op een manier die vergelijkbaar is met de processen in een ‘echte’ broeikas.

Gaia revisited

Maar als dat allemaal zo is, waarom wordt het dan steeds warmer?

Er is eigenlijk maar één theorie die een verklaring heeft voor de constantheid van ons klimaat gedurende de tijd dat onze Aarde bestaat. Een theorie die verklaring biedt voor de onwaarschijnlijke chemische samenstelling van onze atmosfeer en onze leefomgeving. De theorie die Lovelock in 1979 aan het grote publiek presenteerde; Gaia. De  oorzaak voor de recente opwarming moet naar mijn mening dan ook dáár worden gezocht.
Het is niet verassend dat deze theorie werd weggehoond door de neo-Darwinisten, omdat hier een doelgerichte evolutie werd gepresenteerd. Kritiek die steeds luider werd  toen bleek dat de CLAW-theorie van Lovelock niet kon worden bevestigd. Maar Lovelock kon natuurlijk niet weten dat zwaartekracht een veel belangrijker factor was voor het klimaat dan hij aannam. En dat zeezout een veel belangrijker rol speelde bij de vorming van wolken dan hij (en zijn medeauteurs CAW) besefte(n).

Het aanzien van de planeten

Waarom zou de aanwezigheid van kooldioxide of broeikasgassen zo cruciaal zijn voor de temperatuur van de Aarde?
Op grond van waarnemingen bij andere planeten, met name bij Venus, waar de broeikas-verklaring op basis van latere waarnemingen niet kon worden geverifieerd, maar ook bij Jupiter, is men de verklaring van het ‘broeikas-effect’ gaan zoeken bij fysische processen in de atmosfeer zelf. Een aantal van de gegeven argumenten wil ik hieronder dan ook wat uitgebreider behandelen.
De majesteit
Een uitstapje naar de andere planeten van ons zonnestelsel laat zien dat een min of meer autonome opwarming in de atmosfeer, voor de temperatuur op deze planeet zelfs de dominante factor kan worden.
Dit kan waarschijnlijk het best worden geïllustreerd aan de hand van hetgeen we nu weten van de temperatuursontwikkeling op de grootste van alle planeten van ons zonnestelsel; Jupiter.
Nog maar pas in 1969 werd de astrologische gemeenschap verrast door een ontdekking van Frank J. Low van de Universiteit van Arizona, die kon aantonen dat er in de koude gasklomp, die Jupiter heette te zijn, er wel degelijk een behoorlijk hete kern aanwezig moest zijn. In de jaren die volgden werden de onderstaande ontdekkingen gedaan, waarvan een populistische samenvatting, te vinden op: http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/jupiter.html, hieronder in hoofdlijnen is weergegeven:
“Jupiter is verreweg de grootste van alle planeten. Het magnetisch veld van Jupiter is enorm. Het magnetisch veld van Jupiter is 14 maal zo sterk als dat van de aarde. Het magnetisch veld van Jupiter komt zelfs voorbij Saturnus, het is dus meer dan 650 miljoen km groot. Dit veld wordt opgewekt door de metallische waterstof in de kern van Jupiter, die 15 keer zo groot is als de Aarde. In dit licht lijkt ook het volgende opmerkelijke feit van Jupiter niet zo heel bijzonder:
Jupiter heeft een doorsnede van 142.800 kilometer. Tenminste aan de evenaar. De polaire diameter van de planeet is namelijk zo’n 9300 kilometer kleiner dan de equatoriale middellijn (overigens fraai te zien in de bijgevoegde foto). Bij de aarde is het verschil tussen de doorsnede aan de evenaar en de polen slechts 43 kilometer.
De gasvormige atmosfeer van Jupiter, die we ook vanaf de aarde kunnen waarnemen, is ongeveer duizend kilometer dik. Er komen ook wolkenformaties in voor. Als we naar de rotsachtige kern van de planeet af zouden kunnen dalen, zouden we al snel merken, dat de temperatuur en druk flink stijgen. De bovenste wolkenlagen in de atmosfeer hebben een temperatuur van -120°C, terwijl de onderste lagen een temperatuur van tweeduizend graden hebben! Door de grote druk wordt de atmosfeer vloeibaar. Op een diepte van ongeveer drieduizend kilometer is de temperatuur al gestegen tot 5500 graden.
Dit is dus net zo heet is als de temperatuur aan het oppervlak van de zon!
De druk is op die diepte van drie duizend kilometer al gestegen tot zo’n negentigduizend atmosfeer. Eén atmosfeer is de luchtdruk op het aardse zeeniveau. Door die enorme druk van negentigduizend atmosfeer is de waterstof geheel vloeibaar geworden. Op 25.000 kilometer diepte is de temperatuur gestegen tot 11.000°C, terwijl de druk 3 miljoen atmosfeer bedraagt. Henbest (1992) stelt dat de temperatuur in de kern van Jupiter, waar zich een kleine kern gesmolten gesteente bevindt met een gewicht van 15 maal die van de aarde, een temperatuur wordt bereikt van 24.000 graden Celsius.
De heetste gebieden in de atmosfeer van Jupiter zijn te vinden in de Noordelijke Equatoriale Band. Het zijn gebieden waar een opening is in de bovenste luchtlagen. Zodoende kunnen we in wat diepere lagen kijken.
Met Jupiter is trouwens nóg iets geks aan de hand: de planeet zendt méér licht en warmtestraling uit dan hij van de zon ontvangt. Dat is natuurlijk vreemd vanuit de broeikastheorie geredeneerd. De planeet zou in principe maar een betrekkelijk klein deel van de zonnestraling terug moeten stralen, zoals elke andere planeet.
Het totaal van de uitgezonden straling is groter dan de op Jupiter vallende zonnestraling. Maar als de straling die van Jupiter afkomt groter is dan de straling die op Jupiter valt, dan verliest de planeet dus warmte. Dan zou Jupiter af moeten koelen. Maar dat afkoelen gebeurt niet! Wat is nu de verklaring? Jupiter produceert zelf een flinke hoeveelheid warmte in z’n inwendige. Hoe dat komt? Omdat Jupiter zo zwaar is – dus zo veel massa heeft – staat de kern onder een enorme druk. Die druk geeft in de kern een enorme stijging van temperatuur. Vandaar nu die opgewekte warmte. Dit effect zien we bijvoorbeeld ook bij de aarde: door de grote druk in het centrum van de aarde is de aarde van binnen ook vloeibaar en heet. ”
Blijkbaar hoeft er geen evenwicht te bestaan tussen inkomende en uitgaande straling bij een planeet.
De zwaartekracht op Jupiter is dusdanig groot dat een enorm dikke atmosfeer aan de planeet kan worden gebonden die weer zorgt voor een grote atmosferische druk. Het volume van het gas wordt enorm gecomprimeerd wat, volgens de welbekende wetten van Boyle en Gay-Lussac (de ideale gaswet) zal zorgen voor opwarming!
Evenals de zonne-(stralings)energie is de zwaartekrachtsenergie een continu werkende kracht, die dus constant zal zorgen voor een bepaalde opwarming van het gecomprimeerde gas. Sterker nog; ook de zonnestraling is volledig te danken aan de zwaartekracht op de zon. Volgens Phillips (1995), overgenomen op Wikipedia, “krijgt de Zon haar energie voornamelijk door de zogenaamde proton-protoncyclus, mogelijk gemaakt door de enorme druk die de eigen zwaartekracht van de Zon op de materie uitoefent; in de kern zo’n 2×1016 Pascal. De temperatuur van de kern is daarom ca 15 miljoen kelvin. Daar vinden fusiereacties plaats waarin waterstofkernen (protonen) uiteindelijk worden omgezet tot heliumkernen (alfadeeltjes)).”
Wanneer de zwaartekracht op Jupiter op enig moment verstek zal laten gaan, betekent dit dat de atmosfeer onmiddellijk enorm zal uitdijen waardoor een flinke afkoeling (die kan worden voorspeld met de stralingswetten) zal gaan plaatsvinden.
Dit effect is dus inmiddels erkend voor Jupiter, maar bleek in ieder geval ook op te gaan voor de andere zgn. “gas-reuzen”. Het is dan ook een compleet raadsel waarom dit niet ook op zou kunnen gaan voor andere planeten met een voldoende dikke atmosfeer die druk uitoefent op de planeetoppervlakte?
Ook voor Venus is berekend dat de planeet meer energie uitstraalt dan hij ontvangt van de zon. Vervolgens is beredeneerd dat dit zou kunnen komen door de grote hoeveelheden kooldioxide in de atmosfeer waardoor zonlicht moeilijk zou kunnen ontsnappen. Maar deze redenering kan op grond van het bovenstaande niet kloppen, want wanneer de hoeveelheid energie die wordt uitgezonden meer is dan die welke wordt ingevangen moet afkoeling optreden, toch?
Het zal duidelijk zijn, de theorie van het stralingsevenwicht is natuurlijk alleen dan kloppend wanneer de straling als enige warmtebron aanwezig is en daarom is zij ook juist bij planeten zonder atmosfeer. Wanneer een planeet echter beschikt over een atmosfeer van enige substantie wordt dit, zoals hieronder nader zal worden uitgewerkt, een ander verhaal.

De Lieflijke

Tot dusverre heb ik geen wetenschappelijke studie gevonden waarin de broeikas-theorie voor Venus met de huidige aanvaarde druk en atmosferische samenstelling cijfermatig aannemelijk is gemaakt. In een discussie op Skeptical Science https://www.skepticalscience.com/Venus-runaway-greenhouse-effect.htm worden de feiten nog eens naar voren gehaald:
“The following is from a University lecture about the greenhouse effect on Venus :-
“From geometry, we can calculate the average solar flux over the surface of Venus. It is approximately 661 W/m2. Venus is very reflective of solar radiation. In fact, it has a reflectivity (or albedo) of 0.8, so the planet absorbs approximately 661 X 0.2 = 132 W/m2.
By assuming that the incoming radiation equals the outgoing radiation (energy balance), we can convert this into an effective radiating temperature by invoking the Stefan-Boltzmann law (total energy = σT4). We find that T=220 K. But Venus’ surface has a temperature of 730 K!!!”
Do a little reverse maths – climate scientists tell us this is right – raise 730 K to the power of 4 multiply by 5.67 by 10 to the -8 (Stefan-Boltzman) and you get a radiative flux of 16,100 W/sq m.
Where does this come from when a University Professor tells me the sutface of Venus receives only 132 W/sq m ? I think this is a fair question. If it is from the greenhouse effect how did this develop initially ? 132 W/sq m couldn’t possibly do it.
Venus has something going on that we don’t know about – probably vulcanism, possibly high nuclear radiation – who knows.”
De vinger ligt hier wat mij betreft voor de broeikas-cirkelredenering op de zere plek. Datgene wat voor de Aarde door velen nog als “keiharde fysisca” wordt geaccepteerd, ziet er hier wel “erg bleekjes” uit. Hoe kan een stralingsevenwicht van 132 W/m2 zorgen voor een warmteflux op de oppervlakte van de planeet van maar liefst 16.100 W/m2?
Het ziet er naar uit dat eenzelfde mechanisme van kracht is als datgene wat op Jupiter speelt. Zwaartekracht zou er dan iets mee van doen moeten hebben.

