Bron:  NOAA

Zoals in het eerste artikel over de diepere oceaan was aangegeven zien Trenberth et al een versterkte opwarming  van de oceanen tussen 700m en 2000m. Zij zien daarin de verklaring voor de ‘missing heat’. Immers, de onderste troposfeer warmt al 16 jaar niet meer op, en volgens de hypothese van het versterkt broeikaseffect kan dat eigenlijk niet. In een van de CRU-emails schreef Trenberth :   ” The fact is that we can’t account for the lack of warming at the moment and it is a travesty that we can’t. “. Lees verder →

De veel te jong overleden fysicus Noor van Andel had interessante ideeën over de werking van het klimaat. Hij benutte de laatste jaren van zijn leven de formidabele kennis die hij met name over straling bezat om zijn visie te ventileren, zelfs tot bij het KNMI aan toe. Onderstaande tekst is van zijn hand.

Analyse van een fysicus: waar gaan de klimaatmodellen de mist in? Door Noor van Andel

Het IPCC haalt auteurs aan die de volgende theorie aanhangen: De CO2-concentratie in de atmosfeer is de laatste tijd gestegen van 280 tot 390 ppm. Die stijging is nog niet eerder vertoond, en we weten bijna zeker dat de 0,7 graden Celsius globale temperatuurverhoging die vanaf 1976 is gemeten, door die CO2-stijging is veroorzaakt. Als we zo doorgaan, zal de globale temperatuur meer dan 2 graden Celsius stijgen, en dan zullen de gevolgen niet meer te beheersen zijn; dus er moet nu wat gedaan worden om de CO2-uitstoot te verminderen. Een verdubbeling van de CO2-concentratie tot 560 ppm, die aan het eind van deze eeuw zal worden bereikt, zal een extra warmtebelasting betekenen van 4 W/m2, en een opwarmend effect hebben van zeker 1,5, waarschijnlijk 3, en wellicht zelfs 5 graden Celsius wereldwijd. Wat klopt hiervan niet?

Meten is weten. Weerballonen zijn naast satellieten een grote bron van informatie over de processen die zich in de atmosfeer afspelen

Eerst de delen van de IPCC-theorie die kloppen:
• De toename van de CO2 in de lucht is inderdaad te wijten aan de uitstoot die gepaard gaat met het gebruiken van fossiele brandstoffen. In principe kunnen we daarmee ophouden. Dat moet ook, maar om andere redenen dan die van opwarming door CO2.
• Een verdubbeling van de CO2 in de lucht leidt inderdaad tot 4 W/m2 extra warmte naar het aardoppervlak, maar alleen als er verder niets in de atmosfeer verandert.

Speculatief element

Er is maar één speculatief element in de IPCC-theorie, en dat is dat die 4 W/m2 extra warmtestroom bij 2 x CO2 zal leiden tot 3 graden Celsius temperatuurverhoging. Hoe komt men daaraan? Vrijwel iedereen is het erover eens dat, als er verder in de atmosfeer niets zou veranderen, die 4 W/m2 een globale gemiddelde temperatuurverhoging van 1,5 graad Celsius tot gevolg heeft. Dat komt doordat, vooral boven in de atmosfeer, zo tussen 5 en 10 km, er weinig waterdamp meer is. Het is daar zo koud, dat al het water uitgevroren is en als sneeuw en regen naar beneden gevallen is.

Maar het CO2 vriest niet uit, en dat is daar dan het belangrijkste gas dat de infrarode (warmte)straling naar de ruimte absorbeert, daardoor de atmosfeer ter plaatse opwarmt, zodat de aarde straalt tegen een warmere lucht en daardoor zelf ook warmer moet worden om de ingevangen zonnestraling weer kwijt te raken. Alle door het IPCC aangehaalde klimaatmodellen nemen CO2 als enig ‘broeikasgas’ en behandelen de waterdamp, die 80% van het broeikaseffect voor zijn rekening neemt, als zogenaamde ‘terugkoppeling’. Wordt het warmer, dan wordt het ook overal in de atmosfeer vochtiger, en dat versterkt het 2 x CO2-effect van 1 tot 1,5 à 5 graden Celsius. Die versterkte opwarming wordt door alle klimaatmodellen voorspeld.

Meten leidt tot beter weten

Klopt dat met metingen? Neen.De satellietmetingen laten juist een tegengestelde trend zien.Ook de klassieke meteorologie weet sinds 1958 hoe de vork aan de steel zit. Dat is anders:

1. De ingevangen zonnewarmte verlaat het aard- en zeeoppervlak via verticale luchtstroming, thermiek, meenemen van waterdamp die op grote hoogte condenseert en weer koud uitregent. Via warmtestraling wordt de atmosfeer kouder, niet warmer. De voornaamste koeling is boven de zee en de regenwouden boven de evenaar, in dagelijkse tropische regenbuien, die de warmte in de vorm van waterdamp tot 15 km hoogte opstuwen. De tropische zeetemperatuur is precies geregeld op 29 graden Celsius. Er is 20 W/m2 nodig om die temperatuur met 1 graad Celsius te laten toenemen. Dat is 5 x zo veel warmte als die 4 W/m2 die het gevolg is van 2 x CO2. Daardoor blijft de opwarming door 2 x CO2 beperkt tot enkele tienden van een graad Celsius. Dat is niet te meten tussen natuurlijke variaties van 0,5 graad Celsius van jaar tot jaar.

2. Waterdamp is het broeikasgas dat onze temperatuur regelt. Als het wat warmer wordt, komen er wat meer wolken die het zonlicht terugkaatsen, de passaatwinden in de tropen nemen sterk toe, meer dan 10% per graad opwarming. De tropische warmte wordt hoog in de atmosfeer opgestuwd, tot 12 à 17 km. Daar heeft 2 x CO2 een koelend effect. We meten dat door de toegenomen CO2 de temperatuur daar inmiddels 3 graden Celsius is gedaald. Niet gestegen. De wolktop daar is in de periode waarin het warmer werd, sinds 1976, hoger en dus ook kouder geworden. Daardoor is de lucht daar droger en dus ook doorzichtiger voor warmtestraling, juist tegengesteld aan wat de klimaatmodellen, aangehaald door het IPCC, menen te voorspellen.

