Een gastbijdrage van Frans Schrijver.

Op mijn eerste bijdrage aan Climategate.nl ‘Atmosfeer geen broeikas maar dieselmotor’ reageerde een aantal mensen als door een wesp gestoken. Een emotie die ik ook heb gezien richting de auteurs van het wetenschappelijke artikel waar mijn stukje over ging.

Kennelijk liggen zaken rond het klimaat gevoelig en is het zelfs voor klimaatsceptici een brug te ver om het broeikaseffect, zoals dat in de boekjes staat, ter discussie te stellen.

Toch is er alle aanleiding om vraagtekens te zetten bij de broeikashypothese. In mijn eerdere artikel kwam al naar voren dat de broeikashypothese tot een paradox leidt. Los van de vraag of de verklaring van Nikolov/Zeller op basis van luchtdruk wel juist is, conflicteert de hypothese op essentiële punten met wat we weten uit de thermodynamica. Sinds 2008 is dit probleem door serieuze wetenschappers regelmatig naar voren gebracht, onder meer door Gerlich, Johnson, Postma en recent Hertzberg. Maar deze geluiden zijn helaas nooit serieus genomen en vaak zelfs geridiculiseerd, ook door veel klimaatsceptici. In dit artikel focus ik op de veronderstelling in de broeikashypothese dat de warmtestraling vanuit atmosfeer de aarde verder opwarmt.

Paradox

Warmte kan alleen stromen van iets met een hogere temperatuur naar iets met een lagere temperatuur en niet omgekeerd. We kennen deze wetmatigheid uit de thermodynamica, maar iedereen weet het uit eigen ervaring. Een hete kop koffie op tafel straalt warmte uit naar de koelere ruimte, net zolang tot de temperatuur van de koffie en de ruimte eromheen gelijk zijn geworden. Daarna stopt de warmtestroom. Iets met een lagere temperatuur kan uit zichzelf nooit iets anders verwarmen dat een hogere temperatuur heeft. De koude ruimte kan de koffie niet heter maken. Warmte stroomt bij de gratie van temperatuurverschillen. Op wikipedia is het bij de tweede hoofdwet van de thermodynamica als volgt geformuleerd:

Heat cannot spontaneously flow from cold regions to hot regions without external work being performed on the system.

Als we met die kennis kijken naar het broeikaseffect zoals weergegeven in het volgende plaatje, wordt snel duidelijk waar het probleem zit.

De gele pijl is het zonlicht dat voor een deel het aardoppervlak bereikt en ervoor zorgt dat de aarde opwarmt. De energie die aarde absorbeert straalt het weer uit in de vorm van warmtestraling (de oranje pijl naar boven). De broeikashypothese veronderstelt dat een deel van de warmtestraling van de aarde wordt geabsorbeerd door broeikasgassen die het vervolgens weer voor een deel terug stralen naar de aarde (de oranje pijl naar beneden). De neerwaartse straling (back-radiation) is in deze hypothese zelfs ruim 2 keer zo groot is als de straling van de zon!  Zo kan de aarde warmer worden dan zonder atmosfeer.

Echter, er is een probleem: de temperatuur van de atmosfeer is lager dan van de aarde. Hoe je ook denkt over de oorzaak van dit temperatuurverloop, het staat vast dat in de atmosfeer (tot aan de tropopauze) de temperatuur afneemt met de hoogte. Essentieel in de broeikastheorie is dus de aanname dat de koudere atmosfeer het warmere aardoppervlak nog verder kan verwarmen, nota bene met zijn eigen warmte. In de analogie met het kopje koffie: de broeikasgassen zouden ervoor zorgen dat het kopje koffie warmer wordt dan het al is door de warmte terug te stralen. Maar helaas: warmte stroomt alleen van heet naar koud en niet andersom. De koude atmosfeer kan dus nooit het relatief warme aardoppervlak verwarmen.

Geen enkele materie kan op wat voor manier dan ook opgewarmd worden door zijn eigen straling te absorberen. Dit is fysiek niet mogelijk. Als dat mogelijk was, zouden objecten spontaan kunnen opwarmen.

