Waterweetje no 2 - water en energietransport

💧𝗪𝗮𝘁𝗲𝗿𝘄𝗲𝗲𝘁𝗷𝗲 𝗻𝗼 𝟮 – 𝘄𝗮𝘁𝗲𝗿 𝗲𝗻 𝗲𝗻𝗲𝗿𝗴𝗶𝗲𝘁𝗿𝗮𝗻𝘀𝗽𝗼𝗿𝘁 

We hebben deze zomer in Nederland weer te maken gehad met lage rivierafvoeren en heel weinig neerslag. In gesprekken hierover merk ik dat er veel te vertellen is over water, omdat het watermolecuul hierbij vaak een onbekende dan wel onverwachte invloed heeft. Want water is een prachtig, maar ook heel raar molecuul. In een reeks posts wil ik daar wat meer over vertellen.

In deze post kijk ik naar water en hoe de fasen veranderingen van water van groot belang zijn bij de energiehuishouding van onze planeet. Ik wil hierbij vooraf aangegeven: dit is een complex verhaal, waar meer factoren een rol spelen. Voor deze post focus ik alleen op de invloed van de faseveranderingen.

🌧️ Water verblijft slechts 8 tot 10 dagen in de atmosfeer. Het verandert dus voortdurend van fase: het verdampt uit zeeën, land en rivieren, stijgt op, condenseert tot wolken (soms bevriest het zelfs) en valt als regen terug. Daarna begint de cyclus opnieuw. Deze faseveranderingen zijn cruciaal voor de energiehuishouding van onze planeet. 

Zonnewarmte aan het aardoppervlak verdwijnt via vier routes: weerkaatsing, uitstraling, voelbare warmte en latente warmte. Latente warmte is de energie die water opneemt bij verdamping en weer afgeeft bij condensatie of bevriezing. Zo wordt energie van het oppervlak naar de wolkenlaag getransporteerd, zonder dat de lucht ertussen opwarmt. Van de 161 W/m² die het oppervlak bereikt, gaat ongeveer 80 W/m² (de helft) als latente warmte weg. Meer verdamping betekent dus een koelere lager atmosfeer, meer voelbare warmte een warmere lager atmosfeer.

In de afgelopen 10.000 jaar is een derde van de oerbossen gekapt, waarvan de helft na 1900. Kaal land weerkaatst meer zonlicht (afkoelend), maar vormt ook minder wolken, waardoor de weerkaatsing door wolken afneemt (opwarmend). Recent onderzoek laat zien dat de wolkenafname het albedo-effect ruwweg halveert. Omdat klimaatmodellen wolkenvorming nog maar matig simuleren, vermoed ik dat de rol van wolken in werkelijkheid veel groter is. Wat daarnaast overblijft is de verschuiving van latente naar voelbare warmte: er verdampt minder water, dus er wordt minder warmte via verdamping afgevoerd en de onderste atmosfeer warmt op.

Warmere lucht kan meer waterdamp bevatten: volgens Clausius-Clapeyron ongeveer 7% per graad. Omdat waterdamp zelf een broeikasgas is, ontstaat een zelfversterkend effect. Tegelijk moet warmere lucht verder afkoelen voordat condensatie optreedt, waardoor wolkenvorming moeilijker wordt. Het gevolg is lucht die steeds meer water vasthoudt, precies wat de metingen laten zien.

Om dit effect te verminderen kan water uit de lucht geoogst worden. Laat dat nu net datgene zijn waar bossen ontzettend goed in zijn. Maar dat is voer voor een ander waterweetje.