3. Er is geen sprake van een sterke opwarming van de lucht tussen 5 en 12 km, zoals de klimaatmodellen laten zien. Er is juist een afkoeling gemeten, juist in de periode waarin het klimaat wat warmer werd, 1976 -2009. Die afkoeling baart door de IPCC aangehaalde auteurs grote zorgen, en er verschijnen ook veel ‘wetenschappelijke’ publicaties waarin de juistheid van die metingen in twijfel wordt getrokken. De juistheid van de modellen wil men graag blijven aannemen. Dat is tekenend voor de situatie: men wil zijn theorie niet aan de werkelijkheid aanpassen, maar de werkelijkheid, metingen door weerballonnen en satellieten over 30 jaar, aan de theorie aanpasssen, zodat ze met de bestaande modellen in overeenstemming worden gebracht. Iedereen voelt op zijn klompen aan dat het omgekeerde behoort te gebeuren: pas je theorie aan de werkelijkheid aan, niet andersom.

4. De klimaatmodellen laten een 3 x kleinere vergroting in de neerslaghoeveelheid rond de evenaar zien dan er wordt gemeten. Men wil niet weten van de intensivering van de koeling door tropische regenbuien als het ook maar 0,5 graad Celsius warmer wordt. Ze laten een 5 x kleinere vermindering van de regenval zien in de neerdalende lucht in de passatwindgordel, omdat men niet wil weten van het droger worden van die neerdalende lucht als gevolg van die opwarming. Want er is gemeten dat de waterdampspanning daar zo is afgenomen, dat die invloed groter zou moeten zijn dan die van de toenamen van CO2.

5. Alle klimaatmodellen laten een afname van de warmte-afgifte van de aarde naar de ruimte zien als gevolg van opwarming. Alle metingen daarentegen laten een toename zien van die warmte-afgifte, zoals ook logisch is. Er is geen enkele reden om aan te nemen dat de warmteoverdracht naar het heelal bij huidige aardse temperatuur nu ineens zou afnemen bij wat hogere temperatuur. Als dat werkelijk zo was, zou het klimaatsysteem instabiel zijn. De paleoklimatologie laat zien dat het systeem juist heel stabiel is, over miljarden jaren, ook aanvankelijk bij een 30% zwakkere zon, is de temperatuur binnen 10 graden Celsius (3 % van de absolute waarde) stabiel gebleven.

The Earth as a Heat Engine. The equatorial Hadley Cells provide the power for the system. Over the tropics, the sun (orange arrows) is strongest because it hits the earth most squarely. The length of the orange arrows shows relative sun strength. Warm dry air descends at about 30N and 30S, forming the great desert belts that circle the globe. Heat is transported by a combination of the ocean and the atmosphere to the poles. At the poles, the heat is radiated to space .

Werkelijke oorzaken van temperatuurveranderingen

De vraag is: als het niet de CO2-stijging is, wat heeft dan wel de temperatuurveranderingen veroorzaakt?

1. De belangrijkste korte-termijninvloed is de ENSO, of de El Niño Southern Oscillation. Dat is een periodieke onderbreking van de opwelling van koud oceaanwater voor de kust van Peru en Equador, waardoor het gehele klimaat ter plekke verandert. De autochtone bevolking ziet dat aankomen; als ze de Pleyadensterren niet meer gescheiden ziet, is de lucht vochtiger, de oceaan warmer. Dan is het El Niño, Spaans voor het kerstkind, en je hoeft niet te wachten met aardappelpoten. De vissers hebben het dan moeilijk, de zee is minder voedselrijk. De afkoeling tussen 1940 en 1976 vond plaats in een tijd van veel perioden met veel koude opwelling, de periode van 1976 tot nu is er een met weinig koude opwelling, dus veel El Niño. De koude winter van 2010-2011 is het gevolg van een heel sterke koude opwelling, La Niña, die in mei 2010 begon en die inmiddels de hele tropische Stille Zuidzee tot aan Australië een paar graden heeft afgekoeld en heeft gezorgd voor veel en vroege sneeuw in Europa.

2. Hoewel de door het IPCC aangehaalde auteurs (zoals professor Michael Mann, University of Virginia, met zijn ‘hockeystick’) erg veel moeite hebben gedaan om dit te ontkennen, is de ‘kleine ijstijd’, ongeveer de zeventiende eeuw, veel kouder geweest dan nu. De vele ijsgezichten in de Nederlandse schilderkunst getuigen daarvan, de Theems vroor regelmatig tot in Londen dicht, wat aanleiding gaf tot ‘ice fairs’ op het ijs in de stad. In diezelfde periode, na de uitvinding van de telescoop door Lippersheij in Middelburg, is men het aantal zonnevlekken gaan bijhouden. Het blijkt dat er gedurende de gehele kleine ijstijd nauwelijks zonnevlekken zichtbaar waren, het ‘Maunder minimum’. Ook in het begin van de negentiende eeuw is er een korte periode geweest met weinig zonnevlekken. Het was toen erg koud. Napoleons leger vroor vast op de Berezina, en na een zware vulkaanuitbarsting op Sumbawa in Nederlands Indië kwam er 1816, het ‘jaar zonder zomer’, waarin de graanoogsten mislukten en er 100.000 hongerdoden in Europa vielen. De Middeleeuwen, rond het jaar 1000, waren warm, de Vikingen zaaiden toen graan op Groenland en men plantte wijnstokken in Schotland. De Romeinse tijd was warm en een tijd van grote voorspoed. De tijd van de volksverhuizingen was weer koud, hongerige stammen plunderden Europa en vestigden zich in het Zuiden, de Vandalen in (West) Andalusië.

