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."
|
| Bron: https://edu.lu.lv/mod/book/view.php?id=39258&chapterid=283 |
Hoewel zuurstof (O2) en stikstof (N2) twee gassen zijn die het meeste voorkomen in de atmosfeer, zijn deze beide gassen niet dipolair, waardoor ze dus ook geen broeikasgas kunnen zijn. De belangrijkste broeikasgassen zijn:
- Water (H2O)
- Koolstofdioxide (CO2)
- Methaan (CH4)
- Halogeenkoolstoffen
- Distikstofmonoxide (N2O)
- Ozon (O3);
hierbij wordt vaak ook O2 genoemd, omdat in de atmosfeer O2 regelmatig is O3 wordt omgezet en omgekeerd.
Welk gas neemt welk deel van de inkomende straling op?
De aarde is leefbaar omdat er altijd al broeikasgassen zijn geweest. Dankzij het bestaan van broeikasgassen in de atmosfeer van de aarde, is de aarde veel warmer, waardoor deze leefbaar is. In de discussies over broeikaseffect is het goed om te realiseren dat je onderscheid moet maken in twee vormen van broeikaseffect:- het natuurlijke broeikaseffect: de natuurlijke opwarming van de aarde omdat er broeikasgassen in de atmosfeer zijn
- het antropocene broeikaseffect: de aanvullende opwarming van de aarde, omdat er in de laatste 300 jaar veel meer broeikasgassen in de atmosfeer terecht zijn gekomen
|
| Bron: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atmospheric_Transmission.png |
Deze studie heeft op basis van de absorptie over het gehele spectrum berekend hoe groot de bijdrage is van de verschillende broeikasgassen (dus voor het natuurlijke broeikaseffect). De combinatie van het lange en korte bandbreedte geeft volgens deze studie onderstaande resultaten.
| Lange golf (W/m2) |
Korte golf (W/m2) |
Totaal (W/m2) |
Percentage |
|||||
| Helder |
Wolk |
Helder |
Wolk |
Helder |
Wolk |
Helder |
Wolk |
|
| H2O |
75 |
51 |
43 |
38 |
118 |
89 |
63.8% |
63.1% |
| CO2 |
32 |
24 |
1 |
0 |
33 |
24 |
17.8% |
17.0% |
| O3/O2 |
10 |
7 |
16 |
17 |
26 |
24 |
14.1% |
17.0% |
| CH4+N2O |
8 |
4 |
0 |
0 |
8 |
4 |
4.3% |
2.9% |
| Totaal |
125 |
86 |
60 |
55 |
185 |
141 |
100% |
100% |
Om de aarde leefbaar te maken, draagt water dus 63% bij, CO2 en zuurstof/ozon beide rond de 17%, en methaan en lachgas samen ongeveer 3%.
Water is daarmee dus in het natuurlijke broeikaseffect het belangrijkste broeikasgas. meer dan 60% van het broeikaseffect - waardoor de aarde leefbaar is geworden - kan worden toegeschreven aan water (Bron 1, bron 2). Dit broeikaseffect, veroorzaakt door alle broeikasgassen samen, zorgt voor een stijging van de temperatuur op aarde van 33 graden.
Waarom horen we nooit iets over water als broeikasgas
In het onderzoek naar klimaatverandering is in de afgelopen decennia heel veel gepubliceerd. Het eerste belangrijke publieke rapport is geschreven in 1979.In opdracht van president Carter van de VS is in 1979 een rapport opgesteld over broeikasgassen. Hierin wordt op CO2 ingegaan, maar ook wordt er iets zeer interessants over water gezegd, wat ertoe heeft geleid dat water daarna achterwege is gelaten in de klimaatdiscussie. Op pagina 21 en 22 van dit rapport staat het volgende:
"The earth's thermal radiation is mainly confined to the 5 to 30 um region. The water molecule is a strong absorber over much of this region, except for the important 8 to 18 um interval where the earth's infrared emission peaks (for a surface temperature of 290 degrees K, the peak is at a wave length of 10 um). Water is a principal contributor to the greenhouse effect, even though it is not everywhere optically thick. Climate calculation usually assumes that the water vapor concentration remains constant, even though carbon dioxide and temperature vary"
Dit rapport is het begin geweest van de sterke focus op antropocene broeikasgassen en waarmee niet naar water wordt gekeken, terwijl er redenen zijn om water juist wel mee te nemen (dat komt verderop terug).
