Klassieke mondiale klimatologie in een notendop
Op veler verzoek en vooruitlopend op de publicatie van een speciale door mij geredigeerde klimaateditie van Energy & Environment bij deze mijn samenvatting “Klassieke mondiale klimatologie in een notendop”.
De aarde ontvangt kortgolvige stralingsenergie van de zon, en aan de top van de atmosfeer (TOA) wordt bij evenwicht de zelfde hoeveelheid energie als langgolvig infrarood weer uitgestraald. De inkomende kortgolvige straling (IKS) verwarmt atmosfeer en oppervlak. De uitgaande langgolvige straling (ULS) koelt de atmosfeer. De IKS is door de scheve stand van de aardas zeer onevenredig over het aardoppervlak verdeeld. Indien er geen atmosfeer met winden en waterdamp aanwezig zou zijn, zou de gemiddelde temperatuur aan de equator het kookpunt van water benaderen, en aan de pool gedurende de nacht, het absolute nulpunt. Dankzij de processen die zich in de atmosfeer afspelen, wordt de temperatuur aan het oppervlak van de equator tot ca. 30 °C verlaagd en die aan de pool tot ca. – 40 °C verhoogd.
De koeling aan de equator komt hoofdzakelijk tot stand door verdamping van water, waardoor warmte aan het oppervlak wordt onttrokken. De waterdamp condenseert weer hoger in de atmosfeer (tot wolken) waardoor deze opwarmt. Als we de atmosfeer een ‘broeikas’ zouden noemen, is dit de belangrijkste oorzaak dat de hogere luchtlagen warmer worden dan zonder dampkring, maar deze blijven toch kouder dan het oppervlak (op 10 km hoogte ca. – 50 °C.)
De weerverschijnselen verspreiden de warmte over de gehele atmosfeer en de oorzaak dat het aan de polen warmer wordt is toe te schrijven aan de warme winden van equator naar polen. De waterhuishouding zorgt dus bij oververhitting voor afkoeling, bij onderkoeling voor opwarming, dus de werking van de broeikas is niet eenzijdige opwarming. Er ontstaat op mondiale schaal een zeer gecompliceerd evenwicht dat vanwege de gecompliceerde weerverschijnselen moeilijk in een dynamisch model is te vangen. Er zijn wel enige waarnemingen waarmee klimaatverandering op mondiale schaal zijn te verklaren.
Het brede patroon van klimaatveranderingen in de historische periode is in overeenstemming met de hypothese van afwisselende afzwakking en versterking van de atmosferische circulatie, die verbonden zijn met afwisselende poolwaartse en equatorwaartse veranderingen van de windzones. Tijdens perioden met geringe circulatie trekken de westenwinden rond de polen samen en er treden veel anticyclonen op tussen de keerkringen. De winden zijn variabel, de regenval is relatief gering en het klimaat heeft een ‘continentaal karakter’ dat wordt gekenmerkt door koude winters en warme zomers. Als de circulatie sterker is, overheersen de westenwinden. Er treden dan meer stormen op, die tot lagere breedtegraden doordringen. De regenval is heftiger en het klimaat krijgt meer het karakter van een zeeklimaat. Dit was de algemene situatie in het Atlantische gebied, met enkele onderbrekingen na 1200.[1]
Een bijkomende complicatie is, dat de stralingsprocessen niet beperkt zijn tot de IKS van de zon en de ULS aan de TOA. Het oppervlak van de aarde straalt zelf ook langgolvige straling (IR) uit die hoofdzakelijk door de waterdamp (en de wolken) wordt geabsorbeerd waardoor deze een bijdrage levert aan de opwarming van de dampkring. Echter deze dampkring gaat ook optreden als IR straler, wat weer een afkoelend effect op de dampkring zelf heeft. De dampkring straalt echter in twee richtingen, zowel opwaarts, richting heelal en neerwaarts richting oppervlak, en op elke hoogte evenveel in beide richtingen. De neerwaartse straling uit de dampkring, nabij het oppervlak, draagt naast de IKS van de zon dus ook bij aan het warm houden van het oppervlak. Dit is dus naast de waterhuishouding, die het oppervlak verkoelt, een tweede effect van de ‘broeikas’ die het oppervlak verwarmt. Echter, het eerste proces (verkoeling) werkt het tweede tegen omdat door een verwarming door het tweede, de waterverdamping snel toeneemt en dit sterker verkoelend gaat werken.
