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

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.

Regeneratief systeemontwerp (3): wat doet een wind barriere van bomen?

In de intro blogpost over agroforestry zijn een aantal mogelijke opties genoemd hoe bomen, gewassen en dieren met elkaar kunnen worden gemengd. Een ervan was de optie om bomen te planten als wind barriere. Daar gaat deze blogpost over. Hoe kunnen bomen en heggen een goede bescherming zijn tegen wind? En wat kan deze wind barriere allemaal opleveren?

De voordelen van wind barrieres

Wind barrieres kunnen heel veel voordelen hebben. De FAO heeft op een rijtje is gezet wat verschillende voordelen kunnen zijn van wind barrieres:
- ze beschermen achtergelegen (kwetsbare) gewassen en bomen
- ze verminderen verdamping van planten
- ze verminderen verdamping van open water, waardoor er meer water beschikbaar is
- ze beschermen planten tegen hele hoge of hele lage temperaturen van de wind
- ze maken duin stabilisatie mogelijk (net als duingrassen)
- ze kunnen achterliggende gewassen beschermen tegen zout spray vanuit zee
- ze maken dat bestuiving door insecten beter mogelijk is. De insecten zijn ook beschermd tegen de hele hoge of hele lage temperaturen van de wind
- ze kunnen de verspreiding van ziektes beperken, hoewel ziektes ook meer kunnen optreden door de verhoogde vochtigheid dichtbij de wind barriere
- ze beperken fysiologische veranderingen van planten die kunnen optreden als gevolg van sterke winden
De voordelen zijn echter alleen te bereiken als het ook goed wordt ontworpen.

Verbeterde voedselproductie (18): Schimmels maken hun eigen microklimaat

Paddenstoelen werden misschien ooit gezien als passieve eters die staan waar ze staan. Steeds meer blijkt echter dat ze aan allerlei actieve beinvloeding van hun omgeving doen. Sommige paddestoelen zijn regenmakers, daar ging een eerdere blog over: de sporen door allerlei fascinerende mechanismen de lucht in gelanceerd en sommige hiervan blijken zeer goede condensatiekernen te zijn. Sommige paddenstoelen blijken echter ook een microklimaat te creeeren waarbij ze een zachte bries veroorzaken, die hun sporen verspreidt.

Paddenstoelen zijn goed in water verliezen

De schimmelwetenschap is een relatief nieuwe wetenschap, pas in de laatste 20 tot 40 jaar wordt er steeds meer onderzoek gedaan naar schimmels en paddenstoelen.
Hoe zorgen paddenstoelen ervoor dat hun sporen zich goed verspreiden? Onderzoek (artikel, nieuwsbericht) heeft laten zien dat sommige paddenstoelen (onderzocht zijn onder andere Agaricus californicus, Pleurotus ostreatus en Lentinula edodes) dit doen door water te verdampen tijdens de verspreiding van hun sporen. Als de paddenstoel klaar is om de sporen te verspreiden doet de paddenstoel niets om uitdroging /waterverdamping te voorkomen. Onderstaande afbeelding laat dit zien, in 48 uur verschromeld de paddenstoel en verliest enorm veel water. Grafiek B laat zien dat een levende, goed met schimmeldraden verbonden paddenstoel nog veel sneller water verliest dan planten of zelfs afgesneden paddenstoelen.

Verbeterde voedselproductie (3c): bomen maken regen - verharding en landbouw maakt woestijn

In twee eerdere blogs uit de serie van bomen als regenmakers is uitgebreid stilgestaan bij de invloed van bomen op neerslag. In blog 3a is uitgelegd hoe bomen door de productie van VOC's hun eigen condensatiekernen vormen, zodat water sneller kan condenseren boven het bos: het bos creeert hiermee zijn eigen wolken.
In blog 3b is stilgestaan bij hoe de stratosfeer boven een bos anders is dan boven bijvoorbeeld een grasland met alle gevolgen van dien: door een grotere ruwheid van het landschap boven een bos t.o.v. een grasland in combinatie met een hogere verdamping stijgt er meer vochtige lucht op naar hogere luchtlagen (samen met de VOC's) waardoor boven de bossen wel wolken vorming plaatsvindt, maar boven het grasland niet. Verwijdering van het bos (door een storm) leidde daar dan ook tot minder wolkenvorming.

In deze blog ligt de focus op de verdamping vanuit bossen die essentieel is voor de regenvorming.

Ons voedsel (24b): droogte: is er nog steeds een hydrologische reset op 1 april?

