Noordpool. Foto: Saidaonline.

Een gastbijdrage van Tjerk Veenstra.

Er verschijnen in de media veel berichten over catastrofale zeespiegelstijging en meldingen dat, als de ijskappen smelten vele kuststeden zullen overstromen. We weten dat het zeeniveau sinds het einde van de laatste ijstijd al ca. 120 meter is gestegen. Uit onderzoek blijkt dat deze stijging niet gelijkmatig maar variërend is geweest. Dus de mogelijkheid van hogere zeespiegels zijn er, maar is er bewijs dat de catastrofale zeespiegelstijging van snel smeltend ijs ondersteunt?

Maar als de aarde opwarmt, dat moet de beschikbare warmte ook de polen bereiken om ijssmelt te veroorzaken. Echter, het blijkt dat Antartica een eigen microklimaat heeft . Hugo Matthijssen heeft hier al eens uitgebreid over geschreven. Zie hier.  Samengevat komt het er op neer, dat het onmogelijk is dat het warmere oppervlaktewater uit de diepere lagen in de oceaan naar de kusten van Antarctica kan stromen. Rond de polen is er sprake van een zogenaamde polar cell:

Er draait om het continent een soort straalstroom die de invloed van oceanen op het klimaat via aankomende lucht sterk belemmerd en door de eeuwenlange luchtcirculatie wordt ook de zeestroming in dezelfde richting gestuwd en blokkeert het toestromen van oceaanwater. Het effect werkt als een soort isolatie van het continent voor invloeden van buitenaf.

Fig 1 Screenshot van Antartica

Daarom ben ik op zoek gegaan naar nadere informatie over smeltende ijskappen en wat voor energie daarvoor nodig is. Daarbij kwam ik een blog van William Ward van 28 april 2019 tegen met een uitgebreide berekeningen, die ik de lezer niet wil onthouden (bron hier).

Ik heb deze blog hieronder vertaald en samengevat met daarbij de verwijzing naar de door Ward gebruikte basisgegevens in een spreadsheet, zodat iedereen dit kan narekenen. Met eenvoudige natuurkunde wordt door Ward aannemelijk gemaakt dat een rampzalige zeespiegelstijging door smeltend ijs niet van nature in een korte periode kan gebeuren. De resultaten zou het publiek moeten geruststellen, maar het publiek is meer vatbaar voor alarmistische beelden wanneer smeltsnelheden en smeltende ijsmassa’s zonder perspectief worden gepresenteerd.

Wat heeft er de afgelopen eeuw plaatsgevonden?

Van al het landijs op aarde bevindt zich 91% op Antarctica, 8% op Groenland en de overige 1% is verspreid over de rest van de wereld. Dat betekent, dat wat er gebeurt op de ijskappen in Antarctica en in Groenland, dat voor 99% van al het landijs op aarde geldt.

NASA is een goede bron voor onderzoek naar wat er op Antarctica gebeurt. Twee NASA-bureaus hebben onlangs echter studies gepubliceerd met tegenstrijdige conclusies. Het Goddard Space Flight Center publiceerde onlangs onderzoek dat concludeert dat Antarctica niet bijdraagt ​​aan zeespiegelstijging. Volgens deze studie viel er meer sneeuw dan er afsmolt wat resulteerde in een reductie van het zeespiegelniveau van ca 1,2 cm sinds 1900. (1)

Een ander NASA instituut, het Jet Propulsion Laboratory (JPL) daarentegen meldt dat de snelheid van ijsverlies op Antarctica sinds 2012 is verdrievoudigd en 0,3 centimeter heeft bijgedragen aan zeespiegelstijging tussen 1992 en 2017. Zie hier.

De beste informatie over Groenland is afkomstig van een studie in Nature, waarin de afname van de ijsmassa tussen 1900 – 2010 is berekend.

Using current ice from https://pubs.usgs.gov/fs/fs2-00/ we calculate the ice mass in 2010 was between 99.5% – 99.8% of what it was in 1900. 

Wat gebeurt er nu met de poolkappen?

De gemiddelde jaarlijkse landtemperatuur op Antarctica is -57 ° C en in de meeste kuststations is het gemiddeld -5 ° C tot -15 ° C. Het veelbesproken West-Antarctica is gemiddeld een aantal graden lager dan 0 ° C.

Zuid-Groenland ervaart zomertemperaturen boven 0 ° C en er vindt afsmelten in de zomer plaats. Op Noord-Groenland blijft zelfs in de zomermaanden onder 0 ° C en de gemiddelde jaarlijkse landtemperatuur is -20 ° C tot -30 ° C. De temperaturen in Groenland en Antarctica zijn niet hoog genoeg om significante snelle smelt van ijs te veroorzaken. Ondanks alle berichten in de media die het tegendeel beweren, hebben we geen echte waarnemingen van een eventuele “total meltdown” crisis. De afgelopen 111 jaar waren opmerkelijk vanwege ijsstabiliteit en niet vanwege het smelten van ijs. We zijn 19 jaar in de 21ste eeuw zonder bewijs dat die een sterk verschilt van de 20ste eeuw.