Een derde complicatie is dat bij de afkoeling van het aardoppervlak niet alleen de waterverdamping is betrokken maar ook de verticale luchtconvectie en bij relatief hoge temperatuur een turbulente stroming die de afmeting van een orkaan kan aannemen, waardoor de gecombineerde stof- en warmteoverdracht sterk wordt versneld.
Figuur 1 De horizontale en verticale hoofdwinden
Figuur 2 De instraling IKS (geel) en de uitstraling ULS (rood) als functie van de breedtegraad.
Het zal duidelijk zijn dat, om tot uitspraken te komen over een verandering van een gemiddelde mondiale temperatuur alle eerder genoemde deelprocessen ook op een mondiale schaal moeten worden gekeken en in het bijzonder hun interacties onder invloed van de gecompliceerde windbewegingen. (Zie figuur 1). Uit het oogpunt van de mondiale stralingsbalans is het ook van belang dat de inkomende straling van de zon (IKS) op geen enkele breedtegraad evenwicht maakt met de uitgaande IR straling (ULS) aan de top van de atmosfeer . (Met mathematische uitzondering op de breedtegraad waar de twee curven elkaar snijden). De theoretische beschouwing aan de hand van de werkzame fundamentele natuurwetten van de stralingsprocessen dóór de atmosfeer, waarbij wel lokaal een evenwicht wordt verondersteld, heeft daardoor een beperkte betekenis.
Nieuwe inzichten en benaderingen
Een belangrijk ‘nieuw’ inzicht (anno 1965) was het effect dat CO2 in de atmosfeer, op grond van zijn fysische eigenschappen, een invloed zou kunnen hebben op die stralingsprocessen. Het was niet werkelijk nieuw. Tyndall verrichtte al in 1861 experimenten waarmee hij aantoonde dat ook met name methaan en CO2 een bijdrage aan de processen zouden kunnen leveren. Op grond hiervan veronderstelde Arrhenius in 1896 dat CO2 een belangrijke invloed zou hebben op de temperatuurvariaties tijdens ijstijden en interglacialen. Diens argumentatie werd rond 1900 door Ångström weerlegd. In the encyclopeadia Britannica 1932 en 1964 wordt er dan ook geen melding van gemaakt. In de eerst genoemde wordt zelfs een auteur aangehaald die stelt dat bij de heersende CO2 concentratie in de atmosfeer deze bij verhoging niet veel méér IR bij zijn specifieke golflengten kan absorberen dan het reeds doet. Voor de gangbare opvattingen over klimaatverandering (zie voorgaande box) bestond er tot 1965 eenvoudig geen CO2 effect.
Dankzij de ontwikkeling van de moderne rekentuigen kon men beginnen met het kwantificeren, door simulatie, van de in de box en figuur 1 weergegeven processen. In deze zogenaamde ‘General Circulation Models’ (GCM)[2] wordt gebruik gemaakt van de bekende fundamentele natuurwetten. Waarbij, volgens genoemde aanhaling, echter de werking van de tweede hoofdwet van de thermodynamica (het streven naar maximale entropieproductie) nog onderbelicht blijft.[3] De modellen leidden in ieder geval wel tot verbetering van de weersvoorspelling op korte termijn. Gezien het feit dat deze toch nog steeds geen week vooruit kan kijken, blijkt hun beperking om klimaatsveranderingen op iets langere termijn te simuleren. De oorzaak is dat men in de modellen, wel de belangrijkste fundamentele fysische krachten geïsoleerd verwerken kan, maar niet op mondiale schaal, de wisselvallige incidentie van de weerverschijnselen, die volgens de klassieke klimatologie van groot belang zijn voor het produceren van een mondiale klimaatconditie.
Kritiek op recente benaderingen
Hiermede staat de waarde van de GCM’s voor het voorspellen van klimaatverandering ten principale ter discussie. Maar de kritiek gaat dieper wat betreft de input aan fundamenteel werkzame fysische krachten. Van Andel vat dit als volgt samen[4].
