Eerder en in iets andere vorm verschenen op NU.nl in de serie “Klimaatvragen”
Als de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer stijgt, gaat de temperatuur omhoog. Maar hoe komt dat eigenlijk? En waarom hebben sommige gassen wel deze werking, en andere niet?
Broeikasgassen zijn gassen die warmtestraling opnemen. Die warmte wordt vervolgens weer teruggestraald naar de omgeving. Oók terug naar de aarde, die daardoor een hogere temperatuur krijgt. Dit noemen we het broeikaseffect. Als de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer toeneemt, dan stijgt de temperatuur.
Maar wat maakt een gas dan een broeikasgas?
Verreweg het grootste deel van de lucht, stikstof en zuurstof, is niet alleen doorzichtig voor zichtbaar licht (blauw, geel en rood), maar ook voor warmtestraling (infrarood). Die straling gaat er dus net als zichtbaar licht dwars doorheen. Een aantal andere gassen laat warmtestraling niet zomaar door. Dat zijn broeikasgassen: gassen die een deel van de warmtestraling absorberen. Hoewel hun concentratie in de lucht relatief laag is, is hun effect op de temperatuur groot.
Maar waarom dan? Dat heeft te maken met de vorm van de moleculen waar het gas uit bestaat. En dat is nog best complex: een molecuul kan warmtestraling absorberen als het kan meetrillen met dezelfde golflengte als de warmtestraling. Dat kun je vergelijken met een stemvork die meetrilt met een bepaalde toonhoogte. Het trillende molecuul neemt de warmtestraling in zich op, waardoor de lucht er omheen ook opwarmt. De extra warmte wordt vervolgens in alle richtingen uitgestraald, dus ook terug naar de aarde.
Om warmtestraling te kunnen opnemen, moeten gasmoleculen een beetje kunnen trillen, waarbij de verdeling van elektrische lading binnen het molecuul een beetje verandert. Dat kan alleen als een gasmolecuul uit drie of meer atomen bestaat. Bron: DynamicScience.com.
Een voorwaarde om warmtestraling te kunnen absorberen is dat een molecuul asymmetrisch kan trillen. Simpele, rechte moleculen die uit slechts twee atomen bestaan, zoals zuurstof (O2) en stikstof (N2) kunnen dat niet, en zijn dus geen broeikasgassen. Broeikasgassen bestaan uit drie of meer atomen: bijvoorbeeld CO2 of methaan (CH4). Ook waterdamp (H2O) is een belangrijk broeikasgas.
Wat gebeurt er als de concentratie aan broeikasgassen toeneemt?
De aarde ontvangt energie van de zon, vooral in de vorm van zichtbaar licht. Terwijl de aarde zelf juist vooral in het infrarood (dus warmtestraling) weer energie naar de ruimte uitstraalt. Zonder broeikasgassen zou alle warmtestraling vanuit de aarde direct naar de ruimte uitgestraald worden. Een deel van die infrarode straling wordt echter door broeikasgassen tegengehouden. Een toename van broeikasgassen zorgt zo voor een stijging van de temperatuur: de broeikasgassen fungeren als een soort deken om de aarde heen. Hoe meer broeikasgassen, hoe dikker de deken, hoe hoger de temperatuur aan het aardoppervlak.
Op aarde stelt zich een evenwicht in tussen de inkomende zonnestraling enerzijds, en het gereflecteerde deel daarvan (op aarde is dit ongeveer 30%) plus de door de aarde uitgezonden infraroodstraling anderzijds. Een verandering in één van deze drie factoren leidt logischerwijze tot een temperatuursverandering, omdat dan niet langer dezelfde hoeveelheid energie binnenkomt als weggaat. Bron: WeerOnline
Natuurlijk is de werkelijkheid complexer dan hier even in een paar alinea’s wordt uitgelegd. Zo zal bij een toename van broeikasgassen de warmtestraling vanaf een grotere hoogte (waar de lucht ijler is) nog steeds kunnen ontsnappen naar de ruimte toe. Maar in de atmosfeer geldt: hoe hoger, hoe kouder. Op de top van een berg is het meestal kouder dan in het dal. De energie-inhoud van de warmtestraling is lager, naarmate deze van grotere hoogte (waar het kouder is) wordt uitgestraald. Dat is een direct gevolg van de wet van Stefan-Boltzmann, die stipuleert dat de energie-inhoud van straling heel sterk afhangt van de temperatuur: E=σT4. Het gevolg van de afnemende hoeveelheid uitgaande energie is echter dat de inkomende en uitgaande energie niet langer in evenwicht zijn. De aarde zal dus opwarmen totdat via dezelfde Stefan-Boltzmann relatie de uitgaande hoeveelheid energie weer gelijk is aan de inkomende hoeveelheid. Op dat moment is er een nieuw evenwicht, maar dan met een hogere temperatuur. In deze korte video wordt dit haarfijn uitgelegd.
Momenteel neemt het aandeel broeikasgassen in de atmosfeer toe. Dit komt grotendeels door de verbranding van fossiele brandstoffen en is de belangrijkste reden dat de gemiddelde temperatuur op aarde aan het stijgen is. De opwarming die de uitstoot van deze broeikasgassen veroorzaakt wordt vervolgens versterkt door een natuurlijke reactie: door het stijgen van de temperatuur neemt verdamping toe, en komt er dus ook meer waterdamp in de atmosfeer. En dat is ook een broeikasgas. Dergelijke terugkoppelingen zijn een belangrijk onderdeel van het aardse klimaatsysteem.
Deze grafiek laat de toename van de CO2-concentratie in de atmosfeer zien sinds het jaar 1700. De stijging is hoofdzakelijk het gevolg van de verbranding van fossiele brandstoffen, zoals olie, kolen en gas. Aanvankelijk verliep de stijging langzaam en sinds halverwege de 20ste eeuw is deze sterk versneld. Die versnelling zet momenteel nog steeds door. Bron: Scripps Instituut.
Hoe weten we dit eigenlijk?
Hiervoor moeten we even de geschiedenis induiken. De Franse natuurkundige Joseph Fourier ontdekte al in 1824 het broeikaseffect. Hij noemde infraroodstraling “donkere warmte”. Om de milde temperatuur op aarde te verklaren (zonder het broeikaseffect zou het gemiddeld 18 graden onder nul zijn!) moet de atmosfeer een deel van deze ‘donkere warmte’ tegenhouden, zo beargumenteerde hij. Een aantal decennia later werd door laboratoriumproeven aangetoond dat gassen zoals CO2, waterdamp, en methaan inderdaad infraroodstraling absorberen. Dit was het werk van de Ierse natuurkundige John Tyndall en – een paar jaar eerder – de veel minder bekende Eunice Foote. Zij kwam al in 1856 met metingen van de warmte-absorptie van verschillende broeikasgassen.
Maar de cruciale vraag is natuurlijk wat het effect van extra broeikasgassen op de aardse temperatuur is. De Zweedse natuurkundige Svante Arrhenius was de eerste die dit effect berekende, al in 1896. Aangezien hij nog niet de beschikking had over computers kan dit met recht als monnikenwerk worden beschouwd. Zijn berekeningen liggen ruwweg in hetzelfde bereik als onze huidige kennis hierover, al is de mate van zekerheid en ons begrip van het klimaatsysteem sindsdien natuurlijk nog enorm toegenomen.
Zo kunnen we tegenwoordig meten dat de atmosfeer minder warmtestraling doorlaat naar de ruimte toe: het toegenomen broeikaseffect is een geobserveerd feit! Dit feature article van Ray Pierrehumbert geeft een goede samenvatting van het broeikaseffect voor mensen die er iets dieper in willen duiken.
Uit het aardse verleden weten we ook dat veranderingen in de CO2-concentratie vaak een sleutelrol vervulden bij grote klimaatveranderingen. Dat verleden komt aan de orde in deel 3 van een nieuwe serie op NU.nl waarin Nederlandse klimaatonderzoekers persoonlijk antwoord geven op klimaatvragen.
Deel 1: Hoeveel warmer wordt het nou eigenlijk? Geert Jan van Oldenborgh (KNMI)
Deel 2: Hoe komt het dat de temperatuur stijgt door broeikasgassen? (waar deze post op is gebaseerd) Bart Verheggen (AUC)
Klimaatverandering 
Het is uiteraard waar dat CO2 veel beter is in het absorberen van infrarood dan stikstof of zuurstof. Maar het idee van het broeikaseffect is gebaseerd op de aanname dat zonne-energie makkelijker door de atmosfeer het oppervlakte bereikt dan dat de door de Aarde uitgestraalde warmtestraling. Dat is zo ongeveer het gangbare beeld hoe je zo’n broeikaseffect moet voorstellen. Maar daar valt vrij veel op af te dingen. Van de zonne-energie die op de top van atmosfeer beschikbaar is weet slechts zo’n 49% het oppervlak te bereiken. De rest wordt verstrooid, gereflecteerd of geabsorbeerd. Zo transparant is de atmosfeer helemaal niet voor invallende zonne-energie. Verder geldt dat zo genoemde broeikasgassen zoals CO2 niet alleen massa’s absorptie hebben in het LWR gebied waar de Aarde uitstraalt maar ook massa’s absorptie plaats vindt in het infrarode deel van het SWR gebied waar de zon instraalt. Het een valt voor een (groot) deel weg tegen het ander. Het is dan ook maar de vraag of het broeikaseffect eigenlijk wel bestaat en als het bestaat alleen het netto-effect bestaat tussen absorptie in het SWR-gebied en het LWR-gebied. Zo zeker als de zaken worden voorgesteld zijn ze allerminst. Is the science wel settled als wordt voorgesteld? Dat roept ook vragen op in hoeverre een toename van CO2 de toename van de temperatuur kan verklaren. Als ik bij voorbaat de temperatuurstijging toeschrijf aan het gestegen CO2-gehalte lijkt het opmerkelijk goed te gaan. Maar moet je dat nu net juist bewijzen dat gestegen CO2 (gedeeltelijk) de opwarming van de aarde kan verklaren?
