Een veel groter broeikaseffect – maar temperatuur gedomineerd door koeling

Door Wim Röst

Voorwoord Speciaal voor Beleidsmakers
Het broeikaseffect blijkt veel groter te zijn dan tot op heden verondersteld. Dat betekent echter ook dat het broeikaseffect niet de temperatuur bepaalt. De temperaturen op aarde zijn veel lager. Het niveau van de Aardse temperaturen blijkt volledig afhankelijk te zijn van koeling door het H₂O-molecuul dat al vier miljard jaar de Aardse temperaturen binnen nauwe grenzen weet te houden. De invloed van extra broeikasgassen kan – gezien de enorme kracht van koeling middels waterdamp – niet anders dan nul procent zijn. De consequentie van hetgeen hieronder wordt uiteengezet is, dat beleidsmakers weer de volledige vrijheid hebben in het zoeken naar de meest praktische, de meest strategisch juiste én de meest goedkope oplossing voor de huidige (2022) energieproblematiek. Alle opties liggen weer open.

Samenvatting
Het Aardse Broeikaseffect is veel groter dan ons tot op heden is voorgesteld. Als de oppervlaktestraling en het broeikaseffect de temperatuur van ons aardoppervlak zouden bepalen, dan zouden onze oceanen koken. Gelukkig is dat niet het geval. Onze Water Aarde heeft een krachtig, op waterdamp gebaseerd, koelsysteem dat de temperatuur van ons oppervlak effectief bepaalt op een veel lager niveau dan ‘koeling alleen door straling’ gedaan zou hebben. En dat de temperatuur op dat lagere niveau ook stabiliseert. Dankzij waterdamp is ons temperatuursysteem heel veel stabieler dan algemeen wordt aangenomen, en dankzij water, waterdamp en bewolking zijn onze oppervlaktetemperaturen zeer geschikt voor het Leven op Aarde.

Inleiding
De Vroegste Aarde bestond uit gesmolten lava bedekt met een extreme broeikasatmosfeer: vrijwel geen oppervlaktestraling kon rechtstreeks de ruimte bereiken. Desalniettemin koelde het Aardse oppervlak. Opwaartse convectie bracht voelbare en zogenaamde ‘latente warmte’ van het hete oppervlak naar de uiterste rand van de atmosfeer vanwaar energie wel effectief de ruimte in gestraald kon worden. Ondanks het vrijwel maximale broeikaseffect was het oppervlak van de Aarde toch in staat om af te koelen en op een bepaald moment ontwikkelden zich de eerste oceanen. Die eerste oceanen kookten en zorgden nog steeds voor een zeer sterk opwaarts transport van energie door convectie, resulterend in verdere afkoeling van het oppervlak. Tot op de dag van vandaag speelt opwaarts convectief transport de hoofdrol in de koeling van ons aardoppervlak. Convectie bepaalt de temperatuur van ons oppervlak op het huidige niveau en reguleert deze. Zonder koeling door verdamping en convectie en wolken zou het huidige broeikaseffect in theorie leiden tot een temperatuur van 202,3 graden Celsius. Op de Echte Aarde verwarmt het broeikaseffect het aardoppervlak, maar het broeikaseffect bepaalt en controleert niet de uiteindelijke oppervlaktetemperatuur. Dat doet het op H₂O gebaseerde koelingssysteem.

Het theoretische broeikaseffect
We kunnen de opwarming door het huidige broeikaseffect berekenen voor een theoretische planeet^[1] voor het geval het oppervlak van deze planeet alleen gekoeld zou worden door straling vanaf het oppervlak. Zonder een broeikasatmosfeer en indien optimaal gekoeld door straling^[2] is de temperatuur van zo’n theoretische planeet 42,3 graden onder nul. Maar een broeikasatmosfeer zorgt voor een zeer groot verschil in oppervlaktetemperatuur. Althans, in eerste instantie.

De atmosfeer van onze huidige Aarde is nog steeds ‘een bijna perfecte’ broeikasatmosfeer. Zoals blijkt uit figuur 1 kan maar 22 Watt per vierkante meter (W/m2) van alle door het aardoppervlak uitgestraalde energie (396 W/m2) de ruimte bereiken zonder geabsorbeerd te worden. Een efficiëntie van oppervlaktekoeling van slechts 5,556%.

