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 (ook in Nederland, en daar maak je dus geen vrienden mee) die er dus anders over denken. En daar zijn ook goede redenen voor te verzinnen. Om te beginnen bij de “keiharde fysica uit het lab”.
Het onwaarschijnlijke broeikaseffect
Waarschijnlijk de belangrijkste proef om het broeikaseffect aan te tonen gaf een negatief resultaat. Hoe kon het zijn dat de infrarode straling die aan de bovenkant van een glazen broeikas toch echt wordt terug gekaatst, anders dan door iedereen werd aangenomen, helemaal niet bleek te zorgen voor een opwarmend effect?
De natuurkundige basis
Over het verschil tussen de broeikas-theorie en de energetische stralingsuitwisseling en waarom dit van belang is.
Het onwaarschijnlijke broeikas-effect
In 1884 zag de stralingswet van Stefan-Boltzmann het licht. Er kon nu worden bewezen dat de Aarde onvoldoende zonlicht krijgt om haar huidige temperatuur te verklaren. (zie link)
Dit was géén verrassing. Al in 1827 had de Franse wetenschapper Jean Fourier de stelling opgeworpen dat de hitte van de zon werd geabsorbeerd door de aarde en ook nog werd teruggekaatst naar de aarde door de atmosfeer. Hij noemde dit proces het “broeikas-effect”.
Waarom? Eigenlijk ligt dat voor de hand. Men had natuurlijk al sinds jaar en dag waargenomen dat de Aarde op grotere hoogte steeds kouder werd. In de bergen bleef het koud óók in de warme zomers. En dan ligt het natuurlijk voor de hand dat die dunnere atmosfeer op die hoogte daar iets mee te maken moet hebben. Maar ook, wanneer de metingen van de temperatuur op de maan zouden kloppen, zou het daar in de nachten behoorlijk wat kouder moeten zijn (en overdag heel wat warmer) dan hetgeen we hier op Aarde meemaken. Eigenlijk kan daar maar een reden voor te verzinnen zijn, de maan heeft geen atmosfeer, en wij wel.
Het was in deze tijd van de grote ontdekkingen van ‘de wetenschap’, die nu ook een race tegen de klok kende, om te ontdekken welke stof nu precies verantwoordelijk was voor dit ‘broeikas-effect’. Uiteindelijk lukte het de Brit John Tyndall in 1860 om de gassen kooldioxide en waterdamp aan te wijzen als belangrijkste ‘broeikas-gassen’. Een ontdekking die anno 2023 nog steeds fier overeind staat.
Dat de broeikas-hypothese al vrij snel aan betekenis inboette, was voor een belangrijk deel te danken aan het werk van professor R. W. Wood. Hij maakte op grond van een simpele proef duidelijk dat het broeikas-effect zelf, wat de basis was geweest van alle bovenstaande theorie, helemaal niet werd veroorzaakt door terugkaatsende infrarode straling (zoals bijvoorbeeld door glas), maar door het blokkeren van opstijgende warme lucht (convectie).
In zijn vaak aangehaalde artikel in “the Philosophical Magazine” in 1909 (Vol. 17, pp. 319-320) schrijft hij onder meer:
“Er lijkt een wijdverspreide overtuiging te heersen dat de relatief hoge temperatuur verkregen in een gesloten ruimte bedekt met glas, en blootgesteld aan zonnestraling, het resultaat is van een verandering van golflengte, dat wil zeggen dat de warmtestraling van de zon, die in staat is om glas te doordringen, op de wanden van de behuizing valt om zo de temperatuur in de kas te verhogen: de warmte-energie die vervolgens wordt uitgestraald door de wanden in de vorm van veel langere golven, kunnen het glas niet doordringen, waardoor de kas werkt als een stralings-val.
Ik heb altijd het gevoel van twijfel gehad over dit probleem en of straling inderdaad wel zo’n grote rol bij de verhoging van de temperatuur speelt. Het leek mij veel waarschijnlijker dat de rol van het glas was gelegen in het voorkomen van het ontsnappen van de warme lucht, die door de grond binnen de behuizing wordt verwarmd.
