CO2 als broeikasgas: inleiding
CO2 als broeikasgas is de spil in de hypothese dat een stijging van CO2 opwarming van de aarde veroorzaakt. Niet iedereen is het daar mee eens, en dat zijn niet allemaal “gekken” zoals vaak neerbuigend beweerd wordt door vele klimaatalarmisten. De komende afleveringen wil ik een andere kijk op CO2 als broeikasgas aan de orde stellen. In dit inleidende deel een aantal basisgegevens op een rijtje.
CO2 is onderdeel van de koolstofcyclus op onze planeet. Verreweg het grootste deel van C is opgeslagen in dikke pakketten kalksteenafzettingen. Sedimentatie in zeeën en oceanen vullen deze opslag van C aan, verwering op het land maakt C weer vrij uit deze gesteenten, dat als CO2 in de atmosfeer terecht komt. Andere bronnen voor de atmosfeer van C zijn de biosfeer, oceanen en de mens vanwege het verbranden van fossiele brandstoffen en veranderd bodemgebruik. Oceanen, biosfeer en gesteenten vormen aan de andere kant ook weer sinks voor C. Onderstaande figuren komen uit het laatste rapport van het IPCC.
Antropogeen C is in zoverre een vreemde eend in de bijt omdat het geen sink vormt en pas sinds het eind van de 19e eeuw een rol is gaan spelen. Die rol is beperkt: slechts 3% van alle CO2 die jaarlijks in de atmosfeer terecht komt is van antropogene oorsprong, de rest is “natuurlijk”. Schattingen van deze antropogene bijdrage lopen uiteen van 6 tot 10 gigaton C per jaar, terwijl geschat wordt dat 1/3 tot 1/2 daarvan binnen een jaar wordt opgenomen door de oceanen. Het recentste cijfer is een antropogene emissie vanwege fossiele brandstoffen in 2008 van 8,7 gigaton C (bron: BP statistical review of world energy). De rest van de antropogene CO2 veroorzaakt samen met nog andere bronnen (o.a. oceanen) de stijging van het CO2-gehalte in de atmosfeer gedurende de afgelopen 250 jaar van 280 ppm tot 390 ppm in 2010.
Cruciale vraag is nu : wat voor invloed heeft dit op de temperatuur op aarde? Velen wijzen naar de temperatuurstijging van de afgelopen eeuw. Die temperatuurstijging correleert echter slecht met de stijging van het atmosferische CO2. In de eerste plaats is begint de CO2-stijging al rond 1800 (zie figuur hierboven), terwijl er pas sprake is van enige uitstoot door fossiele brandstoffen vanaf 1850 (zie onderstaande figuur). Die antropogene uitstoot loopt dan langzaam op tot ongeveer 1,5 gigaton C/jaar in 1945, om daarna explosief te stijgen als gevolg van de naoorlogse “industrial boom”.
In de tweede plaats is de recente temperatuurstijging geen geleidelijke beweging , maar een met sterke op- en neergaande bewegingen, terwijl het CO2-gehalte tamelijk gelijkmatig stijgt. Nu is daarover al veel geschreven, onder andere op deze site. Cruciale vraag in het klimaatdebat momenteel is hoe groot de invloed is van CO2 op het wereldklimaat, de CO2-sensitivity.
De oceanen
Dr. Roy Clark uit de USA heeft een opvallende mening over de effecten van CO2- stijging op de aardse temperatuur. Die mening heeft hij geventileerd in een artikel in het blad Energy & Environment . (Roy Clark, A null hypothesis for CO2, Energy & Environment, Volume 21, Number 4 , August 2010)
Clark stelt dat stijging van CO2 geen enkele invloed heeft op de temperatuur op aarde en staaft die bewering met overzichtelijke berekeningen aan fysische processen. Nu ben ik persoonlijk veel meer gecharmeerd van herkenbare fysische wetmatigheden dan van het complexe modelbouwen dat de laatste decennia zo’n grote opmars vertoont. Clark vergelijkt de invloed van CO2 op de temperatuur met de invloed van variaties in zonne-energie. Hij stelt vast dat een stijging van 100 ppm CO2 (ongeveer de stijging vanaf 1800) een verhoging van 1,7 W/m2 veroorzaakt aan het aardoppervlak als gevolg van een verhoogde neerwaarts gerichte LWIR (langgolvige infrarood straling). Dat getal is verkregen uit de HITRAN database van Harvard University en wordt ook gebruikt in het laatste IPCC rapport.
