Hoe goed kan mijn model de opwarming van de Aarde verklaren?

Hoe goed kan mijn model de opwarming van de Aarde voorspellen.

Inleiding

Doel van dit onderzoek is het toetsen van mijn model. Hoe goed is het in staat om de opwarming van de Aarde te voorspellen. Mijn model kan opwarming van de Aarde verklaren door een vermindering van de albedo en de emissiviteit. Hoe kun je vaststellen of deze beide grootheden zijn veranderd en in welke mate? Om dit te kunnen doen stellen we eerst vast in welke mate het oppervlak van de aarde is opgewarmd. Opwarming betekent dat het oppervlakte meer energie uitstraalt. De mate waar op dit gebeurt kan men berekenen met behulp van het Stefan Boltzmann model. Het is niet alleen het oppervlakte dat opgewarmd is. De troposfeer, de voor het weer en klimaat meest belangrijke laag van de atmosfeer is ook opgewarmd. In welke mate en hoeveel extra energie is de troposfeer gaan terug stralen? Het deel dat niet terug straalt is geabsorbeerd. Dit gebeurt ook met de instralende zonne-energie. Daarvan wordt meer geabsorbeerd. Hierdoor zal minder zonne-energie het oppervlakte bereiken en daardoor zal er minder gereflecteerd worden. De albedo wordt kleiner en dit leidt tot opwarming. Ook vindt er extra absorptie plaats van de uitstralende energie van het aardoppervlak. Uit de evenwichtsvoorwaarde van de energiebalans kan vaststellen in welke mate dit gebeurd. Men kan zo berekenen hoe de emissiviteit zal dalen. Dit geeft ook opwarming. Als men deze verandering in beide variabelen heeft vastgesteld kan men met behulp van mijn model de opwarming berekenen. Het zijn vooral rekensommen die we hier maken. Daarvoor hebben we formules nodig uit de theorie.

De gebruikte theorie

De gebruikte theorie bestaat uit het model van Stefan-Boltzmann. Deze theorie stelt dat de hoeveelheid straling die een voorwerp via het oppervlakte uitstraalt slechts afhangt van de temperatuur en de emissiviteit van het oppervlakte. In formule luidt de Wet;

E-uitstraling = ε σ T-oppervlak4

met ε = emissiviteit oppervlakte en nagenoeg gelijk aan 1
σ = de constante van Stefan-Boltzmann
T-oppervlakte = de temperatuur van het oppervlakte in Kelvin

Verder maken we gebruik van de energiebalans van Kiehl en Trenberth met daarin de aanname dat er een evenwicht is tussen de hoeveelheid energie dit de zon instraalt en de hoeveelheid energie die de Aarde uitstraalt. Dit is de evenwichtsvoorwaarde. Ook zullen we het door mij ontwikkeld model gebruiken. Dit is tenslotte wat getoetst dient te worden.

De gebruikte data

We gebruiken de data die verzameld is tijdens het satelliettijdperk. Alleen over deze periode hebben we voldoende en nauwkeurige data om te kunnen vaststellen hoeveel het Aardoppervlak en de troposfeer zijn opgewarmd. De data omvat de periode 1979 tot en met 2016 en bestaat uit tijdreeksen die de trendmatige opwarming laten zien van het aardoppervlak en de diverse lagen van de troposfeer.

Opwarming van het aardoppervlakte

De omvang van de opwarming van het aardoppervlak kan men afleiden uit de gemiddelde trend van de 3 meest gebruikte tijdreeksen. Als we er vanuit gaan dat de gemiddelde temperatuur in 2016 15 °C bedraagt en de gemiddelde trend een opwarming van 0,00162 °C/J laat zien over de 37 jaar van de onderzochte periode, dan krijg je een opwarming van 0,5994 °C. Dat wil zeggen dat de temperatuur trendmatig steeg van 14,4006 °C in 1979 naar 15 °C in 2016. Het oppervlakte van de Aarde is hierdoor volgens het model van Stefan-Boltzmann 3,24 W/m2 extra gaan uitstralen. Deze energie moet volgens de thermodynamica ergens zijn gebleven. Een deel is geabsorbeerd door de troposfeer. Deze is hier door opgewarmd maar ook minder transparant geworden voor stralingsenergie. Dat geldt zowel voor de instralende zonne-energie als wel voor de uitstralende energie van het Aardoppervlak. De albedo en de emissiviteit werden kleiner. Beide veranderingen dragen bij aan opwarming. Doel van het onderzoek is vast te stellen in welke mate dit is gebeurd.