Als we de deuren van een kas openen op een koude en winderige dag, dan blijkt dat de stralings-val” al veel van “zijn efficiëntie” te verliezen. In feite ben ik van mening dat een kas gemaakt van een glas, die transparant is voor golven van elke mogelijke golflengte, een temperatuur zou laten zien, die zo niet helemaal, toch in ieder geval bijna zo hoog zal zijn als die welke wordt waargenomen in een glazen huis. Het transparante scherm kan de zonnestraling op de grond verwarmen en de grond verwarmt weer de lucht, maar alleen de beperkte hoeveelheid in de behuizing. In de “open lucht”, wordt de grond wordt voortdurend in contact gebracht met koude lucht door convectie stromen.
Om de zaak te testen heb ik twee behuizingen geconstrueerd van dozen zwarte karton, waarvan één overdekt met een glazen plaat, de andere met een plaat van steenzout (haliet) van gelijke dikte. Een thermometer werd opgenomen in elke ruimte en het geheel werd verpakt in katoen, met uitzondering van de transparante platen die werden blootgesteld aan de buitenlucht. Bij blootstelling aan zonlicht steeg de temperatuur langzaam tot 65 °C, waarbij de behuizing bedekt met de steenzout plaat iets warmer werd dan die met de glazen plaat, vanwege het feit dat de uitgezonden straling van de zon met langere golflengte, ook werd afgevangen door het glas. Om dit ongewenste effect te elimineren werd het zonlicht eerst door een glazen plaat geleid.
Er was nu nauwelijks een verschil van één graad in de temperatuur van de twee behuizingen. De maximaal bereikte temperatuur was ongeveer 55 °C. Van wat we weten over de distributie van energie in het spectrum van de straling uitgezonden door een lichaam op 55 °C, is het duidelijk dat de steenzout plaat vrijwel alle straling kan doorlaten, terwijl de glasplaat alle straling met langere golflengten volledig blokkeert. Dit toont dat het verlies van temperatuur van de grond door straling zeer klein is in vergelijking met de verliezen door convectie, dat wil zeggen dat we het feit dat de straling wordt ingevangen slechts een gering effect heeft op de temperatuur.
Heeft het dan ook wel nut om aandacht te besteden aan de rol van “gevangen straling” door de dampkring, in het afleiden van de temperatuur van een planeet? De zonnestralen dringen de atmosfeer binnen, verwarmen de grond, die op zijn beurt de atmosfeer verwarmt door direct contact en door convectie stromen. De ontvangen warmte gaat dus omhoog, wordt opgeslagen in de atmosfeer, en blijft daar aanwezig, vanwege de zeer lage stralende kracht (groot isolerend vermogen) van een gas.
Het lijkt mij zeer twijfelachtig of de atmosfeer überhaupt wordt opgewarmd door de absorptie van de straling van de grond, zelfs onder de meest gunstige voorwaarden.
Ik pretendeer niet om me heel diep in deze materie te hebben verdiept, en wil alleen dit artikel publiceren om de aandacht te vestigen op het feit dat “gevangen warmtestraling” maar een zeer kleine rol lijkt te spelen in de realiteit waarmee we vertrouwd zijn.”
Veel overtuigender kan de weerlegging van een theorie eigenlijk niet zijn. Met een simpele proef, die iedereen kon uitvoeren, bleek het ‘broeikaseffect’, wat in die jaren het denken over de opwarming van de Aarde had gedomineerd, helemaal niet te bestaan.
Daarnaast maakten ook nog eens een aantal experimenten, uitgevoerd door de zoon van de gerenommeerde Zweedse natuurkundige en stralings-expert Angström, duidelijk dat meer koolstofdioxide in de atmosfeer helemaal niet leidde tot een temperatuurtoename, maar dat het wel de plantengroei stimuleerde.
En als laatste klap voor de broeikas-hypothese presenteerde Milutin Milankovitch in 1920 een mechanisme, waarbij aan de hand van veranderingen in de baan van de aarde rondom de zon (de zgn. Milankovitch cyclus), zeer accurate berekeningen gedaan konden worden ten aanzien van de meeste klimatologische veranderingen gedurende de afgelopen miljoenen jaren. Hiermee verloor ook het eerdere theorie (1896) van de populaire nobelprijswinnaar Svante Arrhenius, waarin hij uiteenzette dat veranderingen in het kooldioxide-gehalte van de atmosfeer verantwoordelijk zou zijn geweest voor de klimaatveranderingen, zijn laatste aanhangers.
