Na herlezing van mijn blogserie van april/ mei jl. over het vergelijk tussen de broeikastheorie en de in de op deze site uiteengezette theorie over het hydrostatisch evenwicht, viel me op dat ik zelf ook nogal gemakkelijk in de door de broeikas-adepten gemaakte fouten verval. Het is mooi om in grootse theorieën te denken, maar het kan natuurlijk ook geen kwaad om eens na te denken over de wereld van alledag.
Wanneer je stelt dat “Het [broeikas]model doet aan iets wat erger is dan overdrijving; over-simplificatie.” (zie link), dan moet je dat zelf niet ook doen.
En dat betekent dat je wel moet nadenken over een oplossing voor de vraag waar de broeikastheorie (en ikzelf) met een grote boog omheen zijn gedraaid. Hoe kan het dat de atmosfeer enerzijds zorgt voor een gemiddelde stijging van de temperatuur met meer dan dertig graden (zoals correct berekend door de broeikastheorie), maar anderzijds er ook voor zorgt dat het overdag hier geen 120 graden Celsius wordt, zoals op de maan?
In mijn vierde bijdrage van de blogreeks ben ik al ingegaan op de beantwoording van de eerste vraag (zie link). De toenemende luchtdruk in de atmosfeer is hiervoor een meer dan waarschijnlijke kandidaat. Maar hoe zit het dan met de extreme afkoeling die door dezelfde atmosfeer moet zijn veroorzaakt?
Luchtkoeling
De belangrijkste aanwijzing in dit verband hangt natuurlijk samen met de ontdekking van het eigenlijke broeikas-effect. Dit op grond van de simpele tests die professor R.W. Wood begin van de vorige eeuw uitvoerde.
Hij ontdekte dat de ‘extreme temperaturen’ die in een broeikas konden optreden helemaal niets te maken hadden met reflecterende infrarode straling, die de glasplaten niet zouden kunnen passeren, maar dat deze temperaturen simpelweg werden veroorzaakt door het blokkeren van opstijgende warme lucht.
In het licht van het bovenstaande gaat het dus helemaal niet om extreme temperaturen, maar juist om temperaturen die gewoon verwacht kunnen worden als gevolg van de grote hoeveelheden zonnestraling die de aarde gedurende de dagperiode bereiken!
En de oplossing van het bovenstaande raadsel is dan ook hiermee gegeven. Het dak van de broeikas doet datgene teniet wat normaal gesproken zorgt voor afkoeling; convectie. De aarde is simpelweg een luchtgekoelde planeet.
Iets wat dus niet tot uitdrukking komt in stralingsbalansen van de broeikastheorie, die, zoals al eerder uiteen gezet, naar mijn mening dan ook op meerdere punten (zie link) hopeloos tekort schiet om het Aardse klimaat te verklaren.
Stralingsbalans
Toch is het goed om even stil te staan bij datgene wat toch een overtuigend argument is, wat de broeikastheorie aanvoert ter verklaring van de huidige ‘klimaatscrisis’.
Er moet een stralingsbalans zijn. In het stralingsmodel van Kiehl en Trenberth uit 1997, in ieder IPCC rapport onverkort opgenomen, kan worden gezien dat de hoeveelheid energie die (door de zon) wordt aangevoerd, ook weer wordt afgevoerd om ervoor te zorgen dat we een stabiel klimaat hebben.
Omdat de afvoer van energie naar de ruimte alleen kan plaatsvinden door straling, moet de hoeveelheid ingestraalde (kortgolvige) energie uiteindelijk hetzelfde zijn als de hoeveelheid uitgestraalde (langgolvige) energie.
Wanneer de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer toeneemt, zal de ingestraalde energie meer moeite hebben om (als langgolvige straling) te ontsnappen en dit zorgt een onbalans die uiteindelijk zal zorgen voor een enorme klimaat-misère.
Zoals in deel 2 van deze reeks al is aangegeven is de ‘klimaat-wetenschap’ (bij monde van het KNMI) er op dit moment blijkbaar van overtuigd dat de langgolvige uitstraling door de atmosfeer pas gaat plaatsvinden op een hoogte van 5 kilometer. Bij meer broeikasgassen zou uitstraling op grotere hoogte plaatsvinden én dus bij lagere temperaturen, waardoor er minder energie uitstraalt. Door deze onbalans blijft er meer energie ‘gevangen’ op Aarde, die daardoor opwarmt en een nieuwe stralingsevenwicht (bij hogere grondtemperaturen) zal gaan optreden.
Er is eigenlijk maar één (wel heel erg groot) manco aan deze voorstelling van zaken. Wanneer er zoveel stralingsenergie (equivalent aan de totale hoeveelheid ingestraalde zonne-energie) zal verdwijnen op deze hoogte, dan is het onmogelijk dat hier geen (heel erg groot) temperatuur-effect te zien zal zijn.
