Er zijn de afgelopen tijd twee artikelen verschenen – beide open access – over de energiebalans van de aarde: “Earth’s Energy Imbalance” van Trenberth et al. in Journal of Climate en “Changes in global net radiative imbalance 1985–2012” van Allan et al. in Geophysical Research letters. Trenberth et al. kijkt vooral naar de veranderingen van de energie-inhoud van het klimaatsysteem en concentreert zich daarom grotendeels op het grootste energiereservoir: de oceaan (zie ter illustratie de afbeelding hieronder); Allen et al. richt zich meer op de inkomende en uitgaande stralingsstromen die uiteindelijk bepalen of de energie-inhoud van het klimaatsysteem toe- of afneemt.
Toename van energie in verschillende componenten van het klimaatsysteem volgens een eerder onderzoek (Hansen et al, 2011, (pdf))
Ik wilde al een hele tijd over die artikelen schrijven, maar dat lukte niet zo goed. De reden daarvoor: de onderzoeken zijn in wezen behoorlijk gecompliceerde puzzels; de enige manier om een beeld van de energiebalans te krijgen is het combineren van allerlei gegevens die op één of andere manier informatie geven. Dat is nodig omdat er maar heel weinig directe metingen van inkomende en uitgaande straling zijn. De ingewikkelde puzzels zijn niet goed samen te vatten: ofwel beschrijf je alle stukjes en schrijf je zo’n beetje het hele artikel over, ofwel beperk je je tot conclusies en wordt de blogpost niet veel langer dan een tweet. Of zelfs dat niet, want de conclusie van Trenberth bestaat uit een uitgebreid overzicht van wat er bekend is met welke onzekerheidsmarges en waar er nog gaten in de energieboekhouding zitten. Die gaten – door Trenberth ooit “missing energy” genoemd; een citaat dat in de blogosfeer sindsdien te onpas (en heel af en toe te pas) wordt aangehaald – worden geleidelijk aan kleiner, maar zijn nog niet helemaal gevuld. Vooral op een korte tijdschaal, ordegrootte een jaar, kunnen de verschillen tussen diverse typen metingen en berekeningen behoorlijk oplopen. Het voortschrijdend inzicht in de toenemende warmteinhoud van de oceanen, door het soort onderzoeken waar Bob en Jos onlangs over schreven, levert een belangrijke bijdrage aan het sluitend krijgen van een kant van de boekhouding: de kwantificering van de hoeveelheid warmte die accumuleert in het klimaatsysteem. De andere kant: het meten van in- en uitgaande straling is zo mogelijk nog lastiger.
Inkomende en uitgaande straling aan de rand van de atmosfeer zijn alleen met satellieten te meten. Satellietmetingen brengen altijd onzekerheden en complicaties met zich mee. Bijvoorbeeld omdat het onmogelijk is om af en toe iemand langs te sturen bij een satelliet om te controleren of er niet wat verloop zit in de meetapparatuur, of in de baan van de satelliet. Of omdat satellieten duur zijn en het aantal metingen daarom altijd tot een minimum beperkt blijft. Of omdat satellieten en de apparatuur aan boord meestal maar enkele decennia meegaan. Daarnaast zijn de gegevens nog maar voor relatief korte periodes beschikbaar. Gegevens die verder teruggaan in de tijd zijn afkomstig uit complexe reconstructies, met alle onzekerheden van dien.
Inkomende zonnestraling is nog relatief eenvoudig te meten. De intensiteit van de straling is op een bepaald moment overal in de bundel hetzelfde (de intensiteit van het binnenkomend zonlicht is op aarde natuurlijk niet overal gelijk, omdat de aarde rond is). De precieze afstand van een satelliet tot de aarde doet er ook niet zo veel toe, omdat die immers (relatief) niet zo veel uitmaakt voor de afstand tot de bron van de straling: de zon. De oriëntatie van de meetapparatuur ten opzichte van de zon moet natuurlijk wel goed zijn en verder is de apparatuur zelf nog een bron van onzekerheid. De intensiteit van zonnestraling wordt onder meer gemeten door de Total Irradiance Monitor (TIM) van het Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE) van NASA. De afbeelding hieronder geeft door TIM gemeten veranderingen in de intensiteit vanaf 2003, omgerekend naar stralingsforcering in het klimaat.
NASA’s Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) experiment kijkt naar de uitgaande straling. Men meet het gereflecteerde zonlicht en de totale uitgaande straling. Het verschil tussen deze twee is de uitgaande warmtestraling. Hier beginnen de complicaties pas echt. Voor wat betreft het gereflecteerde zonlicht is het nog een beetje te overzien: dit wordt vooral bepaald door eigenschappen van het oppervlak en bewolking. Eigenschappen van het oppervlak (bedekking met sneeuw en ijs, begroeiing, veranderend landgebruik) veranderen over het algemeen niet zo snel en zijn dus met een regelmatig passerende satelliet goed in kaart te brengen. Voor bewolking is dat wat minder het geval, maar ook dat is nog wel te overzien. Bovendien zijn er naast de speciaal voor CERES gebruikte apparatuur, nog tal van weersatellieten die bewolking in kaart brengen en dus behulpzaam kunnen zijn om een compleet beeld te krijgen.
De werkelijke complexiteit zit in het meten van het totaal aan uitgaande straling. Die varieert zo ongeveer van moment tot moment op elke plek op aarde afhankelijk van onder meer temperatuur en karakteristieken van het oppervlak en de atmosfeer (zoals luchtverontreiniging en bewolking). Dit leidt tot een grote onzekerheid in vooral de gemeten absolute waarde van de uitgaande energie. De veranderingen in de tijd die worden gemeten hebben een aanzienlijk kleinere onzekerheidsmarge.Meetgegevens van CERES zijn beschikbaar vanaf 2000. Vanaf 1985 werd de uitstraling met een veel lagere ruimtelijke resolutie gemeten door NASA’s Earth Radiation Budget Satellite.
Na wat piekeren leek het me wel een goed idee om de twee artikelen aan te grijpen als aanleiding om iets te schrijven over de beginselen van de energiebalans. Die energiebalans is immers waar het in wezen allemaal om draait, als het over het opwarmende klimaat gaat. Om een tipje van de sluier over de clou van de titel van dit stuk op te lichten: opwarming is eerst en vooral accumulatie van energie in het klimaatsysteem; een stijgende oppervlaktetemperatuur (gemiddeld, op lange termijn) is het gevolg. Dat wordt, zo valt me op, in het vuur van allerlei blogdiscussies nog wel eens over het hoofd gezien, niet in de laatste plaats door mezelf. Al schrijvende over de energiebalans, komen de verschillende belangrijke punten van Trenberth en Allan vanzelf voorbij.
Laten we bij het begin beginnen: de energiebalans van het klimaatsysteem kan gelijk gesteld worden aan de stralingsbalans. Er komt weliswaar ook wat energie binnen vanaf de aardkern, of via een incidentele meteorietinslag, en er ontsnapt wel eens een stukje atmosfeer aan de zwaartekracht van de aarde, maar die energiestromen zijn minuscuul vergeleken met wat de zon op ons afstraalt en met wat er via warmtestraling weer vanaf de aarde in het heelal verdwijnt. Zonlicht dat gereflecteerd wordt door wolken of door het aardoppervlak heeft geen invloed van betekenis op het klimaat en kan daarom buiten beschouwing blijven. De stralingsstromen die dan overblijven zijn:
- Geabsorbeerd zonlicht (Absorbed Solar Radiaton of ASR). Zonlicht wordt geabsorbeerd door landoppervlak, oceanen, planten en deeltjes in de atmosfeer. Dit alles zorgt voor de energie in het klimaatsysteem zit. De hoeveelheid geabsorbeerd zonlicht is niet te meten of op een andere manier direct te bepalen. Daarom komt het gereflecteerde zonlicht dat ik zo net heb weggegooid meteen via de achterdeur weer binnen: het geabsorbeerde zonlicht wordt bepaald door het verschil tussen de totale hoeveelheid binnenkomend zonlicht en het gereflecteerde zonlicht te berekenen.
