Luchtdruk

Een nieuwe klimaattheorie?

pressureBron: C. Donald Ahrens, Essentials in Meteorology

Ned Nikolov en Karl Zeller, beiden gepromoveerde fysici en werkzaam bij de Amerikaanse tegenhanger van ons Staatsbosbeheer, hebben onlangs een nieuwe klimaattheorie het licht doen zien. De theorie wijkt wezenlijk af van de huidige gangbare theorie. Nikolov en Zeller stellen dat de temperatuur aan het aardoppervlak de resultante is van de luchtdruk en niet van de chemische samenstelling van de atmosfeer (= broeikasgassen) . Ze noemen dat Pressure-induced Thermal Enhancement (PTE). De gangbare theorie is dat er een extra opwarming van het aardoppervlak is vanwege de aanwezigheid van zogenaamde broeikasgassen. Zie voor de volledigheid eerst de paragraaf over de broeikastheorie .

De schrijvers baseren hun nieuwe theorie op de Ideale Gaswet PV = nRT, waarin P de druk is, V het volume, n de moleculaire massa in mol, R de gasconstante en T de temperatuur. Aan de gaswet is te zien dat P en T lineair van elkaar afhankelijk zijn: wordt P 2x zo groot, dan wordt T ook 2x zo groot. Omdat de druk in de atmosfeer toeneemt van boven naar beneden als gevolg van de gravitatiekracht van de aarde zou alleen al daardoor de temperatuur onder in de atmosfeer hoger zijn dan bovenin. Nikolov en Zeller spreken hier van kinetische energie die als het ware ruimtelijk ongelijk verdeeld is. Die extra hoge temperatuur aan het aardoppervlak als gevolg van de hoge luchtdruk zou dan verantwoordelijk zijn voor het feit dat de temperatuur daar (veel) hoger is dan de zogenaamde grey-body temperatuur van de aarde.

nikolov1
De theorie van Nikolov en Zeller lijkt sterk op die van de Zweedse fysicus Hans Jelbring , die in 2003 in Energy & Environment zijn gedachten over het voetlicht bracht. Ook Jelbring gaat er van uit dat de luchtdruk er voor zorgt dat de temperatuur aan het aardoppervlak veel hoger is dan op grond van de wet van Planck en van Stefan-Bolzmann berekend is ( – 18 °C ). Net als Nikolov en Zeller trekt Jelbring paralellen met andere planeten in ons zonnestelsel.

Ruim een jaar geleden heb ik met John M. Wallace van de University of Washington de theorie van Jelbring via email besproken. Wallace is een deskundige op het gebied van atmosferische processen, en auteur van een standaardwerk op dit gebied, “Atmospheric Science: An Introductory Survey “.

Hij schreef me op 4 december 2010: “ Hans Jelbring’s article illustrates the basic conceptual problem that’s common to the article. Jelbring is correct when he says that the adiabatic lapse rate is largely determined by the gravitational acceleration and the chemical makeup of the gases in a planetary atmosphere. He is also correct in noting the relevance of the adiabatic lapse rate to the observed lapse rate in the Earth’s atmosphere: the adiabatic lapse rate is the upper limit on the observed lapse rate. It is realized in regions of the atmosphere that are strongly heated from below.

To understand how radiative transfer influences surface temperature, one needs to go beyond the concept of the adiabatic lapse rate and consider an atmosphere in “radiative-convective equilibrium, as discussed on p. 421-422 of the 2nd edition of our textbook. In such an idealized 2-layer atmosphere, the lower layer, which is comparable in depth to the troposphere, has a lapse rate equal to the adiabatic lapse rate . Two points emerge from this simple analysis:
(1) Were there is no greenhouse effect, the lapse rate in a planetary atmosphere would be isothermal (i.e., temperature would not change with height. In this case, the dry adiabatic lapse rate would be unchanged from its present value, but it would be completely irrelevant to the interpretation of the observed lapse rate.
(2) Greenhouse gas concentrations have no effect on the adiabatic lapse rate in the lower “convective” layer, but they determine the depth of that layer: increasing greenhouse gases increases the surface temperature of the planet not by changing the lapse rate, but by deepening the convective layer
. “ .

