Een planeet kan energie kwijtraken richting de ruimte enkel door de emissie van elektromagnetische straling. Deze straling bevindt zich in het infrarood en de flux (stroom) van uitgaande straling staat bekend als uitgaande langgolvige straling (Outgoing Longwave Radiation, OLR). De temperatuur van een planeet die door een zon wordt opgewarmd schommelt rond een waarde waarbij de OLR een balans vormt met de geabsorbeerde zonnestraling; vandaar dat de vorm van afhankelijkheid tussen OLR en temperatuur de sleutel is tot de meest fundamentele klimaatfenomenen.
Voor een planeet zonder atmosfeer met een uniforme temperatuur T, zou de uitgaande straling netjes de wet van Stefan-Boltzmann volgen: OLR = sT4. De atmosfeer wijzigt de OLR doordat de planeet dan in staat is op een lagere temperatuur uit te stralen dan het aardoppervlak. De lagere OLR die hieruit voortvloeit is eeen direct gevolg van het feit dat de temperatuur afneemt met hoogte en dus de sterkte van het broeikaseffect afhankelijk is van het verticale temperatuurgradiënt.
Het figuur links laat de OLR zien als een functie van de temperatuur, berekend met de volgende aannamen: (1) het verticale temperatuurgradiënt wordt gegeven door de vochtadiabaat in een isothermische atmosfeer van 200 Kelvin, en (2) de specifieke vochtigheid op elke hoogte is een vaste fractie van de verzadigingswaarde bij de temperatuur op die hoogte. Deze laatste aanname staat bekend als de 'gefixeerde relatieve-vochtigheidsaanname'. Als deze aannemen eenmaal gedaan zijn kan de OLR berekend worden aan de hand van de temperatuur aan het aardoppervlak met elk willekeurig, standaard radiative-transfer model (de curven hier zijn gedaan met behulp van een simpel model van Kasting et al., 1984).
De toevoeging van een broeikasgas aan de atmosfeer reduceert de OLR voor een gefixeerde T, met als resultaat dat de temperatuur moet toenemen om het stralingsbudget weer in balans te brengen. Bij S = 260 W/m², 100 p.p.m. CO2 en 10% relatieve vochtigheid is de temperatuur 276 Kelvin (punt a in de grafiek). Als de relatieve vochtigheid wordt opgehoogd tot 70%, wordt de temperatuur 288 Kelvin (punt b in de grafiek). Als de broeikasforcering verder benadrukt wordt door de hoeveelheid koolstofdioxide drastisch te verhogen naar 0,2 bar, dan neemt de temperatuur toe tot 330 Kelvin (punt c).
Omdat de concentratie aan waterdamp (een broeikasgas) toeneemt met temperatuur, zorgt het ervoor dat de steilheid van de OLR-curve wordt verminderd. Dit vergroot de gevoeligheid van het klimaat voor veranderingen in stralingsforcering, zoals geïllustreerd wordt in het figuur door de absorptie van zonne-energie te vergroten naar 300 W/m². Met 10% relatieve vochtigheid neemt de temperatuur van punt a naar a' toe met 14 K, maar met 70% relatieve vochtigheid is de opwarming van b naar b' 30 K. Dit staat bekend als de waterdampterugkoppeling (water vapour feedback). De ultieme terugkoppeling is een soort oncontroleerbaar, versterkend effect dat het runaway greenhouse effect genoemd wordt. Dit effect houdt in dat de OLR-curve afvlakt bij hoge temperatuur tot een asymptoot met een waarde die het Kombayashi-Ingersoll limiet genoemd wordt. Dit is het limiet van hoe snel een planeet met een vochtige atmosfeer energie kwijt kan raken dankzij infrarode straling. In een verzadigde atmosfeer is het limiet primair afhankelijk van de zwaartekracht van de planeet, die de massa van de atmosfeer boven een gegeven drukniveau bepaald. De exacte waarde die men verkrijgt voor het limiet hangt af van de behandeling van de eigenschappen van IR-absorptie van waterdamp bij hoge temperaturen en druk. In het bovenstaande figuur is een waarde geschetst van circa 320 W/m², afkomstig uit Kasting et. al., 1988.
