Eenvoudige natuurkunde van het "broeikas effect"

patrickve · 29 augustus 2009, 12:52

Het kan interessant zijn om eens in te gaan op de natuurkunde achter het "broeikas effect". Het is de eerste stap in de analyse van het effect van CO2 in de atmosfeer, en het is zeker en vast niet het gehele verhaal - verre van !

Maar het is de basis natuurkunde die achter het broeikas effect zit, en die aangeeft waarom gassen zoals CO2 A PRIORI aanleiding geven tot een opwarming.

We gaan uit van een "speelgoed aarde" die veel eenvoudiger is dan de echte aarde: een uniforme bol.

We hebben slechts enkele natuurkundige elementen nodig:

A) GASSEN

1) het gedrag van ideale gassen. De gaswet:

P V = N R T

(P = druk, V = volume, N = aantal mol gas, R = gasconstante, T = temperatuur)

, en de "adiabatische constante": de verandering van temperatuur als een gas van druk veranderd wordt:

T1 = T0 (p1/p0)^(R/c_p)

Vooral dat laatste is van belang: het geeft aan dat als de druk van een gas vermindert, dat de temperatuur van het gas afneemt. (c_p = warmtecapaciteit van het gas).

2) zwaartekracht en de wet van Archimedes (dingen met een lagere densiteit dan hun omgeving "drijven", ondervinden een opwaartse kracht)

Uit het "gewicht" van de bovenliggende lagen, kan men de druk op een zekere hoogte afleiden:

dp/dz = - rho g

(p = druk, z = hoogte, rho is gas dichtheid, g is zwaartekrachtsversnelling)

Samen met de gaswet die ons de dichtheid als functie van de druk geeft, zorgt dat voor:

dp/dz = - g/(RT) p

Het precieze drukprofiel zal dus afhangen van de temperatuur, maar in elk geval neemt de druk af als we hoger gaan.

Hieruit volgt nu het volgende. Er zijn twee soorten "atmosfeer", namelijk die waarin we "niet-mengende" lagen hebben, en die waarin de lagen voortdurend op en neergaan. In dat laatste geval komt dat omdat lager liggende lucht "lichter" is dan bovenliggende lucht, en door de wet van Archimedes omhoog gestuwd wordt, en/of omdat bovenliggende lucht "zwaarder is" dan onderliggende lagen, en naar omlaag gaat. Zoiets heet convectie.

We kunnen dus atmosferen hebben met en zonder convectie.

Welnu, ALS er convectie is, dan gaat lucht die omhoog gaat, kleinere en kleinere drukken ondervinden, en gaat zijn temperatuur afnemen zoals aangegeven door de adiabatische wet, en gaat de lucht die omlaag gaat opwarmen volgens diezelfde wet.

Zeer belangrijk besluit: ALS er convectie is in een atmosfeer, dan ligt het temperatuursverloop vast volgens de adiabatische wet.

Als er geen convectie is, dan moeten de zaken zo zijn dat de wet van Archimedes iedere laag "op zijn plaats" houdt, dat wil zeggen dat een stukje lucht dat zou willen stijgen, door de wet van Archimedes terug naar beneden wordt gestuurd en andersom.

Welnu, het stuk atmosfeer waar er convectie is, heet de TROPOSFEER, en het stuk van de atmosfeer waar er geen convectie is, heet de STRATOSFEER. De grens tussen de twee noemt men de tropopause.

Het blijkt dat op aarde, het onderste stuk de troposfeer is tot tussen de 12-15 km hoogte, en dat we daarboven de stratosfeer hebben.

We weten dat in een troposfeer de temperatuursvariatie (op lokale weersverschijnselen na) gegeven is door de adiabatische wet: de temperatuur neemt af met de hoogte (de druk ook).

Het temperatuurs- en druk profiel in een troposfeer ligt dus vast als men de "expansie eigenschappen" kent van het gas in kwestie.

B) straling.

Een lichaam aan een zekere temperatuur zendt straling uit. De uitgezonden straling hangt af van de temperatuur natuurlijk, en ook van de interactie tussen straling en dat lichaam. Een lichaam dat "volledig" met straling interageert, noemt men een "zwart lichaam", en de straling uitgezonden door zo een zwart lichaam is een goed gekende formule: elke frequentie wordt uitgezonden met een zekere intenseit, gegeven door de formule van Planck. De totale hoeveelheid energie uitgezonden per eenheid van oppervlakte is gegeven door de wet van Wien: sigma x T^4

Een lichaam dat minder volledig met straling interageert, volgt dezelfde wet, maar de uitgezonden straling wordt gemoduleerd door wat men de emissiviteit noemt: een getal tussen 0 en 1 als functie van de frequentie. Diezelfde emissiviteit bepaalt ook de absorptie van straling dat OP het lichaam valt.

De aarde ontvangt een zekere hoeveelheid zonne-energie (als licht) van de zon, en behalve het licht dat onmiddellijk wordt terug gekaatst (albedo) wordt de rest omgezet in warmte, en die warmte kan enkel maar door straling terug kwijtgeraakt worden aan de lege ruimte.

Men kan uitrekenen hoeveel warmte dat is, en mocht de aarde een zwart lichaam zijn, dan zou ze een temperatuur moeten hebben van ongeveer 255 K (-18 graden celcius).

De straling van de aarde aan de ruimte moet dus overeenkomen, ongeveer, met de straling van een zwart lichaam aan - 18 graden celcius. Zolang de aarde dezelfde zonnewarmte ontvangt, zal dat altijd zo moeten zijn.

Indien de atmosfeer IR-absorberende gassen bevat, dan wil dat zeggen dat de straling die aan de ruimte kan ontsnappen, vanaf een zekere gemiddelde diepte in de atmosfeer komt, want van veel dieper kan die niet komen, omdat die straling dan geabsorbeerd zou worden.

Als die gassen een constante emissiviteit zouden hebben, die frequentie-onafhankelijk is, dan zou dat willen zeggen dat de straling vanaf een zekere gemiddelde hoogte in de atmosfeer ontsnapt en dat de interactie van de straling tot daar "totaal" is. Maw, er is een laag in de atmosfeer die "dienst doet als zwart lichaam" en die de straling in de ruimte uitzendt.
Welnu, DIE LAAG in de atmosfeer moet dus ongeveer aan -18 graden zitten om de stralingsbalans in orde te krijgen.

In de werkelijkheid is de emissiviteit afhankelijk van de frequentie, en wil dat zeggen dat sommige straling van dieper in de atmosfeer, of zelfs het oppervlak komt (als er weinig absorptie is), of in tegendeel van veel hogere lagen. Dat geeft dan een "hobbelig" spectrum, waarvan de gemiddelde "uitzenddiepte" variabel is volgens de frequentie in het IR spectrum. Dat maakt de zaak wat ingewikkelder, maar verandert niks aan het principe.

De aarde moet dus "gemiddeld gezien" haar IR straling uitzenden vanaf een laag atmosfeer die aan -18 graden zit.

Als de atmosfeer totaal transparant zou zijn, dan is die laag het oppervlak, en het zou hier dus heel koud zijn (snowball earth). Het is omdat er "broeikasgassen" in de atmosfeer zitten, dat die "uitzendhoogte" aan -18 graden ergens hoog in de atmosfeer zit. Waar ? Wel, midden in de troposfeer!