lapse rate1
Bron: Wallace

Ik bespaar u hier de sneer van Wallace richting Energy & Environment, een gevoeligheid die bij meer gevestigde klimatologen voorkomt. Volgens mij is de uiteenzetting van Wallace juist. De bij de uiteenzetting behorende figuur heb ik hierboven afgebeeld. Hij komt uit het genoemde standaardwerk van Wallace.

De reactie van Roy Spencer, gekend kritisch klimaatprofessor, is ongeveer van hetzelfde laken een pak. Hij stelt: “ The average air temperature at any altitude (including the surface) is an energy budget issue, not an air pressure issue. In fact, energy budget considerations explain the average temperature of just about everything we experience on a daily basis: the inside of buildings, car engines, a pot on the stove, etc. ………Many years ago Danny put together such a model so we could examine global warming claims, especially the claim that increasing CO2 will cause warming. The model was indeed able to explain the average vertical temperature structure of the atmosphere. ” .

Dat laatste is een van de manco’s in de nieuwe theorie: waarom neemt de temperatuur niet af met de hoogte, maar zien we in de stratosfeer hogere temperaturen? In de gangbare stralingstheorie is dat makkelijk te verklaren: O3 absorbeert daar veel zonne-energie. Ik heb Nikolov gevraagd om een reactie op dit punt, en hij emailde: “ Yes, you are correct that radiative exchange dominates the thermodynamics of in the stratosphere. Convection is of secondary importance there … ” . Overigens beloofde hij met een officieel antwoord te komen op de kritiek uit het blogveld.

Een ander probleem dat nog niet is opgelost met de nieuwe theorie zijn de temperatuurschommelingen op geologische tijdschaal. De onderzoekers wijzen naar periodes met extra tektonische activiteiten, waardoor wellicht meer gassen dan normaal uit mantel en aardkorst naar de atmosfeer zijn getransporteerd. Dat is echter speculatief en zal nader uitgewerkt dienen te worden. Overigens weten trouwe lezers van deze site dat ook binnen de vigerende theorie de oorzaken van temperatuurveranderingen op geologische tijdschaal niet zomaar een op een te koppelen zijn aan de chemische samenstelling van de atmosfeer, noch aan kosmische oorzaken.

temp profiel
Bron: C. Donald Ahrens, Essentials in Meteorology

Een ander probleem is dat in de gangbare theorie over de verticale temperatuurverdeling in de atmosfeer de opwarming van de onderzijde van de troposfeer een afkoeling van de bovenste troposfeer veroorzaakt. Die afkoeling is gemeten. Hoe is dat in te passen in de nieuwe theorie?

Wat me wel intrigeert in verband met de nieuwe theorie is dat de helft van de luchtdruk in het verticale profiel bereikt wordt op 5,5 km hoogte. Dat is ook exact wat in de broeikastheorie het “average emission level” genoemd wordt. Ik heb me altijd verbaasd over dit ‘level’, omdat het simpelweg gebaseerd is op terugrekenen vanuit 239 W / m ^ 2 en de Stefan-Boltzmann vergelijking. Het resultaat, -18 ° C, is de temperatuur op deze hoogte. Kan het zijn dat dit 50% niveau van de luchtdruk tevens het gemiddelde niveau is van de door de onderzoekers centraal gestelde kinetische energie van de atmosfeer? Of ga ik nu teveel mee in de nieuwe theorie?

Hoewel ik de theorie van Nikolov en Zeller zeker interessant vind ben ik niet overtuigd en kijk uit naar een geloofwaardige reactie op de kritieken uit het veld.