De loodzware hitte

Nog even een korte herhaling van de basis-theorie; overeenkomstig de wetten van Stephan-Boltzmann krijgt elke vierkante meter van het aardse boloppervlak, gemiddeld gedurende het jaar van 341 watt zonnestraling. Hiervan wordt, volgens de modellen, 31% 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 (161 Wm-2) verwarmt het aardoppervlak: het land en de oceanen.
Er is dan dus een theoretisch probleem. 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 ontvangt en dus ook moet uitstralen, hiervoor een temperatuur van -19 ° C aanwezig moet zijn met typische golflengten in het infrarode deel van het spectrum. Dit is maar liefst 33 graden kouder dan het op aarde gemiddeld is. We hebben geleerd dat dit verschil veroorzaakt wordt door het broeikaseffect.
In ons zonnestelsel zijn een viertal terrestrische planeten. Dit zijn planeten waarvan het oppervlak is opgebouwd uit vaste stoffen. In het Zonnestelsel gaat het om Mercurius, Venus, Aarde en Mars. De verder naar buiten gelegen planeten bestaan voor een groot deel uit gassen als waterstof en helium, en heten daarom ook wel gasreuzen, of, naar het voorbeeld Jupiter, Joviaanse planeten. Het is onzeker of deze gasreuzen wel een vaste korst hebben. Volgens nieuwe inzichten worden Uranus en Neptunus overigens geen gasreuzen maar ijsreuzen genoemd.
De temperatuur zoals deze op basis van de hoeveelheid invallende zonnestraling op de terrestrische planeten (op de situatie voor de andere planeten wordt later teruggekomen) zou moeten zijn, kan eigenlijk vrij simpel (op de manier zoals dat eerder voor de Aarde is gedaan (zie link)) worden berekend.
Deze simpele benadering voor de oppervlaktetemperatuur geeft voor deze planeten de volgende resultaten:
We zien hier dus inderdaad een zeer goede overeenstemming bij de (vrijwel atmosfeer-loze) planeten Mercurius en Mars tussen de berekende en daadwerkelijk gemeten temperaturen. Bij de Aarde en vooral Venus zien we echter grote afwijkingen. Door de grote weerkaatsing (Albedo) van Venus zou de temperatuur op deze planeet nog lager moeten zijn dan op Aarde. Dat is duidelijk niet het geval!
Het grote verschil tussen theorie en praktijk zou dus te wijten zijn aan het broeikaseffect waardoor de temperatuur de Aarde op ideaal wordt voor het leven op deze Aarde en Venus zijn ondraaglijke temperatuur verkrijgt.
Sinds kort is er echter een andere benaderingswijze voorgesteld, die, voor zover ik kan nagaan, als eerste wordt voorgesteld door (opnieuw) Hartwig Volz in zijn mail d.d. 11 mei 2000 naar Chick Keller, weergegeven op https://www.john-daly.com/forcing/forcing2.htm#Volz1.
Volz laat de temperatuur gradiënt van de zeer dikke atmosfeer als onafhankelijke variabele verantwoordelijk zijn voor de hoge temperaturen die kunnen worden gevonden op Venus. Daarnaast is een gedeelte van de kooldioxide atmosfeer superkritisch, waardoor verdamping als afkoeling geen optie voor Venus. Volz komt tot een volgende samenvatting van zijn theorie:
“Because no greenhouse effect (no net energy transfer) exists between atmospheric layers of very similar temperature, equation (2) dT/dz = -g/cp   which is identical with the equation one finds in textbooks on meteorology for the dry (or sometimes called theoretical) adiabatic lapse rate] can still be applied, at least in good approximation. Venus parameters for equation (2): g = 8,87 m/s²; cp = 1294 J/(kg*K) at 1 bar and 4166 J/(kg*K) at 84 bar (handbook of physics; hopefully you can see from these data alone that a supercritical fluid is not a gas). dT/dz with 1 bar data: -6.9K/km; delta T over 65 km of cloudy layer: 449 K. Surface temperature of Venus 449 + 232 [Blackbody temp. Venus] = 681 K. dT/dz with 84 bar data: -2.2K/km; delta T over 65 km: 138 K. Surface temperature 370 K.
Ok, this one is really too low, but it should be kept in mind that only a small fraction of the near ground atmosphere is supercritical. Also my top of the clouds altitude is presumably not very precise. Anyhow, the point of this message is that it does not make sense to attribute these ground temperatures to a greenhouse effect of trace gases. The physical reason is outlined above, quantifying the experimental observation rather satisfying.”
Deze grondgedachte werd door Hans Jelbring (2003) in zijn artikel ‘The “greenhouse effect” as a function of atmospheric mass’ nader uitgewerkt:
“Het Greenhouse Effect (GE) kan ook voornamelijk kan worden verklaard als een gevolg van bekende natuurkundige wetten die het gedrag van ideale gassen in een zwaartekrachtveld voorspellen. Een vereenvoudigd model van de aarde, samen met een formeel bewijs met betrekking tot een model atmosfeer, in samenhang met het bewijs dat andere planetaire atmosferen op dit punt leveren, leidt tot een eenduidige conclusie.
Het onderscheidende uitgangspunt is dat het grootste deel van een planetaire GE afhankelijk is van de atmosferische oppervlakte-massadichtheid.
Een opmerkelijk implicatie van dit model is dat de berekende waarden van Anthropogenic Global Warming (AGW), door veel hedendaagse klimaatwetenschappers wordt aanvaard, dus niet relevant zijn en waarschijnlijk zelfs volstrekt onbetekenend (niet aantoonbaar) zijn in relatie tot natuurlijke processen die klimaatverandering veroorzaken.”
Jelbring meent dus dat er inderdaad een belangrijk ‘temperatuurs-effect” bestaat, maar dat dit simpelweg wordt veroorzaakt door de zwaartekracht, die ervoor zorgt dat de druk op lucht in de lagere regionen van de atmosfeer toeneemt, waardoor de ideale gaswet voorspelt dat de temperatuur van de lucht ook moet toenemen: “De theoretisch af te leiden invloed van de zwaartekracht op de ‘global warming’ is om onbekende redenen zelden erkend door de klimaatwetenschappers.”
Het aantal volgers van de theorie van Volz en Jelbring neemt overigens pas recent enige vorm van betekenis aan. Zo timmerde Tony Heller (als: ‘Steve Goddard’) stevig aan de weg, door in een aantal bondige stellingen uiteen te zetten waarom de theorie van het broeikas-effect eigenlijk helemaal geen acceptabele verklaring biedt voor de temperaturen op Venus.
De theorie van het “op hol geslagen broeikas-effect” op Venus is ontwikkeld omdat het steeds duidelijker werd dat de temperaturen op Venus helemaal niet verklaard konden worden door de vergelijkingen van Stefan-Boltzman. Er moest dus een ander opwarmingsmechanisme zijn wat Venus heeft veranderd in de helse omstandigheden die daar nu kunnen worden aangetroffen. Deze verklaring heeft onder meer ten grondslag gelegen aan het activisme van de prominente broeikas-pioniers als Carl Sagan en James Hansen.
Zoals al eerder aangeduid neemt Heller afstand van deze theorie:
“Ik geloofde gedurende meerdere decennia in de theorie van het “op hol geslagen (runaway) broeikaseffect ” op Venus en ik heb pas recent begrepen dat de theorie eigenlijk absurd is. Ik zal hieronder uitleggen waarom.
Het eerste probleem is dat het oppervlak van Venus geen direct zonlicht ontvangt. De atmosfeer van Venus is vol dichte, hoge wolken “30-40 km dik met bases op 30-35 km hoogte.”
De manier waarop een broeikaseffect werkt is door kortegolf straling opwarming van de aardkorst, en broeikasgassen die de terugkeer van langgolvige straling naar de ruimte belemmeren. Aangezien er zeer weinig zonlicht lager komt dan 30 km op Venus, kan deze straling het oppervlak niet veel opwarmen. Dit blijkt verder uit het feit dat er bijna geen verschil in temperatuur op Venus is tussen dag en nacht. Het is net zo warm tijdens de lange (1400 uren durende) nachten, zodat de temperaturen van 485 graden Celsius niet kunnen worden veroorzaakt door zonne-energie en een resulterend broeikaseffect. De dagen op Venus zijn schemerig en de nachten zijn pikzwart.
Het volgende probleem is dat het albedo van Venus is zeer groot is, vanwege de aanwezige 100% bewolking.
Ten minste 65% van de door Venus ontvangen zonneschijn wordt onmiddellijk naar de ruimte gereflecteerd. Zelfs de bovenste atmosfeer niet ontvangt veel zon. De top van Venus ‘atmosfeer ontvangt 1,9 keer zo veel zonnestraling als de aarde, maar de albedo is meer dan het dubbele van de aarde – zodat het netto-effect is dat Venus’ bovenste atmosfeer een lagere TSI dan de aarde ontvangt.
Het derde probleem is dat Venus bijna geen waterdamp (het belangrijkste broeikasgas) heeft in de atmosfeer. De concentratie waterdamp op aarde is ongeveer duizend keer hoger.”
De klassieke verklaring van het broeikaseffect voor de hoge temperaturen van Venus gaat dus niet op. De verklaring van Heller zelf volgt ook uit de bovenstaande waarnemingen:
“Dus waarom is Venus zo heet? Dat is vanwege de een extreem hoge luchtdruk. De atmosferische druk op Venus is 92x groter dan de aarde. Temperaturen in de atmosfeer van de aarde worden meer dan 80 graden opgewarmd gedurende de weg van 20 kPa (op 15 km hoogte) tot 100 kPa (zeeniveau.) Daarom bergen zijn veel kouder dan de woestijnen die aan de basis liggen.
De atmosferische druk op Venus is groter dan 9.000 kPa. Bij deze druk, kunnen we verwachten dat Venus zeer heet is. Veel, veel heter dan Death Valley.
Ter vergelijk: Wikipedia typeert het “op hol geslagen broeikaseffect” argument met deze stelling:
“Zonder het broeikaseffect wat wordt veroorzaakt door kooldioxide in de atmosfeer, zou de temperatuur aan het oppervlak van Venus heel vergelijkbaar met die op aarde.”
Nee, dat zou het niet. Een waarde van 9000 kPa luchtdruk zou plaatsvinden op aarde op een hoogte van vele mijlen onder de aardkorst. De Aarde heeft geen vergelijkbare plaats, maar deze zou bestaan – zou het extreem warm zijn, net zoals op Venus.
Een globale berekening leert – temperatuur op aarde stijgt met ongeveer 80o C gedurende het traject van 20 tot 100 kPa, zodat we bij 9000 kPa temperaturen kunnen verwachten in de ordegrootte van: 20C + ln (9000 / (100-20)) * 80 graden Celsius = 400 graden Celsius.
Dit is zeer dicht bij wat we zien op Venus. De hoge temperaturen zijn dan bijna volledig verklaard door atmosferische druk – niet samenstelling. Indien 90% van de CO2 in Venus atmosfeer werd vervangen door stikstof, zou de temperatuur daardoor slechts enkele tienden graden veranderen.
“Hoe heeft zo’n slechte wetenschap “gemeenschappelijke kennis” kunnen worden?” Het broeikaseffect kan niet de oorzaak van de hoge temperaturen op Venus zijn. Het gaat hier om “groepsdenken” op zijn aller-slechtst, en ik schaam me ervoor om toe te moeten geven dat ik deze theorie enkele decennia blindelings heb aanvaard.