Als de astronomische forcering het Kombayashi-Ingersoll limiet overschrijdt, dan zal de temperatuur blijven toenemen totdat de temperatuur aan het aardoppervlak enkele duizenden graden bedraagt, waarop al het water uit de oceanen verdampt zal zijn. Dit wordt gevolgd door de afbraak van water in waterstof en zuurstof, waarna het lichte waterstof naar de ruimte ontsnapt waardoor het verlies aan water onomkeerbaar wordt. Zodra er ook nog geen neerslag meer de grond bereikt, wordt het onmogelijk om koolstofdioxide uit de atmosfeer op te slaan in carbonaatrotsen. Dit scenario, of een versie ervan, is de overheersende theorie over hoe Venus zo onbewoonbaar is geworden.
De aanname van een vastgezette relatieve vochtigheid is een gemakkelijke startpunt voor simpele modellen, maar aangezien de atmosfeer hogerop ver van zijn verzadigingspunt is, wordt het dubieus om vochtigheid als een strikte functie van de lokale temperatuur te zien. De atmosferische vochtigheid wordt in realiteit bepaald door een overweldigende hoeveelheid dynamische en microfysische processen waar nog geen volledig geidealiseerde modellen voor bestaan. Wolken vormen een nog veel groter problemen. Het plaatje van een uit de hand lopend broeikaseffect hierboven is gebaseerd op een atmosfeer met heldere hemel, maar een verzadigde atmosfeer zou vol zitten met wolken. Deze wolken zouden nagenoeg alle inkomende zonnestraling blokkeren, maar zouden ook erg effectief zijn om de OLR te beperken. Het resulterende climaat zou dan worden bepaald door een delicate balans tussen een druppeltje inkomende zonnestraling en een druppeltje uitgaande straling. Er zijn wat voorzichtige stappen gedaan in het meenemen van wolken bij berekeningen over een uit de hand gelopen broeikaseffect, maar het fysische regime van wolken waarin de wolkenvormende substantie de belangrijkste component van de atmosfeer betreft is een volstrekt onbekende en biedt daarom veel ruimte voor boeiend nieuw onderzoek
.
Hopelijk is het allemaal een beetje duidelijk.
Gr. Ben
Voor een planeet zonder atmosfeer met een uniforme temperatuur T, zou de uitgaande straling netjes de wet van Stefan-Boltzmann volgen: OLR = sT4. De atmosfeer wijzigt de OLR doordat de planeet dan in staat is op een lagere temperatuur uit te stralen dan het aardoppervlak. De lagere OLR die hieruit voortvloeit is eeen direct gevolg van het feit dat de temperatuur afneemt met hoogte en dus de sterkte van het broeikaseffect afhankelijk is van het verticale temperatuurgradiënt.
Het figuur links laat de OLR zien als een functie van de temperatuur, berekend met de volgende aannamen: (1) het verticale temperatuurgradiënt wordt gegeven door de vochtadiabaat in een isothermische atmosfeer van 200 Kelvin, en (2) de specifieke vochtigheid op elke hoogte is een vaste fractie van de verzadigingswaarde bij de temperatuur op die hoogte. Deze laatste aanname staat bekend als de 'gefixeerde relatieve-vochtigheidsaanname'. Als deze aannemen eenmaal gedaan zijn kan de OLR berekend worden aan de hand van de temperatuur aan het aardoppervlak met elk willekeurig, standaard radiative-transfer model (de curven hier zijn gedaan met behulp van een simpel model van Kasting et al., 1984).De toevoeging van een broeikasgas aan de atmosfeer reduceert de OLR voor een gefixeerde T, met als resultaat dat de temperatuur moet toenemen om het stralingsbudget weer in balans te brengen. Bij S = 260 W/m², 100 p.p.m. CO2 en 10% relatieve vochtigheid is de temperatuur 276 Kelvin (punt a in de grafiek). Als de relatieve vochtigheid wordt opgehoogd tot 70%, wordt de temperatuur 288 Kelvin (punt b in de grafiek). Als de broeikasforcering verder benadrukt wordt door de hoeveelheid koolstofdioxide drastisch te verhogen naar 0,2 bar, dan neemt de temperatuur toe tot 330 Kelvin (punt c).
