äctiecode label

Klimaat theoretische beschouwingen.

Overgenomen, met toestemming, uit
"VOEKSNIEUWS",
het magazine voor gepensioneerden van SHELL.

ANTON BARENDREGT, energietransitie.nl

In het vorige nummer heb ik u verteld dat het een goed idee zou zijn om de klimaatverandering en speciaal de opwarming van de aarde samen te vatten in een simpel model. Zo’n simpel model moest als belangrijkste eigenschap hebben dat de energiebalans intact bleef. De natuur doet dit namelijk ook. Ik besloot toen met het eenvoudige model van de aarde als ontvanger van stralingsenergie van de zon. De aarde warmde daardoor op en die warmte werd ook weer uitgestraald naar het koude heelal. De belangrijkste conclusie was dat in een stabiele situatie de instromende en de uitgaande gemiddelde warmtestraling gelijk moesten zijn aan 238 Watt/m² en dat (volgens de stralingswet van Stefan-Boltzmann), de stabilisatietemperatuur op aarde een koude -18°C (of 255 Kelvin) zou zijn als er geen ’broeikasgassen’ in de atmosfeer zouden bestaan.
We willen het model nu aanpassen aan de realiteit, die zegt dat die broeikasgassen wél aanwezig zijn en dat de aarde daardoor gemiddeld een warmer klimaat heeft, om precies te zijn +15°C, of 288 K. Als we die waarde invoegen in ons eerder gebruikte model, met behoud van de totale in- en uitstraling van 238 W/ m², krijgen we als resultaat een keurige energiebalans, waarbij 39% van de door de aarde uitgestraalde warmte van 387 W/ m² (behorende bij de hogere temperatuur van 288 K, volgens Stefan-Boltzmann) wordt afgevangen door de atmosfeer en teruggegeven aan de aarde, zie figuur 1.

figuur 1 Figuur 1
Ik voeg hieraan toe dat er over deze getallen weinig discussie bestaat, ook niet bij onze milieuvrienden. Het kan ook niet anders, de zonnemetingen en de natuurwetten liggen nu eenmaal vast. We gaan nu meer in detail kijken naar het precieze karakter van de diverse stralingen. Licht- en warmte, zoals u wellicht nog weet van de schoolbanken, bestaan uit straling met verschillende golflengten. De zon straalt voornamelijk in het gebied met golflengten van 0,2 tot 4 μm (1 μm, micrometer, is een duizendste millimeter). Haar maximum intensiteit is in het gebied van het zichtbare licht, tussen 0,4 en 0,7 μm. Het gebied voorbij 0,7 μm noemen we het infrarood, of warmtestraling. Het is niet zichtbaar voor onze ogen, maar bij voldoende intensiteit wel voelbaar door onze huid.

We zagen hierboven dat de aarde, als ‘warme’ bol in het koude heelal, straling uitzendt. Die straling heeft een golflengtegebied tussen 4 en 100 μm, zie figuur 2. In dit plaatje zien we een aantal belangwekkende zaken. De linkerhelft beschrijft de inkomende straling van de zon, de rechterhelft de uitgaande straling van de aarde. U ziet dat zowel voor de zon als voor de aarde de energieverdeling over de verschillende golflengtes een scheve klokvorm heeft. Hoe heter de bron, des te meer zal die klokvorm verschuiven naar kortere golflengten, naar links dus. Van belang is dat in de uiteindelijk binnenkomende, c.q. uitgaande straling

 (respectievelijk rood en blauw) hiaten zitten, waar de straling wordt afgevangen door gassen in onze dampkring. Dit zijn de zogenaamde broeikasgassen, voornamelijk waterdamp, kooldioxide (CO2), methaan (CH4) en ozon (O3). Al die gassen hebben moleculen die bestaan uit drie of vijf atomen, één centraal atoom en twee of vier ‘aanhangsels’. Die aanhangsels kunnen op diverse manieren gaan trillen, elk met hun eigen frequentie, als zij door licht of warmtestraling van een specifieke golflengte worden beschenen.

figuur 2
Figuur 2

De natuurkundig wetenschapper Planck ontdekte rond de vorige eeuwwisseling dat lichtgolven bij hun interactie met materie ook als pakketjes energie voorgesteld kunnen worden. Zo’n pakketje noemt men een foton. Ultraviolet licht heeft een korte golflengte en de fotonen hebben een hoge trillingsfrequentie en een hoge energie. Daar kan onze huid in de zomer snel van verbranden. Zichtbaar licht heeft al wat lagere energie en warmtestraling heeft nog minder energie en een dienovereenkomstig langere golflengte.