Deze grote klimaatschommelingen hebben allemaal niets met CO2 te maken, des te meer met wisselingen in de magnetische activiteit van de zon. Wel een ingewikkeld verhaal: Een actieve zon heeft niet alleen meer zonnevlekken, maar ook een sterker magnetisch veld, dat dan de harde kosmische straling uit ons Melkwegstelsel meer afschermt. Die straling is zo energetisch, dat hij tot op het aardoppervlak doordringt en op zijn pad duizenden luchtmoleculen ioniseert, die dan wolkcondensatiekiemen veroorzaken, dus meer laaghangende bewolking, wittere wolken met meer en kleinere waterdruppeltjes. Daardoor wordt de aarde witter, het zonlicht kaatst meer terug, en het wordt kouder bij een inactieve zon. Ook dit effect is sinds 1960 opgemerkt en sindsdien uitvoerig gemeten. CERN in Genève, waar men beschikt over die harde straling uit een eigen deeltjesversneller, heeft er een opstelling voor gebouwd die onlangs is aangelopen en het effect ook heeft geconstateerd. De zon is de laatste tijd heel actief geweest, sommigen verwachten dat dit nu anders wordt en dat we dus een koude periode in het vooruitzicht hebben.

The coincidence of tropical Pacific SST and global average temperature. Red: SST anomalies Pacific 20ºN-20ºS; blue: global temperature anomaly

Effect van wisselende zonne-activiteit is aangetoond

Zoals te verwachten, hebben door het IPCC aangehaalde auteurs zich heftig verzet tegen deze samenhang tussen zonne-activiteit en klimaat, onder meer door erop te wijzen dat de zonnestraling zelf heel weinig varieert met de 11-jarige cyclus van de zonneactiviteit. Maar het gaat ook niet om de hoeveelheid zonlicht, het gaat om de de hoeveelheid wolken. En juist de laaghangende wolken nemen toe als de zon wat minder actief is en dan de kosmische straling wat minder afschermt. Het wordt dan kouder, omdat die wolken het warmende zonlicht weerkaatsen. Op elke tijdschaal is dit effect aangetoond: van uren tot dagen tot jaren tot eeuwen tot duizenden eeuwen tot miljoenen jaren. Dat kan, omdat er tijdens een stille zon meer van de isotoop 10Be wordt gevormd via een kernreactie in de atmosfeer. Die isotoop heeft een lange halfwaardetijd en kan goed worden aangetoond, bijvoorbeeld in ijskernen die op Groenland en in Antarctica worden geboord. Met de verhouding van 16O/18O kun je de temperatuur meten, met 10Be de galactische kosmische straling. Een van de meest indrukwekkende samenhangen is die tussen de graanprijzen en de hoeveelheid 10Be, zoals het diagram betreffende de zeventiende eeuw illustreert.

De ononderbroken lijn in de figuur is de 10Be-spiegel in het sediment uit die tijd. Als de zon minder actief is, is er meer harde kosmische straling, dus ook meer 10Be. Het is dan kouder, de graanoogst is geringer en de prijzen stijgen. De witte en zwarte ruiten zijn driejaars-gemiddelde graanprijzen, de witte en zwarte driehoeken zijn de momenten van minimum en maximum graanprijs. De getoonde periode is bekend als ‘kleine ijstijd’. Een kouder klimaat heeft echt schadelijke gevolgen. Een warmer klimaat brengt welvaart.

Bij een tropische donderbui dringt de ‘diepe’ convectie tot in de stratosfeer door

Ontkrachting van andere alarmerende voorspellingen

Tot slot nog enkele vaststellingen die alarmerende berichten ontkrachten die het IPCC graag verspreidt en die de media graag overnemen:

• Er is geen enkele aanwijzing dat de zeespiegel sneller stijgt dan in voorbijgegane eeuwen.
• Er is geen enkele aanwijzing dat het aantal extreme weerstoestanden, zoals orkanen, droogten, overstromingen, toeneemt.
• Er is geen aanwijzing dat het afsmelten van gletschers versnelt. In de warme Middeleeuwen waren ze veel korter dan nu.
• Er is geen enkele aanwijzing dat meer CO2 schadelijk is; integendeel, planten groeien sterker en hebben minder last van watertekort als er meer CO2 is.
• Er is geen aanwijzing dat het bleken van koralen versnelt door opwarming.
• Er is geen aanwijzing dat stijging van de zuurgraad van de zee nadelige invloed heeft op het leven daar.
• Er is geen enkele aanwijzing voor een achteruitgang van de voedselproductie door ‘klimaatverandering’.
• Er is geen enkele aanwijzing dat menselijk gezondheid in gevaar gekomen is als gevolg van een toegenomen concentratie van CO2 in de lucht.

De latente wamtestroomberekening van Noor van Andel

In een paper  komt fysicus Dr. Noor van Andel tot de slotsom dat aanzienlijke latente warmtestromen in de troposfeer ervoor zorgen dat de zogenaamde CO2-sensitivity (verdubbeling van CO2-gehalte) niet groter is dan zo’n 0,5 K (0,5°C).  Indien alle omstandigheden gelijk blijven, dan veroorzaakt een verdubbeling van het CO2-gehalte in theorie een toename van de temperatuur van 1,08 K. In werkelijkheid treden er echter een aantal neveneffecten op , waardoor de werkelijke sensitivity anders is dan de theoretisch-fysisch berekende waarde.

In het laatste rapport van het IPCC (2007) wordt uitgegaan van een totale positieve feedback van  1.5 W/m2 K optreedt als gevolg van die 1.08 K opwarming. In onderstaande grafiek uit een studie van Soden en Held  (Soden & Held, 2005, An Assessment of Climate Feedbacks in Coupled Ocean–Atmosphere Models, Journal of Climate, volume 19)  zijn de feedbacks te zien die door het IPCC worden onderscheiden: toename van de waterdamp, toename van wolken, veranderde atmosfeergradiënt en albedoverlaging.