𝗕𝗿𝗼𝗻𝗻𝗲𝗻 [𝟭/𝟮]:
𝘞𝘢𝘵𝘦𝘳 𝘦𝘯 𝘦𝘯𝘦𝘳𝘨𝘪𝘦:
– waterdamp in de atmosfeer stijgt: https://www.theguardian.com/environment/2026/sep/18/planets-atmosphere-breaks-record-for-water-vapour-levels-increasing-risk-of-extreme-heat-and-rainfall
– Energiebalans van de planeet: https://www.knmi.nl/kennis-en-datacentrum/achtergrond/energiebalans-van-de-aarde
– Watertemperatuur versus hitte toegevoegd: https://en.wikipedia.org/wiki/Template:Water_temperature_vs_heat_added.svg
- Clausius-Clapeyron vergelijking, https://nl.wikipedia.org/wiki/Clausius-clapeyronvergelijking

𝘖𝘯𝘵𝘣𝘰𝘴𝘴𝘪𝘯𝘨 𝘪𝘯 𝘥𝘦 𝘢𝘧𝘨𝘦𝘭𝘰𝘱𝘦𝘯 10000 𝘫𝘢𝘢𝘳:
– Ritchie, Hannah, en Max Roser. “Forests and Deforestation”. Our World in Data, 9 februari 2021. https://ourworldindata.org/deforestation.
– UN DESA. “Safeguarding the world’s forests – our best bet for sustainable societies”. maart 2018. https://www.un.org/development/desa/en/news/forest/international-day-forests-2018.html.
– Williams, Michael. Deforesting the earth: from prehistory to global crisis. University of Chicago Press, 2003.

𝘒𝘭𝘪𝘮𝘢𝘢𝘵, 𝘸𝘢𝘵𝘦𝘳 𝘦𝘯 𝘸𝘰𝘭𝘬𝘦𝘯𝘷𝘰𝘳𝘮𝘪𝘯𝘨:
– Luo, Hao et al. Decreased cloud cover partially offsets the cooling effects of surface albedo change due to deforestation. Nature Communications, 2024
– Duveiller, Gregory et al. Revealing the widespread potential of forests to increase low level cloud cover. Nature Communications, 2021
– Teulings, Adriaan J. et al. Observational evidence for cloud cover enhancement over western European forests. Nature Communications, 2017
– Schull, Jon, Jan Pokorny, Anastassia Makarieva, en Andrei Nefiodov, reg. No Trees, No Rain. 2022. https://www.youtube.com/watch?v=uxEwJYNb_zA
– Anastassia Makarieva, Basic science to clarify the climate-regulating function of pristine forests: Water is the key.2022. https://www.youtube.com/watch?v=5Yr5bm4bw-0
– Zelinka, Mark D. et al. Causes of Higher Climate Sensitivity in CMIP6 Models. Geophysical Research Letters, 2020

Waterweetjes (1) - de eigenschappen van water

💧Waterweetje no 1 – de rariteiten van water

We hebben deze zomer in Nederland te maken gehad met extreem lage rivier afvoeren en te weinig neerslag. In gesprekken hierover merk ik dat er veel te vertellen is over water, omdat het watermolecuul hierbij vaak een onbekende dan wel onverwachte invloed heeft. Want water is een prachtig, maar ook heel raar molecuul. In een reeks posts wil ik daar wat meer over vertellen. In deze eerste post een duik in de rare eigenschappen van water.

Het vriespunt❄️:
Wat is het vriespunt van water?
0 graden C, toch?
Ja, maar allen als het vervuild is. Is het zuiver water zonder enige vervuiling, dan kan het pas bevriezen bij -40 graden C. Dus afhankelijk van de vervuiling bevriest water ergens tussen de -40 en 0 graden C.


Broeikasgas🏞️:
Als ik je vraag: wat zijn broeikasgassen, zeg je waarschijnlijk: koolstofdioxide/CO2, methaan/CH4 en lachgas/N2O. Misschien noem je ozon/O3, of halogeenkoolstoffen.
De kans dat je zegt: “water” acht ik vrij klein. Toch is ook het watermolecuul een broeikasgas.
Door de aanwezigheid van broeikasgassen in de atmosfeer is de aarde sinds miljoenen jaren 33 graden warmer dan we op basis van onze afstand tot de zon zouden mogen verwachten – dit wordt het natuurlijke broeikasgaseffect genoemd. Aan deze natuurlijke opwarming van de aarde draagt water ongeveer 60 tot 65% bij.