De gemiddelde IR straling van de aarde wordt dus uitgezonden ergens in 't midden van de troposfeer. Dank zij de adiabatische wet, wil dat zeggen dat als het op die hoogte -18 graden is, het aan het oppervlak warmer is.

HOE HOGER DE "UITZEND-LAAG" HOE WARMER HET WORDT AAN HET OPPERVLAK.

En nu zijn we rond. Als er meer broeikasgassen in de atmosfeer komen, gaat de absorptie toenemen, en wordt straling gemiddeld vanuit een minder diepe laag uitgezonden. Als we hoger in de atmosfeer gaan (in de troposfeer), dan zou, als de aardoppervlakte dezelfde temperatuur zou blijven behouden, de temperatuur afnemen. De straling zou dus vanuit een koudere laag uitgestuurd worden, maar dan is dat niet genoeg ! We weten dat de laag aan -18 graden moet zijn om de warmte, door de aarde ontvangen, terug kunnen kwijt te spelen. Die HOGERE laag moet nu dus aan -18 graden komen. Welnu, dat wil zeggen, via de adiabatische wet, dat lager liggende lagen WARMER moeten worden.

Hoe meer "absorbeerder" (broeikasgas), hoe "minder diep" (dus hoger) de gemiddelde uitzendingsdiepte is waarop IR straling de ruimte in kan. Maar die laag moet aan -18 graden zitten, om de juiste hoeveelheid warmte kwijt te spelen en de adiabaat zorgt er dan voor dat de temperatuur daaronder toeneemt.

Natuurlijk was dat met een "uniforme speelgoed aarde" en er zijn natuurlijk veel fenomenen die modificaties toepassen aan dat simpele modelletje, maar het toont het basisprincipe aan van een broeikasgas.

Een broeikasgas is geen gas dat als "passief filter" straling blokkeert. Daarop zijn heel wat misverstanden gebaseerd. Het broeikas effect is wel degelijk efficient aan 't werk, want normaal gezien zou het zonder broeikasgas op aarde ongeveer -18 graden zijn. Een broeikas gas maakt dat de IR straling van de aarde gewoon vanaf een hogere laag in de atmosfeer wordt uitgezonden.

Dilbert · 29 augustus 2009, 16:01

Interessant, maar waarschijnlijk moeilijk te begrijpen voor politici zonder basiskennis van thermodynamica.

patrickve · 29 augustus 2009, 19:12

Het basisidee van het broeikaseffect is gewoon dat meer absorberende gassen de effectieve "uitzendhoogte" van de IR straling verhogen, en hoe hoger, hoe kouder, dus wordt er minder warmte verloren.

Mocht de atmosfeer overal de zelfde temperatuur hebben, zou er geen broeikaseffect zijn door toevoeging van broeikasgassen (en mocht de actuele "uitzendhoogte" in de stratosfeer vallen, dan zou het ook het geval niet zijn).

Er zijn dus een hoop "tegenwerpingen" tegen het broeikaseffect die gewoon larie zijn omdat ze het principe niet begrijpen. Er zijn bijvoorbeeld mensen die een paar experimenten gedaan hebben, door de equivalente hoeveelheid CO2 die boven een vierkante meter zit, in een ballon te stoppen, daarin een thermometer te stoppen, dat te vergelijken met een andere ballon vol gewone lucht, en te tonen dat als je beide in de zon legt, de temperatuur niet merkbaar verschilt. Maar dat is ook niet verwonderlijk, want dat is het effect niet. Een horizontaal stuk "atmosfeer" met aan een kant een "zon" en aan de andere kant een "stuk aarde" zou ook niet hetzelfde doen.

Dilbert · 29 augustus 2009, 20:50

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door patrickve

Men kan uitrekenen hoeveel warmte dat is, en mocht de aarde een zwart lichaam zijn, dan zou ze een temperatuur moeten hebben van ongeveer 255 K (-18 graden celcius).

Volgens Wikipedia is het -24,577 graden Celcius. http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body

patrickve · 30 augustus 2009, 08:59

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door Dilbert

Volgens Wikipedia is het -24,577 graden Celcius. http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body

Wel, ja, je kan discussieren. Uit je eigen link:

Citaat:

Estimates of the Earth's average albedo vary in the range 0.3–0.4, resulting in different estimated effective temperatures. Estimates are often based on the solar constant (total insolation power density) rather than the temperature, size, and distance of the sun. For example, using 0.4 for albedo, and an insolation of 1400 W m−2), one obtains an effective temperature of about 245 K.[20] Similarly using albedo 0.3 and solar constant of 1372 W m−2), one obtains an effective temperature of 255 K.

Mijn waarde komt uit het boek van Pierrehumbert.

Jedd · 30 augustus 2009, 13:42

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door Dilbert

Volgens Wikipedia is het -24,577 graden Celcius. http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body

de temperatuur van -18 is met inachtneming van zaken als albedo

Dilbert · 30 augustus 2009, 16:02

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door patrickve

Wel, ja, je kan discussieren.
...
Mijn waarde komt uit het boek van Pierrehumbert.

M.a.w. een wetenschappelijke theorie die nog niet proefondervindelijk en onweerlegbaar bevestigd is. En zolang ze dat niet is weinig bruikbaar...

Jedd · 30 augustus 2009, 17:47

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door Dilbert

M.a.w. een wetenschappelijke theorie die nog niet proefondervindelijk en onweerlegbaar bevestigd is. En zolang ze dat niet is weinig bruikbaar...

niet ?

patrick haalt net aan dat je zonder ingewikkelde berekeningen op redelijk eenvoudige wijze al ruw kan schetsen wat de aardtamperatuur is.

op een kantje of tien heb je de berekeningen uitgevoerd om de temperatuur van de voorbije eeuw al redelijk accuraat te simuleren

Dilbert · 30 augustus 2009, 17:59

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door Jedd

op een kantje of tien heb je de berekeningen uitgevoerd om de temperatuur van de voorbije eeuw al redelijk accuraat te simuleren

Bron ?

maddox · 30 augustus 2009, 18:35

Het dagelijkse leven door de eeuwen heen is al een goeie bron Dilbert.

Hetgeen wat PatrickVE voorgerekend heeft hier is aantoonbaar. De formules zijn afgeleid van observaties, niet andersom.

Dilbert · 30 augustus 2009, 20:47

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door maddox

Het dagelijkse leven door de eeuwen heen is al een goeie bron Dilbert.

Hetgeen wat PatrickVE voorgerekend heeft hier is aantoonbaar. De formules zijn afgeleid van observaties, niet andersom.

Ik hecht weinig geloof aan heel die CO2 opwarmingshype, omdat diegene die het verkondigen (Al Gore, Groen!, dom-links,...) zacht gezegd weinig geloofwaardig zijn, en ik tot op heden nog geen enkel wetenschappelijk waterdicht bewijs gezien heb. Ik ben gewoon nieuwsgierig of Jedd of PatrickVE, die blijkbaar thuis zijn in die materie, referenties hiernaar kunnen aanreiken.

maddox · 30 augustus 2009, 20:50

Oh, U gelooft niet dat CO2 een broeikas effect geeft? Dan geef ik U nu een snelkookpancursus op Venus. Of wenst u het koel te benaderen, dan is Mars uw leerschool;

Jedd · 30 augustus 2009, 21:45

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door Dilbert

Ik hecht weinig geloof aan heel die CO2 opwarmingshype, omdat diegene die het verkondigen (Al Gore, Groen!, dom-links,...)