Als er geen zon (of andere externe energiebron) zou zijn, dan zou de atmosferische temperatuur het absolute nulpunt naderen, vanwege de relatie: PV = nRT – Bijgevolg zou er bijna geen atmosferische druk op een planeet zijn. Omdat we een zon hebben die energie levert aan de omtrek van het atmosferisch systeem, circuleert de lucht verticaal en horizontaal om een evenwicht te handhaven. Dalende lucht wordt verplaatst naar gebieden met hogere druk, en wordt hier samengedrukt en verwarmd. Hoe groter de druk, hoe groter de opwarming. Opstijgende lucht wordt verplaatst naar gebieden met lagere druk, het volume neemt toe en de lucht koelt hierdoor af.
De omvang van de opwarming van de aarde (of koeling) per eenheid afstand, wordt omschreven als de “lapse rate.” Op aarde is de droge lapse rate 9.760 K / km. Op Venus, is de droge lapse rate vergelijkbaar, met 10,468 K per km.
Dit betekent dat bij elke km stijging, zowel op Aarde als op Venus, de temperatuur daalt met ongeveer 10º C.
Belangrijk is hierbij dat, ondanks radicaal verschillende samenstellingen, beide atmosferen ongeveer dezelfde droge lapse rate hebben. Dit vertelt ons dat de belangrijkste factor die de temperatuur bepaalt, de dikte van de atmosfeer is en niet de chemische samenstelling hiervan. Omdat Venus heeft een veel dikkere atmosfeer heeft dan de aarde, is de temperatuur op Venus veel hoger. De relatie kan worden weergegeven als: dT = -10 * dh, waarbij T de temperatuur is en h de hoogte.
Met een constante “lapse rate”, zou een atmosfeer die twee keer zo dik is ook twee keer zo warm zijn. Drie keer zo dik zou zijn drie keer zo warm zijn, enz.
Laten we nu eens kijken naar de gemeten gegevens:
Merk op dat bij atmosferische druk van 1000 mbar (zeeniveau op de Aarde) op Venus (hoogte 50km) de temperaturen slechts ongeveer 50 graden warmer zijn dan de aarde temperaturen.
Conclusie: Het is niet de grote hoeveelheid CO2 waardoor Venus zo heet is, maar het is eerder de dikte van de atmosfeer (verwarmd door de zon) die hiervoor zorgt. Het is niet het zeer lage gehalte van CO2 in de atmosfeer op aarde wat maakt dat de aarde een relatief koele plaats is, maar de dunne atmosfeer. Mars is relatief nog kouder dan de aarde, ondanks het feit dat deze planeet een atmosfeer heeft met 95% CO2, want de atmosfeer is hier erg dun.
Als broeikasgassen verantwoordelijk waren voor de hoge temperaturen op Venus (in plaats van atmosferische dikte) dan zouden we mathematisch een veel hogere “lapse rate” dan op Aarde moeten zien – maar dat is niet het geval”.
Hoewel dit alles logisch lijkt, brengt dit ook lastige problemen met zich mee. Hoe is het dan bijvoorbeeld mogelijk dat de zon, die de planeet Venus nauwelijks lijkt te kunnen beïnvloeden door het hoge albedo van deze planeet, toch de gehele luchtkolom van Venus kan opwarmen?
De oplossing die Venus biedt, lijkt eigenlijk wel voor de hand te liggen. Traditioneel bezien gaat het bij albedo om het weerkaatsingsvermogen van een object (de ‘witheid’), gedefinieerd als de verhouding tussen de hoeveelheid opvallende en gereflecteerde (elektromagnetische) straling. Maar gaat dat bij de beoordeling van planeten, of liever die van de atmosfeer om een planeet, ook op?
Is het niet ‘zeer waarschijnlijk’ dat de straling van de Zon gewoon de atmosfeer van Venus binnendringt, daar ‘gewoon’ zorgt voor opwarming van de atmosfeer, maar dat er door de hoge temperaturen van Venus ook een uitgaande straling is, die qua niveau vergelijkbaar is met die welke door Venus wordt geabsorbeerd? Wordt hier niet abusievelijk de verhouding tussen geabsorbeerde en uitgestraalde elektromagnetische straling gelezen als verhouding tussen geabsorbeerde en gereflecteerde elektromagnetische straling? Hoe kun je het verschil zien?
Wanneer we deze lezing accepteren, dan biedt de atmosfeer van Venus hiervoor een aardige bevestiging. Deze theorie voorspelt dan nl. dat de temperatuur van Venus (bij een lapse rate vergelijkbaar met die van de Aarde), op eenzelfde atmosferische hoogte als die op de Aarde aanwezig is (één atmosfeer) een temperatuur die ongeveer 50 graden Celsius warmer zal zijn (zie tabel in de paragraaf ‘De loodzware hitte’). Maar dat is ook nagenoeg gelijk aan datgene wat er wordt gemeten! (zie tabellen in de betreffende paragraaf)
Het is moeilijker na te rekenen, maar ook de temperaturen op de hoogte van de tropopause bij de verschillende gasplaneten lijken op het gelijk van deze theorie te wijzen. We zien dan dus dat de zon (direct of indirect) zorgt voor een egale opwarming van de gassen in de atmosfeer. Deze gassen zullen echter op grond van de zwaartekrachtverdeling en de dikte van de atmosfeer (door adiabatische opwarming) zorgen voor de typische temperatuurverdeling van de planeten. Dit maakt Venus onverdraaglijk warm, Mars veel te koud en de Aarde precies goed…
Waarom stijgt de temperatuur op de wijze waarop zij dat doet in de troposfeer? En, om het probleem nog wat lastiger en letterlijk universeler te maken: waarom vinden we blijkbaar precies hetzelfde fenomeen op alle planeten met een dikke atmosfeer?
De universele tropopause
De tropopauze is de grenslaag tussen de hogere atmosfeer, gekenmerkt door een opwarming door korte golfstraling (synchotron- en UV-straling) afkomstig van de zon en de laag daaronder, die wordt gekenmerkt door regelmatige opwarming, turbulentie, convectie, wolken, regen, wind, etc. ofwel weer zoals wij dat kennen. Deze grenslaag kan bij alle planeten met een atmosfeer van enige betekenis, gevonden kan worden bij een luchtdruk die tussen de 100 en 200 mbar groot is. Jelberg volgend, zou dan geconcludeerd kunnen worden, dat er bij deze luchtdruk er blijkbaar geen afdoende neerwaarts gerichte drukkracht meer is van de bovenliggende luchtlagen, om te kunnen spreken van een luchtkolom, die van belang is voor de opbouw van druk en temperatuur.
De opwarming door de UV-straling vindt zoals bekend plaats in de ozon-laag. De chemische reactie waarbinnen deze opwarming plaats vindt kan echter alleen plaatsvinden binnen bepaalde voorwaarden, waarvan de belangrijkste wellicht is dat er voldoende zuurstof-moleculen, maar ook als katalysator fungerende moleculen aanwezig moeten zijn, om haar te laten plaatsvinden. De laag waarbinnen als eerste aan deze voorwaarde voldaan wordt, is die van de grenslaag tussen mesosfeer en stratosfeer. Binnen de stratosfeer vindt door voortdurende verdunning en omkering van de oorspronkelijke energie-leverende ozon-reactie, afkoeling plaats. Deze laag loopt door tot de bovenste laag van de tropoosfeer, waar zich dus een zeer stabiele luchtlaag vormt, de tropo-pauze.
Deze grenslaag met een druk tussen de 100-200 mbar blijkt echter, zoals uiteengezet door Catling en Robinson (2013) een belangrijk universeel kantelpunt te markeren. Niet alleen voor de Aarde, maar ook voor de door hen onderzochte Titan, Jupiter, Saturnus en Neptunus. Allen voorzien van een stevige atmosfeer. De genoemde grenslaag markeert op alle genoemde hemellichamen de grenslaag tussen de hogere atmosfeer, gekenmerkt door een opwarming door korte golfstraling (synchotron- en UV-straling) afkomstig van de zon en de laag daaronder, die wordt gekenmerkt door regelmatige opwarming, turbulentie, convectie, wolken, regen, wind, etc. ofwel weer zoals wij dat kennen.
Toch lijkt hier volgens het artikel nog geen sprake te zijn van een algemene wet. In het artikel wordt dan ook benadrukt dat deze theorie immers niet opgaat voor Venus.
Maar bestaat deze uitzondering inderdaad wel? Zoals uit het bovenstaande figuur is te zien maakt het artikel gebruik van niet al te recente data. De ontdekkingen aan de atmosfeer van Venus zijn, relatief gezien, van recente datum. Nog op 1 oktober 2012 rapporteerde het ESA echter dat haar satelliet, de Venus Express, verassend genoeg een zeer koude luchtlaag op Venus had ontdekt. Het betrof een luchtlaag waar de temperatuur zakte tot -175 graden Celsius, kouder dan waar ook in de Aardse atmosfeer.
De temperatuur, afgezet tegen de hoogte, op de plaats waar de dag overgaat in de nachtperiode (een dag op Venus duurt, zoals waarschijnlijk wel bekend, maar liefst 243 aardse dagen, langer dan een Venus-jaar (225 dagen)) geeft volgens het ESA de volgende grafiek:
Op 6 oktober 2011 had ESA ook al gerapporteerd dat met op een hoogte van ongeveer 100 km ook een Ozon-laag op Venus had waargenomen, die ook in de bovenstaande grafiek is verwerkt. Het is een eigenlijk een vrij goede kopie van de Aardse atmosfeer, maar dan wat extremer. Zonder al te veel moeite zijn thermosfeer (opwarming en afkoeling), mesosfeer (opwarming), stratosfeer (geringe afkoeling) en troposfeer (opwarming) aan te wijzen.
Op ongeveer 90 km hoogte is ook een met de tropopauze vergelijkbare laag gevonden die een overgang markeert van ‘veniaanse- stratosfeer’ naar ‘veniaanse-troposfeer’. Op deze hoogte bedraagt de luchtdruk, zoals op grond van het bovenstaande al kon worden verwacht, ongeveer 100 mbar. Deze ontdekking kwam klaarblijkelijk te laat voor het artikel van Catling en Robinson (2013), maar duidelijk is wel: de uitzondering op de regel van Catling en Robinson blijkt dus niet langer op te gaan!
Het beeld op alle planeten met een substantiële atmosferische laag lijkt hiermee dus zeer vergelijkbaar; in de hogere atmosfeer, vindt afwisselend opwarming en afkoeling plaats onder de invloed van korte golfstraling (synchotron- en UV-straling) afkomstig van de zon, terwijl de laag onder de ‘magische grens van 100-200 mbar’ wordt gekenmerkt door een zeer regelmatige opwarming, die afhankelijk van de dikte van de atmosfeer lijkt door te gaan tot een niveau waarbij de hoeveelheid uitstraling het energieniveau wat door de zon wordt ingestraald, verreweg kan overtreffen, zoals het voorbeeld Jupiter duidelijk maakt.
Dat Venus wellicht wat afwijkt van het algemene beeld, is in deze theorie ook nog goed verklaarbaar door te wijzen op de extreem lange dag-(en nacht)periode die deze planeet kenmerkt. Wanneer de temperatuur in de luchtlagen van de hogere atmosfeer direct afhankelijk zijn van zonnestraling (wat logisch lijkt), valt uiteraard te verwachten dat een afwijkend beeld gaat ontstaan bij een planeet waar het 121,5 dagen per jaar nacht is.
Wanneer echter wordt gemeten, zoals door het ESA is gedaan, op de plaats waar de dag overgaat in de nachtperiode, kan het “gewone beeld” van een planeet in ons zonnestelsel vrij gemakkelijk worden herkend.