De voornaamste foute aannamen [positive feedbacks] in de klimaatmodellen zijn de volgende drie:
- er komen minder wolken als het warmer wordt, en dan wordt het nog warmer
- de toename van de Hadley cycle is klein, zelfs negatief in sommige modellen, dus de koeling neemt relatief af bij warmer worden, waar door het nog warmer wordt. (Voor toelichting op de Hadley cell, zie hieronder)
- de relatieve vochtigheid verandert niet, waardoor er bij warmer worden meer waterdamp, ook in de hogere atmosfeer, kan blijven, waardoor de uitstraling extra gehinderd wordt en het nog warmer wordt
Hierdoor wordt het berekende effect van de vermeerderde CO2 veel groter Er heerst eenstemmigheid over een 1.1 ºC tengevolge van de verminderde uitstraling bij een CO2 concentratieverdubbeling. Maar door deze drie versterkende factoren in de modellen wordt de opwarming van de aarde veel groter, van 2…6 ºC. Er is zelfs sprake geweest van een tipping point, waardoor de opwarming niet meer teruggeregeld wordt en alle leven uitsterft.
Deze extreme klimaatgevoeligheid, niets minder dan een rampscenario, is de reden waardoor deze modellen een zo grote aandacht hebben gekregen. En ook de reden voor ruime budgetten voor het lanceren van klimaatsatellieten om metingen te doen naar de energiebalans van onze atmosfeer, waardoor er nu toch het besef doordringt dat men wat meer belang moet hechten aan metingen en wat minder aan modellen.
De satelliet metingen wijzen op een klimaatgevoeligheid van 0.2…..0.5 ºC tengevolge van een CO2 verdubbeling. Die gevoeligheid is zo klein, dat hij niet te onderscheiden is van andere effecten, zoals meer of minder wolk condensatie kiemen en zich verleggende zeestromingen.
Het alternatieve beeld dat Van Andel op grond van zijn literatuurstudies schets hoe de aarde haar oppervlaktetemperatuur binnen grenzen houdt, is het volgende.
Wolken
Met uitzondering van de 10% droge woestijngebieden is het oppervlak van de aarde overal in staat water te verdampen. Boven de zee, boven vegetatie, zelfs ‘s zomers boven het ijs in de poolgebieden. Als de zon het oppervlak aanstraalt, wordt dat overdag warmer en zal dit water gaan verdampen. Zodra de temperatuurgang van het oppervlak naar boven een bepaalde waarde overstijgt, theoretisch 9.8 ºC per kilometer, wordt de atmosfeer instabiel en komt er een verticale convectie op gang. Als die opstijgende luchtkolom groot genoeg is, zal de opstijgende lucht onder zijn dauwpunt komen en er vormt zich een wolk. Door die wolk dringt het zonlicht niet meer tot het oppervlak door, maar wordt weerkaatst aan de witte bovenkant van de wolk.
Dat is de eerste temperatuurregeling.
De aarde heeft een wolkbedekking van ongeveer 60 %, en zit dus in het midden van haar “regelbereik”. Dat is niet altijd zo geweest; 3 miljard jaar geleden was de jonge zon 30% zwakker, maar doordat er dan zoveel minder wolken ontstaan, is de aarde in die tijd, waarin het ééncellige leven is ontstaan, niet veel kouder geweest dan nu.
Koeling door verdamping
Het verdampende water, en in mindere mate ook de warme opstijgende lucht, neemt warmte mee vanaf het oppervlak naar kilometers hoogte, waarvandaan die warmte gemakkelijker als infrarode straling naar de ruimte kan ontsnappen.
Dat is de tweede temperatuurregeling.
Die lucht moet natuurlijk ook weer naar beneden stromen, maar dan in een koudere en veel drogere toestand. Dat gebeurt tussen de wolken door, maar ook in veel grotere gebieden, de woestijngordel, en in hogedrukgebieden in onze klimaatzone, met mooi weer en weinig wind. Verreweg de grootste “koelmachine” is de zogenaamde Hadlycyclus: De Oostelijke passaatwinden stromen toe naar de Intertropische Convergentiezone, waar de over de oceanen en regenwouden verzamelde warme en vochtige lucht opstijgt en zich ontlaadt in dagelijkse tropische regenbuien. Die convectietorens zijn 15 km hoog, aan de bovenkant dus zeer koud, waardoor de lucht daar extreem koud en droog wordt. Die lucht daalt dan voorts weer in de woestijngordel naar beneden, waar ze aan het wateroppervlak weer vocht kan opnemen, maar boven land voor een woestijnklimaat zorgt.