Figuur 1: Het Aardse Energie Budget. Van alle 396 W/m2 oppervlakte uitgestraalde energie bereikt 22 W/m2 de ruimte zonder te worden geabsorbeerd. (Toegevoegd: rode ovaal)

Bron: Trenberth and Fasullo 2011^[3]

Het nuttig effect van koeling door oppervlaktestraling is zeer laag: bijna alle straling die door het aardoppervlak uitgezonden wordt, keert weer terug als zogenaamde ‘downwelling radiation’ of blijft (in het geval er geen convectie aanwezig is) als ‘voelbare warmte’ in het onderste gedeelte van de atmosfeer. Nu we de efficiëntie van koeling door oppervlaktestraling weten, kunnen we de temperatuur van onze denkbeeldige planeet berekenen voor het geval deze alleen door oppervlaktestraling zou worden gekoeld. Figuur 2.

 Figuur 2: De oppervlaktetemperatuur voor een theoretische planeet, berekend voor ‘oppervlaktekoeling uitsluitend middels straling’. Input: zonne-energie geabsorbeerd en door het oppervlak uitgestraalde lange golf-straling 161 W/m2. Efficiëntie van oppervlaktestraling 5,556% (‘Emissivity 0.05556’). Berekening middels deze Stefan-Boltzmann Law calculator.

Met het huidige broeikaseffect van de Aarde zou onze denkbeeldige planeet een oppervlaktetemperatuur krijgen van 202,3 graden Celsius in het geval het oppervlak alleen gekoeld zou worden door oppervlaktestraling. De totale initiële opwarming door het broeikaseffect is zeer hoog.

Tabel 1: Het opwarmingseffect per Stefan-Boltzmann berekend voor een theoretische planeet, uitsluitend gekoeld door straling. Berekening respectievelijk voor een planeet zonder broeikasatmosfeer en voor een planeet met de huidige Aardse broeikasatmosfeer. Uitgestraalde energie gelijk aan zonne-energie geabsorbeerd, 161 W/m2.

Gemiddelde oppervlaktetemperatuur

Zonder broeikasatmosfeer	– 42.3°C
Met broeikasatmosfeer	202.3°C
Totaal broeikaseffect	244.6°C

Gegeven het zeer hoge initiële broeikaseffect moeten op onze relatief koele Aarde andere factoren dan oppervlaktestraling het niveau van de oppervlaktetemperatuur bepalen: naar alle waarschijnlijkheid H₂O-gerelateerde oppervlaktekoeling.

Het niveau van de Aardse oppervlaktetemperatuur
Waar ergens binnen de bandbreedte van ‘broeikastemperaturen’ vinden wij onze Aardse oppervlaktetemperaturen? De beste indicatie voor onze Aardse oppervlaktetemperaturen is de oppervlaktetemperatuur van de oceanen, die 71% van het aardoppervlak beslaan. Het jaarlijkse maximum is 30°C, terwijl de minimumtemperatuur 1,8 graden onder nul is. In figuur 3 zijn deze temperaturen weergegeven als een groene band.

Figuur 3: Het niveau van de huidige Aardse oppervlaktetemperatuur getoond binnen de bandbreedte voor theoretische broeikasopwarming, zoals berekend voor een theoretische planeet voor de theoretische situatie van oppervlaktekoeling uitsluitend middels oppervlaktestraling. Het broeikaseffect zou de oppervlakte opwarmen van – 42.3°C tot +202.3°C. De Aardse oceanische temperaturen als getoond in de groene band lopen van +30°C tot – 1.8°C. Blauw is de bandbreedte die te koud is voor Aards leven, rood is de bandbreedte die voor Aards leven te heet zou zijn geweest

Koeling door ‘uitsluitend oppervlaktestraling’ zou stoppen bij een temperatuur van 202.3 graden Celsius. De huidige temperaturen op Aarde liggen op een veel lager niveau, gemiddeld op 15 graden. Op de echte Aarde heeft aanvullende koeling door verdamping, geleiding, convectie en bewolking geleid tot veel lagere temperaturen dan waar ‘koeling door uitsluitend straling’ toe geleid zou hebben. Waarom? Het antwoord is dat H₂O- gerelateerde koeling heel erg sterk, heel dynamisch en zeer effectvol is bij temperaturen boven 15 graden Celsius.