Extra terugstraling door de troposfeer

In de literatuur wordt veelal gesproken van de atmosfeer maar het is eigenlijk alleen de troposfeer die voor het weer en dus ook voor het klimaat van belang is. De CO2-emissies komen bijvoorbeeld niet verder dan de troposfeer. Vandaar dat ik me alleen met de troposfeer zal bezig houden. De troposfeer is een voorwerp dat warmer is dan 0 K. Hierdoor zal het energie uitstralen. Ook naar het oppervlakte. De hoeveelheid hangt af van de temperatuur van de troposfeer. Als de troposfeer opwarmt zal het meer energie uitstralen. We dienen dus te achterhalen hoeveel de troposfeer gedurende de onderzochte periode is opgewarmd. Dat is een beetje lastig. De meeste opwarming is aan het oppervlakte en de minste opwarming vindt plaats in de afsluitende laag die men ook wel tropopauze noemt. De troposfeer wordt opgedeeld in meerdere lagen met elk hun eigen tempo van opwarming. Tabel 1 geeft weer hoeveel dit is per laag en uit gemiddeld voor de totale troposfeer.

opwarm-troposfeer

Tabel 1 Gemiddelde opwarming troposfeer

De opwarming van de troposfeer over de onderzochte periode bedraagt 37 x 0,0099 °C = 0,3663 °C We hebben in een eerder onderzoek de gemiddelde temperatuur van de troposfeer vastgesteld op -20 °C. De temperatuur van de troposfeer is dus gestegen van -20,3663 °C naar -20 °C. Uit het model van Stefan-Boltzmann kunnen we opmaken dat de extra terugstraling van de troposfeer 1,33 W/m2 bedraagt. Dan blijft alleen nog over om vast te stellen hoeveel de albedo en de emissiviteit terug lopen door de extra CO2 in de atmosfeer.

Extra absorptie in de troposfeer

De extra CO2 die door verbruik van fossiele brandstof in de troposfeer komt zorgt voor extra absorptie. Dit geldt zowel voor het invallend SWR-gebied(zonne-energie) als wel voor het uitstralende LWR-gebied(Aarde). Extra absorptie in het SWR-gebied leidt er toe dat minder zonne-energie het oppervlak bereikt. Hierdoor wordt er minder energie gereflecteerd door het oppervlakte. Hier door zal de totale reflectie lager uitvallen. Er blijft meer zonne-energie over en dit leidt tot opwarming. Extra absorptie in het LWR-gebied leidt er toe dat er minder uitstraling van energie van het oppervlakte kan ontsnappen naar het heelal. De emissiviteit gaat hierdoor omlaag en dit leidt ook tot opwarming. Men dient beide gebieden mee te nemen. Om dubbeltelling van energie te voorkomen dienen we de extra backradiation van de troposfeer af te trekken van de extra uitstraling van het oppervlakte. De extra absorptie van de troposfeer is dan 3,24 – 1,33 = 1,91 W/m2. Deze extra absorptie dient men vervolgens te verdelen over het SWR-gebied en het LWR-gebied. De manier waarop kan men het beste begrijpen door een blik te werpen op de energiebalans van Kiehl en Trenberth;

plaatje-4-kiehl-trenberth-1997-color

Figuur 1 Energiebalans van Kiehl en Trenberth (1997)

De absorptie in het SWR-gebied is af te lezen en bedraagt 67 W/m2. De absorptie in het LWR-gebied kan men berekenen uit de uitstraling van het oppervlak minus de hoeveelheid die uiteindelijk na veel omwegen en avonturen weet te ontsnappen naar het heelal. De absorptie in het LWR-gebied is 390 – 325 = 155 W/m2. Hieruit kan de verhouding bepalen waarin de extra absorptie verdeelt zal worden. De verhouding tussen 67 en 155 is 3 staat tot 7. De extra absorptie in het SWR gebied is dus 0,3 maal 1,91 = 0,573 W/m2. Aan de hand hiervan zullen we de wijziging in de albedo bepalen.

Wijziging in de albedo

We gaan er van uit dat de energiebalans de situatie weergeeft in 2016. De totale albedo van de Aarde bestaat uit de bijdrage van de atmosfeer en die van het oppervlakte. Die van de atmosfeer veranderd niet. Het gaat er dus om om de albedo van het oppervlakte te bepalen. Deze bedraagt 30 gedeeld door 168 + 30 = 0,1515. In 1979 werd er door de atmosfeer 0,573 W/m2 minder geabsorbeerd. De absorptie van de atmosfeer bedroeg toen 67 minus 0,573 = 66,427 W/m2. Dat betekent dat er 342 minus 77 minus 66,43 = 198,573 W/m2 het oppervlakte wist te bereiken. Daar van wordt door het oppervlakte 0,1515 maal 198,573 = 30,0833 W/m2 gereflecteerd. De totale reflectie in 1979 was dus 77 plus 30,0833 = 107,0833 W/m2. De totale albedo in 1979 bedroeg dus 107.0833 gedeeld door 342 = 0,3131. Voor 2016 kunnen we aflezen dat de totale albedo gelijk is aan 107 gedeeld door 342 = 0,3129. Dat is iets kleiner dan in 1979 en volgens ons model geeft dit extra opwarming. We zullen de resultaten straks in tabelvorm weergeven. Verder met de emissiviteit.

