Het is toch de zon!

Zichtbaar zonlicht daarentegen kan de oceanen wel binnendringen, zonder noemenswaardig verlies van energie aan verdamping.

Een bijdrage van André Bijkerk.

Een standaard zin die in enig beleidsstuk over de Marine altijd terugkomt, is: De aarde bestaat uit 70% zeeën en oceanen en dus… (en dan volgt tussen de regels door de clou: en dus zijn wij, Marine, – de verdedigers daarvan – belangrijk. En analoog daaraan is de invloed van de oceaan, het wateroppervlak op de atmosfeer en dus het weer en het totale klimaat, aanzienlijk belangrijker dan het landoppervlakte. Nu hebben we eindeloze discussies gehad over deze interacties, opwarming, afkoeling, verdamping etc. Kunnen infrarood en de atmosfeer de oceanen effectief opwarmen of kan alleen het zichtbare licht van de zon dat doen? Het viel me op dat we daarbij echter steeds voorbij gingen aan de elementaire natuurkunde op moleculair niveau en aan de kwantificering van de energiestromen. Daarin voorziet nu deze bijdrage, zij het zeer summier. We staan eerst even stil bij moleculaire gedragingen en wel zoals ik het mijn moeder zou vertellen, dus zeer beknopt en ontdaan van alle complicaties. Daarna doen we een elementaire kwantitatieve verkenning naar de oorzaak van de opwarming van de oceanen en dan komt de oorzaak vanzelf bovendrijven.

Moleculaire bewegingen
Moleculen bewegen, ze trillen, dansen, krioelen, vliegen, jitteren en hobbelen, wat je maar kunt verzinnen. Die beweging ervaren wij als warmte. Hoe meer beweging, hoe warmer en omgekeerd, hoe minder hoe kouder, bij het absolute nulpunt (0 kelvin of min -273 graden Celsius) staan ze dan ook per definitie stil. Daarnaast, bij vaste stoffen maken de moleculen pas op de plaats. Hoe ze ook dansen, duwen en donderjagen, ze komen nergens. In een vloeistof (hierna te noemen water) doen ze dat wel, maar ze krioelen dicht om elkaar heen waarbij ze onderhevig zijn aan elkaars wisselende aantrekkingskrachten, de zogenaamde vanderwaalskrachten en hiermee kunnen ze ook bewegingsenergie met elkaar uitwisselen (“botsen”). Hierdoor gaat de ene molecuul soms een stuk sneller ten koste van andere, die overeenkomstig worden afgeremd  om te voldoen aan de wet van behoud van energie. Mocht zo’n tijdelijk snel molecuul toevallig aan het oppervlakte zijn en ook nog omhoog bewegen, dan kan het zo maar zijn dat het aan de vanderwaalskrachten van zijn kompanen ontsnapt. Het is dan ‘verdampt’ en het spoedt zich dan voort tussen de andere moleculen in het gas erboven (hierna te noemen lucht of atmosfeer). Deze moleculen zijn zo snel en hebben zoveel tussenruimte, dat de vanderwaalskrachten geen noemenswaardige rol meer spelen. Een aardige animatie van al die processen hier.

Met het afscheid van dat hele snelle watermolecuul, moeten we ook even stilstaan bij de achterblijvers, want die zijn daardoor een stuk bewegingsenergie kwijtgeraakt, ontvreemd door de voortvluchtige. Het resultaat is dat de gezamenlijke bewegingsenergie in het oppervlakte iets is afgenomen en dat is identiek aan iets kouder geworden. Verdamping koelt af. Per gram verdampt water verdwijnen er zo’n 2256 joules energie uit het water, genoeg om meer dan vijf keer zoveel water van nul graden Celsius op te warmen tot het kookt.

Andersom gebeurt natuurlijk ook. Verdampte watermoleculen kunnen zomaar tegen het wateroppervlakte knallen, en als dat met relatief weinig energie gebeurt, kan het daar ook achterblijven, condensatie. Hierbij wordt zijn bewegingsenergie weer verdeeld over de hele meute watermoleculen. De mate waarin dit gebeurt is hoofdzakelijk afhankelijk van temperatuur (relatieve vochtigheid), convectie (afvoer van vochtige warme lucht naar boven) en de wind (turbulentie), die vochtige oppervlaktelucht mengt met drogere bovenlucht. Normaliter, in het grote plaatje, zou er zo evenwicht zijn in de processen, inclusief de neerslag, tenzij er een trend is die het evenwicht beïnvloedt.