In de figuur is te zien dat het IPCC alleen de veranderende atmosfeergradiënt als negatieve feedback ziet, de andere veranderingen zijn positief. Over all gaat het IPCC uit van een positieve feedback van 1.5 W/m2 K.

Van Andel stelt dat het IPCC daarmee een belangrijke feedback over het hoofd ziet , namelijk de latente warmtestroom vanaf het oceaanoppervlak.  Hier komt de praktische ervaring van van Andel in de glastuinbouw met zijn bedrijf Fiwihex goed van pas. Opwarming van de lucht in een kas door de zon is niet zozeer het gevolg van de ondoorlatendheid voor IR van glas, maar door het verhinderen van convectie, opstijgende warme lucht. Dat effect is heel sterk als de bodem nat is. Tuinders reguleren de temperatuur in de kas door de dakramen open te zetten. In het hoofdstuk over de stralingsbalans zagen we al dat vanwege het broeikaseffect de oppervlaktetemperatuur op aarde met ongeveer 33° C toeneemt, maar door convectie met ruim 60° C afneemt. De term “broeikaseffect”  is dus erg ongelukkig gekozen!

Van Andel tracht met behulp van diverse  onderzoeken de grootte van de latente warmtestroom te  duiden.  Zo zijn er recente metingen door NOAA   van de SST en latente warmtestroom, die een flux te zien geven van 0 W/m2 K boven koud oceaanwater tot 8 W/m2 K boven warm oceaanwater.

Ook het ERBE project levert waardevolle meetgegevens. Lindzen  (  On the determination of climate feedbacks from ERBE data, Richard S. Lindzen and Yong-Sang Choi, Program in Atmospheres, Oceans, and Climate, Massachusetts Institute of Technology)  vergeleek die meetresultaten met de voorspellingen van 11 door het IPCC gehanteerde klimaatmodellen. Verrassend (of eigenlijk: niet verrassend) is dat ERBE een toename van de warmtestroom naar de ruimte meet van 5 W/m2 K, terwijl alle klimaatmodellen een afname van die warmtestroom voorspellen van 0,5  tot 3 W/m2 K (gemiddeld 1.5 W/m2 K)!

Omdat in de door ERBE gemeten warmtestroom de latente warmtestroom niet te onderscheiden is ( deze bestaat uit IR én gereflecteerd zonlicht)  kunnen  we volgens van Andel met de  5 W/m2 K de climate sensitivity berekenen. Deze is  1.08 ( 1- 5/3,7 ) = 0,46 ° C. Dus een verdubbeling van het  CO2-gehalte levert slechts een temperatuurstijging op van een kleine 0,5° C , in plaats van de 5,7° C die de modellen maximaal voorspellen.

Bovenstaande bepaling door van Andel van de globale latente warmtestroom en de in het vorige hoofdstuk beschreven “thermostaathypothese” van Eschenbach zijn beide gebaseerd op het principe van grootschalig transport van latente warmte van het aardoppervlak naar de bovenzijde van de troposfeer. Op die hoogte is de zogenaamde optische dichtheid dermate klein dat warmte daar vrijwel ongehinderd naar de ruimte kan uitstralen.

Waar van Andel zijn berekeningen baseert op meetgegevens (meten is weten)  is de thermostaathypothese van Eschenbach een hypothese met een interessant maar speculatief karakter.  Beide zienswijzen hoeven echter niet strijdig te zijn. Ook van Andel spreekt in zijn paper van een “tropische thermostaat”.  Mocht de thermostaathypothese reëel zijn, dan betekent dat alleen dat de opwarming die van Andel berekent op basis van 4x CO2  nog lager zal uitvallen dan 1° C.

Waterdamp in lagere stratosfeer beïnvloedt temperatuur aan aardoppervlak.

Een daling van 10 procent waterdamp zo’n 15 km boven het aardoppervlak heeft een grote invloed op de opwarming van de aarde, zeggen onderzoekers  in het tijdschrift Science van 28 januari j.l. (Solomon  e.a., Contributions of Stratospheric Water Vapor to Decadal Changes in the Rate of Global Warming, 2010 Science DOI: 10.1126/science.1182488).

De bevindingen zouden kunnen helpen verklaren waarom de oppervlaktetemperatuur wereldwijd in de afgelopen tien jaar licht daalde en niet steeg, zoals gebeurde  in de jaren ‘80 en ‘90.  Waarnemingen van satellieten en ballonnen laten zien dat de waterdamp in de onderste  deel van de stratosfeer niet constant is , maar gestegen is in de jaren ’80 en ’90 en gedaald na 2000. De auteurs van het artikel tonen aan dat deze veranderingen zich juist in een smalle strook van ongeveer 2 km dik onderin de stratosfeer plaatsvinden,  waar het waterdampgehalte de grootste effecten op het klimaat heeft.

Sinds 2000 is de hoeveelheid waterdamp in de stratosfeer gedaald met ongeveer 10 procent. De oorzaak voor de recente daling van het waterdampgehalte is volgens de onderzoekers onbekend. De studie van Solomon c.s. gebruikte berekeningen en modellen om aan te tonen dat deze waterdampafname voor een 25% minder snelle opwarming heeft gezorgd de afgelopen 10 jaar. De toename van de waterdamp in genoemde laag heeft volgens de auteurs in de jaren ’90 een temperatuurverhogend effect gehad van 30%.

