Aarde als broeikas

Inleiding

Ik ben van huis uit zeer geinteresseerd in het weer en meteorologie. Bij het verzamelen van feiten voor dit verhaal kwam ik de publicatie “Greenhouse affecting the heat of sun’s rays” van Eunice Foot (1856) tegen, waarin zij de aarde als een plantenkas beschouwt. Vrij naverteld en met de kennis van nu heb ik dit artikel “de aarde als broeikas” geschreven.

De aarde als broeikas.

De zon laat voortdurend licht en warmte op de aarde vallen wat op verschillende manieren wordt opgenomen, weerkaatst of omgezet in warmte. Dat de aardbol een eigen hete kern heeft speelt geen rol bij het klimaat.

Warmte balans

In het schema staat het een en ander uitgebeeld. Het is een gemiddelde van elk moment van de dag, van elk moment van het jaar en van elke plaats op aarde, want het zal duidelijk zijn dat overdag de warmte balans anders is dan ‘s-nachts, dat het op de oceaan anders is dan in de woestijn, dat op de noordpool een andere balans is dan in de tropen en dat het in de winter anders is dan in de zomer.
In het schema zijn 3 lagen te zien en 2 kolommen:

warmte
warmte schema
  • de ruimte is het gebied buiten onze dampkring;
  • de atmosfeer is de luchtlaag met wolken, vogels en vliegtuigen;
  • de aarde: land, water, planten, dieren, enzovoort. Hier in een groentint aangegeven;
  • er zijn 2 kolommen:
  • links de gele kolom die het zonlicht voorstelt en
  • rechts daarnaast vooral in een rode kleur de warmte.

Het zonlicht schijnt op de dampkring en wordt daarop en ook tegen de wolken gedeeltelijk weerkaatst. Dit licht doet niet mee aan de warmtehuishouding en is dus ook niet getekend.

Het evenwicht.

In het schema hierboven zijn met pijlen met letters de verschillende aktiviteiten aangegeven, in het lijstje hieronder staan de pijlen met hun verklaringen:

  • A: het gedeelte van het zonlicht dat werkelijk beneden op aarde terecht komt;
  • B: een deel van het zonlicht wordt geabsorbeerd door de broeikasgassen en een klein deel van het zonlicht verwarmt stof en andere ongerechtigheden in de atmosfeer;
  • C: water van de zee, de rivieren en meren en vocht van de aarde en de planten zal door de zonne energie verdampen,
  • D: maar in de atmosfeer zal die waterdamp condenseren, waarbij warmte vrij komt. Dit verwarmt de atmosfeer. De waterdruppels klonteren samen tot regen;
  • E: de aarde straalt deels de bij A opgenomen warmte ook weer uit;
  • F: deze warmte straling wordt door broeikasgassen opgenomen en blijft dus in de atmosfeer;
  • G: de rest van de warmte straling gaat ongehinderd de ruimte in;
  • H: de warme atmosfeer straalt tenslotte z’n warmte ook weer uit naar de ruimte.

De energie van het zonlicht bij A is even groot als de uitgestraalde warmte bij C en E samen.

De hoeveelheden warmte van B, D en F zijn als het goed is samen even groot als wat er bij H de ruimte in gaat.

En om het plaatje compleet te maken zijn G plus H even groot als de hoeveelheid energie van het zonlicht.

Als 1 van bovenstaande 3 voorwaarden niet klopt dan zal òf de aarde opwarmen òf juist afkoelen, maar gelukkig klopt het al miljoenen jaren tot een paar jaren geleden. Er zijn wel een paar variaties, zoals de ijstijden die elkaar afwisselen, maar dat zijn heel langzame processen. Het lijkt er nu op dat de aarde vrij plotseling in een honderdtal jaren warmer wordt, dus 1 van die sommetjes klopt niet meer maar welke?

Het evenwicht verstoord.

Tot zover de toestand in evenwicht, maar wat kan er gebeuren om dit evenwicht te verstoren?

Een vulkaan bijvoorbeeld barst uit en er komt maandenlang as vrij tot op heel grote hoogte. De zon zal daardoor iets minder warmte geven aan de aarde, maar de rest van het schema blijft bestaan. Dus: het zal kouder worden op de aarde. Maar dit is een tijdelijke verstoring omdat na enige tijd al het stof wel weer op aarde is neergekomen.

Ook de jaarlijkse rondgang van de aarde om de zonheeft invloed op ons klimaat.

