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. En daar zijn ook goede redenen voor te verzinnen. Om te beginnen bij de “keiharde fysica uit het lab”.
Warning: Undefined array key “icon” in /data/sites/web/polderklimaatnl/www/wp-content/plugins/elementor/includes/widgets/icon-box.php on line 695
Warning: Undefined array key “icon” in /data/sites/web/polderklimaatnl/www/wp-content/plugins/elementor/includes/widgets/icon-box.php on line 708
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?
Warning: Undefined array key “icon” in /data/sites/web/polderklimaatnl/www/wp-content/plugins/elementor/includes/widgets/icon-box.php on line 695
Warning: Undefined array key “icon” in /data/sites/web/polderklimaatnl/www/wp-content/plugins/elementor/includes/widgets/icon-box.php on line 708
De natuurkundige basis
Over het verschil tussen de broeikas-theorie en de kooldioxide weerkaatsing en waarom dit van belang is.
Warning: Undefined array key “icon” in /data/sites/web/polderklimaatnl/www/wp-content/plugins/elementor/includes/widgets/icon-box.php on line 695
Warning: Undefined array key “icon” in /data/sites/web/polderklimaatnl/www/wp-content/plugins/elementor/includes/widgets/icon-box.php on line 708
Empirische wetenschap
Over de harde (toetsbare) wetenschap achter het broeikas-effect
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…
Het was in deze tijd van de grote ontdekkingen van ‘de wetenschap’ een race tegen de klok 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, waarin deze op grond van een simpele proef duidelijk maakte 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. 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 te openen op een koude en winderige dag, dan blijkt dat de stralings-val” al veel van “zijn efficiëntie” te verliezen. In feite ben ik van mening dat een kas gemaakt van een glas, die transparant is voor golven van elke mogelijke golflengte, een temperatuur zou laten zien, die zo niet helemaal, toch in ieder geval bijna zo hoog zal zijn als die welke wordt waargenomen in een glazen huis. Het transparante scherm kan de zonnestraling op de grond verwarmen en de grond verwarmt weer de lucht, maar alleen de beperkte hoeveelheid in de behuizing. In de “open lucht”, wordt de grond wordt voortdurend in contact gebracht met koude lucht door convectie stromen.
Om de zaak te testen heb ik twee behuizingen geconstrueerd van dozen zwarte karton, waarvan één overdekt met een glazen plaat, de andere met een plaat van steenzout (haliet) van gelijke dikte. Een thermometer werd opgenomen in elke ruimte en het geheel werd verpakt in katoen, met uitzondering van de transparante platen die werden blootgesteld aan de buitenlucht. Bij blootstelling aan zonlicht steeg de temperatuur langzaam tot 65 °C, waarbij de behuizing bedekt met de steenzout plaat iets warmer werd dan die met de glazen plaat, vanwege het feit dat de uitgezonden straling van de zon met langere golflengte, ook werd afgevangen door het glas. Om dit ongewenste effect te elimineren werd het zonlicht eerst door een glazen plaat geleid.
Er was nu nauwelijks een verschil van één graad in de temperatuur van de twee behuizingen. De maximaal bereikte temperatuur was ongeveer 55 °C. Van wat we weten over de distributie van energie in het spectrum van de straling uitgezonden door een lichaam op 55 °C, is het duidelijk dat de steenzout plaat vrijwel alle straling kan doorlaten, terwijl de glasplaat alle straling 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 het absorberen van de straling van de grond, zelfs onder de meest gunstige voorwaarden.
Ik pretendeer niet om me heel diep in deze materie te hebben verdiept, en wil alleen dit artikel publiceren om de aandacht te vestigen op het feit dat gevangen warmtestraling maar een zeer kleine rol lijkt te spelen in de realiteit waarmee we vertrouwd zijn.”
Veel overtuigender kan de weerlegging van een theorie eigenlijk niet zijn. Met een simpele proef, die iedereen kon uitvoeren, bleek het ‘broeikaseffect’ zoals 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 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
De realisatie dat de broeikas-gassen verantwoordelijk moesten zijn voor de opwarming van de Aarde leverde in het licht van het bovenstaande toch wat hoofdbrekens op. Er was dus toch een broeikas-efect, maar dan wel een broeikas-effect wat afwijkt van het effect wat optreedt in een glazen broeikas. Hoe was dat uit te leggen?
