Het koelsysteem domineert.
15-6-2023
Er wordt gezegd dat de variaties in de oppervlaktetemperatuur van de aarde worden gecontroleerd door [door de mens veroorzaakte] broeikasgassen 1. Dit is niet het geval. Wanneer koelsystemen domineren, worden de oppervlaktetemperaturen bepaald door het koelsysteem en niet door het systeem dat het oppervlak verwarmt. Op aarde domineert het oppervlaktekoelsysteem; temperaturen worden bepaald door het natuurlijke koelsysteem. De sterkte van natuurlijke oppervlaktekoeling wordt bepaald door de temperatuur. Het toevoegen van broeikasgassen aan de atmosfeer maakt voor de oppervlaktetemperatuur niets uit. Hun initiële opwarmingseffect wordt geneutraliseerd door extra oppervlaktekoeling en door een verminderde opname van zonne-energie. Het koelsysteem domineert.
Door Wim Röst.
De aarde is samengesteld uit ‘ruimtepuin’ dat in een baan om de zon draait. Zwaartekracht zorgde ervoor dat objecten als ‘ruimterotsen’ en ijskometen samenvloeiden. Toen accretie plaatsvond, smolt de zwaartekracht alle verzamelde objecten en werd een grote ‘snookerbal’ van gesmolten materiaal gebouwd. De proto-aarde werd ook opgewarmd door de zon, maar koelde uiteindelijk af totdat ‘energie in’ gelijk was aan ‘energie uit’. Momenteel is het aardoppervlak in evenwicht rond de 15 graden Celsius. Een vergelijkbare planeet, zonder oceanen of atmosfeer, zou zijn gestopt met afkoelen bij ongeveer 5,3 graden Celsius als ze geen zonlicht weerkaatste. Waarom stopte het aardoppervlak met afkoelen bij 15 graden? En waarom stopte het aardoppervlak niet met afkoelen bij bijvoorbeeld 50 graden Celsius?
Het beantwoorden van die vragen onthult dat het niet de opwarming van de broeikas is die het niveau van de oppervlaktetemperaturen van de aarde bepaalt, maar de mechanismen die het oppervlak koelen. De aanvullende koelsystemen van de aarde bepalen de oppervlaktetemperaturen: verdamping, convectie en wolkenkoeling. Allen zijn H2O gerelateerd.
En de belangrijkste reden waarom de aarde ongeveer tien graden warmer bleef dan de rotstemperatuur van 5,3°C? ‘ Zoals zal worden betoogd, is het het bestaan van grote oceanen in combinatie met hun zelfgeproduceerde waterdamp-broeikaseffect.
5,3 ° C
De temperatuur die een aardachtig object in de ruimte zou hebben als de planeet geen atmosfeer zou hebben en tegelijkertijd dezelfde hoeveelheid zonnestraling zou ontvangen als de aarde, is 5,3°C. Alleen straling zou het object opwarmen en afkoelen. Deze Stefan-Boltzmann-calculator laat zien dat zo’n planeet een oppervlaktetemperatuur van 5,3 graden Celsius of 278,5 K zou hebben. Maar onze aarde heeft een hogere oppervlaktetemperatuur, 15 graden Celsius. Het atmosferisch broeikaseffect verklaart dit gedeeltelijk.
Broeikaseffect
Op aarde zijn de broeikaseffecten enorm, maar dat betekent niet dat ze doorslaggevend zijn bij het bepalen van de uiteindelijke temperatuur van het aardoppervlak. Er is niet slechts één broeikaseffect, er zijn er twee, en elk heeft zijn eigen oppervlakteopwarmend effect. Het eerste broeikaseffect is terugstraling. Nadat oppervlaktestraling is geabsorbeerd door broeikasgassen, wordt de atmosfeer opgewarmd. Een warmere atmosfeer straalt meer energie terug naar het oppervlak: terugstraling. Terugstraling voegt 333 W/m 2 toe aan de 161 W/m2 oppervlakte geabsorbeerde zonne-energie. Terugstraling is een sterke oppervlakteverwarmende kracht.
