Woord vooraf
Hierbij wil ik jullie graag wat meer vertellen over het broeikaseffect. Sindskort heb ik een rekenmodel klaar waarmee het broeikaseffect kan worden berekend. Na maanden sleutelen en puzzelen denk ik dat het model goed bruikbaar is om de zaken eens kwantitatief, maar zeker kwalitatief te onderzoeken. Lang had ik mijn twijfels of het toegenomen broeikaseffect wel de temperatuurstijging kon dekken, zoals die door het IPCC wordt berekend. Critici kwamen in mijn ogen vaak toch wel met overtuigende tegengeluiden. Maar die blijken op misverstanden te berusten en zijn een gevolg van een gebrek aan inzicht in de, toch wel ingewikkelde broeikasmaterie. Voor mij is het in nu in iedergeval een stuk overtuigender.
Het broeikaseffect
Voordat de bespreking over hoe mijn model inelkaar steekt los gaat eerst een inleidende uitleg over het broeikaseffect en de natuurwetten die daarbij van belang zijn. De aarde +atmosfeer is een systeem waar energie in komt en weer uit gaat. Over een langere periode zijn die energiestromen even groot en is de stralingsbalans in evenwicht. Een verstoring van die balans kan een verandering van temperatuur op aarde veroorzaken.
De instraling komt van de zon en bestaat uit verschillende golflengten. Het zwaartepunt daarvan zit in het zichtbare licht met een golflengte van 0,5 micrometer. De hoeveelheden straling nemen, bij zowel steeds langere, als bij steeds kortere golflengten af. De verdeling van straling naar golflengte (of frequentie) heet het stralingsspectrum en wordt beschreven met de wet van Planck. Dit stralingsspectrum hangt nauw samen met de temperatuur van de straler. De piekfrequentie kan worden berekend met de wet van Wien. Hoe hoger de temperatuur hoe hoger die piekfrequentie (zie figuur1). De totale hoeveelheid energie van een ‘zwarte straler’ kan worden berekend met de Wet van Stefan-Boltzman. Een zwarte straler is een lichaam (object, gas of vloeistof) die in alle golflengten maximaal uitstraalt. De aarde is bij benadering zo’n lichaam. De zon is heet en straalt vooral uit in korte, zichtbare golflengten maar de aarde is koel en straalt (volgens de wet van Wien en Planck) uit in veel lagere golflengten met een zwaartepunt rond 10 micrometer. Dit noemen we infrarode straling die we niet kunnen zien maar wel voelen. In de atmosfeer zitten gassen die straling met bepaalde golflengten sterker absorberen dan andere golflengten, grote delen van het spectrum worden niet geabsorbeerd. Broeikasgassen hebben de eigenschap dat ze korte golflengten doorlaten terwijl ze langere golven wel absorberen. Zo kan de zon vrijwel ongehinderd op de aarde schijnen maar kan de aardse infra-rood straling niet naar het heelal ontsnappen. Broeikasgassen zijn dan ook onzichtbaar maar met een infra-rood camera kun je ze wel zien.
Nu is het wel zo dat broeikasgassen niet alle golflengten in het infrarood even sterk opnemen. De golflengten die worden opgenomen noemt men absorptiebanden en de frequenties die door worden gelaten noemt men infraroodvensters. Deze verdeling is per broeikasgas ook nog eens verschillend, waarbij sommige gassen elkaar aanvullen, terwijl ze in een ander bereik elkaar overlappen. Hieronder (figuur 2) zie je de absorptiebanden van verschillende broeikasgassen.
(Invalid img)
Figuur 1: stralingspectrum van de zon.
(Invalid img)
Figuur 2: Absorptiebanden en vensters van verschillende broeikasgassen.
(Invalid img)
Figuur 3: Absorptiebanden en vensters volgens mijn model. (Let bij de vergelijking met de bovenste grafiek in figuur 2 wel op de logaritmische schaal.
De belangrijkste broeikasgassen zijn waterdamp (H2O), koolzuurgas (CO2), methaan (CH4), Verder komen in de atmosfeer nog ozon (O3), CFK’s en lachgas (N2O) voor die als broeikasgas werken. Daarbij moet ook even worden vermeldt dat O3 niet alleen in het infrarood absorbeerd maar het neemt ook zeer kortgolvige straling op, namelijk ultravoilet. Op die manier beschermt de ozonlaag ons tegen deze schadelijke straling van de zon.
Stralingswetten in een rekenmodel
De bovenbeschreven stralingswetten zijn opgenomen in het model, wat draait in Excel. De golflengte is geschaald vanaf 0,5 micron en heeft een interval van een halve golflengte tot 15 micron, van 15 t/m 25 micron per micron en daarboven een restfrequentie. Het model is verder één dimensionaal waarbij de atmosfeer is ingedeeld in 21 lagen tot ca 50 km hoogte . Per laag en per golflengte wordt de IR-straling berekend die in, door en uit gaat, met de wet van Beer. Hierin worden absorptie-coëfficiënten, laagdikte en gasconcentraties meegenomen. Er wordt gebruik gemaakt van twee absorptie parameters, een basis coëfficiënt (a) en een golflengte-afhankelijke coëfficiënt (b). De zonnestraling kan niet op deze wijze worden berekend en dient geschat te worden. Het model is speciaal bedoeld voor het broeikasffect.
