CO2 is niet het belangrijkste broeikasgas

In hoeverre is broeikasgas vergelijkbaar met een broeikas?

Een bijdrage van Hugo Matthijssen.

Kijken we naar een broeikas dan zien we een door glas afgesloten ruimte waarbinnen zich lucht bevindt. Zonlicht met name UV–straling komt vrijwel ongehinderd door het glas. Als het zonlicht de bodem bereikt wordt de UV–straling omgezet in infrarood en warmt de lucht in de broeikas op.

Het zal duidelijk zijn dat de warmte in de broeikas ook weer verdwijnt en een van de manieren is warmteoverdracht aan de omringende lucht. Dat betekent dat het niet oneindig warmer wordt. We kunnen de temperatuur ook regelen. De warme lucht kan versneld ontsnappen door ramen open te zetten. Warme lucht stroomt zo uit de kas en als we midden in de zomer ook nog wat zonwering regelen, bijvoorbeeld met kalk op de ramen, kun je de temperatuur goed regelen.

En wat is het effect van broeikasgas?

Kijken we naar de aarde dan zien we een soortgelijk proces. Zonlicht komt binnen door de atmosfeer en warmt de lucht vanaf grondniveau op. Zou deze warmte ongehinderd kunnen uitstralen, dan zou de temperatuur een stuk lager zijn en was de aarde een ijsplaneet. Gelukkig hebben wij broeikasgassen. Echter de vergelijking met een broeikas is niet helemaal juist. De werking van broeikasgassen is toch een totaal andere dan die van een ruit in een broeikas

Een broeikasgas houdt de infrarood uitstraling namelijk niet direct tegen maar vangt de, vanaf de bodem uitgaande, straling eerst op en straalt die vervolgens in alle richtingen weer uit. Slechts een deel wordt ook weer teruggestraald.

Wat is in de atmosfeer het belangrijkste broeikasgas?

Als we kijken naar de broeikaswerking van het betreffende gas, de hoeveelheid van effecten daarvan op de temperatuur van de atmosfeer dan komen een aantal variabelen in beeld.

De broeikaswerking van het gas binnen het infraroodspectrum

Het infrarood spectrum omvat zoals het woord het al aangeeft een bandbreedte. Voor de technici onder ons de frequentie zit tussen de 3 – 430 Thz. En in de praktijk werken alle broeikasgassen in op een iets andere frequentie.

Een ander aspect is de hoeveelheid in de atmosfeer. Kijken we naar CO2 dan zien we daarvan een hoeveelheid van 405 ppm in de lucht. Dat is 405 deeltjes per 1.000.000 delen lucht. Dat is relatief weinig en sinds het begin van de industriële revolutie is de hoeveelheid met 120 ppm toegenomen terwijl de gemiddelde luchttemperatuur in dezelfde periode met 0,6 graden is gestegen.

Die stijging wordt door het IPCC voor het grootste deel aan het menselijk handelen toegeschreven. In de praktijk echter was de aarde al in een fase van opwarming sinds de kleine ijstijd. De gletsjers smolten dan ook al voor het begin van de industriële revolutie.

Een ander belangrijk broeikasgas dat nauwelijks in beeld komt in het opwarmingsverhaal wat door onze media gebracht wordt, is waterdamp H2O. Kijken we naar waterdamp dan zien we dat er daarvan, buiten de polen en de woestijnen (gebieden met veel minder waterdamp), gemiddeld tussen de 10.000 en 40.000 ppm waterdamp in de lucht voorkomt.

Hoe kan dan CO2 het belangrijkste broeikasgas zijn vraag je je af. Is de broeikaswerking van een CO2 molecuul dan veel groter? CO2 en H2O (waterdamp) bestaan beide uit 3 atomen en er zijn gassen met een veel sterkere broeikaswerking zoals methaan b.v.

Even wat info:

Als we naar hoeveelheden kijken dan hebben we afhankelijk van de temperatuur en vochtigheidsgraad lokaal tussen de 10.000 ppm en 40.000 ppm H2O in de lucht. Met CO2 komen we op 405 ppm. Er zijn naast waterdamp en CO2 nog veel meer broeikasgassen maar als we kijken naar de broeikaswerking op aarde dan is de invloed daarvan niet echt groot, met name omdat van die andere broeikasgassen maar weinig in de atmosfeer voorkomen.