De onderbouwing van de aanname dat de water concentratie constant is, heeft in sterke mate te maken met de verblijftijd van water in de atmosfeer: doordat water zo snel wordt gerecycled tot nieuwe regen die op de aarde valt, is de verblijftijd van water in de atmosfeer 8 tot 10 dagen. Een antropocene toename van waterdamp op een bepaalde plek (bijvoorbeeld als gevolg van een koeltoren) resulteert in meer regen, maar dempt dus heel snel weer uit.
Een andere factor die van belang is waardoor water niet wordt meegenomen, is de omrekening naar het aardopwarmingsvermogen (GWP in het Engels): bij de bepaling van de invloed van broeikasgassen (vooral nodig voor Carbon Credit Systemen) wordt gekeken naar het aardopwarmingsvermogen. Dit is een methode waarbij:
- alleen naar antropocene gassen wordt gekeken
- niet naar feedback loops wordt gekeken
- gekeken wordt naar hoe lang een gas in de lucht aanwezig blijft, voordat het is afgebroken
- en alles wordt omgerekend naar CO2 equivalenten (CO2 is gelijk gesteld aan 1)
- H2O: Allereerst is dit bijna geen antropoceen gas. Van water emissies van de industrie wordt aangenomen dat deze binnen een paar dagen zijn verdwenen en dus verwaarloosbaar is. Maar cruciaal is vooral dat feedbackloops niet worden meegenomen, terwijl water een zeer krachtige feedbackloop bij opwarming van de aarde heeft:
- als de temperatuur stijgt, daalt de relatieve vochtigheid, waardoor de verdamping toeneemt, waardoor de relatieve vochtigheid weer stijgt.
Doordat er echter meer waterdamp aanwezig is, wordt het warmer (water is immers een broeikasgas) waardoor de relatieve vochtigheid daalt, zodat de verdamping toeneemt;
Zo doorloop je de cirkel opnieuw en opnieuw (zie ook deze bron).
- CO2: De GWP-waarde van CO2 is de standaard en is gelijk gesteld aan 1
- O3: wordt niet meegenomen
- CH4: De GWP-waarde van methaan is bij een 20 jaar horizon 81.2 CO2 equivalenten
- N2O: De GWP-waarde van lachgas is bij een 20 jaar horizon 273 CO2 equivalenten
Gevolg is helaas dat binnen het Carbon Credit Systeem er geen droog brood te verdienen is met rehydratering van de planeet, als je alleen naar water kijkt (je kunt het wel doen via bomen planten die koolstof vastleggen).
Toch is het cruciaal om wel naar water te kijken, omdat het interessante karakteristieken heeft die kunnen bijdragen aan het stabiliseren van de aarde en ongedaan maken van de opwarming. Daarvoor moet echter eerst een uitstap gemaakt worden naar de energiebalans op de aarde.
Hoe is de energie balans van de aarde?
Gemiddeld genomen komt er ongeveer 340 W/m2 aan energie de aarde binnen vanuit de zon. Dit is meer bij de tropen en minder bij de polen (zie bovenste figuur in onderstaande afbeelding). Een groot deel wordt gereflecteerd naar het heelal, waardoor dat wat de grond bereikt een stuk minder is (zie onderste figuur in onderstaande afbeelding). Om opwarming van de planeet te voorkomen moet de hoeveelheid uitgaande energie gelijk zijn aan de inkomende hoeveelheid energie.
|
| Bron: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_irradiance |
Er zijn veel verschillende balansen in oploop, orde grootte zijn de getallen gelijk, het verschil tussen inkomend en uitgaand verschilt soms, waardoor sommigen uitkomen op een verschil van 1 W/m2, anderen komen uit op 3 W/m2. Maar het verschil tussen inkomend en uitgaand is de hoeveelheid energie die resulteert in de opwarming van de aarde.