Verdamping
Verdamping stijgt met 6-7% (Clausius-Clapeyron) per graad stijging van temperatuur, een zeer hoog percentage. In het hogere temperatuursegment koelt verdamping in extreme mate: denk aan kokend water van 100°C. Bij temperaturen beneden de vijftien graden daalt koeling door verdamping met datzelfde hoge percentage van 6-7%. Op een bepaald niveau kwamen hierdoor H₂O -gerelateerde oppervlaktekoeling en de opwarming door absorptie van straling van de zon met elkaar in evenwicht: bij 15°C.

Convectie
Atmosferische convectie is het opwaartse transport van latente en voelbare energie vanaf het oppervlak naar hogere luchtlagen. Het wegvoeren van energie van het Aardoppervlak door convectie koelt het Aardoppervlak zeer effectief en brengt die energie naar de hogere lagen in de atmosfeer die nog maar weinig van het belangrijkste broeikasgas waterdamp bevatten. Vanaf deze hoogten vindt uitstraling van energie richting de ruimte veel effectiever plaats dan vanaf het Aardoppervlak. Opwaartse convectie wordt zeer sterk gestimuleerd door de lichtgewicht waterdampmoleculen die vrijkomen bij verdamping. Koeling door de combinatie verdamping-convectie is zeer krachtig in de hogere temperatuurschaal en resulteert in een grote hoeveelheid zon-reflecterende tropische wolken. Wanneer tropische wolken zich vormen wordt voortgaande koeling door verdamping en convectie gecombineerd met een verminderde opname van zonne-energie door het oppervlak: bijzonder effectief.

Conductie
Sterke convectie veroorzaakt een forse verhoging van de windsnelheid over het oppervlak en zorgt voor koudere en drogere lucht van elders. Hierdoor wordt energieverlies door conductie (geleiding) sterk bevorderd.

Verminderende op H₂O gebaseerde koeling
De hele op verdamping gebaseerde koelingsmachine is uiterst dynamisch. Alle H₂O -gebaseerde oppervlaktekoeling wordt aangejaagd door sterk stijgende verdamping zodra de temperatuur stijgt met slechts een enkele graad. Maar, diezelfde verdamping gaat óók heel sterk omlaag wanneer de temperatuur met één graad daalt, hetgeen resulteert in het beeindigen van verdere koeling van het oppervlak. Voor de huidige constellatie van de Aarde^[4] houden totale oppervlaktekoeling en totale oppervlaktewarming elkaar in evenwicht bij een oppervlaktetemperatuur van gemiddeld 15 graden Celsius.

Zonnewarmte
De opname van zonne-energie door oceanen is zeer afhankelijk van de aanwezigheid/afwezigheid van tropische bewolking. Wanneer de temperatuur omlaag gaat, vermindert de hoeveelheid lage tropische bewolking aanzienlijk en kan meer zonne-energie het aardoppervlak bereiken en verwarmen. Verwarming van het oppervlak veroorzaakt een stijging van de verdamping. Verdamping en de ontwikkeling van tropische onweersbuien en gerelateerde processen zorgen voor extra tropische bewolking die spoedig de extra opwarming door de zon weer beëindigen. Vandaar de ongelooflijke stabiliteit van de Aardse oppervlaktetemperaturen.

Balans
Bij 15 graden is er een balans tussen oppervlakte-opwarming door de opname van zonne-energie en de koeling van het Aardoppervlak. Iedere verdere koeling van het oppervlak resulteert in een hogere opname van zonne-energie die initiële koeling neutraliseert. En iedere verwarming van het oppervlak resulteert in een hogere koeling door stijging van verdamping en convectie die op zijn beurt weer iedere initiële oppervlaktewarming neutraliseert.

Initiële opwarming door extra broeikasgassen wordt precies zo geneutraliseerd als alle andere oppervlaktewarming: geheel. Het neutraliseren van opwarming gebeurt op verschillende tijdschalen, soms zijnde een seconde (straling) of een uur, een dag of een seizoen, maar vaak decennia (door veranderingen in de oceanen) en soms over nog langere perioden, zoals de opwarming na de Kleine IJstijd, die één of twee eeuwen in beslag kan nemen.