- Uitgaande langgolvige straling, ofwel infrarode (IR) of warmtestraling (Outgoing Longwave Radiation of OLR). In deze vorm verlaat het geabsorbeerde zonlicht de aarde.
Schematische weergave van de stralingsbalans
Absorptie van zonlicht vindt vooral plaats aan het oppervlak. Dat betekent dat alle uitgaande warmte ook vanaf het oppervlak vertrekt. Een deel vertrekt als energie in een andere vorm (opstijgende warme lucht, waterdamp die elders condenseert) die elders in warmtestraling wordt omgezet, maar het meeste vangt de reis direct aan als straling. En daar komt, zoals bekend, het broeikaseffect in beeld: de atmosfeer is transparant voor zonlicht, maar niet voor warmtestraling; die wordt voor een aanzienlijk deel geabsorbeerd door broeikasgassen en vervolgens weer in alle richtingen uitgestraald. Ofwel: de straling komt onderweg naar de uitgang hindernissen tegen en wordt daardoor tot allerlei omwegen gedwongen, die nog meerdere keren langs het oppervlak kunnen lopen. Zo verhoogt het broeikaseffect de temperatuur.
Dat is de gangbare uitleg. Maar er is – dat is het mooie van natuurwetenschap – ook een andere manier om er naar te kijken, met de stralingsbalans als uitgangspunt. De afbeelding hierboven laat een stralingsbalans zien die in evenwicht is. Dat lijkt vreemd voor een blog waar we steeds weer vertellen dat er juist geen evenwicht is, waardoor de aarde opwarmt. Maar de disbalans bedraagt maar een fractie van de totale stralingsstroom. Die disbalans heeft op korte termijn helemaal geen invloed, pas over een lange periode is er iets van te merken. Wie niet thuis is in de natuurwetenschap zou zich af kunnen vragen of dat (bijna-)evenwicht toeval is. Nee, zoveel toeval bestaat niet. Als het alleen maar puur toeval zou zijn, zou dat betekenen dat een kleine verandering in de balans tot eeuwigdurende opwarming of afkoeling zou leiden. De natuur houdt niet van eeuwigdurende opwarming of afkoeling en daarom heeft de aarde een mechanisme gekregen om de balans te herstellen, als er iets verandert. Omdat het oppervlak de grootste ontvanger en uitzender van straling is, speelt het een hoofdrol in dat mechanisme.
Als de stralingsbalans verandert, past het oppervlak zich aan. Een bepalende factor is de belangrijkste en tegelijkertijd meest onbekende terugkoppeling, een negatieve terugkoppeling, in het klimaatsysteem: de Planck feedback. Of: de wet van Stefan-Boltzmann. (Ik vroeg me af waarom die feedback zo onbekend is. Ik vermoed dat dat komt omdat de meeste wetenschappers hem zo vanzelfsprekend vinden, dat ze het niet nodig vinden om hem expliciet te noemen. Zoals de zwaartekracht, of het feit dat de aarde rond is, ook zelden expliciet genoemd worden in een wetenschappelijke discussie.) Volgens Stefan-Boltzmann kan het aardoppervlak de energiebalans in evenwicht houden door zijn temperatuur aan te passen. Bij een hogere temperatuur straalt er meer warmte uit, bij een lagere temperatuur minder.
Eenvoudig rekenvoorbeeld: de temperatuur van het aardoppervlak zonder broeikaseffect
De intensiteit van zonnestraling is 1370 W/m2.
Omdat de aarde rond is, is de gemiddelde intensiteit aan het oppervlak een kwart hiervan: 342,5 W/m2.
30% van het zonlicht wordt gereflecteerd, en dus wordt 0,7 * 342,5 = 239,7 W/m2 geabsorbeerd.
Volgens Stefan-Boltzmann is de uitstraling gelijk aan een constante (5.67 x 10-8 W/m2/K4) maal de temperatuur tot de vierde macht.
Bij een temperatuur van 255 K (-18 °C) is de uitstraling dan gelijk aan de instraling.
Het broeikaseffect is niet de enige, maar wel veruit de belangrijkste factor die ervoor zorgt dat de temperatuur van het oppervlak afwijkt van deze berekende waarde. Een sterk vereenvoudigde benadering van het broeikaseffect is de verplaatsing van het uitstralende oppervlak naar de top van de atmosfeer. Die benadering komt uit op een gemiddelde temperatuur van zo’n 30 °C, aanzienlijk te hoog omdat er geen rekening wordt gehouden met de gedeeltelijke doorzichtigheid van de atmosfeer voor warmtestraling en met andere manieren (verdamping, convectie) waarop warmte wordt afgevoerd van het oppervlak.
Het MODTRAN model op de site van de University of Chicago simuleert de absorptie van infraroodstraling door verschillende broeikasgassen in de atmosfeer. Op de site van Dr Robert MacKay staat een een voudig model van de energiebalans (mogelijk wat lastig toegankelijk door de beveiligingsinstellingen van Java) dat de invloed van diverse factoren door kan rekenen.
De werkelijke gemiddelde temperatuur van het oppervlak ongeveer 15 °C. Het broeikaseffect is de belangrijkste complicerende factor bij het berekenen van de werkelijke stralingsbalans. Maar het principe verandert er niet door: uitstraling kan alleen toenemen door een stijgende temperatuur.
Zo hier en daar wordt wel eens beweerd dat er een of ander regelmechanisme, een thermostaat in het klimaatsysteem zou zijn die de temperatuur constant houdt bij veranderingen in de stralingsbalans. Ik denk dat er meer te zeggen is voor de stelling dat de temperatuur het regelmechanisme is dat de stralingsbalans in evenwicht houdt. Nou ja, eigenlijk is het verband tussen temperatuur een stralingsbalans een kip-of-ei kwestie.
Als twee factoren zo’n innige band hebben, is het te verwachten dat een verandering van de één onmiddellijk terug te zien is bij de ander. Dat gebeurt ook. Bij een stapsgewijze verandering van de energiebalans, zoals een grote vulkaanuitbarsting die stof (aerosolen) hoog in de atmosfeer brengt, reageert de temperatuur van het oppervlak direct. Vulkaanuitbarstingen, zoals die van de Pinatubo in 1991, zijn daarom bijzonder interessant studiemateriaal voor de klimaatwetenschap.
“Traagheid van het klimaatsysteem” wordt nogal eens aangevoerd om de huidige hoge wereldtemperatuur te koppelen aan gebeurtenissen uit het verleden. Meestal berust dat op een verkeerd begrip van die traagheid. Zoals de respons op vulkaanuitbarstingen laat zien, en zoals ook volgt uit de logica van de stralingsbalans, zit er geen vertraging in de eerste reactie van de temperatuur en het oppervlak op een verandering in de stralingsbalans. Wel kan het heel lang duren totdat er na zo’n verandering een evenwicht is. In die periode wordt de disbalans, en dus ook de snelheid van opwarming of afkoeling, steeds kleiner. Niet-lineaire feedbacks of kantelpunten in het klimaatsysteem zouden voor een ander verloop kunnen zorgen, maar het moet dan wel om ingrijpende veranderingen gaan, die hoogstwaarschijnlijk niet onopgemerkt plaats kunnen vinden.
De respons van het klimaat op een (stapsgewijze) verandering in de stralingsbalans (bron: Hansen et al., 2011)
Zoals bekend varieert de temperatuur van het oppervlak niet alleen door veranderingen in de stralingsbalans (ofwel forceringen). Er is ook interne variabiliteit. En daar wordt het wat verwarrend: als het oppervlak en de atmosfeer door interne variabiliteit opwarmen, neemt de uitstraling toe en verliest het klimaatsysteem dus energie. Bij een koud oppervlak gebeurt het omgekeerde. Als het oppervlak door natuurlijke variabiliteit opwarmt, zoals bij een El Niño koelt het klimaatsysteem dus af. En omgekeerd. De verklaring: de oceaan laat dan warmte los, die via de atmosfeer uiteindelijk uitstraalt naar het heelal.