En daar gaat het in dit geval om: het feit dat opwarming plaatsvindt. De getallen in de balans zijn sowieso constant aan verandering onderhevig als gevolg van nieuwe wetenschappelijke inzichten (zie bijvoorbeeld deze studie over de invloed van bomen, wolkenvorming en energie uitstraling naar de ruimte). Duidelijk is dat er opwarming plaatsvindt als gevolg van het broeikaseffect.
Volgens de onderstaande afbeelding is de balans als volgt:
Vanuit de zon komt er 340 W/m2 naar de aarde toe. Dit verdeelt zich als volgt:
- (1.) 77 W/m2 wordt opgenomen in de atmosfeer,
- (2.) 164 W/m2 warmt het aardoppervlak op en
- (3.) 99 W/m2 gaat direct terug via reflectie op het aardoppervlak en de atmosfeer
- totaal 340 W/m2 - de gele pijlen in onderstaand overzicht
In de atmosfeer komt in totaal 585 W/m2. De stromen zijn als volgt:
- (4.) 398 W/m2 komt vanaf het aardoppervlak (hier zit de 53 W/m2 oppervlakte afkoeling bij in),
- (5.) 88 W/m2 als latente hitte als gevolg van verdamping en condensatie van water en
- (6.) 22 W/m2 als gevolg van conductie en convectie.
- (1.) Daarnaast komt de 77 W/m2 vanuit de zon in de atmosfeer terecht,
- totaal 585 W/m2.
Vanuit de atmosfeer wordt stroomt deze 585 W/m2 als volgt:
- (7.) 345 W/m2 gaat terug naar het aardoppervlak,
- (8.) 240 W/m2 gaat de ruimte in
- totaal 585 W/m2.
De 99 W/m2 reflectie boven de atmosfeer (3.) en 240 W/m2 die de atmosfeer (8.) verlaat als gevolg van atmosferische koeling, levert een totaal op van 339 W/m2 wat de aarde verlaat. 1 W/m2 wordt dus niet terug gestuurd naar de ruimte.
Het landoppervlak ontvangt in totaal 509 W/m2. Dit is afkomstig van
- (2.) 164 W/m2 wat direct opgenomen wordt van de zon,
- (7.) 345 W/m2 wat vanuit de atmosfeer,
- in totaal 509 W/m2.
Het landoppervlak geeft in totaal 508 W/m2 af. Dit wordt verdeelt in:
- (4.) 398 W/m2 verlaat het aardoppervlak (hier zit de 53 W/m2 oppervlakte afkoeling bij in),
- (5.) 88 W/m2 als latente hitte als gevolg van verdamping van water op het aardoppervlak en
- (6.) 22 W/m2 als gevolg van conductie en convectie,
- in totaal 508 W/m2.
|
| Bron: https://science.larc.nasa.gov/edu/energy_budget/ |
Opvallend is dus dat er eigenlijk niet heel veel extra gedaan hoeft te worden op de totale balans, om de energiebalans weer op 0 te krijgen. Op een of andere manier moet er worden gezorgd dat de uitstraling naar de ruimte toeneemt. En dat is ca 1% of minder van de totale energie die de zon ons elk moment geeft (1 tot 3 W/m2).
Zijn de antropocene gassen de enige knop om aan te draaien, of zijn er ook andere opties?
Op basis van bovenstaande overzicht moet er dus ongeveer 1% meer uitstraling zien te bereiken, en hierbij het aardoppervlak en de atmosfeer afkoelen. Op de hele energiebalans van de aarde is dat relatief een beperkte hoeveelheid.Vanuit het aardopwarmingssysteem lijkt het logisch om volledig te focussen op alle antropocene broeikasgassen. De productie van broeikasgassen moet omlaag (CO2 vrije samenleving, alle koeien dood) en we moeten naar machines bouwen om CO2 op te slaan.