Veranderingen van de baan van de Aarde rondom de zon worden overigens ook nu nog gezien als de belangrijkste veroorzaker van klimaatsveranderingen.
Maar zoals gezien in de webpagina ‘Klimaat-alarm’ zorgde het stijgende gehalte broeikas-gassen toch voor een grote omslag in het klimaat-denken. In het onderstaande wil ik wat dieper ingaan op de ‘keiharde fysica achter het broeikas-effect’.
De natuurkundige basis
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.”
Het lijkt een theorie waar maar weinig tegenin valt te brengen. Keiharde natuurkunde, maar dat is het natuurlijk niet.
In het onderstaande wil ik de genoemde stappen van het KNMI nader belichten in het licht van wat we ook kunnen waarnemen en wat toch de basis moet zijn van keiharde natuurkunde.
Stap 1: verwarmde lucht zal opstijgen
Lucht die wordt opgewarmd door de aardkorst stijgt op. Maar blijkbaar slechts tot zeer geringe hoogte. In het onderstaande zijn de gemiddelde temperaturen van de atmosfeer in De Bilt (hoofdkantoor van het KNMI) weergegeven op een hoogte van 0 meter (100 kPa), 1 kilometer (85 kPa) en 3 kilometer.
Te zien valt dat al bij 3 kilometer hoogte er geen verschil meer is tussen de dag- en nachtperiode. ’s Nachts is er geen opstijgende lucht. Wanneer opstijgende lucht, verwarmd door de zonnestraling, zorgt voor een temperatuurgradient van 6,5 graden per kilometer, zou dit dan niet ook effect moeten hebben op de temperatuur boven de mengzone, die normaal gesproken is te vinden bij een hoogte van 2 kilometer?
Daar komt bij dat ook kan worden aangetoond dat de opstijgende lucht ook, gedurende de dagperiode, niet voorbij de inversiezone boven deze mengzone kan dringen?
Stap 2) Broeikasgassen zenden de straling weer uit en zo kaatst de straling van molecuul naar molecuul naar boven.
Broeikasgassen zenden geen straling naar boven. Voor laagfrequente straling is de atmosfeer nagenoeg ondoordringbaar en deze straling wordt dus binnen dertig meter al opgevangen door de broeikas-moleculen van de atmosfeer.
Voordat deze moleculen deze opgevangen straling weer kunnen gaan uitzenden vindt er een proces van “vibrational relaxation” plaats. Het duurt even voordat het molecuul de opgenomen straling weer kan uitzenden. Voor kooldioxide duurt dit proces 3,75 μs bij 440 K en 0,64μs bij 815 K.
Gedurende deze luttele microseconden (het zal iets meer zijn bij 300 K) zal het door de straling opgewarmde broeikasmolecuul echter al een groot aantal botsingen met buur-moleculen doormaken. Berekend kan worden dat een molecuul bij normale druk en temperatuur maar liefst 7*109 botsingen doormaakt per seconde.
Gedurende de “vibrational relaxation”- periode botst ons aangeslagen broeikas-molecuul dus maar liefst 25.200 keer met zijn buren, waardoor, via geleiding, de door de broeikasmoleculen opgenomen warmte wordt verspreid in de luchtlaag (met een grote overmaat van niet-broeikasgassen) waar de straling is opgevangen.
Na verloop van tijd is deze luchtlaag zozeer opgewarmd dat hij als geheel zal opstijgen (convectie).
Energie binnen de mengzone wordt dan dus getransporteerd door convectie, wat ook kan worden aangetoond door metingen met de zgn. ‘pirani gauge’ (zie link). Metingen met dit apparaat tonen aan dat maar liefst 99,6 van het energietransport in de ABL plaats vindt door convectie.
En dit is natuurlijk in volledige overeenstemming met de proef van professor Wood die hierboven al is besproken.
