Kip-en-ei bij CO2 en de temperatuur

Geplaatst op 25 april 2015door Jos Hagelaars | 102 reacties

Door Jan van Rongen en Jos Hagelaars

IJstijden

De ijstijden zijn fascinerende klimatologische fenomenen. Ze waren in het verleden dan ook vaak een bron van inspiratie voor wetenschappers (zoals Arrhenius) voor gedachten en inzichten over de oorzaken van deze grote klimaatveranderingen. Tijdens een ijstijd waren grote delen van de wereld volledig bedekt met ijs, plekken waar wij nu dorpen en steden hebben gebouwd. Figuur 1 geeft een visualisatie van de ijsbedekking circa 18500 jaar BC, zo te zien zouden we toen zeker elk jaar een Elfstedentocht hebben kunnen rijden.

Figuur 1. Een visualisatie van de ijsbedekking circa 18500 jaar BC. Bron: Zurich University of Applied Sciences (de video is de moeite van het bekijken waard).

Inmiddels is het algemeen bekend dat er in het verleden diverse ijstijden en interglacialen zijn geweest en dat deze uiteraard gepaard zijn gegaan met grote veranderingen in de mondiale temperatuur en het zeeniveau. Via ijskernboringen op Groenland en Antarctica heeft men vast kunnen stellen dat het komen en gaan van de ijstijden tevens gepaard ging met wijzigingen in de concentraties van de broeikasgassen CO₂ (koolstofdioxide) en CH₄ (methaan) in de atmosfeer. Zie figuur 2. Duidelijk is dat de temperatuur en de concentraties van de broeikasgassen een grote correlatie vertonen.

Figuur 2: De relatie tussen de zonne-instraling (65 °N), de temperatuur en de CO₂– en CH₄ concentratie gedurende de afgelopen 420.000 jaar, zoals afgeleid uit ijskernboringen in Vostok station (Figuur 1a uit Van Nes et al., gebaseerd op Petit et al 1999).

Kip en ei

De vraag die je kunt stellen bij figuur 2 is: veroorzaakt de stijgende temperatuur de stijging van de broeikasgasconcentraties of is het andersom? Een soort kip-en-ei probleem.
Gedetailleerde analyses van de ijskerndata van Antarctica laten over het algemeen zien dat daar éérst de temperatuur stijgt en daarna de CO₂ concentratie in de atmosfeer. Enkele voorbeelden: Fischer et al. 1999 rapporteerden een verschil (Engels: lag) van 600 ± 400 jaar en Caillon et al. 2003 van 800 ± 200 jaar. Parrenin et al 2013 daarentegen vonden geen significant verschil tijdens de laatste deglaciatie: “… Antarctic temperature did not begin to rise hundreds of years before the concentration of atmospheric CO₂, as has been suggested by earlier studies.”. Een studie van Landais et al. 2013 over het einde van de een na laatste ijstijd, zo’n 130.000 jaar geleden, gaf een verschil van 900 ± 325 jaar tussen de stijging van de temperatuur en de later volgende stijging van de CO₂ concentratie. Het bekende onderzoek van Shakun et al 2012 naar het einde van de laatste ijstijd liet zien dat op Antarctica eerst de temperatuur steeg en daarna de CO₂ concentratie (lag 620 ± 660 jaar). De mondiale temperatuur daarentegen volgde weer de CO₂ concentratie met een verschil van 460 ± 340 jaar.

De gangbare theorie is dat de triggers voor de ijstijdcycli de variaties in de zonne-instraling en veranderingen in de baan van de aarde om de zon, de Milankovitch parameters, zijn. Dit leidt dan tot een stijging van de temperatuur en een stijging van de CO₂ concentratie in de atmosfeer door uitgassen van CO₂ uit de oceanen. De natuurkunde leert ons dat een stijgende CO₂ concentratie vervolgens weer leidt tot een stijging van de temperatuur, een positieve terugkoppeling. Dat het bijvoorbeeld voor de laatste deglaciatie op detailniveau verdraaid complex is, wordt snel duidelijk als men zich verdiept in bijvoorbeeld Fudge et al. 2013 of Marcott et al. 2013.

Dat de temperatuur tijdens de deglaciaties over het algemeen eerder stijgt dan de CO₂ concentratie heeft, ondanks alle natuurkundige wetten, een bekende en hardnekkige klimaatmythe veroorzaakt: een stijging van de CO₂ concentratie kan geen temperatuurstijging hebben veroorzaakt. Peter Sinclair van ‘Climate Crock of the Week’ heeft daar een mooi filmpje over gemaakt: Temp leads Carbon Crock.

Oorzaak en gevolg door Van Nes et al.

Een internationaal onderzoeksteam, geleid door Dr. Egbert van Nes van de Wageningen University, heeft de relatie tussen de zonne-instraling, de temperatuur en de concentraties aan broeikasgassen tijdens de ijstijdcycli onderzocht. Het onderzoek is beschreven in een onlangs verschenen publicatie in Nature Climate Change (zie persbericht).

Het bijzondere aan het onderzoek is dat het voor het eerst in de klimatologie een nieuwe wiskundige methode uit 2012 toepast . De methode die Convergent Cross Mapping wordt genoemd is tot nu toe vooral op andere complexe systemen toegepast, zoals in de populatie-biologie. Met deze methode kan worden vastgesteld hoe goed het gedrag van twee variabelen samen (dus bijvoorbeeld CO₂ en temperatuur) past bij het gedrag van een zogeheten dynamisch systeem. In een latere paragraaf wordt verder op de methode in gegaan, hier alvast het overzicht van het resultaten die in de paper van Van Nes c.s. worden gepresenteerd (figuur 3).

Figuur 3: De correlatie tussen de model waarden en de geobserveerde waarden als functie van de lengte van de meegenomen data qua tijd. De gekleurde banden zijn 5 -95 % ranges die gebaseerd op een zogenaamd nul-model (random verwisselen van de originele data). Een interactie is alleen significant als de berekende correlaties buiten de 5-95% range liggen.

De resultaten van Van Nes et al. laten zien dat de zonne-instraling (insolation) maar een kleine rol speelt bij het beïnvloeden van de temperatuur en de concentratie broeikasgassen (figuur 3 c, e en f). Daarentegen worden volgens hen de veranderingen tijdens de ijstijden en interglacialen voornamelijk veroorzaakt door sterke terugkoppelingen tussen de temperatuur en de concentratie broeikasgassen (figuur 3 a, b en d). Schematisch:

Van Nes et al. laten via een mooi wiskundig model zien dat een stijgende temperatuur de broeikasgasconcentraties beïnvloedt én dat de broeikasgasconcentraties op hun beurt weer de temperatuur beïnvloeden. Dat laatste vertelde de natuurkunde ons uiteraard al sinds de dagen van Fourier en Tyndall. De ‘sterke terugkoppelingen’ waar Van Nes et al. over schrijven, zijn vanzelfsprekend niet alleen beperkt tot de ijstijdcycli, maar bestaan ook gewoon in de huidige tijd. De verwachting is dan ook dat bij ongewijzigd beleid de door mensen veroorzaakte, en nog te veroorzaken, stijging van de broeikasgasconcentraties zal leiden tot net zo’n grote klimaatverandering als tijdens de ijstijden. Maar dan richting meer opwarming.

De convergent cross mapping methode.

Er wordt vaak gezegd dat het klimaat een chaotisch systeem is dat zich onvoorspelbaar gedraagt, maar het één volgt niet uit het ander: ook een chaotisch systeem heeft op bepaalde aspecten voorspelbaar gedrag. We zouden hier nu een heel ingewikkeld wiskundig model kunnen gaan maken waar bijvoorbeeld eerst de verandering van CO₂ door de temperatuur wordt beschreven als een differentiaalvergelijking dCO₂/dt = f(T, …), maar dat zou maar tot eindeloze discussie leiden over de kwaliteiten van het model en dat is helemaal niet nodig. Er is namelijk een stelling van de Nederlandse wiskundige Floris Takens die laat zien dat we het dynamische systeem kunnen reconstrueren uit het gedrag van één variabele in het systeem. En dat betekent het volgende:
als twee variabelen observaties zijn binnen hetzelfde dynamische systeem, dan zijn hun reconstructies van het oorspronkelijke systeem in ieder geval gelijkvormig.

Hier is een voorbeeld nodig, en daarvoor nemen we de (discrete versie van de) Butterfly van Lorenz. Dat is voor wiskundigen het lievelingsvoorbeeld voor dynamische systemen. Het wordt beschreven door een drietal vergelijkingen in X, Y en Z als functies van elkaar en van de tijd [zie figuur 4 en wikipedia]. Op de bovenste rij van deze afbeelding staat in het midden deze butterfly (alleen de X- en Y-coördinaten). Links staat het verloop van de X-coördinaat in de tijd, rechts die van Z.

Figuur 4: De Butterfly van Lorenz en de ‘shadows’ daarvan, afgeleid uit de X- en Z-variabelen.

Als we alleen X en Z zouden kunnen observeren, dan kunnen we toch een idee krijgen van de vorm van het onderliggende systeem; voor een goed gekozen sprong S in de tijd kunnen we X(t) afzetten tegen [ X(t-S), X(t-2S), X(t-3S), ….], en dat lijkt qua vorm op het origineel. Het is een “schaduw” van het origineel in het licht van X. Hetzelfde kunnen we doen met Z. Deze schaduwen staan op de tweede rij van dit diagram.
In sommige periodes kan de ene tijdreeks, de X of de Z, voorlopen op de andere en dan weer achterlopen, net als bij de CO2 concentratie en de temperatuur. Dit kan met CCM duidelijk worden gemaakt en dat is een belangrijk voordeel van CCM ten opzichte van het vergelijken van de timing van de ene tijdreeks met de andere.

Op dit ogenblik is het verstandig het filmpje te bekijken, dan wordt waarschijnlijk veel duidelijker wat hierboven in woorden staat. Let vooral op de onderste twee boxen.

De punten die we in het filmpje door de X- en Z-schaduw zien bewegen, zijn dus eigenlijk projecties van één punt van het oorspronkelijke systeem. In de twee blokjes onderin bewegen ze synchroon, gaat de een langzaam, dan de andere ook, etc. Zijn X en Z waarnemingen, en zouden we willen laten zien dat ze uit hetzelfde systeem komen, dan moeten we een test verzinnen die deze synchrone beweging test. Die test is de Convergent Cross Mapping. Met een slim trucje wordt gekeken hoe goed een stukje van de baan van X in Z wordt gevolgd. Dat doen we niet één keer, maar voor elke lengte van dat stukje honderden keren. De baan kiezen we random. Als “goodness of fit” meten we de correlatie tussen de punten op Z en de projectie van X. Hoe langer het te bekijken stukje, hoe beter de correlatie zou moeten zijn. In de figuur 5 staan de reeksen uit het artikel van Van Nes voor CO₂ en Temperatuur (en v.v.) geplot. De lengte van de geteste stukjes loopt van 10 tot 400 punten.

Figuur 5: De correlaties tussen CO₂ en Temperatuur verkregen via CCM uit de data zoals ook gebruikt zijn in Van Nes et al.. De heatmaps geven de correlatie weer voor een langere tijd (τ_P) dan waarvoor de lag gelijk is aan 0.

De linker grafiek van figuur 5 komt erg overeen met die van Van Nes. Rechts staat hoe lang de invloed van CO₂ op de temperatuur (en v.v.) zichtbaar blijft. CO₂ heeft duidelijk een langer effect op de temperatuur dan de temperatuur op CO₂.

CCM is nog volop in ontwikkeling, dit laatste stukje analyse is gedaan met de 14 dagen jonge nieuwste versie van een van de weinige open source versies van het algorithme .

[JH, ter info:
Jan van Rongen is wiskundige.
Jan heeft tevens een fantastische analyse applet gemaakt betreffende de mondiale temperatuur die zeker een bezoek waard is:
”The Global Temperature Explorer” ]

Dit bericht werd geplaatst in IJstijden, Klimaatwetenschap, Paleoklimatologie en getagged met CO2 lag, convergent cross mapping, Egbert van Nes, ijstijden. Maak dit favoriet permalink.

102 Reacties op “Kip-en-ei bij CO2 en de temperatuur”

G.J. Smeets | 25 april 2015 om 22:52 |

Jan & Jos
mooi en informatief stuk dat me de kip / ei kwestie van temp en CO2 weer een stuk duidelijker heeft gemaakt. Technisch gezien heb ik grote moeite met de weergave van het theorema van Floris Taken:

“als twee variabelen observaties zijn binnen hetzelfde dynamische systeem, dan zijn hun reconstructies van het oorspronkelijke systeem in ieder geval gelijkvormig.”

Die zinsnede is een ‘als… dan’ figuur met ten minste vijf logische categorieën: 1) variabelen, 2) observaties, 3) oorspronkelijk systeem, 4) gereconstrueerd systeem, en 5) gelijkvormigheid. De relaties die in het citaat tussen dat vijftal worden gelegd zijn voor mij onnavolgbaar. Bijvoorbeeld: hoe kunnen ‘variabelen’ in godsnaam ‘observaties’ zijn, zoals in de zinsnede gesteld wordt (of wordt met ‘variabelen’ bedoeld ‘gemeten waarden van variabelen’?) En ook: wat is (het verschil tussen) ‘oorspronkelijk’ en ‘gereconstrueerd’ systeem?
Enige toelichting zou helpen, niet in het minst om het fascinerende filmpje echt te begrijpen.