Omdat de concentratie aan waterdamp (een broeikasgas) toeneemt met temperatuur, zorgt het ervoor dat de steilheid van de OLR-curve wordt verminderd. Dit vergroot de gevoeligheid van het klimaat voor veranderingen in stralingsforcering, zoals geïllustreerd wordt in het figuur door de absorptie van zonne-energie te vergroten naar 300 W/m². Met 10% relatieve vochtigheid neemt de temperatuur van punt a naar a' toe met 14 K, maar met 70% relatieve vochtigheid is de opwarming van b naar b' 30 K. Dit staat bekend als de waterdampterugkoppeling (water vapour feedback). De ultieme terugkoppeling is een soort oncontroleerbaar, versterkend effect dat het runaway greenhouse effect genoemd wordt. Dit effect houdt in dat de OLR-curve afvlakt bij hoge temperatuur tot een asymptoot met een waarde die het Kombayashi-Ingersoll limiet genoemd wordt. Dit is het limiet van hoe snel een planeet met een vochtige atmosfeer energie kwijt kan raken dankzij infrarode straling. In een verzadigde atmosfeer is het limiet primair afhankelijk van de zwaartekracht van de planeet, die de massa van de atmosfeer boven een gegeven drukniveau bepaald. De exacte waarde die men verkrijgt voor het limiet hangt af van de behandeling van de eigenschappen van IR-absorptie van waterdamp bij hoge temperaturen en druk. In het bovenstaande figuur is een waarde geschetst van circa 320 W/m², afkomstig uit Kasting et. al., 1988.
Als de astronomische forcering het Kombayashi-Ingersoll limiet overschrijdt, dan zal de temperatuur blijven toenemen totdat de temperatuur aan het aardoppervlak enkele duizenden graden bedraagt, waarop al het water uit de oceanen verdampt zal zijn. Dit wordt gevolgd door de afbraak van water in waterstof en zuurstof, waarna het lichte waterstof naar de ruimte ontsnapt waardoor het verlies aan water onomkeerbaar wordt. Zodra er ook nog geen neerslag meer de grond bereikt, wordt het onmogelijk om koolstofdioxide uit de atmosfeer op te slaan in carbonaatrotsen. Dit scenario, of een versie ervan, is de overheersende theorie over hoe Venus zo onbewoonbaar is geworden.
De aanname van een vastgezette relatieve vochtigheid is een gemakkelijke startpunt voor simpele modellen, maar aangezien de atmosfeer hogerop ver van zijn verzadigingspunt is, wordt het dubieus om vochtigheid als een strikte functie van de lokale temperatuur te zien. De atmosferische vochtigheid wordt in realiteit bepaald door een overweldigende hoeveelheid dynamische en microfysische processen waar nog geen volledig geidealiseerde modellen voor bestaan. Wolken vormen een nog veel groter problemen. Het plaatje van een uit de hand lopend broeikaseffect hierboven is gebaseerd op een atmosfeer met heldere hemel, maar een verzadigde atmosfeer zou vol zitten met wolken. Deze wolken zouden nagenoeg alle inkomende zonnestraling blokkeren, maar zouden ook erg effectief zijn om de OLR te beperken. Het resulterende climaat zou dan worden bepaald door een delicate balans tussen een druppeltje inkomende zonnestraling en een druppeltje uitgaande straling. Er zijn wat voorzichtige stappen gedaan in het meenemen van wolken bij berekeningen over een uit de hand gelopen broeikaseffect, maar het fysische regime van wolken waarin de wolkenvormende substantie de belangrijkste component van de atmosfeer betreft is een volstrekt onbekende en biedt daarom veel ruimte voor boeiend nieuw onderzoek
.Hopelijk is het allemaal een beetje duidelijk.
Gr. Ben