De energiebalans van de aarde sinds 1985 volgens metingen en modelberekeningen (bron Allan et al., 2014)
De afbeelding hierboven geeft de stralingsbalans (in enigszins vereenvoudigde vorm, zonder onzekerheidsinterval; afkomstig uit een brochure (pdf) over het onderzoek), zoals die door Allan et al is bepaald via modellen en uit gecombineerde metingen. De resultaten bevestigen wat op basis van rechttoe rechtaan natuurwetenschap te verwachten is: er vindt accumulatie van warmte plaats door het toenemende broeikaseffect, de uitbarsting van Pinatubo zorgde voor afkoeling en warmteverlies, de relatieve hoge oppervlaktetemperaturen van een El Niño remmen de accumulatie van warmte af (zoals in 1998 en 2010) terwijl de lage temperatuur van een La Niña deze juist versnelt (zoals in 2008).
Volgens diezelfde eenvoudige natuurwetenschap is het te verwachten dat de opname van warmte in het klimaatsysteem ook versneld is als gevolg van de welbekende “hiatus”. Tenzij die hiatus volledig het gevolg zou zijn van stralingsforcering. Stralingsforcering, in de vorm van een lagere zonneactiviteit en een wat hogere vulkanische activiteit speelt een rol, maar wordt niet als de enige oorzaak van de beperkte temperatuurstijging in de afgelopen decennia gezien. De resultaten van Allan bevestigen dit: zij berekenen voor de periode 1985 – 1999 een lagere energieopname (0.34 ± 0.67 Wm−2) dan voor 2000 – 2012 (0.62 ± 0.43 Wm−2). De 90% onzekerheidsintervallen overlappen elkaar, en dus is te veel stelligheid over deze conclusie niet terecht. Daar staat tegenover dat de onzekerheid met name in de absolute waarde van de getallen zit, en minder in de onderlinge verschillen.
Het lijkt er dus op dat de opwarming sinds 2000 is versneld, ondanks de wat achterblijvende oppervlaktetemperatuur. Of misschien wel door de wat achterblijvende oppervlaktetemperatuur.
Klimaatverandering 
Hans,
“Zo hier en daar wordt wel eens beweerd dat er een of ander regelmechanisme, een thermostaat in het klimaatsysteem zou zijn die de temperatuur constant houdt bij veranderingen in de stralingsbalans. Ik denk dat er meer te zeggen is voor de stelling dat de temperatuur het regelmechanisme is dat de stralingsbalans in evenwicht houdt. Nou ja, eigenlijk is het verband tussen temperatuur en stralingsbalans een kip-of-ei kwestie.”
Lijkt me spijker op de kop! en een klassiek vraagstuk. De vraag is m.i. vervolgens welke van de twee invalshoeken op / doorsneden van het object ‘klimaatsysteem’ het meest toegankelijk is om nader inzicht te krijgen in de structuur-status en de functie van CO2 in dat systeem.
LikeLike
Vaak wordt gesproken over de “Control Knob”.
CO2 is de controle knop van de mens.
De natuur gebruikt de temperatuur (T) als controlemechanisme.
Verbazend is dat de mens de natuur overklast!
LikeLike
Hi Pieter en Goff,
Het lijkt me niet dat ‘de mens de natuur overklast’, de mens is immers onderdeel van de natuur.
Het feit dat bij een toenemend ‘broeikas-effect’ de atmosfeer opwarmt zodanig dat de uitgaande langgolvige warmtestraling weer in evenwicht komt met het binnenkomende kortgolvige zonlicht — staat bekend als de door Hans al genoemde ‘Planck feedback’.
Een beetje een grappige term omdat je bij het woord ‘feedback’ niet in eerste instantie denkt aan de stijgende temperatuur zelf. In feite is dit het hierboven genoemde “regelmechanisme, een thermostaat in het klimaatsysteem“, doordat de uitgaande warmtestraling evenredig is met T4 (Stefan-Boltzmann).
Een relatief kleine temperatuurverandering kan door die 4e macht betrekkelijk grote schommelingen in de radiatieve forcering opvangen. Het is de oorzaak dat een planeet niet zomaar op eigen houtje op gaat warmen of af gaat koelen — en dat er überhaupt een externe forcering nodig is om mondiale temperaturen beduidend te veranderen. Jos heeft eerder over de ‘Planck feedback’ geschreven, zoals hier:
https://klimaatverandering.wordpress.com/2014/10/14/verwarring-over-de-opwarming-van-de-oceanen/#comment-10578
https://klimaatverandering.wordpress.com/2014/01/05/licht-op-wolken-de-rol-van-bewolking-in-een-opwarmend-klimaat/#comment-7466
LikeLike
Heren,
“Zo hier en daar wordt wel eens beweerd dat er een of ander regelmechanisme, een thermostaat in het klimaatsysteem zou zijn die de temperatuur constant houdt bij veranderingen in de stralingsbalans. Ik denk dat er meer te zeggen is voor de stelling dat de temperatuur het regelmechanisme is dat de stralingsbalans in evenwicht houdt. Nou ja, eigenlijk is het verband tussen temperatuur en stralingsbalans een kip-of-ei kwestie.”
Ik hoop niet dat u dit serieus meent. Max draait zich om in zijn graf en wij worden langzaam gestoofd.
LikeLike
Fulco,
Ik leer graag bij. Leg me even uit wat er mis is met dat citaat, in plaats van er alleen een suggestieve opmerking over te maken.
LikeLike
Beste Fulco,
“Max draait zich om in zijn graf ..”
Het is wat dichterlijk en met behulp van analogieën omschreven door Hans, direct daarboven staat:
“Als de stralingsbalans verandert, past het oppervlak zich aan. Een bepalende factor is de belangrijkste en tegelijkertijd meest onbekende terugkoppeling, een negatieve terugkoppeling, in het klimaatsysteem: de Planck feedback. Of: de wet van Stefan-Boltzmann. (Ik vroeg me af waarom die feedback zo onbekend is. Ik vermoed dat dat komt omdat de meeste wetenschappers hem zo vanzelfsprekend vinden, dat ze het niet nodig vinden om hem expliciet te noemen. Zoals de zwaartekracht, of het feit dat de aarde rond is, ook zelden expliciet genoemd worden in een wetenschappelijke discussie.) Volgens Stefan-Boltzmann kan het aardoppervlak de energiebalans in evenwicht houden door zijn temperatuur aan te passen. Bij een hogere temperatuur straalt er meer warmte uit, bij een lagere temperatuur minder.”
Klopt als een bus, Max Planck kan geheel tevreden zijn.
Wat is daar onjuist aan?
LikeLike
Hans,
Temperatuur is een eigenschap, en kan noot een mechanisme zijn.
Blackbody radiation kan een mechanisme zijn met als resultaat een stralingsbalans. De aarde past zijn temperatuur niet aan, zij gaat hooguit meer of minder energie uitstralen.
De aarde zou op basis van de wet van Boltzman aan de buitenkant gemiddeld -15C zijn, dit is ergens tussen de 5km en 10km hoogte, echter de meeste energie kan in UV en zichtbaar licht bijna ongehinderd tot het oppervlak door dringen. CO2 maar ook water vertraagt de uittreding van warmte straling, hier door is er een temperatuur gradient in de atmosfeer aanwezig waardoor het bij het oppervlak warmer is, opmerkelijk is dat deze gradient voor de Aarde en Venus ongeveer gelijk is. Echter de atmosfeer van Venus is veel dikker en daardoor is het op het oppervlak evenredig veel warmer.
Water zorgt er voor dat de aarde door verdamping, convectie en condensatie grote hoeveelheden energie snel kan lozen in de ruimte en tevens de instraling van UV en zichtbaar licht kan temperen.
Dit is een soort thermostaat werking. Zonder dit effect zou het hier door de onbeperkte voorraad van van water heet en vochtig zijn en zou de invloed van CO2 verwaarloosbaar zijn.
