Had Fourier ongelijk, een poging tot eerherstel

Doel van mijn onderzoek is het herhalen van het experiment dat Joseph Fourier ca 200 jaar geleden uitvoerde. Hij wilde niet alleen de gemiddelde temperatuur van het aardoppervlak bepalen, maar ook proberen te verklaren vanuit de theorie, hetgeen een belangrijke doelstelling is van wetenschappelijk onderzoek. Het experiment mislukte destijds. Het gevolg hiervan is dat Joseph Fourier hierdoor geldt als de ontdekker van het broeikaseffect, een theorie voort gekomen uit noodzaak. Hij was een groot geleerde op tal van disciplines en was ook een pionier in de klimaatwetenschap.

Inhoud

Inleiding

Klassiek model

Het Stefan-Bolzmann model

Vaststellen van de gemiddelde temperatuur van de Aarde

Verklaring volgens het Klassiek Model

Het Alternatieve Model

Bestaat het broeikaseffect wel?

Is er sprake van evenwicht in het alternatief model?

Conclusies


terug naar inhoud

Inleiding

Doel van mijn onderzoek is het herhalen van het experiment dat Joseph Fourier ca 200 jaar geleden uitvoerde. Hij wilde niet alleen de gemiddelde temperatuur van het aardoppervlak bepalen, maar ook proberen te verklaren vanuit de theorie, hetgeen een belangrijke doelstelling is van wetenschappelijk onderzoek. Het experiment mislukte destijds. Het gevolg hiervan is dat Joseph Fourier hierdoor geldt als de ontdekker van het broeikaseffect, een theorie voort gekomen uit noodzaak. Hij was een groot geleerde op tal van disciplines en was ook een pionier in de klimaatwetenschap.

Doel van mijn onderzoek is niet om de klimaatsverandering te ontkennen noch om het te verklaren. Mijn onderzoek heeft wel gevolgen voor één van de genoemde mogelijke oorzaken, namelijk  het (versterkt) broeikaseffect. Dit zou een eigenschap zijn van onze atmosfeer, die een hogere temperatuur mogelijk maakt dan op grond van de theorie verklaarbaar is.

Mijn onderzoek toont aan dat onze atmosfeer deze eigenschap niet bezit. In tegendeel, de aanwezigheid van onze atmosfeer zorgt er voor dat het kouder wordt dan zonder atmosfeer het geval zou zijn. Ik zou deze eigenschap het zonweringeffect willen noemen. Door verstrooiing, weerkaatsing en absorptie zorgt de atmosfeer er voor dat de hoeveelheid invallend zonlicht beperkt wordt, net zoals dit bij een echte zonwering het geval is. Dit effect maakt dat grote delen van onze Aarde en dan in het bijzonder de tropen bewoonbaar zijn.

Het misverstand dat onze atmosfeer een broeikaseffect zou hebben, komt voort uit een verkeerde voorstelling van zaken en het foutief toepassen van de beschikbare theorie. Deze theorie is op zich juist maar wordt niet correct toegepast. Correctie van deze fouten leidt er toe dat de gemiddelde temperatuur op Aarde wel degelijk verklaard kan worden uit de theorie. Er is geen noodzaak meer voor het broeikaseffect.

Om het verhaal te kunnen volgen is een korte inleiding in de theorie nodig. Uitgangspunt is wat ik het Klassiek Model zou willen noemen.  Dit model gaat uit van inkomend zonlicht en uitstralende aardenergie. Dit dient in evenwicht te zijn. Indien dit het geval is, kan men gebruik maken van het Model van Stefan-Bolzmann. Dit model geeft het verband aan tussen stralingsenergie(E) en de temperatuur(T). Dit verband blijkt verrassend simpel te zijn.

E  =  constante * T4   en   T = constante * 4 √ E

Eenvoudiger dan dit kun je het  niet krijgen. Het enige wat nodig is, dat er sprake is van een evenwichtsituatie tussen invallend zonlicht en uitstralende aardenergie. Alleen dan mag je Stefan-Bolzmann gebruiken, anders niet.  De vraag die zich aan dient is dan; is er sprake van een evenwichtsituatie in het klassiek model en wat bedoelen we met dit model. Als er geen evenwicht mocht zijn laten we dan de theorie los of proberen we een alternatief model uit. Voldoet dit model dan wel. Het gaat dus om een vergelijkend warenonderzoek tussen het klassiek model en het door mij ontwikkeld model. Ik zal eerst puntsgewijs een aantal begrippen uitleggen die nodig zijn om de essentie van mijn onderzoek te kunnen volgen.

