De regeling van de oppervlaktetemperatuur van de waterplaneet door de waterhuishouding. (Volgens de ‘klassieke’ klimatologie)

Het aardoppervlak bestaat voor 70 % uit oceanen. Ook het landoppervlak is grotendeels ‘nat’. De aarde draait dagelijks om een scheefstaande as en jaarlijks om de warmtebron, de Zon. Daardoor wordt de ontvangen stralingsenergie aan het oppervlak zeer onevenredig verdeeld. Indien er geen water aanwezig zou zijn, zou de temperatuur aan de evenaar nabij het kookpunt (van water) zijn en in de poolnacht nabij het absolute nulpunt.

Een sterk primaire effect van het optreden van een watercirculatie is verdamping rond de evenaar. Hierdoor wordt warmte aan het oppervlak onttrokken en koelt het in dat gebied af tot 25-40ºC af.  Het verdampte water (in gasfase) mengt zich in de troposfeer met de lucht. Daarom spreken we in het Nederlands van de dampkring.

Er is in de dampkring een drukgradiënt en daarmede gepaard gaat een temperatuurgradiënt. (Op ca 10 km hoogte 300mbar, -50 C.) De waterdamp gaat daardoor in de dampkring over in vloeibaar water en ijs. Hierbij wordt de warmte onttrokken aan het oppervlak in de dampkring weer afgestaan. De oorspronkelijk van de zon ontvangen warmte aan het oppervlak wordt dus verdeeld over oppervlak en dampkring. Bij de condensatie ontstaan de wolken die een deel van het zonlicht terugkaatsen, waardoor minder zonlicht het oppervlak kan bereiken. Daarnaast vervullen de wolken nog twee functies. Zij stralen aan de bovenkant infrarood over een breed spectrum richting heelal (stroom Eu) en aan de onderkant richting aardoppervlak (Ed). Het aardoppervlak ontvangt dus twee soorten straling zonlicht en infrarood, opgewekt in de dampkring. Maar oorspronkelijk is alle stralingsenergie van de zon afkomstig.

Het aardoppervlak straalt echter ook infrarood  richting heelal uit die gedeeltelijk door de waterdamp en de (onderkant) van de wolken wordt geabsorbeerd (stroom Aa). Die uitstraling draagt ook bij aan de afkoeling van het oppervlak. Dat merkt men (dus) in de nacht wanneer de zon weg is en de oppervlaktetemperatuur daalt. Het oppervak wordt aldus op twee manieren gekoeld, door de waterverdamping en de eigen infrarood uitstraling van het oppervlak.

Een deel van aardstraling wordt echter niet door de dampkring afgevangen (stroom St). Men noemt dit het atmosferisch ‘raam’.  Bij onbewolkte hemel staat dit raam wijd open. Maar uiteraard ook voor de binnenkomende straling van de zon.  De combinatie van deze processen leiden dus aan de evenaar tot de relatief matige en stabiele temperatuur van 35-40ºC. Toch ontvangt het gebied rond de evenaar meer stralingsenergie van de zon dan de top van de dampkring naar het heelal uitstraalt en zou de temperatuur als gevolg daarvan een stijgende lijn moeten volgen. Hier komen de ‘weerverschijnselen’ in het spel en de zeestromen, die warmte van de evenaar poolwaarts verplaatsen. En boven 40 NB en 40 ZB straalt de top van de dampkring meer infrarood uit dan aan stralingsenergie van de zon wordt ontvangen. De dampkring, (lees even broeikas) bestaat dus uit een kachel (aan de grond bij de evenaar) en meerdere ‘koelkasten’, aan de polen en aan de top van de dampkring.

Er is in de klassieke klimatologie dus geen sprake van een broeikas die de aarde als geheel van een ijsklomp tot enige tientallengraden opwarmt. De dampkring functioneert in de eerste plaats als een koeler die de evenaar voor oververhitting behoedt. (1) door de waterverdamping aan het oppervlak (2) door de afscherming van zonlicht door de wolkbedekking (3) door afvoer van warmte naar gebieden waar de zoninstraling kleiner is dan de stralingsafvoer naar het heelal aan de top van de dampkring. En tenslotte als de wolken neerslag veroorzaken, keert koud water naar het oppervlak terug.