En dat is er dus niet…
Hoe dan wel?
Moet er een stralingsevenwicht zijn? Ik ben daar dus niet van overtuigd, omdat de Aardbol gemiddeld gezien veel warmer is dan op basis van een stralingsevenwicht verwacht kan worden.
Er moet wel een energetisch evenwicht zijn wat natuurlijk toch iets anders is, omdat ook de energie die door de zwaartekracht wordt veroorzaakt van de Aarde afgevoerd moet worden, om tot een evenwichtssituatie te komen
Al deze energie zal ook weer worden uitgestraald, maar om te zien hoe en waar dat kan gaan plaatsvinden, moet wel worden gekeken naar de dagelijkse gang van de temperatuur (de weerslag van warmte-energie), zoals die plaatsvindt op Aarde.
Hierbij ga ik er dus vanuit dat deze uitstraling van energie ook te meten moet zijn. Veranderingen in energie zullen zich kenmerken door temperatuurveranderingen.
Op basis van het bovenstaande kan worden gezien dat de energetische veranderingen die optreden als gevolg van de invallende zonnestraling, eigenlijk alleen een direct effect hebben in de onderste luchtlagen, beneden de twee kilometer, die in de zomerperiode kan worden aangehouden als de grens van de atmosferische mengzone, of in fraai Engels: planetary boundary layer (PBL).
Deze PBL heeft dit dan ook niet voor niets, als definiërend kenmerk gekregen:
“De PBL is het deel van de troposfeer dat direct wordt beïnvloed door de aanwezigheid van het aardoppervlak, en reageert op het oppervlakte-forceringen met een tijdschaal van ongeveer een uur of minder.
Deze forceringen omvatten wrijvingsweerstand, verdamping en transpiratie, warmteoverdracht, uitstoot van verontreinigende stoffen en terrein-geïnduceerde stroommodificatie.
De dikte van de grenslaag is nogal variabel in de tijd en ruimte, variërend van honderden meters tot enkele kilometers.” (Stull, 1988)
Boven de PBL is er dus geen enkele energetische reactie, ondanks het feit dat er gedurende de dag-periode grote hoeveelheden zonnestraling op de aarde worden afgevuurd, terwijl dat ’s nachts helemaal niet gebeurt. En dat kan eigenlijk maar één reden hebben.
De uitstraling vanaf de aardbol die zorgt voor dit ‘stralings- of liever energetisch evenwicht’ is niet op 5 kilometer hoogte, maar ‘gewoon’ op de Aardoppervlakte zelf te vinden.
De gekunstelde constructie in de broeikas-theorie, waarbij het stralingsevenwicht wordt gevonden op 5 kilometer boven de Aardoppervlakte (waar de temperatuur -18 graden Celsius bedraagt), is immers alleen maar nodig omdat de zwaartekracht bijdrage niet wordt meegeteld in de broeikas-theorie én omdat het verschil in dag en nacht geen rol speelt in deze theorie.
Dat er geen enkel fysiek bewijs is voor deze theorie speelt blijkbaar geen enkele rol.
Daarbij wordt er gemakkelijkheidshalve ook voorbij gegaan aan het feit dat de verschillen tussen dag en nacht op Aarde niet zo heel erg groot zijn, omdat er een luchtkoeling van de aarde plaats vindt gedurende de dagperiode en door de uitstraling van de ‘warme massa’ die gevangen was door de inversielaag (capping inversion) gedurende de nachtperiode.
Beide verschijnselen passen uiteraard ook niet in het flitsende stralingsmodel van Kiehl en Trenberth uit 1997. Maar erger is nog; het is daarmee in direct conflict wanneer je de lezing over het broeikasmodel van het KNMI serieus neemt.
Er kan geen sprake van een verplaatsing van het fictieve emissiepunt, van 5 kilometer boven de aardoppervlakte, naar een nog hogere positie als gevolg van meer kooldioxide. De emissie vindt immers alleen maar plaats vanaf de aardoppervlakte.
Bovendien is het best lastig om mensen bang te maken voor een toename van de temperatuur van ongeveer 1,2 graden Celsius bij een verdubbeling van het gehalte kooldioxide, wanneer je weet dat op dagelijkse basis de temperatuur van de Aarde door convectie wordt afgekoeld van (maximaal) 120 graden Celsius naar onze behaaglijke (gemiddelde) 15 graden Celsius.
De structuur van de PBL
In de onderstaande figuur is de ‘dagelijkse gang’ van de PBL weergegeven, zoals deze in het klassieke leerboek van Roland B. Stull (An introduction to Boundary Layer Meteorology, 1988) is te vinden.
