De aardse broeikas zonder formules

Een bijdrage van Kees le Pair.

Samenvatting
Een zon beschenen bol zonder temperatuurverevening wordt gemiddeld -119 °C. (1)
Oceaan, grond en atmosfeer (met broeikasgas), de ‘geotriad’, maken er +12 °C van. (Dezelfde bol met volledige temperatuurverevening zou gemiddeld -18 °C zijn.)
Welk deel van de sprong elk van de triad voor zijn rekening neemt, is niet voldoende bekend.

Inleiding

Onze aarde is een prettige planeet om op te wonen; nu ja, niet overal. Op de Noordpool, de Zuidpool en in ‘Death Valley’ niet en ook niet, waar je steeds moet watertrappen of op de top van de Mount Everest. Maar vergeleken bij de andere planeten, die om de zon draaien, is het hier op veel plaatsen goed toeven. Waarom op aarde wel en elders niet? Daarvoor zijn talloze redenen. Te veel om op te noemen. Maar een ervan is, dat de aardse temperatuur bij ons leven past. Daarover gaat deze les.

Het komt doordat wij ons niet te ver van en ook niet te dicht bij de zon bevinden. Maar dat is niet het hele verhaal. Het verklaart bijvoorbeeld niet waarom de gemiddelde temperatuur op aarde 0,9 °C is. Althans volgens het gezaghebbende Amerikaanse agentschap NASA.

Weerkundigen rekenen liever met een gemiddelde temperatuur van een deel van het dunne aardschilletje waarin mensen wonen. Zij laten de poolgebieden weg in hun berekening en komen zo op een gemiddelde temperatuur van ongeveer +12 °C, of in een iets anders gekozen schil +15 °C. Het doet er niet toe of je van het een of van het andere uitgaat, beide zijn verbazend hoog!

Ik probeer uit te leggen waarom dat verbazend hoog is. De aarde moet een soort broeikas zijn, die warmte vasthoudt. Alleen weten we niet goed, hoe dat werkt. Het gerucht gaat, dat het komt door de atmosfeer, die ‘broeikasgassen’ bevat. In het bijzonder door CO2, dat wij mensen met ons verbruik van fossiele brandstof er in lozen. Zo simpel is het echter bij lange na niet. Ons CO2 is niet meer dan een extra druppel in een halfvolle emmer. Wat we wel weten is dat we voortdurend veel energie van de zon ontvangen. Die energie moeten we ook weer kwijt en dat kan alleen door hem weer uit te stralen. In- en uitstraling zijn gemiddeld ongeveer gelijk.

Aardwarmte

In het inwendige van de aarde is de temperatuur ongeveer 5000 °C. Dat wij onze voeten niet branden, komt doordat de aardkorst de warmte heel slecht geleidt. Aan het oppervlak merken wij er zo weinig van, dat we het mogen verwaarlozen in vergelijking met de warmte die wij van de zon ontvangen. Er ontsnapt wel een klein beetje van die aardwarmte, maar dat maakt het binnenin niet kouder. Het verlies wordt aangevuld door radioactiviteit. Onze aarde is, een soort kernreactor, die het binnenste op temperatuur houdt. Dat doet hij al 4 miljard jaar. Wanneer wij het hebben over de temperatuur op aarde, rekenen we dus alleen met de energie van de zon. En voor zover het om dat verwaarloosbare beetje eigen aardwarmte gaat, is dat in menselijke periode nog constant ook. Radioactiviteit is ongevoelig voor temperatuur of zwaartekracht.

Broeikas, en de geotriad

Nu dan het broeikaseffect. Hoe groot is dat eigenlijk? In boeken en publicaties staat vaak dat de aarde gemiddeld -18 °C zou zijn, als er geen broeikaseffect was. Dat is niet waar. Het is het gevolg van een vaak gemaakte fout in berekeningen. Men middelt eerst en rekent daarna. Terwijl het omgekeerde moet. Men moet eerst rekenen en dan pas middelen.