Echter, daarmee wordt het broeikaseffect vernauwd tot alleen het aardopwarmingsvermogen, terwijl als naar de energiebalans wordt gekeken er nog meer mogelijkheden zijn: is het mogelijk om iets te doen rond latente hitte (5.), het transport van energie als gevolg van de verdamping van water op het aardoppervlak.
De eigenschappen van latente hitte en de invloed van wolken
Allereerst de latente hitte. Water heeft een interessante eigenschap: als het op de grond verdampt, kost dat energie. Gevolg is dat dit water, op de plek waar het verdampt, de omgeving afkoelt. Vervolgens stijgt deze waterdamp op in een veel koelere atmosfeer (ten opzichte van een atmosfeer zonder water verdamping). Het water condenseert hoog in de lucht en geeft de energie daar af. Middels deze warmte transfer warmt de laag tussen de grond en de wolk veel minder op ten opzichte van kale grond. Deze transfer van energie wordt de latente hitte genoemd in de hierboven beschreven energie balans (nummer 5.). Geen van de andere broeikasgassen hebben deze eigenschap. Bij de vorming van wolken, verandert de waterdamp in vloeibaar water, of in ijs. De warmte hierbij vrijkomt wordt afgegeven in de vorm van PeTa straling (de straling ontdekt door Perel'man en Tatartchenko, zie dit artikel en dit artikel). Het koel houden van de atmosfeer is een belangrijke factor om de feedbackloop van water te voorkomen: hoe kouder de atmosfeer blijft, hoe minder de feedbackloop van water in gang wordt gezet, hoe beter.
Dan de wolken. Wat de invloed is van de gevormde wolken op het klimaat is nog steeds een grote onzekerheid. In het nieuwste IPCC rapport (AR6, de Chair Vision Paper) staat over de water cyclus het volgende:
"The AR5 showed modest improvement in the simulation of clouds in CMIP5 models, and stressed that simulating trends and variability in the water cycle remains challenging. The AR5 assessed the plausible range of climate sensitivity by combining information from statistical analyses of paleoclimate and historical changes, as well as the range of CMIP5 model results. It did not assess how process-based knowledge on individual feedback processes (including clouds) may affect the estimate of climate sensitivity, or the reasons for inconsistent findings on climate sensitivity based on historical trends and future climate projections"
In de IPCC AR6 technische samenvatting staat het volgende over wolken:
"The combined effect of all climate feedback processes is to amplify the climate response to forcing (virtually certain). While major advances in the understanding of cloud processes have increased the level of confidence and decreased the uncertainty range for the cloud feedback by about 50% compared to AR5, clouds remain the largest contribution to overall uncertainty in climate feedbacks (high confidence)."
Kortom, wat de wolken precies doen in het klimaat, heeft de wetenschap nog niet goed in de vingers. Deze studie uit 2021 laat zien dat klimaatmodellen de invloed van bossen op wolken en van wolken op het klimaat onvoldoende goed meenemen. Makarieva (de moeder van de biotic pump hypothese) heeft in 2022 in een presentatie mooi laten zien wat de invloed van wolken is op het klimaat in de verschillende modellen (zie onderstaande afbeelding).
|
| Bron: https://www.youtube.com/watch?v=5Yr5bm4bw-0 still 7:30 |
Albedo (de rode balken) en wolken (oranje) zijn de grootste factoren van onzekerheden/fouten in de modellen (1 tot 4 graden!). Maar het laat ook zien dat de verschillende modellen heel verschillende aanvliegroutes hebben (en dus de werkelijkheid op een andere manier in een model gieten, anders parameteriseren en dus verschillende dingen wel of niet meenemen). Er is dus op het vlak van wolken en albedo nog een grote kennisleemte. Dat geeft aan dat op dat vlak een grote mate van voorzichtigheid moet worden in acht genomen.