Pogingen de grens te verklaren

Wellicht de belangrijkste overgang in de atmosfeer, die dus blijkbaar op alle planeten met een aanzienlijke atmosfeer kan worden gevonden, is de tropopauze. Wat maakt deze overgang zo bijzonder?
In het artikel “De Tropopauze” van Maarten Ambaum wordt een tip van deze sluier opgelicht. Ambaum begint zijn uiteenzetting met de simpele constatering dat de grootschalige circulatie van de atmosfeer weliswaar een bijzonder complex verschijnsel is, maar dat deze ook gewoon moet voldoen aan de natuurkundige bewegingswetten.
De wet van behoud van energie leidt ertoe dat de temperatuur van een luchtmassa alleen maar kan veranderen door de toe- en afvoer van warmte. Wanneer deze afwezig is, blijft de potentiële temperatuur van een luchtmassa constant:
“Dit heeft belangrijke gevolgen voor de bewegingen in de atmosfeer. Als er geen warmtebronnen of putten zijn, dan moeten luchtmassa’s dus bewegen over isovlakken van potentiele temperatuur, zogenaamde isentrope vlakken of isentropen. Luchtmassa’s kunnen alleen door deze vlakken bewegen als ze worden opgewarmd (bijvoorbeeld door condensatie van vocht) of afgekoeld (bijvoorbeeld door uitstraling). Zo kan men de atmosfeer opgedeeld denken in oppervlakten van constante potentiele temperatuur, die als een stapel pannenkoeken op elkaar liggen. De hogere van die oppervlakken omspannen de gehele aarde, terwijl de lagere het aardoppervlak snijden. Dit is te zien in figuur 1, waarin een doorsnede van de atmosfeer in de noord-zuid richting is afgebeeld. De isolijnen lopen min of meer horizontaal. De lucht blijft, als stroop op de pannenkoeken, netjes op zijn eigen isentroop.
De potentiële temperatuur neemt vrijwel altijd toe met de hoogte (mogelijke uitzonderingen hierop zijn de planetaire grenslaag en convectieve gebieden). Boven een zekere hoogte is deze toename echter veel groter dan daaronder. Deze hoogte markeert de tropopauze, de grens tussen de troposfeer, de luchtlaag waarin wij leven, en de stratosfeer. Dit is goed te zien in figuur 1: boven de tropopauze liggen de isentropen dichter op elkaar dan daaronder.
De tropopauze is zo’n opvallend kenmerk van de potentiële temperatuursopbouw van de atmosfeer, dat deze door Hoskins (1991) een speciale rol kreeg toebedeeld in een nieuwe opdeling van de atmosfeer.”
Hierbij maakt Hoskins overigens gebruik van een grootheid die ‘potentiele vorticiteit’ wordt genoemd en die min of meer is afgeleid van de potentiele temperatuur. De tropopauze zou volgens deze bespiegelingen worden gedefinieerd als de luchtlaag waar een potentiële vorticiteit heerst van 2 potentiële vorticiteitseenheden (PVU), maar het voert te ver om hier al te diep op in te gaan. 
Van de troposfeer naar boven gaand door de atmosfeer, neemt de temperatuur af met ongeveer zes graden Celsius per kilometer. Boven een zekere hoogte blijft de temperatuur echter constant, of neemt zelfs weer iets toe (zie figuur 2). Deze overgang definieert traditioneel de positie van de tropopauze. De overgang in temperatuursverloop valt dus, zoals hierboven al besproken, samen met de overgang in de potentiële temperatuur.
Het (potentiële) temperatuursverloop met de hoogte is echter niet het enige waarin troposfeer en stratosfeer verschillen. Het vochtgehalte neemt boven de tropopauze enorm af, en het ozon-gehalte neemt sterk toe (zie figuur 2). Daarnaast is een relatief lage of hoge tropopauze een kenmerk van een lage-, respectievelijk hogedrukgebied. Zo blijkt de tropopauze niet alleen een thermodynamisch, maar ook een chemisch en een dynamisch gezicht te hebben.”
De tropopauze is dan ook niet alleen een overgang tussen twee luchtlagen, maar vooral een overgang tussen twee dynamische afgesloten systemen waar ook andere wetten van opwarming gelden.
Op basis van het bovenstaande is het niet meer dan logisch dat de tropopause een belangrijke grens is in de atmosfeer die enerzijds een forse barrière opwerpt voor gassen die (zoals kooldioxide) dagelijks ontstaan en worden opgenomen door de biosfeer, maar anderzijds ook een zodanige grens vormt dat fysische processen onder deze grenslaag, volledig kunnen afwijken van de fysische processen boven deze grens.

Processen in de troposfeer

Het is basis meteorologie: “De troposfeer is het onderste deel van de atmosfeer of dampkring om de aarde. Boven de poolgebieden is de troposfeer 8 kilometer hoog. In Nederland is de troposfeer 10 kilometer hoog. In de tropen is de troposfeer 16 kilometer hoog. Het onderste deel van de troposfeer heet de planetaire grenslaag (PGL) of ook wel atmosferische grenslaag. Boven de PGL heb je de vrije atmosfeer. De bovenkant de van de troposfeer heet de tropopauze. Deze vormt de grens tussen de troposfeer en de volgende laag: de stratosfeer. Kenmerk van de troposfeer is dat de temperatuur met 6,5 graden Celsius afneemt als je 1000 meter hoger komt. In de stratosfeer neemt de temperatuur juist weer toe. De temperatuur boven in de troposfeer is -55 graden Celsius. De temperatuur daalt omdat de lucht van onder verwarmd wordt door de aarde. De aarde weerkaatst namelijk het warme zonlicht. Die warmte wordt opgenomen in de lucht. Hoger in de lucht dringt minder straling door en wordt ook minder opgenomen omdat de luchtdruk afneemt.”(https://wikikids.nl/Troposfeer)
De troposfeer wordt van onder verwarmd, de hogere lagen worden opgewarmd door zonnestraling die door specifieke moleculen, zoals ozon, wordt geabsorbeerd. De broeikas-theorie haakt hierop in door te stellen dat ook de troposfeer met name wordt verwarmd door de moleculen van de troposferische gassen die in staat zijn om deze straling op te vangen en vast te houden, de zgn. ‘broeikas-gassen” (met name waterdamp en kooldioxide).
 Toch heeft deze theorie de nodige moeite met het verklaren van een groot aantal fenomenen die we op andere planeten kunnen waarnemen. Hoe kan bijvoorbeeld op Jupiter en ook op Venus de uitgaande straling hoger zijn dan de inkomende straling?  Waarom zorgt de invallende zonnestraling op een berglandschap niet ook voor temperaturen die vergelijkbaar zijn met die van het laagland? Waarom is de temperatuurdaling in de troposfeer zo verbazend constant, maar dan wel op wat hogere hoogtes (boven de planetaire grenslaag)? En vooral ook: waarom is de temperatuur boven de planetaire grenslaag (van 200-2.000 meter)  niet meer afhankelijk van het dag- en nachtritme?
Het zijn vragen waar een andersoortige opwarmings-theorie antwoorden op zou kunnen geven. Een theorie die vanwege haar theoretische karakter (een bepaald basisbegrip van natuurkundige  beginselen is wel vereist) tot dusverre weinig weerklank heeft gekregen bij het grote publiek. Maar die ook, vanwege het feit dat kooldioxide geen belangrijke opwarmingsrol heeft, ten onrechte is weggezet als ‘denier-theorietje’.
Voor degenen die desondanks zijn geïnteresseerd, wil ik in het onderstaande nader ingaan op deze theorie.

Zwaartekracht

In de troposfeer is de interne druk van de lucht in hydrostatisch evenwicht met de zwaartekracht. De interne druk van gasmoleculen maakt dat de aardatmosfeer, als gevolg van de zwaartekracht, niet inklapt tot een dunne, dichte schil, terwijl zwaartekracht anderzijds verhindert dat de interne druk van het gas ervoor zorgt dat de gasmoleculen door diffusie ontsnappen naar de ruimte.
Dit evenwicht zorgt er voor dat de verdeling van de troposfeer is, zoals zij is en uiteindelijk zal blijken dat de zwaarte van de atmosfeer zorgt dan dus tegelijk voor haar eigen opwarming of “broeikas-effect”. Hoe dat gebeurt is met vrij eenvoudige wis/ natuurkunde nog wel te volgen, maar het zou in deze pagina’s toch wat misplaatst staan om de uitwerkingen van deze theorie onverkort in dit tekstuele gedeelte te plakken. Voor degenen die nieuwsgierig geworden zijn, is hier een link naar de natuurkundige processen.
 De zonnestraling is dus in ieder geval belangrijk om de initiële, nabij het absolute nulpunt verkerende, dan nauwelijks bewegende (vaste) atomen en moleculen, “tot leven te wekken”, waarmee een hydrostatisch evenwicht in de atmosfeer wordt gecreëerd. Voor een hydrostatisch evenwicht in de atmosfeer is het in ieder geval nodig dat de elementaire deeltjes voldoende energie bezitten om gasvormig te kunnen zijn. M.a.w. de stof heeft zijn kookpunt bereikt en de interne druk van de atmosfeer-deeltjes niet gelijk is aan nul. 
Vervolgens is de troposfeer de belangrijke overgang waar zwaartekracht een dominante rol begint te spelen bij de opwarming. En dat heeft natuurlijk ook consequenties voor de verschillende temperatuurverschillen op Aarde. Dit betekent uiteraard wel een omkering van de klassieke logica, zoals bijvoorbeeld te vinden ophttps://www.keesfloor.nl/weerkunde/3atmosfeer/3atmosfeer.htm:  “[De troposfeer] is de laag tussen het aardoppervlak en gemiddeld 13 km hoogte. Boven de polen is de troposfeer als gevolg van de lagere temperaturen ongeveer 8 km dik, terwijl hij boven de tropen, waar de lucht veel warmer is, tot zo’n 16 km reikt.”
Het is anders, het is onder meer zo koud op de polen omdat de tropopauze zo laag begint.
Zo biedt het ook een elegante oplossing voor het bestaan van de verschillende seizoenen. Wanneer de onderste lagen in contact staan met de planetaire grenslaag, zullen deze, al naar gelang de temperatuur die dan hier aanwezig is, worden opgewarmd. Maar dat leidt weer tot een terugkoppeling omdat dit ook de energie binnen de isentroop bepaalt en dus de mate waarin de laag stijgt.
Dit maakt dat de hoogte van de troposfeer verandert gedurende de seizoenen. De troposfeer is lager in de winterperiode, maar hoger in de zomer. En dat maakt dus weer dat het in de winter veel kouder is dan in de zomer en je dus in de winter ook bij prachtig windstil, zonnig weer, toch nog (qua temperatuur) sneeuwcondities kunt houden. Iets wat vrij lastig te verklaren is binnen de stralingstheorie…
Binnen de troposfeer neemt de ‘Planetary Boudary Layer’ een bijzondere positie in. Alleen in dit deel van de atmosfeer is er zoiets als een ‘dagelijkse gang’ te bespeuren. Het is het deel van de atmosfeer waarin wij leven en die wij elke dag ervaren. De unieke eigenschappen van de PBL verdienen dan ook allereerst een nadere studie, voordat een antwoord kan worden gegeven op de vraag hoe ons klimaat functioneert.

