Atmosfeer geen broeikas maar dieselmotor

Een gastbijdrage van Frans Schrijver. 

Het beeld van opwarming van de aarde door het broeikaseffect lijkt zijn langste tijd te hebben gehad. Tientallen jaren is gedacht dat broeikasgassen in onze dampkring zorgen voor het verhogen en in stand houden van de evenwichtstemperatuur op aarde en dat het klimaat verandert door de toename van deze broeikasgassen. Onderzoek toont echter aan dat waarschijnlijk een heel ander fenomeen verantwoordelijk is voor een leefbare temperatuur op aarde. En dat is simpelweg de luchtdruk op aarde. Voor de dagelijkse weersverwachting weten we niet anders dan dat een iets hogere of lagere luchtdruk grote invloed heeft. Maar dat blijkt ook te gelden ook voor het klimaat.

De Amerikaanse onderzoekers Ned Nikolov en Karl Zeller hebben geconcludeerd dat de samenstelling van de atmosfeer helemaal niet ter zake doet, maar dat alleen de luchtdruk aan het aardoppervlak in combinatie met de zon de bepalende factor is. Ook het aandeel CO₂ in de lucht is dus irrelevant. De manier waarop de luchtdruk zorgt voor extra opwarming is vergelijkbaar met een dieselmotor. In de cilinder van een dieselmotor kan door de hoge druk het gasmengsel (zonder bougie) tot ontbranding komen. Op kleinere schaal merk je het ook als je de band van je fiets oppompt: de pomp wordt dan warm. In de natuurkunde staat dit verschijnsel bekend als een adiabatisch proces. Hierbij kan de temperatuur van een gas veranderen onder invloed van drukverandering, zonder dat er warmte-uitwisseling met de omgeving plaatsvindt.

Het onderzoek van Nikolov/Zeller uit 2017 kon aanvankelijk rekenen op veel kritiek en ongeloof, ook van zogenaamde klimaatsceptici, maar er zijn steeds meer aanwijzingen dat niet de samenstelling van de atmosfeer maar de resulterende luchtdruk de bepalende factor voor de temperatuur op aarde is.

Luchtdruk bestaat omdat lucht onder invloed staat van de zwaartekracht van de aarde en daarom gewicht heeft. De luchtdruk op zeeniveau bedraagt gemiddeld 1013 hectopascal, dat is te vergelijken met een gewicht van ongeveer 10.000 kg per vierkante meter. Net als in een dieselmotor zorgt die hoge druk voor een temperatuurstijging. Cruciaal daarbij is dat de lucht in alle richtingen vrij kan bewegen. In de atmosfeer stijgt warme lucht op en wordt aangevuld met koelere lucht. De temperatuur krijgt zo een boost, die ervoor zorgt dat we een leefbare planeet hebben. Het effect dat onder invloed van de luchtdruk in de atmosfeer optreedt, is gebaseerd op de klassieke wetten van de thermodynamica die al vele tientallen jaren bekend zijn. Tot nu toe hebben klimaatwetenschappers echter vrijwel niet naar deze invalshoek gekeken en hebben ze zich eenzijdig gericht verklaringen gebaseerd op licht- en warmtestraling.

Dat luchtdruk grote invloed heeft op de temperatuur merk je goed in de bergen. Op grote hoogte is het een stuk kouder dan in het dal. Op de top van de Kilimanjaro kan het streng vriezen, terwijl het aan de voet van de berg soms tropisch warm is. De lage temperatuur aan de top hangt direct samen met de lage luchtdruk op die hoogte.

In het onderzoek hebben Nikolov en Zeller gekeken naar de kenmerken van 6 hemellichamen, te weten de aarde, de maan, Mars, Venus, Titan (een maan van Saturnus) en Triton (een maan van Neptunus). Het gaat om hemellichamen met een hard oppervlak en waarvan gegevens als luchtdruk, samenstelling, temperatuur en dergelijke goed bekend zijn. En wat blijkt? De temperatuur aan het oppervlak is bij al deze hemellichamen alleen afhankelijk van de hoeveelheid zonnestraling en de luchtdruk. Zelfs op Venus waar de atmosfeer voor 95% bestaat uit CO₂ is de gemiddelde temperatuur tot op een graad Celsius te berekenen op basis van alleen zonnestraling en luchtdruk. Alle hemellichamen voldoen aan een wiskundige formule waarin alleen de luchtdruk en de hoeveelheid geabsorbeerde zonnestraling voorkomen. In de grafiek hier is horizontaal de luchtdruk aangegeven. De verticale as van de grafiek geeft de verhouding aan tussen de werkelijke temperatuur aan het oppervlak en de temperatuur indien er geen atmosfeer zou zijn. Voor de aarde met een luchtdruk van 100kPa is die verhouding 1,46. Dit betekent dus dat de temperatuur op aarde 46% hoger is dan wanneer er geen atmosfeer zou zijn.