Waarom 15°C en waarom niet 202,3°C?
Koeling door straling is minder dynamisch dan koeling gebaseerd op het watermolecuul. Voor een temperatuurverschil van één graad Celsius gaat koeling door straling met 1,4% omhoog respectievelijk omlaag, maar koeling gerelateerd aan H₂O met 6-7%. De Vroegste Aarde startte heel warm en koelde daarna af. Bij de huidige oppervlaktetemperatuur van 15°C (het gemiddelde temperatuurniveau voor de huidige geologische periode en voor deze orbitale situatie) verminderde alle H₂O-gerelateerde koeling voldoende om in evenwicht te zijn met de absorptie van zonne-energie.

De Vroegste Aarde
De Vroegste Aarde was heet en bedekt met een atmosfeer van stoom. Accretiewarmte deed alle op elkaar botsend materiaal uit de ruimte smelten en deed zo de Aarde ontstaan. Een perfecte bol werd gevormd en diens atmosfeer was een perfecte broeikasatmosfeer: een super hoog gehalte aan waterdamp, zeer rijk aan kooldioxide en een hemel bedekt met wolken. Vrijwel geen oppervlaktestraling kon de ruimte bereiken zonder eerst te zijn geabsorbeerd. Convectie moest oppervlakte-energie transporteren naar de uiterste rand van de stoomatmosfeer vanwaar pas uitstraling naar de ruimte pas kon plaatsvinden. De Vroegste Aarde was voor zijn oppervlaktekoeling afhankelijk van de kracht van de convectie. Naarmate de oppervlaktetemperatuur daalde, bleef de convectie, maar deze nam af in kracht. Tropische bewolking verminderde ook, en creëerde ruimte voor verwarming van de oceanen door de Zon. Ondanks het zeer hoge broeikaseffect van de Aarde is de oppervlaktetemperatuur nooit afhankelijk geweest van de sterkte van het broeikaseffect, maar van het moment waarop dalende H₂O-gerelateerde koeling gelijk werd aan de stijgende opwarming door zonnewarmte.

Intrinsieke eigenschappen
Het fascinerende H₂O-molecuul heeft een groot aantal intrinsieke eigenschappen. Een van die eigenschappen geeft het molecuul zijn sterke cohesie die op zijn beurt weer resulteert in een krachtige oppervlaktespanning die resulteert in ‘een strak vel’ op het water waarop sommige insecten zich zelfs kunnen voortbewegen. De sterke oppervlaktespanning maakt het moeilijk voor oppervlakte-moleculen om als waterdamp naar de atmosfeer te ontsnappen, waardoor de temperatuur waarbij voldoende waterdamp gevormd wordt om ‘superconvectie’ te veroorzaken, omhoog is gegaan. Een andere intrinsieke eigenschap bepaalt het niveau waarop zoet water bevriest op nul graden Celsius en niet op een niveau van +10, +20 of min 20 graden. De eigenschap om één zuurstofatoom te binden aan twee lichte waterstofatomen resulteert in een licht watermolecuul waardoor zeer vochtige lucht een lage dichtheid heeft en gemakkelijk opstijgt. H₂O’s intrinsieke eigenschappen bepalen alle essentiële elementen van het belangrijkste koelingssysteem van de Aarde, dat wordt gedomineerd door het H₂O-molecuul. Die zogenaamde intrinsieke eigenschappen zijn ‘eigen’ aan het H₂O-molecuul zelf: ze veranderen niet in de tijd. Hierdoor hadden de Aardse temperaturen ongewijzigd kunnen blijven als de orbitale omstandigheden voor de Aarde en de verdeling van continenten en oceanen over het aardoppervlak niet zouden zijn gewijzigd. De intrinsieke eigenschappen van het H₂O-molecuul bepalen het niveau van de oppervlaktetemperatuur voor iedere specifieke constellatie van de Aarde. Het H₂O-molecuul, niets anders.

Faint young Sun paradox
Gedurende de eerste jaren van de Vroege Aarde moet de intensiteit van de zonnestraling zo’n 30 procent minder geweest zijn dan vandaag de dag. Minder zonne-energie bereikte de Aarde. Desalniettemin is de Aarde nooit veel kouder geweest dan nu. Dit wordt de faint young Sun paradox genoemd. Aangezien de totale hoeveelheid zonneschijn die de Aarde bereikt, is gereguleerd door tropische bewolking en aangezien de Aardse oppervlaktetemperatuur gecontroleerd wordt door H₂O-gerelateerde oppervlaktekoeling, hangen de Aardse temperaturen niet simpelweg af van de intensiteit van de zonnestraling die de Aarde bereikt. In het geval van een zwakkere zon (faint Sun) vermindert de verdamping, bedekken minder tropische wolken de tropische oceanen en krijgen meer (maar zwakkere) zonnestralen de kans om een groter deel van het oppervlak te bereiken en te verwarmen. Het eindresultaat voor tropische oceanen: ongeveer gelijk.