De ‘Planetary Boudary Layer’

De Aardse PBL is uniek in ons Zonnestelsel. Zoals we hierboven al uiteen hebben gezet  wordt de gemiddelde temperatuur op een planeet in ons zonnestelsel veelal bepaald door één bepaalde soort van opwarming; convectie- of stralingswarmte. De temperaturen op Jupiter en Venus worden duidelijk bepaald door adiabatische opwarming, opgewekt door zwaartekracht. De temperaturen op Mars, de Maan en Mercurius worden duidelijk bepaald door stralingswarmte.
Een kenmerkend onderscheid tussen beide is dat de dagelijkse gang op de eerstgenoemde planeten te verwaarlozen is, terwijl die op de laatstgenoemde hemellichamen juist heel groot is. Iets wat samen moet hangen met het feit dat straling als energietransport instantaan is.
De Aarde is echter een mengplaneet, de enige in ons zonnestelsel. Er is verschil tussen dag en nacht, maar die is niet vergelijkbaar met de dagelijkse gang van bijvoorbeeld de Maan. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat, zoals hierboven besproken, de zwaartekracht voor temperaturen zorgt die de Aarde leefbaar maken. Maar toch kan niet worden voorbij gegaan aan het gegeven dat ook de zonnestraling overdag voor een gemiddelde temperatuur kan zorgen die eigenlijk heel (on)aangenaam kan zijn.
In het rapport “Zonnestraling  in Nederland” (KNMI, 1992) wordt bijvoorbeeld aangegeven dat de gemiddelde globale straling  bijvoorbeeld in De Kooy, in het toch niet al te tropische Nederland, tussen 11 en 12 uur UT in juni 611 Wm-2 is. Dit betekent dat de temperatuur van de bodem hierdoor (zonder warmte-uitwisseling) naar een zelfs iewat onprettige 49 graden Celsius zou stijgen. De hoge temperaturen die op deze wijze berekend kunnen worden, zullen echter door diverse warmte-uitwisselingprocessen op een draaglijk niveau worden gehouden. Een belangrijke vraag is dan natuurlijk wel; hoe mengen de luchtlagen zich dan wel in de praktijk?
De ondergrens van de PBL wordt gevormd door het aardoppervlak, de bovengrens wordt de menglaaghoogte genoemd. De menglaaghoogte vormt een scheiding tussen twee lagen van de atmosfeer, de menglaag en de vrije troposfeer, waartussen, zoals uit bijvoorbeeld de onderstaande dagverloop blijkt (waarin de dagelijkse gang op een willekeurige zomerse dag in De Bilt is weergegeven), maar weinig uitwisseling plaatsvindt.
We zien hierboven ’s ochtends een flinke inversie tussen PBL en vrije troposfeer, veroorzaakt door de energie-uitwisseling van de PBL en de in de nachtperiode flink afgekoelde aardoppervlakte, die zich gedurende de dagperiode herstelt en zich ’s avonds opnieuw ontwikkelt.
We zien dus een vlak temperatuursverloop binnen de vrije troposfeer en inderdaad een PBL die haar naam eer aandoet.
Boven het PBL waait de wind bij benadering geostrofisch (parallel aan de isobaren), terwijl binnen het PBL de wind wordt beïnvloed door de wrijving aan het aardoppervlak en over de isobaren draait.