Een van de mogelijke oorzaken zou oxidatie van CH4 kunnen zijn, maar  dat komt vooral in het bovenste deel van de stratosfeer voor, terwijl de waterdampafname met name onderin de stratosfeer plaatsvindt. Een andere mogelijke verklaring  is een uitwisseling van waterdamp met de hogere troposfeer in de tropen. De sterkste verandering in waterdamp komt voor  in de lagere stratosfeer in regio’s die beinvloed zijn door de El Niño Southern Oscillation. Dit lijkt te wijzen op convectie.

Wat dat laatste betreft: hier kan men toch een interessante link zien met de theorie die de Hongaar Ferenc Miskolczi vorig jaar publiceerde. Miskolczi stelt dat de doorzichtigheid van de atmosfeer voor langgolvige (infrarood) straling zich aanpast aan de toename van de broeikasgassen. Algemeen wordt aangenomen dat de doorzichtigheid van de atmosfeer afneemt bij toename van CO2. Miskolczi stelt dat er terugkoppelingsmechanismen in de atmosfeer zijn waardoor de doorzichtigheid voor infrarode straling gelijk blijft, en daardoor ook de temperatuur op aarde. Deze terugkoppeling bestaat hierin, dat  de atmosfeer juist zoveel waterdamp bevat dat de maximale hoeveelheid warmte (infraroodstraling) vanuit de atmosfeer afgegeven wordt aan de ruimte. Die waterdamp en  lage wolken absorberen de infraroodstraling vanaf de aarde en reguleren zo de uitstraling van warmte vanuit de atmosfeer naar de ruimte. Zie voor Miscolczi  het hoofdstuk Nieuwe Inzichten.

In de wereld van de gevestigde klimatologen is dat vooralsnog een stap te ver. De auteurs spreken liever van een effect waarbij de opwarming tijdelijk vermindert als gevolg van de waterdampafname. Het knikje in bovenstaande grafiek.

Temperatuurbepalende factoren aan het aardoppervlak

Leerlingen in de eindexamenklassen havo en vwo dienen (meestal als duo) een zogenaamd profielwerkstuk te produceren. Voor mijn vak aardrijkskunde zijn dat vaak zeer uiteenlopende onderzoeken, varierend van historisch-geografisch tot klimatologisch. En van die laatste categorie had ik er dit jaar (2011-2012)  een hele fraaie, geproduceerd door 2 zesdeklassers, Sjors Timmermans en Bob Jacobs. De proefjes die daarbij hoorden wil ik hier graag laten zien.

Bob en Sjors hebben getracht zich een beeld te vormen van de processen aan het aardoppervlak die zorgen dat de aarde zijn overtolige warmte kwijtraakt. Een belangrijk onderdeel van de energiebalans van de aarde zoals men weet, vandaar dat deze bijdrage begint met de bekende figuur van Trenberth. Het gaat dus om de processen die op de figuur zijn aangeduid met ’thermals’, ‘evapotranspiration’ en ‘surface radiation’. Dit zijn de processen die de aarde afkoelen.

Sjors en Bob hebben zich eerst de theorie achter deze weerbarstige materie eigen gemaakt en hebben toen, in navolging van wijlen Noor van Andel, een leuke proef gedaan om de theorie te staven. Dat laatste stuk van hun werkstuk, het practicum, geef ik hier onder integraal weer omdat het zo leuk gedaan is. Voor de liefhebbers van het theoretisch kader is hier een link naar het complete werkstuk.

————————————————————————————————————————-

Uitleg van ons practicum

Hoe willen we nou gaan bekijken wat nou de grootste invloed heeft op de temperatuur aan het aardoppervlak? Doctor van Andel had een jaar voor zijn dood een zeer interessant proefje gedaan: hij nam een paar Petri schaaltjes en probeerde daarmee een aantal verschillende omstandigheden en factoren die van invloed zouden kunnen zijn op de temperatuur, te creëren. Hij mat vervolgens de temperatuur op gedurende 16 uur. Daarna moest hij stoppen omdat zijn dochter het gazon wilde maaien. Dit inspireerde ons om een gelijkaardig practicum op te zetten. Wij wilden onze meting langer laten lopen zodat we beter de opwarming konden bestuderen, maar ook de afkoeling.

De effecten die wij wilden bestuderen zijn de effecten van waterdamp, convectie en van broeikasgassen. Helaas kunnen we variaties in de zon niet goed genoeg nabootsen om hier degelijke informatie uit te kunnen halen. Vooral het afkoelen van onze kommetjes is interessant: welke omgeving voert de warmte het snelst weg? Zou de waterdamp voor de meeste afkoeling zorgen, of misschien convectie? En wat is het verschil tussen geen en wel broeikasgassen?

Opstelling

Algemene opstelling
We hebben de proef uitgevoerd met een opstelling die bij beide delen van het practicum uit 4 glazen bakjes bestond. Deze bakjes stonden op een witte ondergrond en er lagen watjes in, zodat er geen absorptie van zonlicht zou plaatsvinden, die het practicumresultaat zou kunnen beïnvloeden. We hebben met thermokoppels de temperatuur opgemeten. De seintjes die de thermokoppels gaven gingen naar een ‘Ulab’, een datalogger die de temperatuur meet gedurende een vooraf ingestelde tijd. Deze gegevens konden we dan later door middel van het programma Coach verwerken tot grafieken.

Waterdamp

We hebben ervoor gekozen om de verschillen die waterdamp maken te simuleren met het natmaken van de watjes. De rest van het water hebben we na het natmaken van de watjes uit het bakje geschud, zodat in elk bakje evenveel water aanwezig was.