Koeling door uitdroging van de hogere atmosfeer
Het blijkt uit weerballonmetingen dat hoe sterker die natte convectie is, hoe droger de weer naar de aarde neerdalende lucht wordt. Zo is tijdens de opwarming van 1975-2000 de vochtigheid in de bovenste luchtlagen 10 tot 20% gedaald. Dit dalen van de hoeveelheid waterdamp heeft een zeker zo groot effect op de uistraling naar het Heelal dan de toename van de CO2 in die periode.
Dat is de derde temperatuurregeling.
Verhoogde CO2 heeft vooral effect in de hogere luchtlagen, waar door de lage temperatuur bijna al het water vloeistof of ijs is geworden en de lucht als neerslag heeft verlaten. CO2 condenseert niet, en heeft dus overal dezelfde concentratie.
Satellietmetingen
De drie temperatuurregelingen zijn de laatste decennia overtuigend vastgesteld door de satellieten CERES, ERBE, AQUA, die speciaal voor dit doel werden gelanceerd. Het heeft wel even geduurd voordat ze in de literatuur ook doordrongen, omdat ze zo sterk afwijken van wat daarvoor in de klimaatmodellen was verondersteld. Nog steeds worden de metingen niet geloofd door degenen die zoveel van hun carrière besteed hebben in het opstellen van klimaatmodellen om de invloed van CO2 op ons klimaat vast te stellen.
Klimaatverandering in de 20ste eeuw
Veranderingen van enkele tienden ºC zijn bewijsbaar gevolg van regelmatig wisselende zeestromingen, waardoor de ventilatie van koude diepzee naar warm oppervlaktewater verandert. De bekendste is de El Nino Southern Oscillation. Door de passaatwind wordt het warme oppervlaktewater in de tropische Stille Zuidzee naar het westen geblazen, en moet dus worden aangevuld met water langs de westkust van Zuid Amerika, dat uit de diepte komt, koud is en veel nutriënten bevat, zeer ten gerieve van de visvangst langs die kust. Maar soms is die opwellende stroom er niet, met Kerstmis zien en ruiken de vissers dat aan de zee, die minder blauw is. Dit voor de vissen en vissers rampzalige Kerstkind [El Niño] duurt vaak een jaar. De hele tropische Pacific wordt warmer, de warmteoverdracht door natte convectie naar hogere breedte neemt toe en de globale temperatuur stijgt met soms een halve ºC. Het warme jaar 1998 is een voorbeeld. Nu is het zo dat perioden van enkele decennia met een frequente El Nino [1980-2000] zich afwisselen met perioden met infrequente El Nino [1960-1980]. Die frequentie kan je uitdrukken in een getal, de SOI of Southern Oscillation Index, en die blijkt goed te correleren aan de globale temperatuur.
Hetgeen die vissers al millennia weten, is niet opgenomen in de klimaatmodellen, want het heeft niets te doen met CO2. [Einde aanhalingen van Van Andel]
Samenvatting van de stand van de wetenschap
Mijns inziens, we weten het allemaal nog niet zo precies hoe robuust het aardse mondiale klimaat nu werkelijk is. Maar het lijkt mij duidelijk dat de hedendaagse klimatologen die de IPCC wijsheden verkondigden, onvoldoende gebruik hebben gemaakt van de klassieke klimatologische inzichten, met name van de opvatting dat de atmosfeer als broeikas ook als koelkast functioneert.
En voorts, dat uitsluitend vasthouden aan een beperkt aantal primaire fysische beginselen om met GCM’s klimaatverandering te beschrijven, met negeren van de primaire meteorologische beginselen, een rem is op de verdere ontwikkeling van de klimatologische wetenschap. En wat de primaire beginselen betreft, dat de uitwerking van de tweede hoofdwet, onderbelicht is gebleven. (Zie voetnoot 3) Deze wet is de grondslag voor eerder genoemde derde temperatuur regeling (van de atmosfeer), die niet direct afhankelijk is van de oppervlaktetemperatuur. Het proces stuurt daardoor de uitstraling aan de top van de atmosfeer, streeft daarbij naar een maximum stroom richting heelal (maximale entropieproductie) door de verandering van de waterhuishouding ter plaatse.
