Hoe zit het nu precies met het broeikaseffect?

Foto:

Het antwoord op deze vraag is m.i. nog steeds onduidelijk. De opvatting van het IPCC dat CO2 als het ware als een deken om de aarde ligt en dat naarmate die deken dikker wordt, mede door de menselijke uitstoot van CO2, ook de temperatuur zal stijgen, is met aan zekerheid grenzende waarschijnlijkheid onjuist. Maar hoe zit het dan wèl in elkaar?

Eerst het slechte nieuws en dan het goede. Het slechte nieuws is dat deze ‘posting’ niet vlotjes wegleest. Het stuk vereist een bovennormale inspanning van de grijze cellen, zelfs van degenen die over een meer dan modale hoeveelheid daarvan beschikken. Het goede nieuws is dat de onderstaande analyse van Arthur Rörsch uniek is, in die zin dat deze nog op geen enkel klimaatblog in Nederland of daarbuiten is gepubliceerd.

Arthur Rörsch gaat hierbij in op discussiepunten die door reguliere respondenten bij mijn eerdere ‘postings’ aan de orde zijn gesteld.

Arthur Rörsch:

janos73 op 19 maart, 2012 – 05:10

Gaarne ga ik in op de vraag: Hoe kan de verminderde uitstraling niet leiden tot een opwarming?

Allereerst, je aangehaalde referenties zijn uiteraard wel bekend bij hen die de stralingstransfer processen bestuderen.

1. http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/ch2s2-3-8.html

2. http://agwobserver.wordpress.com/2009/08/02/papers-on-changes-in-olr-due.

Aan het merendeel van de waarnemingen hoeft niet te worden getwijfeld, behalve die van de aangehaalde Philipona die als niet significant binnen de betrouwbaarheidsgrens worden beschouwd. Sterker nog, veel van de spectrale waarnemingen worden al in eerdere, oudere handboeken (dan AR4) aangehaald, echter zonder dat daaraan de interpretatie wordt gegeven die in bovengenoemde referenties staat. (D.L. Hartmann “Global Physical Climatology”, Academic Press, 1994).

Waar het hoofdzakelijk om gaat is dat je aangehaalde conclusie van Harries et al (2001) te ver gaat: “The reduced brightness temperature observed in the spectral regions of many of the greenhouse gases is experimental evidence for an increase in the Earth’s greenhouse effect”.

Terecht staat hier wel dat er sprake is van een ‘reduced brightness temperature’ boven de troposfeer, want dat is wat de satelliet van bovenaf ‘ziet’ volgens de wet van Stefan Bolzman: W=?T4.

De IR-meting is dus in feite een temperatuurmeting van het gas waarvan de uitstraling wordt gemeten. Men noemt dat de emissietemperatuur van het gas. Aangezien de temperatuur afneemt met de hoogte, (-50 C op 10 km) toont de satelliet aan dat het betreffende gas (CO2) tot grote hoogte doordringt. Het zegt weinig over de totale uitstraling richting heelal, bijvoorbeeld over de belangrijke bijdrage door het wolkendek (mondiaal gemiddelde ca 50 %). Aangezien de CO2-concentratie in de gehele atmosfeer toeneemt, ook aan de TOA (‘Top of the Atmosphere’), is de satellietwaarneming het gevolg daarvan, en wijst niet op iets wat CO2 nabij het oppervlak teweeg kan brengen.

Het effect daarvan is overigens beperkt tot de eerste paar km boven het oppervlak, omdat in deze laag alle IR die het oppervlak uitstraalt bij de absorptiegolflengte van CO2, al is opgenomen. Zelfs voor meer dan 50 % bij de eerste honderd meters. Veel meer kan CO2 bij concentratieverhoging niet bijdragen.

Terug naar de TOA, er zijn wel degelijk metingen die er op wijzen dat gedurende de laatste decennia de totale uitstraling heelal is toegenomen. Maar ook dat zegt weinig over de processen nabij het oppervlak. Hoeveel gecompliceerder deze uitstraling op mondiale schaal is, wordt hierna nader toegelicht.

De aanhaling van Harries is een typisch voorbeeld hoe men vanuit een vooringenomen stellingname naar een CO2 effect toe redeneert. De meteorologische verklaring voor het verschijnsel dat de emissietemperatuur van CO2 in de TOA van de tropische zone is afgenomen, is als volgt.

Dat gedurende de periode 1970 tot 1997 de CO2-concentratie is toegenomen, alsmede de gemiddelde mondiale temperatuur, mogen we wel aannemen. Maar niet boven de tropische oceanen waar 50 % van de totale zonne-energie wordt ontvangen. Hier werkt de ‘waterthermostaat’ heel sterk die de oppervlaktetemperatuur beneden 28 C houdt. Hoe werkt die waterthermostaat? Bij aanvoer van meer warmte neemt de verticale convectie toe. Daarbij wordt de lucht-/watermassa, naar grotere hoogte (tot 18 km) opgestuwd. Met deze zogenaamde ‘deep convection’, wordt ook de CO2 naar grotere hoogte meegesleurd en kan men verwachten dat diens specifieke emissietemperatuur, die de satelliet ook waarneemt, afneemt. Heeft deze verminderde specifieke uitstraling van CO2 ter plaatse, naast die van water over een groter deel van het spectrum, niet toch een effect op de mondiale warmtehuishouding?