Op Wikipedia lezen we het volgende:
“Het broeikaseffect is het proces waarbij warmtestraling van een planetair oppervlak geabsorbeerd wordt door atmosferische broeikasgassen en vervolgens uitgezonden wordt in alle richtingen. Doordat een deel wordt teruggezonden naar het aardoppervlak, neemt de oppervlaktetemperatuur toe.
De atmosfeer is selectief transparant: het laat zichtbaar licht van de zon wel bijna volledig door. Zonder het broeikaseffect, dus zuiver het effect van zonlicht en aardwarmte, zou de oppervlaktetemperatuur op Aarde gemiddeld -18 °C zijn; feitelijk is zij echter +15 °C. Het effect is genoemd naar de broeikas waar een glazen of plastic overkapping de uitstraling van warmte tegenhoudt en zo de temperatuur in de broeikas laat oplopen. (…)
De vergelijking tussen een broeikas en het aardse broeikaseffect gaat niet goed op. In een broeikas stijgt de temperatuur ten opzichte van de omgeving. De primaire oorzaak hiervan is dat de lucht in de kas niet wordt ververst (in tegenstelling tot buiten de broeikas).
Het broeikaseffect verwijst echter naar een stralingsval, waarbij broeikasgassen door het in zonlicht opgewarmde aardoppervlak uitgezonden infrarode straling absorberen en gedeeltelijk weer terug naar beneden reflecteren.
Het idee dat een daadwerkelijke broeikas op een vergelijkbare manier als stralingsval werkt doordat gereflecteerd zonlicht in de kas van een langere golflengte is en daardoor wordt tegengehouden door het glas, is onjuist. R.W. Wood toonde reeds in 1909 met een simpel experiment aan dat dit niet opgaat. Hij gebruikte twee verder identieke kassen, een van glas en de ander van steenzout. De laagfrequente straling die in de stralingsval voor warmteopwekking moet zorgen wordt wel door glas maar niet door steenzout gereflecteerd. Als de stralingsval-hypothese juist is zou de glazen kas een aanzienlijk hogere temperatuur moeten krijgen. Beide kassen kregen echter vrijwel dezelfde temperatuur, waarmee werd aangetoond dat het “broeikaseffect” in daadwerkelijke broeikassen nauwelijks een rol speelt.
De opwarming is hier vooral een gevolg van de geblokkeerde convectie, die normaal de opwarmende lucht naar boven zou afvoeren. De aardatmosfeer kan haar warmte naar boven toe echter alleen kwijt aan het vacuüm van de ruimte en convectie begrenst zich op aarde tot de troposfeer. Warmtestraling is dus de enige vorm van warmteverlies voor de aarde als geheel, en om die reden is de stralingsval waar de naam “broeikaseffect” naar verwijst hier verhoudingsgewijs een veel grotere factor.”
Dat de broeikastheorie natuurkundig bezien onweerlegbaar is, wordt ook uiteengezet door het KNMI. Op haar website ‘Energiebalans van de aarde’ kunnen we lezen:
“Uitwisseling van energie tussen de aarde en de ruimte vindt uitsluitend plaats via straling, dat is energieoverdracht via golven zonder dat er sprake is van direct contact (zonlicht is een voorbeeld; we gaan hier nog op in). De inkomende straling, afkomstig van de zon, stuurt het klimaatsysteem aan, denk aan de seizoenen en de verschillen tussen de tropen en de poolgebieden. De uitgaande straling wordt mede bepaald door belangrijke elementen van het klimaatsysteem zoals temperatuur, vocht en wolken. Daarom vertellen metingen van de uitgaande straling veel over deze elementen. Door uitwisseling van straling met de ruimte warmt de aarde op de ene plek op en koelt zij op andere plekken af. Deze temperatuurverschillen veroorzaken op hun beurt stromingen in de atmosfeer en de oceaan. Kortom, de uitwisseling van straling met de ruimte is een fundamenteel proces binnen het aardse klimaatsysteem…
Als we alle energiestromen naar de atmosfeer toe en vanuit de atmosfeer bij elkaar optellen, dan is de som ongelijk aan nul (-97 W/m2) oftewel “de stralingsfluxen zijn niet in balans”. Hetzelfde geldt voor het aardoppervlak (+98 W/m2). Omdat energie niet zomaar kan verdwijnen, zorgen de drie andere componenten van de energiehuishouding voor balans. De eerste twee daarvan maken deel uit van de energie-uitwisseling tussen atmosfeer en aardoppervlak. Zij zijn een gevolg van verticaal transport door stroming van de lucht.