terug naar inhoud

Het Klassiek Model

In het klassiek model maakt men gebruik van het principe van Black Body Radiation. De aarde en de zon zijn weliswaar geen volmaakte Black Body’s, maar benaderen dit vrij goed. De theorie gaat er van uit dat ieder object dat warmer is dan het absolute nulpunt, warmte uitstraalt, zo genoemde stralingsenergie. Dit is een van de drie manieren waarop warmtetransport plaatsvindt. De andere manieren zijn geleiding en stroming. De theorie stelt een verband vast tussen de temperatuur en de hoeveelheid stralingsenergie plus een heleboel andere eigenschappen. De stralingsenergie die de Aarde uitstraalt is uiteindelijk afkomstig van de zon. Het oppervlak van de zon is heel erg heet. Daardoor ligt de piek van stralingsenergie van de zon in het zichtbare deel van het spectrum. Daarnaast is er nog wat ultraviolet en een grote hoeveelheid infrarood in de stralingscurve van de zon te zien. De temperatuur van het oppervlak van de Aarde is veel lager. Gevolg is dat de piek van de stralingscurve van de Aarde zich in het verre infrarood bevindt.

De gemiddelde temperatuur van de Aarde kan men vast stellen met behulp van de gegevens van enkele duizenden weerstations. Deze worden dan nog aangevuld met gegevens die men met de hulp van satellieten worden verkregen. Dit is de waargenomen temperatuur. Via de theorie van black body radiation probeer je vervolgens een verklaring te vinden voor de gemeten temperatuur. Daarvoor maak je gebruik van het model van Stefan-Bolzmann.

terug naar inhoud

Het Stefan-Bolzmann model

Het Stefan-Bolzmann model geeft het verband aan tussen stralingsenergie en de daaruit af te leiden temperatuur van een Black Body. Bij benadering zijn zowel de Aarde als de zon bijna volmaakte voorbeelden van Black Body objecten. De curven voldoen heel mooi en komen overeen met de theorie. Een afgeleide vorm van het model ziet er als volgt uit;

T = 4√ (E *(1-α)/εσ)

E staat voor stralingsenergie en voor de zonne-energie wordt vaak de term SI gebruikt.

T is de temperatuur en wordt weer gegeven in graad Kelvin. 0 Kelvin is ca -273 °C.

SI is de zonneconstante en heeft gemiddeld genomen de waarde van 1368 W/m2. Deze zonneconstante is afhankelijk van de grootte van de zon, de temperatuur van het oppervlak van de zon en de afstand van de Aarde tot de zon. We spreken van een constante maar het varieert enigszins. Een deel van de variatie komt voort uit de ca 11 jarige zonnevlekkencyclus. Een andere bron van variatie komt voort uit het feit dat de baan van de Aarde niet cirkelvormig is maar een ellips. Dit zorgt ervoor dat de gemiddelde temperatuur van het oppervlak van de Aarde een seizoenspatroon vertoont.

α is de albedo van de Aarde. Dit is het vermogen om zichtbaar licht te weerkaatsen. Deze albedo bedraagt ca 31 %. Dat wil zeggen dat 31 % van het invallend zonlicht weerkaatst wordt en het oppervlak van de Aarde niet zal bereiken. Dit heeft een afkoelend effect.

σ is de constante van Stefan-Bolzmann en bedraagt ca 5,67 * 10-8.

ε is de emmisiviteit van de Aarde en wordt voor het gemak op 1 gesteld.

Het model dat we in dit onderzoek zullen gebruiken is een afleiding van het black body model en wordt ook wel het grey body model genoemd. Deze afleiding is noodzakelijk omdat Aarde en zon het black body model wel benaderen maar er nu eenmaal sprake is van weerkaatsing (albedo). Hierdoor kom je uiteindelijk uit op dit afgeleid model uit.

Voor we met dit model aan de slag kunnen moeten we eerst nog vast stellen hoe warm het op Aarde is. Dan zullen we bekijken of en hoeverre het Klassieke Model dit weet te verklaren.

terug naar inhoud

Vaststellen van de gemiddelde temperatuur van de Aarde

Hoewel er heel veel informatie te vinden is over de afwijking van de temperatuur als gevolg van de klimaatsverandering, valt het niet eens mee om informatie te vinden over de gemiddelde temperatuur. Wie zoekt (googelt) zal vinden. Vandaar de volgende 2 plaatjes;

plaatje-1-tgem-earth-real

Plaatje 1 De gemiddelde temperatuur van het land

plaatje-2-figure-2-2

Plaatje 2 De gemiddelde temperatuur van de oceanen

Het ene plaatje geeft het seizoenspatroon weer van de continenten. Het andere platje geeft de seizoenspatronen weer voor de oceanen op het noordelijk respectievelijk  het zuidelijk halfrond. Met een simpele eyeball test en de ruwe aanname dat het leeuwendeel van de continenten op het noordelijk halfrond ligt, krijg je de volgende tabel (T in °C);