Als een molecuul van één van die broeikasgassen getroffen wordt door een foton met een frequentie gelijk aan de trillingsfrequentie van het molecuul zal het molecuul gaan trillen, ‘resoneren’, net als een vioolsnaar, of een stemvork. Het netto effect is dat het lichtdeeltje door het molecuul wordt geabsorbeerd, d.w.z. dat het lichtdeeltje ophoudt te bestaan. De energie van het deeltje is overgegaan in de trillingsenergie van het molecuul. Het molecuul heet dan ‘aangeslagen’ te zijn. Met een aangeslagen molecuul kunnen er twee dingen gebeuren. Het molecuul kan de trillingsenergie weer uitzenden in de vorm van een nieuw foton, met dezelfde frequentie als het oorspronkelijke foton. Er is dan eigenlijk niets veranderd. Het nieuwe foton zal alleen een andere richting hebben, bv. weer naar boven, richting heelal, of zijdelings, of naar beneden, richting aarde.

start pag. 2

Het is ook mogelijk dat het trillende molecuul in botsing komt met een ander luchtmolecuul, bv een stikstofmolecuul (N2), een zuurstofmolecuul (O2), of een ander broeikasgasmolecuul. De kans is dan groot dat het andere molecuul behalve de normale botsingsimpuls een extra stoot na krijgt van de trillende atomen, dus een hogere snelheid. Het broeikasgasmolecuul zal van de weeromstuit zelf ook een extra stoot krijgen en het houdt dan meteen op met trillen (het is alles of niets, volgens de quantummechanica). De versnelde botsing-genoten warmen met hun hogere snelheid de lucht op (warmere stof betekent sneller bewegende moleculen) en de trillings-energie is aldus omgezet in warmte. Deze verschijnselen staan in alle natuurkundeboeken beschreven.

We kijken nu weer naar de rechterhelft van figuur 2. De grijs gekleurde gebiedjes onderin de figuur geven de golflengtes aan waarop het betreffende broeikasgas (waterdamp, CO2, ozon, methaan enz.) de stralingsdeeltjes absorbeert. Kijken we naar de CO2-regel dan zien we dat twee golflengtes eruit springen, één met 4,3 μm golflente en één met 14,9 μm golflengte. De eerste is niet belangrijk, want die ligt aan het uiteinde van de scheve klok-curve, waar de uitgezonden straling zeer gering is. Maar de tweede, die van 14,9 μm, is een ‘boosdoener’ (of niet, zo u wilt). Die grijze ‘piek’ reikt meteen tot 100% absorptie van de betreffende straling met die golflengte. Het blijkt dat de CO2moleculen, ondanks hun minieme concentratie van 0,03 tot 0,04% in de atmosfeer, reeds binnen een kolom van enkele honderden meters vrijwel alle door de aarde uitgezonden warmtegolven met die golflengte van 14,9 μm absorberen of erdoor worden aangeslagen. Daarnaast ziet u ook dat waterdampmoleculen veel meer van de ‘blauwe’ aardwarmtestraling wegvangen dan de CO2 (rechterhelft). Er is ook nog een kleine absorptiepiek van ozon, die slechts een bescheiden rol speelt, hoog in de stratosfeer. Tenslotte is er nog een absorptiepiek van methaan (rond 8 μm), maar die valt in een gebied met afnemende stralingsdichtheid én die piek valt grotendeels samen met de waterdampabsorptie. Hij is dus van betrekkelijk gering belang.

Tot dit punt zijn vrijwel alle geleerden, zowel van IPCC-zijde (meteorologen, biologen, enz.) als van ‘sceptische’ zijde het in principe met elkaar eens. Maar dan volgt de tweedeling. Laten we voor het moment de ‘sceptische’ zijde blijven volgen. Het verhaal gaat als volgt: de luchtkolom met fotonen en trillende CO2-moleculen zal gaandeweg op de boven beschreven wijze uiteenvallen. Sommige moleculen sturen een nieuw foton uit dat door een ander molecuul weer kan worden ingevangen, waarmee het proces zich kan herhalen. Maar vroeg of laat zullen alle trillende moleculen door botsingen aan hun trillingseinde komen, met als resultaat een opgewarmde luchtkolom en nul fotonen. De gulzigheid van de CO2 moleculen is gewoon te groot om ook maar enig foton met golflengte 14,9 μm buiten de dampkring te laten ontsnappen. De dampkring warmt dus op en zal haar warmte door wind en regen aan de aarde afstaan. Een nóg belangrijker gevolg van dit model is dat een vermeerdering (bv. een verdubbeling) van het aantal CO2 moleculen vrijwel niets aan de situatie verandert. Alle beschikbare fotonen van 14,9 μm worden weggevangen, ongeacht hoeveel meer CO2 moleculen er in de atmosfeer rond gaan zwerven. Dit is een potentieel belangrijke conclusie, want het zou betekenen dat we ons over verdere toename van het CO2-gehalte van de atmosfeer niet al te veel zorgen hoefden te maken. Tot zover het verhaal van de de klimaatsceptici.