LikeLike
Frans Galjee | 26 april 2015 om 12:18 |

” Zie figuur 2. Duidelijk is dat de temperatuur en de concentraties van de broeikasgassen een grote correlatie vertonen. ”
Ja, maar een grote (?) correlatie betekent nog niet direct ook een causaliteit.
De vraag is of er niet een confounding variabele – een derde variabele – is die nog niet wordt gezien omdat we de verkeerde kant opkijken. In mijn reactie 75 en 76 “de invloed van de mens staat glashelder vast” van het NRC blog had ik het ook daarover.

LikeLike
Baltasar | 26 april 2015 om 12:26 |

Interessant, bedankt!

Als ik het goed begrijp, geven normaal de lange zonnecycles een heel klein ‘tikje’ dat vervolgens wordt versterkt door de interactie temp/CO2.. en nu geven wij mensen zelf een forse zet aan de CO2 waarmee we hetzelfde bereiken.

Wat me trouwens opvalt is dat in figuur 1 het rode balkje voor ‘huidige CO2’ optisch nog een aardig eind onder de 400 ppm staat. Viel me laatst ook in een boek van nog maar een aantal jaar oud, verwijzingen van 380 ppm.

We zitten nu toch echt wel op 400 ppm. Het doet je goed beseffen in wat voor duizelingwekkend tempo de CO2 concentratie stijgt!

Thijs

LikeLike
G.J. Smeets | 26 april 2015 om 13:41 |

Galjee,
en in ##81 en 86 ben je daar afdoende van repliek gediend. Dat spelletje gaan we niet overdoen.

LikeLike
Jos Hagelaars | 26 april 2015 om 13:55 |

@Goff
Jan zal het veel beter kunnen uitleggen dan ik, maar ik doe een poging zoals ik het begrepen heb:
De Lorentz figuur is een functie van X, Y, Z en de tijd. In het filmpje wordt de combinatie X en Y van die functie weergegeven met een oplopende tijd. Links en rechts daarvan zie je resp. de verandering van de variabele X in de tijd en Z in de tijd. De wiskunde vertelt ons nu dat je uit het verloop van X of Z in de tijd als het ware de originele figuur ongeveer weer kunt afleiden, de twee ‘schaduw-kopieën’ onderaan.
De grafieken in figuur 2 zijn de meetdata van de temperatuur, CO2 en CH4 tegen de tijd afkomstig uit de ijskernen en tevens de berekende insolatie. Dat zijn dan 4 variabelen die in de tijd veranderen. De tijd is de 5e variabele. Dezelfde wiskunde als bij de Lorentz-figuur, maar nu met 1 variabele meer, kan men dan loslaten op de metingen van Temp/CO2/CH4/Insolatie + tijd en gebruiken om de onderlinge relaties vast te stellen. Zoals in de tekst al staat laten Van Nes et al. zien, gebruik makend van die wiskunde, dat de temperatuur de broeikasgasconcentraties beïnvloedt maar tevens dat het omgekeerde opgaat. Dat laatste ontkracht wiskundig dus die klimaatmythe.

@Frans Galjee
Correlatie wil inderdaad niet altijd zeggen dat er een oorzakelijk verband is. In dit geval vertelt de natuurkunde ons echter dat er een oorzakelijk verband moet zijn tussen CO2 en de temperatuur. Broeikasgassen absorberen namelijk infrarood licht. Het mooie van het artikel van Van Nes et al. is dat zij ook wiskundig dat verband aantonen.

@Thijs
Zie de Scripps-grafiek op onze grafiekenpagina met daarin de laatste CO2-meting:
https://klimaatverandering.wordpress.com/links/klimaatgrafieken-datasets/#Broeikasgassen
De verandering van de CO2 concentratie de laatste 150 jaar gaat inderdaad ‘razendsnel’ vergeleken met de afgelopen miljoen jaar.

LikeLike
Raymond Horstman | 26 april 2015 om 13:59 |

De relatie tussen co2 en temperatuur is beslist niet zo eenvoudig als wel wordt angenomen. De co2-forcing bestaat wel maar co2-forcing is beslist niet de enigste variabele die uitwerkt op de temperatuur. Albedo-verandering of emissiviteit-verandering is beslist een veel krachtiger variabele als het om temperatuursverandering gaat. Berekeningen a.h.v van mijn eigen model geven aan dat een albedo-wijziging van slechts 1 procentpunt al tot een verandering in de temperatuur leidt van 1 graad celsius. Een toename van 40 procent in het co2-gehalte vanaf pre-industrieel niveau leidt slecht tot een forcing van ca. 1,7 W/m2. Dit is veel te weinig om de temperatuur met 1 graad celsius te laten stijgen. Ook als je het aardoppervlak als een blackbody modeleert het je ca 5 W/m2. Als een greybody met albedo en emissiviteit heb je zelfs 8 W/m2 nodig. Dus co2-forcing is wel een heel zwak terugkoppelingsmechanisme om het proces van glaciaal naar interglaciaal in werking te zetten. Albedo doet het beslist veel beter.
Maar terugkomen op het topic ‘kip of ei’ relatie; Ik zou zeggen dat er mogelijkerwijs een soort natuurlijk evenwicht bestaat tussen de hoeveelheid co2 die van nature aanwezig is en de gemiddelde temperatuur. Het huidige extreem hoge niveau van co2 in de atmosfeer is dan ook, in elk geval, een verstoring van dit natuurlijk evenwicht. En dat geeft allerlei heel vervelende gevolgen om maar even een understatement te maken.

LikeLike
Jos Hagelaars | 26 april 2015 om 14:22 |

@Raymond

Natuurlijk speelt de verandering van de albedo een rol tijdens de ijstijden, het is echter een feedback en geen forcering zoals van de broeikasgassen. De 1.8 W/m² forcering die een 40 procent stijging van de CO2 concentratie geeft, wordt versterkt door de positieve feedbacks; toename waterdamp, oppervlakte albedo en wolken (deze heeft een hoge onzekerheid) en vermindert door negatieve feedbacks; Planck, lapse rate.
Het ‘natuurlijke evenwicht’ waar jij het over hebt is duidelijk verstoord door de mens. Wij hebben er voor gezorgd dat die CO2 concentratie gestegen is naar 400 ppm en nog verder zal stijgen. Het zal meer dan honderdduizend jaar duren voordat al extra CO2 weer uit de atmosfeer is verdwenen.

LikeLike
Raymond Horstman | 26 april 2015 om 14:36 |

@Jos Hagelaars,

Als het albedo-effect veel sterkier is dan co2-forcing hoort het voorop te staan in een verklaringsmodel. Het is dan de forcing die als ondersteunend mechanisme ook een rol speelt. De sterkste(theoretisch en empirisch) mechanismen komen voorop. Als eerst heb je dan de Milankovitch parameters, dan albedo (e.g. verschuiving van de zomers sneeuwgrens) en dan pas processen als broeikasgas-forcing. First hings first!

LikeLike
Jos Hagelaars | 26 april 2015 om 14:56 |

@Raymond

– “Het is dan de forcing die als ondersteunend mechanisme ook een rol speelt.”
De verandering van de albedo is een feedback en geen forcering: zie bijv.
http://en.wikipedia.org/wiki/Ice-albedo_feedback

Overigens zijn de W/m² van de broeikasgassen en de verandering van de albedo tijdens de ijstijden van eenzelfde orde grootte. Zie bijv. bladzijde 7 van http://arxiv.org/vc/arxiv/papers/1105/1105.0968v2.pdf
Hansen/Sato geven circa voor GHG en surface albedo resp. 3 en 3.5 W/m².

LikeLike
Raymond Horstman | 26 april 2015 om 15:11 |

Feedback en forcing komen voort uit je theorie en niet uit de empirie van wetenschap. Er is geen betere reden voor het een of het andere anders dan gewoonte. Albedo en forcing zijn beiden variabelen die een verklaring kunnen geven voor wat je waarneemt nl. temperatuur verandering. Overigens opnieuw een interessant artikel. Het niveau op deze blog is hoog.

LikeLike
G.J. Smeets | 26 april 2015 om 15:29 |

Raymond Horstman,
“Feedback en forcing komen voort uit je theorie en niet uit de empirie van wetenschap. Er is geen betere reden voor het een of het andere anders dan gewoonte.”

Dat is kul die hier al -tig keer is weerlegd met niet weerlegde argumenten. Hier het overzichtje:
https://klimaatverandering.wordpress.com/?s=feedback+en+forcing
Lezen, inclusief de draadjes.

LikeLike
Marco | 26 april 2015 om 15:34 |

Jos, ik denk niet dat je ver komt bij iemand die de helft van de aarde bewust(!) niet meeneemt in zijn eigen analyse.

LikeLike
Raymond Horstman | 26 april 2015 om 16:18 |

Beste Marco,

In mijn model wordt helemaal geen helft van de Aarde buiten beschouwing gelaten. Mijn model voor dag-nachtritme gebruikt en het etmaal, dag en nacht. Wat blijft er buiten beschouwing in de analyse. Helemaal niets.
Wat ik buiten beschouwing laat is een nadere analyse van wat er aan de nachtkant gebeurt. Dat ligt buiten het bestek van mijn onderzoek. Doel (zoals aangegeven) is het verklaren van de gemiddelde temperatuur van de Aarde van ca 15 °C. Dit is de gemiddelde etmaal temperatuur. Deze is afleidbaar uit de empirie en mag dus gewoon gebruikt worden. Vanuit mijn model bepaal ik vervolgens de gemiddelde energie en daaruit temperatuur van de dagkant. Deze is hoger dan het etmaal gemiddelde en dit verschil komt voort uit opwarming. In evenwichtssituatie (voor gemiddelde waarden beslist verdedigbaar) geldt energie voor opwarming overdag is gelijk aan afkoeling nachts. Voor iedere fractie van een seconde geldt dat er gelijktijdig sprake is van een dagkant en een nachtkant. Dus van opwarming en afkoeling. Er wordt dus geen moment ook maar iets van het oppervlakte van de Aarde buiten de analyse gehouden. En dat is een bewuste keuze.

LikeLike
Hans Custers | 26 april 2015 om 16:45 |

Raymond,

In een eerdere discussie hebben meerdere mensen je gewezen op grote fouten in je model. Dat jij dat – in een paar maanden in je vrije tijd in elkaar gedraaide – model desalniettemin geloofwaardiger vindt dan in vele decennia ontwikkelde wetenschap is je goed recht. Maar verwacht niet van anderen dat ze er ook zo over denken

Kortom: dat jouw model iets zegt is voor ons geen argument en de discussie over dat model gaan we hier niet nog een keer overdoen.

LikeLike
Frans Galjee | 26 april 2015 om 17:23 |

@Jos Hagelaars
“ Correlatie wil inderdaad niet altijd zeggen dat er een oorzakelijk verband is. In dit geval vertelt de natuurkunde ons echter dat er een oorzakelijk verband moet zijn tussen CO2 en de temperatuur. Broeikasgassen absorberen namelijk infrarood licht. Het mooie van het artikel van Van Nes et al. is dat zij ook wiskundig dat verband aantonen.”

Dat broeikasgassen infrarood licht absorberen is voor iemand die betrokken is geweest bij de ontwikkeling van (ook optische) instrumentatie voor oa broeikasgassen niet onbekend. Dit verband is echter slechts één onderdeel in die complexe processen die een uiteindelijke klimaatverandering sturen. Dat de hier behandelde wiskundige methode een ‘verband’ laat zien is ook te verwachten als beide variabelen temperatuur en concentratie broeikasgassen afhankelijk zijn van een ‘derde’ variabele. Ik ben benieuwd naar wat de wiskundige van Rongen hierover zal zeggen.

LikeLike
Marco | 26 april 2015 om 17:24 |

Raymond, je vergeet wel degelijk de helft van de aarde, juist doordat je de nachtkant niet meeneemt. Daar gaat je model de mist in. In feite maak je een model voor een planeet zonder atmosfeer, daar wordt de energie namelijk niet verdeeld over het hele oppervlak.

Er is een goede reden dat de temperatuur van Venus niet afhankelijk is van de dag- of nachtkant…

LikeLike
mrooijer | 26 april 2015 om 17:32 |

@Goff – inderdaad, mea culpa, die cursieve zin is onduidelijk. Wiskundigen gebruiken hun formele taal, de formules, zo nauwkeurig mogelijk, maar als we daar wat bij willen vertellen gebruiken we soms meer handgebaren en kort-door-de-bocht formuleringen dan didactisch nog verantwoord is.

“als twee variabelen observaties zijn binnen hetzelfde dynamische systeem, dan zijn hun reconstructies van het oorspronkelijke systeem in ieder geval gelijkvormig.”

Wat ik in deze formulering ten onrechte deed is twee niveaus door elkaar husselen: het niveau van het model, en het niveau van de toepassing van het model. We observeren grootheden in de tijd, en in het model zijn dat in de tijd veranderende variabelen die samen een dynamisch systeem vormen. In het model kun je, onder enige randvoorwaarden, vanuit een zo’n variabele een nieuw dynamisch systeem construeren dat “gelijkvormig” is met dat model-systeem.

Afijn, het belangrijkste is of de vraag of zo’n model kan worden gebruikt: Takens stelling gaat over differentieerbare functies; in werkelijkheid zijn de observaties discrete tijdreeksen en zijn er onzekerheden in metingen en zijn er onbekende variabelen. Ook deze “technische problemen” heeft Takens al geanalyseerd en opgelost.

@Frans Galjee – het aardige van Takens stelling is nu juist dat het laat zien de invloed van “confounders” er niet veel toe doet.

@ Raymond – je schrijft: “feedback en forcing komen voort uit je theorie en niet uit de empirie van wetenschap”. Dat is volstrekte flauwekul. Elke wetenschappelijke theorie verklaart de empirie – anders is het geen (geaccepteerde) theorie. Elke wetenschappelijke theorie wordt voortdurend of regelmatig gevalideerd door nieuwe metingen.