Meten is weten (…als je weet wat je meet)

Het KNMI werkt met zusterorganisaties samen in het BSRN-project (Baseline Surface Radiation Network) waarbij ze pretenderen dat ze (onder andere) de warmtestraling vanuit de atmosfeer meten. En inderdaad op het meetstation in Cabouw lijkt het alsof er een substantiële back-radiation is van overdag zo’n 290 W/m2. Het KNMI gebruikt hiervoor een zogenaamde pyrgeometer. Op wikipedia staat beschreven hoe een dergelijke meter de neerwaartse warmtestraling berekent. Hieruit blijkt dat de wijze van berekening dezelfde fout bevat als de broeikashypothese. De pyrgeometer meet feitelijk een veel kleinere (negatieve!) flux, maar ‘corrigeert’ dat vervolgens door er een grote waarde bij op te tellen: de meter beschouwt zichzelf als blackbody en telt zijn eigen ‘warmtestraling’ ten opzichte van het absolute nulpunt op bij wat het heeft gemeten. Als je zo’n pyrgeometer op een groot blok ijs richt, krijg je ongeveer dezelfde uitkomst. De Zweedse hoogleraar Claes Johnson noemt dat ghost-metingen: je meet een kleine waarde, je interpreteert dat vervolgens als een verschil van twee veel grotere denkbeeldige waarden en presenteert het als een van die twee grote waarden.

Op basis van de wet van Stefan-Boltzmann is de warmtestraling per m2 gelijk aan εσ(T24 – T14) als zijnde de flux tussen twee objecten met verschillende temperatuur T2 en T1 (ε en σ zijn twee constanten). Het probleem is dat in de broeikastheorie (en in de pyrgeometer) de formule wordt gebruikt alsof er staat: εσT24 – εσT14. Wiskundig is dit wel hetzelfde, maar betekent dat ook dat er nu ineens twee grote fluxen bestaan (de twee dikke oranje pijlen)? Het is inderdaad volgens Stefan-Boltzmann zo dat elk object met een bepaalde temperatuur een warmtestraling heeft met een omvang van εσT4 en dat geldt ook de atmosfeer als die een temperatuur T heeft. Maar daarbij moet je je wel realiseren dat het om een warmtestroom gaat ten opzichte van het absolute nulpunt (-273oC) en dat is duidelijk niet de temperatuur van het aardoppervlak.

Johnson heeft hier een uitgesproken standpunt over:

Two-stream radiative transfer is based on a mis-interpretation of Stefan-Boltzmann-Planck’s Law σT4 as the radiative heat energy emitted by a black body of temperature T Kelvin independent of the temperature of the environment of the body, while the physically correct interpretation is radiative energy emitted into a background of temperature zero Kelvin.

In het volgende plaatje is het geïllustreerd aan de hand van het kopje koffie. Ook hier is er sprake van een relatief kleine warmtestraling van het kopje naar de omgeving als gevolg van het temperatuurverschil tussen het kopje en de omgeving. Tegelijkertijd kun je beweren dat zowel het kopje als de omgeving een eigen warmtestroom hebben van respectievelijk εσT24 en εσT14.

Je kunt lang discussiëren of het rechter plaatje correct is of niet. Zoals gezegd levert het wiskundig dezelfde uitkomst op. Maar het linker plaatje is in praktische toepassingen veel eenvoudiger en eenduidiger. Het komt dan ook moeiteloos overeen met de thermodynamica: er ontstaat een warmtestroom als gevolg van het temperatuurverschil.

Elke ingenieur zal bij het doorrekenen van een systeem altijd uitgaan van deze aanpak. Het grote probleem met het rechter plaatje is dat je je bij alle berekeningen zeer goed bewust moet zijn dat die grote fluxen alleen een betekenis hebben als de warmtestraling ten opzichte van het absolute nulpunt. En dat is precies het punt waar de broeikashypothese de fout in gaat.

In de broeikashypothese wordt met de back-radiation gerekend alsof het een normale zelfstandige warmtestroom is die kan bijdragen aan de opwarming van het aardoppervlak. Op wikipedia staat letterlijk:

The greenhouse effect is the process by which radiation from a planet’s atmosphere warms the planet’s surface to a temperature above what it would be without its atmosphere.

Het KNMI doet daar nog een schepje bovenop door op basis van een gemanipuleerde meting de suggestie te wekken dat die back-radiation ook daadwerkelijk bestaat ten opzichte van het warme aardoppervlak. Er wordt dus volledig voorbijgegaan aan het feit dat de neerwaartse warmtestroom alleen betekenis heeft ten opzichte van het absolute nulpunt. Door deze verkeerde interpretatie ontstaat het conflict met de tweede hoofdwet van de thermodynamica zoals hierboven beschreven.

Door deze paradox valt het fundament onder de broeikashypothese weg. De neerwaartse straling kan simpelweg niet zorgen voor opwarming; een warmtestroom is altijd het gevolg is van temperatuurverschillen en niet de oorzaak (zie bijvoorbeeld hier). De theorie kan daarom geen verklaring geven voor het klimaat op aarde.