Het valt mij op dat -hoewel het een wetenschappelijk onderwerp is- je onmiddellijk over politiek begint. En met geen woord rept over wetenschap. D�*t feit alleen vind ik verontrustend.

In sé zeg je immers dat iedere universiteit op deze planeet onzin verkondigt over het onderwerp... Dat vind ik, wat ook het onderwerp is - ALTIJD - een bewering die iemand niet licht zou mogen maken.

ik geloof niet in de zwaartekracht want de communisten zitten erachter.
=> Slaat nergens op toch ?

ik geloof niet in peniciline, want Jacques Chirac is ne fransoos.
=> Deze redenering raakt kant noch wal ?

ik geloof niet in het broeikaseffect want de Al Gore...
=> dit houdt plotsklaps wel steek ?

Als iemand de woorden Al Gore in de mond neemt, weet je dat het die persoon NIET om wetenschap te doen is. Deze regel gaat altijd op. ALTIJD.

Citaat:

zacht gezegd weinig geloofwaardig zijn, en ik tot op heden nog geen enkel wetenschappelijk waterdicht bewijs gezien heb.
Ik ben gewoon nieuwsgierig of Jedd of PatrickVE, die blijkbaar thuis zijn in die materie, referenties hiernaar kunnen aanreiken.

je kan beginnen met de litteratuur van het IPCC zelf.

Als ge inhoudelijk ook maar iets over het broeikaseffect wil zeggen, moet ge op zijn minst het volgende kennen :
http://physics.ugent.be/fysica/Kwant...teStraling.pdf

edit : dit is ook een verplichte inleiding, van de mannen van RealClimate : 6 basic steps

Dilbert · 31 augustus 2009, 04:27

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door Jedd

je kan beginnen met de litteratuur van het IPCC zelf.

Als ge inhoudelijk ook maar iets over het broeikaseffect wil zeggen, moet ge op zijn minst het volgende kennen :
http://physics.ugent.be/fysica/Kwant...teStraling.pdf

edit : dit is ook een verplichte inleiding, van de mannen van RealClimate : 6 basic steps

Thanks.

patrickve · 31 augustus 2009, 06:04

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door Dilbert

M.a.w. een wetenschappelijke theorie die nog niet proefondervindelijk en onweerlegbaar bevestigd is. En zolang ze dat niet is weinig bruikbaar...

Wat ik geschetst heb, is geen "bewijs dat het op aarde heel warm gaat worden" of zo, wat ik geschetst heb, is de basis gedachtengang, in de vorm van een "schoolprobleem", van hoe het basisprincipe van het broeikas effect in elkaar zit. Een beetje zoals de stijl oefeningen: "men heeft een glas water met 200 ml water aan 40 graden in een glas met wanddikte 1 cm, de buitenkant van het glas is aan 2 graden en de warmtegeleidbaarheid is blabla, 1 mg water verdampt per minuut. Wat is de temperatuur na 10 minuten ?"

De oplossing bestaat er dan in van de energie balans van het glas water te maken:

Per minuut hebben we dat een warmte dQ verloren gaat:
- door geleiding K * (T - T0) waar K kan berekend worden uit de geleidbaarheid en het oppervlak
- door verdamping L * M (L is latente warmte en M is de massa die verdampt is per minuut)

dT = 1/cp [ K * (T - T0) + L * M ] dt

hierbij maken we nog de kleine fout om te verwaarlozen dat de massa aan het verminderen is. Het geeft ons een eenvoudige differentiaalvergelijking die T als functie van t zal geven.

School oefening. Natuurlijk een beetje te eenvoudig, want er zijn extra effecten, zoals een warmtegradient die in het glas gaat ontstaan, misschien al dan niet wat convectie die het water weer gaat mengen en zo. Men zal dus numeriek een kleine fout maken ten aanzien van het experiment.

Maar we hebben de essentie van het afkoelen van het glas water vast, gebaseerd op eenvoudige, gekende natuurkunde: behoud van energie, en dingen zoals latente warmte en warmtegeleiding.

Het geeft aan dat als er meer water verdampt, het water sneller zal afkoelen, en als het glas dunner is, of het aan de buitenkant kouder is, het water ook sneller zal afkoelen.

Gaan beweren dat dunner glas, of meer verdamping, niks gaat veranderen aan te temperatuur van het water als functie van de tijd, is dus in flagrante tegenspraak met een heel eenvoudige analyse van de situatie. Dat is niet onmogelijk, maar dan moet toch wel aangetoond worden dat er onverwachte effecten zijn, die we hier verwaarloosd hebben, en die numeriek NET EVEN STERK zijn, om de gekende effecten van warmtegeleiding en verdamping PERFECT te compenseren. De bewijslast ligt nu dus eerder in het kamp van zij die beweren dat er zulke effecten zijn.

Wat het "schooloefeningetje" broeikas effect betreft, het was ook weer een schooloefening, op een uniforme planeet zonder zijdelingse stromingen en dergelijke. Maar de enkele elementen die gebruikt werden, waren eigenschappen van gassen, zoals adiabatische expansie en zo, die aangeven dat als je hoger gaat in de troposfeer, de druk afneemt en het kouder wordt (moeilijk tegen te spreken, hoor), en stralingseigenschappen van gassen (emissiviteit, absorptie, en zwarte-lichaamsstraling). Dat zijn ook dingen die HEEL GOED gekend zijn - misschien iets minder in het dagelijkse leven, maar dat is heel eenvoudige natuurkunde, waar niet de minste twijfel over bestaat. Gassen spectroscopie is toch wel heel oud en een heel gebruikte onderzoekstechniek, en zwarte lichaamsstraling heeft onnoemelijk veel toepassingen, van metallurgie over cryogenie naar de modellen van sterren en koellichamen van satellieten.

Wel, dat is het enige wat in ons schoolvoorbeeld nodig was, en een "speelgoed-aarde" die zo eenvoudig is gemaakt dat er geen wind, of land of oceanen of water en dergelijke is (zoals ons ideaal glas water), daarop kunnen we zoiets toepassen. Als we de min of meer juiste influxen van zonnelicht en zo toepassen, en uitgaan van een "grijs" gas, dan vinden we dat hoe meer "grijs" gas we in de atmosfeer van die planeet stoppen, hoe hoger de effectieve diepte is waarop de straling aan de ruimte wordt vrijgegeven.
Nadien moeten er dan een hoop "correcties" worden toegepast, de voornaamste zijnde de waterdamp, die echter in dezelfde richting werkt zolang het zuivere damp is.

Maar deze denkoefening geeft dus aan dat onze speelgoed aarde:
1) veel kouder zou moeten zijn dan de echte aarde mocht de atmosfeer volledig transparant zijn
2) hoe meer grijs gas (broeikasgas) we in de atmosfeer van die speelgoedaarde stoppen, hoe warmer het oppervlak.

Dat heb ik hier niet gedaan, maar wat Jedd zegde is juist: als je nu ongeveer de juiste hoeveelheden waterdamp en CO2 in de speelgoed aarde atmosfeer stopt, dan wordt de (uniforme) oppervlaktetemperatuur van onze speelgoed aarde al veel meer gelijken op die van de echte aarde.

Dat is natuurlijk niet juist op een graadje na want veel te ruw. Maar het toont het *principiele* begrepen effect aan van een broeikasgas in de atmosfeer. Het is het correct krijgen op een graad na die stukken moeilijker is, omdat we nu met allerlei meer subtiele effecten gaan moeten rekening houden (ttz, de speelgoed aarde meer en meer laten gelijken op de echte aarde). En daar heb ik ook nog geen 100% vertrouwen dat men alles al juist beet heeft - verre van zou ik stellen.