Broeikaseffect

Om het broeikaseffect te simuleren hebben we net als Dr. Van Andel voor PE en PMMA gekozen. Een uitleg over deze stoffen komt later. Voor de bakjes met PE als bedekking, hebben we een diepvrieszak (dit is LDPE) over twee houten latjes gespannen, zodat we de bakjes eronder konden schuiven en de afstand tussen het bakje en de diepvrieszak ongeveer 1 mm was. Dit hebben we gedaan zodat het water dat verdampt er ook uit kan. De afstand is zo klein, omdat we op deze manier de convectie wel zo veel mogelijk willen verhinderen. Voor de bakjes met PMMA als bedekking hebben we hetzelfde gedaan, maar dan met PMMA (plexiglas) op de houten latjes. Ook hebben we nog een los wit plankje gebruikt, waar we de open bakjes op hebben gezet. Dit was dezelfde soort ondergrond als bij de andere bakjes, waardoor er hierdoor geen ongelijkheid in temperatuur in zou moeten zitten.

Convectie

Om convectie te simuleren hebben we ook open bakjes getest. Aangezien de andere bakjes zo goed als gesloten waren, kon de wind daar niet bij om de warme of koude lucht weg te voeren. Bij open bakjes is dit wel het geval.

Verdeling van de bakjes

We hebben ervoor gekozen om de proef in 2 delen te doen, omdat de ‘U-lab’ maar 4 aansluitingen had, waardoor we niet alle 6 de verschillende bakjes tegelijk konden meten. Op deze manier hoopten we door 2 referentiebakjes aan te houden, indirect alsnog alle 6 de bakjes met elkaar te kunnen vergelijken. We hebben de bakjes als volgt verdeeld:

Proefje 1:

PE droog
PE nat
PMMA droog
PMMA nat

Proefje 2:

Geen bedekking droog
Geen bedekking nat
PMMA droog
PE droog

 PE

PE staat voor polyetheen. Dit is een kunststof. Er zijn 2 soorten PE, namelijk hogedichtheidpolyetheen (HDPE) dat bij lage druk en met behulp van een katalysator wordt gemaakt en lagedichtheidspolyetheen (LDPE) dat bij hoge druk wordt gemaakt. HDPE bestaat voornamelijk uit lineaire ketens, terwijl LDPE vooral uit zeer sterk vertakte ketens bestaat.

LDPE is een vrij zachte, maar taaie stof. Het is waterafstotend en een goede isolator. Een erg belangrijke eigenschap van LDPE is dat het langgolvige straling (bijvoorbeeld IR straling) doorlaat. Het is gevoelig voor UV straling, wat betekent dat het door UV straling wordt aangetast, het houdt het echter niet volledig tegen.

HDPE is, net zoals LDPE, een flexibele, maar taaie stof. Verder is HDPE thermisch belastbaar, UV- en weerbestendig, en isolerend. Het laat net zoals LDPE langgolvige straling door. Ook HDPE is gevoelig voor UV straling en wordt dus door UV straling aangetast.
Wij hebben voor ons practicum gekozen voor LDPE, omdat de factoren die voor ons practicum van belang zijn overeenkomen en deze vorm handiger was om te gebruiken.

PMMA

PMMA staat voor polymethylmethacrylaat. Het is echter beter bekend als perspex of plexiglas. PMMA laat UV straling door, maar blokkeert IR straling. Het is erg stootvast, warmte-isolerend, heeft een lage dichtheid en is goed bewerkbaar. Ook is het erg goed bestand tegen lichts- en weersinvloeden.

Verwachtingen met betrekking tot het practicum

Op basis van deze gegevens is het te verwachten dat, op het moment dat de zon op de bakjes schijnt, de bakjes die met PMMA worden afgedekt het warmst zullen zijn, omdat hier de IR straling in de bakjes wordt gehouden. Ook zullen de bakjes met PE warmer worden dan het open bakje, omdat hier de convectie wordt tegengehouden. Hierdoor kan het bakje zijn warmte minder goed kwijt.

Problemen

Helaas hebben we enige problemen gekend met het doen van het proefje. We hadden de thermokoppels goed geijkt, dachten we, maar na de proefjes hadden we opnieuw gekeken of de thermokoppels gelijke temperaturen aangaven. Drie thermokoppels gaven ongeveer dezelfde temperatuur aan, de andere was 1,5 graden kouder. Wij weten zeker dat bij het tweede proefje de afwijkende thermokoppel bij het open droge bakje zat. Bij het eerste proefje denken wij dat het bij het droge bakje met PE zat.

Metingen

Practicum 1

Resultaten practicum 1

We hebben dit practicum uitgevoerd van 8 februari 2012 22:30 uur t/m 10 februari 2012 22:30 uur. Gedurende de eerste dag was het bewolkt, de tweede dag helder.

In deze grafiek zijn:
Roze de grafiek van PMMA nat
Groen de grafiek van PE nat
Rood de grafiek van PMMA droog
Blauw de grafiek van PE droog (werkelijke temperatuur was waarschijnlijk 1,5 graden warmer)

Practicum 2

Resultaten practicum 2

We hebben dit practicum uitgevoerd van 23 februari 2012 22:30 uur t/m 25 februari 2012 22:30 uur. Gedurende de eerste dag was het bewolkt, op de tweede dag kwam de zon er af en toe door.

In deze grafiek zijn:
Roze de grafiek van Open nat
Groen de grafiek van PE droog
Blauw de grafiek van PMMA droog
Rood de grafiek van Open droog (werkelijke temperatuur was 1,5 graden warmer)

Analyse

Practicum 1
Kwaliteit van de meting

Onze grafiek lijkt vrij goed overeen te komen met wat het dichtstbijzijnde KNMI station (in Arcen) heeft gemeten (zie bijlage). De tweede middag komt in onze grafiek echter duidelijk boven de andere uit qua temperatuur, terwijl dit bij de werkelijke temperatuur niet is. Waarschijnlijk komt dit doordat op de tweede dag de zon veel harder scheen. De thermokoppels lijken dit heel duidelijk op te pikken. Op de tweede dag meten de thermokoppels temperaturen van boven de 0 graden, terwijl de temperatuur volgens de KNMI niet boven de 0 uit waren gekomen.
De roze grafiek lijkt een meetfout te tonen in het eerste anderhalve uur en tussen 42 en 44 uur. De temperatuur blijft nagenoeg gelijk, terwijl dit totaal onlogisch is op deze tijdstippen. Bovendien is de temperatuur waarop de grafiek constant is in beide gevallen even hoog.