Eindeloze puzzel
Bij de zoektocht naar de grootte van de verschillende absorptie parameters werd ik van info uit literatuur en op internet niet zoveel wijzer. Ik heb wel iets gevonden maar die werkten met een andere berekeningswijze. Dus ben ik ze zelf gaan schatten. De voorwaarden waren dat de energiehuishouding van de standaardatmosfeer* moest kloppen met die uit de literatuur*. Bovendien moet bij een gegeven toename van broeikasgassen de stralinsforcering* overeenkomen met die vermeldt in de literatuur én moest het absorptiespectrum overeenkomen met die op de afgebeelde figuur. Dit heeft een lange puzzeltocht opgelevert maar na eindeloos calibreren zijn de parameters nu zo afgesteld dat ze me redelijk bruikbaar lijken. Onlangs heb ik toch weer een paar onvolkomenheden ontdekt en zal er een volgende calibratie-ronde nodig zijn om het model nauwkeuriger te maken.
*De standaardatmosfeer
De standaardatomsfeer is de gemiddelde atmosfeer op aarde. Voor de temperatuur heb ik gebruik gemaakt van grafieken en gegevens uit de ‘elsevier gids van het weer’. Voor het vochtgehalte is rondgebladerd op internet maar hierbij kwam ik nogal wat onduidelijkheid tegen zodat deze waarden zo goed mogelijk zijn geschat. Voor de verdeling van bewolking heb ik gebruikt gemaakt van een samenvatting van een database. Hierin zijn stationswaarnemingen verwerkt van boven land en zee uit de periode 1954 t/m 1997. Met kennis van het voorkomen van wolken naar hoogte zijn deze vertaald naar bedekkingsgraad per hoogte. De gegevens vermelden bijvoorbeeld de gemiddelde bedekkingsgraad van stratocumulus en de gemiddelde hoogte van de wolkenbasis (616 m boven oceaan en 885 m boven land). Maar stratocumulus bevindt zich tussen 300 en 2000 m en zo heb ik die bewolking verdeeld over alle lagen tussen deze waarden. Deze methode zal ongetwijfeld onzekerheden met zich meegenomen die helaas ook tot onnauwkeurigheden bij de absorptie parameters heeft geleidt.
Klimaatonderzoek
Met dit model kunnen veranderingen van de concentraties van broeikasgassen doorgerekend worden naar de temperatuur. Omdat er maar één dwarsdoorsnede kan worden ingevuld ga ik uit van de gemiddelde temperatuursopbouw (de standaardatmosfeer) . In werkelijkheid worden globale temperatuurveranderingen bepaald door het gemiddelde van de stralingsbalans van alle plaatsen op aarde. Ik zou het rekenschema kunnen klonen maar bij een fatsoenlijke resolutie denk ik dat de rekenkracht van mijn PC ontoereikend is. Het model is bij lange na niet zo geavanceerd als de klimaatmodellen die worden gebruikt voor bijvoorbeeld het IPCC. Maar wel kunnen effecten van een veranderde waterdamp gehaltes en wolkenbedekking goed worden geschat.
De berekening van dergelijke onderzoekjes gaan zo: De totale uitstraling van aarde plus atmosfeer moet gelijk zijn aan de instraling van de zon van 242 W/m2 (Watt per vierkante meter). Dan voer ik de hoeveelheid broeikasgassen op en het gevolg is dat het totale stralingsverlies terug loopt naar bijvoorbeeld 235 W/m2. Bij gelijkblijvende instraling krijgen we een overschot van 7 W/m2. Dit overschot noemt men stralingsforcering. Vervolgens stel je de temperaturen van het aardoppervlak en alle lagen van de troposfeer bij omhoog. De stratosfeer corrigeer je totdat de stralingsbalans van die lagen weer gelijk is aan de begintoestand. Door de hogere temperaturen neemt de uistraling weer toe naar bijvoorbeeld 240 W/m2. Dat betekent dat de temperaturen nog een klein beetje omhoog kunnen worden bijgesteld totdat de uitstraling weer gelijk is met de instraling. Deze temperatuurstijging is dus te verwachten bij een dergelijke stralingsforcering. De T-stijging per Watt stralingsforcering noemt men de klimaatgevoeligheid.
Tot slot kunnen temperatuurveranderingen in de atmosfeer als gevolg van straling in meteorologisch verband ook nauwkeurig worden berekend en kan het worden gebruikt voor bijvoorbeeld het schatten van de minimumtemperatuur.
(Invalid img)
Figuur 4: Een deel van de spreadsheet met o.a. de invoervelden voor temperaturen, dauwpunten en bedekkingsgraad van bewolking.
Tot zover de werking van het ‘Torkaanse broeikasmodel’. Binnenkort zal ik hier de resultaten van een aantal onderzoeken uit de doeken doen. Uiteraard ben ik de laatste die ontkent dat er nog onzekerheden in dit model zitten maar zeker ook het klimaatsysteem zelf. Zo houdt het geen rekening met bijvoorbeeld afsmeltende ijskappen en zeestromen. Het aardse klimaat is altijd op zoek naar een stralingsevenwicht maar de tot standkomming van dit evenwicht verloopt lang niet altijd liniair of aflopend. De resultaten zijn bedoeld om een ruwe indruk te geven.
Victor de Vries
Bronnen:
Weer en kimaat, Crutzen en Braedel
Elseviersgids van het weer
Binas
Luchtverontreiniging en weer
Wolkendata
http://www.atmos.washington.edu/~ignatius/CloudMap/WebO/index.html
Diverse internetsites
Quote selectie