Fig 1. Oppervlakte temperatuurverloop. (W.J. Keller)

Door Kees le Pair.

Er woedt een verbeten strijd over CO2 afkomstig van kolen, olie en gas (van fossiele oorsprong), die wij in de lucht stoppen. Dat doen we door die stoffen te verbranden.

Een deel van de wereldbevolking wil de hoeveelheid CO2 in de lucht verminderen. Die is bevreesd voor “opwarming van de Aarde”. Hen noem ik voor het gemak AGW-ers (AGW = Anthropogenic Global Warming).

Een ander – kleiner – deel wil dat niet. In hun ogen heeft CO2 aan de opwarming weinig schuld. Zij vrezen daarentegen de maatschappelijke gevolgen van de CO2-reductie. (Minder energie is minder welvaart.) Hen noem ik sceptici.

Beide groepen hebben deels gelijk. Daarom is het moeilijk tot een vergelijk te komen. In dit artikel probeer ik uit te leggen, wat CO2 werkelijk doet.

Woonschil

Wij bewonen niet dè planeet Aarde, zoals we elkaar vaak trots vertellen. Wij bewonen slechts een dun schilletje van de Aardbol. Zeg van een diepte van 5 km onder het oppervlak, tot zo’n 50 km hoog in de lucht. Wat daarin gebeurt, is van direct belang. Ook het weer speelt zich daarin af.

De straal van de Aardbol is 6300 km. En in de kern is de temperatuur ~5000 oC. Dat we onze voeten niet branden, komt door een goed isolerende Aardkorst. De echt lege ruimte van het heelal, boven de Top van de Atmosfeer (TOA), waar satellieten nauwelijks last van luchtweerstand krijgen, begint ongeveer 200 km hoog.

In klimaatbeschouwingen verwaarloost men de warmte, die vanuit de Aardkern in de woonschil doordringt. Die is gering vergeleken bij de energie die de Zon ons stuurt.

In onze woonschil komt voortdurend energie binnen in de vorm van zonnestraling. Een deel daarvan wordt door wolken en oppervlak gereflecteerd en verdwijnt in het heelal. De rest wordt in de woonschil geabsorbeerd en omgezet in andere energievormen, vooral in warmte. Uiteindelijk moeten we die energie ook weer kwijt, anders zouden we vlug overkoken. Dat kan alleen door straling die de TOA uitwaarts passeert.

Wat binnen de woonschil gebeurt, raakt ons en ons klimaat. Als er meer energie inkomt, dan er uit gaat, warmen we op en als er meer uitgaat, dan er in komt, koelen we af.

Zee en bodem absorberen het merendeel van de stralingsenergie die tot ons doordringt en zetten die om in warmte-energie. (Planten zetten wat om in chemische energie.) In andere woorden, de temperatuur stijgt. Die warmte-energie moeten we dus kwijt.

Naar beneden kan het niet met die warme Aardkern. Daarvoor is warmtegeleiding nodig. Warmte stroomt alleen van warm naar koud. Het zal dus naar boven gaan Want bij de TOA is het koud. Die grenst aan de lege ruimte van het heelal, waar het 3 K ( -270 oC) is.

Er zijn 5 processen, die vanaf het zee- en landoppervlak, energie naar de TOA-zone kunnen sturen. Zij verzorgen nagenoeg geheel het uitwaarts transport. Het zijn:

  1. Convectie; is warme lucht of water die opstijgt en koude dito, die daalt.

  2. Convectie van H2O-bevattende lucht, waarvoor vloeibaar water verdampt ( = warmte opneemt) en hoger op condenseert. Dus warmte naar het TOA-gebied brengt.

  3. Expansie van opstijgende en compressie van dalende lucht.(Hierover weid ik niet uit. Het proces is vrijwel cyclisch en vermoedelijk netto niet effectief.)

  4. Conductie; dat is warmtegeleiding; energieoverdracht waar warme en koude massa elkaar raken.

  5. Warmtestraling; voornamelijk infra-rood (IR).

Materie warmer dan 0 K (- 273 oC) straalt en verliest dus energie, mits de omgeving kouder is dan de straler.

Uiteindelijk raakt de Aarde de ingevangen zonne-energie alleen kwijt door straling naar het heelal vanaf de TOA. Daar spelen de processen 1 t/m/ 4 door de ijlere atmosfeer geen rol meer. Dat geldt dus niet voor onze woonschil. Die heeft naast straling tenminste nog drie andere mechanismen om van de ontvangen energie af te komen.

Werking van CO2

Er is een kwalitatief verschil tussen de werking van weinig en van veel CO2. Door dat kwalitatieve verschil komt het, dat AGW-ers en sceptici ruziën. Bij weinig CO2 hebben de eersten gelijk. Daar doet CO2 echt veel aan de temperatuur. Bij veel CO2 hebben de de sceptici het bij het rechte eind. Althans, indien zij zeggen dat wat meer of minder CO2 geen verschil maakt voor de temperatuur.