De "test" van dat "theorietje" dat niks anders is dan de eenvoudige school toepassing van wat eenvoudige en goed gekende natuurkunde, vindt men zowel op sterre-atmosferen als op verschillende planeten en manen: venus, mars, de maan, mercurius, titan. De grote lijnen kloppen. Men kan een schatting geven van de "speelgoed-planeet" in elk geval, en dat klopt redelijk, gewoon maar zelfs met die simpele berekening.

Maar er is dus een verschil tussen zeggen: "ik kan tot op een tiende van een graad het effect van CO2 op aarde uitrekenen door met ALLE relevante effecten rekening te houden" enerzijds, en anderzijds te stellen "er is niet de minste aanwijzing dat CO2 voor enige verwarming kan zorgen".

Beide uitspraken zijn ridikuul. In de twee gevallen heeft men een hele hoge graad van nauwkeurigheid het "basismodel" moeten bijwerken, en in het tweede geval neutraliseren al die bijkomende effecten, exact precies de initiele, ruwe schatting.

Maar die initiele ruwe schatting is wel degelijk een "behoorlijke brok van het effect". Maw, het toevoegen van broeikasgassen aan de atmosfeer van een planeet heeft a priori een opwarmingseffect voor gevolg, en in een eenvoudig speelgoedmodelletje kan men daar een schatting van geven. Die schatting gaat dan veranderd worden door allerlei specifieke effecten van die planeet (waterdamp, oppervlakteverandering, wolken,....) die de numerieke waarde behoorlijk kunnen beinvloeden (of weinig, zoals op "dode" planeten zoals mars en venus). Maar het "basis effect" is zo goed als ontegenspreekbaar.

Er is een leuke simulator ter beschikking die net die "schoolvoorbeeld" berekening maakt voor een "aardse" atmosfeer, maar voor een "speelgoed aarde". De damp feedback is niet heel juist geimplementeerd, jammer genoeg. Het is de MODTRAN simulator:

http://geosci.uchicago.edu/~archer/c...radiation.html

Wat dat ding doet, is het volgende:

De gebruiker geeft een "temperatuursprofiel" en een "samenstellingsprofiel" op. (door keuze van "atmosfeer").

Het programma berekent de straling die op en neer gaat in zulke atmosfeer aan de hand van samenstelling en temperatuur, en absorptie en emissie eigenschappen.

Je kan met een kunstmatige "satelliet" op elke hoogte kijken wat de opgaande en neergaande straling is (door "naar beneden" of "naar boven" te kijken). Uiteindelijk ontsnapt er dus een zekere hoeveelheid straling aan de ruimte (te zien door op 70 km "naar beneden" te kijken).

Wat dat programma doet is die eenvoudige natuurkunde uitrekenen, meer niet.

Tavek · 31 augustus 2009, 11:59

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door Dilbert

Ik hecht weinig geloof aan heel die CO2 opwarmingshype, omdat diegene die het verkondigen (Al Gore, Groen!, dom-links,...) zacht gezegd weinig geloofwaardig zijn, en ik tot op heden nog geen enkel wetenschappelijk waterdicht bewijs gezien heb. Ik ben gewoon nieuwsgierig of Jedd of PatrickVE, die blijkbaar thuis zijn in die materie, referenties hiernaar kunnen aanreiken.

Schieten op de boodschapper is zo gemakkellijk als ge niet in staat zijn om de inhoud te weerleggen...

patrickve · 31 augustus 2009, 12:17

Citaat:

Oorspronkelijk geplaatst door Tavek

Schieten op de boodschapper is zo gemakkellijk als ge niet in staat zijn om de inhoud te weerleggen...

Kijk, ik moet ook niet van die paniekerige hype hebben. Ik denk eerlijk gezegd dat we nog te weinig weten van het ganse klimaatsysteem om precies kunnen te voorspellen wat het nu gaat worden. Het is niet ondenkbaar dat het uiteindelijke effect veel minder dramatisch is dan sommige doem scenario's. Maar het is ook goed mogelijk dat we inderdaad een vrij catastrofale verandering aan het bewerkstelligen zijn. Hoe het nu precies gaat uitdraaien weet ik ook niet, en ik denk niet dat iemand het met enige zekerheid weet. Een nog grotere onzekerheid slaat op hoe "negatief" zoiets gaat zijn voor de mens. Het is niet ondenkbaar dat zelfs een behoorlijke klimaatsverandering al bij al, met de technologie die we binnen 100 jaar hebben, nog zal meevallen.

Stel dat Antarctica afsmelt. Ok, we verliezen een hoop huidige kust streken (en binnenlandse streken worden kuststreken). Sommige gebieden worden woestijnen, andere gebieden die onbewoonbaar waren worden misschien bewoonbaarder. En we hebben er een continent bij ! Al dat zijn heel ingrijpende veranderingen, maar waarvan het niet a priori duidelijk is dat ze verschrikkelijk negatief moeten zijn. Maar misschien is het dat wel. Misschien gaan de veranderingen de mensenmaatschappij zodanig ontwrichten dat daar zware conflicten van komen. Misschien gaan er miljoenen of miljarden doden vallen. Rijke landen die hun rijkdom en vruchtbaarheid kwijtspelen gaan misschien nijdig van zich afbijten. Al dat is koffiedik kijken.

Wat echter niet kan ontkend worden, is dat CO2 in de atmosfeer a priori tot enige opwarming gaat leiden. En jammer genoeg is de "back of an envellope" berekening zo, dat het midden in het gebied ligt tussen "zware verandering" en "bijna niet merkbaar": van de orde van een graad C of zo.

Had het 0.01 graad geweest, dan was dat gegarandeerd verwaarloosbaar. Had het 15 graden geweest, dan was het een gegarandeerde ramp. Maar ongeveer 1 graad: alles zal afhangen of er een versterking optreedt, of eerder een tempering.

Ook niet te verwonderen: we veranderen een klein beetje de broeikas samenstelling van de atmosfeer, maar het totale broeikas effect is ongeveer 30 graden. En wat we willen weten, is of het prutske dat we veranderen, 0.5 graden, 1 graad, 2 graden of 4 graden gaat zijn. We moeten dus HEEL nauwkeurig zijn als we willen weten hoeveel 't nu gaat worden, en ik denk echt niet dat we die nauwkeurigheid al behaald hebben.

patrickve · 31 augustus 2009, 13:31

Maar goed, de bedoeling van dit draadje was om in te gaan op het louter wetenschappelijke vraagstuk van de klimaatsverandering, en trachten de "maatschappelijke" aspecten ervan opzij te zetten.

Met andere woorden, laten we het "emotionele" en het "betrokkene" even opzij zetten, en ons eventueel indenken dat we het over een willekeurige planeet lambda hebben. Laten we bijvoorbeeld stellen dat we een aard-achtige planeet hebben, en dat op een of andere wijze, er een injectie van ongeveer 5.5 miljard ton CO2 per jaar in de atmosfeer bewerkstelligen. De vraag is welke de effecten hiervan gaan zijn, als wetenschappelijk vraagstuk. Niet als maatschappelijk vraagstuk, en zonder te panikeren of den ongelovigen thomas uit te hangen.