LikeLike
Hans Custers | 26 april 2015 om 17:37 |

Frans Galjee.

“Het zou ook iets anders kunnen zijn” is de “ad ignorantiam” drogreden in zijn meest extreme vorm. Het is dus geen argument in welke wetenschappelijke discussie dan ook.

Het is immers letterlijk en altijd en overal mogelijk dat een nog onbekende factor een rol van betekenis speelt. Als we op grond daarvan wetenschappelijke inzichten afwijzen kunnen we de wetenschap net zo goed in zijn geheel opdoeken.

LikeLike
Jos Hagelaars | 26 april 2015 om 17:44 |

@Frans Galjee
Meer broeikasgassen leiden tot opwarming, dat is fundamentele natuurkunde. Dat verband kun je niet wegpoetsen.
En wat is die nog totaal onbekende variabele waar je het over hebt en die de gehele wetenschappelijke wereld altijd al over het hoofd heeft gezien?

LikeLike
Frans Galjee | 26 april 2015 om 18:41 |

@mrooijer – “het aardige van Takens stelling is nu juist dat het laat zien de invloed van “confounders” er niet veel toe doet.” Dat betekent nog niet dat confounder variabele er niet is. Het kan dus ook een variabele zijn die buiten de modellen is gebleven maar wel degelijk meedoet in de klimaatbepalende processen.

LikeLike
Jos Hagelaars | 26 april 2015 om 18:51 |

@Frans Galjee
Heb je de reacties van Hans en mij maar even over geslagen?
Wat is die ‘onbekende’ variabele die ‘meedoet’ in klimaatbepalende processen en die niemand kent?

LikeLike
Bob Brand | 26 april 2015 om 20:03 |

Beste Raymond Horstman,

“De co2-forcing bestaat wel maar co2-forcing is beslist niet de enigste variabele die uitwerkt op de temperatuur. ”

Hoe kom je erbij dat wij, of de klimaatwetenschap, zouden beweren dat de CO2-forcering de “enigste” variabele zou zijn die uitwerkt op de temperatuur? Hoe kom je op dat idee?

Dat zeggen wij niet en dat zegt de klimaatwetenschap al evenmin. Wél is de stralingsforcering door minder/meer broeikasgassen één van de voornaamste forceringen op de tijdschaal van glacialen (ijstijden) en interglacialen. Voor een overzicht van de diverse forceringen en hun rol, lees bijvoorbeeld onze eerdere blogstukken:

Korte termijn variatie vs lange termijn trend
Korte termijn trend heeft geen voorspellende waarde voor lange termijn trend
Nieuwe studie klimaatgevoeligheid op basis van laatste IJstijd

Andere forceringen zijn bijvoorbeeld:

– El Nino / La Nina (ENSO)
– vulkanische aërosolen
– zonnesterkte (total solar irradiation)

De glacialen en interglacialen worden ‘getriggered’ door de Milankovic-cycli: de geleidelijke verandering in de zomer-insolatie rond 65° noorderbreedte. Lees daarover bijvoorbeeld:

Voorlopig even geen nieuwe ijstijd
De twee tijdperken van Marcott

In de huidige tijd (dat wil zeggen: de laatste ca. 7000 jaar) is de zomer-insolatie op die breedtegraden echter aan het *dalen*. De zon komt daar dus geleidelijk steeds minder hoog, en minder lang, boven de horizon — we zijn namelijk qua Milankovic-forcering juist heel langzaam op weg naar koudere tijden, naar het einde van het huidige interglaciaal.

Van nature zou de temperatuur dus geleidelijk moeten *dalen* op weg naar de volgende ijstijd. Het benadrukt nog maar eens hoezeer de snelle opwarming over de laatste 150 jaar een anomalie is.

En zoals Jos je al heeft uitgelegd: ‘albedo’ is geen forcering, het is een feedback.

LikeLike
G.J. Smeets | 26 april 2015 om 20:16 |

Jan & Jos,
o.k jullie toelichting heeft geholpen. Ik snap het.

LikeLike
mrooijer | 27 april 2015 om 12:37 |

@Frans Galjee – een confounder is een breed begrip in de statistiek. In de breedste zin is het een gebrek in een model of zelfs in de metingen waarbij met een onbekende of genegeerde factor ten onrechte geen rekening wordt gehouden. In engere zin wordt het meestal gebruikt in regressies om aan te geven dat er een onbekende factor is die zowel een onafhankelijke als de afhankelijke variabele beïnvloedt.

Van dat laatste is hier geen sprake, want in een dynamisch model waarin alle variabelen elkaar beïnvloeden, wordt het onderscheid tussen on- en afhankelijke variabelen niet gemaakt. . Het dynamische model blokkeert totaal niet de mogelijkheid dat er andere invloeden zouden kunnen zijn, integendeel. De stelling van Takens zegt nu juist, vrij vertaald, dat die er niet toe doen wat betreft de innige relatie tussen CO2 en temperatuur. .

De conclusies van Van Nes c.s. zijn dus onafhankelijk van mogelijke andere invloeden. die ook bijna tastbaar aanwezig zijn in figuur 2: de precessie en ander cycli van Milankovic.

LikeLike
Frans Galjee | 27 april 2015 om 15:24 |

@mrooijer
Dank voor deze uitleg. Moet dit nog wel op mij laten inwerken. Mvg.

LikeLike
majava | 27 april 2015 om 18:00 |

@Frans Galjee
Heb je de reacties van Hans en Jos alweer even overgeslagen?
Wat is die ‘onbekende’ variabele die ‘meedoet’ in klimaatbepalende processen en die niemand kent?

LikeLike
Frans Galjee | 27 april 2015 om 21:10 |

@Hans Custers, Jos Hagelaars en Majava
Beschrijving van de complexe relatie tussen temperatuur en concentratie broeikasgassen in dit artikel doet vanuit de statistiek de alarmbellen rinkelen of hier niet sprake kan zijn van een confounding variabele in mijn bewoordingen aangeduid als een derde variabele. Het constateren dat dit het geval kan zijn betekent natuurlijk niet dat deze derde variabele kan worden aangewezen. Dat volgens de uitleg van mrooijen een eventuele confounding variabele in behandelde wiskundige methode van ondergeschikt belang is ( ik hoop dat ik hem juist begrijp) kan waar zijn voor gebruikte methodiek maar kan ook wel degelijk een belangrijke rol spelen in de beschrijving van processen die het klimaat sturen.
Correlatie of causaliteit worden nogal eens bewust of onbewust verkeerd begrepen of gebruikt.
Hier twee links om bovenstaande wat populair en humoristisch nader te duiden.
http://www.psyblog.nl/2014/02/06/correlatie-causaliteitijsjes-piraten-en-de-media/

LikeLike
Jos Hagelaars | 27 april 2015 om 21:28 |

@Frans Galjee
Nogmaals: meer broeikasgassen leiden tot opwarming, dat vertelt de natuurkunde ons. De hier besproken wiskunde laat dat verband zien. Dat bijv. CO2 het broeikaseffect versterkt is inmiddels ook via metingen bevestigd:
https://klimaatverandering.wordpress.com/2015/03/05/toename-van-co2-versterkt-het-broeikaseffect/
Wil je nu het effect van broeikasgassen op de temperatuur ontkennen met je zogenaamde ‘derde variabele’ die je persoonlijk uit de hoge hoed tovert maar die niemand op de aarde kent en waar niemand ook maar het flauwste idee van heeft? Dat is m.i. simpelweg geklets.

LikeLike
Hans Custers | 27 april 2015 om 21:46 |

@ Frans Galjee,

Je herhaalt gewoon dezelfde bewering die je eerder deed, in iets andere woorden. Daarmee heb je nog steeds geen antwoord gegeven op de kritische vragen en opmerkingen van Jos, Majava en mij.

Ik herhaal het dus nog maar eens: jouw “deus ex machina” is de ad ignorantiam drogreden in zijn meest extreme vorm.

LikeLike
G.J. Smeets | 27 april 2015 om 22:33 |

@Frans Galjee
Je verdraait de toelichting van Jan van Rongen waarin expliciet gesteld wordt dat een eventuele confounding variabele irrelevant is – en niet ‘van ondergeschikt belang’ zoals je ervan maakt.

LikeLike
Bob Brand | 27 april 2015 om 23:00 |

Beste Frans Galjee,

Je voornaamste denkfout is dat het alléén ’een correlatie’ is, waar dan achteraf een causaal verband uit geconcludeerd zou zijn. In zo’n geval kan je inderdaad zeggen: ‘[only] correlation does not [necessarily] imply causation.’

Echter, in werkelijkheid is het precies omgekeerd gegaan.

Vergeet niet dat al eind 19e eeuw het fysische werkingsmechanisme beschreven is door o.a. Arrhenius, en dat dááruit een kwantitatieve voorspelling volgde: een hogere concentratie van CO2, CH4 en andere broeikasgassen veroorzaakt opwarming. Een toetsbare hypothese, waar voorspellingen uit volgen die daarna op allerlei manieren zijn uitgekomen.

Niet alleen door het mondiale temperatuurverloop sinds 1896 (Arrhenius) maar bijvoorbeeld ook doordat ná Arrhenius uit de paleologische waarnemingen bleek dat dit verband tussen broeikasgas-concentratie -> opwarming in allerlei tijdperken, en op allerlei tijdschalen, opgaat.

De ijskernen in de bovenstaande Figuur 2 zijn pas sinds de jaren ’60 van de vorige eeuw aan het licht gekomen. En toen bleek dat wat de fysica voorspeld had: hogere concentratie CO2 -> opwarming, niet alleen in de laatste eeuwen gold maar ook tienduizenden, honderdduizenden en miljoenen jaren in het verleden.

Het is een ’well-corroborated theory’ zoals dat heet, een fysisch consistente theorie die tot uitspraken (‘predictions’) leidt die daarna getoetst kunnen worden aan enorme aantallen observaties — o.a. tot in het diepste verleden van onze planeet. Falsificatie is dus zeer wel mogelijk:

https://klimaatverandering.wordpress.com/2014/01/30/is-klimaatwetenschap-falsifieerbaar/

LikeLike
Bob Brand | 27 april 2015 om 23:51 |

Even voor de volledigheid — mijn reactie gaat over ’causation’ in één richting zoals die meestal bedoeld wordt indien het over regressie tussen twee variabelen gaat. Zoals Jan van Rongen zegt:

“In engere zin wordt het meestal gebruikt in regressies om aan te geven dat er een onbekende factor is die zowel een onafhankelijke als de afhankelijke variabele beïnvloedt.”

Bijvoorbeeld: [CO2] —> [T]

De onafhankelijke variabele is dan CO2 en de afhankelijke variabele is T. De uitspraak ‘correlation does not imply causation’ heeft betrekking op dit soort van één-richtings causaliteit. Het artikel van Van Nes en het blogstuk van Jan & Jos gaat echter over iets fundamenteel anders, een dynamisch systeem waar:

[CO2] —> [T]
[T] —> [CO2]

Die uitspraak ‘correlation does not imply causation’ heeft dan geen betekenis meer. Er is dan niet één ‘oorzaak’ maar een geïntegreerd systeem waarin ZOWEL de CO2-concentratie de temperatuur beïnvloedt als de temperatuur de CO2-concentratie.

Causaliteit krijgt dan een andere betekenis:

“Van dat laatste is hier geen sprake, want in een dynamisch model waarin alle variabelen elkaar beïnvloeden, wordt het onderscheid tussen on- en afhankelijke variabelen niet gemaakt. . Het dynamische model blokkeert totaal niet de mogelijkheid dat er andere invloeden zouden kunnen zijn, integendeel. De stelling van Takens zegt nu juist, vrij vertaald, dat die er niet toe doen wat betreft de innige relatie tussen CO2 en temperatuur. .

De conclusies van Van Nes c.s. zijn dus onafhankelijk van mogelijke andere invloeden. die ook bijna tastbaar aanwezig zijn in figuur 2: de precessie en ander cycli van Milankovic.”

Je dient dan CO2 en T te zien als een ‘entangled system’ dat alleen als geheel kan evolueren: verandert CO2 dan verandert T én vice-versa. 🙂

LikeLike
cRR Kampen | 28 april 2015 om 10:52 |

Een korte noot: als je het de facto meteorologische modelletje dat door Lorenz onderzocht is wil toepassen op het klimaatsysteem moet je in feite het begrip ‘weer’ gaan uitbreiden ten koste van ‘klimaat’. Een klimaatperiode van bijv. 30 jaar noem je dan ‘weer’ en geen ‘klimaat’ meer.

In dit bestek vormt EN/SO géén forcering meer, maar onderdeel van het systeem.

LikeLike
G.J. Smeets | 28 april 2015 om 10:53 |

Ik kan de verleiding van twee terzijdes niet weerstaan.
– Wat het blogstuk en dit draadje erachter laat zien is dat de roemruchte relatie ‘correlatie / oorzakelijkheid’ veranderd is van oppositie naar inclusie. De wiskundige techniek die in het blogstuk centraal is een fraaie illustratie van ‘wederkerige afhankelijkheid’ alias ‘gelijkoorspronkelijkheid’. Die concepten komen in enige vorm (poezie, metafysiek, kosmologie, contemplatieve oefeningen, etc.) voor in Taoïsme, Boeddhisme, Westerse filosofie, schriftloze culuren (animistisme / totemisme) en ja, ook in de Christelijke mystiek.
– ‘gelijkoorspronkelijkheid’ en ‘wederkerige afhankelijkheid’ is het hart van wat bedoeld wordt met ‘duurzaamheid’ en dat door pseudo’s / ontkenners gecorrumpeerd c.q. niet begrepen c.q. gebagatelliseerd c.q. geridiculiseerd wordt. Het is intellectueel dom, sociaal dom, beleidsmatig dom.