Stull onderscheidt drie belangrijke componenten binnen de PBL. De gemengde laag (mixed layer), de residu-laag en de stabiele (nachtelijke) grenslaag. Daarnaast onderscheidt hij nog een bodemlaag (surface layer) die per definitie de onderste 10% van de PBL uitmaakt.
In de mixed layer die ontstaat tussen zonsopgang en zonsondergang vinden de processen plaats die hierboven zijn omschreven. De opgewarmde Aardkorst gaat zorgen voor convectie. De hoogte van de PBL wordt in dit stadium bepaald door de hoeveelheid hitte die de aardkorst uitstraalt.
In de meesleur-zone (entrainment-zone) zal de hoogte van de mixed zone uiteindelijk worden bepaald door het evenwicht wat uiteindelijk wordt gevonden tussen de van boven naar beneden door zwaartekracht opgewarmde deeltjes en de door de zonnestraling opgewarmde deeltjes (van beneden naar boven).
Na zonsondergang zal de aardkorst uiteraard afkoelen. De uitstraling van de opgewarmde aardkorst wordt niet meer gecompenseerd door zonnestraling. Er vormt zich nu een nieuwe inversielaag; de stabiele (nachtelijke) grenslaag. Opwarming van deze zone zal nu plaats vinden door de ‘warme massa’ boven deze luchtlaag, de residu-laag, die uiteraard (door energie-verlies) in omvang zal afnemen (en de stabiele grenslaag zal in omvang toenemen) totdat de zon weer opkomt.
Regionale effecten
Het merendeel van onze weer-bepalende ‘forceringen’ is te vinden in deze PBL en op dit punt wijken de broeikas-theorie en de theorie waarbij het hydrostatisch evenwicht centraal staat, niet zoveel van elkaar af (zie ook link en link).
Grootschalige veranderingen op het aardoppervlak (bebouwing, drainage, bebossing, ver- aspergering van het landschap, aanpassingen van het grondwaterpeil, veranderende eco-systemen, maar zelfs gewaskeuzes (mais is bijvoorbeeld twee keer zo efficiënt met de watervoorraden dan het traditioneel geteelde gras)) zullen ook grootschalige veranderingen in de PBL teweegbrengen.
Dat deze forceringen ook op kleinere schaal een belangrijke invloed kunnen hebben wordt bijvoorbeeld fraai aangetoond door een recent onderzoek in Zuid Afrika (zie link) waar wordt gekeken naar de zgn. pan-verdampingsproeven, die indicatief zijn voor de verdamping (en dus wolkenvorming) van een regio.
Bij deze zgn. ‘pan-proeven’ werd in recente jaren een vreemde paradox waargenomen, die volgens klimaatwetenschappers te wijten moest zijn aan de veranderende omstandigheden door de globaal optredende klimaatverandering. Ondanks een toenemende temperatuur werd op de meeste plaatsen een afname van de panverdamping waargenomen. Dit zou dan veroorzaakt moeten zijn door ‘global dimming’ of een andere wereldwijd voorkomend bijverschijnsel van de klimaatverandering.
De Afrikaanse onderzoekers kwamen tot een andere conclusie.
Op basis van de meetresultaten in Zuid Afrika, waarbij een wel zeer gemengd resultaat werd gevonden, konden vervolgens de volgende gevolgtrekkingen worden gemaakt:
“Uit onze analyse blijkt dat alle signalen van mondiale factoren ondergeschikt zijn aan veranderingen in de lokale omstandigheden. Veranderingen in de lokale omstandigheden rondom de verdampingspannen (waargenomen werden bijvoorbeeld: toename van het aantal bomen en gebouwen die weerstand bieden aan luchtstromen, irrigatiepraktijken die leiden tot vochtigere lucht, en mogelijk stof van nabijgelegen onverharde wegen), zijn waarschijnlijk verantwoordelijk voor het grootste deel van de waargenomen afname van de verdamping.
Auteurs van mondiale onderzoeken, waarin afnames in de windsnelheid worden waargenomen, zouden zorgvuldiger moeten zijn ten aanzien van veranderingen die, bovenwinds van de waarnemingsite, hebben plaatsgevonden ten tijde van hun onderzoek. (…)
we concluderen dat de verdampingsparadox wordt verklaard door een verandering in de lokale omgeving die de wind rond verdampende pannen verandert.”
Een conclusie die in ieder geval fraai aansluit bij de hierboven uiteengezette theorie. Hierbij zij natuurlijk wel opgemerkt dat grootschalige effecten, zoals veranderingen in de golfstromen, vulkaanuitbarstingen, en dergelijke ook invloed kunnen hebben op de gemiddelde temperatuur. Maar dan gaat het wel over natuurlijke forceringen, die (meestal) ook wel kunnen worden herleid tot deze bron.