Waterdamp

In de nacht (tussen 0 en 9 uur en tussen 22 en 33 uur in onze grafiek) zijn de grafieken van de schaaltjes met een natte bodem (de groene en paarse grafieken) warmer dan de droge bakjes. Water geeft namelijk moeilijker warmte af aan de lucht dan andere materialen. In de middag, wanneer de zon op de bakjes schijnt, zijn de bakjes met water erin juist kouder dan de droge bakjes. Dit effect is op de eerste dag minder groot dan op de tweede omdat de luchtvochtigheid hoger was (zie bijlage). Het water kan dan namelijk verdampen en zo veel warmte meenemen. Het verschil bij de tweede dag is, ongeveer 7 graden ’s middags en 1 graden ’s nachts voor de PMMA bakjes. Opgeteld is dit 8 graden verschil. Na correctie is het verschil bij de PE bakjes, ‘s middags ongeveer 3,5 graden. Als je daar de 4,5 graden verschil die er ’s nachts tussen de bakjes zit bij optelt, krijg je een verschil van 8 graden. Waterdamp maakt de bakjes dus zo’n 8 graden koeler overdag.

Broeikaseffect

Over de hele 48 uur lijkt er een constant verschil te zitten tussen de bakjes met PE en PMMA. Bij de natte bakjes (groen en paars) is dit verschil ongeveer 1 graden en bij de droge bakjes (rood en blauw), na correctie voor het foutje met de thermokoppels, 1,5 graden. PMMA behoort de warmste te zijn aangezien PMMA infraroodstraling tegenhoudt. Dit betekent dat de warmte niet weg zou kunnen gaan uit onze bakjes. Helaas is dit niet het geval bij de natte bakjes. Sterker nog, bij de natte bakjes is de PE constant warmer dan de PMMA, al is het maar 1 graden. Wel lijken de PE bakjes lichtelijk sneller af te koelen dan de PMMA bakjes, maar dit verschil is bijna niet merkbaar. Een mogelijke verklaring voor het feit dat er bij de natte bakjes zo’n klein verschil zit tussen PE en PMMA is dat de waterdamp zich op de PMMA en PE gecondenseerd kunnen hebben. Daar zouden ze infraroodstraling omgebogen kunnen hebben naar de buitenkanten van de bakjes, waar de infraroodstraling er wel door kan. Of de waterdamp zou dan weer met de warmte die erin zit naar onder gevallen kunnen hebben, waardoor de warmte niet uit het bakje gevoerd wordt. Een verklaring voor het feit dat het natte bakje met PE constant warmer was, hebben we niet.

Practicum 2

De kwaliteit van de meting

Een vergelijking van onze resultaten met Arcens temperatuur
Bron: Buienradar & onze eigen metingen

Onze grafiek komt bijzonder goed overeen met de temperatuur die het KNMI in Arcen heeft gemeten op 10cm hoogte boven gras. Vooral als je bij het open bakje 1,5 graden optelt. Zie hieronder voor de vergelijking.

Convectie

In de nacht waar het zo koud is geworden daalt de temperatuur van het open, droge bakje (de rode grafiek) harder dan de andere bakjes. Na de 1,5 graden correctie wordt het open bakje 0,5 graden kouder dan de gesloten bakjes. Het open bakje stond namelijk in contact met de open lucht. Rond dat tijdsstip kwam er een koudefront aan. De gesloten bakjes houden dan hun warmte zo veel mogelijk vast, totdat de warmte via straling en geleiding weg gaat. Uiteraard stijgt de temperatuur dan ook harder wanneer er weer warme lucht voorbij komt. Dit verschil is kleiner bij het natte, open bakje (de roze grafiek). In de middag blijkt er een verschil te zitten van 0,5 graden tussen het open, droge bakje en het bakje met PE (het afgedichte bakje dat alles doorlaat). In die middag kan het open bakje dus makkelijker de warmte kwijtraken en blijft het iets koeler.

Waterdamp

Op de eerste dag lijkt het bakje met de waterdamp moeilijker op te warmen. De reden hiervoor moet zijn dat er in de middag waterdamp gecreëerd is die dan weggevoerd wordt. Deze waterdamp voert de warmte mee (latente warmte). In de nacht die hierop volgt is de grafiek met waterdamp merkwaardig veel warmer dan de andere grafieken. Dit komt waarschijnlijk wederom doordat water moeilijker z’n warmte kwijt kan dan lucht. Vervolgens stijgt de temperatuur minder hard dan in het droge open bakje. De warmte die er gecreëerd wordt, wordt door het verdampte water meegevoerd. Op de tweede middag is het natte bakje even warm als beide afgesloten bakjes. Dit kunnen we niet verklaren. Door de waterdamp zou dit bakje juist kouder moeten zijn omdat het makkelijker zijn warmte kwijt kan. In de nacht is er een temperatuurverschil, na correctie, van anderhalve graden, in de middag geen enkele. Over het algemeen is het verschil dat waterdamp maakt, dat het in de middagen zo’n halve graden warmer is en in een nacht waar het sterk afkoelt, anderhalve graden.