Tlaag         Thoog    Onderdeel      Toelichting

17,5     22,5     Oceaan NH     In fase met NH

18,5     15        Oceaan ZH      in tegenfase met NH

 3         15        Continenten   in fase met NH

13        17        Globaal =>      Tgem = 15 °C

Hieruit volgt  de gemiddelde temperatuur van het oppervlak van de Aarde van ca 15 °C. Dit is bereikt met een heel simpel en ruw model. Door benadering kom je ook een heel eind. Er is reden noch noodzaak om het wiel opnieuw uit te vinden. Veel van het werk is al door anderen gedaan. Maak er gebruik van. Nu we weten wat de temperatuur is, hoeven we het alleen nog maar vanuit de theorie te verklaren.

terug naar inhoud

Verklaring volgens het Klassiek Model

Het klassiek model gaat uit van Black Body Radiation en de aanname dat de invallende zonne-energie in evenwicht zal zijn met de uitgaande aardenergie. In dit geval mag men gebruik maken van het Stefan-Bolzmann model. Na herverdeling, noodzakelijk omdat de aarde nu eenmaal een atmosfeer heeft, komt men tot de gevraagde gegevens. Hieruit volgt een berekende temperatuur op Aarde. Als deze bij benadering overeen komt met de gemeten temperatuur en als na controle van alle in en uitgaande energie sprake is van een evenwichtssituatie, mag je beweren dat je theorie goed lijkt te kloppen en dat je een verklaring hebt gegeven  voor een waargenomen fenomeen. Je theorie is dan geldig.

De eerste stap

Als eerste dienen we de zonne-energie van 1368 W/m2 over het oppervlak van de aarde te verdelen. Gangbaar is om dit volgens onderstaand plaatje te doen;

plaatje-3-sun_earth_rad

Plaatje 3 herverdeling zonneschijf over de aardbol

Een schijf zonne-energie met een oppervlak van πr2 wordt verdeeld over het oppervlak van de aardbol van 4πr2. Dit levert een gemiddelde waarde op van 342 W/m2. Hier begin je mee.

De tweede stap

Met behulp van Stefan-Bolzmann bereken je de temperatuur die hieruit volgt. Zonder atmosfeer is dit meteen einde oefening.

T = 4√ (E *(1-α)/εσ) Invullen van alle gegevens levert T = 254 K = -19 °C.

Dit is uiteraard veel te weinig. We weten dat de gemeten gemiddelde temperatuur van het oppervlak van de Aarde + 15 °C. Dit verschil, gaat het verhaal, wordt verklaard door het broeikaseffect. Een eigenschap van onze atmosfeer. Dit is dus wel een theorie geboren uit noodzaak. Dit hoeft geen probleem te zijn als het broeikaseffect daadwerkelijk bestaat. Dit effect hebben we nog niet mee genomen.

De derde en laatste stap

Het invallend zonlicht wordt door onze atmosfeer verstrooid, weerkaatst en geabsorbeerd. Slecht een deel, ca. 60%, bereikt het oppervlak van onze Aarde. Van deze energie wordt nog een deel door het oppervlak weerkaatst. Van wat we overhouden, warmt de Aarde zich op. Deze warmte wordt deels door thermiek en verdamping vrij gegeven. De rest straalt uit met een piek in het verre infrarood. Een deel van de uitgestraalde energie wordt alsnog geabsorbeerd door de zogenoemde broeikasgassen zoals CO2 en CH4. Dit werd al vermoed door Fourier en bevestigd door John Tyndall. Het restant straalt naar het heelal. In evenwicht geldt dat invallend zonlicht gelijk is aan weerkaatst zonlicht en uitgestraalde energie van de Aarde. Zie onderstaand plaatje hoe men zich dit kan voorstellen. Alle bedragen zijn in W/m2;

plaatje-4-kiehl-trenberth-1997-color

Plaatje 4 herverdeling zonne-energie volgens klassiek model

De gemiddelde temperatuur van het oppervlak van de Aarde is bij een bedrag van 168 W/m2 een ijzige  -60 °C. Het broeikaseffect heeft het lelijk laten afweten. Het wordt niet warmer met een atmosfeer maar juist kouder. Wat kan men hier uit concluderen; Slechts één ding; Het klassiek model heeft gefaald. De gemeten temperatuur van + 15 °C is niet verklaard. Het model is weliswaar in balans, maar alleen in boekhoudkundige zin. Men weet immers dat de gemiddelde temperatuur van het oppervlak van de aarde 15°C is. Bij deze temperatuur komt een hoeveelheid stralingsenergie vrij van 390 W/m2 . Dit lukt niet met behulp van de hoeveelheid ingestraalde zonnestraling. Daar van lukt het slechts 168 W/m2 het oppervlakte te bereiken. Na verdamping en thermiek houdt men hier slechts 66 W/m2  over. Daarvan weet 40 W/m2  te ontsnappen naar het heelal, hetgeen betekent dat 26 W/m2 geabsorbeerd wordt door broeikasgassen. De backradiation  waarmee men probeert om alsnog de gemeten temperatuur te bereiken komt niet voort uit energie die geabsorbeerd is door de atmosfeer. Deze absorptie bedraagt 67+24+78+26 = 195 W/m2 . Deze hoeveelheid weet moeiteloos te ontsnappen. Dit betekent dat de backradiation letterlijk uit het niets komt. En von niks kommt niks. In wetenschappelijke zin kan men hier dan ook niets mee. Hier rest slecht uithuilen en opnieuw beginnen.