Het tweede broeikaseffect verwarmt de aarde vanwege de verminderde efficiëntie van oppervlaktekoeling door straling. Wanneer effectieve koeling wordt verminderd, blijft er meer energie aan/nabij het oppervlak en worden zowel het oppervlak als de aarde warm. Op aarde bereikt slechts ongeveer 40 W/m 2 van de 396 W/m2 oppervlaktestraling rechtstreeks de ruimte: een rendement van ongeveer 10% of een directe emissiviteit van slechts 0,1.
Beide broeikaseffecten hebben elk hun eigen oppervlakteopwarmend effect. Van elk broeikaseffect kan het gevolg voor oppervlaktetemperaturen berekend worden. Afzonderlijk en samen resulteren de twee broeikaseffecten in enorme initiële oppervlakteopwarmingseffecten.
Zonder extra koeling: 270,1 ° C
Figuur 1. Stefan-Boltzmann Calculator, bron: hier .
Figuur 1 toont de oppervlaktetemperatuur van een aarde-equivalente ‘rotsplaneet’ met toevoeging van broeikaseffecten, maar alleen opgewarmd en gekoeld door straling. Onze echte aarde heeft aanvullende systemen die het oppervlak koelen: koeling door verdamping, convectie en wolken. Deze aanvullende oppervlaktekoelsystemen koelen het oppervlak veel verder af dan ‘alleen door stralingskoeling’. Van de initiële kastemperatuur van 270,1°C tot de werkelijke oppervlaktetemperatuur van 15°C. De extra koeling bepaalt de uiteindelijke oppervlaktetemperaturen. Van doorslaggevend belang: de kracht van de extra afkoeling van de aarde is afhankelijk van water en temperatuur.
Temperatuurafhankelijkheid van extra koeling
De extra afkoeling van de aarde is voornamelijk H2O gerelateerd. Oppervlaktetemperaturen bepalen de hoeveelheid waterdamp in de lucht. En de hoeveelheid atmosferische waterdamp bepaalt het totale koeleffect. Zo bepalen oppervlaktetemperaturen de sterkte en de dynamiek van H2O-gerelateerde koeling.
Figuur 2 toont de evenwichtsdampdruk en -temperatuur volgens de Clausius-Clapeyron-relatie. Zoals te zien is in de grafiek, vermenigvuldigt een temperatuurstijging van nul tot 30 graden Celsius de evenwichtsdampdruk van waterdamp met een factor zes.
Als de oppervlaktetemperatuur met één graad Celsius/K daalt, daalt de hoeveelheid waterdamp met ongeveer 7% en als gevolg daarvan nemen alle waterdampgerelateerde koelprocessen af in kracht. Bij een bepaald temperatuurniveau is ‘energie in’ gelijk aan ‘energie uit’. Als de oppervlaktetemperaturen niet veranderen, blijft H2O-gerelateerde oppervlaktekoeling constant. Maar de kleine temperatuurstijging van slechts één graad Celsius (of één K, een temperatuurstijging van 0,3%) zal resulteren in ongeveer 7% meer waterdamp. Die enorme stijging van het waterdampgehalte maakt alle H2O-gerelateerde koelprocessen mogelijk, vaak met een meer dan evenredig koelresultaat (tropische convectie, tropische wolken). Zoals blijkt uit figuur 2, H2O-gerelateerde koeling is zeer dynamisch, vooral in het hogere temperatuurbereik. Dynamische extra koeling beperkt zelfs de temperatuur van open oceanen.
Beperking
Open tropische oceanen hebben een maximale gemiddelde jaartemperatuur van 30°C tot 32°C. Richard Willoughby meldt dat minder dan één procent van het oceaanoppervlak meer dan een paar dagen achtereen de 32 °C overschrijdt. Extra koelfactoren beperken de oceaantemperaturen tot dit temperatuurniveau. Oceanen omvatten 71% van het aardoppervlak.