LikeLike
Hans,
een vraag t.b.v. mijn klimatologische scholing.
Ik begrijp ‘Stralingsbalans’ als de som van zonne-energie-in en aardse-energie-uit. Dat lijkt me recht-toe-recht-aan een kwestie van in/out calculatie
‘Energiebalans’ is stralingsbalans + intern warmtetransport. Dat is een stuk minder recht-toe-recht. En ik snap inmiddels (dankzij je uitgebreide blogstuk!) dat T het mechanisme is dat de stralingbalans in evenwicht houdt.
Wat ik niet snap is hoe de energie die in het *transport* gaat zitten benoemd & verdisconteerd wordt in de analyse c.q. boekhouding van de energiebalans.
LikeLike
Beste Fulco,
Er staat in het stuk van Hans nergens dat “temperatuur een mechanisme is”. Hans omschrijft het mechanisme als: “de Planck feedback. Of: de wet van Stefan-Boltzmann”, en dat is correct.
Daarna zegt Hans: “Volgens Stefan-Boltzmann kan het aardoppervlak de energiebalans in evenwicht houden door zijn temperatuur aan te passen. Bij een hogere temperatuur straalt er meer warmte uit, bij een lagere temperatuur minder”, en die zin suggereert dat het aardoppervlak actief iets ‘doet’.
Het is een beeldspraak en die is inderdaad niet helemaal juist. Er accumuleert extra warmte in het klimaatsysteem doordat de uitgaande warmtestraling is afgenomen terwijl de binnenkomende warmtestraling gelijk is gebleven. Het accumuleren gaat door totdat de uitgaande en binnenkomende warmtestraling weer in evenwicht zijn.
“.. de meeste energie kan in UV en zichtbaar licht bijna ongehinderd tot het oppervlak door dringen.”
Nee, UV wordt grotendeels door ozon in de stratosfeer geabsorbeerd.
“.. CO2 maar ook water vertraagt de uittreding van warmte straling, hier door is er een temperatuur gradient in de atmosfeer aanwezig”
Nee, de negatieve ‘lapse rate’ in de troposfeer is het gevolg van adiabatische afkoeling van opstijgende lucht. Wat wél zo is, is dat zonder een broeikaseffect door o.a. waterdamp en CO2 de tropopauze zich aan het oppervlak zou bevinden — de temperatuurgradiënt zou dan juist positief zijn. Hans Custers heeft de ‘lapse rate’ en het convectieve warmtetransport hier al eens besproken:
https://klimaatverandering.wordpress.com/2013/04/13/hans-labohm-vindt-de-projecties-van-de-klimaatwetenschap-te-optimistisch/
LikeLike
@Fulco
– “De aarde past zijn temperatuur niet aan, zij gaat hooguit meer of minder energie uitstralen.”
Als de hoeveelheid energie-in gelijk blijft en de aarde gaat minder energie uitstralen, dan stijgt de temperatuur. En wat doen broeikasgassen: zij absorberen een gedeelte van de uitgaande straling, meer broeikasgassen is minder uitgaande straling.
– “..opmerkelijk is dat deze gradient voor de Aarde en Venus ongeveer gelijk is..”
Daar is niets ‘opmerkelijks’ aan, de gradiënt volgt gewoon uit de eerste wet van de thermodynamica:
http://atmos.nmsu.edu/education_and_outreach/encyclopedia/adiabatic_lapse_rate.htm
– “Dit is een soort thermostaat werking.”
De lapse rate (nat/droog) is een terugkoppeling (gemiddeld over de aarde negatief) en daar ‘kun je niet aan draaien’ zoals bij een thermostaat. Het ‘water-atmosfeer-thermostaat’ verhaal is derhalve nonsens.
Waar ‘je wel aan kunt draaien’ is aan de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer en vooralsnog is de mensheid vooral erg goed in het ‘omhoog draaien’ van die knop.
LikeLike
Goff,
Misschien heb je iets aan de uitleg van Trenberth zelf:
http://www.skepticalscience.com/Tracking_Earths_Energy.html
In dat plaatje van de stralingsbalans zitten bijv. twee zaken die met transport van energie te maken hebben: thermals en evatranspiration.
Of anders deze uitgebreide poster met uitleg:
http://science-edu.larc.nasa.gov/energy_budget/pdf/Energy_Budget_Poster_3.pdf
LikeLike
Goff,
Ik weet niet of ik je vraag helemaal goed begrijp, maar ik doe toch een eerste poging tot antwoord.
De energiebalans van de hele aarde is gelijk aan de stralingsbalans aan de top van de atmosfeer. Straling is namelijk de enige manier waarop de aarde energie uit kan wisselen met het heelal (de uitwisseling van materie is verwaarloosbaar).
Binnen het klimaatsysteem zelf zijn ook andere manieren van energieuitwisseling en -transport mogelijk, zoals convectie of evapotranspiratie. Aan het oppervlak is de stralingsbalans niet in evenwicht: een deel van de geabsorbeerde straling wordt op een andere manier overgedragen aan de atmosfeer. Die energie moet in de atmosfeer dan wel weer ergens in warmtestraling omgezet worden, om uiteindelijk weer uit het klimaatsysteem te kunnen verdwijnen.
LikeLike
Jos & Hans,
thanx, de kwestie is verhelderd.
Mijn vraag was ingeven doordat ik *transport* in het concept energietransport al te letterlijk opnam. Er wordt in feite niks getransporteerd, er is enkel omzetting, toestandsverandering. De term ‘transport’ lijkt me in die zin een nogal misleidende / mystificerende metafoor.
LikeLike
Goff,
De beweging van energie in, door en weer uit het klimaatsysteem zou je “transport” kunnen noemen. Ik dacht niet dat ik het woord gebruikt heb in mijn blogstuk, maar het zou wel gekund hebben. Gevoelsmatig past het woord energietransport voor mij meer bij convectie en evapotranspiratie (energie die meegenomen wordt door opstijgende lucht of verdamping en condensatie van water) dan bij straling (dat voelt wat meer aan als energie die zichzelf verplaatst), maar ik zou er nog eens goed over na moeten denken of dat taalkundig en natuurwetenschappelijk verantwoord is.
LikeLike
Hans en Jos,
de term transport’ vond ik in wikipedia
http://nl.wikipedia.org/wiki/Energiebalans_(aarde)
en niet in Hans’ blogtekst. Ik ben die term elders vaker tegengekomen in de context van energiebalans. Dat ik erover begon is geen semantische kwestie maar zoals gezegd een conceptuele verwarring mijnerzijds. Ik kan mijn verwarring nu wat beter onder woorden brengen:
Wat ik als analfabeet (nou ja, er zit schot in de scholing) erg lastig vind in het volgen van klimatologische argumentaties / analyses zijn twee dingen.
a) uit elkaar houden van de vormen van energie (kinetisch, thermisch, chemisch, etc.) die in de kimatologische energiebalans worden opgevoerd
b) tegelijkertijd de feedbacks tussen die energie-vormen te vatten.
Om razend van te worden maar ik laat me niet kisten.
LikeLike
Goff,
Deze afbeelding (ik neem ‘m nog maar een keer over) geeft de belangrijkste energiestromen.
Het gaat daarin in drie vormen van energie:
Straling
Thermische energie
Latente energie (de energie die nodig is om water te verdampen en die weer vrijkomt als waterdamp condenseert).
Absorptie van straling zet straling om in thermische energie, bij emissie van straling gebeurt het omgekeerde en de latente energie fietst daar een beetje tussendoor. Dat vat de kern van de zaak wel zo’n beetje samen.
LikeLike
Jos,
Als je de thermostaat beschouwd als een knop waaraan je kunt draaien dat heb je gelijk, ik bedoel hier echter wat anders mee.
LikeLike
Fulco,
Als je niet bedoelt wat je schrijft wat bedoel je dan?
LikeLike
Hans, Jos, Bob, dank voor de leestips.