De steeds terugkerende uitbarstingen van de zon hebben een enorme invloed op ons klimaat.

De invloed van de mensheid.

Een andere belangrijke storing is het effect van de broeikasgassen waar de mensheid de afgelopen eeuw flink aan heeft meegewerkt.

Broeikasgassen verhinderen de uitstraling van de warmte (F) en verhogen daardoor de temperatuur van de atmosfeer, zoals het glas de warmte in een plantenkas of een serre vasthoudt, waardoor het in de kas steeds warmer wordt.

De 3 bekendste broeikasgassen zijn waterdamp (H2O), kooldioxyde (CO2) en methaan (CH4). Er zijn er meer, vooral de stikstof oxiden (NOx) maar die spelen ondanks hun veel sterkere effect een veel mindere rol door hun zeer lage concentratie.

Waterdamp en kooldioxyde.

Waterdamp is de onzichtbare gasvorm van water. Het is altijd aanwezig in de atmosfeer, ongeveer 2%, en kan daaruit condenseren tot wolken. Alle wolken, mist, vliegtuigstrepen en ook de witte “rook” uit schoorstenen zijn gecondenseerd waterdamp, water dus. Bij die condensatie komt er 2260 kJ/kg warmte vrij die direct de atmosfeer verwarmt.

Waterdamp komt (ca 2%) in de atmosfeer voor en kan in een vrij breed spectrum veel warmte absorberen.

Kooldioxyde komt slechts 0,035% in de atmosfeer voor en kan vanaf ongeveer 2000nm iets warmte absorberen, maar daar is al haast geen zonnestraling meer.

In dit schema is te zien dat er geen absorptie van het zichtbare licht tot 700 nm plaats vindt maar wel vooral in het infrarode gebied. Deze warmte komt in het schema aan het begin van dit artikel bij F in de atmosfeer terecht.

zon-co2-h2o
warmte straling en absorbtie

In deze grafiek is de absorbtie van waterdamp (blauwe lijn) en kooldioxyde (groene lijn) te zien, maar pas op: dit is gemeten in een cuvet met 100% waterdamp of kooldioxyde, terwijl de atmosfeer maar zo’n 2% waterdamp bevat en ongeveer 0,035% kooldioxyde. De grafiek bevat het hele spectrum van infrarood tot aan de microgolven, maar de zonnestraling loopt maar tot 2500nm.

Methaan

Methaan of moerasgas ontstaat door micro organismen. Zij zetten complexe koolstof verbindingen om in simpele verbindingen, het methaangas ontsnapt daarbij. Denk aan de vele winden die alle koeien en varkens maken, maar ook alle andere dieren en ook mensen. Het komt ook vrij uit vijvers, sloten en moerassen door het rottingsproces. Prik met een lange stok voorzichtig een beetje in de bodem van een “vieze” sloot of gracht en er ontstaan meteen gasbellen, ook dat is methaan. Een andere naam voor methaan is moerasgas. Door zijn geringe aanwezigheid in de atmosfeer lijkt het effect te verwaarlozen, maar het is veel groter dan van CO2. Bovendien heeft methaan een versterkend effect op de opwarming van de aarde doordat er bij hogere temperaturen ook steeds meer methaan vrijkomt uit bijvoorbeeld moerassen en de smeltende permafrost.

Conclusie

De conclusie is dat niet CO2 maar waterdamp het broeikasgas is. Dit wordt daarnaast nog eens versterkt door de vrijkomende condensatie warmte van waterdamp plus het uitstraling remmende effect van waterdruppels in wolken. Dit laatste is duidelijk te merken als het ‘s-nachts kouder is bij heldere hemel en minder koud bij een bewolkte lucht. Maar de invloed van methaan is heel veel sterker dan van waterdamp en COdoor het versterkende effect op de opwarming van de aarde.

Niet CO2, maar waterdamp en methaan zijn de broeikasgassen.

Naschrift

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in 2014, sindsdien zijn er veel wijzigingen en aanvullingen:

  • het gehalte CO2 in de lucht is nu (2019) circa 400ppm;
  • in 1859 concludeerde de natuurkundige John Tyndall in zijn onderzoek naar stralingswarmte: “water vapour is the strongest absorber of radiant heat”;
  • er zijn momenteel diverse weldenkende lieden en instituten als het KNMI die ook constateren dat waterdamp het grootste broeikasgas is;
  • de laatste tijd is er veel meer aandacht voor de invloed van CH4 doordat het een versterkend effect heeft op de opwarming van de aarde.