Broeikaseffect

De eerste (bewolkte) dag is het bakje met PE (de groene grafiek) ongeveer 0,5 graden warmer dan het bakje met PMMA. Dit kan komen doordat de wolken het zonlicht slechter doorlaten en er juist voor zorgen dat er meer IR straling van de aarde wordt geabsorbeerd en weer gedeeltelijk naar de aarde wordt uitgezonden. Omdat PMMA niet doorlaatbaar is voor IR straling, wordt deze bij het PMMA buiten het bakje gelaten. PE laat IR straling echter wel door, waardoor dit bakje wel door deze straling wordt opgewarmd. Als er na ongeveer 25 uur een gebied met koude lucht voorbijkomt, wordt dit verschil kleiner en lopen de grafieken zelfs bijna gelijk. In dit gedeelte koelt het bakje met PMMA iets minder snel doordat de infraroodstraling van het bakje zelf het bakje niet uit kan. Dit verschil is echter vrij klein. Nadat de kou voorbij is getrokken warmt het bakje met PE harder op dan het bakje met PMMA. Wij denken dat dit wederom komt doordat de wolken infraroodstraling terugkaatst die het PMMA niet doorlaat. In de middag, wanneer de zon er zo af en toe doorheen komt, wordt dit verschil weer kleiner en gaan de grafieken nagenoeg gelijk lopen. Als je inzoomt, valt te merken dat het bakje met PMMA steeds een heel klein beetje warmer is dan het bakje met PE. Dit verschil is echter vrij klein. We hadden verwacht en gezien in het vorige practicum dat dit verschil groter zou zijn. Dit kan komen doordat de zon er maar af en toe door is gekomen en niet zoals bij het eerste practicum de hele tijd op de bakjes heeft geschenen. Ook in de tweede nacht koelt het PMMA bakje minder hard af. Het verschil tussen PE en PMMA is dus ongeveer 0,5 graden.

Conclusie van het practicum

Uit onze practica blijkt dat er maar een miniem verschil zit tussen PMMA en PE en dus ook tussen wel en niet broeikasgassen in onze atmosfeer. Bij het eerste practicum is het verschil 1 graden, bij het tweede slechts 0,5 graden. We kunnen dus concluderen dat het effect van broeikasgassen op microschaal bijzonder klein is.
Het effect van convectie is niet veel groter. Alleen in de middag, bij warmte, lijkt er een verschil van 0,5 graden te zitten tussen wel en geen convectie.
Het effect van waterdamp is veel groter, maar niet eenduidig. Bij ons eerste proefje is het verschil zo’n 8 graden, bij het tweede 1 graden.
Waar broeikasgassen een relatief klein tot geen effect hebben, en waar convectie ook maar een miniem verschil geeft, heeft waterdamp een groot effect op de temperatuur van onze bakjes. Als er verdamping plaats kan vinden, zijn de bakjes veel kouder als de zon er op schijnt, in de nacht heeft het een licht opwarmend effect.
De verschillen die in ons practicum te zien zijn, zijn relatief kleine verschillen doordat de bakjes niet volledig waren afgesloten, er niet veel zonuren waren (hoewel 10 februari de zonnigste dag van de maand was), er een hoge luchtvochtigheid was en doordat onze bakjes waarschijnlijk warmte geleid hebben, zodat de warmte naar buiten kon ontsnappen.

Conclusie

We hebben nu van drie van de vier factoren door middel van een simpel proefje weten te bepalen welke het sterkste effect heeft op de temperatuur op aarde. In ons practicum, dus op micro schaal, is gebleken dat waterdamp een grotere invloed op de temperatuur heeft dan broeikasgassen. Waterdamp geeft immers een verschil van 1 tot 8 graden tussen dag en nacht en broeikasgassen en convectie veel minder. Dit komt goed overeen met de theorie die we hadden. Waterdamp is heel belangrijk voor de temperatuur op het aardoppervlak. Waterdamp neemt de warmte mee naar boven waar de warmte gemakkelijker kan uitstralen. Waterdamp is echter ook een broeikasgas en helpt dus onze aarde opwarmen. Het is zelfs het meest actieve broeikasgas. Maar waterdamp kan ook wolken creëren en zo de aarde óf verder opwarmen óf afkoelen. De mate waarin dit gebeurt ligt aan de zon. Als de zon een zwak magnetisch veld heeft, zullen er meer lage wolken gevormd worden die onze aarde afkoelen. Echter ook de vervuiling van de lucht heeft invloed hierop. Als er veel vervuiling is, zijn er namelijk veel condensatiekernen en kunnen zich veel wolken vormen. Ook bestaan deze wolken dan uit veel waterdruppeltjes, waardoor het albedo relatief groot is ten opzichte van wolken die ontstaan rond weinig waterdruppeltjes. Ook bestaan deze wolken langer.

Wij denken dat de fluctuaties in de zon het grootste effect heeft op de temperatuur aan het aardoppervlak. Niet zo zeer omdat de temperatuur zeer laag zou zijn als er geen zon was, maar meer omdat het de motor achter het hele mechanisme is in onze aardatmosfeer. Als de zon zwak is, zal ze zowel meer wolken vormen als minder straling op de aarde zelf laten vallen. Als er minder straling op de aarde valt, zal er ook minder straling naar de broeikasgassen gestuurd worden. Deze broeikasgassen kunnen dan weer minder straling terugkaatsen.
Waterdamp lijkt daarna het grootste effect te hebben. Waterdamp kwam ‘als beste uit de bus’ in onze test en heeft meerdere mechanismes waarin het betrokken is.

Broeikasgassen komen naar onze mening op de derde plaats terecht. Ze bleken in onze test vrij weinig effect te hebben. Onze theorie geeft aan dat ze een behoorlijk groot effect moeten hebben en de aarde aardig moeten opwarmen, mede doordat een hogere temperatuur veroorzaakt door broeikasgassen, meer waterdamp laat verdampen, waardoor er meer broeikasgassen in de lucht komen die de aarde nog verder kunnen opwarmen. Wel kan er zo weer meer warmte mee naar boven gevoerd worden die dan kan uitstralen in de ruimte.

Convectie heeft vooral effect op de lokale temperatuur. De warmte wordt door middel van convectie van de ene naar de andere plek vervoerd, maar koelt niet echt het gehele aardoppervlak af. In de tropen is het effect van convectie echter het grootst. Daar is het het warmst en wordt de meeste warmte afgevoerd.