Hoe kan de latente hitte transfer worden vergroot
Het systeem op onze planeet is complex en uitkomsten zijn daarmee niet altijd goed te voorspellen. Zo kan het uitroeien van alle graseters om maar de methaan uitstoot te stoppen, grote negatieve gevolgen hebben voor grasvlaktes, met een veel grotere CO2 uitstoot tot gevolg. Omgekeerd kan echter ook: een goed ontworpen ecosysteem met bomen die passen in de lokale context kan niet alleen koolstof vastleggen maar ook een enorme positieve bijdrage leveren door het landschap te rehydrateren en door de latente hitte transfer te vergroten.De vraag is hierbij, hoeveel moet de latente hitte transfer worden vergroot om de opwarming te compenseren.
Op basis van bovenstaande gegevens heeft Prof John Norman berekent hoeveel extra de latente hitte moet toenemen om opwarming te voorkomen (getallen zijn makkelijk aan te passen als inzichten veranderen):
- Door het natuurlijke broeikaseffect is de aarde 33 graden opgewarmd.
- In de energiebalans hebben de broeikasgassen invloed op de posten:
- (5.) 88 W/m2 als latente hitte als gevolg van verdamping en condensatie van water en
- (6.) 22 W/m2 als gevolg van conductie en convectie.
- Totaal 110 W/m2
- Dit betekent een toename van energie van 110 W/m2 / 33 graden = 3,33 W/m2/graad opwarming
- Uitgaande dat er nu 1 graden opwarming is opgetreden, moet de latente hitte transfer dus met 3,33 W/m2 toenemen, wat overeenkomt met een toename van de latente hitte van (88 W/m2/3,33 W/m2)= 3,79%
- Ervan uitgaande dat:
- 42% van de verdamping, verdamping door planten is
- 43% van het landoppervlak bewoonbaar is
- 50% hiervan gebruikt wordt voor landbouw
- moet de verdamping op landbouwgronden met (3,33%/(42%*43%*50%))= 42% toenemen.
Deze toename is haalbaar, maar dan moet er wel een transitie worden gemaakt naar meer vaste gewassen die het hele jaar door kunnen verdampen, waarbij het land niet braak ligt (zie voor de details op dit vlak de reeks blogposts over regeneratief systeem ontwerp en alle posts over regen(vorming)).
Indien deze transitie wordt gemaakt, wordt heel veel koolstof vastgelegd door de bomen en de schimmels, het landschap gerehydrateerd en wordt de latente energie transfer vergroot; een win-win-win situatie dus.
In onderstaande video wordt mooi uitgelegd waarom het een no-brainer is om niet als de wide weerga ontzettend veel meer bossen (geen monocultuur plantages!) aan te leggen.
Conclusies
De aarde is leefbaar dankzij het bestaan van broeikasgassen. Water, koolstofdioxide, methaan en andere broeikasgassen maken de aarde leefbaar. Dankzij deze broeikasgassen is de aarde 33 graden warmer dan zonder deze gassen, zodat de aarde gemiddeld een aangename temperatuur heeft. Maar ons klimaat verandert. De stabiliteit lijkt zoek, en dat wordt vooral veroorzaakt door de opwarming van de aarde, door de toename van broeikasgassen, zoals koolstofdioxide.
Om onze leefomgeving te stabiliseren kan alleen naar de antropocene gassen worden gekeken die voor de opwarming zorgen (binnen het aardopwarmingsvermogen berekeningssysteem), maar er zijn ook andere opties.
Een belangrijke onderbelichte optie is om de verdamping vanuit vegetatie te laten toenemen, de zogeheten latente hitte flux. Als de plantverdamping 4% toeneemt, is de opwarming van 1 graden gecompenseerd (binnen het huidige begrip van het systeem). Dit betekent een toename van 42% van de verdamping op landbouwgronden.
Dit is haalbaar indien de landbouw overschakelt naar veel meer permanente gewassen, bomen incorporeert (agroforestry) en vergroening op verwoestijnde gebieden sterk toeneemt.