Geen Sneeuwbal Aarde
Omdat de hoeveelheid zonnestraling die het oppervlak bereikt, gecontroleerd wordt door tropische bewolking en omdat H₂O de koeling van het oppervlak bepaalt, heeft er waarschijnlijk nooit een complete ‘Sneeuwbal Aarde’ bestaan. Een iets kouder oppervlak vermindert in sterke mate H₂O -gerelateerde oppervlaktekoeling. Afnemende tropische bewolking heeft tot gevolg dat meer zonnewarmte door tropische oceanen wordt opgenomen. Het uiteindelijke resultaat is dat tropische oceanen nog steeds warm zullen zijn. Op Water-Aarde is geen volledige Sneeuwbal Aarde mogelijk. Zelfs wanneer het hele landoppervlak (29% van het totale oppervlak) wordt geconcentreerd rond beide polen, dan is het resultaat nog slechts een gedeeltelijke sneeuw- en ijsbedekking. Het meeste van de overige 71% van het Aardoppervlak is bedekt door relatief warme oceanen, oceanen die in de tropen opgenomen zonne-energie herverdelen naar de gematigde breedten, daarbij niet gehinderd door welk continent dan ook.

Conclusies
Het Aardse broeikaseffect is zeer sterk, veel sterker dan meestal wordt aangenomen. Een theoretische planeet zou een oppervlaktetemperatuur krijgen van 202.3 graden als deze uitsluitend gekoeld zou worden door straling vanaf het oppervlak. Maar de temperaturen op Aarde worden niet bepaald door de kracht van het Aardse broeikaseffect. Aanvullende H₂O gebaseerde koelingssystemen houden de Aardse temperaturen op een veel lager niveau; een niveau dat in evenwicht is met een bij lagere temperaturen stijgende opname van zonne-energie. Op dit moment ligt dat evenwicht op een jaarlijks gemiddelde van zo’n 15 graden Celsius.

Dankzij H₂O-gerelateerde oppervlaktekoeling zijn de Aardse temperaturen gebonden aan een smalle bandbreedte op een temperatuurniveau dat uitstekend past bij het leven op Aarde. Dankzij deze stabiliteit heeft het leven op Aarde zich over vele honderden miljoenen jaren kunnen ontwikkelen.

De temperatuur reguleert het koelsysteem; het koelsysteem reguleert de temperatuur.

Voetnoten

1. De berekeningen zijn voor een theoretische planeet die geheel beantwoord aan de Stefan-Boltzmann Wet. De theoretische planeet absorbeert en straalt perfect (black body) en bestaat uit een ‘oneindig dunne schil’ die niet in staat is om energie op te slaan. Het oppervlak is supergeleidend, resulterend in de laagste emissie temperatuur mogelijk.
2. Berekend voor de huidige geabsorbeerde zonne-energie (161 W/m2) en uitgaande van maximale absorptie en maximale emissie waarbij verondersteld is dat alle oppervlaktestraling in staat is direct de ruimte te bereiken, waarmee bedoeld wordt: zonder te worden geabsorbeerd. De efficiëntie van oppervlaktestraling is 100% ofwel een effectieve emissiviteit van ‘1’. Berekening middels Stefan-Boltzmann calculator
3. Deze 2011 versie van de grafiek is de gecorrigeerde versie. Het onderschrift bij deze versie luidt:
   “The global annual mean earth’s energy budget for 2000–2005 (W m2). The broad arrows indicate the schematic flow of energy in proportion to their importance. Adapted from Trenberth et al. (2009) with changes noted in the text”.
4. De huidige constellatie van de Aarde omvat diens baan en de locatie, grootte en topografie van continenten en oceanen. De totale constellatie resulteert in een specifieke verdeling en herverdeling van zonne-energie over breedtegraden. Weerpatronen zijn afhankelijk van de verdeling en herverdeling van zonne-energie. Het klimaat is per definitie het gemiddelde van 30 jaar ‘weer’. Veranderingen in het klimaat zijn het resultaat van veranderingen in de verdeling en herverdeling van zonne-energie over het aardse oppervlak.

Auteur