Een CO2-molecuul in de atmosfeer heeft eigenschappen om straling op te nemen. D.w.z. de energie op te slaan. Daarna moet het die heruitzenden, of als warmte (meer molecuulbeweging) doorgeven aan omringende luchtmoleculen. Dicht bij het aardoppervlak is de luchtdruk ~1000 hPa (= 1 Bar, ook wel 1 atmosfeer genoemd). Daar is de dichtheid groot en gaat warmte doorgeven veel gemakkelijker dan heruitstralen. Hoog in de lucht, waar de druk veel lager is, ontmoet een aangeslagen molecuul minder luchtmoleculen om de energie als warmte af te geven. Daar heeft het aangeslagen molecuul meer tijd om tot her uitstraling over te gaan. De omslag in overdracht via warmte naar overdracht voornamelijk via straling, vindt geleidelijk plaats. Meest tussen 15 en 80 km hoogte en drukken tussen 1,2 hPa en en 0,2 hPa.

Het invangen (opslaan) van stralingsenergie door een CO2-molecuul is beperkt tot licht van bepaalde frequenties (kleuren). Bij iets afwijkende frequentie neemt de vangst af en is er minder warmte overdracht en minder her uitstraling. Meer licht gaat dan ongehinderd door.

1 Weinig CO2 (< 200 ppM)

Ook een atmosfeer zonder CO2 absorbeert een deel van het uitwaarts energietransport via IR-straling. Dat vermindert het totale energietransport van het zee- en landoppervlak naar de TOA (door de waterdamp in de atmosfeer. H2O-l absorbeert, net als CO2, langgolvige IR-stralingsenergie. De frequenties waarbij het gebeurt verschillen enigszins, zodat CO2 toevoegen zeker nog wat extra absorbeert. Aan waterdamp is weinig menselijk toe- of af te doen. Het is een condenseerbaar broeikasgas, waardoor de luchtvochtigheid sterk gekoppeld is aan de temperatuur.

Maar CO2 toevoegen kunnen we wel.

Atmosferisch CO2 vermindert dus een deel van het uitwaarts energietansport door IR. Het effect is bij lage concentratie direct evenredig met de hoeveelheid CO2. Bij een concentratie van ~200 ppM is de absorptie van bepaalde golflengten al volledig. Meer CO2 vergroot de absorptie nog wel iets, omdat er bij iets afwijkende golflengte ook nog wel absorptie is, maar minder. Daar is bij meer CO2 dus nog wel wat extra absorptie te bereiken. Het wordt echter rap minder bij meer afwijkende golflengte. Het effect is dan niet meer evenredig met de concentratie, maar neemt ‘logaritmisch’ af(2).

Bij hogere concentraties van CO2 neemt de moleculaire absorptie sneller af dan dat de kans op invang met meer CO2 stijgt. De weerstand in het energietransport groeit minder bij meer CO2. Het gelijk van de alarmisten, dat CO2 een grote invloed heeft, is alleen juist voor de toestand met weinig CO2 ( < 200 ppM ). Waar overigens planten slecht groeien. (Nog 50 ppM minder maakt de Aarde onleefbaar.)

De absorptie door broeikasgassen betekent niet, dat er geen verder uitwaarts energie-transport van die geabsorbeerde stralingsenergie is. Het broeikasgas zet de geabsorbeerde energie gewoon om in warmte van de omringende lucht. Daar vervolgt het transport de weg omhoog door de vier bovengenoemde overige transportmechanismen. Pas hoger dan 40-50 km gaat het totale uitwaartse transport weer geleidelijk steeds meer d.m.v. IR.

Voor uitwaarts transport van warmte-energie is een temperatuurverschil tussen hoog en laag nodig. De TOA uitstraling blijft gelijk en de temperatuur praktisch ook. Dus moet de temperatuur van en dichtbij het oppervlak van zee en grond hoger zijn dan zonder CO2. Daarin hebben de AGW-ers gelijk, want het effect van CO2 is niet klein. Ik schat, dat het bij 200 ppM ca. 5, misschien zelfs 10 oC verschil maakt, met een atmosfeer zonder CO2.

Dat is zo ongeveer het onderscheid tussen leven in een ijstijd en onze comfortabele wereld van nu. We moeten dus niet alleen blij zijn met CO2 omdat planten er van leven, maar ook omdat het anders te koud zou zijn.

Echter boven 200 ppM neemt het effect van meer CO2 snel af, want het transportmechanisme verandert, zie hieronder (§ 2.2).

In het jaar 2023 is de CO2-concentratie ~420 ppM, hetgeen nog maar ~1oC toevoegt aan die eerdergenoemde bijdrage van ca. 5-10 graden.

2. Veel CO2 (>200 ppM)

Bij de huidige concentratie is praktisch gezien al het IR, dat CO2 tegenhoudt, na ongeveer 100 m in warmte omgezet. Indien mensenactiviteit die concentratie zouden kunnen verdubbelen, is dat al na 50 m het geval. D.w.z. alles wat het doet is dan niet in 100, maar al in 50 m geklaard. De extra warmte-energie toevoeging aan de lucht is dan met 50 m verlaagd.