LikeLike
Bob Brand | 28 april 2015 om 13:06 |

Hoi cRR,

Je hebt gelijk. Ik noemde ENSO abusievelijk een ‘forcering’ en het is natuurlijk wel één van de factoren die het korte-termijn verloop van de mondiaal gemiddelde oppervlaktetemperatuur beïnvloedt:

Foster en Rahmstorf 2011

ENSO is echter geen externe forcering maar een vorm van ‘internal variability’.

LikeLike
Frans Galjee | 28 april 2015 om 15:26 |

@Smeets 27 april 22:33
“Je verdraait de toelichting van Jan van Rongen waarin expliciet gesteld wordt dat een eventuele confounding variabele irrelevant is – en niet ‘van ondergeschikt belang’ zoals je ervan maakt.”
Je hebt gelijk. Ik ga morgen voor een week het klooster in om boete te doen.

LikeLike
Frans Galjee | 28 april 2015 om 15:32 |

@ Bob Brand
Ja, ‘denkfout’ of niet in ieder geval bedankt voor uitgebreide reactie. Ik hoop er later op terug te komen.

LikeLike
G.J. Smeets | 28 april 2015 om 16:19 |

@Galjee,
ik neem aan dat je kloostergang al gepland was en niet plots ingegeven door dit draadje. Ik weet niet welk regiem door het klooster van je keuze wordt gevolgd maar laat bij de intake expliciet weten (ongevraagd advies) dat je op boetedoening uit bent. Een beetje abt / instructeur weet daar in 10 minuten wel weg mee. Zo niet dan is het zaak om van klooster te wisselen. Profs doen niet aan boete of erkennen van iemands gelijk, ze doen aan zelfcorrectie. En dat is iets anders dan boetedoening. Einde preek : )

LikeLike
cRR Kampen | 28 april 2015 om 16:38 |

Ik heb gewoon nog college gehad van Floris Takens. Laat mij die abt maar wezen 🙂

LikeLike
G.J. Smeets | 28 april 2015 om 16:52 |

Remko,
: )

LikeLike
Herman | 29 april 2015 om 23:04 |

“Kip-en-ei bij CO2 en de temperatuur” is …

[JH: ik kom er net achter dat deze Herman dezelfde is als een zekere Gerben van den Oetelaar die hier de boel al eerder heeft proberen te verzieken. Probeer dat soort streken in het vervolg maar ergens anders, je reacties zullen verwijderd worden.]

LikeLike
cRR Kampen | 30 april 2015 om 10:34 |

[@JH, maar goed dat ik dat niet wist. Heb ’t al jaren aan de stok met die revisionist op de VWK].

LikeLike
Pingback: De toename van het kooldioxide gehalte in de atmosfeer is antropogeen – Deel 3 | Raymond FANTASTische Horstman
Marleen | 2 januari 2018 om 15:21 |

Een prachtig blogartikel. Voor het eerst begrijp ik wat meer van de correlatie tussen CO2 en de opwarming van de Aarde, dat het fundament vormt voor de klimaatverandering en waarbij het CO2-gas in deze laatste opwarming door de meesten onder ons als drijfveer wordt gezien. Ook de reactie draad is zeer interessant.

(De mijne is een zeer late reactie, hopelijk is dat toegestaan).

Ik zou graag figuur 3 beter begrijpen. Ontbreekt daar misschien een toelichting voor elke letter (a,b,c,d,e,f)? Zou ik die alsnog kunnen lezen in een antwoord?

Wat mij enigszins verbaasde in de reacties was dat als ‘speciale’ eigenschap van broeikasgassen als CO2 en CH4 het vermogen infrarood licht te absorberen toegekend werd. Nu is het misschien slechts een woordenkweste, maar infrarood licht = warmte en dat deze gassen warmte absorberen en vasthouden geeft hun naam nu juist aan. Het leek me daarom een overbodige toevoeging.

Alvast dank voor een eventuele toelichting op figuur 3.

LikeLike
Jos Hagelaars | 2 januari 2018 om 17:45 |

@Marleen

Dank voor het compliment en uiteraard kun je ook nu nog vragen hierover stellen.

De figuur 3 uit het blogstuk is rechtstreeks overgenomen uit het artikel van van Nes e.a., de letters a-f geven de correlaties voor 6 verschillende combinaties aan die de onderzoekers bekeken hebben via hun rekenmodel. Zo geeft bijv. a de correlatie voor tussen CO2 en de temperatuur en c de correlatie tussen zonne-instraling en de temperatuur. De onderzochte combinaties van elke grafiek staan bovenaan weergegeven in elk deelfiguur. Indien de correlatie duidelijk verschilt van de gekleurde banden (verkregen via het random verwisselen van de originele data) is er een interactie tussen de twee gekozen variabelen. Plaatjes a, b en d laten zien dat er een interactie (een duidelijk statistisch verband) tussen de broeikasgassen en de temperatuur bestaat, maar plaatjes c, e en f laten zien dat dit verband ontbreekt tussen de zonne-instraling en de temperatuur of de broeikasgassen. De verandering in de zonne-instraling heeft een beperkte invloed op de temperatuur van de aarde, maar deze kleine verandering in de temperatuur wordt versterkt door de verandering in de broeikasgasconcentraties.

Elk voorwerp dat een temperatuur heeft straalt energie uit in de vorm van elektromagnetische straling. Een heet voorwerp straalt energie uit met een kortere golflengte dan een koud voorwerp. De zon is dermate heet dat het maximum van de uitgestraalde energie in het zichtbaar licht valt. De aarde is veel koeler dan de zon en het maximum qua golflengte van de uitgestraalde energie ligt in de buurt van de 10 µm, in het infrarood. Juist in die golflengtes van het infrarood die de aarde uitstraalt absorberen ook de broeikasgassen zoals CO2, zie de figuur hieronder. Dat is de reden dat er vaak geschreven wordt dat de broeikasgassen infrarood licht absorberen, het licht (de energie) die de aarde uitstraalt. Eigenlijk moeten we dan de range erbij opgeven, want een gas dat alleen infrarood licht met een golflengte van ca. 2 µm zouden absorberen, zou niet als broeikasgas functioneren.

LikeLike
Bob Brand | 2 januari 2018 om 17:55 |

Hallo Marleen,

Je hebt gelijk, het is een prachtig artikel dat ingaat op een aspect dat soms onvoldoende begrepen wordt: temperatuurtoename —> méér CO2 en tegelijkertijd geldt: méér CO2 —> temperatuurtoename. Daardoor versterkt het broeikasgas CO2, aan het einde van ijstijden, de mondiale temperatuurstijging.

“… maar infrarood licht = warmte en dat deze gassen warmte absorberen en vasthouden geeft hun naam nu juist aan. Het leek me daarom een overbodige toevoeging.”

Voornamelijk een semantische kwestie. Strikt genomen is ‘infrarood licht’ niet hetzelfde als warmte, het is één vorm van warmtetransport. Er zijn namelijk meerdere manieren om thermische energie (warmte) over te dragen tussen massa’s:

— geleiding
— stroming
— straling (dat is dan ‘infrarood’, de langgolvige elektromagnetische warmtestraling)

Dit zijn allemaal vormen van warmtetransport, niet zozeer de warmte zelf.

Fysiek kunnen we bijvoorbeeld de warmtestraling van de zon of van een hete kachel op onze huid voelen: dat is dan echt de infrarode straling die ‘op afstand’ de huid en de warmte-sensoren in de huid opwarmt. Dat werkt zelfs als er een vacuüm zit tussen bijv. de zon en onze huid.

Maar we kunnen ook geleidingswarmte voelen: bijv. bij aanraking van een hete pan terwijl dat ding ‘op afstand’ te weinig infrarode warmtestraling afgeeft om op te merken.

Stroming is specifiek voor ‘fluids’ (vloeistoffen en gassen), niet voor vaste stof. Stroming kan opgewarmde lucht- of watermassa’s verplaatsen en daarmee de warmte in die lucht- of watermassa’s meevoeren. Dat is een derde vorm van warmtetransport. In meer detail is het hier goed beschreven: https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer

LikeLike
Marleen | 2 januari 2018 om 21:12 |

Hallo Jos en Bob,

Hartelijk dank voor jullie uitgebreide antwoorden. Figuur 3 begrijp ik nu en heb in eerste instantie blijkbaar te vluchtig gekeken. Ik las bij klimaatdeniers over de ‘lag’ tussen temperatuurstijging en CO2-toename en kon me daar weinig bij voorstellen. Maar ik begrijp nu hoe het werkelijk in zijn werk gaat.

Ook de warmte met betrekking tot straling is helemaal duidelijk.

Een goed 2018 gewenst met veel (goed) nieuws over het klimaat

LikeLike
Lennart van der Linde | 3 januari 2018 om 00:32 |

In een discussie op Facebook vraagt iemand zich af hoe CO2 precies IR-straling absorbeert, op het niveau van quantum fysica. Hij zegt:

“Ik heb intussen uitgezocht met de formules van de kwantummechanica en de fysische chemie
a) hoe lang de levensduur is van de door IR aangeslagen vibratietoestand van CO2: 40 fs (femtoseconde) oftewel 40*10^-15 sec.
b) hoe lang het duurt voor een CO2 molecuul bij 285 K (12 °C) botst op een “luchtmolecuul” (N2 of O2) bij een druk van 1 bar: 0.15 ns (nanoseconde) oftewel 1.5*10^-10 sec.

Door botsingen met lucht kan zodoende de CO2 via een niet-elastische botsing zijn extra energie overdragen aan de omgeving in de vorm van warmte. Alleen de tijd die het duurt voor CO2 een ander molecuul ontmoet, duurt dus 3800 keer zo lang als dat hij weer spontaan terugvalt naar zijn grondtoestand onder afgifte van dezelfde soort IR straling. Kortom: CO2 absorbeert en emitteert de IR straling vrijwel op hetzelfde moment zonder de kans te krijgen de opgenomen energie over te dragen. Dit betekent dat CO2 theoretisch géén broeikasgas kan zijn omdat het zijn opgenomen energie niet in warmte kan omzetten.

Water (H2O) absorbeert in hetzelfde gebied als CO2 en kan dat wel, voornamelijk omdat de concentratie ruim 25 keer hoger is en het bovendien via fasenovergangen (damp-vloeistof) verdampen en condenseren een enorme opslagcapaciteit heeft om dit in warmte om te zetten. Waterdamp is derhalve een enorm broeikasgas.

Dat (IR)straling door heen en weer te pingpongen meer warmte oplevert is natuurlijk onzin, want dat zou dan op dezelfde manier van toepassing zijn voor de ingevangen zonnestraling (1373 W/m2) als ook voor de via de uitstraling van de aarde via de Wet van Stefan-Boltzmann. Het netto-effect daarvan is dan nul. Water daarentegen houdt de ingevangen vast door fase-omzettingen en kan die op andere veel latere tijdstippen weer afgeven.

Alleen het simpele feit dat CO2 in het infrarode gebied absorbeert, is niet voldoende. De levensduur van de aangeslagen toestand moet lang genoeg zijn om dit via een niet-elastische botsing over te dragen. En dat mechanisme is er niet, zeker niet als je hoger in de dampkring gaat waar de gasdruk alleen maar verder afneemt (bij 0.1 bar is de verhouding al 38000 geworden).”

Ik kan niet beoordelen of deze vraag ergens op slaat of niet, laat staan dat ik hem kan beantwoorden, maar misschien iemand anders hier wel?

LikeLike
Hans Custers | 3 januari 2018 om 02:41 |

Lennart,

Of de getallen kloppen weet ik niet direct.

Het belangrijkste is volgens mij dat het allemaal niet uitmaakt voor de kern van de zaak: de stralingsbalans. CO₂ zorgt er (mede) voor dat de atmosfeer niet transparant is voor IR. De IR-straling wordt dus geabsorbeerd door CO₂-moleculen en daarna weer uitgezonden, waardoor (uiteindelijk) een deel van die straling weer op het aardoppervlak belandt: backradiation. En daardoor warmt hoe dan ook het oppervlak op.

Dat opgewarmde oppervlak warmt te atmosfeer natuurlijk ook weer op door convectie. Afgezien daarvan: als ik het goed heb uitgerekend zitten er in een kuub lucht (aan het aardoppervlak) 10²² CO₂-moleculen. Zelfs als maar 1 op de 3800 zijn energie overdraagt door te botsen, dan zijn dat er nog steeds een hele hoop.

LikeLike
Lennart van der Linde | 3 januari 2018 om 08:42 |

Dank je, Hans, ik ben benieuwd hoe m’n gesprekspartner erover denkt. Wordt vast nog vervolgd 🙂

LikeLike
Pieter Zijlstra | 3 januari 2018 om 09:36 |

Hallo Lennart,

Als eerste moet je het systeem omschrijven:
Praat je over één foton en één CO2-molecuul welke een interactie aangaan of praat je over een grote aantallen fotonen en moleculen.

Van Eli Rabett heb ik geleerd dat de thermalisatie – de overdracht van warmte door botsingen met andere gasmoleculen- veel, veel sneller is dan de het opnieuw emitteren van een foton.

Zijn conclusie:
“Comparing the radiative rate kR (the inverse of the lifetime) to the collisional deactivation rate kM[M], provides a quick estimate that only one out of 100,000 CO2 molecules excited into the (0,10,0) by collision or absorbing a photon, will emit”.

zie: http://rabett.blogspot.nl/2013/04/this-is-where-eli-came-in.html

Ik moet nog verder studeren op het begrip Local Thermodynamic Equilibrium (LTE). Heeft er ook mee te maken.

LikeLike
Lennart van der Linde | 3 januari 2018 om 09:54 |

Dank je, Pieter, dat ziet er behulpzaam uit! Ik heb mijn gesprekspartner gevraagd eventueel (ook) hier te reageren.