Wat weten we, wat weten we niet, wat weten we een beetje...

patrickve · 31 augustus 2009, 15:13

Zoals ik reeds aangaf, is er een web interface naar een redelijk oude wetenschappelijke rekencode, MODTRAN genaamd. Hoewel het niet de meest recente versie is, is het toch een behoorlijk prima programma dat gewoon het volgende doet:

Je GEEFT aan MODTRAN de temperatuur en samenstelling van een atmosfeer ;

MODTRAN berekent je de intensiteit van de opgaande en neergaande infrarode straling, als functie van frequentie. De fysica die in MODTRAN zit is heel simpel en robuust: het is de propagatie, absorptie en uitzending van IR straling door een gas.

Er is natuurlijk de verantwoordelijkheid van de gebruiker om de juiste profielen van temperatuur en van samenstelling in te voeren, en de web interface laat je toe enkele "standaard" atmosferische profielen in te voeren.

Wat verkeerd gaat in de web interface, is dat je ook dingen zoals vochtigheid kan veranderen. Hoewel zoiets correct de samenstelling gaat aanpassen, wordt jammer genoeg niet de temperatuur aangepast, terwijl dat zou moeten, omdat vocht in de lucht de adiabatische eigenschappen verandert (het verloop van temperatuur bij verlagende druk is anders voor vochtige lucht dan voor droge). MODTRAN zelf zou zoiets kunnen als de gebruiker de juiste verandering invoert, maar de web interface geeft jammer genoeg niet de correcte temperatuursverandering. Dus beter niet spelen met de vochtigheidsgraad.

Als we nu kijken naar de "default" uitvoering, dan is er 375 ppm CO2, 1.4 ppm CH4, en nog wat brol. Tropische atmosfeer.

Klik op "submit the calculation". We zien als resultaat de straling die hoog aan de atmosfeer ontsnapt. We zien dat het, geintegreerd, 287.8 W bedraagt per vierkante meter.

Verander de sensor hoogte naar 20 km, en herbereken. We zien dat er op 20 km hoogte nog 287.6 W ontsnapt. Er gebeurt dus niet veel tussen 20 en 70 km. Als je op 20 km "omhoog" kijkt (looking up), dan zie je dat er enkel wat straling ter waarde van 8.9 W naar beneden gestraald wordt (terwijl dat op 70 km zo goed als 0 was). Op 10 km wordt dat nu al 42.7 W teruggestraald naar beneden.

Op de grond komt er 348 W naar beneden, en gaat er 417 W naar omhoog (zwart lichaam = grond).

Dat wil zeggen dat de grond, in een tropische atmosfeer, netto 417 W - 348 W = 69 W door straling kwijtgeraakt (en natuurlijk ook nog een goed deel door CONVECTIE dat niet in dit stralingsbilan zit).

Als we nu de CO2 hoeveelheid verdubbelen, en niks aan de rest veranderen, dwz we gaan naar 750 ppm CO2, dan vinden we:

Op 70 km hoogte wordt er nu nog 284.6 W per vierkante meter weggestraald. Dat is verminderd van 287.8 W per vierkante meter.

Een verdubbeling van CO2, zonder iets anders te veranderen, wil dus zeggen dat 287.8 - 284.6 = 3.2 W per vierkante meter MINDER straling wordt weggegeven mocht alles gelijk blijven.
Als de vochtigheidsgraad niet verandert, dan blijft de adiabaat ongeveer dezelfde, dus blijft het temperatuursprofiel in de troposfeer dezelfde.

Men noemt dit "deficit" ten gevolge van CO2 ("all else equal"), de FORCING. Het is de vermindering in afgegeven thermische straling, moest al de rest hetzelfde blijven.

Het is alsof men een extra 3.2 W "verwarming" aan de aarde heeft toegevoegd.

Dit was voor een "tropische" atmosfeer.

Als ik me niet vergis is de CO2 dubbelende forcing eerder 3.7 W, voor de meest up-to-date berekeningen, gemiddeld over de wereld.

patrickve · 1 september 2009, 07:25

Het kan leuk zijn, om wat meer inzicht te krijgen, om met MODTRAN wat te spelen.

http://geosci.uchicago.edu/~archer/c...radiation.html

Een leuk spelletje is om CO2, CH4, ozon (de twee) op 0 te stellen, en ook de "water vapor scale" op nul te stellen (geen waterdamp).

Als je dat submit (70 km, naar beneden kijken), dan vind je een curve die redelijk aanleunt bij zwarte-lichaamsstraling van 300 K, hoewel er toch nog piekjes uitgegeten zijn. Dat komt omdat de web interface je niet toelaat om sommige gassen zoals CFK's te elimineren die "standaard" mee in de compositie zitten. Op 10 km hoogte zijn de meeste van die piekjes er niet meer en op 1 km hoogte heb je een bijna perfecte zwarte lichaamskromme met uitgaand vermogen 415 W per vierkante meter. Op 70 km is dat nog altijd 397 W per vierkante meter. Naar boven kijkende hebben we maar 28.3 W per vierkante meter die op 1 km hoogte naar beneden komt.

Dit is dus een bijna transparante atmosfeer, die maar weinig straling toevoegt of wegneemt.

Laten we nu ENKEL waterdamp toevoegen, door de water vapor scale gelijk te stellen aan 1. Op 70 km hoogte, naar beneden kijkende, zien we dat het uitgaande spectrum serieus weggesneden wordt, en van onze 397 W initieel, blijven er maar 327 W over. De forcing van waterdamp is dus heel sterk! Ongeveer 70 graden!

Nu doen we de waterdamp weg, en zetten de CO2 op 375. We zien nu een heel ander aspect: een zo goed als perfecte zwarte-lichaamskurve rond de 300 K, behalve voor een groot gat in 't midden. Van 397 W zijn we terug op 355 W. De forcing van de CO2 is dus 42 graden. Minder dan de waterdamp.

Samen: waterdamp EN CO2, geeft ons nog maar 296 W. Merk op dat de totale forcing minder is dan de som van de forcings, natuurlijk, ongeveer 100 W. Ozon en CH4 doen daar nog eens een 9 Watt af, om ons tot 287 W te brengen.

Laten we nu een ander spelletje spelen. We stellen alles terug op nul, behalve CO2 dat we op 10 ppm stellen. We zien weer het typische zwarte-lichaams stralingsdeel aan ongeveer 300 K, behalve daar waar de CO2 sterk absorbeert, en de "bodem van de absorptieput" raakt ongeveer de zwarte lichaamscurve van 240 K. Totaal vermogen is 378 W.
Stel CO2 op 100 ppm nu. De put wordt dieper en breder, en het totale vermogen is nu 364 W. De bodem van de put raakt eerder de 220 K kurve.

CO2 op 1000 ppm. Het effect is nu gewoon dat de put BREDER wordt, maar raakt nog steeds de 220 K kurve. 349 W

CO2 op 10 000 ppm. Nog bredere put, maar nog steeds "rakende" aan 220 K. Dit lijkt dus de temperatuur te zijn waarop de CO2 zijn meest geabsorbeerde straling terug in de ruimte stuurt. Ongeveer - 53 graden.

CO2 op 100 000 ppm. 305 W, de put wordt nog breder, en andere putten ontstaan, aan hogere "effectieve" temperaturen.

CO2 op 900 000 ppm. Bijna zuivere CO2 atmosfeer. We zien vele putten, die vaak naar de 220 K curve gaan. 268 W.