Herverdeling van tropische energie
Tropische oceanen verspreiden warm water naar de polen in hoeveelheden die in de loop van de tijd variëren. Hoe hoger de instroom van warm tropisch water op hogere breedtegraden, hoe groter de lokale hoeveelheid atmosferische waterdamp, het belangrijkste broeikasgas. Stijgende waterdamp boven hoge breedtegraden resulteert in een verminderde efficiëntie van lokale oppervlaktestraling bij het bereiken van de ruimte. Minder stralingsafkoeling betekent dat deze hoge breedtegraden zullen opwarmen en ook dat de aarde als geheel zal opwarmen. Na verloop van tijd zullen compenserende processen aan de oppervlakte (aanpassing van oceanen en weersystemen) de vorige evenwichtstemperatuur herstellen (als alle andere dingen, zoals de Milankovitch-orbitale parameters hetzelfde blijven). Het betrokken tijdsbestek is decennia en/of eeuwen.
Waarom geen 50 ° C?
Waarom stopte het aardoppervlak niet met afkoelen bij een temperatuur van 50°C? Bij een oppervlaktetemperatuur van 50°C is de opwaartse convectie van oppervlakte-energie enorm. Hoge convectie zal aanwezig zijn over grote oppervlakten. Bij 50 graden Celsius worden de oceanen dag en nacht actief gekoeld en overdag reflecteren wolken het meeste invallende zonlicht terug naar de ruimte voordat het de oceanen kan opwarmen. Onder deze omstandigheden koelen oceanen snel af. Bij de huidige wereldtemperatuur van 15°C neemt de afkoeling door verdamping en de bijbehorende afkoelprocessen voldoende af om ‘oppervlakte-energie in’ en ‘oppervlakte-energie uit’ in evenwicht te brengen.
Waarom 15°C?
Waarom verdampen oceanen bij een wereldtemperatuur van 15°C precies de hoeveelheid waterdamp die nodig is om ‘oppervlakte-energie in’ en ‘oppervlakte-energie uit’ gelijk te maken? Dit temperatuurniveau wordt bepaald door de intrinsieke eigenschappen van het H2O-molecuul. Het H2O-molecuul is zeer hygroscopisch; er is een sterke binding tussen moleculen en het is niet gemakkelijk voor een individueel molecuul om van het wateroppervlak naar de atmosfeer te ontsnappen. Om te ontsnappen moet een molecuul een zeer hoge kinetische energie hebben. Om voldoende energie te hebben, moeten de oppervlaktetemperaturen hoog genoeg zijn en bij een wereldgemiddelde oppervlaktetemperatuur van 15°C kunnen genoeg waterdampmoleculen ontsnappen om thermisch evenwicht te bereiken.
Intrinsieke eigenschappen van het H2O-molecuul bepalen het algemene globale niveau voor oppervlaktetemperaturen. Is er nog een rol weggelegd voor broeikasgassen? Nou, dat is er.
Oceanen creëren hun eigen broeikas
Waterdamp is het belangrijkste broeikasgas, verantwoordelijk voor ongeveer de helft van het broeikaseffect, terwijl wolken (ook H2O) nog eens 25% uitmaken. Kunnen oceanen een broeikaseffect creëren dat sterk genoeg is om hun eigen temperatuur te verhogen? Zeker, dat kunnen ze.
Op de evenaar is de instraling intens en is er geen ijs mogelijk boven de oceanen: de opname van energie door de zon is groot en wanneer de oceanen nog steeds een lage temperatuur hebben, is het effectieve warmteverlies door straling en verdamping laag. Daarom moeten tropische oceanen opwarmen. De kleine hoeveelheid waterdamp die vrijkomt bij temperaturen net boven nul Celsius is hoog genoeg om een sterk broeikaseffect te krijgen: de eerste waterdampmoleculen zijn het meest effectief in het absorberen van ruimtewaartse oppervlaktestraling. Wanneer oceanen niet 100% van de geabsorbeerde zonne-energie kunnen kwijtraken, zullen ze opwarmen. Door de verdamping van waterdamp creëren oceanen hun eigen broeikaseffect: niet alle door het oppervlak uitgestraalde energie verdwijnt naar de ruimte en oceanen hebben een extra manier nodig om hun opgehoopte zonne-energie kwijt te raken. Oceanen moeten zodanig opwarmen dat stijgende verdamping en versterkte tropische wolken de sterk verminderde efficiëntie van de emissie van het oceaanoppervlak volledig compenseren. Indien gestart bij lage temperaturen, zullen de oceanen opwarmen totdat de aarde een gemiddelde oppervlaktetemperatuur heeft (voor de huidige orbitale en continentale configuratie) van 15 graden Celsius en ‘energie in’ is gelijk aan ‘energie uit’.
