broeikaseffect afkoeling wet van stefan boltzmann atmosfeer warmte en straling wet van stefan Let wel, de atmosfeer, niet het aardoppervlak zelf









Een bijdrage van André Bijkerk.
Engelse versie hier.
We beginnen dan wel met het weer, maar dat helpt ons om in te zien hoe het echte broeikaseffect werkt en dat blijkt dan meer om afkoeling te gaan dan om opwarming.
Bijgaande heb ik jaren geleden genomen op een koude ochtend eind september, het begin van de herfst, de bomen nog groen.
Ziet iemand of er hier iets vreemd aan de hand is? Tot nu toe heeft nog niemand iets opgemerkt, maar ik heb de vraag dan ook nog niet aan meteorologen gesteld. Geen idee? Meteorologisch gezien, kan dit niet – op het eerste gezicht althans. Maar wat kan niet? En waarom kan het toch wel?
Achter de huizen zien we een witte waas waar hier en daar een boom uitsteekt. Dat is een dunne laag grondmist over de landerijen. Dit duidt op een zeer koude luchtlaag aan de grond die in de nacht sterk is afgekoeld door contact met het uitstralende grondoppervlak, maar ook door uitstraling naar de grond (inderdaad, dat broeikaseffect). Hierdoor treedt condensatie op en vormt zich mist. Dit heet een grondinversie.
De koude en daardoor relatief zware lucht aan de grond kan zich klaarblijkelijk niet mengen met de warmere en dus lichtere lucht erboven. Dit is dus een stabiele situatie die zeer hardnekkig kan zijn, totdat het uiteindelijk verdwijnt door de warmte van de zonne-instraling
Ver daarachter aan de horizon zien we cumulus bewolking oplichten in de zonsopkomst. Deze wolken ontstaan doordat de lucht aan de grond wordt opgewarmd, waardoor ze relatief lichter wordt ten opzichte van de omgeving en waardoor het gaat stijgen. Tijdens het stijgen, koelt het adiabatisch af waardoor ook condensatie ontstaat met vormen die aan bloemkool of rookwolken doet denken, omdat die aan gelijksoortige turbulentiebewegingen onderhavig is. Dit noemen we convectie, behalve zweefvliegers dan, die noemen het thermiek.
Maar hoe kan het aardoppervlak nu gelijktijdig zeer koud zijn en een inversie veroorzaken maar ook zo warm dat het thermiek en cumulusbewolking veroorzaakt? Het antwoord op die tegenstrijdigheid is de nog warme Noordzee; die zit daarachter, onzichtbaar op de foto. Waterpartijen koelen lang niet zo snel af na een warme zomer bij zo’n eerste nachtvorstje en houdt daardoor de lucht erboven ook warmer.
En in deze waarnemingen zit het belangrijkste deel van de werking van de atmosfeer, afkoelingsinverie en opwarmingsconvectie. Hoe verhoudt zich dat tot het derde element, het broeikaseffect?
Broeikaseffect heeft iets met (electromagnetische) straling te maken. Warmte en straling zijn feitelijk verschillende gedaantes van energie, die elkaar afwissellen. Warmte veroorzaakt straling en straling veroorzaakt warmte. Hoeveel? Dat wordt geregeld in de wet van Stefan Boltzmann voor de hoeveelheid en de wet van Planck voor het frequentie domein, zeg maar, de golfbeweging van de straling. Dat kan infrarood zijn (langere golven), of zichtbaar licht (kortere golven) bij extreme temperaturen op de zon of in de gloeilamp. Broeikasgassen zoals waterdamp en kooldioxide hebben het vermogen om die uitwisseling van warmte en straling te doen bij de gebruikelijke temperaturen op aarde. De zuurstof en stikstof in de lucht kunnen natuurlijk ook stralen, maar dat is in een verkeerd frequentiegebied dat niet overeenkomt met de temperaturen op aarde.
Om nu te zien wat dat broeikaseffect doet in de atmosfeer, zouden we dat effect eigenlijk weg moeten halen. Wat gebeurt er met een aarde met alles erop en eraan, behalve dan die broeikasgassen en dus ook zonder waterdamp, ergo ook zonder water? Het zou dan meer lijken op de maan, maar dan met een 24 uurs dag-nacht cyclus en een atmosfeer van hoofdzakelijk stikstof en zuurstof.