Het berekenen van een lijn die precies door alle gevonden waarden gaat heeft wel veel kritiek gekregen. Er zou op deze manier sprake zijn van ‘connecting the dots’, ofwel het toerekenen naar een resultaat. Het is echter zo dat de onderzoekers ook hebben gekeken naar andere factoren zoals bijvoorbeeld de hoeveelheid broeikasgassen. Op die factoren kon geen vergelijkbaar verband worden vastgesteld. Strikt genomen kan op basis van het onderzoek alleen geconcludeerd worden dat er een bepaalde vorm van correlatie is tussen alle onderzochte hemellichamen op het punt van de aanwezige luchtdruk. Dat is veel te weinig om te spreken van een bewijs, maar het is wel een interessante indicatie.

Minstens zo belangrijk is hun argumentatie dat de invloed van luchtdruk op het klimaat een veel betere verklaring geeft dan de broeikhypothese. Om dat te begrijpen is het goed om te kijken naar de temperatuur op aarde als er geen atmosfeer zou zijn. Deze is te berekenen op basis van een wetmatigheid die bekend staat als de Stefan-Boltzmann-vergelijking. Nikolov/Zeller stellen dat de aarde zonder atmosfeer een gemiddelde temperatuur zou hebben van ongeveer -75^oC, dus zo’n 90 graden kouder dan het in werkelijkheid is. Eerder gingen klimaatwetenschappers nog uit van een verschil van maar 33 graden, maar zij hebben 40 jaar lang gewerkt met een verkeerde berekening van de gemiddelde temperatuur van de aarde zonder atmosfeer. Het is in de natuurkunde bekend welke temperatuur een object heeft als het alle zonnestraling absorbeert die op het oppervlak valt, en die het in de vorm van warmte weer uitstraalt. Als de aarde een rond plat vlak zou zijn, bedraagt de effectieve zonnestraling 960 Watt per m². Maar de aarde is bolvormig en draait om zijn as. Het oppervlak van een bol is 4 keer zo groot als het oppervlak van een cirkel met dezelfde doorsnede. Lange tijd is de temperatuur berekend door een vierde deel van de 960 W/m² te nemen. Dit zou goed zijn geweest als de hoeveelheid straling en de temperatuur een recht evenredige verhouding zouden hebben, maar dat is niet zo. Om een 2 keer zo hoge temperatuur te krijgen, is 16 keer zo veel straling nodig. De ‘winst’ die je overdag aan temperatuurstijging maakt is veel kleiner dan het ‘verlies’ in de nacht. Berekeningen van Nikolov/Zeller tonen aan dat de temperatuur zonder atmosfeer zo’n 90^oC kouder is dan de werkelijke gemiddelde temperatuur. Deze 90^oC is dus veel meer dan de 33^oC waarmee tot op de dag van vandaag de broeikashypothese wordt onderbouwd.

De impact van deze fout is groot, omdat het grotere temperatuurverschil met alleen de broeikashypothese niet te verklaren is. Het beeld van de atmosfeer als broeikas stamt al uit het begin van de 19e eeuw. Het idee is dat zogenaamde broeikasgassen een deel van de warmte die de aarde uitstraalt, absorberen en opnieuw uitstralen. Er is alleen nooit bewijs geleverd dat die theorie voor zo’n grote opwarming kan zorgen. In tegenstelling met wat de naam suggereert, is de atmosfeer geen broeikas. Op een echte broeikas zit een glazen dak dat de lucht tegenhoudt. Daaronder wordt het warm, niet omdat warmtestraling tegengehouden wordt, maar omdat de warme lucht niet kan opstijgen. In de atmosfeer is onder invloed van de luchtdruk juist convectie, de overdracht van warmte door luchtbeweging, cruciaal.