Zonder broeikaseffect zou de gemiddelde temperatuur -119 °C zijn(2). Dat is namelijk de temperatuur die een stenen bol zou hebben in onze baan om de zon, wanneer die de ontvangen zonne-energie niet zou verevenen. De zon schijnt niet overal even sterk en ’s nachts helemaal niet. Dus wordt het niet overal even heet. Bij volledige verevening zou de bol altijd en overal een zelfde temperatuur hebben, -18 °C. Bij helemaal geen verevening heeft elk punt op het oppervlak een temperatuur die net zo hoog is, als nodig om de ontvangen energie ook weer uit te stralen naar het heelal. In dat geval is de temperatuur in plaats en tijd ongelijk en gemiddeld -119 °C.

De mate waarin de bol de temperatuur verevent, is dus uiterst belangrijk voor de temperaturen die je er zou meten. 1% meer of minder temperatuurverevening kan zo 1 – 2 graden verschil maken.

De eerste stap in het begrip van de aardse broeikas is dus in welke mate verevent de aarde de temperatuur? Dat die niet overal gelijk is, weten we. Aan het vaste oppervlak is de temperatuur op sommige plaatsen soms -70 °C. Op andere plekken +55 °C. En de oceaan (70% van het aardoppervlak) is bij de evenaar beduidend warmer dan bij de polen.

Een theoretische bol in onze baan om de zon, die zelf de ontvangen energie niet uniform zou verdelen, maar die lokaal en op elk moment die energie zou moeten uitstralen om het totaal van die energie ook weer kwijt te raken, zou gemiddeld een temperatuur hebben van -119 °C (2).

Aards energietransport is een onderdeel van het totale broeikaseffect. Het zou wanneer het ideaal was, d.w.z. wanneer de naar het heelal uitstralende schil overal en altijd dezelfde temperatuur zou hebben, de stralingsevenwicht temperatuur van -119 °C tot -18 °C verhogen.

Het hoeft geen betoog dat het aards energie transport niet ideaal is. Anders zou het altijd en overal even warm zijn. De werkelijke stralingsevenwicht temperatuur ligt dus ergens tussen die twee uitersten. Geen mens die weet, hoe het echt is. Ik schat dat het warmte transport zo goed of slecht is, dat de eigenlijke aardse evenwicht temperatuur in de buurt van -73 °C ligt. Om dan tot de 0,9 °C van NASA of de 12 °C of 15 °C voor onze bewoonde schil van de weermensen te komen zijn er nog heel wat onbegrepen graden te overbruggen. Heel wat meer dan de 30 °C van -18 °C naar +12 °C, waarvoor in de huidige discussies wereldwijd CO2 in de atmosfeer de hoofdrol toegedicht krijgt.

Welke natuurkundige processen zijn er nu die maken dat wij niet leven op een aarde waar het ’s nachts -270 °C is en we op plaatsen recht onder de zon doodkoken? En zijn die processen overal en altijd even sterk? Is er reden om aan te nemen dat ze niet veranderen behalve door kolen, olie of gas te verstoken?

Ik verdeel het totale broeikaseffect in drie hoofdgroepen, de geotriad:

1. Het energie transport over aardoppervlak en atmosfeer door oceaanstromen en lucht verplaatsing. die de ongelijke temperaturen, die de zon alleen zou veroorzaken, enigszins uniformeren.

2. De opslag en afgifte van energie in de vorm van warmte door oceaan en grond (plus begroeiing en bebouwing). Door de rotatie van de aarde en de baan om de zon heeft die een temperatuurverschil nivellerend effect.

3. De troebele eigenschappen van water en lucht en hun warmteopslag, waardoor de naar het heelal uitstralende schil noodzakelijk een lagere temperatuur moet hebben dan de lagen er onder. Ook de warmteopslag en afgifte van de grond doet dat los van de bij 2 genoemde invloed ervan.