Hier komt de complicatie om de hoek kijken dat de stralingsbalans op elke breedtegraad anders is. Zie de illustratie hier boven, ontleend aan het handboek van Hartmann, pagina 37. 

Tussen 40 NB en 40 ZB is de stralingsbalans negatief: Er wordt door de zon meer ingestraald dan aan de TOA aan IR uitgestraald. Buiten deze breedtegraden is de balans positief : meer IR uitstraling dan zon instraling. Men kan hier eigenlijk spreken van een negatief ‘broeikaseffect’. Het mondiale evenwicht tussen in- en uitstraling komt tot stand doordat de overmaat warmte die aan de equator (van de zon) wordt ontvangen door de winden en oceaanstromen naar hogere breedtegraad wordt afgevoerd. En daar relatief sterker dan elders, als IR richting heelal wordt uitgestraald. Het zijn daardoor de winden en oceaanstromen die uiteindelijk de mondiale stralingsbalans, en indirect de lokale oppervlaktetemperaturen, regelen.

Voor nadere toelichting zie mijn voordracht op 12-12-2011, die via climategate.nl is op te vragen. (dec 26th, 2011 by Theo Wolters) (Een PP presentatie + nadere toelichting).

Waar de discussie op dit DDS blog in feite over gaat, is de geloofwaardigheid van de interpretaties die IPCC (en diens volgers) aan waarnemingen geven, en de verwijzingen van Janos daarnaar was aanleiding om een specifiek geval te behandelen. Daarom vervolgens, in meer algemene zin, nog even terug naar een eerdere, wat schampere opmerking van Janos: “Als het AGW niet bestaat en je kunt het onderbouwen ligt er een Nobelprijs voor je klaar, maak er werk van en publiceer je theorie in een wetenschappelijk tijdschrift.”

Een Nobelprijs krijg je voor origineel onderzoek. En een publicatie in een wetenschappelijk tijdschrift hoort ook aan zo’n voorwaarde te voldoen. De argumenten die ‘sceptici’ aanvoeren tegen de AGW-hypothese zijn echter voor het merendeel in het geheel niet ‘origineel’ maar ontleend aan algemene, klassieke inzichten in de klimatologie. En door de verbeterde technische mogelijkheden (satellietwaarnemingen) worden deze eerder bevestigd dan ontkracht. Het bezwaar van de sceptici tegen IPCC interpretaties komt uiteindelijk neer op ‘hineininterpretieren’ vanuit de vooringenomen stellingname over een mogelijk effect van het IR absorptievermogen van CO2. Daarbij negeert men zowel oude inzichten uit de klimatologie als nieuwe inzichten, die aan de complexiteitstheorie kunnen worden ontleend.

De laatste zijn overigens ook niet zó nieuw (tenminste 50 jaar oud), maar kennelijk wel moeilijk te verwerken door hen die bij interpretaties van waarnemingen vast blijven houden aan het veronderstellen van evenwichtstoestanden, die zich in een sterk dynamisch (oscillerend) systeem, met processen die zich ver van het thermodynamisch evenwicht afspelen, nooit kunnen voordoen. Begrijp me niet verkeerd, ik wil niet pretenderen alles van de complexiteitstheorie te doorgronden. Nader onderzoek aan de bekende en wel omschreven ‘chaotische’ processen, die slechts te beschrijven zijn met (onoplosbare) niet-lineaire differentiaalvergelijkingen, levert voortdurend verrassingen op.

De IPCC rapportage onderkent dat wel, en spreekt van ‘onzekerheden’, maar dan wel vasthoudend aan het paradigma dat CO2 een belangrijk ‘broeikasgas’ moet zijn. Niettemin, er zijn in de klimatologie belangrijke vorderingen gemaakt, dankzij toegenomen technische mogelijkheden (zoals satellietwaarnemingen en simulatie van processen met geavanceerde computers). Het bezwaar tegen de ontwikkeling in het vakgebied betreft de ‘cultuur’ die zich in en rond IPCC heeft gevestigd – die van consensus en van onvoorwaardelijk geloof in de waarde van ‘peer-reviewed’ literatuur en de interpretaties die daaraan worden gegeven. Het bezwaar richt zich daarmee op de twijfel aan de kwaliteit van de evaluatiestudies (‘assessments’), die in te beperkte kring van gelijkgestemden worden uitgevoerd. De suggestieve interpretatie van de gemelde waarnemingen van Harries (2001) is daarvan een voorbeeld. De AR4-assessors hadden mijn inziens onvoldoende oog voor de verklaring voor het waargenomen verschijnsel van de afgenomen emissietemperatuur van CO2, dat deze samenhangt met de hoogte die het gas in de atmosfeer kan bereiken.