Alle broeikasgassen tezamen leveren een natuurlijk broeikaseffect op van 33ºC. Zonder broeikaswerking zou de aarde een koude bevroren bol zijn in de ruimte zonder enig leven.

Kijken we naar de tekst van het KNMI dan zie je dat daar de broeikaswerking van waterdamp H2O en koolzuur CO2 op een lijn gezet worden en de vraag is of dat juist is.

Dit schrijft het KNMI:

Van de 33° C temperatuurverhoging van de troposfeer als gevolg van het broeikaseffect komt ruwweg 21° C voor rekening van waterdamp. Waterdamp absorbeert sterk in de banden 2,4 – 3,1 µm, 4,5 – 6,5 µm en boven de 16 µm. Voor CO2 is de belangrijkste absorptieband gelegen bij 14 – 16 µm, maar er zijn ook absorptiebanden bij 2,6 µm en 4,2 µm. Daar waar in het infrarode spectrum waterdamp en CO2 niet werkzaam zijn als absorptiemedium, zoals in de nabijheid van 10 µm golflengte, ontsnapt langgolvige straling ongehinderd de ruimte in. Het gebied van 8,5 – 13 µm is het zogenaamde atmosferische venster.

Bron hier.

Met andere woorden H2O en CO2 werken beide in het infraroodspectrum op een ander golflengte. H2O en CO2 vangen beide infraroodstraling in die door de aarde naar buiten toe wordt uitgestraald en een deel daarvan wordt vervolgens teruggestraald. En gezien de samenstelling is de broeikaswerking vrijwel gelijk, zodat de hoeveelheid van het gas in de atmosfeer bepalend is voor de bijdrage aan de broeikaswerking.

In de praktijk is het dan ook onmogelijk dat 120 ppm CO2 toename van de afgelopen 140 jaar tot nu 405 ppm echt veel opwarming zou veroorzaken als je daarnaast de werking van 10.000 tot 40.000 ppm H2O zet (afhankelijk van temperatuur en vochtigheidsgraad).

Bron hier.

Hoe komen we er dan bij dat CO2 het belangrijkste broeikasgas is?

We kunnen op basis van het bovenstaande stellen dat waterdamp het belangrijkste broeikasgas is en niet CO2. Laten we nu eens kijken wat het KNMI daarover zegt. Dit is de letterlijke tekst:

Het belangrijkste broeikasgas is waterdamp.

Bron hier.

En vervolgens komt er een theoretisch verhaal. Vrij vertaald:

De versterkende werking van waterdamp. Aangegeven wordt dat CO2 de temperatuur op aarde een beetje laat stijgen en ook dat warmere lucht meer waterdamp kan bevatten zodat CO2 op deze wijze indirect zorgt voor de “gevaarlijke” opwarming.

Zij stellen dan ook het volgende:

De hoeveelheid waterdamp in het klimaatsysteem wordt vooral gestuurd door de temperatuur. Een hogere temperatuur geeft een hoger gemiddeld waterdampgehalte in de atmosfeer door de genoemde temperatuurafhankelijkheid van de waterdampspanning. Dit staat ook wel bekend als de wet van Clausius-Clapeyron.

Dat is heel mooi in een laboratorium maar is dit in de atmosfeer ook zo vraag je je af, laten we er eens naar kijken.

1e In een woestijn kan het zeer heet worden overdag en erg koud ‘s nachts. Woestijnen ontstaan als vochtige lucht het woestijngebied nauwelijks kan bereiken. Dat kan bijvoorbeeld door hoge bergen die maken dat waterdamp in de lucht uitregent voordat de lucht over de berg heen is of een gebied dat zo groot is dat waterdamp het gebied nauwelijks bereikt. Er komt in woestijnen dan ook zeer weinig waterdamp voor.

Dat betekent dat het broeikasgas CO2 hier vrijwel alleen actief is. Overdag is er veel zoninstraling. Daarbij kan de temperatuur wel oplopen tot 50 graden Celsius. En in de nacht daalt de temperatuur snel tot wel > – 20 graden. CO2 heeft deze snelle uitstraling niet echt verhinderd.