terug naar inhoud

Het Alternatieve Model

Wij kunnen in vertwijfeling de Black Body Radiation theorie, het Stefan-Bolzmann Model en het herverdelingsmodel weg gooien. Maar daar schieten we niets mee op. We zullen moeten roeien met de riemen die we hebben. Je gooit geen oude schoenen weg voor je nieuwe hebt. We beginnen dus met de zelfde theorie en gaan stap voor stap proberen te achterhalen waar we de fout in gingen en of we dit kunnen corrigeren.

Eerste stap

Het zonlicht wordt in het klassiek model over het hele oppervlak van de Aarde verdeeld. Dit klopt niet. Slechts één helft, die ik de dagkant noem, krijgt al het zonlicht. De andere helft, die ik de nachtkant noem, krijgt niets. De Aarde draait als vanouds om haar as en het oppervlak wordt opgewarmd en straalt rondom uit. De hoeveelheid energie die de dagkant krijgt is dus alle zonne-energie plus de helft van de uitstraling van de Aarde. Zoals het onderstaand plaatje aangeeft.

plaatje-5-correct

Plaatje 5 zonneschijf correct verdeelt over aardbol

De zonneconstante SI wordt verdeeld over de helft van het oppervlak van de Aarde en bedraagt dus 684 W/m2. De uitstraling van de Aarde dient eerst vast gesteld te worden. Dit doen we via het model van herverdeling omdat de Aarde nu eenmaal een atmosfeer heeft. Maar eerst;

Tweede stap zonder atmosfeer

Als eerste bekijken we een situatie zonder atmosfeer. Dit is een stuk eenvoudiger. Je hebt alleen te maken met het invallend zonlicht, de weerkaatsing door het oppervlak en uitstraling van de Aarde. In evenwicht geld; Bij een instraling van 684 W/m2 en een albedo van het oppervlak  van 9% krijg je een weerkaatste energie van 62 W/m2. Voor uitstraling in het infrarood resteert 622 W/m2. Dit vul je in de formule voor de dagkant, dus Edag = Ezon + ½Eaarde = 995 W/m2. Dit gaat in het Stefan-Bolzmann model en dit levert een Tdag op van 82 °C. We dienen uiteraard ook de temperatuur van de nachtkant te bepalen. Dit doen we door eerst te bepalen hoeveel energie nodig is in deze situatie om een Tgem = 15 °C te krijgen. Ook dit kan men met het model van Stefan-Bolzmann bepalen. De benodigde energie Egem = 429 W/m2. Het verschil tussen de energie van de dagkant en de benodigde energie om tot de gemiddelde temperatuur te komen, is verkregen door opwarming van de dagkant. Dit verschil Eopwarming = Eafkoeling = 566 W/m2.  Dit bedrag trekt men af van de Egem. In dit geval houdt men niets over. Energie kan niet kleiner zijn dan nul. Ook de temperatuur in graad Kelvin kan niet kleiner zijn dan nul. De Tnacht is in dit geval dus 0 K. In tabelvorm ziet dit er als volgt uit;

Situatie zonder atmosfeer

            Gemeten        verklaard        energie

Tdag                                82 °C             995 W/m2

Tgem     15 °C                 15 °C             429 W/m2

Tnacht                             -273 °C              0 W/m2

Deze situatie, zonder atmosfeer, treft je aan op de maan. Overdag kan de temperatuur daar gemakkelijk oplopen tot boven de 100 °C en ‘s nachts kan de temperatuur daar terug vallen tot wel -200 °C. Extreme waarden waar leven nauwelijks nog mogelijk is, althans niet zoals wij dat kennen. Overigens blijkt hieruit wel dat het nodig is om het oppervlak te verdelen in een dagkant en een nachtkant. De temperatuur in graad Kelvin kan nooit lager zijn dan nul maar de temperatuur van de dagkant kent nauwelijks een bovengrens. De zonneconstante is immers afhankelijk van de afstand tussen zon en Aarde. Er zijn exoplaneten die veel dichter rond hun zon draaien. Verder is de zonneconstante afhankelijk van de grootte van de zon. Er zijn sterren die veel groter zijn dan de zon namelijk rode superreuzen. Als laatste is de zonneconstante afhankelijk van de temperatuur van het oppervlak van de zon. Er zijn sterren die een veel hogere temperatuur hebben namelijk blauwe reuzen. Verder is het mogelijk dat een planeet in dezelfde tijd om haar as draait als dat ze om haar ster draait en dus altijd de zelfde kant naar haar ster richt. In dit geval baadt de dagkant permanent in de licht van de ster en de nachtkant krijgt dan nooit energie van haar ster. Er is dan geen dag-nachtritme meer aanwezig. Men heeft een tijdlang gedacht dat dit zich voordoet op de planeet Mercurius, maar dit bleek uiteindelijk niet het geval te zijn. Maar zo’n situatie is best denkbaar en een goede theorie voorziet in ieder geval in denkbare situaties. Het ondenkbare laten we over aan de auteurs van science-fiction verhalen.