Voorkomen van alle drie de fasen:
Doordat de aarde 33 graden warmer is gebeurt er iets heel bijzonders: op deze planeet komt water in alle drie de fasen voor: vast als ijs in gletsjers op de bergtoppen en de poolkappen, vloeibaar in de zee, rivieren, meren en grondwater. In de atmosfeer komt water in alle drie de vormen voor: vooral als waterdamp, maar ook in de vloeibare (regendruppels) en vaste (hagel en sneeuw) vorm in wolken.

Dichtheid:
We nemen het voor lief, maar het is eigenlijk heel erg raar dat een stof in vaste vorm drijft op de vloeibare vorm. Toch is dat precies wat er gebeurt bij water: ijs drijft op vloeibaar water. Hierdoor overleven de vissen de winter en kan de noordpool bevriezen zonder dat hiermee de stroming van de zee wordt geblokkeerd.

Zuurheid:
Water kan zowel een proton (het H-atoom) loslaten als opnemen. Bij loslaten wordt er OH- gevormd, en bij opnemen wordt er H3O+ gevormd. Een hoge H3O+ concentratie levert zuur water op, een hoge OH- concentratie levert basisch water op.

Conclusie
Kortom: we heten niet voor niets de blauwe planeet, want de aanwezigheid van water is van cruciaal belang geweest bij het vormgeven van het leven op onze planeet

Bronnen:

Bevriezing:

Royal Society of Chemistry. “We All Know What Temperature Water Freezes at, Right?!” Royal Society of Chemistry, 11 april 2018. https://www.rsc.org/news-events/journals-highlights/2018/04-april/water-freezing/

Bijdrage van water aan het natuurlijke broeikasgaseffect:

Kiehl, J. T., en Kevin E. Trenberth. “Earth’s Annual Global Mean Energy Budget”. Bulletin of the American Meteorological Society. Bulletin of the American Meteorological Society 78, nr. 2 (1997): 197-208. https://doi.org/10.1175/1520-0477(1997)078%3C0197:EAGMEB%3E2.0.CO;2

Verbeterde voedselproductie (22): Hoe bepaal jij de kwaliteit van de bodem?

De ondergrond, de bodem, de wereld onder onze voeten: we zijn er steeds meer in geinteresseerd.
En dus gaan we het laten onderzoeken. Een bodemonderzoek. Maar wat is eigenlijk een bodemonderzoek? Daar blijkt nog redelijk wat variatie in mogelijk te zijn!
Daarom een duik in de wereld van het bodemonderzoek.

Wat is de bodem?

Volgens Wikipedia is de bodem de bovenste laag van de aardkorst, maar de definitie in de bodemkunde is specifieker, namelijk die laag van de aardkorst die door planten beworteld wordt (de rhizosfeer), of waarin zich bodemvormende processen afspelen.
Volgens deze definitie maakt vast gesteente en natte ongerijpte ('waarin zich geen bodem heeft gevormd') ondergrond van losse sedimenten geen onderdeel uit van de bodem.

Verbeterde voedselproductie (8h): zouden zwemen insecten en vogels ook bijdragen aan het maken van regen?

In de afgelopen jaren zijn er meerdere rapporten verschenen over de afname van de hoeveelheid insecten (bron) maar ook vlinders (zie ook deze en deze blogpost). Ook hebben we in Nederland steeds meer te maken met voorjaarsdroogte (zie deze blogpost).
Op basis van een recent onderzoek komt bij mij de vraag naar boven of een van de vele oorzaken die deze droogte veroorzaakt (we hebben immers te maken van een complex systeem met veel op veel relaties - zie voor meer info hierover deze blogpost) mogelijk ook de afname van het aantal insecten kan zijn. Deze blogpost gaat op zoek hoe insecten het weer beinvloeden. Hiervoor is het echter nodig om eerst een zijstap te nemen naar de statische elektriciteit.