Ook op de polen komt weinig waterdamp voor. De oorzaak daarvan is dat koude lucht veel minder water kan vasthouden. Het gevolg daarvan is dat waterdamp in de over zee aankomende lucht die boven de polen aankomt en afkoelt, zeer snel zal condenseren en vervolgens bevriezen en zo groeit dan door sneeuwval ook de ijslaag aan.

Dat betekent dat we kunnen stellen dat CO2 niet overal direct zorgt voor meer waterdamp in de lucht. De theorie is theorie. Buiten de modellen zie je er in de praktijk niets van terug. Zou deze theorie juist zijn, dan zou een beetje CO2 zorgen voor enige opwarming waarna er meer waterdamp in de atmosfeer zou moeten komen, die vervolgens weer zou zorgen voor nog meer opwarming en nog meer waterdamp etc. Dan zou de aarde nu al onleefbaar zijn.

De kernvraag is dan ook wat maakt in de praktijk dat de opwarming niet sterk versnelt en hoe het komt dat deze praktijk niet echt aansluit op de theorie?

In een broeikas zie je dat naast de uitstraling door de ramen 2 regelsystemen gebruikt worden om de temperatuur binnen gewenste grenzen te houden. Dat is de zonwering op de ramen om de instraling te beperken en regelbare open ramen om de overtollige warmte naar buiten te brengen als dat nodig is.

Laten we nu de vergelijking eens maken tussen een broeikas en de broeikasgassen.

1e. Op de aarde kennen we ook “open ramen” (zie boven).

Daar waar in het infrarode spectrum waterdamp en CO2 niet werkzaam zijn als absorptiemedium, zoals in de nabijheid van 10 µm golflengte, ontsnapt langgolvige straling ongehinderd de ruimte in. Het gebied van 8,5 – 13 µm is het zogenaamde ”atmosferische venster.”

2e. Bewolking met name hoge stratus bewolking zorgt voor het terugkaatsen van het zonlicht naar de ruimte. Aan de andere kant zorgt laaghangende bewolking ook voor het terugkaatsen van infrarood naar de bodem in de nacht.

3e. De convectie o.a. boven de evenaar. Daar is de meeste zon instraling op aarde zodat op de evenaar de warme lucht opstijgt (net als boven een radiator in de woonkamer). Door die stijging boven de evenaar ontstaat daar een lagedrukgebied en stroomt de lucht vanaf de keerkringen naar de evenaar toe.

De toestromende lucht warmt onderweg op en neemt ook nog eens veel vocht mee over zee. Boven de evenaar stroomt de lucht naar boven en koelt af. Zo kan de warmte van de lucht en de condenserende waterdamp tot aan de tropopauze komen en uitgestraald worden. De afgekoelde lucht stroomt omlaag richting keerkringen en vormt zo de hadleycellen, een grote warmtepomp (zie hier).

4e. De werking van convectie en waterdamp in het weersysteem. Als je de link volgt dan zie je ook een stuk tekst over de hoge– en lagedrukgebieden. De lucht wordt op grondniveau aangevoerd vanaf de hogedrukgebieden richting lagedrukgebieden. Wat je daar ziet is dat vervolgens in een lagedrukgebied de lucht stijgt en adiabatisch afkoelt waardoor de door condensatie vrijkomende warmte wordt afgegeven aan de omringende lucht zodat de stijging van deze lucht onderweg nog eens wordt versneld. Waterdamp is dan ook de motor achter het weer.

Adiabatische afkoeling

Verticale luchtbewegingen verlopen adiabatisch. Een stijgende luchtbel koelt dus niet af omdat de omgevende lucht kouder wordt, maar omdat de luchtdrukafneemt, waardoor deze uitzet. Dit kost arbeid, die door de luchtbel geleverd moet worden. Hierdoor daalt de temperatuur van de opstijgende luchtbel maar stijgt deze als de luchtbel daalt. Zit er in de lucht waterdamp dan zal dat na voldoende afkoeling gaan condenseren daar zie je dan een wolkenbasis ontstaan. Door deze condensatie zal warmte aan de omringende lucht worden afgegeven binnen de wolk, bij verder stijgen zal door de condensatie de temperatuur in de wolk hoger zijn dan de omringende droge lucht waardoor de wolk, net als een warme luchtballon, zal doorstijgen.