Tweede stap met atmosfeer

Nu gaan we de oefening herhalen in een situatie met atmosfeer. Dit is iets ingewikkelder. Maar met behulp van het herverdelingsmodel moet het mogelijk te zijn om een benadering te vinden die bij gebrek aan beter maar moet voldoen. We zullen daarbij gebruik maken van de lessen die we geleerd hebben bij het klassieke model en dit corrigeren waar dat nodig is.

De hoeveelheid invallend zonne-energie bedraagt 684 W/m2. De hoeveelheid weerkaatste energie is een percentage van de hoeveelheid invallend licht. De weerkaatsing voor de atmosfeer bedraagt ca 22,5% en levert een hoeveelheid op van 154 W/m2. De absorptie door de atmosfeer is een vast bedrag en afhankelijk van de hoeveelheid moleculen en dergelijke die tot absorptie in staat zijn en bedraagt 67 W/m2. De weerkaatsing door het oppervlak is ca 9% van het restant van het invallend zonlicht en bedraagt 42 W/m2.  Er blijft 421 W/m2  over aan invallend zonlicht voor het oppervlak. Thermiek en verdamping blijven hetzelfde namelijk 24 W/m2 respectievelijk  78 W/m2.  Ze worden bepaald door de gemiddelde temperatuur en die blijft gewoon 15 °C. Wat overblijft van de invallende straling van 421 W/m2  levert na aftrek van thermiek en verdamping een waarde op van 319 W/m voor de uitstraling. Hiervan wordt nog 26 W/m2 geabsorbeerd, de rest ontsnapt naar het heelal. Dit levert het volgende plaatje op;

plaatje-6-cor-her

Plaatje 6 correcte herverdeling dagkant

Als wij de formule voor de beschikbare energie van de dagkant invullen krijgen we Edag = Einvallend,oppervlak + ½ Euitstraling = 421 + 160 = 581  W/m2.  Dit stoppen we in het Stefan-Bolzmann model en dan krijgen we een Tdag van 17 °C. We bepalen nu de hoeveelheid benodigde energie om in deze situatie tot een gemiddelde temperatuur van 15 °C te komen met behulp van Stefan-Bolzmann en dan blijkt Egem = 565 W/m2 te zijn. Het verschil tussen Edag en Egem bedraagt 16 W/m2.  In evenwicht is de hoeveelheid energie die voor opwarming heeft gezorgd van de dagkant, gelijk aan de hoeveelheid energie die beschikbaar is voor afkoeling van de nachtkant. Het restant aan energie voor de nachtkant is dus Enacht = Egem – 16 = 549 W/m2.  Dit ingevuld in het Stefan-Bolzmann model levert een  gemiddelde  temperatuur  voor  de  nachtkant op van 13 °C.

In tabelvorm ziet dat er als volgt uit;

Dag nacht ritme van de Aarde

            Gemeten        verklaard        energie

Tdag                              17 °C               581 W/m2

Tgem     15 °C               15 °C               565 W/m2

Tnacht                           13 °C              549 W/m2

Hiermee is de gemiddelde temperatuur van het oppervlak van de Aarde verklaard. Het ligt keurig tussen de waarden voor de dagkant en die van de nachtkant in. Het is dus wel degelijk mogelijk om de temperatuur te verklaren zonder gebruik te maken van het broeikaseffect. Nu we zover gekomen zijn kunnen we overgaan tot conclusies maar eerst willen we nog even de waarden uitrekenen voor het seizoenspatroon. Het gemiddelde voor de zonneconstante bedraagt 1368 W/m2 . De waarde voor de verste afstand tussen Aarde en zon bedraagt 1321 W/m2  . Dit zou ik de lage kant willen noemen. De waarde voor de hoge kant bedraagt dan 1412 W/m2 . Na herverdeling van deze waarden en de herverdeling voor de aanwezigheid van een atmosfeer kom je dan tot de volgende tabel;

Het seizoenspatroon van de Aarde

            Gemeten        zonneconstante         Tdag – Tnacht      Eafk=Eopw

Thoog    17 °C               1412 W/m2                 19 – 14 ° C        24 W/m2