Het jaar 2018 heeft een hele droge zomer gehad, het jaar 2019 is redelijk droog geweest, en in 2020 was het voorjaar behoorlijk droog en was men bang voor opnieuw een droge zomer. In blog 24a is gekeken naar het verschil tussen een droge zomer een een droog voorjaar. Een droog voorjaar bleek absoluut geen garantie te zijn voor een droge zomer, een aantal van de zeer droge zomers kwamen pas later in het jaar op gang, en veel droge voorjaren werden niet gevolgd door een droge zomer.
In alle nieuwsberichten over droogte en herstel van droogte klinkt steeds terug: grondwaterstanden herstellen onvoldoende (zie bijvoorbeeld dit bericht), mede hierom is bijvoorbeeld het droogteportaal in het leven geroepen.
De droogtemonitor van het KNMI houdt op aan het einde van september, omdat dan de verdamping sterk afneemt en omdat de gewassen van het land zijn. In de hydrologie wordt er hierbij vanuit gegaan dat de winter een zodanig overschot aan neerslag heeft dat het hele tekort weer wordt aangevuld, zodat per 1 april het tekort volledig is aangevuld. Na 1 april, als het hydrologisch jaar begint, begint de droogtemonitor opnieuw te lopen. Hydrologen gaan ervan uit dat in de winter het tekort omgezet is in een overschot, een overschot van gemiddeld ongeveer 300 mm per jaar (zie bijvoorbeeld deze website). In de Bosatlas van het klimaat is een kaart opgenomen die de door het KNMI berekende gemiddelde waarde van 1981 tot 2010 voor Nederland laat zien. Het grootste deel hiervan heeft waarden tussen de 240 en 360 mm, met uitzondering van een aantal drogere regio's (delen van Zeeland, het oosten van Noord Brabant en delen van Limburg).

Bron: https://www.meteo-julianadorp.nl/Klimaatatlas/Klimaatatlas-Neerslagoverschot.html

De vraag is echter, treedt deze reset op 1 april nog steeds op? Of is de hoeveelheid neerslag in de winter regelmatig zodanig minder, dat er op 1 april nog steeds sprake van een neerslagtekort (waardoor de natuur op 1 april al met een tekort begint)? Dat is waar deze blog over gaat.

Ons voedsel (24a): droogte en voorjaarsdroogte

Na een redelijk natte winter 2019/2020 is de maand april van 2020 vrij droog. Dit maakt dat het onderwerp droogte al weer snel om de hoek komt kijken en de vergelijking met 1976 en 2018 al weer wordt getrokken, zoals deze links op de NOS website laten zien: link1, link2 en link3. Tegelijkertijd betekent een droogte in het voorjaar nog geen droge zomer of een jaar wat als droog jaar de geschiedenisboeken in gaat. Om wat meer inzicht te geven in droogte en voorjaarsdroogte is de beschikbare data van het KNMI gebruikt, die hier te vinden is. Hierbij is eerst gekeken naar het jaarlijks optredende neerslagtekort (maat voor droogte) om vervolgens in te zoomen op de voorjaarsdroogte.

De eerste versie is op 19 april 2020 geschreven, op 2 mei 2020 is de data bijgewerkt tot 1 mei.

Uitgevoerde analyse

Om meer inzicht te krijgen in hoe de ergste droogtes qua cumulatief neerslagtekort zich hebben gedragen zijn de volgende stappen doorlopen:

1. Voor elke dag is het neerslagtekort dan wel het neerslagoverschot bepaald, dit is de neerslag min de verdamping. Een positief getal is een neerslagoverschot, een negatief getal is een neerslagtekort.
2. Voor elk hydrologisch jaar (begint bij 1 april) is het cumulatieve neerslagtekort uitgerekend (in de zomer is er een tekort, vanwege de verdamping, wat normaal gesproken in de winter wordt aangevuld, waarna je op 1 april weer met een schone lei kunt beginnen)
3. Vervolgens is voor elke dag het maximum neerslagtekort bepaald en bepaald in welk jaar dit maximum cumulatief neerslagtekort optrad
4. Voor deze jaren is vervolgens bepaald op hoeveel dagen het maximum cumulatief neerslagtekort in dat jaar optrad (zie onderstaande tabel)
5. In de grafieken van de meteostations zijn alleen deze jaren weergegeven die op dagbasis minimaal 1 dag het maximum cumulatief neerslagtekort gaven

verbeterde voedselproductie (8b): wie maken er nog meer regen?

