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