Om een leidraad te hebben heb ik me op een tochtje door alle info geconcentreerd op kinetische energie. Trenberth in
http://www.skepticalscience.com/Tracking_Earths_Energy.html zegt er
weinig over behalve dat
“Some energy gets converted into motion as warm air rises and cold air sinks, and this creates winds and thus kinetic energy, which gets dissipated by friction. Over oceans the winds drive ocean currents.”
Daarover twee vragen:
– hoe veel is ‘some energy?’ De massale lucht- en waterbewegingen op aarde lijken intuïtief toch meer dan ‘some’ te impliceren. Anders gezegd: hoe groot is de component ‘kinetische energie’ in de boekhouding van het klimaatsysteem?
– is er iets bekend over de (in)significantie van toe/afname van kinetische energie voor de toe/afname van de globale temp? Meer in het bijzonder: speelt toename van de component kinetische energie een significante rol in het compartiment ‘oceanen’ (en waar de ‘missing heat’ van de hiatus zit)?
N.b. Los van een inhoudelijk antwoord interesseert me eigenlijk meer of mijn vragen zinvol zijn en waar ik evt. denkfouten maak.
LikeLike
Hi Goff,
Heel zinvolle vragen, lijkt me, ook om het mentale model dat we hanteren van het klimaatsysteem wat verder in te vullen.
Kinetische energie zit o.a. in wind, getijden en oceaanstromingen als grootschalige verplaatsingen van massa maar ook in turbulentie zoals in de roterende ‘ocean eddys’. Wel dissipeert het door wrijving uiteindelijk weer tot ‘sensible heat’, thermische energie, en het speelt binnenin het klimaatsysteem een belangrijke rol bij het transport van energie. De energiebalans komt tot stand tussen het binnenkomend kortgolvig zonlicht en de uitgaande langgolvige warmtestraling en daar speelt kinetische energie geen rol.
Er wordt energie omgezet tussen o.a.:
binnenkomende kortgolvige straling -> sensible heat -> potentiële energie in druk-gradiënten -> kinetische energie in wind -> kinetische energie in oceaanstromingen -> sensible heat -> uitgaande warmtestraling.
Dit is een ‘heat engine’, zie: http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_engine
Het weer wordt aangedreven door deze ‘heat engine’ en dan vooral door het temperatuurverschil tussen de evenaar en de polen. Dat is een ‘heat engine’ die thermische energie — door het temperatuurverschil tussen de warme evenaar en de koude polen — deels omzet in kinetische energie, die uiteindelijk door wrijving weer dissipeert naar thermische energie, warmte. Die kinetische energie zie je o.a. in de Hadley-circulatie:
Voor zover ik weet wordt de hoeveelheid kinetische energie in het klimaatsysteem begrensd door de Carnot-cyclus. Aangezien de temperatuurverschillen op aarde betrekkelijk klein zijn, gok ik dat kinetische energie misschien 3% á 5% van de totale energie-inhoud van het klimaatsysteem uitmaakt.
LikeLike
Goff, dan deze vraag:
Volgens mij zal door de klimaatverandering het temperatuurverschil tussen de evenaar en de polen afnemen. Het betekent dat de efficiency van de ‘heat engine’ tussen evenaar en polen daalt:
http://nl.wikipedia.org/wiki/Carnotproces
Dus de kinetische energie zal dan juist een kleiner percentage van de totale interne energie van het klimaatsysteem uit gaan maken. Dat merken we nu mogelijk al aan een trager wordende straalstroom op het noordelijk halfrond — zoals hier al vaker besproken. Zie het filmpje van prof. Jennifer Francis:
LikeLike
Bob,
je stelde:
“De energiebalans komt tot stand tussen het binnenkomend kortgolvig zonlicht en de uitgaande langgolvige warmtestraling en daar speelt kinetische energie geen rol.”
Het aanwijzend voornaamwoord ‘daar’ is ambigue. Voor alle duidelijkheid: ik neem aan dat je bedoelt dat in de boekhouding van de stralingsbalans de kinetische energie irrelevant is?
Op je opmerking over ‘het mentale model’ kom ik terug.
LikeLike
Hi Goff,
Ja, met ‘daar’ bedoel ik de energiebalans van het klimaatsysteem.
Aangezien er bijna geen massa met het heelal wordt uitgewisseld (behalve een heel langzaam verlies van moleculaire waterstof en minieme massa’s aan meteorieten en zonnewind), wordt er ook bijna geen kinetische energie uitgewisseld.
LikeLike
Ciao Bob,
“Volgens mij zal door de klimaatverandering het temperatuurverschil tussen de evenaar en de polen afnemen. Het betekent dat de efficiency van de ‘heat engine’ tussen evenaar en polen daalt […en] de kinetische energie zal dan juist een kleiner percentage van de totale interne energie van het klimaatsysteem uit gaan maken. Dat merken we nu mogelijk al aan een trager wordende straalstroom op het noordelijk halfrond ..etc..”
Aangenomen dat het percentage ‘kinetisch’ in de energiebalans inderdaad kleiner wordt, dan moet die vermindering elders in de balans tot vermeerdering leiden. Nog afgezien van de mogelijkheid dat *vermindering* van kwantiteit van een (1) systeemcomponent onvermijdelijk leidt tot verandering (bijv. feedbacks) in de dynamiek (niet de balans) van het systeem.
Iets anders: je had het over het ‘mentale model’ dat we van het klimaatsysteem hebben. Ik leg een paar vuile gedachten in de week om ooit een keer gewassen te worden:
– de alledaagse basis van ‘klimaat’ is het complex van gebeurtenissen die iedereen, waar hij zich ook bevindt, kan waarnemen als hij daar levenslang blijft waarnemen: seizoenen, oceaangedrag, (on)regelmatigheid van windrichtingen en neerslag, etc.. Kortom, dit is de fenomenologische basis van het concept ‘klimaat’- en die is eeuwenoud.
– de natuurkunde verschaft met haar wetten&formules inzicht in de relaties tussen bovengenoemde fenomen. Die relaties zijn onmogelijk fenomenologisch waarneembaar, enkel voorstelbaal en/of experimenteel vast te stellen.
– de klimatologie is ’n ietwat rommelig raakvlak tussen up to date natuurkunde en eeuwenoude fenomenologie.
Illustrerende anecdote: mijn buren hier op het Pugliese platteland (generaties lang autonome keuterboeren) hebben net als ik drastische verschuivingen geconstateerd in temp- en neerslagpatronen afgelopen 15 jaar. Natuurkundig snappen zij minder dan ik van de redenen. Maar geen van hen twijfelt aan de antropogene factor in die verschuivingen. Een van hen merkte op: “Misschien hebben we wel een nieuw soort wind gemaakt en een andere eruitgeblazen.” Daarmee zinspelend op de relevantie van de traditionele windroos die essentieel is voor de fruit- en olijfoogst.
LikeLike
Hi Goff,
“Aangenomen dat het percentage ‘kinetisch’ in de energiebalans inderdaad kleiner wordt, dan …”
Het gaat dan niet om het aandeel in de energiebalans aan de top van de atmosfeer, maar om het aandeel kinetische energie binnenin het klimaatsysteem.
“.. dan moet die vermindering elders in de balans tot vermeerdering leiden”
Ehh… Dat is eerder de oorzaak van een kleiner percentage (!) kinetische energie in de totale energie-inhoud van het klimaatsysteem. Er gaat meer warmte zitten in de dampkring op hogere breedtegraden doordat die sneller opwarmt dan gemiddeld. Daardoor neemt de temperatuurgradiënt tussen de tropen en de polen af, waardoor er minder van de thermische energie omgezet wordt in kinetische energie.
Maar daar houdt mijn begrip ongeveer op. 🙂
Een tijdje geleden waarschuwde Gavin Schmidt op Twitter voor dergelijk ’simpele’ redeneringen. Hij zei dat kinetische energie in de atmosfeer zich vooral op kilometers hoogte bevindt en dat je niet zomaar de temperatuurverandering aan het oppervlak als uitgangspunt kan nemen hiervoor. Het is één van de redenen waarom de General Circulation Models in weer- en klimaatsimulaties belangrijk zijn.