LikeLike
Bob Brand | 3 januari 2018 om 11:57 |

Hoi Lennart,

Wat een grappig Facebook-stukje!

De voornaamste denkfout is meteen duidelijk. Ook zie je dat de auteur van dit stukje (mogelijk bewust), probeert om over die denkfout heen te behangen. De denkfout zie je waar plotseling de woorden “natuurlijk onzin” verschijnen in dat stukje:

“Dat (IR)straling door heen en weer te pingpongen meer warmte oplevert is natuurlijk onzin, want dat zou dan op dezelfde manier van toepassing zijn voor …”

Niks onzin.

Een IR-foton (van 15 μm, de golflengte waar het CO2 het sterkst absorbeert) wordt gemiddeld al na 1 meter in de dampkring (1 atm. druk, oppervlaktemperaturen) geabsorbeerd. Het is waar dat vervolgens in 3799 van de 3800 keer opnieuw een IR-foton wordt her-geëmitteerd (1 op de 3800 keer thermaliseert die energie echter).

Maar… dat is precies zo’n zelfde IR-foton van 15 μm. En dus gebeurt weer precies hetzelfde als met zijn voorganger: gemiddeld na 1 meter in de dampkring wordt het opnieuw geabsorbeerd! En opnieuw loopt het dan 1-op-3800 keer de kans om te thermaliseren tot warmte…

Een klein deel van deze IR-fotonen bereikt via dit hink-stap-sprong proces een dusdanige hoogte in de atmosfeer dat het naar het heelal ontsnapt, dat is de 15% á 30% in de bovenste grafiek:

Echter, door vele duizenden keren die 1-op-3800 kans te lopen om te thermaliseren tot warmte, zal zo’n 70% tot 85% van deze IR-fotonen het niet redden tot de top van de atmosfeer. 😀

LikeLike
Bart Verheggen | 3 januari 2018 om 14:41 |

Precies. Het relevante feit dat jouw gesprekspartner over het hoofd lijkt te zien is dat de atmosfeer niet een reservoir is met 1 temperatuur en druk, maar quasi in laagjes is opgebouwd, waarin de druk en de temperatuur afneemt met de hoogte. De IR vanuit de lagere luchtlagen (en het oppervlak) bereikt dus bijna nooit de ‘top vd atmosfeer’ en wordt dus niet naar het heelal uitgestraald (tenzij de golflengte zich toevallig in het zg “atmospheric window” bevindt, waarin de atmosfeer transparant is). Zoals Bob terecht aangeeft. De uitstraling naar het heelal vindt dus in het algemeen vanuit grotere hoogte plaats (gemiddeld 5,5 km). Daar is het het kouder dan aan het oppervlak, dus verlaat minder energie het aardysteem (E~T^4, Stefan-Boltzmann) dan aks het direct vanaf het oppervlak uitgestraald zou worden. Dit zou een leuke examenvraag zijn! (ik gebruik vaak vragen “wat klopt er niet aan de volgende redenering?”)

LikeLike
Lennart van der Linde | 3 januari 2018 om 17:53 |

Dank, Bob en Bart, ik zal hem de door jullie aangegeven denkfout voorleggen en zien wat z’n reactie is.

LikeLike
Peter van Gaalen | 3 januari 2018 om 19:13 |

Kan ik uit het bovenstaande het hier onderstaande concluderen?

Bij broeikasgassen spelen (o.a.) twee mechanismen een rol:
1e. het verstrooien van IR-straling zodat deze straling door terugkaatsing het aardoppervlak in hogere frequentie kan verwarmen. (het oppervlak verwarmt vervolgens danweer de atmosfeer.)
2e. aangeslagen broeikasgas molekulen kunnen hun vibratie-energie doorgeven aan andere molekulen in de atmosfeer tot kinetische energie. (dit verwarmt de atmosfeer direct.)

De twee mechanismen concureren met elkaar. hoe langer een molekuul de vibratie-energie vasthoud, des te langer ze niet beschikbaar is voor een nieuw IR-foton,

Als we het aspect van frequentie bandbreedte van een broeikasgas buiten beschouwing laten en als het 1e mechanisme belangrijker is, dan zullen broeikasgassen die sneller uit hun fibratie-toestand terug vallen sterkere broeikasgassen zijn.

klopt dit?

LikeLike
Bob Brand | 3 januari 2018 om 19:46 |

Beste Peter van Gaalen,

Nee, dat klopt niet.

1) Er wordt geen IR “teruggekaatst” en het heeft niets van doen met een “hogere frequentie”.

2) Uitgaande langgolvige warmtestraling (‘infrarood’) wordt geabsorbeerd door broeikasgassen die het vervolgens: (a) soms her-emitteren op dezelfde golflengte, en (b) het soms ‘thermaliseren’ door te botsen met andere moleculen in de atmosfeer.

De onder 2(a) her-geëmitteerde fotonen worden echter na korte afstand opnieuw geabsorbeerd, waarna hun energie opnieuw een kans maakt om gedeeld te worden met de andere moleculen in de atmosfeer (en tot warmte omgezet te worden). Of her-emissie en ‘GOTO 2)’ zogezegd…

Zie verder de reactie van Bart om 14:41.

LikeLike
Peter van Gaalen | 3 januari 2018 om 19:54 |

Hoi Bob, je hebt niet begrepen wat ik bedoel. Ik bedoel een hogere frequentie van het bombarderen van het aardoppervlak door IR-fotonen. (dus frequentie niet in de zin van golffrequentie.)
Door het absorberen en emiteren van IR-fotonen, worden deze willekeurig in alle richtingen her-uitgezonden. Waardoor de kans groter is dat ze het aardoppervlak weer bereiken. Dat is toch de essentie van het broeikaseffect?

LikeLike
Bob Brand | 3 januari 2018 om 20:13 |

Beste Peter van Gaalen,

Nee, dat is niet de essentie van het broeikaseffect.

De essentie van het broeikaseffect is dat de dampkring minder doorzichtig wordt (minder transparant) voor de langgolvige warmtestraling, naarmate de concentratie aan broeikasgassen toeneemt.

Van buiten de dampkring bekeken — naar beneden kijkend in de richting van het oppervlak — kan je dan minder diep in de dampkring kijken (in de golflengten van die langgolvige warmtestraling).

En als je minder diep in de dampkring kan kijken, is het daar kouder (de ‘lapse rate’) en ontsnapt er navenant minder warmtestraling (Stefan–Boltzmann, dus evenredig met T^4).

LikeLike
Jos Hagelaars | 3 januari 2018 om 20:27 |

Mij stond bij dat de aangeslagen vibratietoestand van CO2 een relatief lange levensduur had, veel hoger dan 40 femtoseconde. Na wat zoeken kwam ik uit bij Prof. Pierrehumbert.
Hij schrijft in zijn overzichtsartikel in Physics today het volgende:
Coupled vibrational and rotational states are the key players in IR absorption. An IR photon absorbed by a molecule knocks the molecule into a higher-energy quantum state. Those states have very long lifetimes, characterized by the spectroscopically measurable Einstein A coefficient. For example, for the CO2 transitions that are most significant in the thermal IR, the lifetimes tend to range from a few milliseconds to a few tenths of a second. In contrast, the typical time between collisions for, say, a nitrogen-dominated atmosphere at a pressure of 104 Pa and temperature of 250 K is well under 10⁻⁷ s. Therefore, the energy of the photon will almost always be assimilated by collisions into the general energy pool of the matter and establish a new Maxwell–Boltzmann distribution at a slightly higher temperature. That is how radiation heats matter in the LTE limit.

Dat komt dan overeen met wat Eli Rabett schrijft in de link van Pieter: slechts 1 op de ongeveer 100000 geëxciteerde CO2 moleculen krijgt de kans om een foton uit te zenden.

LikeLike
Bob Brand | 3 januari 2018 om 20:45 |

Hoi Jos,

Je hebt gelijk, wat Peter van Gaalen hier zei klopt ook al niet:

“… de levensduur is van de door IR aangeslagen vibratietoestand van CO2: 40 fs (femtoseconde) oftewel 40*10^-15 sec.”

Echter, ook als er her-emissie plaatsvindt dan wordt, na gemiddeld een relatief korte afstand afgelegd te hebben, ook dat IR-foton meestal weer geabsorbeerd etc.

LikeLike
Hans Custers | 3 januari 2018 om 20:51 |

De vraag van Peter is best interessant om over te filosoferen. En dat is nog niet zo makkelijk.

Mijn vermoeden: als een broeikasgasmolecuul een opgenomen foton maar heel kort vasthoudt is het aan de ene kant een groter deel van de tijd beschikbaar om weer een foton op te nemen, maar stuiteren er aan de andere kant ook veel meer fotonen rond die opgenomen kunnen worden. Dat zal grotendeels tegen elkaar opwegen.

Het onderscheid tussen sterkere en zwakkere broeikasgassen zit in iets anders, als ik me niet heel erg vergis. Het heeft te maken met het aantal mogelijke aangeslagen toestanden van een molecuul. Hoe meer aangeslagen toestanden er mogelijk zijn, hoe meer golflengtes zo’n molecuul op kan nemen. Daarom zijn grotere moleculen meestal sterkere broeikasgassen.

LikeLike
Jos Hagelaars | 3 januari 2018 om 21:17 |

Een sterk broeikasgas heeft idd meer vibratiemodes dan zwakkere broeikasgassen. Hier is een leuke site waar ze de vibratietoestanden van verschillende moleculen visualiseren:
https://wchem.cup.uni-muenchen.de/wvib/

SF6 heeft bijvoorbeeld 15 vibratiemodes waarvan er zo op het oog een heleboel vallen in het frequentiegebied waarin de aarde emitteert.
Samen met de lange levensduur in de atmosfeer maakt dat SF6 tot een zeer sterk broeikasgas waar je lang ‘plezier’ van kunt hebben:
http://unfccc.int/ghg_data/items/3825.php

Mochten we in de verre toekomst toch nog in een ijstijd dreigen te geraken, hebben we aan een klein fabriekje dat SF6 produceert voldoende om dat te voorkomen.

LikeLike
Lennart van der Linde | 3 januari 2018 om 21:28 |

Bob, even voor de goede orde: Peter is niet degene die mij de vraag over de 40 femtoseconde stelde. Hij is ook lid van de besloten facebook-groep van de Nederlandse klimaatbeweging, evenals bv Bart. Voor zover ik weet is hij zeer doordrongen van de urgentie van de klimaatcrisis en probeert hij net als ik te begrijpen hoe het zit met die vibratietoestanden nav de vraag van onze (pseudo-?)sceptische gesprekspartner, die nog niet gereageerd heeft.

LikeLike
Lennart van der Linde | 3 januari 2018 om 21:31 |

“Mochten we in de verre toekomst toch nog in een ijstijd dreigen te geraken, hebben we aan een klein fabriekje dat SF6 produceert voldoende om dat te voorkomen.”

Precies het argument van Jim Hansen waarom we ons over ijstijden geen zorgen meer hoeven te maken.

En Jos, ook bedankt voor de nadere aanvulling en onderbouwing van Eli Rabett door Pierrehumbert!

LikeLike
Bob Brand | 3 januari 2018 om 22:19 |

Hi Lennart,

“Peter is niet degene die mij de vraag over de 40 femtoseconde stelde.”

Oké, dank! Ik nam het aan omdat Peter in het draadje over de ‘vibratietoestanden’ binnenkwam. Al met al ben ik wel nieuwsgierig hoe-en-waarom iemand met die 40 femtoseconde op de proppen is gekomen.

Expert op het gebied van IR-spectroscopie is DeWitt Payne. In een gastblog bij nota bene de klimaatscepticus Jeff Id rekent DeWitt Payne het voor:

https://noconsensus.wordpress.com/2010/08/17/molecular-radiation-and-collisional-lifetime/

“For the most intense CO2 line at 667.6612 cm-1, the A21 coefficient is 1.542 s-1 or a half life of 0.45 s.”

Bijna een halve seconde i.p.v. 40 femtoseconde. De auteur van het stukje op Facebook zat er dan een factor 10.000.000.000.000 naast. 🙂

LikeLike
Lennart van der Linde | 3 januari 2018 om 22:41 |

Ja, beetje slordig, hoewel hij misschien denkt dat mensen als DeWitt Payne en Pierrehumbert er naast zitten. Ik heb hem al aangemoedigd zijn resultaten in een peer-reviewed vakblad te publiceren. Hij denkt dat CO2 geen broeikasgas is en dat de opwarming door andere factoren veroorzaakt wordt (hoewel nog niet duidelijk door welke precies). Een andere berekening van hem over de directe warmteproductie door mensen bleek niet te kloppen (dat kon ik zelf nog wel narekenen). Daar zat hij er een factor 100 naast, maar dat heeft hij inmiddels onderkend. Dus ik ben benieuwd hoe hij op bovenstaande info en verwijzingen reageert.

LikeLike
Bob Brand | 3 januari 2018 om 22:48 |

Nou, van een factor 100 ernaast zitten naar een factor 10.000.000.000.000 is ook een vorm van vooruitgang? 😉

LikeLike
Marleen | 3 januari 2018 om 23:08 |

@Lennart, je zegt:

hoe het zit met die vibratietoestanden nav de vraag van onze (pseudo-?)sceptische gesprekspartner, die nog niet gereageerd heeft.

voor de zekerheid, welke vraag ging het om en wie bedoel je met de (pseudo-?) sceptische gesprekspartner?
Ik ben in elk geval niet (pseudo-)sceptisch al volg ik een aantal sceptici, of beter gezegd deniers, om te weten waar ze het over hebben. Ik ben net als de meesten hier erg bezorgd.