We maken onderscheid tussen transport van voelbare warmte (warmte is een vorm van energie; 17 W/m2) en latente warmte (80 W/m2). Latente warmte wordt aan het aardoppervlak onttrokken bij verdamping en komt later vrij in de atmosfeer als de waterdamp weer omgezet wordt in wolkendruppels en ijskristallen. Gemiddeld verwarmen beide vormen van energieoverdracht de atmosfeer ten koste van het aardoppervlak.
De som van alle energiestromen naar en vanaf het aardoppervlak is 1 W/m2 in neerwaartse richting. Dat is heel weinig vergeleken met alle andere energiestromen, maar deze term is toch van groot belang. Deze energie is namelijk gebruikt voor de opwarming van de aarde, en dan vooral het water in de oceanen, zoals deze gemeten is voor de jaren van 2000 tot 2004.”
Er kan geen twijfel bestaan over het feit dat de zonnestraling verantwoordelijk is voor de opwarming van de Aarde. Maar ook moet gelden dat de hoeveelheid zonnestraling die de Aarde binnenkomt energetisch gelijk moet zijn aan de hoeveelheid straling die de Aarde weer verlaat, omdat de Aarde anders afkoelt, dan wel opwarmt, afhankelijk van de aard van de stralingsbalans. Bij 1 W/m2 in neerwaardse rchting zal er opwarming zijn. Dat alles lijkt onaanvechtbaar.
Verder weten we dat de hoeveelheid straling die de Aarde bereikt onvoldoende is om de Aarde op haar huidige temperatuur te houden. We weten ook dat dit vreemde verschijnsel alleen optreedt bij planeten met een atmosfeer (zoals Venus, Jupiter en de Aarde). We kunnen zelfs de grootte van de verschillende stralingen als gevolg van het optreden van het broeikaseffect meten. Onlangs heeft Rob de Vos hieraan nog uitgebreid aandacht besteed toen hij de 10 minuten metingen van het KNMI op meetstation Cabauw onder ogen kreeg.
Naast de reguliere meteo metingen worden hier ook de langgolvige (IR) straling naar beneden (LWD) en omhoog (LWU) gemeten. Dat gebeurt met behulp van zogenaamde pyrgeometers die op 1,5m hoogte boven het maaiveld gemonteerd zijn.
Vanaf mei 2000 worden hier 6 maal per uur zogenaamde 10-minutenmetingen uitgevoerd (per etmaal dus 144 metingen). Data van gehele jaren zijn beschikbaar van 2001 t/m 2020.
De Vos werkte een aantal karakteristieke perioden uit in grafische vorm.
Het is in ieder geval eens mooi om zo eens wat ‘echte data’ te zien waaruit de onderstaande welbekende grafische voorstelling van het broeikaseffect is samengesteld. Het is bijzonder om te zien dat de terugkaatsing (LWD) heel erg afhankelijk is van het wolkendek. Er is minder LWD bij hogere temperaturen.
Dat voelt niet erg logisch omdat deze LWD verantwoordelijk is voor het broeikaseffect, waarover toch weinig discussie bestaat. Maar het verbaasde De Vos ook:
“De voorlopige resultaten van ons onderzoek naar de stralingsbalans op het meetstation Cabauw is daar een mooi voorbeeld van: van 2001 t/m 2020 werd daar een afname van LWD (neerwaartse langgolvige straling = broeikaseffect) gemeten, en tegelijk een toename van de SWD (zoninstraling) en een sterke toename van de gemeten luchttemperatuur. Daar is het laatste woord nog niet over gesproken.”
Empirische wetenschap gaat over natuurwetten die experimenteel zijn te verifiëren
Maar the science is settled, dan toch?
En dat is dus niet zo. Er zijn een aantal redenen waarom dat (niet) zo is. Allereerst is de omschrijving van Wikipedia natuurlijk vreemd:
“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.”
Dit is een fameuze ‘Non Causa Pro Causa’-drogreden. De bewijslast wordt hier keurig vermeden.
Het probleem zit hem daarin dat de broeikas, volgens de natuurkundige theorie een stralingsval hóórt te zijn. Kortgolvige zonnestraling dringt de kas binnen door het glas, warmt de bodem op, die vervolgens infrarode warmtestraling zal uitzenden. Deze soort van warmte zal het glas niet kunnen passeren. Toch is wetenschappelijk diverse malen aangetoond dat niet straling, maar het tegengaan van convectie het werkingsprincipe van een broeikas is.