Toch broeikaseffect, alleen, de naam is juist

De temperatuur in de troposfeer stijgt met een natuurkundig vastgelegde rato, je zou dan kunnen verwachten dat de temperatuur op de Aardoppervlakte vrijwel overal gelijk zou zijn. Maar het is duidelijk dat dit niet het geval is. De onderste laag van de atmosfeer laat zich van een heel andere kant zien door de wisselwerking met de aardse bodemlagen, die als zwarte straler fungeert. Voor ons is dit deel waar deze wisselwerking plaats vindt, de grenslaag of Planetary Boudary layer (PBL), het belangrijkste deel van de tropsfeer.
Deze zone grenst aan het aardoppervlak en kan ook worden gedefinieerd als de zone waarbinnen wind en temperatuur binnen een tijdschaal van een uur door het aardoppervlak beïnvloed worden. Maar misschien is het beter om de PBL te definiëren als de zone in de troposfeer waarbinnen een duidelijke dagelijkse gang kan worden waargenomen.
Hoe kan de PBL, waar dus de dagelijkse gang plaatsvindt voor een zo grote energiebuffer kan zorgen als zij schijnbaar heeft?
Dit effect wordt meestal toegeschreven aan de isolerende werking van de atmosfeer, maar de atmosfeer in de ‘boundary layer’ zit (meestal) vol met broeikasgassen wat maakt dat de thermisch-isolerende werking van dit stukje atmosfeer helemaal niet zo groot is. Waarom ontsnapt de warmte van de PBL niet direct naar de bovenliggende lagen?
Ik zie eigenlijk maar één verklaring die hiervoor kan worden gevonden en dat is een continue aanwezigheid van een inversielaag, waarvan de temperatuur op een constant niveau wordt gehouden. Maar waar komt de warmte om deze temperatuur constant te houden dan vandaan, als het niet uit de PBL zelf komt ?(want dan zou er ook een verschil in de dag- en nachtperiode moeten bestaan in de hoogte van de tropopauze en dat is dus niet het geval)
Dat suggereert dus geen opwarming van onder (broeikas), maar van boven, wat alleen kan worden verklaard door de aanwezigheid van adiabatische opwarming!
Misschien is het goed om, bij de bespreking hiervan, nog even stil te staan bij de drie basisvormen van warmteoverdracht, waarvan er twee in het broeikas-debat nauwelijks worden besproken:
– Straling (radiatie). Dit is warmteoverdracht tussen twee lichamen, die niet met elkaar in aanraking zijn. Het ene lichaam is warm en geeft daardoor veel elektromagnetische straling af en verliest zo warmte, en het andere lichaam absorbeert een deel van de binnenkomende straling en zet die om in warmte.
– Geleiding (conductie). Dit is directe warmteoverdracht, waarbij warmte stroomt van deeltjes met de hogere kinetische energie (temperatuur) naar minder energierijke (koudere) deeltjes.
– Stroming (convectie). Dit is warmteoverdracht door verplaatsing van een vloeistof of gas met een ten opzichte van de omgeving afwijkende temperatuur.
In de broeikas-theorie is er eigenlijk maar aandacht voor de dreiging van een toegenomen hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer en kooldioxide kan eigenlijk alleen maar van belang zijn bij de eerste vorm van warmteoverdracht: radiatie. Het kooldioxide molecuul is immers in staat om het door de aarde uitgestraalde infrarode licht van 5 tot en met 40 micrometer gedeeltelijk op te nemen en zodoende zorgt meer kooldioxide (in deze theorie) voor meer warmte-absorptie.
Toch laat de ontwikkeling van de PBL gedurende de dagelijkse gang, zoals hierboven al aangegeven, een plaatje zien dat eigenlijk helemaal niet bij stralingsoverdracht hoort. Er vindt een warmte-inversie in de onderste grenslaag van de atmosfeer, de PBL, plaats. Maar waarom kan deze inversie niet door stralingsenergie worden overbrugd? Waarom is de dagelijkse gang alleen in de PBL te zien?
En hoe kan het dat de tegenstraling van de atmosfeer in de dagperiode nauwelijks warmte toevoegt, maar ’s nachts een onuitputtelijke bron voor stralingsenergie vormt? Waarom zou alle stralingsenergie alleen overdag kunnen ontsnappen?
Men hoeft geen doorgewinterde natuurkundige te zijn om te zien dat dit plaatje minder bij straling, maar veel beter bij convectie-warmteoverdracht past. Energie wordt opgenomen door de broeikas-gassen en door hen verspreid en vastgehouden door de gasmoleculen van de PBL. De warmteoverdracht vindt plaats door transport van de deeltjes. Alleen bij deze vorm van warmteoverdracht is het mogelijk dat in de nachtperiode de krimp van de grenslaag zorgt voor warmtetoevoer naar het aardoppervlakte. Er is dan een menging binnen de PBL (in het Nederlands niet voor niets menglaag genoemd) van door de aardkorst afgekoelde deeltjes  (er gaat energie verloren door de opwarming van de aardkorst) en de nog warme moleculen aan de bovenkant van de PBL. Dit vindt iedere nacht plaats, behalve als er zich in de PBL zelf ook een inversie vormt, (vaak bij wolkeloze nachten), dan koelt alleen de (veel kleinere) laag af die onder deze inversielaag ligt, wat in dat geval ook zorgt voor ongewoon snel dalende temperaturen van het aard-oppervlakte. Dat is dus ook wat we zien gebeuren (dat is ook de reden waarom zich geen wolken vormen in dergelijke ‘stralingsnachten’).
En dit is dus ook wat kan worden waargenomen. De convectiestromen in de PBL laten zien dat de warmte van de zonnestraling overdag niet “ontsnapt”.
Dat deze vorm van energieoverdracht tussen aardkorst en atmosfeer kan worden gemeten als tegenstraling, is natuurlijk ook weer niet zo vreemd, want dat vindt altijd plaats bij energieoverdracht tussen gas (atmosfeer) en vaste stof (aardkorst).
Volgens de wetenschappelijke basis van het vierde IPPC rapport AR4 (2007) is een belangrijke eigenschap van de Aardwetenschappers [zoals de broeikas-theoretici] dat zij niet in staat zijn om gecontroleerde experimenten te doen met de aarde als geheel en om dan de resultaten te observeren. In deze zin is de wetenschap die zich bezighoudt met de studie van de Aarde vergelijkbaar met de disciplines zoals astronomie of kosmologie, die ook geen experimenten kunnen uitvoeren met de melkwegstelsels of de kosmos.
Dit is volgens het rapport een belangrijke observatie, omdat zulke de gehele aarde omvattende experimenten, die de volle complexiteit van de interacterende processen en feedback’s omvatten, idealiter nodig zijn om de klimaatveranderings-hypothese te kunnen bevestigen of falsificeren. (Schellnhuber et al. 2004, opgenomen in: TAR, WG1, pg 98).
Echter, in dit geval zou het natuurlijk wel mooi zijn om te zien of misschien dan wel proefondervindelijk kan worden aangetoond wat de verhouding is tussen stralings-, geleidings- en convectie-energie bij warmtetransport in de atmosfeer? Misschien kan dit dan toch wel worden aangetoond met natuurkundige proefjes. Sterker nog, wellicht zijn die proeven al meer dan een eeuw geleden al gedaan.
Aan de hand van aantal hele simpele proeven, kon professor Wood immers al in 1909 aantonen dat een andere vorm van warmte-overdracht (convectie) van veel groter belang was voor de warmte-uitwisseling tussen de opgewarmde aardkorst en atmosfeer dan de radiatie, waarbij kooldioxide zo’n grote rol zou kunnen spelen. Een wat meer uitgebreide vorm van dit experiment werd gedaan door Noor van Andel, uiteengezet in zijn KNMI-presentatie.https://www.climategate.nl/wp-content/uploads/2010/09/KNMI_voordracht_VanAndel.pdf
Ook in de astronomie kunnen we (experimenteel bepaald) leren dat wanneer de opaciteit van een medium groot is, het transport van energie door de stralings-transport inefficiënt wordt. Het belang van de stralingsdiffusie neemt dan af ten opzichte van andere vormen van energietransport zoals convectie en geleiding. Toch zou het eenieder duidelijk moeten zijn dat wanneer alle infrarode straling binnen een afstand van 30 meter wordt geabsorbeerd door de atmosfeer, straling misschien inderdaad wel een weinig efficiënte manier van energietransport is en daarmee wellicht kwantitatief ook ondergeschikt is aan andere vormen van energie-overdracht.
Bij dit alles drijft de hypothese dat straling de bepalende grootheid is voor de temperatuur op Aarde op nog maar één enkele, maar natuurlijk wel overtuigend argument. De energie die de zon naar de Aarde zendt is stralingsenergie. Afkoeling van de Aarde is alleen maar mogelijk door het uitstralen van energie. Het medium (de ruimte tussen zon en Aarde en rondom de Aarde) laat immers geen andere mogelijkheid open. 
Maar bij deze theorie, waarbij de zwaartekrachtsenergie dus verwaarloosd wordt, is men gedwongen om een gebruik te maken van gekunstelde constructies zoals een fictief stralingsevenwicht op 5 kilometer hoogte (in gematigde streken, 8 km in de tropen) die zorgt voor opwarming dan wel afkoeling van de planeet. Ook blijft de temperatuur op andere planeten noodgedwongen onbesproken, simpelweg omdat de theorie van het stralingsevenwicht niet klopt! 
Verwarring
De broeikas-these is in feite contra-intuïtief. Natuurlijk erkent ook de IPCC het belang van convectie en zijn filmpjes als bovenstaande gebruikt ter illustratie van de bron van de tegenstraling. Alleen klopt er in dit model iets niet. Normaal gesproken gaat de opgewarmde lucht naar boven en verdwijnt. Convectie is veruit de snelste manier van warmtetransport, dus hoe zou stralingtransport, afkomstig van deze verdwijnende opgewarmde lucht, ooit de aardkorst weer kunnen bereiken? 
Een planeet of maan zonder atmosfeer geeft dan ook een normaal beeld. Overdag opwarming en uitstraling tot een bepaald maximum is bereikt, ’s avonds bittere kou omdat er geen opwarming meer is. 
Op de Aarde (en andere planeten met een dichte atmosfeer) is dat anders. De aardkorst wordt nu ’s nachts opgewarmd door dezelfde lucht die overdag nog naar verre oorden vertrok. maar nu dus weer, met dank aan de ‘onbegrijpelijke’ inversie, die we in de bovenstaande video mooi in beeld zien gebracht, weer terugkeert naar de Aardkorst, om deze ’s nachts te verwarmen. Binnen de PBL zal de onderste laag afkoelen in de nachtperiode, door de wisselwerking met de aardkost, maar deze koelere lucht zal zich weer mengen met de relatief warmere lucht boven de afgekoelde laag (in welke mate is afhankelijk van de dikte van de PBL). In zijn geheel zal de PBL afkoelen en de dikte van deze laag neemt dan ook duidelijk af in de nachtperiode.
Maar dan is de vraag dus (en die wordt onbeantwoord gelaten in de broeikastheorie): Hoe kan de inversie ontstaan die de warmte, die overdag door zonnestraling wordt opgenomen, blokkeert en dus niet opneemt?  
Voor de hand ligt dan het antwoord: “goede isolatie”, maar dat kan niet kloppen. In de troposfeer zijn nl. nogal wat broeikasgassen aanwezig die de isolerende werking van de troposfeer teniet doet. Sterker nog; hoe kan deze thermische blokkade dan in stand worden gehouden, ook gedurende de nachtperiode?
Er lijkt maar een logische verklaring denkbaar, die ook in overeenstemming is met de bovenstaande feiten.
De PBL ligt tussen de door de zwaartekracht opgewarmde atmosferische lagen van de tropopauze en de, vanwege de stralingswarmte, opgewarmde aardkorst. Deze beide warmtebronnen zullen net boven de PBL zorgen voor een hardnekkige temperatuurinversie zorgen.  Dat de temperatuurinversie hierdoor ontstaat, kan onder meer worden aangetoond door het gegeven dat de PBL flink in omvang afneemt gedurende de nachtperiode. Er is afkoeling in de onderste laag, waardoor de inversielaag dan naar beneden wordt gedrukt door de (door de zwaartekracht) opgewarmde bovenlaag van de troposfeer. 
De grenslaag tussen de onderliggende koelere PBL en de warmere laag daarboven, wordt visueel gemarkeerd door de basis van de wolken in het gebied. De top van het PBL is herkenbaar door een dunne laag nevel die vaak door passagiers aan boord van vliegtuigen kan worden waargenomen tijdens het opstijgen van luchthavens. Overdag wordt de lucht in het PBL grondig gemengd door convectie die wordt veroorzaakt door de verwarming van het aardoppervlak, maar ook door de turbulentie veroorzaakt door wrijving aan de aardkorst.
De dikte van het PBL hangt af van de intensiteit van deze oppervlakteverwarming, de ruwheid van de bodem en de hoeveelheid water verdampt uit de biosfeer in de lucht. Over het algemeen geldt: hoe groter de opwarming van het oppervlak, des te dikker is de PBL. In het geval van woestijnen kan het PBL zich uitstrekken tot 4.000 of 5.000 meter. Het PBL daarentegen is minder dan 1.000 meter dik over oceaangebieden, omdat hier weinig oppervlakteverwarming plaatsvindt, maar ook omdat de wrijving aan het wateroppervlakte minimaal is. 
Hoe natter de lucht in het gebied is en hoe groter de hoeveelheid extra water is die wordt toegevoegd door verdamping en transpiratie, hoe lager de hoogte van de bovenkant van het PBL.
De Encyclopaedia Brittannica weet hierover te melden dat voor elke 1° Celsius  toename van de dagelijkse maximale oppervlaktetemperatuur voor een goed gemengde PBL, de bovenkant van het PBL 100 meter hoger wordt, maar dat de transpiratie door jong blad zorgt voor een lagere PBL: “In de bossen van New England is aangetoond dat gedurende de dagen nadat in het voorjaar de bladeren zich vormen, de bovenkant van het PBL wordt verlaagd tot tussen 200 en 400 meter. Daarentegen is PBL tijdens de maanden vóór de lentebladvorming duidelijk hoger, naarmate de zon hoger aan de hemel stijgt en de daglengte toeneemt.”
Het Nieuwe Nationale Model van Nederland gaat er van uit dat een menghoogte van 200 m of minder in 50% van de tijd wordt gevonden. Slechts 20% van de tijd is
de menglaag hoger dan 500 m.  
Curieus is natuurlijk wel dat de naam ‘Broeikas-effect”, binnen dit model, dan eigenlijk heel goed getroffen lijkt. Evenals in een glazen broeikas wordt de temperatuur in de atmosfeer bepaald door het tegengaan van convectiestromen buiten de PBL. Evenals bij de eerste glazen broeikas-theorie het geval was, meende men dat de temperatuur binnen de glazen omhulling alleen kon worden verklaard door de stralingseigenschappen van het ondoorlaatbare medium hierbij te betrekken. Evenals bij de glazen broeikas, geldt voor het atmosferische broeikaseffect (waarvan de blokkade nog moeilijker is te zien),  dat dit niet het geval kan zijn. 
Resumerend
Ik kom tot de volgende conclusies. Allereerst zien we op alle planeten met een relatief dikke atmosfeer forse afwijkingen ten opzichte van datgene wat op  basis van stralingsevenwichten verwacht kon worden. Dit ongeacht de aard van de atmosfeer. Of de atmosfeer nu bestaat uit waterstof en helium (Jupiter), kooldioxide (Venus) of stikstof en zuurstof (Aarde) bestaat. Op al deze planeten is het (gemiddeld) fors warmer dan op planeten zonder atmosfeer.
Daarnaast zien we ook op al deze planeten eenzelfde structuur met afwisselend warmere en koudere lagen, totdat een grens wordt bereikt die ligt op ongeveer  0,1-0,2 bar. Vanaf daar is er, afhankelijk van de dikte van de onderliggende atmosfeer een met de hoogte zeer regelmatig toenemende temperatuur. Deze regelmatig toenemende temperatuur komt overeen met de adiabatische warmtetoename en kan worden berekend als zijnde een gevolg van de toename van de atmosferische druk. Zwaartekracht zorgt hier dus voor de toename van de temperatuur.
Op de grens waar de andere planeten en ook de Aarde plotseling een regelmatige adiabatisch opwarming laten zien, ligt de tropopauze. De tropopauze is een vrijwel ondoordringbare luchtlaag voor luchtlagen die als pannenkoeken gestapeld liggen in de troposfeer.
Onder deze tropopauze gaan luchtdeeltjes druk op elkaar uitoefenen, er vormt zich een hydrostatisch evenwicht (waarbij de zwaartekracht (die ervoor zorgt dat de gasdeeltjes niet uit de atmosfeer verdwijnen) en de interne spanning van de gasdeeltjes met elkaar in evenwicht zijn), met een hogere temperatuur als gevolg.
Bij planeten met een zeer dikke atmosfeer en een hoger druk zien we temperaturen die zeer hoog kunnen oplopen. De binnenste lagen van Jupiter bereiken temperaturen die vergelijkbaar zijn met de buitenkant van de zon. Ook op de oppervlakte van Venus worden extreem hoge temperaturen bereikt, die (volgens de broeikastheorie) merkwaardig genoeg ook niet of nauwelijks afkoelen in de nachtperiode. Dit betekent dat het opwarmend effect van de dagelijkse zonnestraling verwaarloosbaar is ten opzichte van de op de planeet zelf door zwaartekracht opgewekte adiabatische warmte.
De atmosfeer van de Aarde is hiervoor niet dik genoeg. De atmosfeer zorgt hier natuurlijk wel voor een enorme temperatuurbuffer, maar dat laat onverlet dat er wel degelijk een verschil is te zien in de dag- en nachtperiode. Dit verschil is natuurlijk bij lange niet zo groot als bijvoorbeeld bij Mars, Mercurius of de Maan, maar zeker in de onderste luchtlagen van de aardse atmosfeer is het verschil wel degelijk merkbaar. Deze onderste luchtlagen op Aarde worden de Planetary Boudary Layer (PBL) genoemd. Deze luchtlaag vormt een afgesloten geheel binnen de troposfeer door de continu aanwezige inversielaag. Deze ontstaat wanneer de, door de toegenomen druk opgewarmde luchtlagen, botsen op de luchtlagen die door de (door de stralingswarmte van de zon) warme aardkorst zijn opgewarmd.
Binnen de PBL zijn met name de convectieve luchtbewegingen van belang. De (indirect) door de zonnestralen opgewarmde luchtlagen blijven binnen de PBL. Dit betekent ook dat de PBL gedurende de dagelijkse gang steeds hoger (dag) en lager (nacht) wordt. Ook is het mogelijk dat zich binnen de PBL zelf, ook weer inversielagen gaan vormen, die zorgen voor grotere temperatuurverschillen gedurende de dag- en nachtperiode. 
Binnen de PBL is de leefruimte van de Aarde. De aanwezigheid van de ruimtelijk afgesloten PBL maakt dat er inderdaad ook zoiets is als een broeikas-effect is op Aarde. En maakt dat er diverse wisselwerkingen zijn tussen de temperatuur/ het klimaat en ruimtelijke ontwikkelingen op de Aardkorst. Hierdoor is er een belangrijke rol voor de golfstromingen van oceanen, stadsklimaten, grondwaterstanden, maar ook emissies van stoffen die een effect hebben op de ozonlaag en misschien zelfs kooldioxide, hoewel bij de laatste stof niet helemaal duidelijk is waar dit precies op zou aangrijpen…
Een invloed die bij dit alles naar mijn mening ten onrechte is verwaarloosd en die de zaken nog eens wat complexer maakt, is het doen en laten van de biosfeer, het organische doen en laten op onze planeet.  In het onderstaande wil ik deze stelling graag nader toelichten.