De klassieke visie op klimaatverandering was de volgende:

Het brede patroon van klimaatveranderingen in de historische periode is in overeenstemming met de hypothese van afwisselende afzwakking en versterking van de atmosferische circulatie, die verbonden zijn met afwisselende poolwaartse en equatorwaartse veranderingen van de windzones. Tijdens perioden met geringe circulatie trekken de westenwinden rond de polen samen en er treden veel anticyclonen op tussen de keerkringen. De winden zijn variabel, de regenval is relatief gering en het klimaat heeft een ‘continentaal karakter’ dat wordt gekenmerkt door koude winters en warme zomers. Als de circulatie sterker is, overheersen de westenwinden. Er treden dan meer stormen op, die tot lagere breedtegraden doordringen. De regenval is heftiger en het klimaat krijgt meer het karakter van een zeeklimaat. Dit was de algemene situatie in het Atlantische gebied, met enkele onderbrekingen na 1200.
Encylopaedia Britannica 1964, deel V

DE ONTWIKKELING VAN DE HYPOTHESE DAT CO2 DE TEMPERATUURREGELING DOOR DE WATERHUISHOUDING WEZENLIJK KAN BEÏNVLOEDEN
Deze hypothese van gezaghebbende klimatologen werd nadrukkelijk gepresenteerd bij twee conferenties in Oostenrijk, Villach 1980, 1985. Zij is gebaseerd op het onmiskenbare feit dat het CO2 gas in de atmosfeer in een smalle band infrarood straling absorbeert, deze daarmee opwarmt, maar in de zelfde band ook uitstraalt, half opwaarts richting heelal, half neerwaarts richting aardoppervlak en daarmee ook deze opwarmt door een bijdrage te leveren aan eerder genoemde stroom Ed, die hoofdzakelijk door waterdamp en de wolkenonderkant wordt opgewekt. De bijdrage van CO2 aan deze neerwaartse straling kan door waarnemingen in het infrarood gebied waarbij CO2 emitteert, worden bevestigd. De vraag of deze bijdrage de in werking zijnde waterthermostaat van streek brengt, die het oppervlak koelt door meer waterverdamping, als de oppervlakte temperatuur zou stijgen, is echter niet bevredigend door waarnemingen beantwoord. De enige aanwijzing voor een mogelijk effect van CO2 is, dat in de 20ste eeuw de CO2 concentratie in de atmosfeer behoorlijk steeg terwijl tevens een mondiaal gemiddelde temperatuurstijging van 0.7 C werd berekend. Vooralsnog is niet uit te sluiten dat deze stijging kan worden toegeschreven aan de variabelen die in de klassieke klimatologie reeds waren herkend. (Zie eerder genoemd citaat anno 1964)

TWIJFELS AAN DE CO2 HYPOTHESE
Deze werden in de eerste plaats geuit door ‘klassieke’ klimatologen die niet bij de Villach conferenties aanwezig waren en die ook niet werden betrokken bij de voortgezette evaluatiestudies die door het Intergovermental Panel on Climate Change (IPCC VN) werden uitgevoerd. Sommigen waren dat aanvankelijk wel, maar hebben zich daarna van de CO2 hype gedistantieerd. Zij bleven ‘geloven’ dat de waterthermostaat de overwegende factor is om de oppervlakte temperatuur te stabiliseren.  Vervolgens uitten ook astronomen, geologen, paleobiologen en in het bijzonder fysici hun twijfels. Wat de laatst genoemden betreft is de kritiek vooral gebaseerd op het feit dat in de door IPCC aangehaalde literatuur om de CO2 hypothese te bevestigen, de werking van de gecombineerde stof- warmte overdracht processen is gebagatelliseerd.

CO2 is (net als H2O) op zich geen warmtebron. Als het systeem aardoppervlak + dampkring opwarmt of afkoelt, dan kan dat het gevolg zijn van meer of minder zonenergie die tot het systeem doordringt.

Zij die de CO2 hypothese ontwikkelden, gebruiken  de metafoor van de ‘broeikas’ (in het Engels greenhouse), waarin door belemmering van de luchtstroming (convectie) warmte wordt vastgehouden. De vergelijking is een ongelukkige want in de aardse dampkring wordt de oppervlaktemperatuur juist heel sterk door convectie (thermiek) bepaald. En in het bijzonder daar waar de ‘kachel’ staat. Indien boven de oceaan de temperatuur lokaal boven 27ºC komt, ontstaat de tropische storm met een geweldig sterke verticale luchtstroom, met aan de top van de dampkring de vorming van een cumulusnimbus wolk die het warmtetransport richting heelal overneemt door middel van de infrarood uitstraling. (Vergelijk in de glazen broeikas het open zetten van de bovenramen om de convectie op gang te brengen,  indien de temperatuur te hoog dreigt op te lopen).