Zoals met alles in de natuur, waar veel factoren een rol spelen, is één ervan alleen dan verantwoordelijk voor verandering van het geheel, indien alle andere factoren constant blijven. Omdat CO2 alleen in het laatste van de triad – door zijn invloed op de transparantie van de atmosfeer – een rol speelt en niet als enige, is de veronderstelling dat al het andere onveranderlijk is, nogal boud. Daarbij is ook de invloed van de zon niet perse onveranderlijk (3).

Triadfactor 1, energie transport over aardoppervlak en atmosfeer

Wij leven niet òp de aarde, maar in een schil. Daarin hebben we dus geen last van de aardhitte van 5000 °C. De dikte van de schil die voor ons welbevinden van belang is, is niet meer dan enkele tientallen kilometers. (De straal van de aarde inclusief de merkbare atmosfeer is zo’n 6600 km, 6300 km van de tastbare aarde en nog 300 km voor de atmosfeer.)

De inkomende energie van de zon wordt deels gereflecteerd. Weerkaatst licht beïnvloedt de temperatuur van zijn spiegel niet. In onze schil hebben we daardoor te maken met een zonne-flux van ongeveer 1000 W/m2 (Watt per vierkante meter loodrecht op de stralingsrichting).

Die 1000 W/m2 komt alleen in onze schil op een plaats waar de zon recht boven staat. Op andere plaatsen is het minder. ’s Nachts en op de polen is het nul. (Strikt genomen is dat laatste alleen het geval rond 22 maart en 22 september en tijdens winters rond de Noord- en de Zuidpool.)

Om de gemiddelde temperatuur van de hele aarde over het jaar genomen constant te houden, moet zij die inkomende energie in dezelfde tijd ook weer kwijt raken. Dat kan alleen door uitstraling naar het heelal. Zonder enig aards energie transport in atmosfeer, oceaan en grond, zouden we daarvoor aan een gemiddelde temperatuur van de aarde als uitstraler aan -119 °C genoeg hebben. Bij ideaal transport, d.w.z. de aarde in zijn totaliteit overal en altijd dezelfde temperatuur, zou dat -18 °C zijn (4).

101 °C verschil maakt nogal wat uit. Hieraan zien we dat de manier, waarop de aarde zelf de ontvangen energie verdeelt, een enorm verschil maakt. En dat moet, bij een klein verandering in de tijd, van de transporteigenschappen, een beduidend verschil maken in de temperatuur van onze schil. Het energietransport is dus een voorname factor in het totale broeikaseffect.

Warm water (70% van het oppervlak) stroomt naar koudere plaatsen evenals warme lucht. Koud water en lucht koelen de warmere. Dat alles draagt flink bij aan de herdistributie van de ontvangen zonne-energie. Gemeten temperatuurverschillen tussen dag en nacht bv. zijn op heel veel plaatsen niet erg groot. Maar zijn die stromen constant in de tijd gemiddeld per jaar over een langere periode? Wij weten het niet. De oceaanbewegingen zijn in elk geval niet constant. Er zijn cyclische variaties als El Niño en La Niña, waarover we sinds kort heel wat weten.

Maar zijn er geen andere veranderingen over een lange reeks van jaren? Daarvan is veel minder bekend. Dat winden verre van constant zijn, weten we ook. Maar veranderen zij als we naar jaargemiddelden kijken? Ook daarvan weten we niet voldoende.

Velen nemen aan dat de veranderingen over een aantal jaren uitmiddelen en dat het redelijk is te veronderstellen, dat voor het klimaat, waarin met dertig jarige perioden gerekend wordt, van constant energietransport mag worden uitgegaan.

Ik merk op dat dit een aanname is, die pas over een zeer lange tijd met erg nauwkeurige metingen geverifieerd kan worden. Zo lang dat niet het geval is, moet er rekening mee gehouden worden dat er wel veranderingen kunnen zijn. Vast staat de onveranderlijkheid niet. 1% verandering in het energietransport over een eeuw kan 1 tot 2 °C temperatuurverschil betekenen. En het energietransport van het stromende water is een belangrijk onderdeel van het totale aardse energietransport. Van de lucht minder, vermoed ik, door zijn geringere warmtecapaciteit, en variabiliteit, hoewel grotere snelheid. (Het energietransport van bewegende lucht is wel van groot belang voor het lokale weer. Daarin zijn het processen van dagen, hooguit weken. Maar dat is wat anders dan het langjarige klimaat.)