GAIA revisited

De samenstelling van onze atmosfeer is voor Lovelock een belangrijk fundamant voor zijn Gaia-hypothese.
De Zweedse scheikundige Lars Gunnar Sillén had zich in zijn onderzoek: “Regulation of O,, N, and CO, in the atmosphere; thoughts of a laboratory chemist” (1965), al het hoofd gebroken over de vraag hoe het mogelijk was dat de Aardse atmosfeer zozeer afweek van hetgeen op grond van de tweede hoofdwet van de thermodynamica verwacht kon worden. Immers volgens deze wet geldt dat de entropie van een geïsoleerd systeem dat niet in evenwicht is,  in de loop van de tijd toeneemt, tot het maximum voor dat geïsoleerde systeem is bereikt. Die toestand met de maximale entropie is de evenwichtstoestand.
Volgens Lovelock (1979) had Sullén berekend dat, op basis van een thermodynamisch evenwicht, de oceanen en de atmosfeer als volgt samengesteld zouden moeten zijn:
Deze berekeningen voor de atmosfeer komen nauw overeen met de waarden die Lovelock zelf in 1979 hanteert, maar ook met die van de andere ‘terrestrische’ planeten, waar de tweede hoofdwet van de thermodynamica blijkbaar wel gewoon van toepassing blijkt te zijn:
Vooral het gedrag van stikstof was volgens Sullén merkwaardig. Immers, wanneer stikstof in thermodynamisch evenwicht met zijn omgeving zou zijn: “one may show that practically all N would have been present as NO3 in the ocean and not as N2(g).”
Maar daar waar Sullén nog een vraagteken plaatste bij zijn opvatting dat ‘bugs’ verantwoordelijk zouden kunnen zijn bij het vreemde gedrag van stikstof op Aarde, wordt dit een uitroepteken bij Lovelock. De grondgedachte van Lovelock is dat organismen er als collectief op de een of andere manier ook voor kunnen zorgen dat de conditie van de biosfeer optimaal blijft voor hun eigen overleving. Deze grondgedachte wordt voor het grote publiek uitgewerkt in “Gaia, de natuur als levend organisme” (1979). Volgens Lovelock was de chemische onbalans van de Aardse atmosfeer een van de belangrijkste kenmerken van Gaia.
Natuurlijk is al algemeen bekend dat zuurstof in de atmosfeer is ontstaan als gevolg van de ontwikkeling van het fotosynthese proces, wat de toen nieuwe blauwwier-soorten bleken te beheersen, voorafgaand aan de grote ijstijden van het Huronien. Maar volgens Lovelock bleek dus ook te gelden voor de andere hoofdcomponent van de atmosfeer:
“Veruit het overvloedigste bestanddeel van onze atmosfeer is stikstofgas, dat 79 procent uitmaakt van de lucht die wij inademen. (…) Het heeft zich in de atmosfeer opgehoopt omdat het daaraan door denitrificerende bacterieën en andere processen van levende cellen is toegevoerd.”
Dan komt echter de vraag waarom de eencelligen zo bekommerd zijn om een energie-vragend proces in te zetten voor de productie van een gas wat eigenlijk geen enkel nuttig effect lijkt te hebben. En dat is weer in strijd met de Gaia-leer die overtuigend aangeeft dat vrijwel niets wat door ‘Gaia’ wordt geproduceerd, zonder nuttig effect voor het voortbestaan van Gaia is. Lovelock gaat hier kort op in:
“Welke voordelen zijn er voor de biosfeer aan verbonden om de atmosfeer opgeblazen te houden met stikstofgas, geheel in strijd met de verwachtingen van een stabiel chemisch evenwicht?
Er zijn verschillende mogelijkheden.
– In de eerste plaats kan het zijn dat een stabiel klimaat de huidige atmosferische dichtheid vereist en stikstofgas is een geschikt gas om een bepaald drukniveau mee op te bouwen.
– Ten tweede is een langzaam reagerend gas als stikstof waarschijnlijk het beste verdunningsmiddel voor zuurstof in de lucht, een atmosfeer die geheel uit zuurstof bestaat zou rampzalig zijn.
– Ten derde is het zo dat wanneer alle stikstof zich in de zee bevond in de vorm van nitraationen, dit het toch al moeilijke probleem om het zoutgehalte laag genoeg te houden, nog verder zou compliceren (…)
Elke van de genoemde redenen lijkt op zich al voldoende reden voor de biologische processen die ervoor zorgen dat stikstof uit de zee en vanaf het land wordt teruggevoerd aan de lucht.”
Het zijn profetische woorden vanuit de op deze website uiteengezette theorie. Het zal duidelijk zijn dat het eerste argument volledig aansluit bij de zwaartekracht-theorie, waardoor organismen/ ecosystemen inderdaad een heel effectief klimaat-reguleringsmechanisme ingebouwd hebben gekregen. Teleologische sturing van het klimaat. Eigenlijk het enig denkbare waardoor het klimaat van de Aarde ongeveer 3,5 miljard jaar, ondanks de ‘faint young sun-paradox’ (zie link) leefbaar is gebleven voor het leven.

Faint young sun

4,533 miljard jaar geleden botste de Aarde op dat wat we nu de protoplaneet ‘Theia’ noemen. Het resultaat was een aarde die opnieuw moest beginnen met aardevorming, maar nu begeleidt door een satelliet; de maan.
 
Geologisch onderzoek laat zien dat op de Aarde land en water reeds zo een 4,4 miljard jaar geleden aanwezig moeten zijn geweest. De aanwezigheid van water wijst ook op het bestaan van een atmosfeer die moet hebben belet dat al het nieuwe water tegelijk zou gaan verdampen.
Verondersteld wordt dat door grootschalige vulkanische activiteit gassen worden uitgestoten, waarvan de zwaarste ervan worden vastgehouden door het zwaartekrachtveld van de planeet. Zo ontstaat een ‘stabiele’ atmosfeer: waarschijnlijk een mengsel van voornamelijk koolstofdioxide [CO2], methaan [CH4], stikstof [N2] en een variabele hoeveelheid waterdamp [H2O] en ammoniak [NH3]. De atmosferische druk moet toen een riante 11.000 hPa geweest zijn. Ter vergelijking: wij leven in deze tijd onder een druk van gemiddeld 1.013 hPa. De oppervlaktetemperatuur moet ongeveer 85°C hebben bedragen en dat met een Zon die weinig warmte gaf.
Vanuit in dit schrijven uitgewerkte gravitatie-theorie lijkt het een voor de hand liggende vraag: als dit de consequentie is van een zo zware atmosfeer op de Aarde dan is dit toch een simpele oplossing voor de faint young sun paradox?
Zelfs wanneer de aardatmosfeer ‘maar’ twee maal zo zwaar zou zijn als tegenwoordig, betekent dit (wanneer de hoogte/druk verhouding van Venus hierbij ongeveer kan worden aangehouden), ook een 4 tot 5 kilometer dikkere troposfeer. Volgens de gravitatietheorie geeft dit dus een extra opwarming (boven de al bestaande 33 graden van het huidige “broeikaseffect” (om deze term toch maar even te gebruiken)) die 24-30 graden Celsius zou bedragen!
Onnodig te zeggen dat dit ruim voldoende compensatie biedt voor de lagere hoeveelheid ingestraalde zonnestraling (198 W/m2 tegenover de 238 W/m2 van dit moment).
Vast staat dat ondanks de ‘faint young sun’, er gedurende het gehele tijdvak van het Archaïcum geen bewijzen zijn gevonden van een aanwezige ijstijd. Dit overigens met uitzondering van de grensperiode naar het Proterozoïcum, de Huronische ijstijd.
Wikipedia meldt over deze periode het volgende:
“Vóór de Huronische ijstijd waren de meeste organismen anaëroob, maar rond deze tijd ontwikkelden de cyanobacteriën het fotosynthese-proces. Deze bacteriën konden zich exponentieel voortplanten dankzij hun nieuwe ecologische niche, waarbij ze gebruik maakten van de overvloedige energie van het zonlicht.
Hun fotosynthese produceerde zuurstof als afvalproduct dat in de lucht werd uitgestoten. Aanvankelijk werd de meeste van deze zuurstof geabsorbeerd door de oxidatie van ijzer aan het oppervlak en de afbraak van levensvormen. Naarmate de populatie van de cyanobacteriën echter bleef groeien, raakten deze zuurstofputten verzadigd.
Omdat zuurstof de meestal methaanatmosfeer “vervuilde”, vond een massa-extinctie plaats van de meeste levensvormen, die anaëroob waren en voor wie zuurstof giftig was. Methaan veranderde van dominant in de atmosfeer in een sporengas, omdat het werd geoxideerd tot kooldioxide en water. Er ontstond een andere atmosfeer die dunner was, met minder krachtige broeikasgassen. De temperatuur op aarde daalde, deels omdat de helderheid van de zon op dat moment lager was, waardoor de aarde kwetsbaarder was voor een afname van broeikasgassen.
Aangenomen wordt dat de Huronische ijstijd de eerste keer was dat de aarde volledig bedekt was met ijs, en de fotosynthese praktisch stopte. “
De atmosfeer van de Aarde veranderde door toedoen van de blauwalgen, wat onder meer een ernstige reductie van de dikte van de atmosfeer met zich meebracht.
Sanjoy Som wist in een artikel uit 2012 aan de hand van fossiele regendruppel-inslagen in Zuid- Afrika aan te tonen dat de luchtdruk op Aarde, 2,7 miljard jaar geleden, in ieder geval niet meer kon zijn dan de helft van de huidige waarde. De ‘dikte van de atmosfeer’ op Aarde nam af, evenals de temperatuur…
Deze periode was immers ook het begin van de serie van ijstijden die al in de laatste periode van het Archaïcum werd ingezet. Een van de oudste getuigen hiervan vinden we terug in de 2,8 miljard jaar oude sedimenten van het Zuid Afrikaanse Witwatersrand. Maar van de vroege ijstijden rond 2,3 miljard jaar geleden, de ijstijden van het Huronien, vinden we op meerdere continenten de kenmerken terug.
De temperaturen op Aarde fluctueerden in die periode mogelijk meer dan ooit. Dit zou dan, volgens de gravitatie-theorie, dan ook samen moeten hangen met grote veranderingen in de dikte van de atmosfeer.
Hierin lijkt pas enige verandering te komen wanneer zich de eerste meercellige organismen ontwikkelen, ongeveer 600 miljoen jaar geleden. De atmosfeer moet er op dat moment al veel ‘moderner’ hebben uitgezien, omdat immers bekend is dat multi-cellulaire dieren niet kunnen bestaan bij zuurstofgehalten lager dan 10 procent van het huidige gehalte zuurstof. Voldoende zuurstof ook om een beschermende ozonlaag te kunnen vormen.
Op dat moment was de Aarde net bekomen van haar snowball-gedaante, die vanaf 800 miljoen jaar geleden mogelijk ongeveer 12 miljoen jaar had aangehouden.
Maar met dan al een flink opgewarmde zonnekracht zou, met een op de huidige situatie vergelijkbare atmosfeer, de gemiddelde temperatuur op Aarde al een gemiddelde temperatuur van negen graden Celsius hebben laten bedragen, opklimmend tot 14 graden Celsius op dit moment.
Bijzonder blijft natuurlijk wel dat de Aarde lijkt te streven naar een bepaalde temperatuur-marge waarbinnen leven mogelijk is. En het heeft er alle schijn van dat het leven, als een groot eco-systeem hiervoor verantwoordelijk is. Dit onder meer door bulk-gassen zoals stikstof actief te produceren, maar ook door de afbraak van weer andere gassen die op enig moment dominant geweest moeten zijn. Bijvoorbeeld kooldioxide is in potentie natuurlijk voor de omvang van de atmosfeer een zeer belangrijk gas.
“In den beginne”, toen de Aarde na de botsing met de maan opnieuw afkoelde, zou volgens Feulner een oceaan zijn ontstaan met een temperatuur van 500 K, die mogelijk werd door een kooldioxide deken van ongeveer 100 bar! Het gegeven dat het gehalte sedimentair koolstof (plantenresten) met 15*10^18 kg, na de anorganische binding aan Kalk en Dolomiet met afstand de belangrijkste koolstof-opslag ter wereld is (20% van de totale hoeveelheid = 20 bar!), betekent wel degelijk dat er een belangrijke temperatuur-invloed door de biosfeer wordt uitgeoefend; het is alleen niet op de manier die Lovelock (en Sagan) hadden bedacht…
Dit onderdeel van de Gaia-theorie sluit natuurlijk uitstekend aan bij de zwaartekracht-theorie, waardoor organismen dus blijkbaar inderdaad een heel effectief klimaat-reguleringsmechanisme ingebouwd hebben gekregen. Ook biedt het naar mijn mening de enig mogelijke oplossing, voor de ‘faint young sun-paradox’. 
Toeval? Eigenlijk nauwelijks voorstelbaar, maar vooralsnog ook een hypothese. Maar kritiek op de Gaia-theorie van Lovelock die dit soort van studies en interpretaties mogelijk had gemaakt, kon natuurlijk niet uitblijven.
Om voor het examen wetenschapper te slagen heeft Lovelock een aantal behoorlijke ‘misslagen’ geproduceerd. Nadat het neo-Darwinisme als ‘officiële leer’  is geaccepteerd, is het eigenlijk verboden om doelgerichtheid (teleologe) binnen een wetenschappelijke leer te poneren. De invloedrijke theoreticus Ernst Mayr stelde dan ook: “Die evolution gibt zwar Zweckmässigkeit, aber ist nie zielgerichtet”. Dat wordt hier natuurlijk wel ‘vergeten’.
Lovelock poogt dan ook een en ander nog te herstellen door  hoofdstuk 4 van zijn ‘Gaia’ uit 1979 te wijden aan de leer van de cybernetica. Echter, zoals Soontiëns (1993) in zijn “Natuurfilosofie en milieu-ethiek” overtuigend aantoont is de cybernetica met handen en voeten verknoopt aan de teleologie: “De terugkoppeling-regulatie dient de handhaving van een of andere norm, of de aanwezigheid van iets wat als ‘doel’ wordt herkend. Pas binnen het kader van een doelstelling kan een terugkoppelingsmechanisme zijn corrigerende activiteit uitvoeren. Doel en terugkoppeling worden door dit regulatiemechanisme voorondersteld. Terugkoppeling veronderstelt teleologie… Omdat we in staat zijn om systemen te maken, die ons eigen doelgerichte handelen nabootsen, meent hij de doelgerichtheid in zijn algemeen, op mechanistische wijze te kunnen verklaren.”
Het taalgebruik in de bovenstaande passage ‘verraadt’ Lovelock echter, en de wetenschappelijke hoon van de zwaargewichten belast met de bewaking van het mechanistische -neo-Darwinistische-  wereldbeeld, was zijn deel. Kritiek van mannen zoals John Maynard Smith (die de theorie ‘een kwaadaardige religie’ noemde) en Richard Dawkins ( die over de theorie simpelweg stelde dat zij in tegenspraak was met Darwins evolutietheorie) of Paul Ehrlich (die Lovelock zelf als ‘radicaal en  gevaarlijk’ omschreef) maakte korte metten met ‘Gaia’ als wetenschappelijke theorie.
Hoofdschuddend moeten zij dan ook hebben waargenomen hoe Lovelock in een later schrijven nog verder gaat over de rol van organismen op het klimaat.
Al in Gaia (1979) bespreekt hij zijn reis met de Shackleton (1971), om merkwaardige micro-organismen te bestuderen die actief zwavelhoudende verbindingen (dimethylsulfide) in de atmosfeer brengen, waardoor de zwavelkringloop zou kunnen worden gesloten. Hij schrijft:
“Het mysterie van het zwaveltekort begon een paar jaar eerder, toen wetenschapsmensen die de zwavelkringloop nagingen, bemerkten dat door de rivieren permanent meer zwavel vanaf het land de zee in werd gespoeld dan van alle bekende bronnen op het land samen afkomstig kon zijn (…) zij werden geconfronteerd met een discrepantie in de ordegrootte van honderden miljoenen tonnen per jaar (…)
Professor Challenger had [vervolgens] aangetoond dat een groot aantal soorten in zee levende algen, in staat waren om grote hoeveelheden dimethylsulfide te produceren. (…) Vooral in de kustwateren vinden we bepaalde soorten alge-achtige zeewier, die beschikken over een verbazend doeltreffend mechanisme om zwavel te onttrekken aan sulfaationen in de zee en die om te zetten in dimethylsulfide. (…) het lijkt op dit moment redelijk om te veronderstellen dat dimethylsulfide de ontbrekende zwavelhoudende substantie is.”