Door de netto warmtestroom te beschouwen als het verschil van twee grote stromen ontstaat in de broeikashypothese nog een andere belangrijke fout. Het effect van CO2 als broeikasgas wordt namelijk veel te groot ingeschat. Voor zover er sprake is van CO2-gevoeligheid is deze gekoppeld aan de omvang van warmtestroom. Als de werkelijke warmtestroom n keer kleiner is, neemt ook de CO2-gevoeligheid evenredig af. In een recente presentatie laat Johnson zien dat een verdubbeling van de CO2-concentratie in de atmosfeer niet leidt tot 3oC opwarming maar slechts 0,05oC.

Tegenwerpingen

Roy Spencer.

Johnson is niet de eerste en zeker niet enige die het conflict met de thermodynamica aan de orde stelt. In de afgelopen jaren hebben aanhangers van de broeikashypothese omstandig geprobeerd aan te tonen dat er geen conflict is met de tweede hoofdwet van de thermodynamica. Dr. Roy Spencer van de Universiteit van Alabama, heeft zelfs een poging gedaan om uiteen te zetten dat een kouder object een warmere objecten toch verder kan opwarmen. Zijn redenering is dat een koeler object bij het uitzenden van warmtestraling niet controleert wat de temperatuur van zijn omgeving is; ‘het stuurt het toch uit, ongeacht of de omgeving koeler of heter is’.

De fout die Spencer maakt is dat de temperatuur van het ontvangende object bepalend is of de uitgezonden straling wordt geabsorbeerd of niet (en dus niet het zendende object). In het voorbeeld van het kopje koffie: als de koffie uit de koelkast komt met een temperatuur van 5oC heeft de straling van de omgeving van 20oC wel een opwarmend effect; als de koffie 50oC is vindt er geen opwarming vanuit de omgeving plaats. De redenering van Spencer is uitgebreid weerlegd door o.a. Miatello en Latour.

Als reactie op de bezwaren maken aanhangers van de broeikashypothese ook vaak de analogie van de atmosfeer als deken die de aarde warm houdt. Zie bijvoorbeeld hier. De atmosfeer zou de aarde afschermen van het koude heelal. Nu is het zo dat het heelal vooral een vacuüm is waar je eigenlijk niet goed kan spreken van warm of koud; vacuüm is vooral een goede isolator.

Het is wel zo dat bewolking ‘s nachts ervoor zorgt dat minder koud wordt. Maar de atmosfeer maakt de nacht in ieder geval niet warmer zoals de broeikashypothese beweert, het remt alleen de afkoeling. Het is vergelijkbaar met een thermoskan: de koffie blijft langer op temperatuur, maar wordt niet warmer. Door het afremmen van de afkoeling wordt de gemiddelde temperatuur van de aarde weliswaar hoger dan zonder dit effect, maar zeker niet zo hoog als wanneer je opwarming door back-radiation veronderstelt.

Een ander argument van broeikashypothese-aanhangers is dat de tweede hoofdwet van de thermodynamica wel klopt voor de netto warmtestroom en er dus geen inconsistentie is. Maar ook dat snijdt geen hout omdat juist de opsplitsing van de netto stroom in twee grote tegengestelde warmtestromen de problemen veroorzaakt. Anders gesteld: als back-radiation niet nodig is om het broeikaseffect te verklaren, waarom wordt het dan in alle beschouwingen opgenomen?

Conclusie

Het is duidelijk dat er een probleem is: doordat het op een kernpunt conflicteert met de thermodynamica kan de broeikashypothese geen verklaring bieden voor de temperatuur op aarde. De atmosfeer is kouder dan de aarde en straalt geen warmte uit die kan bijdragen aan het verder opwarmen van de aarde. De onderbouwing van de rol van CO2 bij de opwarming van de aarde komt daarmee te vervallen. Bovendien is het zo dat voor zover CO2 nog een rol speelt, de gevoeligheid een orde kleiner is dan nu verondersteld.

Frans Schrijver.

Zeker als het te overbruggen verschil geen 33oC is maar groter dan dat, dan moet er kennelijk een ander mechanisme zijn dat ervoor zorgt dat de temperatuur op aarde hoger is dan wanneer er geen atmosfeer zou zijn. In mijn eerdere artikel ben ik ingegaan op het onderzoek van Nikolov en Zeller die een verklaring geven op basis van de samenhangende aspecten zwaartekracht, luchtdruk en convectie. Ook andere wetenschappers (zoals o.a. Postma) hebben regelmatig aangevoerd dat de thermodynamica essentieel is om het klimaat op aarde te begrijpen. Het bewijs van Nikolov/Zeller is wellicht nog niet voldoende dichtgetimmerd, maar op dit moment is hun verklaring wel veel plausibeler dan de bestaande broeikashypothese.

Print Friendly, PDF & Email