LikeLike
Beste Raymond,
Als ik me niet vergis hebben we dit inmiddels al minstens een keer of zes uitgelegd, maar je wil het persé niet snappen. Nee, de atmosfeer is niet *geheel* transparant voor het binnenkomende kortgolvige zonlicht, maar wel *grotendeels*. Dat is waarom je met het blote oog de sterren en de maan kan zien, en trouwens ook de zon.
Stel het hypothetische geval dat je over ‘infrarood-ogen’ zou beschikken. Ogen die precies in dát gedeelte van het infrarood kunnen kijken waar de (veel koudere) Aarde maximaal straalt naar het universum (8 tot 15 μm golflengte, in tegenstelling tot echte ogen die zien van 0,4 tot 0,8 μm). Wat dan? In dat geval zou je niet verder dan ca. 25 á 75 meter om je heen kunnen kijken, want de atmosfeer absorbeert dan als een dolle. Je zou de sterren niet kunnen zien.
Dat wordt anders indien je op 4 á 5 km hoogte bent, dan zal ca. 50% van dit infrarood het heelal kunnen bereiken en vice versa. Dit komt door de lagere druk en temperatuur op die hoogte.
Onderstaand grafiekje geeft aan:
— de atmosfeer laat 70% á 75% van het binnenkomende (kortgolvige) zonlicht gewoon door;
— de atmosfeer laat slechts 15 á 30% van het uitgaande (langgolvige) infrarood weer door terug naar het heelal.
Als je op het grafiekje klikt voor een grotere weergave, dan zie je dat (extra) CO2, waterdamp en methaan dit langgolvige infrarood verder ‘afknijpen’. Ook zie je dat (extra) CO2, waterdamp en methaan bijna geen effect hebben binnen die ‘visible’ band van de binnenkomende ‘downgoing solar radiaton.’
Dit krasse verschil tussen 70% á 75 van het binnenkomende zonlicht dat doorgelaten wordt vs. slechts 15% á 30% van de uitgaande langgolvige warmtestraling… is het broeikaseffect.
LikeLike
wat is het aandeel van broeigassen door menselijk handelen ten opzichte van wat de natuur produceert?
LikeLike
100% van de atmosferische toename, Herman. De natuur neemt netto op.
LikeLike
@Herman van Nouhuys
Zie hieronder tabel 6.1 uit het IPCC AR5-rapport AR5 voor een overzicht (klik voor een grotere versie). Een meer gedetailleerd overzicht kun je vinden in figuur figuur 6.1 uit dat rapport.
Over de toename van CO2 in de atmosfeer schijft het IPCC in het AR5-rapport het volgende:
“With a very high level of confidence, the increase in CO2 emissions from fossil fuel burning and those arising from land use change are the dominant cause of the observed increase in atmospheric CO2 concentration. About half of the emissions remained in the atmosphere (240 ± 10 PgC) since 1750. The rest was removed from the atmosphere by sinks and stored in the natural carbon cycle reservoirs.”
LikeLike
Beste Herman van Nouhuys,
De toename van CO2 in de atmosfeer (van 278 ppm pre-industrieel naar ca. 410 ppm nu) is geheel, voor de volle 100%, door de mens veroorzaakt.
‘Van nature’ is de jaarlijkse opname en afgifte van CO2 namelijk in evenwicht. Er wordt dan in een jaar net zoveel aan CO2 ‘uitgestoten’ (bijvoorbeeld in de herfst en winter door rotting van bladeren en andere vegetatie) als er wordt opgenomen (bijvoorbeeld door groei van vegetatie in voorjaar en zomer).
De extra ca. 40 Gton CO2 die de mens nu ieder jaar uitstoot, blijft voor een deel (ongeveer 50%) in de dampkring, en accumuleert daar dan jaar-op-jaar. De andere 50% wordt door de natuur netto (extra) opgenomen.
In één jaar is die 50% die in de dampkring blijft, niet zo heel veel t.o.v. de natuurlijke massastromen aan CO2 (koolstof). Echter, die extra hoeveelheid accumuleert jaar-op-jaar en daardoor is de totale hoeveelheid CO2 in de dampkring nu met ruim 47% toegenomen t.o.v. pre-industrieel.
Meer achtergrond o.a. hier, door prof. Guido van der Werf:
https://klimaatverandering.wordpress.com/2014/04/16/toekomstige-co2-concentraties/
en zie bovenstaande reacties. 🙂
LikeLike
Pingback: Klimaatvragen? – Klimaat || Wijs
Volgens dynamic-science.com zouden alle gassen, die uit twee atomen bestaan, geen broeikas gas zijn. Ik vraag me toch af of dat dit juist is. Ik heb begrepen dat er geen polariteit in de binding mag zijn als voorwaarde voor niet-broeikasgas. Dat is dus het geval met bijvoorbeeld O2 en N2, die uit twee gelijke atomen bestaan. Deze gelijke atomen trekken even hard aan de elektronen, waardoor het molecuul een elektromagnetische symmetrie heeft. Dat zou dan niet het geval zijn met bijvoorbeeld HCl en gasvormige zouten als NaCl. Die zouden wel broeikasgassen zijn, denk ik.
LikeLike
Klopt, Willem. Twee-atomige gassen kunnen prima broeikasgassen zijn, als ze maar een dipoolmoment hebben. Wel is het zo dat onder de relevante broeikasgassen in onze atmosfeer dergelijke tweeatomige broeikasgassen maar een kleine rol spelen. Voorbeeldjes: NO en CO. Die zijn vrij reactief dus hebben een korte levenstijd in de atmosfeer. Wel reageren ze verder en kunnen de vorming van meer potente broeikasgassen veroorzaken.
LikeLike
Mij lijkt bovenstaande uitleg over wat een ‘broeikasgas’ is eenzijdig.
Zo’n gas maakt het de atmosfeer ook mogelijk de opgenomen energie kwijt te raken aan het heelal.
Met evenveel recht zou je CO2 daarom een koelgas kunnen noemen.
Dus kunnen we ook zeggen: door een toename van dit koelgas wordt het warmer…..
Het is volkomen begrijpelijk dat een toename van CO2 boven in de atmosfeer een extra blokkade vormt voor de uitstraling naar het heelal – enerzijds.
Anderzijds levert een toename van de CO2 ook een toename van de uitstraling doordat er meer CO2-moleculen zijn die warmte gaan omzetten in straling.
De uitstraling zal verder worden verhoogd als de temperatuur omhoog dreigt te gaan door een extra blokkade – zo lijkt mij.
Het zou mij nog steeds niet verwonderen als de extra uitstralende werking opweegt tegen de extra blokkerende werking bij een toename van de CO2 omdat de betreffende kansen gelijk zijn per CO2-molecuul……..
LikeLike
Beste Peter,
“Mij lijkt bovenstaande uitleg over wat een ‘broeikasgas’ is eenzijdig.
Zo’n gas maakt het de atmosfeer ook mogelijk de opgenomen energie kwijt te raken aan het heelal.”
Nee. Door extra broeikasgassen wordt de atmosfeer minder doorzichtig voor de langgolvige uitgaande warmtestraling.
Gevolg daarvan is dat de hoogte waar vandaan de uitgaande warmtestraling het heelal kan bereiken, toeneemt. En op grotere hoogte is het kouder (de ‘lapse rate’) en daardoor wordt er van die grotere hoogte minder warmte naar het heelal uitgestraald.
Dat is het gevolg van de wet van Stefan-Boltzmann: E = σT^4
“Anderzijds levert een toename van de CO2 ook een toename van de uitstraling …”
Nee dus. De essentie is dat, van buiten de atmosfeer gezien, je in de golflengtes waar de Aarde haar warmtestraling naar het heelal stuurt minder diep in de atmosfeer kan kijken. En ‘minder diep’, dus op grotere hoogte, is het kouder waardoor de Aarde daar minder warmtestraling naar het heelal stuurt (vanwege Stefan-Boltzmann).
De onderstaande animatie illustreert dit. Naarmate de dampkring minder doorzichtig wordt voor de warmtestraling (door extra broeikasgassen), schuift het punt Te waar deze warmtestraling het heelal kan bereiken, omhoog. De blauwe lijn staat voor de ‘lapse rate’: de oppervlakte-temperaturen schuiven dan in het plaatje mee langs de x-as, d.w.z. naar een hogere temperatuur:
LikeLike
Beste Peter,
Hetzelfde wordt uitgelegd in het volgende filmpje (waar in bovenstaand blogstuk al op gewezen is):
Ongeveer vanaf 2:49 legt prof. Pierrehumbert ditzelfde uit. Wel het hele filmpje kijken… 🙂
LikeLike
Dag Bob,
Ben het er helemaal mee eens op zich.