Het grote voordeel van deze aanpak is dat:
- Koolstof wordt vastgelegd (Mainstream aanpak)
- Landschappen worden gerehydrateerd (noodzakelijk om de aarde leefbaar te houden)
- De temperatuur neemt af
- Mogelijk wordt zelfs de reflectie via wolken vergroot
En zelfs als het niet zou werken, en de 3 aanvullende oplossingen niet uitpakken zoals gedacht, wordt in ieder geval de koolstofdioxide vastgelegd.
Kortom, een no-brainer oplossing, die het verdient om overal toegepast te worden.
Bronnen
- https://journals.ametsoc.org/configurable/content/journals$002fbams$002f78$002f2$002f1520-0477_1997_078_0197_eagmeb_2_0_co_2.xml?t:ac=journals%24002fbams%24002f78%24002f2%24002f1520-0477_1997_078_0197_eagmeb_2_0_co_2.xml- https://journals.ametsoc.org/downloadpdf/journals/bams/78/2/1520-0477_1997_078_0197_eagmeb_2_0_co_2.xml
- https://www.acs.org/content/acs/en/climatescience/atmosphericwarming.html
- https://www.acs.org/content/acs/en/climatescience/climatesciencenarratives/its-water-vapor-not-the-co2.html
- https://news.climate.columbia.edu/2021/02/25/carbon-dioxide-cause-global-warming/
- https://www.engineeringtoolbox.com/water-properties-d_1573.html
- https://irp.fas.org/agency/dod/jason/co2.pdf
- http://www.ces.fau.edu/nasa/module-2/how-greenhouse-effect-works.php
- http://pressbooks-dev.oer.hawaii.edu/atmo/chapter/chapter-2-solar-and-infrared-radiation/
- https://meteor.geol.iastate.edu/gccourse/forcing/images/image7.gif
- https://meteor.geol.iastate.edu/gccourse/forcing/spectrum2.html
- https://archive.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/ch3s3-4-2.html
- https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/downloads/report/IPCC_AR6_WGI_TS.pdf
- https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/11/AR6-Chair-Vision-Paper.pdf
- https://www.jstor.org/stable/43734787
- https://latimesblogs.latimes.com/greenspace/2011/11/greenhouse-gases-water-vapor-and-you.html
- https://edu.lu.lv/mod/book/view.php?id=39258&chapterid=283
- https://globalchange.mit.edu/news-media/in-the-news/greenhouse-gases-water-vapor-and-you
- https://science.larc.nasa.gov/edu/energy_budget/
- https://education.nationalgeographic.org/resource/greenhouse-effect
- https://www.researchgate.net/publication/275097033_PeTa_radiation_under_ice_deposition
- https://www.researchgate.net/publication/282353759_PeTa_radiation_under_first_order_phase_transitions
- https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1260/095830505775221542?journalCode=eaea
- https://www.semanticscholar.org/paper/Greenhouse-Molecules%2C-Their-Spectra-and-Function-in-Barrett/f9d1415588a2ee3d6e28e82c290962b8d8d6a453
- https://www.smithsonianmag.com/smart-news/more-trees-mean-more-clouds-and-more-cooling-study-says-180978503/
- https://climatewaterproject.substack.com/p/the-scientific-basis-for-the-new?s=r
- https://thorstenarnold.com/how-we-started-to-believe-that-climate-change-only-has-to-do-with-greenhouse-gases/
- http://www.geo.utexas.edu/courses/387H/PAPERS/kiehl.pdf
- http://www.warwickhughes.com/papers/barrett_ee05.pdf
- https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atmospheric_Transmission.png
- https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_irradiance
- https://en.wikipedia.org/wiki/Global_warming_potential
- https://soils.wisc.edu/people/emeritus-faculty/john-m-norman/
- https://www.youtube.com/embed/nnMosqg9gKU
- https://www.youtube.com/watch?v=5Yr5bm4bw-0
- https://www.youtube.com/watch?v=DQN9t-g2J-0
- https://www.youtube.com/watch?v=tBmtIPhh7UI
Geen opmerkingen:
Een reactie posten