LikeLike
Goff, Bob,
Het lijkt me wel belangrijk om nog eens te benadrukken dat de (directe) rol van kinetische energie in de stralingsbalans vrij beperkt is. Ergens ontstaat stroming: daar wordt thermische energie omgezet in kinetische energie en elders, waar de stroming afremt, wordt die kinetische energie weer omgezet in thermische energie. Dat is verplaatsing van energie. Maar de hoeveelheid thermische en (soms) latente energie die door zulke stromingen wordt getransporteerd is veel groter.
Ofwel: de hoeveelheid kinetische energie in het klimaatsysteem beïnvloedt hoeveel thermische energie en waterdamp er wordt getransporteerd en daarmee mogelijk de energiebalans. Overigens: mijn inschatting is dat veruit de meeste kinetische energie in het klimaatsysteem in de oceanen zit, en daarna in horizontale luchtstromingen. Dat zou dan weer inhouden dat veranderingen vooral invloed (kunnen) hebben op de verdeling van warmte over het aardoppervlak, en minder op in- en uitgaande warmte (al staan die twee niet helemaal los van elkaar).
Hoe dan ook: in eerste benadering denk ik dat je kinetische energie kan zien als een fractie van de convectie (“thermals” in de afbeelding van enkele reacties hierboven).
LikeLike
Hans,
“Latente energie (de energie die nodig is om water te verdampen en die weer vrijkomt als waterdamp condenseert).”
Stopt het dan Hans?
Dan gaat de neerslag vallen (wrijvingsenergie).
En als de neerslag op de grond neerslaat komt er natuurlijk ook veel energie vrij.
Ook zal de neerslag weer terugstromen naar zee (wrijvingsenergie)
LikeLike
Gerben, dit stuk behandelt de stralingsbalans op hoofdlijnen. De zaken die jij noemt hebben geen of een marginale invloed op de stralingsbalans. Er was dus geen reden om ze in dit stuk mee te nemen.
LikeLike
Gerben, getallen graag.
LikeLike
Hans,
“Gerben, dit stuk behandelt de stralingsbalans op hoofdlijnen.”
Precies, daarom hielp ik je ook.
cRR,
“Gerben, getallen graag.”
Er valt elke minuut een miljard ton neerslag op aarde. Dat wordt hier afgedaan als marginaal. Ik denk dat Hans de valsnelheid is vergeten te kwadrateren.
Er valt jaarlijks vele malen meer neerslag dan er waterdamp in de atmosfeer zit. Toch doet de natuurkunde (conventionele broeikastheorie) niets met de energie die door neerslag gegenereerd wordt.
LikeLike
Beste Gerben,
“Toch doet de natuurkunde (conventionele broeikastheorie) niets met de energie die door neerslag gegenereerd wordt.”
Daar vergis je je lelijk in. De General Circulation Models werken nou juist op basis van convectie in de atmosfeer — dát is wat er gesimuleerd wordt, net zoals in de weermodellen. Neerslag zit gewoon in de modellen, zie bijvoorbeeld:
Klik om toegang te krijgen tot Tost-3.pdf
En de “energie die door neerslag gegenereerd wordt” is potentiële energie (‘latent heat’) die er eerst ingestopt is door de verdamping van water aan het oppervlak.
Waar Hans Custers het echter over heeft is de stralingsbalans — de enige manier waarop het klimaatsysteem energie uit kan wisselen met heelal. In de ruimte buiten onze atmosfeer regent het namelijk niet…
LikeLike
Gerben,
Je maakt van een mug een olifant. De kinetische energie van neerslag, die uiteindelijk weer in warmte wordt omgezet is in minuscule fractie van wat er op elk moment aan zonlicht binnenkomt en aan warmtestraling weer uit gaat. Totaal irrelevant voor de stralingsbalans op hoofdlijnen.
Er zijn nog tientallen andere energiestromen te verzinnen waar een fractie van het zonlicht in gaat zitten. Denk alleen de energie die door fotosynthese chemisch wordt vastgelegd en vervolgens op allerlei manieren weer in warmte wordt omgezet: natuurbranden, lichaamswarmte van warmbloedige dieren, wrijvingsenergie van vliegende vogels en insecten, enzovoort.
Als ik al die bijzaken, die in totaal slechts een fractie bijdragen, meegenomen had in dit stuk zou het enige resultaat zijn dat het onleesbaar zou zijn geworden. Terwijl het niets relevants toe zou voegen over de stralingsbalans.
LikeLike
Hans, Bob
ik begon over het aandeel / de rol van kinetische energie in de balans en het is me inmiddels heel duidelijk. Dank voor de toelichtingen.
LikeLike
“Je maakt van een mug een olifant. De kinetische energie van neerslag, die uiteindelijk weer in warmte wordt omgezet is in minuscule fractie van wat er op elk moment aan zonlicht binnenkomt en aan warmtestraling weer uit gaat.”
Daarom wou ik getallen van Gerben zien. Die verhouding is niet zo lastig te berekenen, immers.
LikeLike
Remko, reken eens voor – voor mij als student.
LikeLike
Goff,
Ik was het net even met een natte vinger aan het uitrekenen. De simpelste route om er te komen is via de potentiële gravitatie-energie (energie als gevolg van de zwaartekracht). Als een druppel begint te vallen wordt die energie omgezet in kinetische energie, die op zijn beurt weer dissipeert tot warmte.
De potentiële gravitatie-energie is gelijk aan: massa*valversnelling*hoogte.
Voor het gemak ga ik uit van:
Gemiddelde neerslag per jaar wereldwijd: 1 meter, ofwel 1000 kg/m2
Valversnelling: 10 m/s2
Hoogte waar de druppel vertrekt: 10 km (in werkelijkheid is het meestal aanzienlijk lager, meen ik)
Om op W/m2 uit te komen moet die hoeveelheid energie per jaar nog gedeeld worden door het aantal seconden in een jaar, Dan kom ik (als ik alles goed doe) uit op 3 W/m2, minder dan 1% van de binnenkomende zonnestraling (maar, zo moet ik bekennen) wel iets meer dan ik had gedacht.
Belangrijker is overigens nog dat ook op regendruppels de wet van behoud van energie van toepassing is. De potentiële gravitatie-energie van een regendruppel ontstaat niet uit het niets. Uiteindelijk begint ook die als zonne-energie die aan het oppervlak geabsorbeerd wordt. Door te vallen en daarbij energie te dissiperen draagt de druppel een beetje van die geabsorbeerde zonne-energie over aan de atmosfeer en brengt hij een ander deel terug naar het oppervlak. Neerslag genereert geen energie uit niets.
LikeLike
HI Hans,
Je zit heel aardig in de buurt met de 3 W/m², hoewel de neerslag gemiddeld van veel lager komt dan 10 km hoogte. De potentiële energie komt niet alleen vrij wanneer de waterdruppel de grond raakt maar ook door wrijving in de atmosfeer.
De valsnelheid van een regendruppel loopt op tot ca. 9 á 13 m/s (ca. 36 km/u) en daarna wordt alle overige potentiële energie door wrijving omgezet in turbulentie en warmte in de dampkring.
Isaac Held en Olivier Paulius hebben er dit over gepubliceerd:
Klik om toegang te krijgen tot Pauluis_Balaji_Held_2000.pdf
Zij geven ook aan hoe dit in de GFDL modellen werkt. Net als jij, Hans, komen zij op 2 á 4 W/m². Niet slecht, Isaac Held naar de kroon te steken. 😉
LikeLike
Hans,
“Belangrijker is overigens nog dat ook op regendruppels de wet van behoud van energie van toepassing is.”
Waarom is die wet van toepassing? Leven we in een geisoleerd systeem? Je schrijft zelf dat er energie naar het heelal uitgestraald wordt. Verklaar je nader over dat geisoleerd systeem?