Maar wat nu als ‘lucht’-moleculen (zuurstof, stikstof etc.) met het wateroppervlakte botsen? Ook dan zal eventueel overgedragen bewegingsenergie worden verdeeld over de watermoleculen van het oppervlakte, de kans van hun ontsnapping/verdamping vergrotend. Lucht-moleculen hebben echter niet veel op met de vanderwaalskrachten van water en in de regel verdwijnen ze weer vlot terug naar boven, alhoewel een enkeling achterblijft. Maar, stel nu dat deze lucht veel warmer is (identiek met veel snellere moleculen). Daardoor worden dus de botsingen met het wateroppervlak heftiger, de watermoleculen aan het oppervlakte krijgen daardoor dus ook meer bewegingsenergie waardoor ze makkelijker ontsnappen/verdampen, met zoals we zagen, het verdonkeremanen van die energie. Die hogere energie van de lucht wil dus gewoon niet in het water blijven en dat is de basis van de regelmatig tegengesproken bewering dat warme lucht boven het oppervlak het water niet of nauwelijks effectief opwarmt. Dit is ook aangetoond (min of meer dan). Global warming, als in warmere lucht boven de oceanen, kan dus maar betrekkelijk weinig tot vrijwel niets hebben bijgedragen aan hun opwarming

Hoe zit het dan met infrarode straling? Watermoleculen zijn goed in het uitstralen en absorberen van infrarode energie. Wanneer ze een energie deeltje (foton) absorberen, zijn er een aantal mogelijke reacties. Meestal zendt het molecuul op zijn beurt vrijwel onmiddellijk de energie weer uit als een foton uit in een willekeurige richting, dat dan ofwel weer wordt geabsorbeerd door een naburige molecuul, ofwel – afhankelijk van de richting – ontsnapt uit het water. Maar soms delen de getroffen (geagiteerde) moleculen de energie als bewegingsenergie met hun buren en dit is dus in feite hetzelfde als opwarming. Dit proces is het sterkste aan het wateroppervlak, een honderdste millimeter dieper (zie fig 2) is alle infrarood energie wel z’n beetje opgenomen en omgezet in beweging/warmte.

Al die bewegingsenergie zit dus in het bovenste vliesdunne laagje. Kan dat naar beneden? Moeilijk. Weliswaar helpen golfvorming en turbulentie, maar het effect van die relatief langzame bewegingingen op zeer snelle moleculaire en radiatieve processen zal beperkt zijn. Wel geldt dat de heftiger bewegende ‘warme’ moleculen  meer bewegingsruimte opeisen dan de langzamere exemplaren eronder. Die kunnen geen kant op en vormen min of meer een barrière. De hoog-energetische oppervlakte moleculen moeten daarom verticaal hun expansie zoeken, omhoog. En dus blijft de bewegingsenergie aan de oppervlakte, waar de verdampingskansen verhoogt zijn en meer snelle hoog–energetische moleculen het luchtruim kiezen. Hierdoor daalt het totale energieniveau (temperatuur) aan het oppervlakte weer zoals we hebben gezien. Infrarood verhoogt dus de verdamping.

Ik vroeg me ook af welk percentage infrarood energie uiteindelijk weer onverrichte zake het water zou verlaten na een n–aantal absorptie–emissies, als functie van de kans van definitieve absorptie bij elke individuele absorptie, waarbij dan uiteindelijk de energie in warmte wordt omgezet. Nu heb ik geen idee van de sommetjes daarvoor, maar zoiets laat zich prima simuleren in MS–excel en dat leverde het volgende plaatje op (fig 1):

Fig 1 relatie tussen definitieve absorptiekans per individuele absorptie gebeurtenis (X-as), de uiteindelijke definitieve absorptie kans versus ontsnapping terug naar de atmosfeer (linker Y-as) en de gemiddelde penetratiediepte bij definitieve absorptie (rechter Y-as).

Dit is een puur speelmodel en pretendeert geen natuurgetrouwe weergave te zijn van de werkelijkheid. Elk datapunt is het gemiddelde van tienduizend simulatieruns waarin het pad van een foton als random walk is gesimuleerd (excel–sheet is beschikbaar). Elke random walk eindigt in hetzij ontsnapping terug naar boven het wateroppervlak; hetzij uiteindelijke absorptie waarbij de blauwe grafiek aangeeft op welke gemiddelde diepte dat gebeurt. De eenheid hier (links) staat voor de maximale pad–lengte van een foton voordat absorptie plaatsheeft. De rode grafiek geeft de kans van uiteindelijke definitieve absorptie versus ontsnapping van het foton aan het water.