En in hoeverre werkt de Aardse ‘stralingsval’ dan anders dan die van de broeikas? Bestaat er wel zoiets als een ‘stralingsval’?
Wikipedia omzeilt deze vragen door te stellen: “De aardatmosfeer kan haar warmte naar boven toe echter alleen kwijt aan het vacuüm van de ruimte en convectie begrenst zich op aarde tot de troposfeer. Warmtestraling is dus de enige vorm van warmteverlies voor de aarde als geheel, en om die reden is de stralingsval waar de naam “broeikaseffect” naar verwijst hier verhoudingsgewijs een veel grotere factor.”
Er moet ‘dus’ wel een ‘stralingsval’ bestaan, want de Aarde als geheel kan haar warmte alleen afvoeren door straling. Wanneer meer of minder straling de Aarde binnendringt dan wordt afgevoerd zal opwarming- of afkoeling van de Aarde het onvermijdelijke resultaat zijn.
Maar waar moet dan worden gemeten? Volgens de broeikas-theorie is de gemiddelde ‘emission height’ van de langgolvige warmtestraling (infrarood) naar het heelal, zo’n 4,5 kilometer boven het aardoppervlak. Logisch, want op die hoogte is de temperatuur zodanig dat de uitgaande straling ongeveer gelijk is met de invallende straling. Ik zie echter geen enkele natuurkundidge reden waarom daar een gemiddelde ‘emission hight’ te vinden zou zijn.
Sterker nog, de opwarming/ afkoeling in deze zone (tussen de menglaag (PBL) en de tropopauze) kenmerkt zich juist door haar adiabatische karakter. Er wordt geen warmte uitgewisseld met de omgeving. De atmosfeer voldoet hier aan de ideale gaswet. Wanneer hier grote hoeveelheden straling zouden worden uitgestraald, dan zou de ideale gaswet niet meer van toepassing kunnen zijn. Het is met andere woorden uitgesloten dat juist hier de stralingsuitwisseling van de Aarde met het grote universum zou plaats vinden…
Metingen zijn meestal uitgevoerd op ‘Top Of Atmosphere’ (TOA) -hoogte (waar dat ook moge zijn). Maar waarom op zo’n oncontroleerbare hoogte? Het lijkt dan inderdaad alsof deze uitgaande straling een vast natuurkundig gegeven zou zijn, maar uitgaande straling is simpelweg een afgeleide van de temperatuur van de oppervlakte. Een hogere temperatuur geeft simpelweg meer uitgaande straling en alleen de theorie van ‘de stralingsval’ zelf maakt dat de ‘gemiddelde uitstralingshoogte’ zoiets zou zijn als een relevant en stabiel natuurkundig gegeven.
Maar de harde natuurkundige theorie gaat er nogal simpel aan voorbij dat zoiets als een ‘stralingsval’ nog nooit experimenteel is aangetoond. Wanneer een ‘stralingsval’ werkelijk zou kunnen bestaan, dan zou dat immers ook het einde betekenen van alle energieproblematiek. Fossiele-energie zou nergens meer voor nodig zijn. Wat is er dan simpeler om een bol gevuld met kooldioxide en waterdamp te bestralen met de juiste hoogenergetische straling, om vervolgens de hierdoor vrijkomende energie met een fors energierendement weer terug te ontvangen…
Ik wil er echter op wijzen dat dit, tot dusverre, in alle broeikas-proeven die ooit gedaan zijn, dus niet gelukt. En dat is nu weer, op basis van de bovenstaande theorie van de stralingsval, onverklaarbaar. Zelfs in zijn meest primitieve vorm: de bovenkant van de broeikas is ondoordringbaar voor infrarode straling. De uitgaande straling kaatst direct terug en dus zou de onderkant van de broeikas moeten bijdragen aan de gestegen temperatuur van de broeikas (net zoals de wolken bij de Cabauw-metingen).
Maar waarom bleek dat niet zo te zijn? Waarom bleek de ’tegenstraling’ in dit geval geen temperatuur-effect te hebben? En als dat zo is, op welke wijze wijkt deze ’tegenstraling’ dan af van de LWD in de bovenstaande metingen, waarvan we dus wel uitgaan van het feit dat deze een temperatuurs-effect hebben?