De zon levert 1365 W/m2. Dat is de zogenaamde zonneconstante, die toch niet zo constant blijkt te zijn als de naam veronderstelt: hij varieert licht onder invloed van zonnecycli. Voor de afgelopen 50 jaar met 6 zonnecycli lag de zogenaamde zonnevlekkenindex ongeveer 70% boven het gemiddelde vanaf 1650. Dat veroorzaakte een gemiddelde verhoging van 0,3 W/m2. Deze data stammen uit de database van de SOHO/VIRGO satelliet. Op onderstaande grafieken zijn beide forcings afgebeeld.
De vraag die Clark zich stelt is de volgende: uitgaande van de Eerst en Tweede Wet van de Thermodynamica en de Wet van Beer, kunnen deze 2 relatief kleine veranderingen in zonnestraling en LWIR de aardse energiebalans zodanig veranderen dat er een klimaatverandering optreedt? Voor het antwoord op die vraag bekeek Clark de aarde niet als geheel maar maakt onderscheid tussen oceanen en continenten. Energiestromen boven oceanen wijken namelijk sterk af van die boven land.
Water is bijna volledig transparant voor licht, dat tot een diepte van ongeveer 100m doordringt (Hale & Querry, 1973). Het oceaanwater koelt af door verdamping en langgolvige uitstraling (LWIR) vanaf het oppervlak. (Yu, L., Jin, X. and Weller R. A., OAFlux Project Technical Report (OA-2008-01) Jan 2008. ‘Multidecade Global Flux Datasets from the Objectively Analyzed Air-sea Fluxes (OAFlux) Project: Latent and Sensible Heat Fluxes, Ocean Evaporation, and Related Surface Meteorological Variables) . Over vrijwel de gehele LWIR bandbreedte wisselt het wateroppervlak straling uit met de atmosfeer, waarbij er een licht overschot is aan verwarming van de atmosfeer door het water. Deze is afhankelijk van de het temperatuurverschil tussen lucht en water (Tweede Wet Thermodynamica).
LWIR vanuit de atmosfeer dringt minder dan 1/10 mm het water binnen. De temperatuurveranderingen die daardoor ontstaan zijn te klein om waar te nemen binnen de fluctuaties die ontstaan door veranderingen in verdamping. Van 1977 tot 2003 nam de verdamping toe van 103/jaar tot 114 cm/jaar, als gevolg van een toename van de windsnelheid van 0,1 m/sec. (Yu, L., J. Climate, 20(21) 5376-5390 (2007), ‘Global variations in oceanic evaporation (1958-
2005): The role of the changing wind speed’). Zie onderstaande grafieken.
De onzekerheidsmarge bij die stijging van 11 cm/jaar is 2,7 cm/jaar, wat hoger is dan de maximaal mogelijke verdamping onder “clear sky conditions” bij een verhoging van het CO2-gehalte met 100 ppm. Het is dus fysisch gezien onmogelijk dat een toename van het CO2-gehalte met 100 ppm een meetbare invloed heeft op de oceaantemperatuur.
Onderstaand figuur toont de energiestromen op het grensvlak van water en lucht. Te zien is dat de oceaan op 2 manieren afkoelt: door verdamping, waarbij latente energie naar grotere hoogten stijgt en daar vrijkomt, en door straling (LWIR). Cruciaal verschil tussen beide is dat bij verdamping het vrijkomen van energie niet gekoppeld is aan de oceaan maar de neerwaartse LWIR-flux grotendeels wel. De latente warmte door verdamping wordt immers door convectie op grotere hoogte omgezet in voelbare warmte. Op grotere hoogten ontsnapt die warmte makkelijk uit de atmosfeer naar de ruimte. Dat is in extreme mate het geval bij het ontstaan van vele altocumuli in de tropen die tot 15 km hoogte kunnen reiken. Zie hierover ook de ideeën van Noor van Andel en Eschenbach. De afkoeling door LWIR beperkt zich tot de bandbreedte van 800 – 1200 micrometer (infrarood venster), daarbuiten is de uitstraling van langgolvige straling gekoppeld aan de oceaan.
Voor zonlicht is zoals reeds gezegd het oceaanwater tot ongeveer 100 m doorzichtig, wat wil zeggen dat zonlicht tot ongeveer 100 m diepte wordt geabsorbeerd en omgezet in warmte. Die warmte kan maar ten dele weer aan de atmosfeer afgeven worden doordat er sprake is van een beperkt verticaal transport. Afhankelijk van de breedteligging is verticaal transport van grotere diepte maar beperkt mogelijk, en dan veelal slechts in een deel van het jaar: de seasonal mixing layer. In de lente en zomer ontstaat een warme bovenlaag, met als gevolg een temperatuursinversie die verticaal transport verhindert. In de herfst verwijnt die inversie vanwege de afkoeling van de bovenste waterlagen, waardoor er een mix mogelijk is tot 100 m diepte. Op onderstaande 2 grafieken is dat te zien voor een meetpunt op 1,5° ZB en 20,9 ° ZB respectievelijk.