Triadfactor 2, opslag van energie door oceaan en grond

Een andere factor die de temperatuur distributie over plaats en tijd reguleert is de opslag en afgifte van energie in water en grond op een draaiende aarde in een seizoen afhankelijk positie t.o.v. de zon. De stralingsenergie, die vooral water en grond in warmte omzetten, wordt door die bewegingen naar andere plaatsen t.o.v. de zon getransporteerd. Beide behouden die energie niet slechts aan het oppervlak waar de straling binnenkomt. Geleidelijk geabsorbeerde straling, warmtegeleiding en convectie transporteren die tussen diepe en ondiepe lagen. Vanaf die opslagplaatsen kan de energie bij vermindering of afwezigheid van de instraling dankzij transportweerstand vertraagd en op een andere plaats t.o.v. de zon, door straling en afgifte aan de atmosfeer weer energie afstaan. Ook dit proces is goed voor een belangrijke fractie van het aardse energietransport, dat onze stralingsevenwicht temperatuur tussen -18 °C en -119 °C bepaalt.

Hoewel ook daarvan de onveranderlijkheid niet vaststaat, acht ik de aanname plausibel, dat hij, wat zijn invloed op het klimaat betreft, niet meetbaar verandert. Maar zekerheid hebben we niet. In hoeverre bebouwing en verandering van grondgebruik inclusief begroeiing dit energietransport beïnvloedt is onzeker.

Samenvattend is ook deze tijdelijke energieopslag van grond en oceaan in samenhang met de aardbeweging een factor van betekenis voor de temperatuur distributie en dus voor de stralingsevenwicht temperatuur. Het is een gewichtig onderdeel van het totale broeikaseffect.

De processen die summier in de hiervoor genoemde twee factoren zijn aangegeven verhogen de theoretische stralingsevenwicht temperatuur van -119 °C tot ergens tussen – 119 °C en -18 °C. Dat is niet voldoende om te begrijpen waarom de temperatuur in de bewoonde schil een waarde heeft als gemeten en genoemd in de inleiding. Sommige auteurs vermoeden net als ik, dat die van de laag die uiteindelijk de uitstraling naar het heelal voor zijn rekening neemt, niet erg ver boven een gemiddelde van -73 °C ligt. De werkelijke waarde hangt af van de stralingseigenschappen van die laag en de temperatuur verdeling.

Triadfactor 3, de troebele eigenschappen van water en lucht en hun warmteopslag en afgifte inclusief die van de vaste grond

De gemeten temperaturen in de door ons bewoonde schil hangen ook af van processen samengevat in de derde factor. Daarvoor achten velen de atmosferische deken die de energie afvoer belemmert, verantwoordelijk. Dat is te kort door de bocht. In de klimaatliteratuur treffen we veelal een uitleg, waarin slechts een temperatuurverschil van de verkeerd berekende -18 °C tot +12 °C hoeft te worden overbrugd. En dat zou dan voor rekening van broeikasgassen in de atmosfeer komen. Uit het voorgaande moge duidelijk zijn dat het nog te overbruggen verschil groter is.

Er is dus meer aan de hand. Indien de modellen, die een temperatuurverhoging door broeikasgassen laten zien, juist zouden zijn en een verhoging van 30 °C verklaren, blijft de vraag, waardoor het temperatuurverschil tussen de gedeeltelijk temperatuur verevenende factoren 2 en 3, -73 °C (?) met de -18 °C dan wordt veroorzaakt?