Ik mis in het verhaal alleen nog de extra omzetting van kinetische energie (warmte) in straling door de extra CO2-moleculen die de afnemende uitstraling richting heelal (deels of geheel) compenseert.
Boven in de atmosfeer zetten CO2-moleculen toch niet alleen straling – vanaf onder – om in straling naar boven én naar beneden, maar zetten ook beweging (warmte) om in straling naar boven én naar beneden…..?
Dat zijn 2 effecten van CO2 bovenin en als de kansen op beide effecten gelijk zijn neemt de straling qua aantal fotonen naar het heelal niet af als de CO2 verder toeneemt – zo was mijn gedachte.
Ik voeg dus alleen maar een effect toe aan het verhaal en doe er verder niks aan af.
LikeLike
Door het effect dat ik toevoeg aan het verhaal denk ik dat het punt Te veel minder naar boven verschuift of helemaal niet, dus dat het stralingsevenwicht door verdere toename van de CO2 toch geen tempertuurvershoging nodig heeft.
LikeLike
Peter,
Ben je alle informatie die je de vorige keren hebt gekregen toen je met datzelfde verhaal aankwam alweer vergeten? Of heb je nooit de moeite genomen om er serieus naar te kijken?
De realiteit is dat de aarde warmer wordt door het broeikaseffect. Daar kan al jouw fantasie-fysica niets aan veranderen.
LikeLike
Beste Peter,
Je snapt het niet. Je hanteert nog steeds onjuiste aannames.
Dat het punt Te naar boven verschuift is ALLEEN een gevolg van het minder doorzichtig worden van de atmosfeer (op die golflengten). Immers, als je van buiten in de atmosfeer kijkt en die wordt minder doorzichtig…. dan is het onvermijdelijk dat je minder diep in de atmosfeer kan kijken, dus dat Te naar boven schuift tot waar je Te weer kan ‘zien’.
Het heeft NIETS, NADA, nul komma nul te maken met het ‘naar beneden’ of ‘naar boven’ stralen van CO2-moleculen.
In fysische termen zeg je dan: de optische diepte neemt af.
Uiteraard wordt dit minder doorzichtig worden, veroorzaakt door (extra) absorptie door (extra) broeikasgassen. Echter, dat extra broeikasgassen extra absorberen op deze golflengten blijkt uit elk elementair laboratoriumproefje. Daar heb je het ‘naar beneden’ of ‘naar boven’ stralen van CO2-moleculen helemaal niet voor nodig.
LikeLike
Ik zeg alleen maar dat er naast een extra opwarmend effect door extra CO2 ook een extra koelend effect moet zijn bij een toename van de CO2-concentratie.
Dit lijkt mij voor de hand liggend, immers, meer CO2-zendertjes leveren bij een bepaalde temperatuur meer straling in alle richtingen en dus zal er ook meer straling ontsnappen naar het heelal. (Natuurlijk alleen in het emissie/absorptie-gebied van CO2)
De beide genoemde factoren (opwarmend/afkoelend) bepalen de netto-opwarming.
Nu is het volgens mij voorstelbaar dat de toename van de netto opwarming bij een bepaalde CO2-concentratie nul is bij verdere verhoging van de deze concentratie.
Maar als deze vragen/opmerkingen worden beantwoord/beschreven in de info ,die jullie hebben geleverd hebben jullie gelijk – dan heb ik wat gemist.
Of als dit ‘domme’ vragen/opmerkingen zijn die je niet stelt/maakt als je goed gelezen hebt….., dat zou ook nog kunnen.
LikeLike
Misschien interessant hier. Ik keek naar het tweede (weeronline) plaatje met de inkomende zonnestraling die door wolken gedeeltelijk gereflecteerd wordt. Welnu, er is een publicatie verschenen (waar weet ik nu effe niet), die stelt dat als de CO2 verder blijft stijgen, er een punt komt dat een bepaald type wolk gaat verdwijnen, wat tot een aanzienlijke temperatuursstijging kan zorgen: een kantelpunt.
LikeLike
Peter,
Stel dat je een brandende kaars voor een buis plaatst en achter die buis een infraroodcamera. Beschouw die kaars als de aarde en de camera als het oog van de ruimte. Zodra je in die buis via een ventiel koolzuurgas toevoegt zal de infraroodcamera steeds meer moeite hebben om het kaarsvlammetje te kunnen “zien”. Het is een vrij goedkoop experimentje wat je ook thuis kunt doen.
LikeLike
Dag Lieuwe,
Natuurlijk, leuk proefje.
En zo warmt de atmosfeer op natuurlijk.
Maar nu zit het in de atmosfeer toch een beetje anders doordat de druk naar boven toe afloopt waardoor het gedrag van de IR-actieve gassen afhankelijk is van de hoogte………..
Het oog van het heelal ziet veel meer de uitstraling van de atmosfeer dan van het aardoppervlak, terwijl de infraroodcamera voornamelijk de straling afkomstig van de vlam ziet….
LikeLike
@Peter
“Ik zeg alleen maar dat er naast een extra opwarmend effect door extra CO2 ook een extra koelend effect moet zijn bij een toename van de CO2-concentratie.”
Dat zeg je nu al drie keer, terwijl je tegelijk de globale opwarming door oplopende CO2 concentratie erkent. Ik krijg daardoor de stellige indruk dat je twee natuurkundige analyse-niveau’s door elkaar haalt, althans ze niet zorgvuldig van elkaar onderscheidt:
– de absorbtie / straling eigenschappen van individuele CO2 moleculen
– de functie van CO2 concentratie in de stralingsbalans
Klopt mijn indruk?
LikeLike
@ G.J.Smeets,
Extra CO2 heeft een afkoelend effect door dat ook een deel van het infrarood van de zonne-energie geabsorbeerd wordt. Het opwarmende effect is dan de extra absorptie van ver infrarood dat door de Aarde wordt uitgestraald. Voor het oppervlakte van de Aarde krijg je dan een netto effect. Althans overdag.
LikeLike
Peter,
“Het oog van het heelal ziet veel meer de uitstraling van de atmosfeer dan van het aardoppervlak”
Inderdaad. Precies zoals Bob je in zijn reactie duidelijk heeft gemaakt. En het voorbeeld van Lieuwe is wel degelijk goed: in beide gevallen gaat het om transparantie voor warmtestraling.
Raymond
“Voor het oppervlakte van de Aarde krijg je dan een netto effect. Althans overdag.”
Onzin. Je kunt zoiets onmogelijk beweren op basis van allen een kwalitatief verhaal. Je moet het kwantitatief bekijken. Het simpele feit: uitgaande straling bestaat voor een veel groter deel uit golflengtes die door broeikasgassen worden geabsorbeerd dan inkomend zonlicht. En dus hebben broeikasgassen veel meer invloed op die uitgaande straling. En dat is zeker het geval nabij het aardoppervlak. IR uit zonlicht bereikt het oppervlak niet of nauwelijks, meer broeikasgassen veranderen daar dus weinig meer aan. Voor uitgaande straling zit dat heel anders, omdat die immers vanaf het oppervlak komt.
LikeLike
Beste Peter,
Het is inmiddels al meerdere malen uitgelegd, zie boven. Je centrale misvatting lijkt te draaien om:
“Ik zeg alleen maar dat er naast een extra opwarmend effect door extra CO2 ook een extra koelend effect moet zijn bij een toename van de CO2-concentratie.”
Voor zover dat effect er is, is het al onderdeel van de zogeheten Radiative Transfer Equations (RTE’s) waarmee de forcering door extra broeikasgassen berekend wordt. Het effect dat jij je voorstelt, is echter heel gering, want:
–> na absorptie van infrarood door een CO2-molecuul wordt méér dan 1000-tegen-1 keer die energie meteen gedeeld met het omliggende gas (dus met alle stikstof, zuurstof, argon etc. in de atmosfeer), in plaats van opnieuw ‘uitgestraald’ door dat CO2-molecuul.
Dit komt doordat de door CO2 geabsorbeerde energie NIET in het CO2-molecuul blijft, om vervolgens door dat CO2-molecuul weer ‘uitgestraald’ te worden. Deze energie ‘thermaliseert’ binnen enkele microseconden door botsingen met moleculen van het omringende gas (N2, O2, argon etc.). Het wordt omgezet naar warmte van het geheel aan gassen. Een meer volledige uitleg kan je hier lezen (van fysisch chemicus Dr. Halpern):
http://rabett.blogspot.com/2013/04/this-is-where-eli-came-in.html
M.a.w. de door een CO2-molecuul geabsorbeerde stralingsenergie wordt véél eerder omgezet naar zowel bewegingsenergie als ‘excited states’ van de omringende moleculen (alle gassen) dan ge-re-emitteerd. Bij Aardse druk en temperatuur is ‘thermalization’ ca. 1000 tot 100.000 maal sneller dan ‘re-emission’.
Ik weet dat in versimpelde verklaringen van het broeikaseffect soms beweerd wordt dat het komt door ‘uitstraling’ (de re-emissie) van het aangeslagen CO2-molecuul. Dat is stomweg onjuist.
LikeLike
Waterdamp is voor ca. 98% verantwoordelijk voor de broeikas theorie.
dat is maar goed ook, anders werd het hier ’s nachts HEEL koud en overdag HEEL warm!
De zon heeft een allesbepalende invloed, die niet kan worden ontkend of gebagatelliseerd.