Waarom oppervlaktetemperaturen niet gevoelig zijn voor broeikasgassen, behalve voor waterdamp
Door 3,7 W/m2 (voor een verdubbeling van CO2) aan de rekenmachine toe te voegen, wordt de aanvankelijke oppervlaktetemperatuur slechts één graad Celsius/K verhoogd, van 270,1°C naar 271,1°C. Extra koeling moet dan met 1/270,1 of 0,37% stijgen om de extra opwarmkracht te compenseren. Wat zou er gebeuren met oppervlaktekoeling als de oppervlaktetemperatuur met die ene graad Celsius stijgt?
- Adiabatische koeling (verantwoordelijk voor 78 W/m 2 oppervlaktekoeling) zou met zo’n 7% versnellen (Clausius-Clapeyron)
- Convectie zou in hoge mate versnellen vanwege zowel de hogere oppervlaktetemperatuur als het hogere gehalte aan waterdamp (+7%) in de warmste en meest vochtige luchtkolommen
- Als gevolg van hogere convectie zullen zich meer tropische wolken vormen over grotere oppervlakten en zal eerder op de dag meer zonlicht naar de ruimte worden gereflecteerd voordat het het oppervlak kan bereiken en opwarmen, waardoor de zonneabsorptie afneemt.
Omdat alle oppervlaktekoeling gelijktijdig plaatsvindt, wordt de aanvankelijke lichte opwarming van 0,37% na de CO2-verdubbeling potentieel ruimschoots gecompenseerd door de enorme afkoeling die het gevolg is van de H2O-gerelateerde processen. Extra oppervlaktekoeling compenseert gemakkelijk eventuele opwarming van de kas door ‘CO2-verdubbeling’. Ongeacht het niveau van de opwarming van de kas, extra koeling domineert de oppervlaktetemperaturen en oppervlaktetemperaturen reguleren extra op H2O gebaseerde oppervlaktekoeling om de oppervlaktetemperaturen op het niveau te houden dat wordt voorgeschreven door de intrinsieke eigenschappen van het H2O-molecuul.
Alleen een verandering in de orbitale en/of continentale configuratie zal het algemene temperatuurniveau naar boven of naar beneden veranderen. Onder ongewijzigde omstandigheden hebben oppervlaktetemperaturen een zeer sterke neiging om op hetzelfde algemene niveau te blijven vanwege ‘ingebouwde’ fysische eigenschappen van H2O-moleculen die betrokken zijn bij extra koeling.
Reservecapaciteit
Bij de huidige temperaturen werken de H2O-gerelateerde koelprocessen van de aarde op een laag niveau. Een sterke opwaartse convectie van oppervlakte-energie is zichtbaar boven 25°C. Aan het aardoppervlak is dus momenteel een groot koelvermogen slapend. Een lichte temperatuurstijging is voldoende om meerdere krachtige koelsystemen op zeer dynamische wijze te activeren. Meestal (nachten, ochtenden) en op de meeste locaties (alle locaties onder de 25°C) is H2O-gerelateerde oppervlaktekoeling slapend maar eenvoudig te activeren. Elke temperatuurstijging activeert vele vormen van oppervlaktekoeling, terwijl bij dalende temperaturen de activiteit van H2O- oppervlaktekoeling navenant afneemt. Het systeem lijkt gemaakt te zijn om de oppervlaktetemperatuur op ongeveer hetzelfde niveau te houden.