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 (13) - 32 dingen die bomen kunnen bijdragen

Het jaar 2018 zal de boeken ingaan als een zeer droog jaar. Mogelijk dat deze nog droger uitvalt dan de zomer van 1976: het neerslagtekort (neerslag - verdamping geaccumuleerd vanaf 1 april) dit jaar is groter geweest dan die tijdens de zomer van 1976. Maar of de hele zomer ook zo droog blijft en het neerslagtekort dus nog verder op zal lopen, dat weten we pas als de gewassen stoppen met verdampen en de herfstregens het neerslagtekort opheffen.

Bron: https://www.knmi.nl/nederland-nu/klimatologie/droogtemonitor

Verbeterde voedselproductie (8a): regenvorming en schimmels

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:

Klimaatverandering (1): Waarom het echt urgent wordt

Zoals ik in een eerdere blog heb aangegeven is de concentratie CO2 en andere broeikasgassen ongekend hard gestegen in de afgelopen 200 jaar. Waar de CO2 concentratie in de afgelopen miljoen jaar schommelde tussen 200 en 300 ppm, is deze in de afgelopen 200 jaar gestegen tot 400 ppm. De vraag is, moeten we echt stoppen met de C02 uitstoot? En wat zijn de gevolgen zoal van de huidige concentratie en van verdere stijging van de concentratie broeikasgassen?

Bron: https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/tssts-2-1-1.html

Context van 400 ppm CO2

Zoals de bovenstaande grafiek laat zien, is een CO2-concentratie van 400 ppm geen concentratie die wij als mensheid eerder hebben meegemaakt, ervan uitgaande dat de homo sapiens ongeveer 200.000 tot 300.000 jaar oud is.

Verbeterde voedselproductie (3b): beinvloeden bomen de vorming van wolken II?

In de vorige blog heb ik aangegeven hoe bomen in staat zijn om invloed uit te oefenen op wolkenvorming middels de vorming van BVOC's. In deze blog wil ik ingaan op andere factoren bij bossen die een rol spelen bij het proces van wolkenvorming en neerslag recycling landinwaarts.

Wolken vorming in het landschap

Wolken vorming treedt op bij verschillende omstandigheden, maar de gezamenlijke factor is dat er altijd sprake van stijgende lucht die in hogere luchtlagen afkoelt, waardoor er condensatie van waterdamp kan optreden. De lucht stijgt bijvoorbeeld door de aanwezigheid van heuvels en bergen. Ook kan de lucht stijgen doordat de lucht opwarmt (warme lucht heeft een lagere dichtheid dan koude lucht en stijgt daardoor), zoals in de tropen gebeurt (de warme lage drukgebieden rond de evenaar, de ITCZ, waar ik in deze blog over heb geschreven).
Boven bossen vindt echter ook sterkere wolkenvorming plaats, dan boven naastgelegen niet bosgronden, zo laat een studie van de Universiteit van Wageningen zien.

Verwoestijning (3): Versterkt verwoestijning zichzelf?

Woestijnen zijn gebieden met weinig neerslag, en daardoor hebben ze een zeer specifieke en vaak kortdurende biodiversiteit en vegetatiegroei. Mede hierdoor zijn het gebieden met extreme temperaturen: temperaturen zijn hoog gedurende de dag en laag gedurende de nacht.

De vraag rondom verwoestijning is, versterkt het proces van verwoestijning zich? Indien dat namelijk zo is, dan is verwoestijning een stuk moeilijker te bestrijden.

Daarom een zoektocht naar het proces van verwoestijning. Hierbij heb ik dankbaar gebruik gemaakt van de uitgebreide zoektocht die een goede vriend van me al heeft beschreven.

Invloed van woestijn op neerslag

Op in ieder geval 4 (aan elkaar gerelateerde) manieren hebben de woestijnen invloed op de neerslag:
- Stof uit de woestijn
- beschikbaarheid van bodemvocht
- temperatuur aan de grond
- beschikbaarheid van neerslagkernen

Ons voedsel (14), Verwoestijning (1): Hoe beinvloed landbouw verwoestijning?

De mens heeft op onze planeet een steeds grotere invloed. Deze invloed is vooral te zien rondom de stijging van de broeikasgassen, klimaatverandering en verminderde bio diversiteit. Maar hoe staat het met de invloed van de landbouw op verwoestijning?

Antropogene transformatie

Algemeen lijkt te gelden dat waar veel mensen zijn geweest, hier een impact wordt achtergelaten. Hoe groter de bevolkingsdichtheid, hoe groter de impact. Het samenvoegen van heel veel historisch onderzoek heeft inzicht gegeven in hoe de bevolkingsdichtheid in de afgelopen 5000 jaar gevarieerd heeft:

Bron: https://ourworldindata.org/wp-content/uploads/2013/05/world-maps-of-population-density-over-the-last-5000-years-goldewijk-beusen-and-janssen-2010.png