Helaas zijn de klimaat alarmisten niet van plan om daar in mee te gaan en prevaleert het doemdenken, want we moeten veranderen al is het volkomen nutteloos en wordt de invloed van de mens schromelijk overdreven.
Het opwarmen is 10.000 jaar begonnen en is sinds het terugtrekken van de ijskap van de Utrechtse Heuvelrug niet gestopt en zal nog wel even doorgaan tot de volgende ijstijd, die wij niet meer zullen meemaken.
Lees vooral de boeken van Kees de Jager en Nigel Calder, die niet tot die gefabriceerde 97% wetenschappers behoren!
LikeLike
@Henk van den Berg
Mocht je het ontgaan zijn: Het is in de klimaatwetenschap al héél lang bekend dat waterdamp een sterk broeikasgas is. De concentratie daarvan in de atmosfeer is echter een functie van de temperatuur en kan niet beïnvloedt worden door meer of minder waterdamp uit te stoten.
De invloed van de zon op het klimaat wordt óók al héél meegenomen in de klimaatwetenschap. Sinds de jaren 1950 is de zonneactiviteit echter afgenomen terwijl de temperatuur fors is gestegen. Meer info daarover in:
https://klimaatverandering.wordpress.com/2018/08/28/de-menselijke-invloed-op-het-klimaat-op-hoofdlijnen/
Ergens zo tussen de 6000 tot 10.000 jaar geleden was de mondiale temperatuur in het Holoceen op zijn maximum, daarna volgde een geleidelijke daling. Deze daling is na de industriele revolutie vrij abrupt veranderd in een forste stijging en dat is veroorzaakt door de menselijke broeikasgasemissies. Meer info:
https://klimaatverandering.wordpress.com/2013/03/17/de-twee-tijdperken-van-marcott/
En inderdaad, de volgend ijstijd zullen wij, en ook onze verre nazaten, niet meer meemaken:
https://klimaatverandering.wordpress.com/2016/04/04/het-vroeg-antropoceen-en-het-voorkomen-en-uitstellen-van-een-ijstijd/
Calder is een journalist en geen wetenschapper. Wel leuk dat je Kees de Jager vermeldt. Die schreef in een artikel uit 2013 het volgende:
“The increase [in temperatuur – JH] that started around the beginning of the 20th century is apparently non-solar and has another, most probably anthropogenic origin.”
Klik om toegang te krijgen tot 2013-CdeJ-HN-Sun-climate-NS-5-1112.pdf
De Jager denkt dus dat de recente temperatuurverandering door de mens is veroorzaakt.
LikeLike
Henk van den Berg,
Als je de moeite had genomen om het blogstuk hierboven even te lezen had je gezien dat waterdamp gewoon wordt genoemd als broeikasgas. En dat alle energie in het klimaat door de zon wordt geleverd wordt ook gezegd.
Kortom, klimaatwetenschappers zijn uitstekend op de hoogte van de allesbepalende rol van de zon en van het effect van waterdamp. Ze houden daar ook keurig rekening mee. Het vervelende nieuws is dat het effect van broeikasgassen zoals CO2 daarmee niet zomaar verdwijnt.
Tenslotte nog een citaat van Kees de Jager van enkele jaren geleden:
“In de eeuwen voorafgaand aan 1919 bepaalde slechts de zonsactiviteit de veranderingen van het klimaat; er waren geen andere significante drijvers. Na 1919 kwam er een met de jaren steeds sterker wordende extra component bij, die op het ogenblik 0,9 graad bedraagt. ”
Kees de Jager accepteert gewoon de wetenschap, hoezeer jij ook zou willen dat dat niet zo is.
LikeLike
Beste Henk van den Berg,
De concentratie waterdamp wordt bepaald door de concentratie van de niet-condenserende broeikasgassen zoals CO2:
extra CO2 –> beetje opwarming –> atmosfeer houdt daardoor ca. 7% extra waterdamp vast per 1 °C –> véél meer opwarming doordat broeikaseffect van het extra waterdamp dit versterkt.
Het is dus bepaald niet geruststellend dat het grootste deel van het reguliere broeikasgas-effect door waterdamp veroorzaakt wordt. Overigens is je zogenaamde “98%” totaal onjuist. Van het standaard (niet-versterkte) broeikaseffect komt ongeveer:
60% door waterdamp
26% door CO2
6% door CH4, N2O en andere gassen
Zie daarvoor tabel 3 van Kiehl & Trenbert 1997 in Bulletin of the American Meteorological Society:
Klik om toegang te krijgen tot Kiehl_Trenberth_Radiative_Balance_BAMS_1997.pdf
LikeLike
Beste allemaal,
Mijn reactie ivm ‘Wat is eigenlijk een broeikasgas?’ wordt misverstaan en dat zal dan wel aan mij hebben gelegen – dit gebeurde hier al vaker.
Ik merkte op dat die gassen ook koelen naast opwarmen.
Ik bedoel hiermee niks anders dan dat de bewuste gassen het ook mogelijk maken dat de voortdurende toevoer van energie aan de atmosfeer kan worden uitgestraald aan het heelal.
Dus enerzijds brengen IR-actieve gassen de atmosfeer op een hogere temperatuur door accumulatie van energie in de atmosfeer en anderzijds begrenzen deze gassen deze accumulatie door de atmosfeer behulpzaam te zijn energie uit te stralen naar het heelal.
Het is duidelijk dat de hoeveelheid IR-actieve gassen de temperatuur bepaalt van de atmosfeer/aardbodem/water.
Dus het z.g. broeikaseffect bestaat….. alhoewel het een misleidende term is.
Ik zie de opwarmende functie van broeikasgassen zoals Bob hierboven ergens beschreef – dat was de eerste keer dat ik dat hier las.
Dus in de onderste lagen nemen broeikasmoleculen straling vanaf de aardbodem op en komen daardoor in een aangeslagen toestand.
De moleculen vallen daarna weer terug naar hun grondtoestand, maar voornamelijk niet door IR uit te stralen, maar door energie af te geven aan naburige moleculen, dus voornamelijk aan zuurstof en stikstof.
De oorzaak hiervan is dat de levensduur van de aangeslagen toestanden groter is dan de tijd tussen de stoten met de naburige moleculen. De broeikasmoleculen krijgen dus bijna geen kans om uit te stralen.
Dit hangt samen met de druk; hoe lager deze is, hoe groter de kans op stralen bij het terugvallen naar de grondtoestand.
Kortom: de broeikasmoleculen leveren bewegingsenergie aan de atmosfeer en zie hier de opwarming.
Naarmate de broeikasmoleculen zich hoger tov het aardoppervlak bevinden neemt de kans op uitstralen dus toe.
Broeikasmoleculen worden niet alleen aangeslagen door straling, maar ook door botsing met naburige moleculen.
Als dit laatste boven in de atmosfeer gebeurt, dan is de kans groot dat het broeikasmolecuul de opgenomen bewegingsenergie omzet in straling, dus koelt……
Nu is het maar net welke kant deze straling op gaat.
Het kan zijn dat het foton weet te ontsnappen naar het heelal, maar het kan met net zoveel kans naar beneden worden uitgezonden en ergens weer worden geabsorbeerd met de kans opnieuw bewegingsenergie te veroorzaken door absorptie, dus warmte.
Nu roep ik steeds: hoe meer CO2-moleculen boven in de atmosfeer, hoe meer uitstraling en dus hoe meer koeling.
Dat klopt natuurlijk wel, want als er meer van die moleculen zijn bovenin, dan wordt er meer kinetische energie omgezet in straling daar en dus worden er ook meer fotonen het heelal in geschoten waarmee je warmte voor goed kwijt bent…..
Maar, op lagere niveaus is er natuurlijk ook meer CO2 en dus wordt er daar meer straling vanaf het aardoppervlak in bewegingsenergie omgezet, dus in extra warmte…..
Nu begrijp ik e.e.a. als volgt:
Zolang door extra CO2, beneden méér extra warmte ontstaat dan er boven extra wordt uitgestraald, gaat de temperatuur van de atmosfeer omhoog totdat er evenwicht is bereikt.
Als de temperatuur omhoog gaat is er bovenin meer kinetische energie en kan er ook meer van deze energie omgezet worden in fotonen zodat er dan evenwicht tot stand komt tussen opwarming en afkoeling.
Nu wil ik het volgende voorleggen – schiet er maar op…..:
Maar, er komt bij toename van de CO2-concentratie een keer een eind aan de absorptie van IR-straling (verzadiging) en daarmee een eind aan warmtetoename.
Neemt dan de afkoeling bovenin wel verder toe door extra uitstraling richting heelal?
Maar, dat zou betekenen dat dan de temperatuur naar beneden gaat, dus dat er een maximum is voor de invloed op de temperatuur door CO2.
Of wordt het maximum al eerder bereikt, want de warmtetoename door absorptie in de onderste lagen van de atmosfeer zou kunnen achterblijven bij de afkoeling in de bovenste lagen als de verzadiging in zicht is……
Als ik de geleerden moet geloven is het helaas zo dat er geen aanvaardbaar maximum is.
En toch vertrouw ik dit niet echt – dit hebben sommigen hier goed aangevoeld.
Hoe zou dit nu komen?
Dat komt omdat ik denk dat men het niet precies weet, maar dat dit ook een moeilijk probleem is…..