Statische elektriciteit

Elektriciteit is het bewegen van elektronen; elektronen die van atoom (bestaande uit de protonen en de neutronen) naar atoom kunnen overspringen. Elektronen zijn negatief geladen, maar de elektronen zijn relatief los gebonden aan een atoom. En elektronen bewegen van een negatief geladen (overschot van elektronen) naar een positief geladen object (tekort aan elektronen). Ook kunnen bepaalde soorten atomen onder invloed van wrijving elektronen afstaan. Atomen die op een bepaald moment meer elektronen hebben dan protonen, zijn negatief geladen en atomen die op een bepaald moment minder elektronen hebben dan protonen, zijn positief geladen. De elektronen veroorzaken dus het ladingsverschil, de protonen bewegen niet.

Verbeterde voedselproductie (8g): Het weer wordt instabieler - wat is de rol van bossen hierbij?

Regen is van cruciaal belang voor al het leven op onze planeet. Regen is de start van de hydrologische cyclus. Regen kan alleen plaatsvinden als er wolken vormen. Wolken vormen zich doordat waterdamp van fase verandert: de waterdamp condenseert tot waterdruppels of desublimeert /rijpt tot ijs. In heel schoon water wat wordt afgekoeld onder de 0 graden C, zullen geen ijskristallen vormen tot ongeveer -40 graden als ineens alles bevriest. Om wel de eerste ijskristallen te laten vormen zijn condensatiekernen (condensatie kernen, Condensation Nuclei, CN) en bevriezingskernen (Ice Nuclei, IN) nodig, waar het ijskristal op kan vormen. Hiervoor moet het water dus een beetje vervuild zijn. Hier zijn heel veel verschillende materialen voor, stof, roet, klei, zoutkristallen, vulkanische as etc.De natuur blijkt echter ook een bijdrage te leveren en allerlei producten te leveren waarop condensatie dan wel sublimatie kan plaatsvinden. De natuur (planten en bodemleven) beinvloeden in die zin dus ons klimaat in zeer sterke mate (zie ook deze video).
In zes blogs binnen de serie "verbeterde voedselproductie" wordt stilgestaan bij verschillende natuurlijke materialen of producten waarop condensatie kan plaatsvinden en naar wanneer de productie van deze kernen (verhoogd) plaatsvind:

Verbeterde voedselproductie (21): de unieke eigenschappen van water maken leven mogelijk

Water is het meest vreemde stofje dat we op deze planeet hebben; vreemd, bijzonder en geniaal tegelijkertijd, omdat het zoveel kan en daardoor bij zoveel cruciale dingen betrokken is, of omgekeerd, omdat op onze blauwe planeet leven ontwikkeld is rondom deze cruciale eigenschappen van water. Doordat het bestaat uit H en O die beide ook allerlei functies kunnen vervullen, kan het samen juist helemaal fascinerende dingen bewerkstelligen.
Daarom een duik in de eigenschappen van water.

Eigenschappen van water

Water heeft fascinerende eigenschappen, hieronder een overzicht. Voel je vrij in het commentaar aanvullingen te geven, zodat deze kunnen worden toegevoegd aan dit overzicht.

Verbeterde voedselproductie (17b): hoe voorkom je plagen / pest problemen

De meeste mensen willen gezonder eten, en willen een gezonder ecosysteem, zonder pesticiden te gebruiken. Vraag een reguliere agrarier en die kijkt je aan alsof je gek bent, dat gaat je niet lukken, je ontkomt in een monocultuur er niet aan om met pesticiden plagen en pest problemen te voorkomen.

Toch zijn er stappen te nemen om de plaagdruk te voorkomen, wat veel beter mogelijk wordt, als een regeneratief systeem goed wordt ontworpen. De amerikaan John Kempf heeft een interessante plantgezondheid piramide ontwikkeld (zie ook deze video met uitleg). Deze blogpost duikt daarom in de plant gezondheid piramide. Maar eerst een zijstap in de chemie van planten.