Smelten van poolkappen: Behoud van energie

Zonlicht alleen is onvoldoende om aanzienlijke veranderingen in de ijskapmassa te veroorzaken. Zonlicht moet samenwerken met andere effecten zoals bewolking, waterdamp en andere “broeikasgassen” zoals CO2. Ongeacht de mechanismen, moet de aarde twee dingen doen om meer ijs te smelten: 1) meer warmte-energie vasthouden en 2) via de atmosfeer, deze warmte naar de polen transporteren en overbrengen naar het ijs. Extra warmte-energie in het systeem kan geen ijs smelten tenzij transport en overdracht plaatsvinden.

Echter, met gebruik van eenvoudige natuurkunde zijn we in staat om de grenzen van deze prognoses in te perken. Daarvoor zijn twee formules van belang.

De volgende formules geven de relaties voor respectievelijk soortelijke warmte (1) en latente warmte (2):

Q = m. c. ∆T (1)

Q = m. L (2)

Waarin:

  • Q is thermische energie (Joules),
  • m is de massa (kg),
  • c is de soortelijke warmte (J/kg/°K),
  • ∆T is de temperatuur verandering (°K),
  • L is de latente warmte (J/kg).

Soortelijke warmte c is de hoeveelheid energie die nodig om een 1 kg massa 1 °C (1 °K) te laten stijgen.

Latente warmte L is de hoeveelheid energie die nodig is om een stof een faseovergang (vast, vloeibaar, gasvormig) te doen ondergaan bij constante temperatuur en druk.

Als we de massa van het ijs, water of atmosfeer kennen, is het gemakkelijk om de hoeveelheid energie te berekenen die nodig is om de temperatuur te veranderen, te smelten of te bevriezen.

De uitgangspunten voor de berekeningen van Ward zijn in tabel 1 vermeld.

Soortelijke warmte Water vast(ijs) 2.108 J/kg/C
Ocean Water vloeibaar 3.850 J/kg/C
Air atmosferisch 1.005 J/kg/C
Latente warmte Water (H2O) vast <–>vloeibaar 3,34 x 105 J/kg

Tabel 1. Energiegegevens

Verdere details zijn te vinden in ref 6 (calculations).

Het belang van de latente warmte

Er is een grote hoeveelheid energie nodig om water van vast naar vloeibaar te veranderen. Figuur 2 toont het diagram voor soortelijke warmte en faseverandering voor water. De blauwe lijn toont de temperatuur van water in ° C (y-as) uitgezet tegen de verandering in thermische energie in kJ / kg (x-as). Het laat zien hoe temperatuur en energie met elkaar in verband staan ​​als we van koud vast ijs naar kokend vloeibaar water gaan. De gemiddelde jaarlijkse land temperatuur van Groenland is -25 ° C , punt 1 op de lijn. Als we naar punt 2 gaan, geeft dit aan hoeveel warmte-energie moet worden toegevoegd om de temperatuur van 1 kg ijs te veranderen van -25 ° C tot 0 ° C. Het is belangrijk op te merken dat bij punt 2 het ijs nog altijd 100% vast is bij 0 ° C.

Figuur 2: Warmte diagram van vast en vloeibaar water

Naarmate we van punt 2 naar punt 3 gaan, ondergaat het water een faseverandering van vast naar vloeibaar. Er is daarbij geen temperatuurverandering . De energie die moet worden toegevoegd om de waterfase van vast naar vloeibaar te veranderen, is de latente smeltwarmte. Of we nu 1 kg ijs of de hele ijskap op Groenland smelten, met behulp van formules 1 en 2 kunnen we eenvoudig de benodigde energie berekenen.

Om van punt 1 naar punt 3 te gaan, heb je Q = 3,86 x 105 joules energie nodig voor elke kg verwarmde en gesmolten ijsmassa. Figuur 2 laat ook zien wat er gebeurt als we van punt 3 (0 ° C vloeibaar zeewater) naar punt 4 gaan (kookpunt bij 100 ° C). Het kost evenveel een energie om van punt 3 naar punt 4 te gaan, als van punt 1 naar punt 3 te gaan. Het blijkt dus dat de energie, die nodig is om het ijs van -25 ° C tot 0 ° C smelten gelijk is aan de benodigde energie om het smeltwater van 0 ° C op 100 ° C te koken.