HET VERDER AFTASTEN VAN DE THEORETISCHE MOGELIJKHEDEN
De infrarood uitstraling aan de top van de dampkring is van groot belang bij het instellen van een energie-evenwicht op mondiale schaal. Het is de enige manier om de van de zon ontvangen energie weer kwijt te spelen. Indien meer zonstraling het oppervlak bereikt, zal dit opwarmen. Om een nieuw evenwicht te bewerkstellen zal ook de uitstraling aan de top toenemen. De onderliggende ‘weermachine’ is daarbij behulpzaam als stoffelijke warmtedrager. Maar ook de omvang van het eerder genoemde atmosferische raam (stroom St), dat direct infrarood van het oppervlak doorlaat, is daarbij van belang.  Deze situatie kan ontstaan, zonder dat de zon sterker gaat stralen, indien de wolkbedekking afneemt. Zowel meer stralingsenergie bereikt het oppervlak, en meer infrarood wordt uitgestraald omdat het  atmosferisch raam verder opengaat.  De vraag is dan welke kracht zit er achter de vermindering van de wolkbedekking? Dit kunnen andere kosmische invloeden zijn, veranderingen in de magnetische velden van zon en aarde, waardoor minder condensatiekernen, die nodig zijn voor wolkvorming, ontstaan. Van Andel leidt uit satelliet waarnemingen af dat deze combinatie van verschijnselen zich sinds 1980 heeft voorgedaan:

Minder wolkbedekking, hogere oppervlaktetemperatuur, meer uitstraling aan de top van de dampkring, waartussen dan het hier boven weergeven causaal verband zou bestaan.

Opponenten van Van Andel betwijfelen of uit de satellietwaarnemingen mag worden afgeleid dat inderdaad zich een toename van de straling aan de top van de dampkring heeft voorgedaan. In de klimaatMODELLEN is juist bij voorbaat een afname ingebouwd. Dit verklaart dan de broeikastheorie: door de stijging van de optische dichtheid van de atmosfeer door toename van CO2 , vermindert de uitstraling naar het heelal, stijgt de terugstraling naar het aardoppervlak en dat verklaart vervolgens de stijging van de oppervlaktetemperatuur. De consequentie is dan een ‘run away’ effect: bij constante (of verhoogde) instraling van de zon en afnemende top uitstraling naar het heelal moet de warmte-inhoud van het systeem blijven toenemen.

Het is dus van uitermate groot belang hoe de satelliet metingen moeten worden geïnterpreteerd.

Echter, de vraag blijft ook hangen hoe de weermachine reageert op enige (lokale) verhoging van de oppervlakte temperatuur, door welke oorzaak dan ook: zonlicht of dampkring straling. Volgens klassiek meteorologische opvattingen behoorlijk fors maar moeilijk voorspelbaar op een mondiale schaal. Hier schuilt de belangrijkste kritiek op het gebruik van de zogenaamde ‘global circulation models’ omdat hierin weerverschijnselen worden ‘weggemiddeld’.

Volgens Van Andel is vooral de waarde van de coëfficiënt hoe de uitgaande straling (OLR)  verandert met de oppervlakte temperatuur (SST) van belang. Is dOLR/dSST beneden de waarde 3.7 W/m^2 K dan is het klimaatsysteem onder invloed van de stralingstransferprocessen labiel. Is deze waarde hoger, dan wijst dit er op dat de weermachine de overheersende functie heeft om de oppervlaktetemperatuur te regelen en dat optische dichtheidsveranderingen (door H2O en CO2  in een nauw golflengte gebied) in de gasfase weinig invloed hebben. Wederzijdse uitwisseling van infrarood straling tussen wolken en aardoppervlak over een breed spectrum in het infrarood bepalen wat wordt genoemd het thermodynamisch (stralings) evenwicht maar de temperatuurgradiënt en de oppervlaktetemperatuur  worden  door de combinatie van warmte-stof processen in de dampkring bepaald.

Tenslotte de vraag, is er over de vorige eeuw wel sprake van een significante mondiale temperatuurstijging. Een Delfts ingenieursbureau, dat gebruik maakt van geostationaire  weersatellieten, heeft deze boven land in het equatoriale gebied, in de periode 1983-2000 niet kunnen aantonen (zie ears.nl).  Dat sluit echter niet uit dat een stijgend mondiaal gemiddelde berekend kan worden door locale veranderingen in de zeer verschillende (zes) hoofdklimaatzones op aarde, zoals verklaard in de klassieke klimatologie.

TERUG NAAR DE KLASSIEKE KLIMATOLOGIE?
Bij de redeneringen die worden gebruikt bij het toeschrijven van een belangrijke invloed van CO2 op het handhaven van een lokale oppervlakte temperatuur,  lijkt men het feit dat de dampkring anders werkt dan een warm houdende glazen broeikas in een koel klimaat,  uit het oog te hebben verloren. De dampkring werkt in de warme equatoriale zone in de eerste plaats als koeler die het gebied voor ‘geroosterd’ worden behoedt. Zo men toch aan de metafoor van een broei- op groeikas wil vasthouden dan ziet men aan de evenaar een evenbeeld met zo’n kas in warme landen (bijvoorbeeld Turkije) waar men gewassen met een overdekking tegen overmatige opwarming door de zon beschermt.

Bij de huidige staat van het klimaatonderzoek is het wenselijk dat lokale waarnemingen die op een klimaatverandering wijzen (zoals afsmelten van poolijs) sterker in verband worden gebracht met veranderingen in de normale meteorologische verschijnselen dan nu het geval is.

Print Friendly, PDF & Email