Natuurlijk is de temperatuurscurve hier niet meer correct, want de adiabatische eigenschappen van CO2 zijn lichtjes verschillend van die van zuurstof en stikstof, waardoor de troposferische temperatuursafhankelijkheid van de hoogte anders gaat zijn als CO2 dominant wordt (meer dan zeg maar 10% of zo).

Het was gewoon maar om aan te tonen dat met hogere concentraties aan "broeikasgas", de effectieve temperatuur van uitzenden van de straling voor grotere en grotere delen van het spectrum, naar lagere waarden gaat (de temperatuur van de laag waar de straling inderdaad de ruimte kan bereiken). Uiteindelijk gaat dat rond de 220 K zijn, de temperatuur van de tropopause.

29 augustus 2009, 12:52	#1
patrickve Secretaris-Generaal VN Geregistreerd: 24 februari 2009 Locatie: Grenoble, Frankrijk Berichten: 114.331	Eenvoudige natuurkunde van het "broeikas effect" Het kan interessant zijn om eens in te gaan op de natuurkunde achter het "broeikas effect". Het is de eerste stap in de analyse van het effect van CO2 in de atmosfeer, en het is zeker en vast niet het gehele verhaal - verre van ! Maar het is de basis natuurkunde die achter het broeikas effect zit, en die aangeeft waarom gassen zoals CO2 A PRIORI aanleiding geven tot een opwarming. We gaan uit van een "speelgoed aarde" die veel eenvoudiger is dan de echte aarde: een uniforme bol. We hebben slechts enkele natuurkundige elementen nodig: A) GASSEN 1) het gedrag van ideale gassen. De gaswet: P V = N R T (P = druk, V = volume, N = aantal mol gas, R = gasconstante, T = temperatuur) , en de "adiabatische constante": de verandering van temperatuur als een gas van druk veranderd wordt: T1 = T0 (p1/p0)^(R/c_p) Vooral dat laatste is van belang: het geeft aan dat als de druk van een gas vermindert, dat de temperatuur van het gas afneemt. (c_p = warmtecapaciteit van het gas). 2) zwaartekracht en de wet van Archimedes (dingen met een lagere densiteit dan hun omgeving "drijven", ondervinden een opwaartse kracht) Uit het "gewicht" van de bovenliggende lagen, kan men de druk op een zekere hoogte afleiden: dp/dz = - rho g (p = druk, z = hoogte, rho is gas dichtheid, g is zwaartekrachtsversnelling) Samen met de gaswet die ons de dichtheid als functie van de druk geeft, zorgt dat voor: dp/dz = - g/(RT) p Het precieze drukprofiel zal dus afhangen van de temperatuur, maar in elk geval neemt de druk af als we hoger gaan. Hieruit volgt nu het volgende. Er zijn twee soorten "atmosfeer", namelijk die waarin we "niet-mengende" lagen hebben, en die waarin de lagen voortdurend op en neergaan. In dat laatste geval komt dat omdat lager liggende lucht "lichter" is dan bovenliggende lucht, en door de wet van Archimedes omhoog gestuwd wordt, en/of omdat bovenliggende lucht "zwaarder is" dan onderliggende lagen, en naar omlaag gaat. Zoiets heet convectie. We kunnen dus atmosferen hebben met en zonder convectie. Welnu, ALS er convectie is, dan gaat lucht die omhoog gaat, kleinere en kleinere drukken ondervinden, en gaat zijn temperatuur afnemen zoals aangegeven door de adiabatische wet, en gaat de lucht die omlaag gaat opwarmen volgens diezelfde wet. Zeer belangrijk besluit: ALS er convectie is in een atmosfeer, dan ligt het temperatuursverloop vast volgens de adiabatische wet. Als er geen convectie is, dan moeten de zaken zo zijn dat de wet van Archimedes iedere laag "op zijn plaats" houdt, dat wil zeggen dat een stukje lucht dat zou willen stijgen, door de wet van Archimedes terug naar beneden wordt gestuurd en andersom. Welnu, het stuk atmosfeer waar er convectie is, heet de TROPOSFEER, en het stuk van de atmosfeer waar er geen convectie is, heet de STRATOSFEER. De grens tussen de twee noemt men de tropopause. Het blijkt dat op aarde, het onderste stuk de troposfeer is tot tussen de 12-15 km hoogte, en dat we daarboven de stratosfeer hebben. We weten dat in een troposfeer de temperatuursvariatie (op lokale weersverschijnselen na) gegeven is door de adiabatische wet: de temperatuur neemt af met de hoogte (de druk ook). Het temperatuurs- en druk profiel in een troposfeer ligt dus vast als men de "expansie eigenschappen" kent van het gas in kwestie. B) straling. Een lichaam aan een zekere temperatuur zendt straling uit. De uitgezonden straling hangt af van de temperatuur natuurlijk, en ook van de interactie tussen straling en dat lichaam. Een lichaam dat "volledig" met straling interageert, noemt men een "zwart lichaam", en de straling uitgezonden door zo een zwart lichaam is een goed gekende formule: elke frequentie wordt uitgezonden met een zekere intenseit, gegeven door de formule van Planck. De totale hoeveelheid energie uitgezonden per eenheid van oppervlakte is gegeven door de wet van Wien: sigma x T^4 Een lichaam dat minder volledig met straling interageert, volgt dezelfde wet, maar de uitgezonden straling wordt gemoduleerd door wat men de emissiviteit noemt: een getal tussen 0 en 1 als functie van de frequentie. Diezelfde emissiviteit bepaalt ook de absorptie van straling dat OP het lichaam valt. De aarde ontvangt een zekere hoeveelheid zonne-energie (als licht) van de zon, en behalve het licht dat onmiddellijk wordt terug gekaatst (albedo) wordt de rest omgezet in warmte, en die warmte kan enkel maar door straling terug kwijtgeraakt worden aan de lege ruimte. Men kan uitrekenen hoeveel warmte dat is, en mocht de aarde een zwart lichaam zijn, dan zou ze een temperatuur moeten hebben van ongeveer 255 K (-18 graden celcius). De straling van de aarde aan de ruimte moet dus overeenkomen, ongeveer, met de straling van een zwart lichaam aan - 18 graden celcius. Zolang de aarde dezelfde zonnewarmte ontvangt, zal dat altijd zo moeten zijn. Indien de atmosfeer IR-absorberende gassen bevat, dan wil dat zeggen dat de straling die aan de ruimte kan ontsnappen, vanaf een zekere gemiddelde diepte in de atmosfeer komt, want van veel dieper kan die niet komen, omdat die straling dan geabsorbeerd zou worden. Als die gassen een constante emissiviteit zouden hebben, die frequentie-onafhankelijk is, dan zou dat willen zeggen dat de straling vanaf een zekere gemiddelde hoogte in de atmosfeer ontsnapt en dat de interactie van de straling tot daar "totaal" is. Maw, er is een laag in de atmosfeer die "dienst doet als zwart lichaam" en die de straling in de ruimte uitzendt. Welnu, DIE LAAG in de atmosfeer moet dus ongeveer aan -18 graden zitten om de stralingsbalans in orde te krijgen. In de werkelijkheid is de emissiviteit afhankelijk van de frequentie, en wil dat zeggen dat sommige straling van dieper in de atmosfeer, of zelfs het oppervlak komt (als er weinig absorptie is), of in tegendeel van veel hogere lagen. Dat geeft dan een "hobbelig" spectrum, waarvan de gemiddelde "uitzenddiepte" variabel is volgens de frequentie in het IR spectrum. Dat maakt de zaak wat ingewikkelder, maar verandert niks aan het principe. De aarde moet dus "gemiddeld gezien" haar IR straling uitzenden vanaf een laag atmosfeer die aan -18 graden zit. Als de atmosfeer totaal transparant zou zijn, dan is die laag het oppervlak, en het zou hier dus heel koud zijn (snowball earth). Het is omdat er "broeikasgassen" in de atmosfeer zitten, dat die "uitzendhoogte" aan -18 graden ergens hoog in de atmosfeer zit. Waar ? Wel, midden in de troposfeer! De gemiddelde IR straling van de aarde wordt dus uitgezonden ergens in 't midden van de troposfeer. Dank zij de adiabatische wet, wil dat zeggen dat als het op die hoogte -18 graden is, het aan het oppervlak warmer is. HOE HOGER DE "UITZEND-LAAG" HOE WARMER HET WORDT AAN HET OPPERVLAK. En nu zijn we rond. Als er meer broeikasgassen in de atmosfeer komen, gaat de absorptie toenemen, en wordt straling gemiddeld vanuit een minder diepe laag uitgezonden. Als we hoger in de atmosfeer gaan (in de troposfeer), dan zou, als de aardoppervlakte dezelfde temperatuur zou blijven behouden, de temperatuur afnemen. De straling zou dus vanuit een koudere laag uitgestuurd worden, maar dan is dat niet genoeg ! We weten dat de laag aan -18 graden moet zijn om de warmte, door de aarde ontvangen, terug kunnen kwijt te spelen. Die HOGERE laag moet nu dus aan -18 graden komen. Welnu, dat wil zeggen, via de adiabatische wet, dat lager liggende lagen WARMER moeten worden. Hoe meer "absorbeerder" (broeikasgas), hoe "minder diep" (dus hoger) de gemiddelde uitzendingsdiepte is waarop IR straling de ruimte in kan. Maar die laag moet aan -18 graden zitten, om de juiste hoeveelheid warmte kwijt te spelen en de adiabaat zorgt er dan voor dat de temperatuur daaronder toeneemt. Natuurlijk was dat met een "uniforme speelgoed aarde" en er zijn natuurlijk veel fenomenen die modificaties toepassen aan dat simpele modelletje, maar het toont het basisprincipe aan van een broeikasgas. Een broeikasgas is geen gas dat als "passief filter" straling blokkeert. Daarop zijn heel wat misverstanden gebaseerd. Het broeikas effect is wel degelijk efficient aan 't werk, want normaal gezien zou het zonder broeikasgas op aarde ongeveer -18 graden zijn. Een broeikas gas maakt dat de IR straling van de aarde gewoon vanaf een hogere laag in de atmosfeer wordt uitgezonden. Laatst gewijzigd door patrickve : 29 augustus 2009 om 13:01.