Voor de broeikas-theorie is het dan toch problematisch om uit te leggen waarom de rol van de broeikasgassen zo groot zou zijn. Onlangs werd nog door Helmut Ullmann and Martin Bülow (2024) overtuigend aangetoond (gepubliceerd in het Zeitschrift für Physikalische Chemie, 6 juni 2024) dat de rol van de broeikasgassen in een dergelijk model eigenlijk verwaarloosbaar is.
Stap 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.
Het is natuurlijk handig om hier met gemiddelde waardes te rekenen, die in werkelijkheid niet bestaan. Maar het feit is dat de hoeveelheid zonnestraling die per vierkante meter op de Aarde afkomt 1362 W/m2 is. 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 “wolken, sneeuw, ijs en andere niet-zwarte oppervlakken” in staat is om 31% van de zonnestraling ‘af te vangen’.
Maar 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 moeten leiden tot een temperatuur van 85,8 graden Celsius.
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, volgens deze theorie, 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.
Naast een opwarmend effect (wat een broeikaseffect in theorie zou kunnen leveren) moet er dus ook een afkoelend effect ergens in de atmosfeer verborgen zijn. En dat kan een broeikaseffect dus weer niet leveren.
Het zal duidelijk zijn dat er dan toch iets anders aan de hand moet zijn.
4) Pas op 5 kilometer hoogte ontsnapt de straling. Het verschil met de [huidige] situatie zonder broeikasgassen, waarbij het aan de grond -18 ºC zou zijn, wordt het broeikaseffect genoemd.
Zoals hierboven weergegeven klopt dat dus niet. Zonder atmosferische effecten zou het overdag 120 graden zijn en ‘s nachts -170 graden.
En een ontsnappen van de straling op 5 kilometer? Helaas ontbreekt voor deze stelling ieder fysiek bewijs.
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 gemiddelde 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 dagelijks alleen in Nederland er al twee worden gemaakt.
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.
Stap 5. Als er meer CO2 en andere broeikasgassen in de atmosfeer komen, ontsnapt de warmtestraling minder makkelijk.
Hier komen we dus bij 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 bleek te berusten op het tegengaan van convectie), nooit gevonden. En dat lag zeker niet aan een gebrek aan belangstelling voor deze kwestie.
Daarnaast is er ook een nogal een vreemde inconsequentie in de theorie van de ‘stralingsval’, die tot dusverre nauwelijks aandacht heeft gekregen, maar die toch echt opgelost moet worden voordat een theorie ‘fysisch keihard’ genoemd kan worden.
Een belangrijke voorwaarde voor een thermodynamisch systeem is nl. dat deze moet voldoen aan de hoofdwetten die gelden voor deze tak van natuurkunde.
Nu is dat voor de Aarde lastig te bepalen, omdat hier sprake is van een zgn. ‘gesloten systeem’ waarbij geen materie, maar wel warmte met de omgeving wordt uitgewisseld. Maar ook in een ‘gesloten systeem’ geldt dat er geen energie ‘uit het niets’ geproduceerd kan worden (de eerste hoofdwet van de thermodynamica). En dat is dus wél het geval in de broeikas-theorie…
Uiteraard bestaan er energieovergangen. Stralingsenergie kan worden omgezet in thermische energie. Een planeet kan hierdoor worden opgewarmd door stralingsenergie, ook al is de temperatuur in het tussenliggende stuk atmosfeer bijna gelijk het absolute nulpunt.
Maar een planeet (een ‘gesloten systeem’ waarin warmte vrij kan worden uitgewisseld) kan niet door 235 W/m2 stralingsenergie worden opgewarmd tot temperaturen waarvoor 400 W/m2 nodig is, wanneer er geen energie aan het systeem wordt toegevoegd, of dat er constructies aanwezig zijn waardoor er geen sprake meer is van een ‘gesloten systeem’ waarbij warmte vrij uitgewisseld kan worden.
Zelfs het, experimenteel nog nooit aangetoonde, broeikaseffect, zal toch geen energie uit het niets kunnen produceren?
Wat meten we dan wel?