Ons voedsel (11b): Waarom bacteriele gronden tot een lager koolstofgehalte in de bodem leiden

Meer een meer onderzoeken laten zien dat onze moderne landbouw wereldwijd leidt tot een afname van het organisch stofgehalte in de bodem, en daarmee ook tot een afname van de bodemvruchtbaarheid, waarmee gezonde bodem verandert in stof, wat gemakkelijk erordeert (zie deze blogpost). In deze blogpost wordt ingegaan op een belangrijke reden die bijdraagt aan deze verandering: de verandering van het bodemvoedselweb als gevolg van moderne landbouw. Alle data/waarden die in deze blogpost worden gebruikt, zijn afkomstig van de 4 basistrainingen van de SoilFoodWeb school van Elaine Ingham.

Het bodemvoedselweb

Het bodemvoedselweb is uitgebreid besproken in deze blogpost. Onderstaande afbeelding geeft een samenvatting van het bodemvoedselweb weer. De schimmels en de bacterien zijn de primaire verteerders van plantaardig materiaal (2e orde trofisch niveau); zij worden gegeten door protozoa, nematoden en kleine geleedpotigen (3e orde trofisch niveau), die op hun beurt weer worden gegeten door grotere nematoden en grotere geleedpotigen (4e orde trofisch niveau), etc.

Klimaatverandering (7): Water is een broeikasgas; hoe kunnen we dat gebruiken als klimaatoplossing?

In de discussies over broeikasgassen is lang niet altijd helder wat de rol van water nu precies is. Dit is een broeikasgas, maar wordt niet meegenomen in de berekeningen bij het aardopwarmingsvermogen. Daarom een nieuwe duik in de broeikasgassen. Welke broeikasgassen zijn er? En wanneer is een gas een broeikasgas? En wat is de rol van water hierbij?

Welke gassen zijn broeikasgassen?

Broeikasgassen zijn die gassen die aan 2 voorwaarden voldoen. Deze studie zegt er het volgende over (vertaling Google Translate):
"In het InfraRood-gebied heeft straling voldoende energie om moleculen te laten roteren of trillen of beide, afhankelijk van bepaalde selectieregels.
Om rotatie-energie direct te verkrijgen, moet een molecuul een permanent dipoolmoment hebben, d.w.z. er moet een permanente ladingsscheiding in het molecuul zijn.
De regel voor het verkrijgen van trillingsenergie is iets anders; de specifieke trilling moet worden geassocieerd met een verandering in het dipoolmoment om IR-actief te zijn. Als een molecuul vibrerend actief is, kan het ook rotatie-energie verkrijgen en afstaan."

Klimaatverandering (6): Orkanen

Als gevolg van klimaatverandering zou de impact van orkanen kunnen toenemen, terwijl het aantal stormen gelijk kan blijven of zelfs kan afnemen (bron). De vraag is hoe het op dit moment staat met deze grotere impact. Daarom een duik in de wereld van de orkanen.

Voorwaarden voor vorming van orkanen

Er zijn verschillende voorwaarden waaraan voldaan moet worden om een orkaan te kunnen laten vormen (bron 1, bron 2):
1. De temperatuur van het water minimaal 27 graden zijn. Hierbij moet het water tot een diepte van 45 m deze minimum temperatuur hebben, hierbij spelen de warme golfstromen een belangrijke rol. Als de temperatuur lager is, zwakken stormen af; alleen bij 27 graden of meer kan een storm doorontwikkelen tot een orkaan.
2. Er moet een bestaande depressie zijn, die zich kan doorontwikkelen tot een zware storm of orkaan
3. Dankzij de draaiing van de aarde is er een draaiing van massa vanaf de evenaar naar het noorden of het zuiden (het Coriolis effect), en dit effect maakt het mogelijk dat orkanen kunnen ontstaan. De orkanen kunnen echter pas ontstaan op meer dan 480 km van de evenaar.
4. Vanaf zeeniveau tot grote hoogte moet de lucht vrij snel afkoelen, zodat er een vochtige en relatief onstabiele convectie is.
5. Ook de de lucht op 5000 m hoogte moet nog een hoge luchtvochtigheid hebben (zie ook deze video)
6. De wind moet de juiste kracht hebben in de verschillende luchtlagen, als 1 luchtlaag een te sterke luchtstroming heeft (scheerwinden), kan deze de orkaan uit elkaar trekken