Toen kwamen, in de jaren ’70, de eerste satellietwaarnemingen. Vanuit de ruimte, boven droge gebieden, waar dus weinig absorptie door waterdamp plaatsvond, zag men tóch die 14,9 μm straling verschijnen. Er was weliswaar een hiaat op die golflengte in het waargenomen stralingsprofiel, maar dat hiaat besloeg slechts 50% en niet 100% van het stralingsniveau, zie figuur 3.

figuur 3
Figuur 3

Hoe kon dit? De verklaring was, kort gezegd, dat het eerdere plaatje met de rode en de blauwe absorptieprofielen geen correcte weergave was van wat er in de atmosfeer gebeurde. Dat plaatje zou geldig geweest zijn voor een horizontale proefopstelling (bv. een lange, horizontale met lucht gevulde buis), maar in de verticale opbouw van de atmosfeer spelen andere processen een rol, die het plaatje ongeldig maken. In de eerste plaats stijgt verwarmde lucht op en zal zich voegen naar het heersende temperatuurverloop van -6,5°C per 1000 meter hoogteverschil. De door de aarde uitgezonden warmtefotonen verplaatsen zich vervolgens razendsnel van aangeslagen molecuul naar aangeslagen molecuul en verspreiden zich over de dampkring. Daardoor zullen aangeslagen CO2-moleculen boven ca. 500 meter nauwelijks de kans krijgen om te botsen met de andere luchtmoleculen omdat de lucht daarvoor te ijl wordt (de botsingsintervallen worden veel langer dan de ‘verblijftijd’ van de fotonen-energie in de CO2 moleculen). Het gevolg is dat warmtetransport in de atmosfeer primair via straling plaatsvindt, de zgn. ‘radiative transfer’, niet via stroming of geleiding. De molecuul-hoppende warmtefotonen zullen uiteindelijk de dampkring verlaten, globaal de helft naar boven (het heelal in, in overeenstemming met de satellietwaarneming) en de helft terug naar de aarde (de opwarming!).

Overigens nog een opmerking: in het begin van dit stukje zagen we dat van de 387 W/m² die de warme aarde uitzond (volgens Stefan-Boltzmann), ca. 39% werd afgevangen voordat de resterende 238 W/m² het heelal in werd gezonden. Dit betrekkelijk lage percentage zou met complete absorptie door

start pag 3

alle broeikasgassen (het absorptiemodel) ongeveer twee keer zo hoog geweest zijn. Een snelle check met het Stefan Boltzmann model levert dan een onwaarschijnlijk hoge aardtemperatuur op van 372 K, of 99°C! Goodbye Earth! Het stralingsmodel van de meteorologen is dus het juiste model. De beschrijving van alle processen in het stralingsmodel is helaas mathematisch complex en is niet eenvoudig na te rekenen. De dames en heren klimatologen bedienen zich dan ook van een US Air Forcecomputermodel, MODTRAN, dat alles netjes voor hen uitrekent.
Figuur 4
Figuur 4

Toch resteert er één brandende vraag: Wat zegt het ‘radiative transfer’-model over de effecten van een toename van het CO2-gehalte in de atmosfeer? Een eerste blik leidt tot dezelfde conclusie als voor het ‘sceptische’ absorptiemodel: weinig effect! De CO2 moleculen zijn ook bij dit model zó gretig dat zij alle door de aarde uitgezonden 14,9 μm fotonen blijven invangen. Maar bij

MODTRAN komen we met zo’n oppervlakkige blik niet weg. Een uitdraai met twee CO2 percentages van 0,03 en 0,06% (de historische waarde was 0,028%, nu 0,041%), concludeert dat er ‘radiative forcing’ is van 3,4 W/m², zie de figuur. Met ‘radiative forcing’ bedoelt men een netto extra warmte-terugstroom naar de aarde. Het blijkt namelijk dat de 14,9 μm absorptie-golflengte in werkelijkheid een afgeplatte, klokvormige band is met een breedte van ca. 3 μm. De lage uitlopers aan weerszijden van die band zijn wél ontvankelijk voor een toename van het CO2-gehalte en geven een effectieve verbreding van de band, zie figuur 5

Figuur 5
Figuur 5

Dus de netto warmtestroom naar de aarde neemt toe met 3,4 W/m², van 238 naar 241,3 W/m². Via Stefan-Boltzmann leidt dit tot een temperatuurstijging van 288 K tot 289 K, d.w.z. een toename van 1°C. Omdat vele bronnen stellen dat die toename logaritmisch is met het CO2-gehalte, zal een zelfde temperatuurstijging optreden bij een toename van 0,06% naar 0,12%. Arrhenius, de Zweedse oervader van het broeikaseffect, berekende in 1896 een toename van 3,7 W/m² voor elke verdubbeling van het CO2-gehalte. Hij zat er niet ver naast. De toename met 1°C heeft natuurlijk alleen betrekking op CO2. Daarbij komen nog de ‘forcings’ van waterdamp, methaan ozon en stikstofoxide. Misschien stof voor een andere keer.

VOEKSNIEUWS NR 7/8, JULI/Aug. 2019