Binnen het Witte Huis werden door topwetenschappers fiches geschreven ten behoefte van het stafpersoneel. Dr. William Happer, emeritus hoogleraar natuurkunde, Princeton University, schreef een bijdrage over de stralingsoverdracht door broeikasgassen. Happer werd verboden om het  Witte Huis logo te gebruiken, op straffe van vervolging. Gastauteur Dr. Eric Blondeel vertaalde dit document.

 

STRALINGSOVERDRACHT

 

Inleiding

Atmosferische concentraties van kooldioxide, methaan, lachgas en andere broeikasgassen nemen langzaam toe. Sommigen zeggen dat dit binnenkort zal leiden tot een op hol geslagen opwarming van het aardoppervlak. Weinigen beseffen hoe weinig wetenschappelijke ondersteuning er is voor deze zorg. Sterker nog, meer kooldioxide (CO2) heeft al bijgedragen tot grotere opbrengsten van landbouw en bossen, en nog meer kooldioxide zal meer voordelen opleveren. Deze korte notitie bespreekt de " drijvende kracht " van het klimaatalarmisme: de wijziging van stralingsoverdracht door broeikasgassen.

Het leven op onze prachtige planeet wordt mogelijk gemaakt door zonlicht, dat zowel het aardoppervlak verwarmt als fotosynthetische organismen, variërend van gecultiveerde gewassen tot plankton in de oceanen,en in staat stelt koolstofdioxide en watermoleculen (H2O) om te zetten in suikers en andere basismoleculen van het leven.

 

Electromagnetische straling

Op de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon draagt ​​zonlicht een energiestroom van ongeveer 1360 watt per vierkante meter (W/m²). We kennen deze flux, die ons voor een deel verwarmt als we op een wolkenloze zomerdag zonnebaden op het strand. De flux aan de bovenkant van de atmosfeer van de aarde varieert een beetje in de loop van het jaar, aangezien de baan van de aarde rond de zon enigszins elliptisch is. De aarde staat begin januari ongeveer 3,3% dichter bij de zon dan begin juli. Aangezien de zonnestroom afneemt met het kwadraat van de afstand tot de zon, is de zonnestroom aan de bovenkant van de atmosfeer in januari ongeveer 6,7% of 91 W/m² groter dan in juli.

Zoals we hieronder meer in detail zullen bespreken, zou voor wolkenvrije gematigde breedtegraden een verdubbeling van de concentratie van kooldioxide, de thermische straling naar de ruimte met ongeveer 3 W/m² verminderen.

Om te bepalen of we echt een klimaatnoodsituatie hebben (die hebben we niet) zijn cijfers belangrijker dan retoriek en emotie. De representatieve afname van thermische straling van de heldere hemel naar de ruimte door een verdubbeling van de kooldioxideconcentraties, 3 W/m², is een belangrijk getal om te onthouden. Andere belangrijke getallen zijn de gemiddelde zonnestroom, 1360 W/m² of de 91 W/m² verandering in de flux van zomer naar winter. Als 3 W/m² in vergelijking klein klinkt, is het inderdaad erg klein. Er zijn grote inspanningen nodig om een ​​'wetenschappelijk' argument te verzinnen dat 3 W/m² de moeite waard is om je zorgen over te maken.

Elke verdubbeling van de kooldioxideconcentraties zal dezelfde 3 W/m² afname van de flux naar de ruimte opleveren, of we nu overwegen de pre-industriële waarde van 280 delen per miljoen (ppm) te verdubbelen tot 560 ppm, wat zou kunnen gebeuren rond het jaar 2100 op het huidig stijgingspercentage rond 2 ppm/jaar. Het verdubbelen van de huidige atmosferische concentratie van 410 ppm tot 820 ppm zou ongeveer twee eeuwen duren. Het aardoppervlak wordt de hele dag verwarmd door zonlicht, zoals te zien is in onderstaande figuur. De atmosferische dikte is sterk overdreven in de figuur. Op typische gematigde breedtegraden bevindt ongeveer 99% van de massa van de atmosfeer zich onder een hoogte van ongeveer 20 mijl (31 km). De straal van de aarde is ongeveer 4000 mijl (6400 km), dus 20 mijl is slechts ongeveer 0,5% van de straal van de aarde. De atmosfeer is een heel dunne schil, meer als de schil van een appel dan het dik deken die je zou kunnen voorstellen als je naar de onderstaande figuur kijkt.