Het is natuurkundig ondenkbaar dat een verlenging van de weg naar TOA-regionen, ca. 100 km hoger, door 50 m wegverlenging een meetbare verhoging van de warmtetransport weerstand zou geven.

De convectieve eigenschappen van de lucht veranderen evenmin. Waardoor geen extra vergroting van het temperatuurverschil tussen oppervlak en TOA nodig is om het totale uitwaartse energietransport constant te houden.

Dat is de reden, waarom de sceptici gelijk hebben met te zeggen dat meer CO2 nu, nauwelijks meetbare invloed op de temperatuur onder in de woonlaag van de Aarde heeft.

Boven 200 ppM blijft bij extra CO2 verder alleen nog de vergroting van het in § 2.1 genoemde frequentie effect over. De botsingsdoorsnede (kans op absorptie) neemt bij gebrekkige resonantie snel af. Dat gaat al gauw sneller dan de kans op meer absorptie bij meer moleculen.

Twee kleine beetjes die iets doen, doen ook samen weinig. Het effect van CO2 vermeerdering op het uitgaand energietransport is dus gering, wanneer de concentratie al hoger dan 200 ppM is. En de benodigde temperatuur stijging eveneens(5). 1 oC bij verdubbeling, 1 oC /(2 x CO2), is vermoedelijk nog te hoog.

Ook 100 ppM minder nu zou geen meetbaar effect op de temperatuur onderin de woonlaag hebben.

Discussie

Een voor de hand liggende tegenwerping is: de gemeten oppervlaktetemperaturen nemen meer toe. Wat veroorzaakt die stijging, als het CO2 niet is? Daarop weten we het antwoord niet. De klimaten van de Aarde veranderden altijd al, met of zonder mensen. De temperatuurstijging, sinds 1880 is niets bijzonders, zoals Fig.2 laat zien. Ook van die eerdere veranderingen kennen we de oorzaken slecht of niet. Waarom zouden we die nu niet ervaren? Legio processen sturen het complexe klimaatsysteem. Dat is daarom onvoorspelbaar (3).

Fig.2. Temperatuur in de afgelopen 2400 jaar.

Systeemindicatoren extrapoleren is voorlopig het enige dat we zinvol kunnen doen. Daarom adviseer ik voor het nemen van maatregelen de eerstkomende veertig jaar maar af te gaan op het doortrekken van Keller’s temperaturen in Figuur 1. Onderzoek aan afzonderlijke factoren als CO2, zonnevlekken, wolken, stofdeeltjes, zeespiegelstijging enz. enz. kunnen wetenschappelijk interessant zijn op zichzelf, maar niet om het verloop van het klimaat te voorspellen. Adapteren aan de veranderingen. die wij waarnemen, en noodmaatregelen nemen bij alarmerende weer- en aardbevingsvoorspellingen enkele dagen vooruit, is nog lange tijd het enige verstandige.


Uitspraken over het verloop van de CO2-concentratie zijn op grond van systeem indicatoren wel te doen. Aannemend dat het systeem zoals het was in de periode 1960-2020 niet drastisch is veranderd. Je moet dan wel weten, hoeveel fossiele CO2 wij jaarlijks in de atmosfeer brengen (4). Ons inziens mag dit niet leiden tot temperatuur- of klimaatvoorspellingen. Alleen van het CO2 zijn wij voldoende zeker.

***

Noten

  1. Een beetje CO2 verandert het klimaat flink. En boven een redelijk bekende hoeveelheid verandert meer of minder nauwelijks nog iets. Noch richting hogere, noch richting lagere temperatuur.

  2. Met logaritmisch afnemen bedoelen we dat bij en factor 10 toename van de extra hoeveelheid CO2 het extra effect – de transport afname =1x, bij een factor 100 het effect =2x en bij een factor 1000: =3x.

  3. C. (Kees) le Pair: COMPLEXITY, CLIMATE, CO2 AND ENGINEERS;

https://www.clepair.net/complexity.html

  1. C. le Pair & A. Huijser: HOW DOES OUR CO2 ESCAPE? http://www.clepair.net/oceaanCO2-4.html

In de periode 1960-2020 vonden wij een “evenwichtsconcentratie” van 287 ppM. Terug rekenend naar 1880 was toen de evenwichtsconcentratie 280 ppM. Wat verrassend overeenkomt met proxy-waarden. Wij vermoeden dat die van 2020 tot 2080 295 ppM zal blijken. Het verschil met de actuele (Mauna Loa) waarde is de “exces concentratie” waarmee het jaarlijks verdwijnend CO2 evenredig is. De halfwaardetijd van exces verevening is 37 jaar.

Bij de huidige mondiale CO2 uitstoot van 5 ppM/jaar zullen we op grond van die analyse die “beruchte” 2x pre-industriële CO2-concentratie, evenwel nooit halen en met 555 ppM daar zelfs al onder blijven.

  1. “Weinig & gering” in vergelijking tot het veel grotere temperatuureffect van meer en minder CO2 bij lage concentraties.

***