Er worden in de bovenstaande figuren evenwichten gevonden die zouden moeten verklaren hoe de Aarde, ondanks een tekort aan directe stralingsenergie, toch een aangename 15 graden Celsius als gemiddelde temperatuur heeft. Maar klopt het ook? Er is namelijk ook 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 nieuwe 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 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.
Zelfs het, experimenteel nog nooit aangetoonde, broeikaseffect, zal toch geen energie uit het niets kunnen produceren?
Er is dan dus blijkbaar toch nog een belangrijk probleem met de broeikastheorie.
De natuurkunde en de stralingswetten
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. Maar hoe weten we dat de straling die de atmosfeer naar het oppervlakte (terug-)straalt ook zorgt voor een temperatuurtoename?
Met andere woorden; werkt de atmosfeer wel als een energetische stralingsval of zou misschien toch professor Wood een fundamentele ontdekking hebben gedaan toen hij experimenteel aantoonde dat straling helemaal niet verantwoordelijk was voor de opwarming van een glazen kas? Hij stelde hierover zelfs: “Het lijkt mij zeer twijfelachtig of de atmosfeer überhaupt wordt opgewarmd door het absorberen van de straling van de grond, zelfs onder de meest gunstige voorwaarden.”
In hoeverre was zijn conclusie terecht?
Het geven van een antwoord op deze toch wel prangende vraag is, helaas, ontsnapt aan de aandacht van de duizenden wetenschappers en niet-wetenschappers, die betrokken zijn geweest bij de IPCC-onderzoeksrapporten.
Broeikas-fysica heeft immers 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 hebben hier dus te maken met een keur aan experimentele data die het gelijk van Volz bevestigen, terwijl experimentele data voor het bestaan van een ‘broeikas-effect’, tot op de dag van vandaag, niet kan worden geleverd…
Volz besluit zijn bijdrage in de discussie met zijn uitvinding van een “perpetuum mobile”:
“In een verlaten zwarte ruimte hangt een holle bal, gemaakt van een materiaal dat infrarode straling doorlaat en die is gevuld met kooldioxide. Wanneer nu zich een situatie voordeed die vergelijkbaar was met de case 1 (absorptie zonder uitstraling en/of complete absorptie binnen enkele meters van de gasfase), dan zou het gas waarmee de bal gevuld is worden verwarmd door de straling van de zwarte wanden buiten de bal en dan zou, bijvoorbeeld door een Peltier element, elektriciteit kunnen worden opgewekt tussen de koude wanden buiten de bol en het warmer geworden gas in de bol.
Helaas, wanneer zich dan de case 3-situatie zou voordoen, dan gebeurt dit niet.”
Het gebeurt niet.
Het lijkt me een sluitende verklaring voor het negatieve resultaat van de proeven van professor Wood. Straling is dus blijkbaar niet altijd energie/warmtetransport, omdat je behalve de absorptie ook de emissie van een aangeslagen deeltje mee moet nemen in de beschouwingen.
Er vindt, zoals hierboven hebben kunnen zien, dus klaarblijkelijk veel minder warmtetransport door straling plaats, tussen de aardkorst en de direct bovenliggende atmosfeerlagen met vergelijkbare temperatuur, dan wordt aangenomen in de broeikas-theorie. De grafieken zoals deze door De Vos zijn samen gesteld geven dus weliswaar een stralingsuitwisseling weer, maar dus niet noodzakelijkerwijs ook een warmte-uitwisseling.
En dat klopt natuurlijk met hetgeen dus al meer dan een eeuw geleden door professor Wood werd aangetoond; opwarming door zonnestraling vindt helemaal niet plaats door straling, maar door convectie.
De speurtocht
Wat is een redelijke verklaring voor de temperatuur op Aarde?
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 fors theoretisch probleem. Zoals gezegd, de Aarde is thermodynamisch gezien een en zgn. ‘gesloten systeem’ waarbij geen materie, maar wel warmte met de omgeving wordt uitgewisseld.
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, hiervoor een temperatuur van -19 °C aanwezig moet zijn, met typische golflengten in het infrarode deel van het spectrum. Dit is dus maar liefst 33 graden kouder dan het op aarde gemiddeld is. We hebben geleerd dat dit verschil veroorzaakt wordt door het broeikaseffect, een ‘stralingsval’. Probleem hierbij is echter dat het bestaan van een dergelijke ‘stralingsval’ nog nooit natuurkundig is aangetoond en ook in strijd is met de eerste hoofdwet van de thermodynamica, behoud van energie.
Om dit probleem op te kunnen lossen lijkt het 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.