Overdag verwarmt de zon de aarde. De verwarmingssnelheid is evenredig met cos𝜃𝜃, waarbij 𝜃𝜃 de hoek is tussen het zonlicht en de lokale verticale as. De verwarmingssnelheid is maximaal wanneer de zon recht boven het hoofd staat en 𝜃=0, bijvoorbeeld 's middags op de evenaar tijdens de lente- of herfst-equinoxen. Gemiddeld komt er veel minder zonlicht in de buurt van de polen, omdat de zon een groot deel van zijn tijd net boven de horizon doorbrengt, waar cos𝜃 bijna nul is, of onder de horizon tijdens de lange poolwinter. Maar op een midzomerdag ontvangt de Noordpool in 24 uur meer zonlicht dan elke andere locatie op aarde, op elk moment van het jaar.

Ondanks zijn dunheid heeft de atmosfeer van de aarde, samen met de oceanen die ongeveer 70% van het aardoppervlak beslaan, een zeer groot effect op hoe de warmte van de zon terugkeert naar de ruimte. Dit komt omdat de atmosfeer en de oceanen warmte zeer efficiënt transporteren door convectie vanuit equatoriale gebieden - waar de jaarlijkse gemiddelde zonnewarmte maximaal is - naar de polen waar er minimale verwarming is. Net als de polen van de aarde worden veel huizen convectief verwarmd vanuit een centrale oven door warme lucht die door verwarmingskanalen wordt geblazen of door heet water dat naar radiatoren stroomt.

De basis elementen van warmteconvectie van de aarde worden geïllustreerd in de onderstaande afbeelding. Voor equatoriale regio's komt meer zonne-energie binnen dan er terug naar de ruimte wordt uitgestraald (de continue blauwe curve ligt boven de gestippelde rode curve). Voor poolgebieden komt veel minder zonne-energie binnen dan er terug naar de ruimte wordt uitgestraald (de rode gestippelde curve ligt boven de continue blauwe curve). Overtollige zonne-energie die in de tropen wordt geabsorbeerd, wordt naar de polen getransporteerd door massastroom in de atmosfeer en oceanen. Beide polen zijn tijdens hun respectievelijke winters veel warmer dan zonder convectietransport van warmte uit de tropen. Er is niets om warmte in het vacuüm van de ruimte te convecteren en moet zonnewarmte uiteindelijk als warmtestraling terugkeren naar de ruimte. Maar de warmte kan duizenden kilometers verwijderd worden van waar het werd geabsorbeerd.

Energieflux (W/m²) als functie van de breedtegraad. De continue blauwe curve is het jaarlijkse gemiddelde van binnenkomende kortegolf zonnestraling (zichtbaar, nabij-infrarood en ultraviolet) die door de aarde wordt geabsorbeerd. De rode stippelcurve is het jaargemiddelde van de uitgaande thermische straling (langegolf infrarood) die door de aarde in de ruimte wordt afgegeven. De gegevens zijn afkomstig van satellietwaarnemingen(1). Figuur aangepast van PhysicalGeography.net (2).

Hoeveel thermische straling op een bepaalde lengte- en breedtegraad van het aardoppervlak in de ruimte wordt afgegeven, wordt bepaald door de temperatuur die dat gebied lijkt te hebben wanneer het vanuit de ruimte wordt waargenomen. Maar wat is die temperatuur? Voor gematigde breedtegraden daalt de temperatuur gestaag van ongeveer 59 ° F (15 ° C) aan de oppervlakte tot -58 ° F (-50 ° C) aan de tropopauze, een hoogte van ongeveer 11 km. Dit is de grens tussen de convectielucht van de lagere atmosfeer en de bijna stabiele lucht van de stratosfeer erboven. Straalvliegtuigen vliegen graag in de buurt van de tropopauze om de turbulentie van de lagere atmosfeer te vermijden. De atmosferische temperatuur neemt toe met de hoogte boven de tropopauze vanwege de absorptie van ultraviolet zonlicht door de ozonlaag op een hoogte van 19 tot 25 mijl (30 tot 40 km).

De emissiesnelheid van thermische straling door wolkentoppen of door land- en oceaanoppervlakken is evenredig met T⁴, de vierde macht van de absolute temperatuur T. Zoals we hieronder bespreken, is de emissie van thermische straling naar de ruimte gecompliceerder en meer beïnvloed door broeikasgassen in wolkenvrije delen van de aarde. Thermische emissie, de  rode stippellijn van de vorige figuur, heeft een minimum op de evenaar, waar de zonneverwarming een maximum is. Dit komt omdat er gemiddeld meer bewolking is dicht bij de evenaar dan 20° tot 30° noorder- of zuiderbreedte, op wat zeilers vroeger de "keerkringen" noemden. Hier wordt wolkenvorming onderdrukt door dalende, droge lucht die door intense zonnewarmte naar grote hoogten in de buurt van de evenaar werd gedreven. Veel van het vocht van de opstijgende lucht gaat verloren door regenval. De hoge, koude wolkentoppen nabij de evenaar geven minder thermische energie af aan de ruimte dan de warme land- en zeeoppervlakken en de wolkenvrije lucht van de keerkringen.