Wijziging in de emissiviteit

De emissiviteit van de Aardeoppervlakte naar het heelal voor 2016 bedraagt 235 gedeeld door 390 = 0,6026. Voor 1979 is het vrij lastig om op dezelfde manier als met de albedo de emissiviteit te willen berekenen. Daarvoor moet je de hele energiebalans herberekenen. Dat is veel werk. Gelukkig is er een snellere manier. Deze komt voort uit dat in een energiebalans een evenwichtsvoorwaarde geldt. De hoeveelheid energie die de zon instraalt is gelijk aan de hoeveelheid energie die de Aarde uitstraalt. De zon straalt 342 W/m2 in. Deze instraling wordt extern bepaald en veranderd niet door de opwarming van de Aarde. De totale reflectie in 1979 was 107,0833 W/m2. Dan blijft er 234,9167 W/m2 over aan uitstraling. Met behulp van het model van Stefan-Boltzmann kunnen we vaststellen dat het aardoppervlak in 1979 386,77 W/m2 uitstraalde naar de troposfeer. Daarvan wist dan na veel omwegen en avonturen uiteindelijk 234,9167 W/m2 te ontsnappen naar het heelal. De emissiviteit was in 1979 gelijk aan 0,6072. Ook de emissiviteit is dus kleiner geworden over de onderzochte periode. Ook dit leidt tot opwarming. Met behulp van mijn model kunnen vaststellen in welke mate dit plaats vond.

Voorspelling opwarming door mijn model

Vermindering van albedo en emissiviteit leiden beide tot opwarming in mijn model. De mate waarin dit plaatsvond kan men het beste weergeven in tabel vorm. Deze geeft ook weer hoe goed mijn model in staat is om dit te doen door de voorspelde opwarming te vergelijken met de gemeten opwarming over de onderzochte periode.

voorspelling-waarneming

Tabel 2 Vergelijking voorspelde en waargenomen opwarming aardoppervlak.

Het door mij ontwikkeld model is heel goed in staat gebleken om de opwarming van de Aarde over de onderzochte periode van 1979 tot en met 2016 te voorspellen. De afwijking is slechts minimaal gebleken. Het is de opwarming van de Aarde die de klimatologen interesseert. Niet een model dat de temperatuurkarakteristieken van Aarde en Maan kan verklaren. Maar mijn model heeft ook iets te vertellen over de klimaatverandering en kan dus ook op dit vlak iets toevoegen aan het debat.

Conclusie

Mijn model blijkt heel goed te voldoen als het gaat om de mate van opwarming van het oppervlak van de aarde te voorspellen. Het is gewoon een heel goed model. Dat was ook het doel dat ik voor ogen had toen ik ben begonnen met het ontwikkelen van dit model. Het heeft veel tijd en energie gekost maat het heeft de moeite geloond. Mijn model kan heel bruikbaar zijn voor de klimatologie. Het kan de echte temperaturen van de Aarde verklaren en niet alleen de effectieve temperatuur. Dit is een hele vooruitgang en dat is het doel van de wetenschap.

Literatuurlijst

Wikipedia – Stefan – Boltzmann Law
Kiehl &Trenberth – Earth’s annual global mean energy budget
AR Horstman – Het ontwikkelen van een simpel model om het verschil in temperatuur karakteristieken tussen de Maan en de Aarde te verklaren
AR Horstman – Antropogeen versterkt broeikaseffect
Roy Spencer – New Sanders et al – Paper on satellites versus models

 

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. Mijn woonplaats wordt door een bekend schrijver die er gewoond heeft omschreven als het "onliefelijk stadje E.". Een bekend dichter had het over het einde van de spoorlijn. Het is een fijne stad om in te wonen. Kort samengevat: E. heeft het!
Dit bericht werd geplaatst in artikel en getagged met , , , , , . Maak dit favoriet permalink.

Een reactie op Hoe goed kan mijn model de opwarming van de Aarde verklaren?

  1. Pingback: Een simpel model om de temperatuur karakteristieken van Aarde en Maan mee te verklaren | Raymond FANTASTische Horstman

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 )

Google photo

Je reageert onder je Google 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 )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.