[1] Ontleend aan Encyclopaedia Britannica 1964, vol. 5, 914-927
[2] D.A. Randall ed. “General Circulation Model Development (AP 2000)
[3] In voetnoot 2, Hoofdstuk 22. D.R. Johnson “Entropy, the Lorenz Energy Cycle, and Climate” . Sectie IV: : The classical concept of the Carnot Cycle amd the driftless climate state”.
[4] Overgenomen uit het manuscript voor een boek “De staat van het klimaatonderzoek 2010. Een kijk van buitenaf op controversiële wetenschapsbeoefening.”
De broeikas een koelkast? Is het dan geen groentela?
Met dit algemene verhaaltje weet ik eigenlijk niet waar ik moet beginnen met reageren. Zijn jullie er nu nog steeds van overtuigd dat CO2 helemaal niet tot opwarming KAN leiden (mede veroorzaakt door Miskolzci's interpretatie van de wet van Kirchhof), of alleen dat er andere mechanismen bestaan die deze warmte tegen gaan ipv versterken?
Wat deze theorie ook veronderstelt is een stabiliteit en een equilibrium, maar in de paleorecords zie je al hoe relatief kleine zonnevariaties tot grote klimaatinvloeden kunnen leiden
Dat snap ik dan ook niet.
Beste Arjan,
De metafoor van de groentela begrijp ik niet zondermeer.
Je interpretatie van 'onze' opvatting (van de auteurs van het eerder genoemde E&E issue)is juist, dat de potentiele opwarming die van CO2 concentratieverhoging mag worden verwacht (op grond van haar primaire fysische eigenschappen) grotendeels door andere meteorologische (en fysische) processen ongedaan wordt gemaakt. Of zelfs geheel, daar lopen de meningen over uiteen.
Arthur
PS Van 2 tot 12 juli ben ik op vakantie (zonder internet verbinding) en kan geen verder commentaar beantwoorden.
Daarna wil ik graag terugkomen op je metafoor van de 'damwand' die warmte zou kunnen ophopen door 'vertraging' van de passage van stralingsenergie door de atmosfeer. Wellicht kun je die in een afzonderlijke (gast)blog nader toelichten, zodat we die afzonderlijk kunnen bespreken.
"… Waarbij [in GCM modellen – boog], volgens genoemde aanhaling, echter de werking van de tweede hoofdwet van de thermodynamica (het streven na maximale entropie productie) nog onderbelicht blijft."
Pardon?
De tweede hoofdwet stelt slechts dat gesloten systemen naar een toestand van maximale entropie, en dus géén entropieproduktie streven. Voor open systemen nabij het thermodynamisch evenwicht is aangetoond dat deze indien het evenwicht niet kan worden bereikt een toestand aannemen die door minimale entropieproduktie gekarakteriseerd wordt.
Nu zijn er inderdaad mensen, waaronder de klimaatskepticus Garth Paltridge, maar ook Ralph Lorenz die ervan uitgaan dat open systemen die ver van evenwicht worden gehouden, zoals het globale circulatiesysteem, gekenmerkt worden door maximalisatie van entropieproduktie.
Maar bepaald mainstream is dit niet, en op zijn minst rammelt de fysica nog qua bewijsvoering.
Dus om dit principe nu even te poneren als zijnde "de tweede hoofdwet van de thermodynamica" (en dus bij wijze van spreken a priori waar) kan echt niet door de beugel.
De tweede hoofdwet gaat echt alleen maar op voor gesloten systemen in evenwicht.
Dat er vanuit thermodynamische beginselen nog interessante dingen zijn te zeggen over het klimaatsysteem staat buiten kijf, maar je moet de zaken wel uit elkaar houden.
Als de redactie interesse heeft kan ik ze wel bedelven onder een stapel literatuur over dit onderwerp (nee, ik heb zeker geen tijd voor een gastblog)
"…El Nino… Hetgeen die vissers al millennia weten, is niet opgenomen in de klimaatmodellen, want het heeft niets te doen met CO2"
Dit is aantoonbaar niet waar. Er zijn zat studies naar El Nino / SOI in gekoppelde oceaan-atmosfeer modellen, zie bijvoorbeeld Spencer et al (2007). Dat het nog niet zo wil lukken, dat is wat anders, maar dat deze processen niet zijn opgenomen in de modellen is pertinent niet waar.