Gegevens van NASA's "Clouds and the Earth's Radiant Energy System" of CERES (3) kunnen een waardevol inzicht verschaffen in het warmtetransport doorheen de atmosfeer van de aarde. Een voorbeeld is te zien in onderstaande figuur die twee beelden toont van een CERES-satelliet boven de Golf van Mexico.

Beelden van de aarde boven de Golf van Mexico, gelijktijdig gemaakt door CERES-satelliet instrumenten met zichtbaar zonlicht (links) en met langgolvig thermisch infra-roodlicht (rechts). Veel zonlicht wordt gereflecteerd door hoge spiraalvormige wolken van de orkaan in de Golf en door de "diepe convectie" wolken van de oostelijke Stille Oceaan. Voor het warmtebeeld aan de rechterkant duiden rode kleuren op straling met hoge intensiteit, blauw voor straling met lage intensiteit en wit voor bijna geen straling. De hoge wolken zenden heel weinig thermisch infrarood licht uit omdat ze zo koud zijn, meestal -58 ° F (-50 ° C) of minder. De wolkenvrije gebieden van de oceanen en het land zijn erg warm en zenden intense thermische straling uit.

De afbeelding links benadert de ware kleur. Het toont een vage schets van de Noord- en Zuid-Amerikaanse continenten en een deel van de Atlantische en Stille Oceaan. Een orkaan bevindt zich in het midden van de Golf en de spiraalvormige witte wolkentoppen zijn duidelijk zichtbaar.

De figuur recht toont een afbeelding van hetzelfde gebied met thermische infrarood detectoren. Hier duiden rode kleuren op meer thermisch infrarood, blauwe kleuren voor minder en witte kleuren voor bijna geen. De wolkentoppen in het midden van de orkaan en de "diepe convectie"-wolken in de oostelijke Stille Oceaan bevinden zich op zeer grote hoogte, dicht bij de tropopauze, waar de temperaturen -58 ° F (-50 ° C) of minder zijn. Dergelijke koude wolken zenden zeer weinig thermische infraroodstraling uit. Lagere, iets warmere wolkentoppen stralen meer infrarood uit en zijn blauw gekleurd. De rode gebieden zijn ofwel wolkenvrije gebieden waar het warme zee- of landoppervlak door de satelliet kan worden gezien, of het zijn gebieden met lage stratuswolken, met relatief warme wolkentoppen. Vanuit deze regio's wordt veel meer thermische energie de ruimte ingestuurd.

 

Frequenties van thermische straling

Voor wolkenvrije gebieden van de aarde (gemiddeld ongeveer de helft van het aardoppervlak) is de emissie van straling naar de ruimte bijzonder gecompliceerd omdat de straling van verschillende hoogten komt, variërend van nulhoogte, het oppervlak, voor " infrarood vensters”, tot hoog in de stratosfeer voor emissiefrequenties in de absorptiebanden van de broeikasmoleculen kooldioxide of ozon (O₃). De "frequentie" van warmtestraling wordt vaak gegeven als een ruimtelijke frequentie, cm^-1. Dit is het aantal pieken dat je per cm zou tellen,in de voortplantingsrichting, als je een "momentopname" van de golf zou kunnen maken.

De broeikasmoleculen van de atmosfeer van de aarde absorberen en zenden straling uit met karakteristieke frequenties, net zoals sopraanviolen hoge akoestische frequenties uitstralen, altviolen lagere frequenties en snaarbassen zeer lage frequenties. Heldere lucht absorbeert en straalt net als een orkest van broeikasmoleculen. Watermoleculen zijn zowel de snaarbassen als de sopraanviolen van de atmosfeer. Water domineert de atmosferische ondoorzichtigheid voor zeer lage en zeer hoge thermische stralingsfrequenties, terwijl koolstofdioxidemoleculen als violen zijn en thermische straling absorberen en uitzenden bij tussenliggende frequenties.