Tgem     15 °C               1368 W/m2                 17 – 13 °C        16 W/m2

Tlaag      13 °C               1321 W/m2                 14 – 12 °C        7 W/m2

Ook het seizoenspatroon van de gemiddelde temperatuur van de Aarde laat zich prima verklaren. Het door mij ontwikkeld alternatief model lijkt goed te kloppen. Dit alles is gedaan zonder gebruik te maken van de uit noodzaak geboren theorie van het broeikaseffect. Het blijkt niet langer nodig te zijn. Bestaat het effect eigenlijk wel en als het niet bestaat hoe is dit dan te verklaren vanuit de theorie?

terug naar inhoud

Bestaat het broeikaseffect wel?

De theorie van het broeikaseffect is geboren uit noodzaak. Toen Fourier,nu meer dan 200 jaar geleden, probeerde om de temperatuur van de Aarde niet alleen vast te stellen maar ook te verklaren, slaagde hij daar niet in. Zijn conclusie was dat de zon niet genoeg energie instraalt om de vast gestelde temperatuur te verklaren. Het verschil zou dan verklaard kunnen worden uit andere bronnen van energie. Het broeikaseffect zou een van die bronnen kunnen zijn. Met de kennis uit zijn tijd een redelijke inschatting. Infrarood was pas ontdekt en de theorie van de black body radiation stond nog in de kinderschoenen. Men had het vermoeden dat bepaalde stoffen in de atmosfeer in staat zijn om infrarood te absorberen. Met de aanname dat de zon instraalt in het zichtbare licht en de aarde uitstraalt in het infrarood gebied kwam men eind 19e eeuw tot de volgende voorstelling van zaken;

plaatje-7-klassiek-modek-broeikaseffect

Plaatje 7 klassiek model stralingscurven zon en Aarde

Zoals uit het plaatje blijkt is er in deze klassieke voorstelling van zaken geen overlap in de curven van de zon en die van de Aarde. Moleculen zoals CO2 absorberen in het infrarood en hebben alleen invloed op de hoeveelheid aardstraling die wordt uitgestraald. Hoe meer van deze stoffen in de atmosfeer komen, hoe meer absorptie en dus hoe warmer het wordt. Het is net als in een echte broeikas. Maar klopt dit wel? Komt het wel overeen met de moderne voorstelling van zaken over de stralingscurven van de zon en de Aarde? Het antwoord is niet of nauwelijks. Het onderstaande plaatje laat zien hoe het er werkelijk uitziet;

plaatje-8-BlackbodySpectrum_loglog_150dpi_en-copy

Plaatje 8 moderne curven straling zon en aarde.

Wat direct opvalt, is dat de zon (de goudgele curve) veel meer infrarood instraalt dan je zou verwachten. In feite bestaat ruim de helft van de ingestraalde zonne-energie uit infrarood. De zon straalt ook meer infrarood in dan dat de Aarde (de rode curve) uitstraalt. Een hele trits van stoffen verstrooit, weerkaatst en absorbeert over het volle spectrum lopend van ultraviolet tot en met het verre infrarood. Daarbij wordt veel meer invallende zonne-energie geblokkeerd (263 W/m2 ) dan dat er uitstralende aardenergie geblokkeerd wordt (26 W/m2 ). Het netto effect is dan ook dat onze atmosfeer een afkoelend effect heeft dat ik het zonweringeffect zou willen noemen en geen opwarmend effect zoals het broeikaseffect. Dit zonweringeffect beperkt de hoeveelheid energie die beschikbaar is voor opwarming van de dagkant en in evenwicht geldt dan ook dat de hoeveelheid energie die voor afkoeling van de nachtkant beschikbaar is ook beperkt blijft.

Wat nu nog resteert, is om vast te stellen of er sprake is van een evenwichtssituatie in het alternatief model.

terug naar inhoud

Is er sprake van evenwicht in het alternatief model?

In een evenwichtssituatie is geldt; Ein = Euit We beginnen met de dagkant. Ein is de instralende zonne-energie en is 684 W/m2. Euit bestaat uit de weerkaatste zonne-energie en bedraagt 196 W/m2 plus uitstraling van de aardstraling naar het heelal en dit bedraagt 293 W/m2 plus hetgeen door de atmosfeer is geabsorbeerd en weer wordt afgestaan aan het heelal en dit bedraagt 195 W/m2. Alle uitgaande energie bij elkaar opgeteld is gelijk aan de ingestraalde hoeveelheid energie. Er is dus evenwicht aan de dagkant. De dagkant verzameld 16 W/m2 aan opwarming en dit is gelijk aan de hoeveelheid die voor afkoeling aan de nachtkant beschikbaar is. Dit maakt het hele plaatje in evenwicht is. Het is wel een dynamisch evenwicht. Zonder calamiteiten als uitbarsting van een supervulkaan of inslag van een komeet zal er ook op korte termijn, bijvoorbeeld van een etmaal, sprake zijn van evenwicht. Een interessante vraag is of de Aarde zelf ook in evenwicht verkeert. Er is sprake van een klimaatverandering. Het is warmer geworden. Hoeveel? Zie hiervoor het onderstaand plaatje;