En nu de belangrijkst de werking van waterdamp. Om dat goed in beeld te krijgen, kijken we eens naar El Niño. Bij het begin van El Niño ontstaat er een “hot spot” in de oceaan, waar lucht wordt opgewarmd en gaat stijgen en na het bereiken van de wolkenbasis zal de lucht in de wolk door condensatie sneller stijgen dan de omringende droge lucht. Er ontstaat lokaal een lagedrukgebied waardoor lucht over zee naar de warme plaats toestroomt, de koude lucht stroomt onderweg over warmer water en warmt ook op, zodat door deze lucht ook veel waterdamp wordt meegenomen. (Warme lucht kan veel meer waterdamp opnemen dan koude lucht).

Komt deze vochtige lucht vervolgens aan bij de “hot spot” dan zien we dat deze niets anders kan dan stijgen. Tijdens die stijging koelt de lucht af en waterdamp condenseert waarbij warmte wordt afgegeven aan de omringende lucht. Daardoor ontstaan lokaal hevige regen en blijft de warmte in de buurt van de tropopauze achter, zodat extra uitstraling kan plaatsvinden.

Het zal duidelijk zijn dat de theorie van de versterkende werking van waterdamp uitgaande van het stralingsmodel wel werkt, maar aan de andere kant is met name waterdamp na condensatie tot wolken verantwoordelijk voor terugstraling van warmte naar de ruimte en zorgt het proces van adiabatische afkoeling voor extra warmteproductie binnen de wolken.

Dick Thoenes omschrijft het totale effect van opwarming door broeikasgassen en de overdracht van warmte door de verschillende processen in de atmosfeer als volgt:

In de praktijk zorgen broeikasgassen dan ook slechts voor een kleine opwarming van de onderste laag van de atmosfeer, zodat het aardoppervlak evenveel in temperatuur stijgt om zijn constante warmtestroom aan de atmosfeer af te kunnen geven. De warmteoverdracht is immers evenredig met het temperatuurverschil oppervlakte/lucht. Dit geldt bij goede benadering ook voor de straling (bij de heersende kleine temperatuurverschillen). Overigens wordt de meeste warmte overgedragen door convectie en door verdamping + condensatie.

Er wordt evenveel warmte aan de lucht overgedragen en er is geen ophoping door CO2.

In de atmosfeer wordt de warmte door verschillende processen overgedragen naar hogere luchtlagen en vanuit de hoogste laag door straling aan het heelal afgegeven vanuit wolken en CO2 (er is hier immers vrijwel geen waterdamp meer bij min 40 graden).

Samenvattend:

1e. Broeikasgassen hebben in de praktijk een totaal andere werking dan een broeikas. Het is zelfs zo dat in de nabijheid van de 10 µm golflengte langgolvige straling ongehinderd de ruimte in verdwijnt (de ramen staan deels open). Ook wordt niet alle straling binnen de golflengte waarbinnen het gas werkzaam is tegengehouden. De uitgaande infraroodstraling wordt geabsorbeerd en vervolgens rondom uitgestraald.

2e. CO 2 met 405 ppm in de atmosfeer en waterdamp (H2O) tot 40.000 ppm zijn beide broeikasgassen en de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer is veel groter, zodat waterdamp als belangrijkste broeikasgas gezien kan worden. Waterdamp is dan ook verantwoordelijk voor 66% van de opwarming.

3e. De werking van waterdamp in de atmosfeer is naast wolkenvorming ook condensatie. Water verdampt en komt in de atmosfeer terecht, waarna het bij stijgende lucht condenseert, wolken vormt die straling kan tegenhouden en verder afkoelt o.a. tot koud water, sneeuw en hagel. Daarmee wordt een enorme hoeveelheid warmte naar de tropopauze gebracht. Om een beeld te geven dit is tekst van het KNMI.