Hoeveelheid energie die nodig is om de ijskappen te smelten

Met behulp van de formules 1 en 2 is te berekenen dat de warmte-energie, die nodig is om de ijskappen met een totale massa van 2,95 x 1019 kg volledig te smelten, totaal 1,32 x 1025 J is.

Om dit in perspectief te plaatsen kun je de toename van de temperatuur van het oceaanwater te berekenen die zou resulteren uit het toevoegen van 1,32 x 1025 J van warmte. We gaan er van uit dat diep oceaanwater onder de inversielaag zeer stabiel is in temperatuur tussen 0-3 ° C. Van de oceaanwatermassa bevindt zich ca. 90% onder de inversielaag. De inversielaag en de bovenliggende oppervlaktelaag bevatten het oceaanwater dat reageert op veranderingen in de atmosferische warmte, of dat nu het gevolg is van seizoensveranderingen of klimaatveranderingen. Daarom is te berekenen, als we de warmte-energie van 1,32 x 1025 J tot de bovenste 10% van de oceaanmassa beperken, dat de temperatuurstijging 25,6 ° C zou zijn, uitgaande van een gelijke mondiale warmteverdeling. Door deze toename zou de oppervlaktetemperatuur van equatoriaal oceaanwater bijna 55 ° C bedragen. De poolzeeën zijn in dat geval ideaal om te zwemmen bij bijna 25 ° C.

Volgens NOAA is de gemiddelde oceaanoppervlaktetemperatuur in de afgelopen 50 jaar maar ongeveer 0,25 ° C gestegen.

Om het in een ander perspectief te plaatsen, is het berekenen van de toename van de atmosferische temperatuur die het gevolg zou zijn van het toevoegen van 1,32 x 1025 J warmte aan de atmosfeer. Daarbij is het vermogen van de atmosfeer om warmte-energie op te slaan echter extreem laag in vergelijking met de warmtecapaciteit in ijs. De ijskappen bevatten meer dan 900 keer de thermische energie onder 0 ° C als de atmosfeer boven 0 ° C bevat. Daarom moet de atmosferische warmte-energie continu worden bijgevuld om het smelten van het ijs te ondersteunen. De lage soortelijke warmte van lucht is een reden waarom de atmosfeer weinig warmteoverdrachtcapaciteit heeft. Daarbij komt nog de lage massa van lucht in verhouding met ijs.

Figuur 3: Verticaal profiel van de aarde atmosfeer

Figuur 3 toont het verticale profiel van de atmosfeer van de aarde. De rode lijn toont de temperatuur van de atmosfeer in °C (x-as) uitgezet tegen de hoogte in km en de druk in mbar (y-as). Ca. 75% van de massa van de atmosfeer bevindt zich in de troposfeer, waar al het leven (buiten de oceanen) op aarde bestaat.

Figuur 3 laat ook zien dat het grootste deel van de atmosfeer veel te koud is om ijs te doen smelten. Ward stelt daarbij dat we de bovenste thermosfeer dus kunnen negeren omdat de atmosfeermassa in die laag verwaarloosbaar klein is. Alleen de lagere troposfeer onder de 2,5 km hoogte bevat lucht met voldoende warmte om ijs te smelten. (Zie gebied binnen de gele ovaal.). Ongeveer 35% van de atmosferische massa bestaat onder 2,5 km en de gemiddelde temperatuur is ca. 8 ° C.

Met vergelijking 1 met Q = 1,32 x 1025 J, de massa van de atmosfeer onder 2,5 km van

1,80 x 1018 kg, kunnen we berekenen wat de temperatuur van de lucht onder 2,5 km zou zijn als deze de energie bevat die nodig is om al het ijs te laten smelten. De atmosferische temperatuur zou 7.300 ° C moeten zijn, wat 1.522 ° C heter is dan het oppervlak van de zon.

Volgens NASA is de globale gemiddelde temperatuur in de afgelopen 50 jaar maar ongeveer 0.6 ° C gestegen.

Zeespiegelstijging door toenemende atmosferische warmte-uitwisseling met ijskappen

Er is een gezegde, “You can’t have your cake and eat it too.” Evenzo kun je geen atmosferische warmte krijgen en er ook nog ijs mee smelten. Als het ijs warmte gebruikt, koelt de atmosfeer af. En als de atmosfeer zijn warmte behoudt, smelt er geen ijs. Laten we daarom enkele scenario’s bekijken waarin we energie uit de atmosfeer met ijs uitwisselen om te zien hoeveel zeespiegelstijging we kunnen krijgen.

Met de formule 1 kunnen we de verandering in energie bepalen voor een temperatuurdaling van 1 ° C in de atmosfeer onder 2,5 km. We kunnen deze energie vervolgens op het ijs toepassen, uitgaan van een maximaal smeltvolume en dat vertalen naar een zeespiegelstijging.