29 augustus 2009, 16:01	#2
Dilbert Parlementsvoorzitter Geregistreerd: 6 februari 2004 Berichten: 2.206	Interessant, maar waarschijnlijk moeilijk te begrijpen voor politici zonder basiskennis van thermodynamica. __________________ Rechtsstaat, geen machtsstaat. Democratie, geen particratie.

30 augustus 2009, 18:35	#10
maddox Secretaris-Generaal VN Geregistreerd: 25 september 2002 Locatie: vilvoorde Berichten: 70.138	Het dagelijkse leven door de eeuwen heen is al een goeie bron Dilbert. Hetgeen wat PatrickVE voorgerekend heeft hier is aantoonbaar. De formules zijn afgeleid van observaties, niet andersom. __________________ De meeste mensen gaan naar het werk om geld te krijgen, niet om het te verdienen.

30 augustus 2009, 20:50	#12
maddox Secretaris-Generaal VN Geregistreerd: 25 september 2002 Locatie: vilvoorde Berichten: 70.138	Oh, U gelooft niet dat CO2 een broeikas effect geeft? Dan geef ik U nu een snelkookpancursus op Venus. Of wenst u het koel te benaderen, dan is Mars uw leerschool; __________________ De meeste mensen gaan naar het werk om geld te krijgen, niet om het te verdienen.

31 augustus 2009, 15:13	#19
patrickve Secretaris-Generaal VN Geregistreerd: 24 februari 2009 Locatie: Grenoble, Frankrijk Berichten: 114.331	Modtran Zoals ik reeds aangaf, is er een web interface naar een redelijk oude wetenschappelijke rekencode, MODTRAN genaamd. Hoewel het niet de meest recente versie is, is het toch een behoorlijk prima programma dat gewoon het volgende doet: Je GEEFT aan MODTRAN de temperatuur en samenstelling van een atmosfeer ; MODTRAN berekent je de intensiteit van de opgaande en neergaande infrarode straling, als functie van frequentie. De fysica die in MODTRAN zit is heel simpel en robuust: het is de propagatie, absorptie en uitzending van IR straling door een gas. Er is natuurlijk de verantwoordelijkheid van de gebruiker om de juiste profielen van temperatuur en van samenstelling in te voeren, en de web interface laat je toe enkele "standaard" atmosferische profielen in te voeren. Wat verkeerd gaat in de web interface, is dat je ook dingen zoals vochtigheid kan veranderen. Hoewel zoiets correct de samenstelling gaat aanpassen, wordt jammer genoeg niet de temperatuur aangepast, terwijl dat zou moeten, omdat vocht in de lucht de adiabatische eigenschappen verandert (het verloop van temperatuur bij verlagende druk is anders voor vochtige lucht dan voor droge). MODTRAN zelf zou zoiets kunnen als de gebruiker de juiste verandering invoert, maar de web interface geeft jammer genoeg niet de correcte temperatuursverandering. Dus beter niet spelen met de vochtigheidsgraad. Als we nu kijken naar de "default" uitvoering, dan is er 375 ppm CO2, 1.4 ppm CH4, en nog wat brol. Tropische atmosfeer. Klik op "submit the calculation". We zien als resultaat de straling die hoog aan de atmosfeer ontsnapt. We zien dat het, geintegreerd, 287.8 W bedraagt per vierkante meter. Verander de sensor hoogte naar 20 km, en herbereken. We zien dat er op 20 km hoogte nog 287.6 W ontsnapt. Er gebeurt dus niet veel tussen 20 en 70 km. Als je op 20 km "omhoog" kijkt (looking up), dan zie je dat er enkel wat straling ter waarde van 8.9 W naar beneden gestraald wordt (terwijl dat op 70 km zo goed als 0 was). Op 10 km wordt dat nu al 42.7 W teruggestraald naar beneden. Op de grond komt er 348 W naar beneden, en gaat er 417 W naar omhoog (zwart lichaam = grond). Dat wil zeggen dat de grond, in een tropische atmosfeer, netto 417 W - 348 W = 69 W door straling kwijtgeraakt (en natuurlijk ook nog een goed deel door CONVECTIE dat niet in dit stralingsbilan zit). Als we nu de CO2 hoeveelheid verdubbelen, en niks aan de rest veranderen, dwz we gaan naar 750 ppm CO2, dan vinden we: Op 70 km hoogte wordt er nu nog 284.6 W per vierkante meter weggestraald. Dat is verminderd van 287.8 W per vierkante meter. Een verdubbeling van CO2, zonder iets anders te veranderen, wil dus zeggen dat 287.8 - 284.6 = 3.2 W per vierkante meter MINDER straling wordt weggegeven mocht alles gelijk blijven. Als de vochtigheidsgraad niet verandert, dan blijft de adiabaat ongeveer dezelfde, dus blijft het temperatuursprofiel in de troposfeer dezelfde. Men noemt dit "deficit" ten gevolge van CO2 ("all else equal"), de FORCING. Het is de vermindering in afgegeven thermische straling, moest al de rest hetzelfde blijven. Het is alsof men een extra 3.2 W "verwarming" aan de aarde heeft toegevoegd. Dit was voor een "tropische" atmosfeer. Als ik me niet vergis is de CO2 dubbelende forcing eerder 3.7 W, voor de meest up-to-date berekeningen, gemiddeld over de wereld.