CLAW

In het Nature nummer van 16 april 1987 verschijnt Lovelock samen met Charlson, Andreae en Warren als auteur van het artikel “Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate”. De in het artikel uiteengezette theorie, wordt al snel naar de voorletters van de auteurs de ‘CLAW-hypothese’ genoemd.
In het artikel wordt uiteengezet dat het fytoplankton dat dimethylsulfide (DMS) produceert, reageert op variaties in klimaatforcering, en ook dat deze reacties werken om de temperatuur van de atmosfeer van de aarde te stabiliseren.
DMS zou zorgen voor de onontbeerlijke nuclei (cloud-condensation nuclei (CCN)) waaromheen waterdamp zich bindt, om uiteindelijk kleine waterdampdruppels te produceren. Deze geconcentreerde waterdamp vormt wolken en deze zouden dan zorgen voor een noodzakelijke verkoeling van de biosfeer.
De auteurs vatten hun studie op de volgende wijze samen:
“De belangrijkste bron van wolkcondensatiekernen (CCN) boven de oceanen blijkt dimethylsulfide te zijn, dat wordt geproduceerd door planktonalgen in zeewater en oxideert in de atmosfeer waardoor een sulfaataerosol wordt gevormd. Omdat de reflectie(albedo) van wolken (en dus het stralingsbudget van de aarde) gevoelig is voor de CCN-dichtheid van deze wolken, zou biologische regulering van het klimaat mogelijk zijn door de effecten van temperatuur en zonlicht op de fytoplanktonpopulatie en dus ook op de productie van dimethylsulfide.
Om de opwarming als gevolg van een verdubbeling van atmosferische C02 ‘tegen te gaan’, zou een geschatte verdubbeling van CCN nodig zijn.
Klimatische invloeden van de biota worden meestal in verband gebracht met biologische afgifte en opname van C02 en CH4, door het effect van deze gassen op de infrarode stralingseigenschappenvan de atmosfeer. Echter ook het atmosferische aerosolneemt deel aan de stralingsbalans, en Shaw heeft al vastgestelddat aerosolen, geproduceerd door de atmosferische oxidatie vanzwavelgassen uit de biota, ook het klimaat kunnen beïnvloeden.
Tot dusverre zijn defysieke en biologische aspecten van deze intrigerende hypothesenog niet gekwantificeerd, maar er zijn drie recente ontdekkingen gedaan waardoor dit is mogelijk wordt voor de afgelegen mariene atmosfeer.
(1) De meeste soortenvan fytoplankton, alomtegenwoordig in de oceanen, scheiden dimethylsulfide (DMS) uit dat naar de lucht ontsnapt waar het reageert met andere stoffen, om vervolgens een sulfaat- en een methaansulfonaat (MSA) aerosol te vormen.
(2) Ditniet-zeezout sulfaat (NSS-SO4) aerosol is overal te vindenin de mariene atmosferische grenslaag.
(3) Aerosoldeeltjesdie fungeren als wolkcondensatiekernen (CCN) in de marinesfeer zijn voornamelijk, misschien bijna uitsluitend, dezedezelfde NSS-SO4 deeltjes.In dit artikel laten we zien dat de emissie van DMS uit fytoplankton voldoende is om te fungeren als de gasvormige precursor van CCN in de afgelegen en niet-verontreinigde mariene atmosfeer te rechtvaardigen.
In dit artikel wordt opnieuw de fysieke rol van de sulfaataerosol inatmosferische stralingsoverdracht, vooral in wolken, die verantwoordelijk zijn voor het grootste deel van het albedo van de aarde, en komen dat toe tot een schatting van degevoeligheid van de temperatuur op aarde voor veranderingen in CCN. Ten slotte onderzoeken we de geofysiologie van hetsysteem bestaande uit fytoplankton, DMS, CCN en wolken, wat als planetaire thermostaat zou kunnen fungeren.”
In de jaren die zouden volgen werd de CLAW hypothese nadrukkelijk getoetst, om vervolgens in het blad Oceanography and Marine Biology (2014) door het artikel van de hand van Green & Hatton: “The Claw Hypothesis: A New Perspective on the Role of Biogenic Sulphur in the Regulation of Global Climate”, hard afgewezen te worden. Op basis van een literatuurlijst van maar liefst 169 artikelen kwamen de auteurs tot een volgende vernietigende conclusie:
“When proposed, the CLAW hypothesis was genuinely visionary, combining atmospheric chemistry and physics, biochemistry, climate science, and marine biology into one plausible feedback loop. More than two decades later, it is becoming increasingly clear that CLAW has not stood the test of time and, in a sense, has masterminded its own downfall by inspiring a generation of research that has allowed us to more fully appreciate the complexity and interrelationships of marine, atmospheric, and terrestrial biogeochemistry. So, although we cannot rule out a marine biogenic influence on Earth’s climate, the CLAW hypothesis, in its original form, must be rejected as a comprehensive explanatory model.”
Op de inhoud van dit artikel, en de consequenties voor de Gaia-theorie, zal in de webpagina “De verschroeide Aarde” nader worden ingegaan. Het is denk ik overzichtelijker om de verschillende aspecten van het Gaia-model, zoals ze volgens mij zijn waar te nemen, op één afzonderlijke pagina te bundelen. 

De verschroeide Aarde

Wanneer het dan de theorie van Lovelock, door het CLAW artikel wat al te snel in de vergetelheid is geraakt, is het natuurljik toch de vraag in hoeverre deze theorie dan aanknopingspunten kan bieden voor een verklaring voor de vele temperatuurrecords die de eenentwintigste eeuw nu al rijk is?
Wanneer komt er weer een fraaie winter, zoals op het plaatje hiernaast?
Ik wil hier graag in de volgende pagina op ingaan, waarnaar de link op het mooie wintertafereel hiernaast verwijst (en nee, het is geen wintertafereel)…