Beste Rypke
De theorie van de water/weer thermostaat gaat er niet van uit dat deze op zich zelf de gemiddelde oppervlaktetemperatuur perfect binnen nauwe grenzen kan houden. Zet de aarde op grotere of kleinere afstand van de zon, dan mag je verwachten dat een andere gemiddelde temperatuur zich zal instellen. Zo ook, indien de zon instraling zelf over bepaalde termijnen varieerde. met 30 %. Maar toch de temperatuur variaties over miljarden jaren, zijn niet verbijsterend groot. Althans wat mondiaal gemiddelden betreft.
Wat een belangrijke waarneming is, is de 'verdeling' van de oppervlaktetemperatuur over de hele globe. Er was een periode dat Antartica ijsvrij was, slechts 10 C verschil vertoonde met de equatoriale temperatuur. En meer recent, de tijd dat apen en leeuwen rondliepen, rond de Oosterschelde. De verklaring is dan, dat door verandering van de thermostaatwerking van de winden en de oceaanstromen, zich een specifiek gemiddelde oppervlaktetemperatuur heeft ingesteld, door verandering van die winden en stromen. Met andere woorden, de instraling van de zon, bleef in evenwicht met de uitstraling van IR aan de top van de atmosfeer, (op een mondiale schaal) maar de warmte werd onder invloed van veranderde wind en oceaanstromen, even anders verdeeld.
Dit is zo ongeveer de opvatting die ik hoor van menderwerkers van het Nationaal Museum Naturalis in Leiden. (Die dierenbotten in de Oosterschelde opgraven).
[Om met Van Andel te spreken, CO2, of überhaupt de optische dichtheid van de atmosfeer, heeft weinig van doen met de fundamentele processen op mondiale schaal in de atmosfeer die we proberen te doorgronden]
Beste boog,
Ik betwijfel ernstig je uitspraak dat de tweede hoofdewet alleen geldt voor een gesloten systeem. De wet blijft geldig in een dynamisch systeem waardoor een energie stroom plaats vindt. Waarin naast elkaar entropie daling als stijging plaats vindt, tot zij evenwicht maken. Dit lijkt mij gevestigde, en onbetwistbare fysica.
Beste boog,
wellicht heb je gelijk dat Van Andel te gemakkelijk concludeerd dat de 'vissers ervaring'' is genegeerd. Maar kun je dat verder substantieren zodat we het aan hem kunnen voorleggen?
Beste Arthur,
Nee. De versie van de 2e wet die op entropie is gebaseerd is daar zeer strict in:
"de entropie van het universum kan niet afnemen als gevolg van spontane processen"
Waarom "universum"? Omdat dit het enige echt geisoleerde systeem is. De 2e hoofdwet gaat over systemen *en* hun omgeving. Uiteraard kan als in de omgeving sprake is van een entropietoename binnen het systeem sprake zijn van een entropieafname. Maar voor het geheel kan dat niet.
Maar daar ging het hier feitelijk niet om; het gaat erom of voor open systemen uit evenwicht gekenmerkt worden door minimale entropieproduktie (wat stevig gegegrondvest is in de fysica). of maximale entropieproduktie (waar dat veel minder voor geldt)
En let wel: het gaat om maximale entropieproduktie niet om maximale entropie (dat trekt niemand in twijfel)
@boog: mooi dat je je kennis met ons deelt. Ik vind zowel Arthur's opmerking mbt entropie als jouw reactie tamelijk lukraak en betreur het dat je geen tijd hebt voor een gastblog. Een literatuurlijstje is altijd welkom want ik ga hier zeker op studeren. Onder tussen levert een google search al erg veel op: http://www.google.nl/search?hl=nl&q=entropy+c…. Ik zal me er eens in vastbijten. Mijn tip aan Arthur was om niet in één blog het hele klimaatsysteem te willen samenvatten. Ik start binnenkort zelf met een serie blogs waarmee ik thema per thema afvink. Bij deze: aan de kwestie entropie ga ik een aparte blog wijten. Eerst es ff weer een uur of 10 blokken op deze materie! Life is great! :-)
@boog: tenminste deze drie papers ondersteunen de case van maximale entropieproductie voor de global circulation (atmosfeer en oceaan).