29 augustus 2009, 19:12	#3
patrickve Secretaris-Generaal VN Geregistreerd: 24 februari 2009 Locatie: Grenoble, Frankrijk Berichten: 114.331	Het basisidee van het broeikaseffect is gewoon dat meer absorberende gassen de effectieve "uitzendhoogte" van de IR straling verhogen, en hoe hoger, hoe kouder, dus wordt er minder warmte verloren. Mocht de atmosfeer overal de zelfde temperatuur hebben, zou er geen broeikaseffect zijn door toevoeging van broeikasgassen (en mocht de actuele "uitzendhoogte" in de stratosfeer vallen, dan zou het ook het geval niet zijn). Er zijn dus een hoop "tegenwerpingen" tegen het broeikaseffect die gewoon larie zijn omdat ze het principe niet begrijpen. Er zijn bijvoorbeeld mensen die een paar experimenten gedaan hebben, door de equivalente hoeveelheid CO2 die boven een vierkante meter zit, in een ballon te stoppen, daarin een thermometer te stoppen, dat te vergelijken met een andere ballon vol gewone lucht, en te tonen dat als je beide in de zon legt, de temperatuur niet merkbaar verschilt. Maar dat is ook niet verwonderlijk, want dat is het effect niet. Een horizontaal stuk "atmosfeer" met aan een kant een "zon" en aan de andere kant een "stuk aarde" zou ook niet hetzelfde doen.

31 augustus 2009, 13:31	#18
patrickve Secretaris-Generaal VN Geregistreerd: 24 februari 2009 Locatie: Grenoble, Frankrijk Berichten: 114.331	Maar goed, de bedoeling van dit draadje was om in te gaan op het louter wetenschappelijke vraagstuk van de klimaatsverandering, en trachten de "maatschappelijke" aspecten ervan opzij te zetten. Met andere woorden, laten we het "emotionele" en het "betrokkene" even opzij zetten, en ons eventueel indenken dat we het over een willekeurige planeet lambda hebben. Laten we bijvoorbeeld stellen dat we een aard-achtige planeet hebben, en dat op een of andere wijze, er een injectie van ongeveer 5.5 miljard ton CO2 per jaar in de atmosfeer bewerkstelligen. De vraag is welke de effecten hiervan gaan zijn, als wetenschappelijk vraagstuk. Niet als maatschappelijk vraagstuk, en zonder te panikeren of den ongelovigen thomas uit te hangen. Wat weten we, wat weten we niet, wat weten we een beetje...

1 september 2009, 07:25	#20
patrickve Secretaris-Generaal VN Geregistreerd: 24 februari 2009 Locatie: Grenoble, Frankrijk Berichten: 114.331	spelen met MODTRAN II Het kan leuk zijn, om wat meer inzicht te krijgen, om met MODTRAN wat te spelen. http://geosci.uchicago.edu/~archer/c...radiation.html Een leuk spelletje is om CO2, CH4, ozon (de twee) op 0 te stellen, en ook de "water vapor scale" op nul te stellen (geen waterdamp). Als je dat submit (70 km, naar beneden kijken), dan vind je een curve die redelijk aanleunt bij zwarte-lichaamsstraling van 300 K, hoewel er toch nog piekjes uitgegeten zijn. Dat komt omdat de web interface je niet toelaat om sommige gassen zoals CFK's te elimineren die "standaard" mee in de compositie zitten. Op 10 km hoogte zijn de meeste van die piekjes er niet meer en op 1 km hoogte heb je een bijna perfecte zwarte lichaamskromme met uitgaand vermogen 415 W per vierkante meter. Op 70 km is dat nog altijd 397 W per vierkante meter. Naar boven kijkende hebben we maar 28.3 W per vierkante meter die op 1 km hoogte naar beneden komt. Dit is dus een bijna transparante atmosfeer, die maar weinig straling toevoegt of wegneemt. Laten we nu ENKEL waterdamp toevoegen, door de water vapor scale gelijk te stellen aan 1. Op 70 km hoogte, naar beneden kijkende, zien we dat het uitgaande spectrum serieus weggesneden wordt, en van onze 397 W initieel, blijven er maar 327 W over. De forcing van waterdamp is dus heel sterk! Ongeveer 70 graden! Nu doen we de waterdamp weg, en zetten de CO2 op 375. We zien nu een heel ander aspect: een zo goed als perfecte zwarte-lichaamskurve rond de 300 K, behalve voor een groot gat in 't midden. Van 397 W zijn we terug op 355 W. De forcing van de CO2 is dus 42 graden. Minder dan de waterdamp. Samen: waterdamp EN CO2, geeft ons nog maar 296 W. Merk op dat de totale forcing minder is dan de som van de forcings, natuurlijk, ongeveer 100 W. Ozon en CH4 doen daar nog eens een 9 Watt af, om ons tot 287 W te brengen. Laten we nu een ander spelletje spelen. We stellen alles terug op nul, behalve CO2 dat we op 10 ppm stellen. We zien weer het typische zwarte-lichaams stralingsdeel aan ongeveer 300 K, behalve daar waar de CO2 sterk absorbeert, en de "bodem van de absorptieput" raakt ongeveer de zwarte lichaamscurve van 240 K. Totaal vermogen is 378 W. Stel CO2 op 100 ppm nu. De put wordt dieper en breder, en het totale vermogen is nu 364 W. De bodem van de put raakt eerder de 220 K kurve. CO2 op 1000 ppm. Het effect is nu gewoon dat de put BREDER wordt, maar raakt nog steeds de 220 K kurve. 349 W CO2 op 10 000 ppm. Nog bredere put, maar nog steeds "rakende" aan 220 K. Dit lijkt dus de temperatuur te zijn waarop de CO2 zijn meest geabsorbeerde straling terug in de ruimte stuurt. Ongeveer - 53 graden. CO2 op 100 000 ppm. 305 W, de put wordt nog breder, en andere putten ontstaan, aan hogere "effectieve" temperaturen. CO2 op 900 000 ppm. Bijna zuivere CO2 atmosfeer. We zien vele putten, die vaak naar de 220 K curve gaan. 268 W. Natuurlijk is de temperatuurscurve hier niet meer correct, want de adiabatische eigenschappen van CO2 zijn lichtjes verschillend van die van zuurstof en stikstof, waardoor de troposferische temperatuursafhankelijkheid van de hoogte anders gaat zijn als CO2 dominant wordt (meer dan zeg maar 10% of zo). Het was gewoon maar om aan te tonen dat met hogere concentraties aan "broeikasgas", de effectieve temperatuur van uitzenden van de straling voor grotere en grotere delen van het spectrum, naar lagere waarden gaat (de temperatuur van de laag waar de straling inderdaad de ruimte kan bereiken). Uiteindelijk gaat dat rond de 220 K zijn, de temperatuur van de tropopause.