Een van die processen is het gevolg van de troebele eigenschappen van lucht en water. In een troebel medium – de wetenschappelijke term is “diathermisch” medium – dringt de stralingsenergie verder door dan het oppervlak voor hij geheel in warmte (thermische) energie is omgezet. Die energie kan zeker door de oceaan, 70% van het tastbare aardoppervlak, niet door straling terug naar het oppervlak worden getransporteerd. De golflengte van de straling die materie bij de heersende temperaturen produceert, verbiedt het. Voor die straling is water volstrekt opake, of wel pikzwart. Het moet dus door warmte transport via convectie en geleiding. En dat kan alleen van warm naar koud. Binnenin een troebel lichaam moet dus de temperatuur hoger zijn dan aan het oppervlak, waar zij via verdamping, geleiding, convectie en straling aan de volgende laag – de lucht – wordt doorgegeven op weg naar echt buitenaards.

In het water wordt dat transport ook nog vertraagd door de wel dicht bij het oppervlak geabsorbeerde rode en infrarode zonlicht veroorzaakte opwarming. Metingen bevestigen dat, zie onderstaande figuur.

Het temperatuur verloop met hoogte en diepte (km).

In de lucht vindt iets dergelijks plaats. De infrarode straling afkomstig van grond en wateroppervlak wordt door broeikasgassen gedeeltelijk geabsorbeerd en omgezet in luchtwarmte. Lucht bevat minder moleculen per m3 dan water, maar ook daar vindt die omzetting plaats. Het wordt in hoofdzaak veroorzaakt door drie- en meeratomige gassen, zoals waterdamp, H2O en CO2. Ook de lucht transporteert om diezelfde reden maar een deel van de ontvangen stralingsenergie als straling en de rest moet weg door warmtetransport, waarvoor een temperatuurgradiënt nodig is. De onderste luchtlaag moet daarom noodzakelijk warmer zijn dan hogerop. Pas als de luchtdichtheid zo gering is, dat het stralingstansport minder hinder ondervindt, terwijl de andere transporten door gebrek aan massa kleiner worden, is een temperatuurgradiënt niet meer vereist voor energietransport. Het effect van troebele materie is vergelijkbaar met het energietransport in een bed met een elektrische verwarmings-onderdeken.

In zo’n bed brengt een elektrisch draadje de energie ongehinderd binnen. Vergelijkbaar met diep indringende zonnestraling. Leg je over die elektrische onderdeken een dun laken dan warmt het bed op tot er door dat laken evenveel warmte ontsnapt als de elektrische energie er in brengt. Dek je het bed toe met een veel dikkere deken, dan wordt het bed veel warmer. Er is binnenin een hogere temperatuur nodig om de warmte naar buiten te persen.

Ook in de lucht dringt de langgolvige straling van de tastbare aarde een eind door voor de broeikasgassen een substantieel deel hebben omgezet in warmte van luchtlagen. En als die energie als straling uitzenden wordt dat na millimeters, meters of kilometers weer ingevangen en in warmte geconverteerd.

Kort en goed troebele eigenschappen maken een medium inwendig warmer dan een opake lichaam in een stralingsveld zou worden.

De vaste grond warmt als de zon er op schijnt. Het oppervlak straalt een deel van die energie weer uit. Een deel wordt als warmte-energie afgegeven aan de lucht. Een ander deel wordt als warmte getransporteerd naar de ondergrond. Dat deel kan pas weer worden afgevoerd, wanneer het oppervlak ’s nachts en in de winter kouder is dan de ondergrond. Die processen vertragen alle de energieafgifte. En zij hebben gemeen dat de grond gemiddeld warmer is dan een opake medium zou zijn, wanneer het geen warmte zou vasthouden en geleiden. Zo’n medium zou op elk moment de aan het oppervlak ontvangen zonne-energie onmiddellijk weer via straling en warmteoverdracht aan de lucht moeten afgeven om niet oneindig door te verwarmen. Ook voor warmteoverdracht aan de lucht is het nodig dat het grondoppervlak warmer is dan de lucht.

Ook het verwarmde water staat, behalve door de universele materiestraling ontvangen energie anders af. Dat gaat via warmte-overdracht aan de lucht, waarvoor een temperatuurverschil nodig is en via verdamping. De energie die voor verdamping nodig is wordt aan de lucht tot op vrij grote hoogte weer afgestaan. Dat transport is belangrijk. Het vindt plaats over grote afstanden.