LikeLike
Bob,
“De valsnelheid van een regendruppel loopt op tot ca. 9 á 13 m/s (ca. 36 km/u) en daarna wordt alle overige potentiële energie door wrijving omgezet in turbulentie en warmte in de dampkring.”
Bob, ben jij op de hoogte wat er valt? Is het de regendruppel/sneeuwvlok alleen die er valt?
Ben er al ruim 35 jaar van overtuigd dat wat men het “goedje conventionele broeikasgassen/effect” noemt voldoende is voor de temperatuur op aarde.
LikeLike
Excuus, dat moet natuurlijk niet voldoende zijn.
LikeLike
Beste Gerben,
De wet van behoud van energie geldt overal. De latente warmte die in de opstijgende waterdamp gestopt wordt, komt weer vrij bij condensatie. Hans Custers heeft eerder al geschreven over de invloed die het heeft op de lapse rate — de lapse rate feedback:
Hans Labohm vindt de projecties van de klimaatwetenschap te optimistisch
Lees daar vooral verder. En waar slaat dit op:
Bij mijn weten is het broeikaseffect geen ‘goedje’. Wellicht kan je je o.a. eens in het schema gaan verdiepen dat Hans hierboven al heeft opgenomen:
LikeLike
Gerben,
Ik heb nergens beweerd dat er sprake is van een geïsoleerd systeem. Integendeel, in diezelfde alinea stond: “Uiteindelijk begint ook die als zonne-energie die aan het oppervlak geabsorbeerd wordt.”
Misschien kun je nog even ingaan op mijn berekening. Zit die in de buurt, denk je?
LikeLike
Hans,
“Ik heb nergens beweerd dat er sprake is van een geïsoleerd systeem”.
Maar de wet behoud van energie is gebaseerd op een geisoleerd systeem!
Bob,
“Bij mijn weten is het broeikaseffect geen ‘goedje’.”
Ach, zo noem ik dat gekscherend. “Dat goedje” is niet voldoende om de aarde op deze temperatuur te houden als de aarde door het ijskoude heelal raast. Er moet sowieso ergens meer energie vandaan komen/genereren.
Bob,
“De wet van behoud van energie geldt overal.”
Precies, in het gehele heelal en niet zoals de wet behoud van energie dat voorschrijft.
LikeLike
Bob,
“Ik vroeg:Bob, ben jij op de hoogte wat er valt?”
?
LikeLike
Maar de wet behoud van energie is gebaseerd op een geisoleerd systeem!
Nonsens. Ik noemde de energiebron van het klimaatsysteem expliciet in de zin die ik in mijn vorige reactie nog maar een keer aanhaalde: de zon. Die energiebron verklaart wat er gebeurt, er ontstaan ook in het niet-adiabatische klimaatsysteem geen energie uit het niets.
Herhaalde vraag: Misschien kun je nog even ingaan op mijn berekening. Zit die in de buurt, denk je?
LikeLike
Beste Gerben,
“Maar de wet behoud van energie is gebaseerd op een geisoleerd systeem!”
Zon en aarde vormen samen het geïsoleerde systeem. De toename van de inwendige energie = hoeveelheid toegevoerde energie uit de omgeving – aan omgeving afgestane energie (via de grens van het systeem, de ‘system boundary’).
“.. is niet voldoende om de aarde op deze temperatuur te houden als de aarde door het ijskoude heelal raast. Er moet sowieso ergens meer energie vandaan komen/genereren.”
De energie komt van het zonlicht. Beantwoord liever de vraag waar het jou om ging: hoeveel energie er via neerslag als warmte gedissipeerd wordt in de dampkring.
LikeLike
Bob,
“Zon en aarde vormen samen het geïsoleerde systeem.”
Natuurlijk en de de rest van het heelal laten we buiten beschouwing.
Welke natuurkundige heeft dat ooit beweerd?
Bob, nogmaals de vraag. Wat valt er? Ik zal je meer mogelijkheden geven.
Valt alleen de druppel/vlok of valt de aarde misschien ook?
LikeLike
Gerben,
Zou je, in plaats van in raadseltjes over onbeduidende bijzaken te spreken, gewoon eens helder je punt willen maken? Bijvoorbeeld door antwoord te geven op de vraag die ik je al twee keer heb gesteld: Misschien kun je nog even ingaan op mijn berekening. Zit die in de buurt, denk je?
Ik probeer de wetenschap op dit gebied nog wel eens voor je samen te vatten. Evapotranspiratie voert zo’n 78 W/m2 energie af van het aardoppervlak naar hoger in de atmosfeer. Een klein deel van die energie wordt omgezet in kinetische energie van regeldruppels, die op zijn beurt weer dissipeert in warmte in de atmosfeer (waar die warmte eerst al zat als latente warmte) en aan het oppervlak (waar de warmte oorspronkelijk vandaan kwam). Effect op de stralingsbalans: nagenoeg nihil.
LikeLike
Gerben,
je manoeuvreert naar argumentatie uit het ongerijmde. Ook al zou de aarde vallen, zoals je dichterlijk suggereert, wat heeft het met de door ons calculeerbare stralingsbalans van doen?
LikeLike
Hans,
“Bijvoorbeeld door antwoord te geven op de vraag die ik je al twee keer heb gesteld: Misschien kun je nog even ingaan op mijn berekening. Zit die in de buurt, denk je?”
Is verkeerd. Valhoogte moet in meters. De aarde valt ook! Wat doe je daar mee? Probeer het nog eens.
Bob,
“Zon en aarde vormen samen het geïsoleerde systeem.”
Mag ik daarvan de bron Bob? Vandaag vaak aan moeten denken waar je dat nou toch vandaan hebt! Bijzonder hoor.
LikeLike
Gerben,
Natuurlijk heb ik het in meters uitgerekend. Reken het gewoon even na, voor je begint te trollen. “De aarde valt ook” is irrelevante nonsens.
LikeLike
Hans,
“Ik heb nergens beweerd dat er sprake is van een geïsoleerd systeem.”
En wat doe je met het bovenstaande? Ook een zeer opmerkelijke uitspraak. Had je niet door dat als je over de wet van behoud van energie spreekt dat je dan ook tegelijkertijd over een gesloten systeem spreekt?
LikeLike
Zucht, had ik al uitgelegd: ook in een niet-adiabatisch of ontstaat geen energie uit het niets.
LikeLike
Hans,
“Natuurlijk heb ik het in meters uitgerekend. Reken het gewoon even na, voor je begint te trollen. “De aarde valt ook” is irrelevante nonsens.”
Ik trol niet want de aarde valt wel degelijk ook naar de druppel. Maar we laten de aarde maar even links liggen en terug naar het sommetje.
Als je het in meters hebt gerekend dan heb je het tot zover goed gedaan. Maar we zijn er nog niet. “Ons” sommetje is onvolledig.
Belangrijk als iets bots is natuurlijk de remweg want daar gaat het uiteindelijk over.
Wat is de remweg van een druppel als de druppel de aarde raakt?
LikeLike
Gerben,
Je snapt net zo goed als ik dat de valsnelheid van de aarde naar de druppel verwaarloosbaar is. Dus als je daarover begint ben je aan het trollen. Los nog van het feit dat het onzin is (overal rond de aarde hangen op een bepaald moment vallende druppels, de massaverdeling van de atmosfeer blijft dus nagenoeg gelijk).
Remweg is irrelevant. Het blijft potentiële gravitatienergie die onderweg omgezet wordt in warmte. De druppel haalt niet onderweg nog ergens anders energie vandaan. En daarmee is alles gezegd over het onderwerp.
LikeLike
Hans,
“Je snapt net zo goed als ik dat de valsnelheid van de aarde naar de druppel verwaarloosbaar is.”
Ben ik met je eens dit keer. Maar de massa van de aarde is niet irrelevant!
“Remweg is irrelevant.”
Als ik een steen op beton of een kussen laat vallen is er wel degelijk een verschil. Ik van de remwegformule en bovenstaande formule 1 formule voor je gemaakt. Houd je goed vast en schrik niet van de uitkomst.
