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

Ons voedsel (6b): Hoeveel energie is er nodig om eten op ons bord te krijgen?

In een eerdere blog heb ik al stilgestaan bij de hoeveelheid energie die er nodig is om het eten op ons bord te krijgen, hierbij heb ik vooral gekeken naar de buitenlandse data die er beschikbaar is. Dankzij nieuw promotieonderzoek van Meino Smit, is er ook een goed overzicht voor de Nederlandse situatie. Hier wil ik in deze blog bij stilstaan.

Output-Input verhouding

Er zijn verschillende manieren om naar de output-input verhouding van de gebruikte en geproduceerde energetische waarde van het voedsel te kijken. Je kunt kijken naar het totaal tonnage in en uit, het energieverbruik van de gehele sector in en uit en het energiegebruik per ha in en uit. Hierbij kun je naast productie, wel of niet verwerking en distributie meenemen. 

Tonnage

Meino Smit heeft in zijn proefschrift een mooi overzicht gegeven van het totaal tonnage aan inputs en outputs van de landbouwsector. Voor 4 jaren is dit in onderstaande tabel weergegeven (tabel 34 uit proefschrift) , met daarbij de ratio. Onderstaande tabel laat het totaal gewicht per jaar dat de landbouw gebruikt (aan kunstmest, pesticiden, zaaigoed) en wat wordt geoogst. Te zien is dat sinds ongeveer de jaren 90 meer het land opgaat aan tonnage dan eraf wordt gehaald.

Meristeem: Waarom gras begraasd moet worden, maar niet teveel

Om goed graasbeheer toe te kunnen passen is het nuttig om te begrijpen hoe groei bij planten plaatsvindt. Want niet alle planten groeien op dezelfde manier. En de andere manier van groei van grassen maakt dat grasgebieden en prairies moeten worden gemaaid of begraasd om te overleven.

Hoe groeien planten?

Groei in een plant vind plaats vanuit het meristeem. Deze cellen zijn vergelijkbaar met de stamcellen bij mensen. Alleen deze meristeem cellen zorgen voor groei: alleen deze cellen delen.

Binnen de plant zijn er verschillende plekken waar zich meristeem bevindt:

• Primaire meristeem:
• Apical meristeem, dit zit in de uiteinden van de plant:
• onder de grond in de wortels, het root apical meristeem (RAM)
• boven de grond in de toppen van de plant, het shoot apical meristeem (SAM).
• Intercalary meristeem, wat zorgt voor lengtegroei, de vorming van knoppen in de oksels van de plant en wat bij beschadiging zorgt voor herstel.
• Secundair mersisteem:
• Lateral meristeem. Dit zorgt voor de secundaire, oftewel dikte groei van de plant.

Verbeterde voedselproductie (6a): stikstof binding

Stikstof in de vorm van nitraat (NO3) is een belangrijke basisstof voor plantengroei. Zonder nitraat kunnen planten geen eiwitten maken en kunnen ze dus niet groeien.

De industriele landbouw geeft planten de benodigde nitraten via kunstmest. Met de groei van de industriele landbouw is de kunstmest consumptie ook enorm gestegen. De productie van kunstmest kost echter veel (vaak fossiele) energie, terwijl ons fossiel energiegebruik juist moet afnemen om klimaatverandering tegen te gaan. Daarnaast heeft het gebruik van kunstmest ook negatieve effecten op de bodemvruchtbaarheid.

Natuurlijke stikstof binding

In natuurlijke systemen is nitraat altijd de beperkende stof voor plantengroei. Om toch in de nitraat behoefte te voorzien zijn er planten die in staat zijn om stikstof uit de lucht te binden en dit om te zetten in nitraat. De grootste groep planten die hiertoe in staat zijn, zijn de vlinderbloemachtigen, de Fabaceae familie. Deze planten leven in symbiose met de Rhizobium bacterien. Deze bacterien binden stikstof uit de lucht en leveren dit aan de plant, waarbij de bacterien de benodigde energie krijgen van de plant.

Waar komen de broekasgassen vandaan? En waar komt CO2 vooral vandaan?

Ons klimaat veranderd, vooral door het broeikaseffect: de toename van CO2, N2O (298 keer zo sterk als CO2) en CH4 (25 keer zo sterk als CO2) in de atmosfeer leidt tot een verhoging van de temperatuur. CO2 krijgt hierbij de meeste aandacht, mede omdat dit een gas is wat ontstaat bij verbranding van brandstoffen, die we allemaal gebruiken. Hoe is het historische verloop van de broeikasgassen? En als we specifiek kijken naar CO2 waar is dit aan te wijten en hoe ver kan dit stijgen?

Verloop van de broeikasgas concentratie

Op basis van ijskernonderzoeken is inzicht verkregen over het verloop van de CO2, N2O en CH4 concentratie in de laatste 800.000 jaar. Dit dekt de periode waarin de neanderthalers en de mens op aarde woonden/wonen. Uit deze ijskernonderzoeken blijkt dat alle 3 de gassen fluctueerden binnen een bepaalde bandbreedte en een vergelijkbare trend volgen.

De CO2 concentratie fluctueerde tussen de 200 en 300 ppmv. Sinds de industriele revolutie is deze trend doorbroken: de CO2 concentratie is in 200 jaar (een geologisch zeer korte tijsperiode) sterk gestegen tot rond de 400 ppmv.

De CH4 concentratie schommelde over de laatste 800.000 jaar tussen de 400 een de 800 ppmv. Sinds de laatste 200 jaar is deze echter nog sterker toegenomen dan de CO2 concentratie: deze is gestegen van 800 naar 1800 a 1900 ppmv.

De N2O concentratie tenslotte schommelde tussen de 200 en 300 ppmv en is in de laatste 200 jaar gestegen naar ongeveer 330 ppmv.

Kortom, de concentratie van alle 3 de broeikasgassen zijn op dit moment hoger dan de afgelopen 800.000 jaar. 

Ons voedsel (6a): Hoeveel energie is er nodig om eten op ons bord te krijgen?

Voedselproductie kost energie: of het nu gaat om het gebruik van tractors, kunstmest, pesticiden, of de logistiek om de boerderij heen, er is een enorme afhankelijkheid van energie. En die energie wordt op dit moment vooral geleverd door de olie. Zoals ik heb aangegeven in vorige blogs, is dit energiegebruik in de voedselproductie sterk toegenomen in de afgelopen decennia. Hoe verhoudt dit zich echter tot de geproduceerde hoeveelheid voedsel? Is door de stijgende voedselproductie en de stijgende opbrengst per hectare de energie input versus de energieoutput gelijk gebleven, of is deze ook gestegen?

De Japanse Schrijver Masanoru Fukuoka geeft in zijn boek "Sowing seeds in the desert" richtgetallen voor de input / output ratio voor voedsel productie in Japan en de Verenigde Staten (pagina 89 en 90),
Volgens de Masanoru Fukuoka resulteerde elke calorie die 50 jaar geleden (1942) in de Verenigde Staten werd gestoken in de productie van rijst in 2 calorieën input; 30 tot 40 jaar geleden (1952 / 1962) was dat 1 calorie input voor 1 calorie output en op het moment van schrijven (1992) koste het 2 calorieën input om 1 calorie output te genereren.
Vergelijkbare cijfers gelden voor Japan: ook daar resulteren elke 2 calorieën energie input voor rijst productie in 1 calorie output.
Kortom, onze voedselproductie keten produceert geen energie waar de mens van leeft, maar gebruikt energie om de mens van voedsel te voorzien.