Nu halen we de zon erbij, die de aarde bestraalt met de energie ‘flux’ van zo’n 1366 watt per vierkante meter, voornamelijk in het zichtbare licht gebied van de electromagnetische straling. Volgens de wet van Stefan Boltzmann horen daar temperaturen bij boven het kookpunt van water, ware het niet dat een deel van die straling door de atmosfeer wordt geabsorbeerd en deel wordt door het aardoppervlakte gereflecteerd. Maar wat overblijft, de straling die wordt geabsorbeerd door het grondoppervlak is altijd nog wel goed voor een graadje of tachtig-negentig, direct onder het zenith, daar waar de zon loodrecht boven de aarde staat. Niet al te onwaarschijnlijk wanneer je de de woestijnhitte van de Sahara voor de geest haalt, of de maximum temperatuur van de maan (127 °C).
En dan is er nog die atmosfeer, die door contact met het oppervlakte wordt opgewarmd. Waardoor het uitzet, lichter wordt en opstijgt, convectie, net zoals dat eerste plaatje boven de warme Noordzee. Er komen alleen geen cumulus wolken want we hadden al het water ook weggehaald. Maar dat neemt niet weg dat een deel van de stralingsenergie van de zon uiteindelijk zijn weg vindt als warmte-energie in de hogere delen van de atmosfeer.
Wat gebeurt er op de plaatsen, waar de zon niet schijnt? De schaduwkant van de aarde, ook wel bekend als nacht? De opgewarmde aarde straalt daar de energie uit, waardoor het afkoelt, ongeveer zoals op dat eerste plaatje; en fors ook want er zijn geen broeikasgassen die het opvangen en deels terugstralen om zo de afkoeling af te remmen. De onderste moleculen van de atmosfeer in contact met de aarde koelen mee af, waardoor deze lucht zwaarder wordt, inversie. En net zoals opde eerste foto blijft koele lucht op de aarde liggen en mengt het zich niet met de lagen erboven.
broeikaseffect afkoeling wet van stefan boltzmann atmosfeer warmte en straling wet van stefan Let wel, de atmosfeer, niet het aardoppervlak zelf
Fig 2, Foto Vattenfall, bron.
Fig 2 illustreert dat effect op overtuigende wijze. De turbulentie “wake” achter de windmolens laat zien dat het best wel stevig waait op wiekhoogte. De koude laag nevel eronder zoals op de voorgrond blijft echter liggen waar die ligt en mengt zich niet met de warmere straffe wind erboven. Deze kan daardoor zijn warmte niet delen met het aardoppervlak.
Hoe moet de hogere atmosfeer dan afkoelen, ofwel zijn warmte-energie kwijtraken? Door uitstraling? Normaal wel, maar dan wel met behulp van die broeikasgassen, maar die zijn er nu even niet. Die hadden we immers even weggehaald? Andere manieren zijn er niet om de warmte-energie kwijt te raken. Het heelal heeft nu eenmaal geen moleculen om de warmte met geleiding aan over te dragen. We moeten tot onze stomme verbazing constateren dat de atmosfeer in de nacht zijn warmte energie niet kwijt kan en dus niet kan afkoelen zonder broeikasgassen.
En zo wisselen de dagen en nachten zich af. Overdag warmt de atmosfeer op door convectie, waarbij deze zich horizontaal verspreidt in de hogere luchtlagen zoals in de Hadley cel en ‘s nachts blijft die warmte-energie voor het overgrote deel in de atmosfeer, totdat er uiteindelijk een evenwicht is bereikt en geen convectie meer plaatsvindt. Maar om dat te bereiken, moet de onderste laag van de atmosfeer uiteindelijk vrijwel net zo warm zijn, als op het zenith punt direct onder de zon.
De conclusie moet dus zijn dat de atmosfeer van de aarde zonder broeikasgassen sterk zal opwarmen. Let wel, de atmosfeer, niet het aardoppervlak zelf. Maar dat heeft weinig betekenis, want wat wij grondtemperatuur noemen, is in werkelijkheid de temperatuur van de atmosfeer in de Stevensonshutten op zo’n anderhalve meter hoogte. Maar het is zo wel duidelijk dat die 33 °C broeikasopwarming fout en misleidend is, gebaseerd op onjuiste aannames en onjuiste vereenvoudigingen. Warmte-energie gaat de atmosfeer in vanaf het aardoppervlak door convectie en komt er weer uit door uitstraling door het broeikaseffect. Zonder broeikasgassen wordt het heet en dat is het echte broeikaseffect: afkoeling van de atmosfeer.
Dit principe is eerder besproken hier.