Neerslag

Ongeveer 70 procent van het aardoppervlak bestaat uit oceanen, zeeën en meren. Hieruit verdampt water en hogerop in de troposfeer (de onderste laag van de dampkring) condenseert een deel van deze waterdamp tot wolkendruppeltjes. Op den duur komt dit water weer als neerslag op aarde terecht. Gemiddeld over de aardbol is dit 1 meter neerslag per jaar.

Bron hier.

Het zal duidelijk zijn dat deze enorme hoeveelheid water die als waterdamp in de atmosfeer condenseert in de praktijk erg veel warmte aan de omringende lucht afgeeft.

De conclusie is dan ook dat CO2 minder van invloed is op de “opwarming” dan in de politiek en de media wordt gebracht. Dat blijkt ook uit de praktijk de modelberekeningen blijken ongeveer een factor 3 hoger uit te komen dan de gemeten waarde.

En dan krijg je dit soort berichten.

En blijkt de Zuidpool helemaal niet af te smelten als gevolg van de opwarming. Zie hier.

En zo moet het KNMI gaan zoeken naar de verdwenen warmte. Een stukje van hun tekst:

De bovenlaag van de oceaan is tegen de verwachtingen in sinds 2003 niet meer warmer geworden ondanks de toename van broeikasgassen in de lucht. Een KNMI-studie toont aan dat de bovenste oceaanlaag koel is gebleven door natuurlijke variaties in het klimaat. Een deel van de warmtestraling is hierdoor teruggekaatst naar de ruimte en een deel van de warmte is in de diepere lagen van de oceaan opgeslagen.

De oceaantemperatuur is 0,02 graden Celsius minder gestegen dan verwacht. Een fractie van een graad maar omgerekend is dit een grote hoeveelheid warmte. Als hiermee de lucht zou zijn opgewarmd, dan zou het de afgelopen acht jaar 5 graden warmer zijn geworden. Dat is niet gebeurd. Ook een warmere bodem of meer afsmelten van land- en zeeijs dan verwacht, is uitgebleven. Hoe komt het dat de bovenlaag van de oceaan acht jaar lang niet warmer is geworden, ondanks de toename van broeikasgassen?

Bron hier.

Wat we hier zien is dat de metingen niet overeenkomen met de resultaten van de modelberekeningen tussen 2003 en 2011 blijkt de aarde niet op te warmen. Prima zou je zeggen. De theorie van de versterkende werking blijkt niet juist te zijn.

Maar hoe gaan ze nu verder?

1e. De theorie is juist. De warmte moet er zijn, maar is verdwenen.

2e. Ze hebben de warmte gevonden.

Extra uitstraling naar de ruimte en een toename van de warmteopslag in de diepere lagen van de oceaan blijken allebei een rol te spelen. Het warmteverlies naar de ruimte gebeurt voornamelijk boven de Stille Oceaan waar de onregelmatige afwisseling van El Niño en La Niña invloed hebben. Tijdens en kort na El Niño zorgt het warmere oceaanwater voor extra warmte-uitstraling naar de ruimte. Daarnaast komt uit het KNMI-onderzoek naar voren dat de temperatuur dieper in de oceaan – tussen 1 en 2 kilometer diepte – toeneemt, vooral in de Noord-Atlantische Oceaan ten zuiden van Groenland. Als deze onder- en bovenlaag van de oceaan weinig gemengd worden, warmt de diepe oceaan op terwijl het oceaanwater daarboven juist afkoelt.

De extra uitstraling is wel duidelijk alleen dat is de uitstraling van warmte die naar boven getransporteerd wordt buiten het stralingsmodel om, o.a. door de adiabatische afkoeling. De rest van het verhaal heeft echter niets met vinden te maken. Zie hun tekst.

Voor hun onderzoek ‘Op zoek naar de ‘verdwenen warmte’ in de bovenlaag van de oceaan’ hebben KNMI–klimaatwetenschappers Caroline Katsman en Geert Jan van Oldenborgh gebruik gemaakt van berekeningen met een state-of-the-art klimaatmodel in het ESSENCE–project. De beschikbare tijdreeksen van de temperatuurmetingen van de oceanen zijn namelijk te kort en de gegevens te onzeker.

En zo klopt het opwarmingsverhaal weer alleen in de computers van het KNMI. Uit geen enkele meting blijkt dat die warmte er is.