LikeLike
Lennart van der Linde | 3 januari 2018 om 23:23 |

Beste Marleen, het ging hierom:
https://klimaatverandering.wordpress.com/2015/04/25/kip-en-ei-bij-co2-en-de-temperatuur/#comment-22991

Dus niet om jouw vraag, die toevallig overigens een mooi bruggetje vormde naar die van mijn (pseudo?)sceptische gesprekspartner in die FB-groep.

LikeLike
Peter van Gaalen | 4 januari 2018 om 12:48 |

Hoi Hans Custers

De vraag is waardoor wordt de atmosfeer en het aardoppervlak opgewarmt?

De CO2-scepticus op FB denkt dat de essentie van het broeikaseffect ligt in het doorgeven van vibratie-energie van aangeslagen broeikasgasmolekulen, aan andere luchtmolekulen, door niet-elastische botsingen. De CO2-scepticus gelooft daarom dat CO2 geen broeikasgas is.

Terwijl ik denk dat de essentie van het broeikaseffect ligt in juist absorbtie en emissie door broeikasgasmolekulen. Hierdoor worden IR-fotonen die door het aardoppervlak uitgestraald onderschept en naar alle kanten ge-emiteerd. Daardoor hebben de IR-fotonen grotere kans om het aardoppervlak weer te bereiken en deze op te warmen.

LikeLike
Bob Brand | 4 januari 2018 om 13:12 |

Beste Peter van Gaalen,

Pogingen om je eigen versie van “de essentie van het broeikaseffect” te produceren zijn m.i. niet zo zinvol. Om een conceptueel beeld te vormen dat overeenkomt met wat de klimaatwetenschap concludeert, is het beter om de wetenschappelijke beschrijving over te nemen:

Klik om toegang te krijgen tot PhysTodayRT2011.pdf

“De vraag is waardoor wordt de atmosfeer en het aardoppervlak opgewarmd?”

Doordat er minder langgolvige warmtestraling, afkomstig van het aardoppervlak en de lage atmosfeer, naar het heelal ontsnapt. Dit is een gevolg van (extra) absorptie door (extra) broeikasgassen.

“Hierdoor worden IR-fotonen die door het aardoppervlak uitgestraald onderschept en naar alle kanten ge-emiteerd.”

Als je in termen van ‘IR-fotonen’ een conceptueel beeld wil vormen van hoe het werkt (in essentie een mechanistische metafoor), dan is het nuttig om te beseffen dat:

– de energie van de geabsorbeerde langgolvige warmtestraling inderdaad gedeeld wordt met álle andere gassen in de dampkring. De dampkring als geheel warmt hierdoor op. De dampkring produceert als gevolg daarvan méér neerwaartse warmtestraling (‘downwelling longwave radiation’) en dat is een *gevolg* van het broeikaseffect, niet de oorzaak.

Een misverstand zou kunnen zijn dat klimaatverandering gaat over, specifiek, opwarming van het aardOPPERVLAK (dus van de bodem). Dat is niet zo, het gaat vooral over LUCHTtemperaturen:

LikeLike
Bart Verheggen | 4 januari 2018 om 13:19 |

Peter,
Daar heb je op zich gelijk in.
Door absorptie en re-emissie van IR wordt het warmteverlies naar de ruimte bemoeilijkt. Een beetje zoals een deken het warmteverlies van je lichaam bemoeilijkt (al spelen daar andere processen een rol, bijv convectie en conductie; warmteverlies naar de ruimte kan alleen door straling plaatsvinden).
Een uitstekende 5 minuten uitleg door Pierrehumbert is hier te vinden: http://thiniceclimate.org/blog/details/1907/how-co2-warms-the-climate-ray-pierrehumbert
Daarin geeft hij ook het putn aan dat ik hierboven maakte: door broeikasgassen vindt de uistraling naar de ruimte plaats vanaf grotere hoogte. Daar is het kouder, dus is het warmteverlies minder. Er blijft dus meer warmte in het aardysteem, dat daardoor warmer is dan met een zwakker (of zonder) broeikaseffect. Zonder broeikaseffect zou het op aarde ~33 graden kouder zijn (dat is de ‘effectieve stralingstemperatuur’, en is heel eenvoudig uit te rekenen).

LikeLike
Hans Custers | 4 januari 2018 om 15:34 |

Peter,

Het verwarrende is, denk ik, dat elke beknopte beschrijving van het broeikaseffect het accent legt op een onderdeeltje van het geheel, terwijl in werkelijkheid alles met alles samenhangt in dat geheel.

Mijn favoriete beschrijving is: omdat het broeikaseffect de atmosfeer minder transparant maakt voor IR, moet het aardoppervlak wel opwarmen om de energie van het invallend zonlicht weer uit te kunnen stralen. Dat is weer een andere beschrijving dan die van Bob en Bart hierboven en toch komt het op hetzelfde neer.

Als je in een gedachtenexperiment één onderdeeltje uit het hele mechanisme licht, loop je al snel de kans dat je voorbijgaat aan onlosmakelijke verbanden binnen dat mechanisme. Volgens mij is dat de fout die de FB-er maakt, afgezien dan van het feit dat zijn cijfers niet blijken te kloppen.

Hij negeert bijvoorbeeld het feit dat de hoeveelheid uitgestraald IR sterk afhangt van de temperatuur. Dus: als je in een volledige broeikasgasloze atmosfeer (die veel kouder is) een beetje CO₂ brengt, houden die moleculen hun foton veel langer vast dan in de huidige atmosfeer. En is er dus ook veel meer kans dat ze botsen met een ander luchtmolecuul en zo warmte overdragen.

Volgens mij is zelfs de kern van zijn gedachtenexperiment in strijd met de basale thermodynamica. Hij creëert een atmosfeer waarin, bij wijze van spreken, de CO₂-moleculen een temperatuur hebben die veel hoger is dan de temperatuur van andere luchtmoleculen. Het is dan ondenkbaar dat er niet op één of andere manier warmte wordt overgedragen aan die andere luchtmoleculen.

LikeLike
Peter van Gaalen | 4 januari 2018 om 17:08 |

Hans,
Ik ben het helemaal met je eens. en ik geloof ook dat alles onderling samenhangt in complexe dynamische relaties. En ik ben een leek daarin. Er valt voor mij heel veel te leren. Maar om bv een model te maken (of om het voor mezelf begrijpelijk te maken), moet je eerst wel de afzonderlijke mechanismen kunnen identificeren. En daarna kan je ze langzaam opbouwen tot een complexer model.

Ik ging kort door de bocht door het broeikas-effect te reduceren tot twee mechanismen. Maar dat kwam zo door de discussie op FB en de denkfout van de CO2-scepticus. De CO2-scepticus negeerde namelijk één van deze twee mechanismen. Daarnaast heb ik wel bijgeleerd door het punt dat de CO2-scepticus maakte.

Je schrijft “omdat het broeikaseffect de atmosfeer minder transparant maakt voor IR, moet het aardoppervlak wel opwarmen om de energie van het invallend zonlicht weer uit te kunnen stralen.” De discussie op FB ging erover hoé die opwarming precies plaatsvind. Nogmaals, voorzover ik de CO2-scepticus begrijp, ging hij alleen uit van opwarming door het doorgeven van vibratie-energie van aangeslagen broeikasgasmolekulen door niet-elastische botsing. En hij dacht dat CO2 daar geen rol in kon spelen en beschouwde daarom CO2 niet als broeikasgas. Vandaar uit ging hij hele theorieen bedenken over hoe de opwarming van de Aarde dan wel te verklaren is, dus zonder CO2. Zoals door de warmte die mensen produceren als oorzaak nemen. En op een concistente manier de rol van CO2 negerend, maar bijvoorbeeld H2O nam hij wel serieus als broeikasgas.

En toch blijft het vraagstuk interessant hoe groot het aandeel van het direct doorgeven van Vibratie-energie is aan de opwarming. En wat jij daarbij inbrengt dat in een koude atmosfeer de CO2 molekulen hun foton langer vasthouden dan in de huidige atmosfeer.

De laatse alinea die je schrijft is diep gedacht, maar ik weet niet of het in tegenspraak is met de thermodynamica. Er moet lijkt me wél een mechanisme voor energie overdracht voorhanden zijn, want als die er niet is…
Maar ik ga er verder mijn handen niet aan branden, ik ben geen fysicus.

LikeLike
Bob Brand | 4 januari 2018 om 18:19 |

Hallo Peter,

“En toch blijft het vraagstuk interessant hoe groot het aandeel van het direct doorgeven van Vibratie-energie is aan de opwarming.”

Hoe groot dat aandeel is, in Watt/m², is aangegeven in dit schema uit IPCC AR5:

Let wel dat dit mondiale gemiddelden zijn en ook gemiddeld over dag en nacht. Verder is een mogelijke verwarring n.a.v. dit schema:

— het idee dat de 342 W/m² alleen van de ‘greenhouse gases’ afkomstig zou zijn.

Dat is niet zo. Deze ‘downwelling longwave radiation’ wordt geproduceerd door het totaal van alle gassen in de dampkring. Echter, het is wel een GEVOLG van de absorptie van IR door de ‘greenhouse gases’ H2O, CO2, CH4 etc. die vervolgens deze energie delen met de overige gassen in de dampkring (door inelastische botsingen etc.)

LikeLike
Jos Hagelaars | 4 januari 2018 om 19:31 |

@Peter van Gaalen

– “Zoals door de warmte die mensen produceren als oorzaak nemen.”

Daar is natuurlijk naar gekeken:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2008GL036465/abstract
“Although AHF exceeds 100 Wm^-2 in urban centers and is treated in some urban- and meso-scale models, it is neglected in current global climate models (GCMs), likely because its global average is only 1% of greenhouse gas forcing.”

Om een idee te krijgen wat er gebeurt met de uitstraling van energie naar het heelal vanaf de aarde als gevolg van de aanwezigheid van broeikasgassen in de atmosfeer is het online Modtran model van David Archer erg inzichtelijk.
http://climatemodels.uchicago.edu/modtran/modtran.doc.html
Hieronder twee images die berekend zijn met dat model, de bovenste zonder broeikasgassen in de atmosfeer en de onderste met broeikasgassen (de standaard instelling: CO2=400, CH4=1.7, O3=28). De broeikasgassen nemen een grote hap uit de uitgestraalde energie. Hierdoor warmt de aarde op en gaat vervolgens meer energie uitstralen. De uitgestraalde energie is nl. evenredig met T⁴. Dit opwarmingsproces stopt als het systeem in evenwicht is.

LikeLike
Peter van Gaalen | 5 januari 2018 om 15:23 |

Waarom zou een stikstof molekuul in de atmosfeer translationele kinetische energie krijgen? Door botsingen met een broeikasgasmolekuul in vibrationele staat?

In het artikel van Pierrehumbert lees ik het volgende:
dat het momentum van atmosferische fotonen te klein is om een significant deel van hun energie direct over te laten gaan in translationele kinetische energie van de molekulen die hen absorberen. I.p.v daarvan gaat de energie zitten in de veranderde interne quantum staten.

Ik concludeer daar uit dat als de energie van een atmosferisch foton te klein is om een molekuul significante translationele kinetische energie te geven,
dat de energie van een molekuul in een vibrationele staat ook onvoldoende energie bezit om dat te doen, want die de vibrationele staat van een molekuul heeft dezelfde of minder energie dan het atmosferisch foton waardoor het molekuul in de vibrationele staat gebracht is. Dus of het nou direct of indirect gaat, de energie wordt niet opeens groter.

Het aardoppervlak bezit veel meer molekulen die in vibrationele staat gebracht kunnen worden dan de atmosfeer. Dus het lijkt me dat het aardoppervlak de atmosfeer opwarmt en niet andersom.
door de grote aantallen molekulen in vibrationele staat, kunnen ze veel beter aan molekulen translationele kinetische energie geven dan de atmosfeer dat doet.

LikeLike
Frans Galjee | 5 januari 2018 om 15:32 |

Beste mensen ofschoon ik natuurlijk al een tijdje niet meer actief ben op jullie site lees ik de artikelen en reacties nog vaak.
Wat mij opvalt is dat de basis voor AGW namelijk de absorptie van CO2 door de langgolvige EM straling van onze Aarde nog blijkbaar niet geheel bekend is hoe eea nu precies werkt. Als ik zie dat soms het verschil nog moet worden uitgelegd tussen langgolvige en kortgolvige straling dan denk ik er het mijne van. Misschien moeten jullie Peter Hiemstra eens vragen hoe het precies werkt.
Blijft wel jammer dat op grond van te weinig kennis er vele miljarden verkeerd worden besteed.
Vrg Frans Galjee

LikeLike
Bob Brand | 5 januari 2018 om 16:29 |

Hallo Peter,

“Waarom zou een stikstof molekuul in de atmosfeer translationele kinetische energie krijgen? Door botsingen met een broeikasgasmolekuul in vibrationele staat?”

Ja, door inelastische botsingen. Overigens neemt bijvoorbeeld een stikstof-molecuul dan niet alleen ‘translationele’ kinetische energie over maar er worden soms ook interne ‘modes’ (vibraties) van het N2 molecuul geactiveerd:

https://wchem.cup.uni-muenchen.de/wvib/n2.html

“Ik concludeer daar uit dat als de energie van een atmosferisch foton te klein is om een molekuul significante translationele kinetische energie te geven.”