De grafieken hieronder betreffen meetpunten op respectievelijk 52,7° ZB en 63,4° ZB. Het zijn data verkregen door het ARGO Float Program met 3000 boeien die vanaf 2007 gegevens versturen van onder andere het temperatuurprofiel van de bovenste waterlagen. De boeien kunnen tot 2 km diepte zinken en dan weer langzaam omhoog gaan en metingen verrichten. Aan het wateroppervlak gekomen zenden ze de data naar een satelliet.
Hier een link naar een informatieve video over ARGO.
Er vallen in bovenstaande grafieken twee dingen op: in de eerste plaats is er sprake van een relatieve dunne laag van ongeveer 25m aan het wateroppervlak die goed gemengd is. Dat is te zien aan de homogene temperatuur in die laag en is het gevolg van het dag/nachtritme, waardoor ’s nachts de bovenste laag voldoende afkoelt om menging mogelijk te maken. In de tweede plaats is goed te zien dat op het meetpunt nabij de evenaar constante hoge temperaturen de inverse situatie in de bovenste 100m het gehele jaar door gehandhaafd blijft en er dus geen menging optreedt in deze laag. Warmte dieper dan 25 m kan derhalve niet afgegeven worden aan de atmosfeer. Grote hoeveelheden energie kunnen dus niet “ontsnappen” en worden door zeestromen over grote afstanden meegenomen naar hogere breedten waar menging plaatsvindt en uitstraling naar de atmosfeer. Deze zeer uitgestrekte pakketten warm water zijn waarschijnlijk gecorreleerd aan het ontstaan van klimatologische fenomenen als ENSO (El Niño/ Southern Oscillation) en tropische wervelstormen.
Wat doet een toename van CO2 in deze water-lucht energiebalans? Volgens Clark is dat vrij simpel: een toename van CO2 in de atmosfeer doet een extra energieflux richting oceaan ontstaan van maximaal 1,7 Watt/m2, zoals reeds eerder gesteld. Omdat water opaak (ondoorzichtig) is voor LWIR straling wordt deze extra energie vrijwel geheel geabsorbeerd in een heel dun waterlaagje van minder dan 100 micrometer (1/10 mm). Dit opgewarmde laagje , dat natuurlijk wel enige menging ondergaat afhankelijk van de plaatselijke omstandigheden, staat die extra energie weer snel af aan de atmosfeer door een extra verdamping in de orde van grootte van maximaal 2,4 cm/jaar sinds 1800. De verdamping neemt bijna exponentieel toe met de temperatuur.
Hoe staat het met de invloed van extra flux van zonne-energie op de watertemperatuur? Het effect van kleine veranderingen in de zonneconstante op de temperatuur van het oceaanwater kan worden onderzocht met behulp van een eenvoudige fysisch model met vaste absorptiecoëfficiënt en vaste uitstralingsflux. Een dergelijk model reproduceert een jaarlijks temperatuurprofiel zoals in bovenstaande figuur is weergegeven. Vervolgens wordt de invloed van zonnevlekken op de uitgestraalde zonne-energie sinds 1650 onderzocht. Bij een stijging van 1 Watt/m als gevolg van een stijging van de zonnevlekindex met 100 is de berekende temperatuurstijging zoals in bovenstaande grafiek is weergegeven (op 30° NB en 90m diepte). Duidelijk te zien zijn Dalton en Maunder Minimum en de recente opwarming!
Zelfkoelingsgetal als functie van de watertemperatuur voor verschillende windsnelheden volgens Sweers (1976)
Conclusie: de extra LWIR-flux vanuit het onderste deel van de troposfeer als gevolg van CO2-toename kan het oceaanwater niet of nauwelijks verwarmen. Die extra flux wordt verwijderd door een toename van de verdamping die zo gering is dat deze verdwijnt in de ruis van verdampingsfluctuaties als gevolg van windsnelheidsveranderingen en veranderingen als gevolg van variaties in zonne-instraling en andere factoren zoals aerosolen, bewolking en luchtvochtigheid
De continenten
Clarks conclusie is dus dat de extra LWIR (infrarood energiestroom) richting oceaan als gevolg van een toename van het CO2-gehalte met 100 ppm fysisch onmogelijk voor opwarming van de troposfeer kan zorgen. Laten we nu de energiefluxen tussen continenten en atmosfeer eens bekijken. Hieronder staan schematisch de diverse energiestromen ingetekend.