LikeLike
Beste Peter,
“Ik bedoel hiermee niks anders dan dat de bewuste gassen het ook mogelijk maken dat de voortdurende toevoer van energie aan de atmosfeer kan worden uitgestraald aan het heelal.”
Je leest niet wat we schrijven.
Als er geen broeikasgassen in de atmosfeer zouden zitten… kan de ‘voortdurende toevoer’ van energie PRIMA worden ‘uitgestraald’. Dan gaat de uitgaande langgolvige warmtestraling (infrarood) namelijk dwars door de atmosfeer in één keer het heelal in, zonder onderweg geabsorbeerd en in warmte omgezet te worden. In dat geval is de atmosfeer 100% doorzichtig voor de uitgaande langgolvige warmtestraling.
“Nu roep ik steeds: hoe meer CO2-moleculen boven in de atmosfeer, hoe meer uitstraling en dus hoe meer koeling.”
Peter, nogmaals:
–> absorptie komt ca. 100.000 keer vaker voor dan ‘uitstraling’, per CO2-molecuul, onder Aardse omstandigheden. Dit komt doordat het aangeslagen CO2-molecuul bijna meteen in botsing komt met de moleculen van het omringende gas, lang vóór het opnieuw een IR-foton uit kan zenden (bij de druk en temperatuur in onze troposfeer). Dan deelt het de geabsorbeerde energie met alle andere gassen in de atmosfeer, i.p.v. re-emissie.
–> het is dus NIET zo dat een CO2-molecuul dat infrarood geabsorbeerd heeft in onze atmosfeer, dit weer ‘uitstraalt’.
Als je het netto effect van ‘extra CO2-moleculen’ wil bepalen, dien je zowel de extra absorptie als extra emissie mee te nemen. Absorptie gebeurt ca. 100.000 keer vaker dan emissie (bij Aardse temperatuur en druk). Zowel absorptie als emissie IS AL ONDERDEEL VAN de Radiative Transfer Equations waarmee de netto stralingsforcering berekend wordt. Dit is dus ook al onderdeel van alle klimaatmodellen.
Pas bij extreem lage druk en temperatuur (in de stratosfeer) draagt extra CO2 noemenswaardig bij aan ‘uitstraling’, doordat de botsingen met andere moleculen dan veel minder vaak voorkomen. En guess what? Dat is nou juist wat de klimaatwetenschap voorspeld en vervolgens ook geobserveerd heeft: (1) opwarming in de troposfeer; (2) afkoeling in de stratosfeer.
Hier bijvoorbeeld wat de CMIP-5 klimaatmodellen berekenen (op basis van de Radiative Transfer Equations):
LikeLike
Het in oranje aangegeven verloop van stratosferische en troposferische temperaturen, is het netto effect als je de toename van CO2 (broeikasgassen) meeneemt in de simulaties.
Je ziet daar de ‘stratospheric cooling’ door extra broeikasgassen in het bovenste plaatje.
De blauwe curves geven overigens het verloop aan indien je de simulaties draait ZONDER de menselijke toename van broeikasgassen. Dat zijn alleen de ‘natural forcings’, in de figuur aangegeven met NAT, en daar zit o.a. het kortdurende maar hevige effect in van grote vulkanische erupties (de plotselinge pieken en dalen).
Het is Figuur 1 uit Santer et al. 2013 in PNAS, hierbij volledig:
Klik om toegang te krijgen tot 1305332110.full.pdf
Anyway, de hierboven getoonde simulatie laat keurig zien dat de Radiative Transfer Equations wel degelijk ook de ‘stratospheric cooling’ simuleren. Daar hebben we echter aan het oppervlak niks aan. We leven immers onderin de troposfeer…
Voor de goede orde: ‘ozone depletion’ in de stratosfeer levert ook een bijdrage aan de ‘stratospheric cooling’. Het is een combinatie van beide effecten.
LikeLike
Bob,
Bedankt voor deze info – hier heb ik wat aan.
Ja, ik ging ook wel uit van een sterk overwicht aan absorptie ten koste van emissie, maar ik had gedacht dat de CO2-moleculen wel al op een wat kleinere hoogte meer kansen zouden hebben tot emissie, m.a. w, ik ging ervan uit dat in de bovenste laag van de troposfeer de druk al wel laag genoeg zou zijn.
Dat is dus blijkbaar niet zo.
Jammer!
Wel, het begint blijkbaar dus pas in de lage stratosfeer te spelen…..,maar moet je dan niet een grotere convectie naar de stratosfeer verwachten?
Zo ja, dan zal de warmte-inhoud hiervan wel te gering zijn….?
LikeLike
Beste Peter,
“Ja, ik ging ook wel uit van een sterk overwicht aan absorptie ten koste van emissie, maar ik had gedacht dat de CO2-moleculen wel al op een wat kleinere hoogte meer kansen zouden hebben tot emissie, ”
Nee, absorptie overtreft emissie met een factor 100.000 (onderin de troposfeer) tot 1000 (bovenin de troposfeer), voor de CO2-moleculen.
Hoe dan ook, zowel absorptie als emissie zijn al onderdeel van de manier waarop het stralingstransport door de atmosfeer berekend wordt (de Radiative Transfer Equations), en daarmee ook van de netto forcering.
“maar moet je dan niet een grotere convectie naar de stratosfeer verwachten?”
Het kenmerk van de stratosfeer is dat er daar géén convectie plaatsvindt. Stratosfeer komt van ‘stratos’, Grieks voor ‘laag’ of ‘gelaagd’. Het wil zeggen dat de lagen in de stratosfeer stabiel zijn en niet verticaal mengen. Convectie vindt alleen in de troposfeer plaats, onder de tropopauze.
Het convectief warmtetransport is al onderdeel van de General Circulation Models.
LikeLike
Bob,
Duidelijk allemaal.
Maar toch: zouden we de CO2-concentratie voorbij de IR-verzadiging verder opvoeren,dan zou de temperatuur naar beneden gaan – denk ik.
Klopt?
Maar dan zou het inmiddels wel een stuk warmer zijn volgens de modellen……
Voor H2O-damp geldt volgens mij hetzelfde als voor CO2 voor wat betreft de verhouding emissie/absorptie, maar dan nog zelfs een graadje erger….
Als je de stralingscurve van de atmosfeer bekijkt dan zie je dat in het gebied waar H2O actief is de intensiteit behoorlijk hoger is dan in het gebied van de CO2. Ik denk dat dit komt doordat er veel meer H2O-damp is dan CO2 in de atmosfeer.
Klopt?
LikeLike
Beste Peter,
“Maar toch: zouden we de CO2-concentratie voorbij de IR-verzadiging verder opvoeren,dan zou de temperatuur naar beneden gaan – denk ik.”
Weliswaar neemt de forcering ‘slechts’ logaritmisch toe volgens de formule van Myrhe (1998): F = 5.35 * ln (CO2 / CO2_oorspronkelijk) maar die functie stopt niet met ‘toenemen’. Ook ver boven de 1000 ppm zal extra CO2 het absorptievenster blijven verbreden en daarmee voor extra opwarming zorgen.
Vanwege de logaritmische toename in deze formule is het natuurlijk wel zo dat:
280 -> 560 ppm,
560 -> 1120 ppm,
1120 -> 2240 ppm
telkens eenzelfde effect heeft, namelijk een additionele opwarming gelijk aan de klimaatgevoeligheid ECS (bijvoorbeeld telkens 3 graden warmer per verdubbeling van CO2).
Er zijn zelfs wat aanwijzingen uit de paleo-klimatologie dat deze klimaatgevoeligheid niet constant zou zijn bij stijgende broeikasgas-concentraties, maar toe zou gaan nemen bij heel hoge concentraties (bijv. boven de 1120 ppm):
Dat is Figuur 7 uit Hansen & Sato 2012, hier: http://www.columbia.edu/%7Ejeh1/mailings/2012/20120508_ClimateSensitivity.pdf Ik denk dat het op dit moment moeilijk te zeggen is of dat idee van Sato en Hansen correct is. We kunnen het misschien beter niet zover laten komen.
LikeLike
Bob,
Ik neem aan dat je dit bedoelt zonder feed back door H20-damp etc.?
De absorptie door CO2 van straling vanaf de aardbodem raakt natuurlijk niet echt verzadigd doordat de bodem ook in temperatuur blijft stijgen….., doordat………het koelende effect steeds achter blijft boven in de troposfeer en er dus blijvend een temperatuurstijging heerst totdat stralings-evenwicht is bereikt daar boven…..
Zo alles bij elkaar genomen lijkt het verloop van het netto-effect van de CO2 simpel.
PS:
Je schreef enkele reactie terug:
”Je leest niet wat we schrijven.”
Nou zo erg is het niet met mij hoor!
Je reactie was dit:
‘Als er geen broeikasgassen in de atmosfeer zouden zitten… kan de ‘voortdurende toevoer’ van energie PRIMA worden ‘uitgestraald’. Dan gaat de uitgaande langgolvige warmtestraling (infrarood) namelijk dwars door de atmosfeer in één keer het heelal in, zonder onderweg geabsorbeerd en in warmte omgezet te worden. In dat geval is de atmosfeer 100% doorzichtig voor de uitgaande langgolvige warmtestraling.’
Maar ik bedoelde een atmosfeer met broeikasgassen en zo’n atmosfeer is natuurlijk een heel stuk minder transparant en heeft deze gassen daarom ook nodig ter ondersteuning van de straling naar het heelal….