Natuurlijk kun je aantonen dat de Aarde elektromagnetische straling, die bij haar temperatuur hoort, uitstraalt. Ieder vast lichaam met een bepaalde temperatuur die hoger is dan het absolute nulpunt, straalt elektromagnetische straling uit.
Dat geldt ook voor de atmosfeer. De warmte van de atmosfeer zal zorgen voor een stralingsuitwisseling met een kouder wordende aardkorst gedurende de nachtperiode, zal zorgen voor een minder snelle afname van de temperatuur. Dit is wat we meten als ‘tegenstraling’.
Maar hoe kan het dat de warmte van deze atmosfeer niet, via convectie, verdwijnt naar de hogere regionen, om vandaaruit uitgestraald te worden naar de ruimte? Waarom verdwijnt die overmaat aan warmte (zoals hierboven beschreven) niet gewoon gedurende de dagperiode?
Het geven van een antwoord zal in de volgende web-pagina’s aan de orde komen. Maar behalve dat, er kan toch niet ontkend worden dat er een stralingsevenwicht moet zijn, wat we via satelliet heel duidelijk kunnen meten. Hoe kan dat dan?
Stralings-fysica heeft echter een aantal bijzondere eigenschappen, waarover Hartwig Volz in 2001, op de site van John L. Daly, klimaatscepticus van het eerste uur, het volgende opmerkte:
“De broeikas-fysica borduurt voort op de welbekende manier om de temperatuur van een vuurvlam te bepalen. Een zirconiumdioxide lamp (black body radiator) wordt dan geplaatst achter deze vlam en de zwarte lichaam-straling wordt dan gemeten door een spectrometer door de vlam heen.
Als de temperatuur van een zwarte straler (case 1) hoger is dan die van een gas wat kooldioxide bevat, dan zullen zwarte absorptielijnen worden waargenomen in het spectrum van de zwarte straler.
Als de temperatuur van de zwarte straler lager is dan die van het omringende gas (case 2), dan kunnen stralingspieken worden gezien in dit spectrum op dezelfde frequenties.
Wanneer de zwarte straler en het gas dezelfde temperatuur hebben (case 3), dan pas is er een ideaal spectrum te zien van de “zwarte straler”.
In het vierde geval heeft de detector dezelfde temperatuur als de zwarte straler. In dit geval wordt geen straling opgevangen, alleen de emissie van de kooldioxideband wordt gemeten, maar uit het derde geval blijkt dat de emissie van het gas kooldioxide, de hier gemeten absorptie volledig kan compenseren.
Een vergelijkbaar experiment; In het spectrum van de zon zijn de zgn. Fraunhofer lijnen (absorptielijnen) te zien. Gedurende een zonsverduistering kunnen emissielijnen in de chromosfeer worden waargenomen met hetzelfde golfgetal als de Fraunhofer lijnen.
In deze beide experimenten zijn thermodynamica en kwantum fysica verbonden. Wanneer je de hete lamp vervangt door de zwarte straler Aarde en de aangeslagen overgangen in de vlam door de vibratie/rotatie van de gassen in de atmosfeer, pas dan is er sprake van correcte broeikas-fysica.
Wanneer je in een luchtballon zou klimmen en op een hoogte van 100 meter zou gaan meten, dan zou het spectrum wat je waarneemt overeenstemmen met het derde geval, niet met de situatie zoals weergegeven in het eerste geval. Uit ervaring weet ik dat dit moeilijk te verteren is voor de meeste wetenschappers. Niettemin, vanuit de thermodynamica en kwantumfysica is dat triviaal. Met een laag-energetische bron (zoals de aarde) is het niet toegestaan om absorptie te behandelen zonder de emissie daarbij in beschouwing te nemen.
Broeikas fysica kan niet worden begrepen wanneer alleen absorptie wordt bestudeerd. Zowel absorptie als emissie moeten in acht worden genomen, zoals deze worden beschreven in de stralings-transportvergelijkingen.
In de bovenstaande spectra is de hoeveelheid verplaatste energie de integraal van de gearceerde delen.