In een reactie op kritiek van Dr. Roy Spencer wijst Nikolov erop dat de broeikashypothese leidt tot een paradox. De aarde absorbeert gemiddeld 240 W/m² zonnestraling, terwijl de gemeten warmtestraling vanaf de aarde richting atmosfeer 398 W/m² is en de warmtestraling richting aarde 342 W/m². Oftewel, de warmtestraling vanuit de dampkring is 40% hoger dan de ontvangen zonnestraling. Deze ongelijkheid is nog veel extremer op Venus. Daar is de atmosferische warmtestraling meer dan 230 keer groter dan de geabsorbeerde lichtstraling. Dit leidt tot de conclusie dat broeikasgassen nooit een voldoende verklaring kunnen zijn voor hogere temperatuur op aarde. Als het al mogelijk is het relatief warmere aardoppervlak te verwarmen vanuit de relatief koudere atmosfeer, dan kan de warmtestraling van de atmosfeer nooit groter zijn dan de geabsorbeerde lichtstraling. Het zou simpelweg in strijd zijn met de wet van behoud van energie. Volgens Nikolov is de hoge atmosferische warmtestraling niet de oorzaak van hoge temperatuur op aarde, maar een gevolg van de door hem beschreven adiabatische opwarming.

Global mean energy budget, Wild et al., 2013

Een andere indicatie dat de broeikashypothese grote mankementen vertoont zijn verschillende regionale metingen. In een studie van Carl Brehmer is het broeikaseffect gemeten in twee vergelijkbare gebieden in de Verenigde Staten. Gekeken is naar het verschil in luchtvochtigheid (water als belangrijkste broeikasgas). In tegenstelling tot de verwachting bleek het gebied met de laagste luchtvochtigheid gemiddeld 1,5^oC warmer te zijn dan het gebied waar het broeikaseffect groter zou moeten zijn. Ook studies naar het broeikaseffect in de poolgebieden geven resultaten die niet overeenkomen met gangbare broeikashypothese. Studies van Schmithüsen en Sejas tonen aan dat broeikaseffect zowel aan de noord- als aan de zuidpool vrijwel nul of zelfs negatief is.

Het is duidelijk dat de broeikashypothese aan alle kanten rammelt. Kennelijk moet er een ander mechanisme zijn dat ervoor zorgt dat de temperatuur op aarde hoger is dan wanneer er geen atmosfeer zou zijn. Of de verklaring die Nikolov/Zeller geven op basis van de luchtdruk wel de juiste is, kan nog niet met 100% zekerheid worden beantwoord. Maar het grote verschil met de broeikashypothese is dat de nieuwe ontdekking gebaseerd is op metingen en op onomstreden wetten van de thermodynamica, terwijl we het tot nu toe moesten doen met vooral theoretische rekenmodellen. In alle kritiek op de onderzoeken van Nikolov en Zeller is het principe van adiabatische verwarming zoals zij hebben beschreven, niet weerlegd. Het is daarmee een veel plausibeler verklaring dan de broeikashypothese.

De impact van het nieuwe inzicht in de werking van de atmosfeer is schokkend groot. Tot nu toe is het hele klimaatbeleid volledig gericht op het verlagen van de uitstoot van CO₂. Vele kostbare maatregelen zijn in werking gezet of in voorbereiding om dit te bewerkstelligen. Er was al veel twijfel over het nut hiervan, maar indien het nieuwe inzicht klopt, dan is duidelijk dat dit voor de beïnvloeding van het klimaat een zinloze bezigheid is. Het is niet verwonderlijk dat er bij klimaatwetenschappers, beleidsmakers en politici nog weinig enthousiasme is voor de nieuwe theorie. Posities zijn ingenomen en er staan (zeer) grote financiële belangen op het spel. Voor klimaatwetenschappers zal het ook moeilijk zijn om te erkennen dat hun denken jarenlang in een verkeerde richting is geweest.

Frans Schrijver.

Gezien de enorme impact voor de maatschappij is het te hopen dat er snel consensus komt over deze fundamentele kwestie. Het zou het goed zijn om met een brede blik te kijken en de conclusies voor te leggen aan andere wetenschappers: niet alleen aan klimaatwetenschappers maar met name ook aan natuurkundigen. In de tussentijd is het niet goed voorstelbaar dat onomkeerbare, miljarden kostende maatregelen worden genomen, zolang de nu gepresenteerde conclusies niet zijn weerlegd.