Het lijkt erop dat wanneer de kans op heruitzending van een foton het grootst is en dus definitieve absorptie klein is, zeg 1% , links in de grafiek, dat dan ook de kans op ontsnapping terug uit het water het grootst is, ruwweg 85% (rode grafiek), maar bij die definitieve absorptie van die overige 15% wordt wel een grotere gemiddelde penetratiediepte bereikt van 6-7 eenheden. De overgedragen energie kan daardoor minder makkelijk verdampen (letterlijk). Rechts in de grafiek is de kans op definitieve absorptie groter, in de orde van grootte van 50%, maar dit gebeurt veel dichter bij het oppervlak en daardoor kan de energie dus ook weer makkelijker verdampen. Zowel links als rechts verlaat dus een groot deel van de energie het water weer, hetzij meer door her-emissie uit het water links in de grafiek, hetzij meer door verdamping rechts in de grafiek. Het resultaat is dus dat de oceaan niet of nauwelijks kan opwarmen door infrarood. De meest krachtig ontkende natuurlijke wetmatigheid die desondanks routinematig in de praktijk wordt toegepast.

Dan zichtbaar (zon-)licht. Watermoleculen zijn minder goed in de absorptie van hoog-energetische lichtstralen, daardoor kun je onder water zien. Zonlicht dat het wateroppervlakte bereikt, wordt voor het grootste gedeelte ongehinderd binnen gelaten. Het wordt pas geleidelijk na enige meters, tot tientallen meters diepte geabsorbeerd afhankelijk van de kleur (zie fig 2), waarbij de stralingsenergie wordt omgezet in warmte energie. Kortom, zichtbaar (zon-) licht komt relatief makkelijk het water binnen en het energie verlies door verdamping aan het oppervlakte blijft beperkt.

Fig 2. Absortiediepte voor electromagnetische straling op logaritmische schalen. Zichtbaar licht (blauw) licht met een golflengte van ca 500 nanometer komt tot ca 50 meter diepte, infrarood met een golflengte van rond de 10-15 micrometer komt tot ca 10^-5 meter ofwel 10 micrometer (micron).

(Bron)

Kwantificering oceaanopwarming

Nu kun je wel aantonen dat atmosferische warmte en infrarood licht eerder de verdamping bevorderen dan de oceaan opwarmen, maar hoe zit dat eigenlijk in de praktijk? Als de oceanen nu een opwarmingstrend laten zien van ongeveer 0,4 x 10^22 Joule per jaar (fig 1 hier). Dan is dat met 360E6 km2 totaal aan oceaan oppervlakte ongeveer 0,35 watt/m2 dat er per jaar extra inkomt (0,4E22 Joule totaal per jaar = 1,27E14 Joule per seconde (watt); met een totaal oceaan oppervlak van (360E12 m2) is dat 0,35 W/m2. Per decennium is dat dan dus een trend van 3,5 W/m2 en dit kunnen we nu vergelijken met andere getallen en trends, die we hebben over opwarming, infrarood en zichtbaar licht.

Stel we hebben een opwarmingstrend van ca 0,155 graden per decennium en we vergelijken de energie niveaus van bijvoorbeeld de gemiddelde aardtemperatuur van 15 graden Celsius, ofwel 288,0 Kelvin met 288,155 Kelvin volgens de vergelijking van Stefan-Boltzmann dan is het bruto verschil 0,84 W/m2 per decennium. Duidelijk onvoldoende dus om de oceaan opwarming (3,5 W/m2) te verklaren, zelfs al zou alle warmte wel kunnen worden overgedragen van de atmosfeer naar het wateroppervlakte zonder verdampingsverlies.