Dat is onjuist. Wat Pierrehumbert bedoelt is dat de infrarode warmtestraling van het oppervlak te langgolvig is om DIRECT in ‘translationele kinetische energie’ omgezet te worden (dat is bijvoorbeeld wél zo voor kortgolvige Röntgen- en gammastraling). Wat Pierrehumbert bedoelt is:

IR —> absorptie in de ‘quantum states’ van CO2, H20 en CH4 –> inelastische botsingen met andere gassen —> omzetting in warmte

Dat is wat Pierrehumbert schrijft als je de *gehele* passage leest, hij besluit die paragraaf dan ook met:

Therefore, the energy of the photon will almost always be assimilated by collisions into the general energy pool of the matter and establish a new Maxwell–Boltzmann distribution at a slightly higher temperature. That is how radiation heats matter in the LTE limit.

Je dient de gehele context te lezen. Waar Pierrehumbert ook op wijst (dit is allemaal volstrekt standaard natuurkunde, het geldt voor álle gassen die ‘radiatively active’ zijn: standaard spectroscopie): het is twee-richting verkeer. De thermische botsingen tussen moleculen triggeren op hun beurt soms weer de interne ‘quantum-states’ van deze moleculen:

Molecular collisions repopulate the states and establish a new thermodynamic equilibrium at a slightly cooler temperature. That is how thermal emission of radiation cools matter in the LTE limit.

In dat geval wordt ook thermische energie —> straling, een twee-richting verkeer waarbij er uiteindelijk een evenwicht ontstaat tussen thermische energie en de absorptie/emissie door ‘radiatief actieve’ gassen zoals H2O, CO2 en CH4.

LikeLike
Lennart van der Linde | 5 januari 2018 om 16:59 |

Op Facebook beweert onze (pseudo?)scepticus nu:
“Dat Venus met zijn bijna pure CO2 atmosfeer bij een druk van 91 bar en dubbel zo dikke dampkring (15 km) wel meer warmte kan vasthouden, komt vrijwel geheel door het gegeven dat de tijd tussen twee botsingen van de gasmoleculen onder die omstandigheden van ongeveer gelijke grootte is als de levensduur van de aangeslagen (vibratie)toestand, waardoor de opgenomen straling vanuit het Venusoppervlak stralingsloos via inelastische botsingen kan worden overgedragen en omgezet in kinetische energie (oftewel warmte).” Overigens zonder nog ingegaan te zijn op alle tegenwerpingen die hier en daar al tegen zijn eerdere beweringen over CO2 gedaan zijn. Zijn denkfout of misrekening is blijkbaar nog niet duidelijk genoeg gemaakt.

LikeLike
Jos Hagelaars | 5 januari 2018 om 17:26 |

@Frans Galjee
Misschien word je wat wijzer als je dat artikel van Pierrehumbert een keertje doorleest:

Klik om toegang te krijgen tot PhysTodayRT2011.pdf

Ontkenners van het broeikaseffect worden ook in de meer ‘klimaatsceptische’ kringen totaal niet serieus genomen. Zie bijv. de “Top 10 list of stupid skeptic arguments” van Roy Spencer, die zoals bekend, nogal ‘sceptisch’ staat t.o.v. de mainstream science.
http://www.drroyspencer.com/2014/04/skeptical-arguments-that-dont-hold-water/

@Lennart van der Linde
Dat laatste geldt ook voor dat Facebook-genie, die het blijkbaar beter meent te weten dan experts van de radiative transfer theory zoals Pierrehumbert. Hij moet zijn verhaaltjes maar een keer publiceren, de Nobelprijs zal hem niet meer ontgaan.

LikeLike
Bob Brand | 5 januari 2018 om 18:46 |

Beste Frans Galjee,

“Wat mij opvalt is dat de basis voor AGW namelijk de absorptie van CO2 door de langgolvige EM straling van onze Aarde nog blijkbaar niet geheel bekend is hoe eea nu precies werkt”

Pardon? Het staat hierboven keurig uitgelegd, zie bijvoorbeeld:

https://klimaatverandering.wordpress.com/2015/04/25/kip-en-ei-bij-co2-en-de-temperatuur/#comment-22985

En lees het artikel van prof. Pierrehumbert:

Klik om toegang te krijgen tot PhysTodayRT2011.pdf

LikeLike
Peter van Gaalen | 5 januari 2018 om 18:48 |

Bob, jammer dat je op één of ander manier vooringenomen over mij bent. ik ben geen klimaatscepticus, ik probeer slechts dingen te begrijpen. Daarom reageer ik niet op mails die aanvallend of betuttelend zijn.

Één vraag aan jou. En ga mij niet aanvallen over het stellen van een vraag. Ik vraag slechts simpel hoe je erover denkt: verwarmt de atmosfeer het aardoppervlak, of verwarmt het aardoppervlak de atmosfeer, of zit het nog anders in elkaar?

LikeLike
Lennart van der Linde | 5 januari 2018 om 18:50 |

Jos, ik had hem idd ook al zo’n Nobelprijs in het vooruitzicht gesteld, maar daar loopt hij geloof ik nog niet zo voor warm. Inmiddels schrijft hij zojuist wel:
“Duidelijk is intussen wel geworden dat het belangrijkste verschil zit in de levensduur van de aangeslagen toestand. De “formule” die Zijlstra/Rabett gebruiken, ken ik niet. Wat in elk geval totaal NIET klopt zijn een hoop andere getallen, zoals dat na 1 meter een foton een CO2 molecuul treft (gemiddeld). Dat is bij 1 bar en 400 ook CO2 al het geval op een veel kortere afstand: 15 micrometer. Oftewel: over de lengte van 1 meter worden zo’n 4900 CO2 moleculen geraakt. Dus dat is best heel vaak. Resteert de lengte van de levensduur. Als die inderdaad zoveel langer is (wat ik betwijfel) dan de tijd tussen een botsing van CO2 met N2 of O2 (lucht), dan is het mechanisme van overdracht hiermee opgelost.”

Waarop ik schreef:
“Ok, dat vind ik iig positief, dat je rekening houdt met de mogelijkheid dat het misschien toch anders zit dan je eerst dacht. Wat zou helpen is als je aangeeft op welke bronnen of berekeningen je je baseert, dan kunnen anderen misschien zien in hoeverre die kloppen of in tegenspraak zijn met andere bronnen/berekeningen.”

Kijken hoe hij daar op reageert.

LikeLike
Bob Brand | 5 januari 2018 om 19:08 |

Beste Peter van Gaalen,

Je begrijpt kennelijk niet helemaal wat Pierrehumbert in zijn artikel schrijft. Ik vermoed dat het komt doordat je vastzit in een mentaal model over ‘IR-fotonen’. Wellicht is het goed om dat mentale model eerst ’s los te laten en de gehele publicatie van Pierrehumbert te doorgronden.

“Ik vraag slechts simpel hoe je erover denkt: verwarmt de atmosfeer het aardoppervlak, of verwarmt het aardoppervlak de atmosfeer, of zit het nog anders in elkaar?

Allebei.

Het aardoppervlak (de bodem) straalt langgolvige warmtestraling (IR) uit, daarnaast wordt er ook warmte van aardoppervlak naar atmosfeer overgedragen door geleiding (conductie) en door verdamping van water (dat daarna hoger in de atmosfeer condenseert en de latente warmte weer afgeeft aan de atmosfeer).

Het omgekeerde gebeurt ook: ‘backradiation’ ofwel ‘downwelling longwave radiation’ vanuit atmosfeer –> aardoppervlak.

Dus: het aardoppervlak verwarmt de atmosfeer EN vice versa. De energiestromen staan hier aangegeven:

Van belang is de relatieve grootte van de energiestromen: de _netto_ stralingsbalans aan de top van de atmosfeer.

LikeLike
Lennart van der Linde | 5 januari 2018 om 19:25 |

In reactie op mijn vraag naar zijn bronnen/berekeningen zegt de scepticus (zo wil ik hem dan nu wel noemen):
“Dat laatste heb ik al tig keer gedaan. Maar voor jouw plezier zal ik je wat meer vertellen.
Gegevens qua getallen haal ik voornamelijk uit het Habdbook of Chemistry and Physics.
De gebruikte for.ules uit diverse studieboeken op het gebied van Physical Chemistry, Reaction Engineering, Quantummechanics, Atoms & Molcules (ook een boek op het gebied van quantummechanica), [Engelstalig], diverse boeken op het gebied van thermodynamica en statistiek, wiskunde. Wil je nog meer achtergronden?
Ik ben een yniversitair afgestudeerd fysisch chemicus, heb jarenlang op alle niveaus in bovengenoemde vakken lesgegeven bij de ingenieursopleiding Chemische Technologie in al deze genoemde vakken op alle niveaus en heb recentelijk ook meegewerkt en geschreven aan diverse artikelen op het gebied van waterzuivering en fluid bed ontharding via Waternet (Amsterdam).
Kortom: ik ben wel wat gewend aan het narekenen van modellen en berekeningen en geloof niet iemand direct op zijn woord.
En …. ik weet echt wel waarover ik het heb.”

Mijn reactie:
“Ja, prima, dat je het uit die boeken haalt, maar daarmee kunnen anderen het nog niet meteen checken of je goed gerekend hebt, of de juiste formule gebruikt etc. Het is toch minstens opmerkelijk dat jij obv die boeken (in eerste instantie) tot heel andere conclusies komt dan de experts op dit gebied? Of vind je dat zelf niet opmerkelijk? Of beschouw je jezelf als docent even deskundig als de mensen die zelf op dit gebied onderzoek doen? In dat geval zou je toch je bevindingen ter toetsing aan hen voor moeten leggen? Of vind je dat niet nodig?”

LikeLike
Bob Brand | 5 januari 2018 om 19:29 |

Hoi Lennart,

Je FB-gesprekspartner zegt: “De “formule” die Zijlstra/Rabett gebruiken, ken ik niet.”

Dat is echter standaard quantummechanica, de Einstein-parameter A21. Het staat bijvoorbeeld in dit college-dictaat/problem-set op de eerste pagina:

Klik om toegang te krijgen tot twolevelatoms.pdf

Het was in 1917 de basis waarop Einstein o.a. voorspelde dat ‘lasers’ (Stimulated Emission of Radiation) mogelijk zijn. Het is standaard fysica die letterlijk 101 jaar bekend is en overal toegepast wordt:

https://en.wikipedia.org/wiki/Einstein_coefficients

LikeLike
Hans Custers | 5 januari 2018 om 20:14 |

@Lennart,

De FB-er zegt:

“Wat in elk geval totaal NIET klopt zijn een hoop andere getallen, zoals dat na 1 meter een foton een CO2 molecuul treft (gemiddeld). Dat is bij 1 bar en 400 ook CO2 al het geval op een veel kortere afstand: 15 micrometer. Oftewel: over de lengte van 1 meter worden zo’n 4900 CO2 moleculen geraakt. Dus dat is best heel vaak.”

Allereerst citeert hij Bob daarmee onjuist, volgens mij. De 1 meter die Bob noemde is niet de afstand tot het eerste CO₂-molecuul, maar de afstand tot het eerste CO₂-molecuul dat het foton “vangt”. Dat is iets heel anders. Minstens zo belangrijk: hij schiet met deze opmerking een gigantisch gat in zijn eigen redenering. Als CO₂-moleculen maar voor een heel klein deel van de tijd zo’n foton vasthouden, dan is het overgrote deel van de CO₂-moleculen dus op elk moment in staat om een foton op te nemen. En dus komt elk foton niet verder dan het eerste, of hooguit tweede of derde CO₂-molecuul dat het tegenkomt. De atmosfeer is dan dus helemaal niet transparant voor IR: geen foton krijgt het voor elkaar om te ontsnappen. De hele boel moet dan dus wel opwarmen.

@Peter

Ik ga nog even hier op in:

“Het aardoppervlak bezit veel meer molekulen die in vibrationele staat gebracht kunnen worden dan de atmosfeer. Dus het lijkt me dat het aardoppervlak de atmosfeer opwarmt en niet andersom.
door de grote aantallen molekulen in vibrationele staat, kunnen ze veel beter aan molekulen translationele kinetische energie geven dan de atmosfeer dat doet. ”

Je hebt het hier over de warmtecapaciteit. Die is wel degelijk van belang, maar dan vooral voor de snelheid waarmee het klimaat en bepaalde onderdelen van het klimaat kunnen veranderen bij een verandering in de stralingsbalans van het klimaat. Maar voor de energiestromen in een klimaat dat (min of meer) in evenwicht is maakt die warmtecapaciteit niet veel uit.

Daar zit hem dan meteen al weer een bron van allerlei mogelijke spraakverwarringen en misverstanden. Als je het broeikaseffect op hoofdlijnen bekijkt doe je dat op basis van een klimaatsysteem dat in evenwicht is. En dan kan een woord als “verwarmen” als misverstanden opleveren. Eigenlijk is er dan namelijk geen sprake van verwarmen, omdat er geen energie meer accumuleert in het systeem.

Ik heb het idee dat dat soort misverstanden meespeelt in deze discussie. Maar het lukt me niet helemaal om daar mijn vinger op te leggen. Ik blijf er over nadenken.

LikeLike
Lennart van der Linde | 5 januari 2018 om 21:46 |

Bob, Hans, dank voor jullie reacties. Ik heb ze aan hem voorgelegd met de vraag te reageren. Over de Einstein-coefficienten zag ik in het Wikipedia-stukje van Bob dit:
“Hilborn has compared various formulations for derivations for the Einstein coefficients, by various authors. For example, Herzberg works with irradiance and wavenumber. Yariv works with energy per unit volume per unit frequency interval; also;[clarify] this is how the present account is formulated. Mihalas & Weibel-Mihalas work with radiance and frequency; also Chandrasekhar; also Goody & Yung; Loudon uses angular frequency and radiance.”

Kan dat betekenen dat er ook andere mogelijke formules zijn dan die Eli Rabett gebruikte? Of maakt dat voor de uitkomst sowieso niks uit?