Dus weer een misverstand…
LikeLike
Beste Peter,
Zoals al meerdere malen uitgelegd is dit onjuist: “Ik neem aan dat je dit bedoelt zonder feed back door H20-damp etc.?
De absorptie door CO2 van straling vanaf de aardbodem raakt natuurlijk niet echt verzadigd …”
Het heeft niet zozeer met de aardbodem te maken. Het versterkte broeikaseffect komt doordat de atmosfeer (de troposfeer, in de praktijk), van buitenaf minder doorzichtig wordt voor de uitgaande langgolvige warmtestraling;
“… en heeft deze gassen daarom ook nodig ter ondersteuning van de straling naar het heelal….”
Nee, hoe méér broeikasgassen hoe minder doorzichtig de dampkring wordt (van buitenaf gezien) voor infrarood. Dan komt de warmtestraling uit hogere/koudere lagen en raakt de atmosfeer minder warmte kwijt naar het heelal.
Pas ver daarboven (in de stratosfeer) is de druk zo laag dat CO2 bijdraagt aan de uitstraling. In de stratosfeer is er ook geen ‘lapse rate’ zoals in de troposfeer (de stratosfeer wordt juist warmer hoe hoger je komt).
LikeLike
De afkoeling van de stratosfeer is denk ik het stukje kennis rond het broeikaseffect dat het lastigst te doorgronden is. Ik vraag me af of het niet iets te eenvoudig is om te zeggen dat CO2-moleculen in de troposfeer “ontvangers” zijn van straling en in de stratosfeer juist “zenders”.
Gedachtenexperiment. Stel er zou geen CO2 in de troposfeer zitten, maar wel in de stratosfeer. Warmtestraling zou dan vanaf het oppervlak ongehinderd de stratosfeer bereiken en daar (deels) worden geabsorbeerd. De stratosfeer zou warmer worden. En een deel van die warmte zou dan weer terugstralen naar het oppervlak, door de transparante troposfeer.
In werkelijkheid “zien” we de back radiation vanuit de stratosfeer niet aan het oppervlak, omdat de troposfeer niet transparant is voor IR. De straling vanuit de stratosfeer kan dus veel makkelijker de andere kant op. Die straling verwarmt het heelal, in plaats van het aardoppervlak. Alleen is het heelal een bodemloze put voor warmte…
Opwarming van het oppervlak en afkoeling van de stratosfeer zijn twee kanten van de medaille. Het één bestaat niet zonder het ander. lijkt me. Of zie ik wat over het hoofd?
LikeLike
Hoi Hans,
Wat jij beschrijft kun je via het modtran-model van David Archer ook visualiseren:
http://climatemodels.uchicago.edu/modtran/
Als je daarin bij de Tropical Atmosphere de Altitude op 20 km zet “Looking down” verandert in “Looking up”, zie je een piek bij ~660 cm-1
Die piek wordt groter als je de CO2-concentratie verhoogt. De stratosfeer straalt dan IR terug.
LikeLike
Plaatje wordt steeds duidelijker – bedankt.
Kan me voorstellen dat de de straling door CO2-moleculen groter is in de stratosfeer door de lagere druk. Daar zetten ze kinetische energie dus veel meer om in straling. (naar alle kanten)
Eerder dacht ik dat de druk in de bovenste helft van de troposfeer al wel laag genoeg is voor een substantiële uitstraling, maar dat klopt dus niet.
De toevoer van kinetische energie komt van beneden in de vorm van convectie…., maar in de stratosfeer is geen convectie meer.
Hoe gaat dit dan precies?
En hoe dan met de H2O-moleculen – die willen toch ook maar weinig stralen boven in de troposfeer…?
Maar, in de stratosfeer zit nog maar weinig H2O…..
LikeLike
Peter,
Je idee dat CO2-moleculen afhankelijk van de druk zenders of ontvangers zijn van IR-straling is veel te simpel. De realiteit is veel complexer. Zie het gedachtenexperiment uit mijn vorige reactie. Als de troposfeer transparant zou zijn voor IR (maar er zou wel CO2 in de stratosfeer zitten), dan zou het plaatje er heel anders uitzien.
En je vraagt hoe wamtetransport naar de stratosfeer plaatsvindt. Dat gebeurt via straling, precies het onderwerp waar we het hier de hele tijd over hebben. Dat je die vraag stelt maakt vooral duidelijk dat het plaatje je nog steeds allerminst duidelijk is.
Daarom nogmaals het advies dat je al meermaals is gegeven: koop nou eens een goed boek over atmosferische fysica en ga dat heel goed lezen. Anders blijven we bezig.
LikeLike
Hi Peter,
Alles dat je te berde brengt is allang onderdeel van de Radiative Transfer Equations en daardoor meegenomen in klimaatmodellen e.d.
“De toevoer van kinetische energie komt van beneden in de vorm van convectie…., maar in de stratosfeer is geen convectie meer.”
Een fors deel van de energie in de stratosfeer komt van de absorptie van kortgolvige UV-straling uit het binnenkomende zonlicht. Het ozon O3 in de ozonlaag (deel van de stratosfeer) absorbeert daar bijna al het meest kortgolvige UV en daardoor verbranden we niet aan het oppervlak.
Een goed en leesbaar boek vind ik Goody, Walker e.a. 1972 – ‘Atmospheres’. Ook al is het uit 1972, het is maar 150 pagina’s, heel helder en hier en daar betaalbaar bij de 2e hands boekverkopers te vinden:
LikeLike
Bob,
Dat er veel energie in de stratosfeer komt door absorptie van UV is duidelijk, maar ik doelde eigenlijk op hoe de energie van onder af nu in de stratosfeer komt als de gassen vlak daaronder nog niet veel uitstralen en er geen sprake is van convectie tussen de troposfeer en stratosfeer…..
Het antwoord moet dus blijkbaar zijn dat CO2 en H2O in de tropopauze toch wel wat meer gaan stralen – op 20 km hoogte bv is de druk ongeveer 30 x kleiner dan bij de aardbodem…
Bedankt zover en ik zal achter ‘Atmospheres’ aan gaan.
LikeLike
Beste Peter,
“ik doelde eigenlijk op hoe de energie van onder af nu in de stratosfeer komt als de gassen vlak daaronder nog niet veel uitstralen”
Gewoon het IR van het oppervlak dat wordt doorgelaten door de lage atmosfeer (al wordt dit dus geleidelijk steeds meer ‘afgeknepen’ door extra broeikasgassen in de lage atmosfeer) en de stratosfeer bereikt.
Je kan dat zien in de MODTRAN simulatie die Jos al noemde:
http://climatemodels.uchicago.edu/modtran/
Vul in: 400 ppm, 20 km hoogte en ‘Looking Down’. Dan zie je dat er op die hoogte, onderin de stratosfeer, zo’n 298.08 W/m2 omhoog komt. Dat is de blauwe curve in de grafiek met het ‘gat’ door CO2 en H2O in het midden.
Wijzig dit naar: 800 ppm. Je ziet dan dat er ‘maar’ 293.62 W/m2 omhoog komt. Het toegenomen broeikaseffect in de troposfeer knijpt een deel van de uitgaande warmtestraling af en die bereikt de stratosfeer niet meer.
Mede daardoor koelt de stratosfeer af:
Lijkt me lovenswaardig als je eerst dat boek ’s gaat bestuderen, het is zeker de moeite waard.
LikeLike
Peter,
https://www.bbc.com/news/science-environment-47976184
Je kunt je wantrouwen in de wetenschap en de MSM misschien met het lezen van boeken verminderen maar waarschijnlijk zul je nooit ontvankelijk zijn voor de boodschap van Sir David Attenborough en de BBC. Je zult ook nooit een boek van David Wallec-Wells lezen, je bent gewoon een CG adapt.
LikeLike
Dag Liewe.
Ik kan me allerlei dramatische toestanden indenken als gevolg van enkele graadjes meer op de thermometer – dat is het probleem niet.
Ik zie ook wel het CO2-effect in het energietransport retour naar het heelal.
Ik ben alleen nieuwsgierig naar het netto-effect van extra CO2 an sich, want hiermee begint de invloed op de temperatuur van het menselijk handelen grotendeels – zo is de (voor de hand liggende) aanname.
Ik kan natuurlijk gewoon aannemen wat de inschattingen zijn, maar ik zoek naar waarop deze zijn gebaseerd.
Waar staan trouwens hier de letters CG voor ?
Ik heb nog wel een vraag waarvoor ik misschien heel lang naar het antwoord moet zoeken:
Als ik de grafieken (hierboven) bekijk over het temperatuurverloop boven in de troposfeer en in de lage stratosfeer dan zou ik een warmtetransport door de tropopauze verwachten of door convectie of door geleiding – naast straling dus. (ook al is het niet veel)
Als de temperatuur in de tropopauze onder deze omstandigheid constant zou blijven (wat me onwaarschijnlijk lijkt) dan moet er geleiding plaatsvinden.
Maar, dat zal ook heus wel zijn meegenomen in de inschattingen.
Waar maak ik me nu zo druk over?
Die lui die deze inschattingen maken zien deze dingen ook wel en hebben nog meer zaken erin betrokken waaraan ik nog niet heb gedacht of die ik domweg niet zie……..
Maar toch, ik kan me indenken dat er veel grotere onzekerheden zouden kunnen zijn alleen al omtrent het pure CO2-mechanisme in het hele verhaal.