Terug naar de oorspronkelijke vraag over de relatie uitstraling tot opwarming. In één van de aangehaalde referenties Thomas P. Charlock, Tellus (1984). 368. 139-148, staat met zoveel woorden: “It should be noted that the results do not give a solid, unambiguous “fingerprint” for the climatic effects of CO2”. Dat is echter mijnerzijds ‘selectief aanhalen’. Maar waarom vermeldt de verzamelaar Ari Jokimäki van de artikelen over de veranderende uitstraling (ref. 2) dit niet? Hij zegt daarentegen: “It is suggested that the 2300 cm [IR golflengte] region be carefully monitored as an aid in detecting the climatic effects of increasing CO2”, waarmee weer gesuggereerd wordt dat CO2 een effect moet hebben, althans zo leest Janos het.

Gaat men terug naar oorspronkelijke artikelen van onderzoekers dan zal men vaker opmerken dat zij zich meestal over de materie genuanceerder uitlaten dan hun reviewers suggereren.

Nog een enkele kanttekening bij de vorige discussie. Matthijs stelde op 19 maart, 2012 – 16:03: “Daarom zie ik de atmosfeer meer als een demper op opwarming en afkoeling. Massa van deze demper, bepaalt de traagheid van opwarming en afkoeling.”

Het effect van CO2 zou omgekeerd kunnen uitpakken. Gezien zijn geringe concentratie kan het naast de waterdamp, die latente warmte vasthoudt, aan die demping weinig bijdragen. Maar het absorbeert en emitteert wel een aanzienlijke hoeveelheid IR. Volgens het stralingstransfer model stralen horizontale lagen zowel naar boven als naar beneden uit en absorberen ook weer elkanders emissies. Aangezien de temperatuur met de hoogte afneemt, neemt ook de emissietemperatuur van de lagen daarmee af waardoor de emissie richting heelal vooral door de temperatuur van de hogere luchtlagen wordt bepaald. De emissie van het oppervlak opwaarts is hoger vanwege diens hogere temperatuur. Aangezien het, tot zover bekeken, stralingsverschijnselen betreft, zou men ook kunnen verwachten dat de bijdrage van CO2 aan de optische dichtheid van de atmosfeer, het stralingstransfer proces door alle lagen heen stimuleert in plaats van afremt. Zodat het bereiken van een mondiale stralingsbalans zich sneller aanpast aan veranderingen van de oppervlakte temperatuur.

Janos werpt op dat de terugstraling van de onderste luchtlagen naar het oppervlak dit op een hogere temperatuur houdt dan zonder die terugstraling. Dat is de ‘klassieke’ voorstelling van het (IPCC) broeikasmodel. Terecht wordt echter opgemerkt dat CO2 zelf geen energiebron is. Om terugstraling op te wekken in de onderste luchtlaag, moet die eerst op een bepaalde temperatuur zijn gebracht en wel door de opgaande straling van het zelfde oppervlak. De sterkte van opgaande straling en de terugstraling zijn dus niet onafhankelijk van elkaar. En zo krijgt men een ander beeld van het proces dan voortvloeit uit de veronderstelling dat meer CO2 meer ‘warmte zou vasthouden’. Immers, de warmte moet eerst ergens vandaan zijn gekomen. Is die opgewekt door accumulatie, omdat de uitgaande straling, zoals Janos meende, is afgeremd? Als de interpretatie van de aangehaalde literatuur juist zou zijn, leidt dat tot de redenering dat er sprake moet zijn van een verhoogde warmtecapaciteit van de troposfeer. Aan het spoortje CO2 kan men dit niet toeschrijven. De IPCC redenering is dan dat de toename van CO2 de relatieve vochtigheid van de troposfeer verhoogt. En water is ongetwijfeld het belangrijkste ‘broeikasgas’. (Al betwijfelen sommige sceptici dát zelfs.) Maar daarmee wordt het verloop van de processen direct gekoppeld aan de mondiale warmtehuishouding, die hoofdzakelijk is gekoppeld aan de waterhuishouding. Maximale zoninstraling en verdamping, hoofdzakelijk in de equatoriale zone, gevolgd door hoofdzakelijk uitstraling naar het heelal op de hogere breedtegraden.

(Zie figuur)

De cruciale vraag wordt dus: kan CO2 dat mondiale circulatieproces nu werkelijk beïnvloeden? En Janos ‘mag’ van mij niet zeggen dat een aards broeikaseffect onafhankelijk kan zijn van die mondiale circulaties.

Er is, denk ik, tot dusver onvoldoende aandacht besteed aan het opmerkelijke verschijnsel dat ik eerder heb genoemd het ‘negatieve broeikaseffect’ boven 40 NB en ZB. In IPCC-rapporten zie ik dat verschijnsel in het geheel niet bekeken. Ook niet in de ‘First Order Draft’ van komende WG1 AR5 evaluatierapport dat vertrouwelijk is verspreid. Wel constateer ik in verschillende hoofdstukken de opmerking, dat ‘global warming’ onder invloed van CO2 toename, nu een feit is, zonder onderbouwing. Vandaar mijn ongemak met het IPCC evaluatiestudies.

Aldus Arthur Rörsch

In dit artikel
De Dagelijkse Standaard gebruikt cookies. Lees hier meer over cookies op deze site.