LikeLike
Bob Brand | 5 januari 2018 om 23:11 |

Hi Lennart,

Dat maakt voor de uitkomst niet uit. Het zijn alleen verschillende manieren om dezelfde coëfficiënten af te leiden, soms in termen van absorptie of van ‘cross sections’.

Experimenteel en observationeel is dit al duizendvoudig (miljoenenvoudig?) getoetst o.a. doordat de breedte van een spectraallijn (van alle spectraallijnen) omgekeerd evenredig is aan de waarde van A21.

Een standaard studieboek over dit onderwerp is van Goody & Yung (1989), waarvan de eerste editie in 1964 is verschenen. Misschien kan je FB-gesprekspartner dat eens gaan raadplegen:

LikeLike
Lennart van der Linde | 6 januari 2018 om 00:37 |

Hi Bob, dank voor de verwijzing naar het boek van Goody & Yung. Ik kwam zelf dit stuk van Hodgson tegen, uit 1965-1966, waar het ook al aardig op een rij lijkt te staan, voor zover ik met mijn beperkte inzicht hierin op dit moment kan beoordelen:

Klik om toegang te krijgen tot 0981.pdf

Opvallend zinnetje aan het eind van het gastblog van DeWitt Payne vond ik:
https://noconsensus.wordpress.com/2010/08/17/molecular-radiation-and-collisional-lifetime/
“It’s distinctly possible I’ve made multiple errors here, but if I did, they appear to cancel out.”

Heel recht-toe-recht-aan is het schijnbaar allemaal niet, en foutjes lijken relatief makkelijk gemaakt.

LikeLike
Lennart van der Linde | 6 januari 2018 om 01:11 |

Hier nog een stukje van WUWT, van ene Tom Vonk:
https://wattsupwiththat.com/2010/08/05/co2-heats-the-atmosphere-a-counter-view/

Hij zegt:
‘In the case that somebody asks why there is no peer reviewed paper about this issue , it is because everything what follows is textbook material . We will use results from statistical thermodynamics and quantum mechanics that have been known for some 100 years or more… the statement that we will prove is: “A volume of gas in Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) cannot be heated by CO2.”…

Caveat 1: The statement we proved cannot be interpreted as “CO2 has no impact on the dynamics of the Earth-atmosphere system”. What we have proven is that the CO2 cannot heat the atmosphere in the bulk but the whole system cannot be reduced to the bulk of the atmosphere. Indeed there are 2 interfaces – the void on one side and the surface of the Earth on the other side . Neither the former nor the latter is in LTE and the arguments we used are not valid . The dynamics of the system are governed by the lapse rate which is “anchored” to the ground and whose variations are dependent not only on convection , latent heat changes and conduction but also radiative transfer . The concentrations of CO2 (and H2O) play a role in this dynamics but it is not the purpose of this post to examine these much more complex and not well understood aspects .

Caveat 2: You will sometimes read or hear that “the CO2 has not the time to emit IR because the relaxation time is much longer than the mean time between collisions .” We know now that this conclusion is clearly wrong but looks like common sense if one accepts the premises which are true . Where is the problem ? Well as the collisions are dominating , the CO2 will indeed often relax by a collision process . But with the same token it will also often excite by a collision process . And both processes will happen with an equal rate in LTE as we have seen . As for the emission , we are talking typically about 10ⁿ molecules with n of the order of 20 . Even if the average emission time is longer than the time between collisions , there is still a huge number of excited molecules who had not the opportunity to relax collisionally and who will emit . Not surprisingly this is also what experience shows.’

In hoeverre is dit onzin, of staat er ook iets zinnigs in? Ook na al het voorgaande lukt het mij nog niet die zomaar uit elkaar te halen.

LikeLike
Lennart van der Linde | 6 januari 2018 om 01:34 |

Ok, nog een vraagje over de levensduur van elektronische staten nav Wright et al 2017:
https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.95.023412
“We present a study of the ultrafast dissociation dynamics of the lowest-lying electronic excited states in CO2 by using ultraviolet (UV) and extreme-ultraviolet (XUV) pulses from high-order harmonic generation. We observe two primary dissociation channels: a direct dissociation channel along the 1Πg electronically excited manifold, and a second channel which results from the mixing of electronic states. The direct dissociation channel is found to have a lifetime which is shorter than our experimental resolution, whereas the second channel has a significantly longer lifetime of nearly 200 fs. In this long-lived channel we observe a beating of the vibrational populations with a period of ∼133 fs.”

En van Eland et al 2014:

Klik om toegang te krijgen tot FULLTEXT01.pdf

“The essential factor in formation of O2+ by ionization of CO2 is shown to be bending towards the requisite molecular configuration in the core-excited state. The lifetimes of a few fs (∼6 fs for CK−1 and 3.5 fs for OK−1) are short relative to a full period of the bending vibration, which is 50 fs in the neutral molecule, so initialization rather than completion of bending can be envisaged. Since lifetimes are very similar in the excited state and in the core-ionized state where O2+ is not produced, the π* orbital’s bonding character must play a decisive role.”

Hebben ze het hier over dezelfde levensduur in femtoseconden als waar het eerder hierboven (schijnbaar ten onrechte) over ging? Of is dit weer iets anders?

LikeLike
Bob Brand | 6 januari 2018 om 01:51 |

Hallo Lennart,

Het is onzin. “A volume of gas in Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) cannot be heated by CO2” is evident onwaar omdat experimenteel blijkt dat CO2 infrarood absorbeert:

Dat was uiteraard al bekend sinds de experimenten van John Tyndall in 1861 en is daarna miljoenenvoudig bevestigt door alle IR-spectroscopie. Aangezien deze stralingsenergie niet in het niets kan verdwijnen (Wet van Behoud van Energie) blijft die energie ergens: in de warmte-inhoud van het gas.

“… the lapse rate which is “anchored” to the ground”

Daar vindt het bedrog plaats. De lapse rate is niet verankerd aan de grond, maar aan de gemiddelde hoogte waarvandaan de emissie van langgolvige warmtestraling naar het heelal plaatsvindt.

Je dient het systeem van buitenaf te beschouwen. Als de dampkring van buitenaf bekeken minder doorzichtig wordt voor infrarood (door extra CO2, CH4 of H2O), dan verschuift de effective emission height omhoog. De lapse rate schrijft voor dat elke kilometer lager de temperatuur met ca. 6 graden toeneemt (het blauwe lijntje). Doordat de effective emission height omhoog schuift…. raakt de blauwe lijn de grond bij een hogere temperatuur:

Anders gezegd: het is de lapse rate die deze opwarming ‘communiceert’ naar het oppervlak. Bart had dat hierboven al uitgelegd en zo ook prof. Pierehumbert in de video die Bart heeft aangehaald.

LikeLike
Lennart van der Linde | 6 januari 2018 om 02:18 |

Dit is denk ik ook nog wel een nuttig overzichtje van Richard Schwartz uit 2011:

Klik om toegang te krijgen tot i1052-5173-22-1-44.pdf

‘When a greenhouse molecule absorbs an infrared photon, the molecule rotates or vibrates faster and is said to be in an “excited” state. At low gas densities, an excited greenhouse gas molecule will spontaneously (by the rules of quantum mechanics) reradiate an infrared photon, which may escape the atmosphere into space and produce no net warming. At the higher densities of Earth’s atmosphere, the excited molecule will bump into (collide with) another molecule (any molecule in the atmosphere). In the collision, the energized greenhouse gas molecule loses its rotational energy, which is transferred to the kinetic energy of the molecule it collides with (this is called collisional de-excitation). The increased kinetic energies of the colliding molecules means that the molecules are moving faster than they were prior to the collision, and the increased velocities of such molecules represents a direct measure of increased atmospheric temperature. “Greenhouse gas” warming occurs because the collisional de-excitation time for greenhouse molecules in Earth’s lower atmosphere is much shorter than the radiation lifetime of excited molecular states.’

Dus: ‘the collisional de-excitation time for greenhouse molecules in Earth’s lower atmosphere is much shorter than the radiation lifetime of excited molecular states.’ Maar hoe lang/kort die tijden precies zijn, en hoe berekend, dat wordt hier niet genoemd.

LikeLike
Hans Custers | 6 januari 2018 om 02:29 |

Lennart,

Als iets in thermodynamisch evenwicht is warmt het niet op. Per definitie. Als je dan extra CO2 toevoegt verstoor je het thermodynamisch evenwicht en gaat dat verhaal dus niet meer op. Volgens mij is voor dit type argumenten ooit de omschrijving “not even wrong “ bedacht.

Nog deze toevoeging: lokaal thermodynamisch evenwicht betekent (meen ik) dat een systeem bij benadering in evenwicht is. Dat geldt wel voor het klimaatsysteem: het tempo van opwarming is op korte termijn (dagen. maanden) verwaarloosbaar. Maar op lange termijn is dat niet zo en dan werkt die benadering dus ook niet meer.

LikeLike
Hans Custers | 6 januari 2018 om 02:39 |

Volgens mij speelt hier weer het misverstand rond het woord verwarmen. Een pakketje lucht met CO2 is in thermodynamisch evenwicht warmer dan een vergelijkbaar pakketje zonder. Dus zo bezien wordt de lucht verwarmd door CO2. Maar de temperatuur neemt in de evenwichtstoestand niet toe, dus van verwarmen in die betekenis is geen sprake. De twee betekenissen lopen in pseudosceptische verhalen nogal eens door elkaar.

LikeLike
Bob Brand | 6 januari 2018 om 02:56 |

Hi Lennart,

Het stukje uit Eland et al. 2014 lijkt me volslagen irrelevant: “The essential factor in formation of O2+ by ionization of CO2 …” Het broeikaseffect heeft niets te maken met ‘ionisatie’ van CO2: er worden door infrarood-absorptie immers geen ionen gevormd. De ‘bending mode’ waar Eland over schrijft betreft overigens O2, niet CO2.

Idem voor Wright 2017, dat gaat niet over infrarood maar over: “… ultraviolet (UV) and extreme-ultraviolet (XUV) pulses from high-order harmonic generation.” Het is een ander onderwerp.

Het stukje van Richard Schwartz uit 2011 lijkt me helemaal correct.

Wat in dat fragment echter niet genoemd is, is dat het tegenovergestelde proces ook plaatsvindt: er wordt soms ook thermische (kinetische) energie van de gas-moleculen omgezet naar ‘excitation’ van de ‘greenhouse molecules’.

Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) wil zeggen dat die twee energie-reservoirs (thermisch/kinetisch versus straling) in evenwicht verkeren, d.w.z. een stabiele verhouding kennen. Men zegt dan wel dat de ‘Maxwellian temperature’ en de ‘Planckean temperature’ hetzelfde zijn. Op heel lange tijdschalen is niets ooit perfect in evenwicht… maar op korte tijdschalen wel bij goede benadering.

Welterusten 😊

LikeLike
Lennart van der Linde | 6 januari 2018 om 08:34 |

Goedemorgen, Bob en Hans, dank voor jullie behulpzame toelichtingen. Weer veel geleerd de afgelopen dag 🙂

LikeLike
Pieter Zijlstra | 6 januari 2018 om 09:50 |

Dat leren geldt ook voor mij. Bedankt Lennart voor de vraag.
Bob en Hans en Jos en Bart gewoon doorgaan a.u.b.

LTE is een door mensen bedacht concept. Ik ga het beter snappen!

En dan de stelligheid waarmee een bewering wordt gedaan. Waaarom gaan daardoor juist bij mij de haren overeind staan.
Waarom het probleem niet in vragende vorm aankaarten?

Ik vind dit een nuttige en noodzakelijke excersitie maar baal ervan dat het begint met een valse noot, een onjuiste interpretatie. En dat deze je wordt opgedrongen.

LikeLike
Bob Brand | 6 januari 2018 om 14:04 |

Hi Pieter,

Wat misschien nog het meeste verwarring creëert aan de voorstelling van jullie FB-respondent, is alsof het specifiek de langgolvige wamtestraling (IR) van het oppervlak zou zijn die op een-of-andere manier ‘weerkaatst’ of ‘ge-reëmitteerd’ dan wel ge-thermaliseerd zou worden: een één-richtings proces.

De werkelijkheid is dat de dampkring een temperatuur heeft. En dat zorgt ervoor dat er tegelijkertijd twee processen plaatsvinden:

I) kinetische energie —> inelastische botsingen —> aangeslagen quantumtoestanden (‘excitation’) van de broeikasgasmoleculen CO2, H2O etc. —> straling (IR)

II) straling (IR) —> absorptie in aangeslagen quantumtoestanden van de broeikasgasmoleculen CO2, H2O etc. —> inelastische botsingen –> kinetische energie.

In een gas met een constante temperatuur houden proces I en II elkaar in evenwicht. Mocht er plotseling extra IR toegevoerd worden, dan gaat proces II iets harder werken totdat het ‘LTE’, het evenwicht weer hersteld is bij een hogere temperatuur.

Het is dus niet zozeer het oppervlak dat deze IR produceert. Het is een ‘heat bath‘ in de atmosfeer waarin voortdurend IR-fotonen een kort afstandje rondvliegen vanwege de processen I en II. Op zeeniveau komt 50% van deze IR-fotonen ongeveer 1 meter ver vóór weer geabsorbeerd te worden — op zeeniveau is de dampkring daardoor bijna helemaal ondoorzichtig voor dit IR. Wat wel waar is, is dat er voortdurend warmte wordt toegevoerd vanaf het door de zon opgewarmde oppervlak.

Echter, hoger in de dampkring op de Effective Radiation Height, slaagt wél 50% van die langgolvige warmtestraling er in naar het heelal te ontsnappen. En als die Effective Radiation Height omhoog schuift (minder doorzichtig voor IR door extra broeikasgassen)… wordt het aan het oppervlak warmer.

LikeLike