En dan hebben we het nog niet over het H2O-verhaal dat eraan gekoppeld is.
Maar om daarom nu te zeggen dat het deels of geheel flauwe kul is……..- dat is wat sommigen wel doen.
Ik heb wel sterk het idee dat ik hier nogal vaak wordt misverstaan. Dat kan natuurlijk ook makkelijk gebeuren in een wat polariserende stemming rond het klimaat in combi met onnauwkeurige formuleringen door mij.
Maar misschien is het ook niet de bedoeling dat hier uitgebreid wordt ingegaan op een aantal zaken en is het veel meer de bedoeling informatie te verschaffen om je aan het denken te zetten.
Hans,
Je zegt:
” En je vraagt hoe wamtetransport naar de stratosfeer plaatsvindt. Dat gebeurt via straling, precies het onderwerp waar we het hier de hele tijd over hebben. Dat je die vraag stelt maakt vooral duidelijk dat het plaatje je nog steeds allerminst duidelijk is.”
Klopt, niet helemaal duidelijk als hier (door Bob; ivm de te hoge druk daar nog) wordt gesteld dat CO2 (en dus ook H2O denk ik) aan de bovenkant van de troposfeer nog maar weinig zou stralen. Hoe kan dan de energie (afgezien die door het atmosferisch venster) dan weg?
Als straling het enige transport is tussen troposfeer en stratosfeer, dan moeten de IR-actieve gassen wel stralen op de betreffende hoogte, want van zuurstof en stikstof hoef je niet veel te verwachten qua emissie…….
Ik denk dat mijn uitgangspunt, dus dat CO2 en H2O onder in de atmosfeer voornamelijk absorberen en niet stralen, dus terug keren naar de grondtoestand via botsing met de buren, wel juist is.
Naarmate de druk lager wordt wordt de kans op straling groter, dus gaan de IR-actieve moleculen meer als radiozendertjes werken in de laagfrequente IR.
CO2 en H2O zijn dus gassen volgens mij die energietransport op basis van straling omzetten in stroming en vervolgens weer in straling – in de grote lijn dan.
Neemt de CO2-concentratie dan toe, dan wordt de convectiestroom groter te koste van het transport op basis van straling.
Dit gaat natuurlijk op zich gepaard met een hogere temperatuur van de lucht.
Dit is het aspect dat Liewe met zijn leuke proefje belicht.
Je mag van mij je reactie kort houden met: koop een goed boek…. of helemaal niks – ik ga dat boek dat Bob aanraadt wel laten komen.
Dit was natuurlijk weer een veel te lang verhaal……
LikeLike
Beste mensen,
Als ik aan de CO2-knop draai van het MODTRAN-model gebeuren er voor mij eigenlijk precies de dingen die ik zou verwachten – los van de kwantitatieve aspecten dan.
Ik kijk op 1976 US standard atmosphere – de bodemtemp. is hierbij constant 288,2 K:
1 Groot verschil van 0 naar 9 ppm CO2.
2 Als ik verder ga van 90, 900, 9000, 9000.000 …… ppm dan zie ik dat inderdaad de CO2 veel beter gaat uitstralen in de voornaamste band – rond 15 micrometer – maar, wat is daar dan veel voor nodig….!
3 Verder kijkend, de CO2 heeft nog meer relevante absorptie/emissie-banden en die beginnen bij die extreem hoge concentraties natuurlijk ook een duit in het zakje te doen, dus bij andere golflengten zien we dips ontstaan…..In deze dips moet ik het absorptie/emissie-spectrum van C)2 kunnen herkennen. Dat ga ik nog na – nu maar eens van het mooie weer genieten.
4 Wat ik niet goed snap is hoe het komt dat de emissie van H2O vrij constant blijft. De H2O-concentratie neemt geweldig toe immers bij extreme verhoging van de CO2. Het rechter plaatje kun je instellen op water vapor en dan zie je de partiele druk enorm stijgen bij CO2-toename.
5 Bij de uitkomsten van de Upward IR Heat Flux in het model blijft de bodem-temperatuur constant en dat is in de werkelijkheid niet zo lijkt mij – de boel warmt immers op bij een onbalans van de straling. De Upward IR Heat Flux geeft dus lagere waarden dan in de werkelijkheid. De Upward IR Heat Flux herstelt zich onder hogere temperatuur van de atmosfeer en bodem.
Dat betekent ook dat CO2 meer uitstraalt dan in het model te zien is…..
Interessant zou nu zijn te kijken wat de modelregels zijn. Dan zie je de inschattingen……
LikeLike
Peter,
Hoe hoger in de atmosfeer, hoe groter de afstand die een IR-foton af kan leggen zonder een CO2 of watermolecuul tegen te komen dat het kan absorberen. Vanuit het hogere deel van de troposfeer zal er dus de nodige straling direct in de troposfeer terechtkomen. Dat hoeft niet allemaal uit de tropopauze te komen.
En verder lijkt het me het beste om de discussie te pauzeren tot je dat boek hebt gelezen. Want ik kan me niet aan de indruk onttrekken dat we hier antwoorden blijven geven die je eerder ook al meermaals hebt gehad.
Wat je vragen over Modtran betreft: op de pagina waar Jos naar verwees staat rechtsboven een blauwe tekst: About this model. Daar kun je op klikken. En dan kom je op een pagina met een hele hoop informatie.
LikeLike
Beste Peter,
Het antwoord hierop staat allang in de publicaties, grafieken en boeken die hier besproken zijn:
“Als ik de grafieken (hierboven) bekijk over het temperatuurverloop boven in de troposfeer en in de lage stratosfeer dan zou ik een warmtetransport door de tropopauze verwachten of door convectie of door geleiding – naast straling dus. (ook al is het niet veel)”
Convectie is een belangrijk onderdeel van het warmtetransport binnen de troposfeer (maar niet in de stratosfeer, dat vindt vooral plaats via stralingsoverdracht). Zie het bekende schema van Kiehl, Trenberth en Stephens:
Verder sluit ik me aan bij Hans. Ga nu eerst ’s serieus een goed boek bestuderen. Alles wat je vraagt staat bijvoorbeeld ook al in Goody & Walker uit 1972.
Dus einde oefening, voorlopig.
LikeLike
Ok, einde oefening.
Bedankt voor jullie tijd – vooral Bob deze keer.
Boek is al onderweg.
Groetjes,
Peter
LikeLike
Peter,
“Waar staan trouwens hier de letters CG voor ?”
Hans Labohm wordt hier verdrietig van hoor!
“Ik kan me allerlei dramatische toestanden indenken als gevolg van enkele graadjes meer op de thermometer – dat is het probleem niet.”
Terwijl ik denk dat dat juist het probleem is. Lees het aangeraden boek van Bob. Ik heb net een ander boek uit.
LikeLike
Liewe,
Het is (voorlopig) einde oefening langs hier.
De oefening gaat eerst verder met het boek dat Bob mij aanraadde.
Dinsdag komt dat boek.
Groetjes,
Peter
LikeLike
Het is een detail maar ik ben toch benieuwd hoe dit zit.
“Eli Rabett” postte dit ooit over het experiment van Foote en daar liep ik toevallig tegen aan. https://rabett.blogspot.com/2019/08/the-foote-effect.html
“… the glass tube cut off the solar spectrum (which is relatively weak there) at about 3 microns, [so] Foote did not observe the basis of the greenhouse effect/Tyndall gas effect, which is the absorption of thermal radiation from the surface (shown by the dotted line in the figure to the right).
What she did observe is the absorption by water vapor and carbon dioxide shown in green by the bands above 0.7 microns, and maybe down to about 0.3 which are primarily due to aerosol scattering. Since she did experiments with water and thus water vapor in her glass cells, this would not be unlikely.”
Klopt dit naar jullie idee? Betekent niet dat het experiment van Foote niet noemenswaardig is, maar wel een nuttige nuancering?
LikeLike
Hallo User4401,
Het lijkt me wel correct wat John Nielsen-Gammon en Eli Rabett daarover schrijven. Als je het effect wilt vernoemen naar de ontdekker, zou het dienen te heten:
– het ‘Tyndall effect’ en ‘Tyndall gassen’ in plaats van broeikaseffect en broeikasgassen;
– het ‘Foote effect’ waar het gaat over de kortgolvige absorptie en verstrooiing door waterdamp en CO2.
Alleen zijn daar allang de naamgevingen broeikaseffect en (voor de verstrooiing van korte golflengten) het Rayleigh-effect ingeburgerd. En de naam ‘Tyndall effect’ is al in gebruik voor iets anders:
https://en.wikipedia.org/wiki/Tyndall_effect
Volgens mij is de naamgeving ‘broeikas-effect’ nog steeds een bruikbare analogie. In elk geval één van de aspecten waar de werking van een broeikas op berust, is vergelijkbaar met wat er in de atmosfeer gebeurt: het glas van een broeikas laat het binnenkomende kortgolvige zonlicht bijna ongehinderd door… terwijl het de uitgaande langgolvige warmtestraling grotendeels tegenhoudt.
Het zou verwarrend zijn om nu alles dat er in de wetenschappelijke literatuur als ‘GHG gasses’ etc. bekend staat anders te gaan benoemen. Overigens wordt er in de literatuur ook vaak gesproken over ‘radiatively active gasses’ in plaats van broeikasgassen, maar dat wekt bij het grote publiek misschien verwarring op met ‘radio-active gasses’.