De toegenomen, teruggestraalde, infrarood dan? De getallen hierover zijn beperkt. Feldman et al 2015 hebben een trend van zo’n 0,2 W/m2  per decennium waargenomen tussen 2000 AD en 2010 AD. Dat is het dus al helemaal niet. Zelfs al zou alle toegenomen infrarode terugstraling door de oceaan worden opgenomen, dan nog is het een druppel op de gloeiende plaat. Ik had dus helemaal niet zo uitgebreid stil hoeven te staan bij het opwarmings/verdampingseffect van infrarood. Er is toch sowieso veel te weinig trend in. Terzijde, maar toch cruciaal, moet ook worden opgemerkt dat de temperatuurtoename ook tot een verhoging van de infrarood–terugstraling leidt. Zoals we in de vorige paragraaf zagen, bedroeg deze 0,84 W/m2 . Die 0,2 W/m2 per decennium van Feldman et al zou dus zomaar een andere oorzaak kunnen hebben, namelijk gewoon verhoogde infraroodstraling door de hogere temperatuur.

Zichtbaar licht dan? Ook daar zijn getallen over, zij het fragmentarisch en met uiteenlopende waarden. Pallé et al 2006 tonen een trend van ruwweg 7-8 W/m2 tussen 1985 en 2005 afgelezen in fig 3, ofwel 3,5-4 W/m2 meter per decennium en we hadden 3,5 nodig om de opwarming van de oceaan te verklaren. Dit deden ze door de reflectie van de aarde op de maan te meten. Dat schept niet echt vertrouwen, temeer daar het niet representatief is voor de hoeveelheid energie dat de oceanen bereikt en we zoeken daarom meer bronnen.

Fig 3. Zonne-instraling tengevolge van de variatie van het aards albedo door het wolkendek in watt per vierkante meter (rechter Y-as) Pallé et al 2006.

Andere metingen: Voor Europa Pfeifroth et al 2018: 1,9 – 2,4 W/m2  , Voor de USA, 4,5 W/m2 aan indirect zonlicht (Long 2015). Over het algemeen variëren de gemeten en geschatte waarden van de recente global brightening tussen de 2-8 W/m2 per decennium. Orgurtsov et al 2012 zitten ook rond dergelijke waarden, maar deze is met name interessant met het oog op hun conclusie nummer twee:

2) The rise of temperature, caused by a global brightening during 1983-2001, has been compensated by a currently unknown, extra cooling factor.

Het antwoord is nu duidelijk; afgezien van negatieve feedback processen in de atmosfeer, wat dacht je van opname in de oceanen, onder het wateroppervlak?

Maar los daarvan, bij gebrek aan andere potentiële oorzaken het lijkt hiermee uiterst waarschijnlijk dat de toegenomen zonnigheid van 2-8 W/m2 per decennium (niet te verwarren met variatie in zonneactiviteit), als gevolg van verminderde bewolking zoals fig 4 aantoont, overeenstemt met de opwarming van de oceanen van ca 3,5 W/m2 per decennium.

Fig 4, bewolkingsgraad tussen 1983 en 2010

Bron

Conclusie

De opwarming van de oceanen door toevoeging van energie  in recente decennia, kan niet of nauwelijks zijn veroorzaakt door een warmere atmosfeer of door infrarood-terugstraling om twee redenen. Beide verliezen hun effectiviteit aan het wateroppervlak doordat de energie voor een groot deel in de verdamping van water gaat zitten. Dit is niet alleen theorie maar ook in de praktijk aangetoond. Daarnaast is toename van de energie van beide veel te klein. Zichtbaar zonlicht daarentegen kan de oceanen wel binnendringen, zonder noemenswaardig verlies van energie aan verdamping. De absorptie daarvan in diepere lagen zorgt effectief voor de opwarming van de oceanen. De diverse metingen en schattingen van toename van zonne-instraling door verminderde bewolking en dergelijke, komen ook goed overeen met de toegenomen hoeveelheid energie in de oceanen. Kortom, het is de zon.

Naschrift

Het doel van het stukje is bereikt. We weten wat de oceanen wel heeft opgewarmd. Maar misschien moeten we een stap verder gaan. Als het de door afnemende bewolking toegenomen zonnestraling is, die de oceaan de laatste paar decennia heeft opgewarmd, wat zou dan de continenten hebben opgewarmd? Inderdaad, niet het vermeende broeikaseffect, dat is dan ook in de praktijk nauwelijks waargenomen, of misschien wel helemaal niet. En zo is de oceaanopwarming door de zon het bewijs tegen de dominantie van het broeikaseffect. En dus zal niets, dat we menen te moeten doen aan zelfvernietiging, het klimaat te redden. De zon en de wolken gaan gewoon hun eigen weg.