http://homepage.mac.com/williseschenbach/.Public/… http://www.atm.ox.ac.uk/main/Meetings/Rotating_fl… http://www.jamstec.go.jp/frsgc/research/d1/conten…
Zeer boeiend om te zien hoe pril deze studies nog zijn. Henk Tennekes heeft gelijk dat op het gebied van weer- en klimaatmodellen niets dan bescheidenheid past. Als ik dit overzie dan is het echt absurd dat we een dergelijk subtiele materie verkrachten met a priori aannames over CO2-forcing. Ik ben echt geneigd te zeggen dat je 1000% zou moeten inzetten op het beschrijven van de natuurlijke variatie, waarbij je zeer ernstig UHI uit alle datasets verwijdert. En gegeven de zelfs volgens het IPCC bedroevend lage CO2-sensitivity is het de vraag of je ooit wel harde of halfharde uitspraken over CO2-forcing kunt doen op basis van de klimaatmodellen (laat staan over de regionale verdeling van de effecten). Wat als de klimatologen nu echt weer eens "uit de politiek" zouden stappen en ze zouden zeggen: mbt CO2 weten we het gewoon niet, verder ontvangen we graag nog wat bescheiden fondsen om onze kennisbasis verder te versterken? Wat denk je?
Geweldig interessant! Mijn complimenten voor de leesbaarheid.
Je hoort mij niet zeggen dat Maximale Entropie Produktie (MaxEP) bullshit is. Ik zeg alleen: het is een relatief nieuw, en controversieel, mechanisme.
Je kunt dus niet zeggen: dit en en dit onderzoek is gebaseerd op MaxEP, en dus 2e hoofdwet, en dus boven elke verdenking verheven
Het 1e paper wat je aanhaalt is van Adrian Bejan, vooral bekend van zijn Constructal Theory. Ook interessant, maar ook zeker niet omstreden.
Interessant leesvoer is o.a. zijn paper in Hydrology and Earth System Science: Bejan (2007). Tip: doorklikken naar de "Discussion paper (HESSD)" waar je het oorsponkelijke manuscript en, vooral, de review reports, vindt. (HESS kent een open review!).
In 1995 was hij trouwens nog niet van de MaxEP maar van de MinEP, getuige zijn toenmalige boek "Entropy Generation Minimization: The Method of Thermodynamic Optimization of Finite-Size Systems and Finite-Time Processes" (maar misschien is dat begripsverwarring)
Iemand die echt goed werk heeft verricht aan MepEP is Ralph Lorenz. zie bijvoorbeeld:
Lorenz et al (2001)
Ozawa et al (2003)
Maar zie ook de kritiek van Goody.
Met name interessant is een boek uit 2005: Non-equilibrium Thermodynamics and the Production of Entropy (verschillende individuele hoofdstukken zijn met een beetje mazzel wel bij elkaar te googlen)
Een buitengewoon interessant onderwerp, maar wel lastig. Ik probeer er al met tussenpozen al jaren grip op te krijgen.
Op zijn minst begrijp ik inmiddels de ware aard van entropietoename, de 'arrow of time' en waarom warmte van warm naar koud stroomt.
Beste Hajo,
Gaarne laat ik het verder aan jou over om nader uit te leggen hoe, in een systeem dat gesloten is voor energie aan- en afvoer door stofoverdracht, maar open voor energie aan- en afvoer door straling , (de atmosfeer dus), de entropiebalans zich instelt volgens de hoofdwetten van de thermodynamica. Mijn toelichting (in het gastblog) was onvoldoende maar ik wilde echter slechts tot uitdrukking brengen (met als richtlijn referentie 3 in het blog) dat het aspect van de entropiebalans onderbelicht is gebleven omdat het atmosferische dynamische systeem zo complex is. [quote ref.3 ‘Current challenges involve improving the accuracy of all aspects of the hydrological cycle, cloud radiation interaction, and the fluxes of radiation and sensible heat”.] Eenvoudiger systemen, zoals continue chemische processen in de fabriek en in de levende cel, staan wat dit betreft op voorspong. In de atmosferische wetenschap is het doorrekenen nog beperkt tot afzonderlijke fenomenen. Zie b.v. K. Emanuel, die laat zien dat de orkaan zich als een perfecte Carnot machine gedraagt (“Orkanen”, Wet bib. NW&T deel 86, dat Marcel je wellicht kan aanreiken).