Voor elke 1°C aan atmosferische energie, die wordt overgebracht naar het ijs, krijgen we in theorie ca. 1 cm zeespiegelstijging (zie calculations). Sommige IPCC-scenario’s voorspellen een stijging van 4 °C van de mondiale gemiddelde temperatuur in de 21ste eeuw als gevolg van de toegenomen CO2-uitstoot in de atmosfeer. Een toename van de temperatuur smelt alleen extra ijs als de warmte wordt overgedragen aan het ijs. Als 4 °C aan energie uit de atmosfeer wordt overgebracht naar het ijs, krijgen we een zeespiegelstijging van ca. 4 cm en een atmosfeer die 4 °C koeler is.

Theoretisch smelten door fossiele energie

Bovenstaande geeft aan dat het niet te verwachten is dat grote hoeveelheden ijs snel door natuurlijke oorzaken worden gesmolten. De volgende voor de hand liggende vraag is: kan de mensheid voldoende warmte genereren om snel een aanzienlijke hoeveelheid ijs te smelten?

De jaarlijkse wereldwijde productie van elektriciteit bedraagt ​​25 petawattuur (25 × 1015 Wh) of 9 × 1019 Joules. Als we in theorie alle elektrische energie, die in een jaar is gegenereerd, kunnen transporteren naar het ijs (en dit doen zonder transmissie- of distributieverliezen), hoeveel ijs kunnen we dan smelten?

Het antwoord is een hoeveelheid ijs die maar 0,05 cm zeespiegelstijging veroorzaakt. De mensheid zou meer dan 146.000 jaar moeten afzien van de voordelen van elektriciteit om al het ijs te smelten.

Als we de jaarlijkse wereldwijde totale energieproductie van ca. 125 petawattuur zouden gebruiken, dan zou de stijging nog maar 0,25 cm bedragen

Samenvatting

Ondanks het grote aantal berichten in de media die het tegendeel beweren, tonen studies over het smelten van ijskappen in de afgelopen eeuwen een opmerkelijke stabiliteit van het ijs. Gebruik makend van het juiste perspectief, laten de analyses van ijsmassaverliezen zien dat de ijskappen honderdduizenden jaren nodig zullen hebben om te smelten, ervan uitgaande dat er ondertussen niet al een volgende ijstijd begint. Een toepassing van eenvoudige natuurkunde toont aan dat voor elke 1 ° C aan atmosferische warmte die wordt uitgewisseld met de ijskappen, we een maximale zeespiegelstijging van ca. 1 cm krijgen.

De atmosfeer en oceanen tonen echter niet de toename van energie die nodig is om een ​​rampzalige zeespiegelstijging door snel smeltend ijs te veroorzaken. Met het juiste perspectief over de hoeveelheid energie die nodig is om ijs te smelten, zou het voor ‘klimaatdeskundigen” veel moeilijker moeten zijn om het publiek bang te maken met scenario’s die niet door de natuurkunde wordt ondersteund.

Tot zover het artikel van William Ward.

Discussie

Ondanks de vele onderzoeken door gerenommeerde instituten en universiteiten zijn er blijkbaar nog veel onzekerheden (Hoezo “the science is settled?”). Er worden zowel verschillende zeespiegelstijging in het verleden berekend als wel verschillende (soms catastrofale) stijgingen in de toekomst gepubliceerd.

Voor de lezers op Climategate.nl lijkt me dit een onderwerp om eens inhoudelijk van gedachten te wisselen op de feiten en de berekeningen.

Tjerk Veenstra.

Ik geef hierbij alvast wat discussiepunten.

  1. William Ward beperkt zijn berekeningen tot de onderste 2,5 km van de atmosfeer. Is dit correct of moeten we niet de hele atmosfeer er bij betrekken. De hele atmosfeer met een hoogte van 120 km weegt 5.6 * 1018 kg en heeft een totale warmtecapaciteit van 5 * 1021 J/K.
  2. De zuidpool ijskap geeft in theorie voldoende ijswater om het zeeniveau wereldwijd 80 – 100 m te laten stijgen, dus meer kan het niet worden. Dat is vergelijkbaar met de stijging van 120 m door het afsmelten van de ijskap op het noordelijk halfrond dat ongeveer 22.000 jaar geleden begon en 12.000 jaar heeft geduurd. Kan dat een indicatie geven of een stijging van 1,5 – 2 graad in 80 jaar een trigger voor dergelijke smelt periode kan zijn?
  3. Hoe kan verklaard worden, dat de Vikingen een tijdlang op Groenland hebben gewoond en daarbij aan landbouw hebben gedaan. Is het alarmistische scenario dan wel correct, als men beweert dat, als de noordpool en Groenland ijsvrij zijn, het een “point of no return” zal zijn en het ijs nooit weer terug komt?