Opvallend is het kleine fotootje van een Stevensonhutje. Clark merkt terecht op dat wanneer klimatologen over de oppervlaktetemperatuur spreken dit vrijwel altijd de luchttemperatuur op 1,5m a 2m hoogte betreft. Om de energiestromen in bovenstaande figuur correct te kunnen invullen hebben we derhalve de oppervlaktetemperatuur nodig, stelt Clark terecht. Die oppervlaktetemperatuur is de resultante van een aantal parameters, zoals de absorptiecoëfficiënt, de geleiding en warmtecapaciteit van de grond, hoek van instraling, reliëf , verschil tussen inkomende en uitgaande LWIR-stromen, latente warmtestromen indien de grond vochtig is, en convectie. De luchttemperatuur op 1,5m hoogte is afhankelijk van de parameters van de aangevoerde luchtsoort, LWIR vanaf de grond, latente warmtestromen, en de mate waarin de lucht in het onderste deel van de troposfeer kan mengen. Dat laatste is gerelateerd aan de atmosfeergradiënt (lapse rate) ter plaatse.
Clark stelt terecht dat er geen duidelijke of eenvoudige relaties tussen beide grootheden bestaan. De huidige klimaatmodellen gaan echter uit van de veronderstelling dat de gemeten luchttemperatuur gezien kan worden als een “equilibrium surface temperature”. Clark acht dit onjuist. ’s Zomers kan de totale zonne-energie per m2 wel meer dan 50 MJ worden, waarbij de grond zelfs warmer dan 50° C kan worden. De dagelijkse schommelingen in de uitgaande LWIR-stroom kunnen groter zijn dan 5 MJ. Gedurende de afgelopen 50 jaar is er een LWIR- fluxtoename geweest van ongeveer 0,1 MJ als gevolg van de toename van het CO2-gehalte met 70 ppm. Clark stelt dat het feitelijk onmogelijk is dat een dergelijke kleine verandering in LWIR-flux een meetbaar effect heeft op de oppervlaktetemperatuur, gezien de enorme dagelijkse en seizoenschommelingen. Om vast te kunnen stellen of dat inderdaad zo is, ontwerpt Clark een zogenaamd Groud Heating Model.
Hierboven is een temperatuurgrafiek van Irvine (CA) van 2008 te zien. Duidelijk zijn de grote verschillen tussen de dagelijkse maximum en miniumtemperaturen van de thermometermetingen (MSAT) en die van de oppervlaktetemperatuur gemeten door satellieten (Surface temperature). Op basis van deze data van Irvine heeft Clark zijn Ground Heating Model gemaakt, dat rekening houdt met latente warmtestromen, zonne-energiestromen en IR-stromen, convectie en opslag tot 1m diepte in de grond. Het model is verrassend accuraat als men het vergelijkt met de gemeten en gladgestreken satellietdata:
Clark heeft toen zijn model opnieuw laten rekenen, maar dan met een toegenomen neerwaartse LWIR flux van 1,7 W/m2 als gevolg van een toename van 100 ppm CO2. Het resultaat is hieronder te zien. Het effect van de toename van het CO2 gehalte is nergens in het gehele jaartraject groter dan 0,07°C ! Als dan ook de fluctuaties in latente warmte en bewolkingsgraad meegenomen worden is het onmogelijk om enig effect van een CO2-stijging op de oppervlaktetemperatuur waar te nemen.
Als het dus onmogelijk is dat CO2 een verandering in oppervlaktetemperatuur heeft bewerkstelligd, dan is het al helemaal onwaarschijnlijk dat het enige verandering in de gemeten luchttemperatuur heeft kunnen veroorzaken. Clark stelt dat de gemiddelde minimumtemperatuur (MSAT) uit de historische temperatuurreeksen op lange termijn bezien een indicator zijn van de atmosfeergradiënt ter plaatse, en dat de maximum temperatuur slechts de dagelijkse opwarming betreft van de atmosfeergradiënt op 1.5m hoogte.
Om nu de temperatuur van een kolom lucht in de troposfeer van 1m x 1m x 10 km met 1°C te verhogen is ongeveer 10 MJ aan energie nodig. Die enorme hoeveelheid energie kan volgens Clark alleen maar geleverd worden door een verandering in de oceaantemperatuur door verandering in verdamping. Continenten kunnen onmogelijk een dergelijke opwarming veroorzaken. Global warming is niets meer en niets minder dan het meten van 30 jaar temperatuurtoename van oceaanwater, een toename die 10 jaar geleden eindigde.