plaatje-9-klimaat-opwarming

Plaatje 9 Opwarming Aarde over de afgelopen 160 jaar

Over de afgelopen 160 jaar komt je al gauw tot een opwarming van ca 0,9 °C. Dit levert een trendmatige opwarming op van 0,006°C per jaar en 0,000015 °C per etmaal. Dit is veel minder dan het verschil voor het dagnacht ritme(ca. 4 °C) of het seizoenspatroon(ca 7 °C) van de aarde. Bij benadering kan men zeggen dat ook de Aarde zelf in evenwicht verkeert. Maar dit is slechts bij benadering. De klimaatsverandering vindt wel degelijk plaats!

terug naar inhoud

Conclusies

Het door mij ontwikkeld alternatief model voldoet prima. Het geeft een correcte voorspelling voor de gemiddelde temperatuur van het oppervlak van de Aarde. Het geeft een correcte verklaring  voor het dagnacht ritme en het seizoenspatroon van de aarde. Er is niet langer een noodzaak voor het broeikaseffect van de atmosfeer van de Aarde. Het bestaat niet en is ook niet mogelijk. Het kwam voort uit een verkeerde voorstelling van zaken. Na correctie kunnen we  dan ook vaststellen  dat de atmosfeer van de Aarde geen broeikaseffect heeft. Wel is er sprake van een zonweringeffect. Dankzij dit effect is het veel koeler aan de dagkant van de Aarde dan zonder dit effect het geval zou zijn. Het zonweringeffect zorgt er tevens voor dat in een evenwichtssituatie weinig energie via opwarming aan de dagkant beschikbaar komt voor afkoeling aan de nachtkant. Daar door blijft de temperatuur ook ’s nachts aangenaam. De temperatuur kan niet zo sterk oplopen en evenmin zo sterk terugvallen als dat bijvoorbeeld op de maan wel mogelijk is. Het zonweringeffect zorgt er voor dat het verschil tussen de dagkant en de nachtkant beperkt blijft. Toevoegen van extra hoeveelheid stoffen die tot verstrooiing, weerkaatsing en absorptie in staat zijn,zal tot gevolg hebben dat het zonweringeffect sterker wordt waardoor het verschil tussen Tdag en Tnacht kleiner wordt. Het zal hierdoor ook kouder worden. Er komt immers minder zonlicht op het aardoppervlak te recht. Het zelfde geldt ook voor het seizoenspatroon van de Aarde.

Waardoor dan de opwarming van de Aarde wel wordt veroorzaakt weet ik niet. Het wordt niet veroorzaakt door het versterkt broeikaseffect, want zoals uitgelegd bestaat dit effect niet en wat niet bestaat kun je niet versterken. Het is wel vervelend, want ook voor de klimaatsverandering geldt dat het (versterkt) broeikaseffect een theorie uit noodzaak is. Andere verklaringen voor de opwarming zijn er niet. Zie het onderstaand plaatje;

plaatje-10-faq-2-1-figure-2-l

Plaatje 10 oorzaken opwarming Aarde volgens IPCC

Maar het was niet mijn bedoeling om de klimaatsverandering te verklaren. Ik zal mij dan ook beperken tot de aanname dat de opwarming van de Aarde verklaard kan worden uit een mix van natuurlijke en menselijke oorzaken die over de tijd veranderlijk kan zijn. Hier kun je verder geen buil aan vallen. Mijn bedoeling was om het experiment van Fourier te herhalen en te kijken of het wel mogelijk is om de temperatuur van het oppervlak van de aarde te verklaren. Dit is gelukt en wel zonder gebruik te maken van het broeikaseffect. De verklaring maakt alleen gebruik van ingaande zonne-energie en uitgaande aardenergie.