10 x massa x valhoogte : remweg= ?
LikeLike
Excuus en niet geheel onbelangrijk. Remweg moet in meters.
LikeLike
@Gerben
Je druppeltjes gezever gaat helemaal nergens over. Heb je ook iets over het klimaat te melden of de stralingsbalans?
LikeLike
Gerben,
We hebben ruim voldoende geprobeerd duidelijk te maken waarom je theorie onzin is: regendruppels creëren geen energie uit het niets. Het staat je vrij om in die onzin te blijven geloven, maar val ons er niet meer mee lastig. Duidelijk?
LikeLike
Beste Hans,
“Ik probeer de wetenschap op dit gebied nog wel eens voor je samen te vatten. Evapotranspiratie voert zo’n 78 W/m2 energie af van het aardoppervlak naar hoger in de atmosfeer. Een klein deel van die energie wordt omgezet in kinetische energie van regeldruppels, die op zijn beurt weer dissipeert in warmte in de atmosfeer (waar die warmte eerst al zat als latente warmte) en aan het oppervlak (waar de warmte oorspronkelijk vandaan kwam). Effect op de stralingsbalans: nagenoeg nihil.”
Lijkt me niet. Alle energie (78 W/m2) wordt omgezet in condensatiewarmte.
Of je nu een liter water op 1 m hoogte of 10 km hoogte condenseert de hoeveelheid vrijgekomen warmte blijft gelijk. Echter voor de gravitatie-energie van de gevormde neerslag maakt dat wel groot verschil. Die energievorm is dus extra.
“We hebben ruim voldoende geprobeerd duidelijk te maken waarom je theorie onzin is: regendruppels creëren geen energie uit het niets.”
Hydrometeoren ‘creëeren’ wel energie uit het ‘niets’. Dan is die 3 W/m2 niet mals. Maar dit is overigens een schromelijke overschatting. Ik heb hier wel eens aan zitten rekenen. Deze zwaarte-energie, inclusief bliksem, en de overige additionele energievormen (kinetische energie, fotosynthese, geothermische warmte) zijn verwaarloosbaar t.o.v. de stralingsenergie.
LikeLike
Eerst reageert ene ‘Gerben van den Oetelaar’ en omdat een serieus antwoord van zijn kant uitblijft, blokkeren we zijn repetitieve onzin. Dan verandert hij zijn naampje naar ‘Herman’ en probeert het nogmaals, vervolgens gaat hij weer ‘Victor’ heten en zet hij zijn getrol voort.
Gerben/Herman/Victor,
— “Of je nu een liter water op 1 m hoogte of 10 km hoogte condenseert de hoeveelheid vrijgekomen warmte blijft gelijk. Echter voor de gravitatie-energie van de gevormde neerslag maakt dat wel groot verschil. Die energievorm is dus extra.”
Extra? Hoe denk jij dat waterdamp op 10 km hoogte komt, teleporteert het zichzelf soms omhoog?
Alle gravitationele energie die er in opstijgende luchtmassa’s gestopt wordt is het gevolg van convectie — lucht warmt op nabij het aardoppervlak juist als gevolg van het binnenkomend zonlicht, de lucht expandeert en door hydrostatische krachten (wet van Archimedes) gaat zij stijgen. Waterdamp wordt meegevoerd met deze convectie. Tegelijkertijd dalen er elders koelere luchtmassa’s.
— “Die energievorm is dus extra.”
Al deze gravitationele energie is er eerst, dichter bij het oppervlak, ingestopt juist door de stralingsbalans (binnenkomend kortgolvig zonlicht minus uitgaande langgolvige warmtestraling).
Er is dus niks ‘extra’ aan, convectie verplaatst latente warmte van dichtbij het oppervlak naar enkele kilometers hoger.
Dit is je in het bovenstaande draadje uit 2014 al meermaals uitgelegd in uiteenlopende bewoordingen. Aangezien jouw ‘energie uit niets’ dus niet door neerslag ‘gegenereerd’ wordt (het Perpetuum Mobile van Van Den Oetelaar) ga jij dan maar over iets heel anders bazelen: ‘hydrometeoren’.
LikeLike
Bob,
Grappig/merkwaardig dat je meent dat ik Gerben ben en trol onder een andere naam. Niets is minder waar.
Nee, ik vroeg me dit al eerder af en toevallig kwam ik deze discussie tegen (die kennelijk nogal ontspoord is). Laat ik het dan open houden in plaats van stellingname.
Het kost weinig energie om waterdamp naar grote hoogte te transporteren. Integendeel, vochtige lucht heeft een lagere dichtheid dan droge lucht bij dezelfde temperatuur en stijgt vanzelf, indien de lapse rate dat toestaat.
Nadat de waterdamp omgezet in neerslag bevat het potentiële gravitatie energie. Dit is merkwaardig. Ik denk dat het een kwestie van entropie is.
P.S. In het door jou gelinkte artikel van Isaac Held en Olivier Paulius wordt ook gewoon over hydrometeoren gesproken.
LikeLike
Victor,
Hoe het ook zit, het staat als een paal boven water dat de wet van behoud van energie ook hier geldig is.
In je eerste reactie zeg je dat de condensatiewarmte onafhankelijk is van de hoogte. Je ziet daarbij over het hoofd dat temperatuur en druk afnemen met de hoogte en dat dat de condensatiewarmte beïnvloedt. De aaname dat deze constant is is dus incorrect.
Het is nog niet zo simpel om het helemaal correct te beredeneren of te berekenen, maar volgens mij zit de crux ‘m wel in de volume- en temperatuurveranderingen die optreden bij het opstijgen van waterdamp (in lucht). Ik waag me daar dus maar niet aan…
Wel weet ik dat waterdruppeltjes in wolken gemiddeld een stuk kouder zijn dan water aan het aardoppervlak. Een watermolecuul dat aan het oppervlak verdampt en hoog in de atmosfeer weer condenseert raakt in dat proces dus thermische energie kwijt. Een stukje van die energie moet in het proces van verdamping –> opstijging met expansie en afkoeling –> condensatie omgezet worden in potentiële energie. Een ander deel wordt uitgestraald naar het heelal. Zo helpt evapotranspiratie warmte af te voeren uit het klimaatsysteem.
LikeLike
Gerben/Herman/Victor,
Niet alleen lieg je over je identiteit, maar dan volgen er de bekende onzinnigheden:
— “Het kost weinig energie om waterdamp naar grote hoogte te transporteren. Integendeel, vochtige lucht heeft een lagere dichtheid dan droge lucht bij dezelfde temperatuur en stijgt vanzelf, indien de lapse rate dat toestaat.”
Of het ‘weinig energie’ zou kosten of niet, het is de energie die er éérst ingestopt wordt om de waterdamp omhoog te brengen die daarna weer dissipeert bij het vallen van de regendruppels en ijsdeeltjes — de ‘frictional dissipation’ uit de publicatie van Pauluis et al: ”Equivalently, the work performed by moist convection is used primarily to lift water rather than generate kinetic energy of the convective airflow.”
— “Nadat de waterdamp omgezet in neerslag bevat het potentiële gravitatie energie. Dit is merkwaardig.”
Dat is allerminst merkwaardig. Het is de potentiële energie die er eerst ingestopt is door de atmosferische circulatie: convectie die op gang gebracht wordt door opwarming van lucht nabij het oppervlak en die vochtige lucht meevoert (de ‘thermals’ in figuur 3 van het bovenstaande blogstuk). Pauluis:
“The amount of energy dissipated during precipitation is equal to the potential energy imparted to the water during its uplift by the atmospheric circulation.”
LikeLike
Hans,
Dank voor je reactie.
Verandering van verdampingswarmte met temperatuur en druk had ik al mijn achterhoofd. Wellicht dat daar de crux ligt. Druk en temperatuurverandering met de hoogte hangen samen met de gravitatieconstante evenals de bij neerslag.
LikeLike