Omdat watermoleculen in koude lucht kunnen condenseren om regen of sneeuw te vormen, is de concentratie van watermoleculen in de stratosfeer veel kleiner dan in de troposfeer. Stratosferische lucht wordt "ontvochtigd" door de koude tropopauze. De meeste absorptie en emissie van waterdamp vindt plaats in de relatief warme lagere atmosfeer. Kooldioxidemoleculen, die niet kunnen condenseren in de atmosfeer van de aarde, hebben bijna dezelfde concentratie in de stratosfeer als in de troposfeer. De meeste warmte uitstoot van kooldioxide naar de ruimte is afkomstig uit de lagere stratosfeer.

Enkele voorbeelden van de 'symfonie' van broeikasgasfrequenties die vanuit de ruimte worden waargenomen, worden weergegeven in onderstaande  figuur .

Warmtestralingsintensiteiten aan de bovenkant van de atmosfeer waargenomen met een Michaelson-interferometer in een satelliet(4) (rechts) en theoretisch gemodelleerde intensiteiten(5) (links). Er worden drie breedtegraden weergegeven: de Sahara, de Middellandse Zee en Antarctica. De intensiteitseenheid is 1 i.u. = 1 mW m^-2 cm sr^-1. Stralingsforcering is negatief in de winter op Antarctica, aangezien de relatief warme broeikasgassen in de troposfeer - voornamelijk koolstofdioxide, ozon en water - meer naar de ruimte uitstralen dan het koude ijsoppervlak, bij een temperatuur van 𝑇= -117.4°F (-83°C), zou kunnen stralen door een transparante atmosfeer

 De grafieken aan de rechterkant tonen de intensiteit van opwaartse straling gemeten op drie verschillende breedtegraden, boven de Middellandse Zee, boven de Sahara en boven Antarctica. De grafieken aan de linkerkant zijn intensiteiten gemodelleerd met de Schwarzschild-vergelijking, de 𝐸=𝑚𝑐² van stralingsoverdracht. Het is interessant op te merken dat Karl Schwarzschild een van de eerste oplossingen vond voor Einstein’s algemene relativiteitstheorie. Zoals je in de figuur kunt zien, komen de gemodelleerde intensiteiten goed overeen met de waargenomen intensiteiten op alle drie de breedtegraden. Voor de gemodelleerde intensiteiten toont de gestippelde rode lijn de Planck-intensiteit die zou worden waargenomen als het aardoppervlak dezelfde temperatuur zou hebben, waarbij er geen broeikasgassen zouden zijn. Het verschil tussen de gekartelde zwarte curven van de Schwarzschild-vergelijking en de rode curve is de hoeveelheid waarmee de huidige concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer van de aarde de straling naar de ruimte heeft verminderd, vergeleken met helemaal geen broeikasgassen.

 

Het effect van broeikasgassen

 Uit deze figuur blijkt dat broeikasgassen voor de Middellandse Zee en de Sahara de straling naar de ruimte aanzienlijk verminderen. Kwantitatief blijkt dat broeikasgassen voor gematigde breedtegraden de stralingsstroom naar de ruimte met een factor van ongeveer 0,70 verminderen. Vanwege de 𝑇⁴-wet voor thermische emissie door zwarte oppervlakken, zou men dezelfde afname van flux kunnen krijgen door alle broeikasgassen te verwijderen en de temperatuur te verlagen van 𝑇 = 59 ° F (15 ° C) naar (𝑇−Δ𝑇), waarbij de temperatuur afname Δ𝑇 wordt gedefinieerd door   (𝑇−Δ𝑇/ 𝑇)⁴= 0,70. De vergelijking kan gemakkelijk worden opgelost om Δ𝑇 = 45 ° F (25 ° C) te vinden. Dit eenvoudige voorbeeld illustreert hoe belangrijk broeikasgassen zijn voor het leven op aarde. De oppervlaktetemperatuur zonder broeikasgassen zou -10°C zijn, nou ja onder het vriespunt van water. Zonder broeikasgassen zou de aarde een levenloze sneeuwbal zijn met al het water bevroren.

Zoals je in deze figuur kunt zien, kan de waargenomen thermische stralingsintensiteit van de aarde nauwelijks worden onderscheiden van die gemodelleerd met de Schwarzschild-vergelijking. Je zou je dan natuurlijk kunnen afvragen hoeveel verandering in de thermische stralingsflux naar de ruimte zou worden voorspeld door dezelfde Schwarzschild-vergelijking als de concentraties van koolstofdioxide en andere broeikasgassen worden verdubbeld. Je zou kunnen denken dat een verdubbeling van koolstofdioxide een vrij groot effect zou hebben, aangezien deze figuur laat zien dat de huidige concentratie van koolstofdioxide, die ervoor zorgt dat de opening in het spectrum van ongeveer 667 cm⁻¹ ongeveer 30 W/m² van de flux absorbeert die zou de ruimte bereiken als er geen koolstofdioxide zou zijn.