Kan men Fourier kwalijk nemen dat hij 200 jaar geleden niet in staat was om de temperatuur op Aarde te verklaren uit het invallend zonlicht en de uitstralende Aardenergie? Niet werkelijk, in zijn tijd was het infrarood nog maar net ontdekt. Ook de theorie over black body radiation stond nog in de kinderschoenen. Het zou nog ruim 100 jaar duren voor alle problemen die met de theorie samenhingen bevredigend werden op gelost. Het is pas in onze tijd met satellieten en supercomputers dat men in staat is om met correcte schattingen te komen over de benodigde grootheden. Fourier als groot geleerde was ook op dit gebied zijn tijd gewoon ver vooruit. Met de kennis van zaken die vandaag de dag gewoon opvraagbaar is via internet, zou ook Fourier tot een succesvolle verklaring zijn gekomen en had hij de omweg via het broeikaseffect niet hoeven te maken. Op dit punt is wel degelijk behoefte tot eerherstel. Het lijkt me niet leuk om de geschiedenis in te gaan als ontdekker van iets dat bij nader inzien helemaal niet blijkt te bestaan.

terug naar inhoud

Advertenties

Over Raymond Horstman

Onderzoeker, analist, schrijver. Havo B-pakket, HBO analytische chemie en propedeuse Bestuurskunde aan de Universiteit van Twente. Een brede belangstelling in algemene zaken en een bijzondere interesse in klimaatstudies. De webmaster dient niet verward te worden met mijn naamgenoot de architect. Dit is echt een heel ander persoon.
Dit bericht werd geplaatst in artikel en getagged met , , , , , . Maak dit favoriet permalink.

3 reacties op Had Fourier ongelijk, een poging tot eerherstel

  1. Arthur Rörsch zegt:

    Geeft je blog ook ingezonden reacties weer? Of heb je er nog geen gekregen? Dan is het wellicht nog te weinig bekend. Van de voor eigen parochie prekende AGW protagonisten kun je geen reactie verwachten. Wellicht doe je er goed aan een samenvatting van het stuk “eerherstel Fourier’ op het blog te zetten http://www.climategate.nl (in Nederland één van weinige serieuze klimaatsceptische blogs waar ook reacties verschijnen van welwillende protagonisten).

    Hierbij wat opmerkingen over je stuk.
    Je sticht naar mijn mening wat verwarring door de broeikasgas theorie het klassieke model en je eigen de moderne, alternatieve. De naamgeving zou andersom moeten zijn. Het klassieke model is dat van voor de Villach conferenties 1980-1985 toen broeikasgassen nog niet in het beeld waren (Fourier en Arrhenius waren begin 20ste eeuw door experimenten achterhaald.) Wat je nu het alternatieve model noemt, is feite een terugkeer naar het klassieke model.

    Zover ik het zie, snijdt geen van de kritiek die je kreeg hout, op één na.
    Onder plaatje 8 “De zon straalt ook meer infrarood in dan dat de Aarde (de rode curve) uitstraalt.” Dat mag je uit de BB spectra niet afleiden. Maar terecht komt je tot de conclusie dat ca, 50 % van de zoninstraling uit IR bestaat. Bij plaatje 6 heb je de getallen correct weergegeven. Een simpele berekening (die Custers niet wist uit te voeren) leidt er toe dat het inkomend licht van de zon (Plaatje 6) 684- 154 = 530 ook voor de helft uit IR bestaat = 275 W/m2. En de uitstraling aan de top is 195+293 = 438 W/m2 .De IR instraling van de zon is dus niet groter dan die van het aardoppervlak.
    Waar blijft de IR van de zon?
    In plaatje 6 laat je maar 67 W/m2 in de atmosfeer absorberen, tegen 421 Wm2 in het oppervlak. Heb je die 67 W/m2 wellicht eenvoudig overgenomen uit plaatje 4, het K&T schema ?
    De verklaring kan zijn dat het IR spectrum van de zon veel breder is dan de atmosfeer kan absorberen. Dat betekent dus dat veel IR ook door het atmosferisch venster loopt en aan het oppervlak direct wordt geabsorbeerd. Dat ‘voel’ je ook op een zonnige dag; je krijgt het warm. Men noemde vroeger IR niet voor niets ‘warmtestraling”.
    Terzijde, in de nacht word je niet door de terugstraling opgewarmd. Hoogstens koel je bij een bewolkte nacht wat minder af. (Kan in warme landen 10 C minder zijn).

    Als je meer commentaar van mij op prijs stelt, hoor ik het wel.

    Liked by 2 people

    • Raymond zegt:

      Mijn blog geeft reacties weer. Althans dat hoort het te doen.
      Ik heb de blog noch maar pas en sta nog steeds verbaast over dat het werkt.
      Uw opmerkingen lijken mij heel bruikbaar en ik zal als en wanneer ik de tijd ervoor kan vrijmaken zeker mee bezig gaan.
      Mijn model is slecht een eerste versie.
      Het is een poging om te kijken hoever je komt als je correct begint.
      Namelijk alle zonne-energie TOA op een helft laten neerkomen. Dit uitgangspunt is mijn inziens correct.
      Vandaar ben ik verder gegaan. Mijn volgende stap is om concrete voorspellingen te doen op grond van het model en te gaan kijken in hoeverre dit de toets der empirie kan weerstaan. Ik zal uw opmerking plaatsen. Nu ik weet hoe dit moet.

      Vriendelijke groeten,

      Raymond

      Liked by 1 persoon

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s