Hoe de huidige opwarming te begrijpen?
Een verandering in de distributie van door de tropische oceaan geabsorbeerde energie naar de noordelijke Stille Oceaan (El Niño-effect) en/of naar de Noordpool (door warme ondergrondse instroom in de Noordelijke IJszee die ijssmelt veroorzaakt) verbetert de atmosferische waterdamp over grote oppervlakten op hogere breedtegraden.
Zoals eerder betoogd, resulteert een opwarming van hogere breedtegraden in een verminderde stralingsafkoeling van de aarde en dus in opwarming. Maar op de tijdschaal van de aarde zijn die (en andere) veranderingen slechts tijdelijk: ze kunnen tientallen jaren duren, een eeuw of iets langer. Hoewel niet altijd gemakkelijk te herkennen, wisselen opwarming- en afkoelingsperioden elkaar af in cyclische patronen. Die cyclische patronen zijn onregelmatig door de steeds veranderende chaotische interacties van de vele componenten van het oceaan/atmosfeer temperatuursysteem. Afkoeling volgt altijd op opwarming, zoals de nacht altijd volgt op de dag.
Conclusies
De aarde koelde af van een hete gesmolten massa net na haar vorming tot de huidige aarde met haar vaste korst en haar lagere oppervlaktetemperaturen. Twee broeikaseffecten (terugstraling en blokkerende oppervlaktestraling) konden de oppervlaktetemperatuur niet op 270 graden Celsius houden. Dit is de temperatuur die de aarde zou hebben als ze alleen zou worden gekoeld door straling die aan het oppervlak wordt uitgezonden. De extra oppervlaktekoelsystemen van de aarde, allemaal gedomineerd door de verschillende fasen van water, begonnen het oppervlak af te koelen tot de gemiddelde 15 graden Celsius.
De aanvullende oppervlaktekoelsystemen van de aarde zijn afhankelijk van het H2O-molecuul. H2O-gerelateerde koelprocessen zijn geleidelijk temperatuurafhankelijk: hoe warmer het oppervlak, hoe sterker de koeling. De temperatuur zelf reguleert en beperkt de oppervlaktetemperaturen. Voor een bepaalde configuratie wordt het niveau van oppervlaktetemperaturen bepaald door de intrinsieke eigenschappen van het H2O-molecuul en niet door de sterkte van de opwarming van de broeikas; extra op H2O gebaseerde oppervlaktekoeling compenseert eventuele stralingsopwarming. Koeling is dominant. De direct beschikbare H2O-gerelateerde oppervlaktekoeling is enorm en de reservecapaciteit is zo eindeloos als de oceanen.
Decadale en honderdjarige temperatuurvariaties rond het huidige wereldwijde gemiddelde van 15°C zijn het gevolg van een veranderde verdeling van door de tropische oceaan geabsorbeerde energie over de breedtegraden. Natuurlijke opwarmingsgebeurtenissen zijn tijdelijk, omdat na verloop van tijd verbeterde oppervlaktekoeling extra oppervlakteopwarming tenietdoet. Afkoeling volgt altijd op opwarming, maar afkoeling van de aarde kost tijd, vaak meer tijd dan opwarming. We moeten denken in tijdschalen van de aarde om de veranderingen in oppervlaktetemperaturen op de juiste manier te zien. De perioden van opwarming en afkoeling van de aarde duren tientallen jaren, eeuwen en soms millennia.
Voetnoot
1 Lacis, A., Schmidt, G., Rind, D., & Ruedy, R. (2010, 15 oktober). Atmosferische CO2: belangrijkste bedieningsknop die de temperatuur van de aarde regelt. Wetenschap , 356-359. Opgehaald van https://science.sciencemag.org/content/330/6002/356.abstract
***
Over de auteur: Wim Röst studeerde sociale geografie in Utrecht, Nederland. Bovenstaande is zijn persoonlijke mening. Hij is niet verbonden aan bedrijven of ngo’s en wordt niet gefinancierd door de overheid(en).
***
Bron hier.
***
0 reacties :
Een reactie posten