Het antwoord op deze vraag is weergegeven in de volgende afbeelding. Hier is de vloeiende cyaancurve de straling die vanaf het aardoppervlak de ruimte zou bereiken, bij een temperatuur van 59,9 ° F (15,5°C), als er helemaal geen broeikasgassen zouden zijn. Deze Planck-flux is een factor π keer groter dan de verticale Planck-intensiteiten in de vorige figuur, aangezien de flux omvat de intensiteit van alle opwaartse richtingen, niet alleen verticaal omhoog zoals in de vorige afbeelding.

De spectrale forcering bij de huidige niveaus van kooldioxide, CO2 (de zwarte curve met 𝑓𝑓=1), of als de concentraties kooldioxide worden verdubbeld (de rode curve met 𝑓𝑓=2), of als alle kooldioxide wordt verwijderd (de groene curve met 𝑓𝑓=0).

 De zwarte gekartelde curve is de voorspelde Schwarzschild-flux naar de ruimte voor de huidige concentraties van alle belangrijke broeikasgassen, uitgaande van 400 ppm koolstofdioxide. De rode gekartelde curve is de Schwarzschild-flux naar de ruimte als de kooldioxideconcentraties worden verdubbeld tot 800 ppm. De rode curve is niet te onderscheiden van de zwarte curve, behalve in de koolstofdioxideband, waar de rode curve zich onder de zwarte aan de randen van de band bevindt (vanwege de veranderde koolstofdioxide-emissie in de troposfeer), maar boven de zwarte curve in het midden van de band (vanwege de verhoogde uitstoot van kooldioxide in de bovenste stratosfeer). Het netto is een reductie van straling naar de ruimte van S = 3 W/m² , waarbij S de fluxtoename is als gevolg van een verdubbeling van de kooldioxideconcentraties (de fluxgevoeligheid). De eerste 400 ppm kooldioxide die aan de atmosfeer wordt toegevoegd, vermindert de stralingsflux naar de ruimte met ongeveer 30 W/m². Het toevoegen van een gelijke 400 ppm kooldioxide om een ​​concentratie van 800 ppm te krijgen, vermindert de flux slechts met 3 W/m² . Vanwege de stralingseigenschappen van het kooldioxidemolecuul, als de kooldioxide concentratie wordt verhoogd van C1 naar C2, zal de flux naar de ruimte veranderen van F1 naar F2 waarbij (F1 − F2) = S log₂(C2/C1). Dus, het toevoegen van nog eens 400 ppm kooldioxide aan de atmosfeer, om de totale concentraties te verhogen van C1 = 800 ppm naar C2 = 1200 ppm, zou de flux naar de ruimte verminderen met S log₂(1200/900) = 1,75 W/m².

 

Conclusie

Samenvattend laat bovenstaande figuur zien dat de fluxverandering van een verdubbeling van de concentraties van broeikasgassen - een zeer substantiële verandering - de straling naar de ruimte met slechts enkele W/m² vermindert. Dit is slechts een paar procent van de enkele honderden W/m² in de natuurlijke flux naar de ruimte, of de 91 W/m² verandering van de zonneflux tussen winter en zomer. De bewolking, zoals weergegeven in de figuur op de afbeeldingen van de aarde boven de Golf van Mexico, vermindert de invloed van broeikasgassen verder. Het is heel moeilijk om mensen met technisch gezond verstand ervan te overtuigen dat zulke kleine veranderingen schadelijke gevolgen zullen hebben.

 

(1)  Dewitte, S., and N. Clerbaux (2017): Measurement of the Earth radiation budget at the top of the atmosphere – A review. Remote Sensing, 9, 1143.

(2)  Radiation Balance: PhysicalGeography.net. http://www.physicalgeography.net/fundamentals/7j.html

(3)  CERES comparison Earth images in visible and long-wave infrared radiation. https://earthobservatory.nasa.gov/images/ 2645/aqua-ceres-first-light

(4)  Hanel, R.A., and B.J. Conrath (1970): Thermal emission spectra of the Earth and atmosphere from the Nimbus 4 Michaelson Interferometer Experiment. Nature, 228, 143-145.

(5)  van Wijngaarden, W.A., and W. Happer (2020): Dependence of Earth’s thermal radiation on five most abundant greenhouse gases. http://arxiv.org/abs/2006.03098