Entropie is voorts gerelateerd aan de mate van orde (de informatie inhoud), een andere wet van Boltzman. Ook dit aspect blijft nog onderbelicht in de atmosferische wetenschap maar zal hopelijk aandacht gaan krijgen, als men durft te gaan overwegen dat er bepaalde regelsystemen werkzaam zijn die atmosferische processen binnen bepaalde grenzen houden. En dat het niet alleen om energiebalansen gaat, maar ook om entropiebalansen. De gebruikte term in complexiteit-theorie is ‘selforganization in nonequilibrium systems” (Nicolis, Prigogine. Jon Wiley 1977). En de atmosfeer gedraagt zich bij uitstek als zo’n systeem.
Ik ben het niet met boog eens dat maxEP nog zo’n omstreden begrip is. Wiskundig en fysisch lijkt het me goed onderbouwd. Wat wel omstreden is, of eigenlijk nog weinig aandacht heeft gekregen, hoe het principe uitwerkt in die verduveld complexe atmosfeer. (Zie nogmaals aanhaling uit ref. 3).
"Entropie is voorts gerelateerd aan de mate van orde"
Nee. Dat is een klassiek misverstand. Entropie is gerelateerd aan de meest waarschijnlijke macroschaal configuratie van een systeem met veel vrijheidsgraden op de microschaal.
Voorbeeld: er is maar één manier om met 2 dobbelstenen allebei een 6 te gooien, maar er zijn twéé manieren om een 3 en een 5 te gooien. Zo is er maar één manier om alle atmosferische gasdeeltjes op het Noordelijk halfrond te krijgen, maar er zijn er heel veel manieren om het 50-50 over beide halfronden te verdelen.
Ik zou echter niet willen zeggen dat in deze voorbeelden de ene configuratie meer 'geordend' is dan de andere.
Leesvoer: Entropy is not disorder
Overigens volg ik in deze de <a>Bolzmann interpretatie van entropie en thermodynamica. Voor mij is deze interpretatie, die uitgaat van de statistische mechanica, die tot werkelijk begrip leidt.
P.S. Prigogine (aangehaald door Arthur Rörsch) is <a>bepaald niet onomstreden (de late Priogine, dat is. Op het klassieke vroege werk van Prigogine is geen kritiek)
"Wiskundig en fysisch lijkt het [MaxEP] me goed onderbouwd."
Lijkt. Grinstein en Linsker (2007) hebben het bewijs van DeWar (2003) ontkracht.
Hier nog een aardig en relatief leesbaar artikel van Valerio Lucarini: Thermodynamic efficiency and entropy production in the climate system waarin MaxEP als interessant, maar zeker ook als 'controversial' wordt behandeld. Lucarine geeft aan dat er nog heel wat gedaan moet worden voordat we vertrouwen in MaxEP kunnen krijgen en het goed in kunnen zetten.
Beste boog,
Dank voor je kritische opmerkingen. Ik wil graag van je aannemen dat de maxEP meer controversieel is dan ik dacht. Zo ver had ik me er niet in verdiept. Ik meldde slechts wat Van Andel meende er van te moeten denken.
Grinstein en Linsker kreeg ik geen toegang toe. Wel tot Lucarini. Dit lijkt mij dan de stand van de wetenschap (aanhaling, abstract)
“Finally, the controversial maximum entropy production principle is reinterpreted as requiring the joint optimization of heat transport and mechanical work production. These results provide tools for climate change analysis and for climate models’ validation.”
(uit conclusies)
“We have then exploited the second law of thermodynamics to determine a lower bound to the entropy production., which is approximately given by the Carnot efficiency times the absolute value of the internal entropy fluctuations of the system. We have then obtained that entropy production due to heat transport from hot to cold regions is basically the difference between the actual and the minimal entropy production. Since the more efficiently the system transports heat
from high- to low-temperature regions, the larger is the entropy production, ceteris paribus, the controversial MEPP could naively be interpreted as optimality of climate system in the re-equilibration of the radiative imbalance between the equatorial and the polar regions. Instead, MEPP is shown to be roughly equivalent to the joint optimization of heat transport”
Ik vermoed dat Van Andel dit wel zal onderschrijven maar hij is momenteel bezig een glazen broeikas ergens in Afrika te bouwen. Hij heeft met name de ‘tropische storm’ onlangs doorgerekend.