Gastblog van Arthur Rörsch

Recognize that a scientific concept involves an idea first and a name afterwards, and that understanding does not reside in the technical terms themselves.

A.B. Arons  “Marks of scientific literacy” In: Teaching introductory physics.
New York: John Wiley and Sons, pp. 345-46.

Greenhouse effect cr 590

De broeikasvergelijking
De broeikas, indien uitsluitend ‘opgewarmd’ door de zon,  behoudt een hogere gemiddelde temperatuur dan de omgeving doordat de ontvangen energie van de zon met enige vertraging wordt uitgezonden. Gedurende een langere periode worden de grootten van aanvoer en afvoer wel aan elkaar gelijk doch onder deze conditie is de kas op zich geen energie bron.

De vertraging wordt veroorzaakt doordat de zoninstraling tot alle delen van het lichaam door dringt en daarin voelbare warmte opwekt, die dankzij de warmtecapaciteit van bodem en lucht wordt vastgehouden, terwijl de afvoer van warmte slechts plaats vindt aan de wand van het lichaam. Hierdoor ontstaat een weerstand tussen aan- en afvoer stroom.  Het hydrostatisch model geeft de meest simpele verklaring voor dit verschijnsel waarin de kraan de weerstand opwekt. Hierbij ontstaat een zelfregulerend mechanisme.

Hydrostatisch model

Figuur 1 Het hydrostatisch model.

A Vrije doorloop inlaat=uitlaat.

B Uitlaat wordt geknepen en de vloeistofhoogte in het vat stijgt.

C Tot het niveau waarop de hydrostatische druk voldoende bijdrage levert om uitlaat = inlaat te maken.

 

In het model van de isotherme glazen kas wordt de ‘kraan’ gevormd door het glazen dak dat energie door IR straling (en geleiding) afvoert. De ‘druk’ om aanvoer van de zon gelijk te maken aan de afvoer aan het dak wordt opgewekt door de warmtecapaciteit en daarmee de temperatuurstijging van de lucht er onder omdat de IR uitstraling van het dak afhankelijk is van de temperatuur K4. Er is hier eveneens sprake van een zelfregulerend mechanisme.

Het model van de aardse broeikas waarin de top van de dampkring de functie van de ‘kraan’ vervult is aanmerkelijk meer gecompliceerd zoals in het onderstaande wordt beschreven. Niettemin is de glazen kas in menig opzicht een goed model. De zonstraling verwarmt het gehele lichaam van de kas dat gevormd wordt door de bovenlagen van grond en oceanen en de dampkring daarboven, terwijl de afvoer slechts geregeld wordt door het stralingsvermogen van de top van de dampkring (TOA) en de daar heersende temperatuur. De knijpkracht van de ‘kraan’ wordt hierbij bepaald door het temperatuurverval in de dampkring onder invloed van de zwaartekracht en de specifieke warmtecapaciteit van de lucht. De hoeveelheid vastgehouden warmte en de daarmede gepaard gaande vertraging van de energiepassage door het systeem, wordt echter voornamelijk bepaald door de grotere warmtecapaciteit van bovengenoemde bodemcomponenten dan van de lucht (Een factor 1000).

Niettemin speelt de dampkring een belangrijke rol bij de zelfregulatie omdat zij de laatste en beslissende stap is bij de passage van de zonenergie door het systeem.

Zonder dampkring (zoals op de Maan) functioneert het aardoppervlak zelf als de ‘kraan’ voor de afvoer en zal er geen sprake zijn van een remming tussen aan en afvoer van energie vanaf het oppervlak. De dampkring is echter niet de oorzaak van de vastgehouden hoeveelheid warmte doch een gevolg daarvan. Omdat op de waterplaneet  de dampkring wordt warm gehouden door de condensatie van waterdamp die eerder aan het oppervlak door verdamping is onttrokken. Waarvan het belangrijkste effect is dat de emissiehoogte van de uitstraling naar het heelal zich naar grotere hoogte boven het aardoppervlak verplaatst.

De broeikasgas theorie
Eén van de belangrijkste complicaties daarbij is dat de waterdamp ook onder de TOA stralingseffecten in het IR spectrum opwaarts en neerwaarts veroorzaakt. Dit leidt tot een bijdrage aan het vertragen van de zon-energie naar het heelal.  Daaraan is de theorie ontleend dat IR actieve gassen bepalend zouden zijn voor  de hoeveelheid warmte die het systeem als geheel zou vasthouden met consequenties voor de oppervlakte temperatuur. In het verlengde van deze broeikasgas theorie ligt de veronderstelling dat toename van de optische dichtheid van de dampkring door een ander gas dan waterdamp, namelijk CO2 een belangrijk bepalend effect zou hebben op wat het aardse systeem aan warmte vasthoudt.

Het is een zeer redelijke veronderstelling dat toenemende optische dichtheid van de dampkring, voor een klein deel bepaald door aanwezig  CO2,  een bijdrage levert aan de vertraging  van het stralingsenergie transport. Daarmede is echter niet de vraag beantwoord welke bijdrage deze vertraging levert aan de vastgehouden warmte naast die van de andere componenten van de aardse kas, met hun veel grotere warmtecapaciteit dan de lucht. Die bijdrage mag verwacht worden klein te zijn.

Het stralingseffect dat CO2 toename in de dampkring opwekt, naast dat van waterdamp, zal naar verwachting drie verschillende gevolgen hebben.

  • Aan de TOA zal toenemende concentratie van het gas de uitzending richting heelal bevorderen. De ‘kraan’ dus verder open draaien in plaats van verder dicht. (Dat blijkt ook uit spectroscopische waarnemingen van satellieten).
  • Toenemende concentratie in de lage dampkring nabij het oppervlak, draagt bij aan het vasthouden van warmte daarvan nabij dat oppervlak. De lage dampkring is echter al vrijwel volledig optisch dicht voor de zes golflengten die CO2 absorbeert. Het gevolg daarvan is niet direct te overzien zonder de weerverschijnselen te beschouwen die warmte van het oppervlak naar grotere hoogte transporteren, bijvoorbeeld via het verschijnsel ‘thermiek’.
  • IR straling uitgezonden door het oppervlak wordt afgevangen door de golflengten die waterdamp en COabsorberen. Het onmiddellijk effect daarvan is dat die in de lage dampkring in voelbare warmte wordt omzet. De temperatuurstijging heeft echter tot gevolg dat deze gassen ook weer gaan emitteren. In alle richtingen zodat ze een bijdrage leveren aan de vertraging aan de uitstraling. De vraag rijst of de bijdragen van de specifieke golflengten van CO2 aan deze absorptie en emissie nu een vertragend dan wel een stimulerend effect heeft op de transmissie van  warmte door het systeem.
Print Friendly, PDF & Email