Het gaat gemiddeld over het hele jaar en het hele aardoppervlak om 71,5 W/m2. (Er valt op aarde ca. 1 m neerslag per jaar en de verdampingswarmte van water is 2256 J/g.) Klimatologen gaan uit van een (op dezelfde manier gemiddelde) inkomende zonne-energie van 161 W/m2. Zij rekenen zelfs met 85 W/m2 nodig voor verdamping. Mijn berekening is dus aan de zuinige kant. Alleen dit proces van energietransport terug naar de ruimte neemt al de helft van de inkomende energie van de tastbare aarde voor zijn rekening. En het vergt een temperatuurgradiënt. Zij rekenen ook nog met een gemiddelde warmteafgifte aan de lucht van 20 W/m2 waarvoor eveneens een temperatuurgradiënt nodig is.

Alles bijeen een door temperatuurverschil gedreven energietransport, waaraan geen broeikasgas te pas komt. Maar dat wel maakt dat de woonschil ook zonder atmosferisch broeikaseffect warmer is dan het deel van de aarde dat via straling uiteindelijk de energie-inhoud van de aarde stabiel houdt. Het is dus ook onderdeel van het totale broeikaseffect.

Discussie en conclusie

Ja, ons woonschilletje op aarde is een broeikas. Het blijft op temperatuur door de zon en de geotriad. Zonder de triad was het er 134 °C kouder. Die kachel verdient meer aandacht dan hij momenteel krijgt. Weliswaar weten we aardig wat van de baaierd van processen, die ons als kasplantjes comfortabel doen leven. Maar die kennis is niet nauwkeurig genoeg om te weten hoeveel elk van hen doet en of ze stabiel zijn.

Atmosferische processen spelen een rol. Broeikasgassen er in eveneens, maar een kleinere. En van hen is die van CO2 niet de sterkste. Waterdamp, H2O, is belangrijker en daarop hebben wij geen invloed. Of die gassen samen 30 graden verschil maken weten we evenmin. Daarvoor is het aandeel van al het andere onvoldoende bekend. Verdubbeling van atmosferisch CO2 leidt volgens CO2-straling expert Witteman (5) ten hoogste tot 0,2 °C temperatuurverhoging. Anderen komen tot 4+ °C.

Met zoveel onzekerheid in de zo intensief bestudeerde verandering, naast de veel grotere onzekerheid over de rest van de geotriad, zijn welvaart vernietigende CO2-ingrepen onverantwoord. Zij zullen bovendien, mochten die anderen gelijk hebben, minder dan 0,2 °C op de 134 °C waarover het gaat, verschil maken over 80 jaar.

***

Noten
1. Natuurkundigen meten de temperatuur het liefst in eenheden K, de afkorting voor Kelvin. Een temperatuur van 273,15 K is gelijk aan 0 °C. Het absolute nulpunt van de temperatuur is 0 K of wel -273,15 °C. De temperatuur van het heelal is 3 K (-270 °C).
2. Ik rekende dat eens uit in de veronderstelling dat elke fysicus het al lang wist. KLIMAAT, STRALING EN TEMPERATUURVEREVENING-2. Voor fysici geldt dat, althans wanneer ze er over hebben nagedacht. Maar in de klimaatwetenschap lijkt dat niet overal te zijn doorgedrongen.
3. Omdat deze les over de broeikas gaat, laat ik veranderingen in de zon onbesproken evenals die in absorberende en reflecterende bewolking. Ook die kunnen gevolgen hebben voor het aards klimaat.
4. Het verschil komt door de vierde macht in de stralingswet van Stefan-Boltzmann. Zie noot (2) en mijn opmerking over rekenen met gemiddelden in plaats van eerst rekenen en dan pas middelen.
5. W.J. Witteman: The Absorption Of Thermal Emitted Infrared Radiation By CO2. Het artikel kan hier als PDF-bestand worden geladen.

***