Ik zou er niet uit afleiden dat het experiment van Foote “niet noemenswaardig” is, maar m.i. klopt het wel wat Eli Rabett daarover schrijft:
http://rabett.blogspot.com/2018/05/on-edith-footes-experiment.html
Weer een ander aspect is dat John Tyndall een Ierse wetenschapper was die in de 2e helft van de 19e eeuw veel aan wetenschaps-popularisatie deed. Hij gaf allerlei succesvolle lezingen voor het brede publiek en legde zijn experimenten uit. Je zou hem als een Carl Sagan van de 19e eeuw kunnen zien. Tyndall schreef ook over gletsjers, alpinisme en over zijn tochten door de alpen. Het feit dat hij Iers was en toch zo’n grote achting genoot in de Britse Royal Society maakt hem tot iemand die bijdroeg aan de emancipatie van de Ieren, zie:
https://www.tyndall.ie/john-tyndall
LikeLike
Hoi Bob, bedankt voor de uitgebreide reactie. Ik vind de naamgeving eigenlijk van ondergeschikt belang; alles mag wat mij betreft gewoon blijven heten zoals het heet want dat werkt prima. Het ging mij meer om het feit dat in het experiment van Foote dus eigenlijk niet het type absorptie is gemeten dat voor de huidige temperatuurstijging op aarde zorgt. Ik had die andere post op zijn blog niet gezien, maar nu is het helder..
LikeLike
Het lastige met experimenten van Eunice Foote is dat er zo weinig over bekend is. Behalve de summiere beschrijving in haar ultrakorte artikeltje is er niets. Het zou dus goed mogelijk zijn dat er informatie ontbreekt die nodig is om precies te begrijpen wat ze mat. De temperatuurverschillen in haar metingen waren opvallend groot: meer dan 10°C verschil tussen droge en vochtige lucht en tussen lucht en CO2.
Of de hypothese van Eli Rabett dat grote verschil kan verklaren weet ik niet zo goed. Het lijkt me niet uit te sluiten dat er meer meespeelde (misschien donkere doppen op de cilinders die voor IR zorgden, of een rare glassoort die deels transparant was voor IR), maar het blijft speculeren.
LikeLike
Hoi Hans,
Ik vermoed dat Eli Rabett wel gelijk heeft. Het glas maakt het onwaarschijnlijk dat dit effect kwam door de absorptie van langgolvige warmtestraling door CO2/H2O. Ook had Eunice Foote het alleen over “the Heat of the Sun’s rays”, zonder een onderscheid te maken naar golflengte of tussen zichtbaar licht en ‘dark rays’ (IR).
Maar je hebt gelijk, het is lastig te achterhalen wat Foote precies deed.
Tyndall gebruikte overigens steenzout kristallen i.p.v. glas in zijn proefopstelling:
Opmerkelijk is dat Eunice Foote het idee opperde, dat variaties in de samenstelling van de atmosfeer verantwoordelijk kunnen zijn voor klimaatveranderingen in het geologische verleden. Dat was een schot in de roos.
LikeLike
Zie ook wat Katherine Hayhoe over Eunice Foote schrijft: https://m.facebook.com/katharine.hayhoe/posts/1744016609156552
In een stuk in de NYT over Foote wordt ze als volgt geciteerd:
LikeLike
Zo is het inderdaad helemaal goed geformuleerd, Bart. Foote maakte geen onderscheid tussen zichtbaar zonlicht en warmtestraling en dus is ook niet me zekerheid te zeggen welke van de twee haar resultaten verklaren. Met wel nog een kanttekening. Foote schreef ook (over CO2):
“The receiver containing the gas became itself much heated – very sensible more than the other – and on being removerd, it was many times as long in cooling.”
Ze nam dus ook waar dat de cilinder met CO2 trager afkoelde. Ze keek dus niet alleen naar het directe effect van zonlicht.
Wetenschapshistorisch zou het best interessant zijn als er eens geprobeerd zou worden om de experimenten van Foote te reproduceren. Voor zover ik weet is dat nog niet gedaan. Zouden daar geen studenten voor te vinden zijn?
LikeLike
Hans,
“Wetenschapshistorisch zou het best interessant zijn als er eens geprobeerd zou worden om de experimenten van Foote te reproduceren. Voor zover ik weet is dat nog niet gedaan. Zouden daar geen studenten voor te vinden zijn?”
Niet alleen wetenschapshistorisch interessant maar ook methodologisch. Reproductie van een lab experiment uit 1865 heeft nogal wat voeten in de aarde. Te beginnen bij identieke lab apparatuur, anders kan er van reproductie geen sprake zijn. Ik neem aan dat Foote’s apparatuur van destijds niet meer (bruikbaar) voorhanden is. Hoe pas je daar methodologisch een mouw aan? Mooie opdracht voor een studie-groep en ongetwijfeld zal de prof. van dienst er zijn didactische en organisatorische handen aan vol hebben. Retro-perspectieve reproductie van een lab experiment uit 1865 is geen makkie. En ik heb geen flauw idee of het studenten anno 2020 hun hart sneller doet kloppen.
LikeLike
Goff,
Het experiment van Foote was heel eenvoudig: twee glazen cilinders met een thermometer erin in de zon plaatsen en kijken hoe snel ze opwarmen. En daarna weer uit de zon halen en kijken hoe snel ze afkoelen. Toen ik haar artikel las verbaasde het me dat ze met zo’n eenvoudig experiment zo’n grote verschillen vond tussen droge en natte lucht en tussen lucht en CO2. De interessante vraag is nu juist of je met zo’n eenvoudige opzet zo’n groot verschil vindt. Als dat met de meest eenvoudige opzet niet lukt zou dat erop kunnen wijzen dat er wat meer aan de hand was bij het experiment van Foote dat ze niet heeft beschreven, mogelijk omdat ze niet wist dat het invloed had.
LikeLike
Nou, dit is ook toevallig. Vandaag gepubliceerd:
“Understanding Eunice Foote’s 1856 experiments: heat absorption by atmospheric gases”
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsnr.2020.0031
LikeLike
@User4401
Dat is zeker toevallig. En interessant. Dank je!
LikeLike
U geeft van ieder gas het absorptie spectrum en combineer deze met andere gassen. Mijn inziens is dat onjuist omdat het volumedeel van de gassen nogal verschillend is. Mijn vraag is hoe wordt de absorptie van ieder gas gemeten dat kan m.i. alleen in een gesloten ruimte?
LikeLike
Beste Pieter Ypeij,
Met de verschillen in concentratie, het volumedeel, is volledig rekening gehouden. Belangrijk is om te beseffen dat waterdamp in onze dampkring een *condenserend* broeikasgas is:
–> de concentratie aan waterdamp is een gevolg v/d temperatuur. Hoe warmer het wordt (bijv. door toename van de niet-condenserende broeikasgassen CO2 en CH4) hoe meer waterdamp er in de lucht zit. Daarvoor *volgt* waterdamp de temperatuurstijging en vergroot die verder: een versterkende feedback.
Over het effect van de naar boven ‘open’ verticale luchtkolom, de ‘lapse rate’, zie onder meer dit blogstuk:
De gassen zuurstof en stikstof in onze dampkring zijn bijna volledig doorzichtig in het deel van het spectrum waarop ons aardoppervlak straalt, namelijk bij een golflengte van > 4 μm.
Doordat zuurstof en stikstof transparant zijn voor de langgolvige warmtestraling die vanaf het aardoppervlak naar het heelal gaat, tellen zij (praktisch) niet mee in het broeikaseffect. De gassen H2O, CO2 en CH4 zijn juist NIET doorzichtig voor deze uitgaande langgolvige warmtestraling en absorberen maximaal dichtbij de piek van de Planck-curve bij een Aardse temperatuur van ca. 300 Kelvin (vooral rond de 15 μm):
Het is de vorm van de Planck-curve in combinatie met de lapse-rate en de absorptiespectra van H2O (condenserend), CO2 en CH4 (niet-condenserend), die het broeikaseffect veroorzaken.
Hoewel O2 en N2 véél meer voorkomen in de dampkring, hebben die bijna geen effect doordat ze doorzichtig zijn *precies* bij de golflengten waarop de Aarde maximaal straalt.
LikeLike
Vraag. Hierboven lees ik:
“Weliswaar neemt de forcering ‘slechts’ logaritmisch toe volgens de formule van Myrhe (1998): F = 5.35 * ln (CO2 / CO2_oorspronkelijk) maar die functie stopt niet met ‘toenemen’.”
De extra forcering door toenemende broeikasgassen gebeurt zoals bekend volgens een logaritmische functie. Maar het gaat dus om de natuurlijke logaritme (ln), en niet om een logaritme met het grondtal 2. Betekent dat niet dat we voor de klimaatgevoelheid ook uit moeten gaan van een toename met een factor 2,72 (want natuurlijke logaritme) in plaats van 2 (een verdubbeling)?
LikeLike
Dag Bart,
Het gaat om F = alog2 voor de stralingsforcering bij dubbele CO2-concentratie en welk grondtal je voor de logaritme neemt maakt niet uit. Wel is de keuze van het grondtal bepalend voor a. Neem je als grondtal e, dan is a dus gelijk aan 5,35 in dit geval.
Elke log-functie is immers op de constante a na gelijk aan elke andere log-functie.
LikeLike