Opgemerkt kan dus worden dat in het derde geval geen sprake is van transport van enige [stralings]energie. Een opmerking als: “Alles wat kan worden geabsorbeerd, zal binnen enkele honderden meters van het grondniveau worden geabsorbeerd, gaat niet op voor broeikas-fysica. Dit is natuurlijk anders voor de spectroscopie, met hoog energetische bronnen. Maar dat is ook waarom de spectroscopische onderzoeksresultaten met zeer grote voorzichtigheid moeten worden toegepast binnen de broeikas-fysica.”
Het derde geval. De temperatuur van de stralingsbron is gelijk aan die van de broeikas-gassen bevattende lucht. In dat geval is er volgens Volz géén transport van energie. En dit is juist wat door professor Wood werd vastgesteld.
De hoeveelheid stralingsenergie is verwaarloosbaar nabij het Aardoppervlak wanneer de temperatuur van de daarboven liggende atmosfeer vergelijkbaar is met de bron (de aardkorst). In dat geval zullen andere methoden om energie te verplaatsen veel belangrijker worden.
Ter illustratie van zijn stellingen werden door Volz de spectra van de originele publicatie van Hanel et al. (Journal of Geophysical Research, 77, 1972, p. 2629/41) bijgevoegd die erg gelijken op het hierboven beschreven experimentele data. We kunnen het derde geval (case 3) waarnemen in het spectrum wat in Groenland werd gevonden. Het tweede geval (case 2), kun je terugvinden in het stralingsspectrum boven Antarctica. In fig. 12d is de lucht in dalende wervelwind warmer dan de grond. Maar ook elementen van het eerste geval (case 1) kunnen worden waargenomen in het spectrum wat boven Noord Afrika werd opgetekend.
We zien dan dat de spectra worden gevonden van de verschillende broeikasgassen in relatie tot de hoogte waarop deze broeikasgassen nog in grote hoeveelheden worden aangetroffen. Voor waterdamp is dat een hoogte die ongeveer overeenkomt met de hoogte van de ABL. Voor kooldioxide is dat de hoogte van de tropopause (-51 graden Celsius).
Wat we meten op het TOA-niveau (top of the atmosphere) is een effect van de gelaagdheid van de atmosfeer en geen wanhopige poging van de Aarde om een stralingsevenwicht te bereiken…
De speurtocht
Wat is dan wél een redelijke verklaring voor de temperatuur op Aarde?
Om een redelijk antwoord op die vraag te kunnen geven is het eerst nodig om nog eens kritisch naar het bovenstaande plaatje over het stralingsevenwicht te kijken. Die vertekent de situatie van de relatie tussen de Zon en Aarde namelijk behoorlijk, omdat alleen naar een gemiddelde situatie wordt gekeken.
De aarde zonder atmosfeer zou op de maan lijken. Hier is de temperatuur overdag 120°C, maar die daalt ’s nachts naar 170°C onder nul.
Er moet dus in de atmosferische processen allereerst gezocht worden naar een oplossing voor de vraag hoe het kan dat de extreme hitte in de dagperiode naar een aangename temperatuur wordt afgekoeld. Duidelijk is dat het broeikaseffect met haar tegenstraling hier niet gaat helpen.
Daarnaast moet op de een of andere manier de nachtperiode worden overwonnen waar de temperatuur dus tot onleefbare temperaturen zou moeten afzakken. En als laatste; hoe kan het dat de gemiddelde temperatuur op Aarde veel hoger is dan voorspeld aan de hand van natuurkundige wetten die keer op keer in laboratorium- omstandigheden zijn bevestigd, maar ook voor de Maan bijvoorbeeld, heel goed kloppen.
De Zon is uiteindelijk verantwoordelijk voor de temperatuur van de planeten van ons zonnestelsel. Waarom zou de vreemde processen die we hierboven hebben beschreven, alleen op Aarde voorkomen? het lijkt dan ook verstandig om onze kennis van andere planeten te gebruiken en om te zien of hier overeenkomstige verschijnselen zijn waar te nemen en of die verschijnselen misschien kunnen leiden tot ‘nieuwe inzichten’ ten aanzien van dit probleem.
Een mooie cliffhanger voor de volgende webpagina waarin dit probleem zal worden uitgediept.