Bestaat het broeikaseffect eigenlijk wel?

Bestaat het broeikaseffect eigenlijk wel?

Inleiding

In dit korte artikel houdt ik me bezig met de vraag of het broeikaseffect wel bestaat. We zullen zien dat het gangbare model deze vraag niet kan beantwoorden. Het model kan de temperatuur niet verklaren en dus niet vaststellen of de gemiddelde temperatuur van het oppervlakte van de Aarde hoger is dan te verwachten viel. Met het door mij ontwikkeld model kunnen we deze vraag net zo min beantwoorden. Wat we wel kunnen verklaren is waarom de gemiddelde temperatuur van de Aarde 80°C hoger ligt dan de gemiddelde temperatuur van de Maan. Het ligt niet in een verschil in zonne-energie tussen Aarde en Maan. Zo’n verschil is er niet. In de loop van een jaar krijgen Aarde en Maan gemiddeld net zo veel zonne-energie. Het ligt in het verschil in eigenschappen tussen Aarde en Maan en dit verschil komt voort uit het feit dat de Aarde een atmosfeer heeft en de Maan niet. Het broeikaseffect is een eigenschap van de atmosfeer en zal op een andere manier moeten worden aangetoond dan door het gebruik van mijn of het gangbare model.

Het gangbare model

In het gangbare model van Stefan-Boltzmann voor een grey body wordt een schijf zonlicht met een oppervlak van π*r² verdeeld over het oppervlakte van de Aardbol met 4*π*r². Het gevolg is dat:

E-in = ((1-α)*TSI)/4 en E-uit = ε*σ*T⁴ . In evenwicht geldt;

E-in = E-uit <=>

((1-α)*TSI)/4 = ε*σ*T⁴ <=>

T = ⁴√ ((1-α)*TSI)/4*ε*σ)

Met     T = gemiddelde temperatuur oppervlakte Aarde=15°C

α = albedo of weerkaatsing = 0,3

TSI = Zonne constante = 1366 W/m²

ε = emissiviteit

σ = Stefan-Boltzmann constante

Men kiest dan voor ε = 1. Want de emissiviteit van het oppervlakte van de Aarde is dicht bij 1. Als men nu alle gegevens invult krijgt men een gemiddelde temperatuur van -19°C en dat klopt uiteraard niet. De echte temperatuur is 15°C. Het verschil luidt de conclusie is het broeikaseffect. Dit is wat men als bewijs aanvoert dat het broeikaseffect werkelijk bestaat. Het broeikaseffect is een eigenschap van de atmosfeer die het mogelijk maakt dat de temperatuur hoger is dan op grond van het Stefan-Boltzmann model valt te verwachten. Het broeikaseffect wordt gedragen door de broeikasgassen zoals kooldioxide(CO₂), methaan(CH₄) en lachgas(N₂O) maar ook door waterdamp(H₂O). Als het gehalte aan broeikasgassen in de atmosfeer stijgt krijg je meer absorptie van warmtestralen en stijgt de temperatuur. Dit laatste is ongetwijfeld waar maar is het eerste dat ook? Uit de energiebalans van Kiehl en Trenberth weten we dat de emissiviteit van het oppervlak ansicht er niet toe doet. Het gaat om de hoeveelheid van de energie die het oppervlak wordt uitgestraald dat uiteindelijk het heelal bereikt. En dat geeft een emissiviteit ε die ongeveer 0,6 groot is. Vul je dit in dan wordt de gemiddelde temperatuur zoals door het model wordt verklaard wel 15°C. Als het bovengenoemde het bewijs moet zijn voor het bestaan van het broeikaseffect is het dan niet weerlegd door het onderste deel van de paragraaf? Alleen als je er vanuit gaat dat het boven weer gegeven model juist is. Maar als je met dit model probeert om de temperatuur van de Maan te verklaren voldoet dit model niet. De albedo α van de Maan is 0,07 en de emissiviteit ε is 0,96. als je dit in het model invult krijg je een gemiddelde temperatuur voor het oppervlakte van de Maan van 4°C. De echte temperatuur is echter  -65°C. Het is duidelijk dat het model zoals boven is weergegeven niet klopt. Je kunt op deze manier niet bewijzen of weerleggen of het broeikaseffect bestaat. Dan zal het model toch echt eerst in staat moeten zijn om de temperatuur correct te berekenen. Dat blijkt zo niet te lukken. In de volgende paragraaf zullen we zien dat mijn model in elk geval de juiste temperatuur kan berekenen. Mijn model kan de temperatuur wel bepalen door de aannames in overeenkomst te brengen met de werkelijkheid en door een extra variabele toe te voegen. Dit komt aan de orde in de volgende paragraaf.

Het simpele globale model

Het door mij ontwikkeld model gaat uit van het feit dat de schijf zonlicht met oppervlakte π*r²    nooit gelijkmatig verdeeld kan worden over het oppervlakte van de Aarde of de Maan. Slechts 1 helft, de dagkant, krijgt alle zonne-energie. De dagkant heeft een oppervlakte van 2*π*r² . De hoeveelheid zonne-energie is dan ook ½ * TSI. De nachtkant krijgt een deel van deze zonne-energie door het bufferen van zonne-energie. Er is een groot verschil in het bufferend vermogen b voor de Aarde en de Maan. Het bufferen van energie  is als het opladen van een batterij. Overdag vindt de oplading plaats en ‘s-nachts de ontlading. Je dient dan ook een onderscheid te maken tussen de dagkant en de nachtkant. Dit werk je uit in de formules. In evenwicht geldt;

E-in-dag = E-uit-dag en E-in-nacht = E-uit-nacht:

E-in-dag =  ½ * (1- α) * (1-b) * TSI en E-uit-dag =  ε*σ*T-dag⁴  <=>

½ * (1- α) * (1-b) * TSI =  ε*σ*T-dag⁴  <=>

T-dag = ⁴√ (½(1-α)*(1-b)*TSI)/ε*σ)

E-in-nacht =  ½ * (1- α) * b * TSI en E-uit-nacht =  ε*σ*T-nacht⁴  <=>

½ * (1- α) * b * TSI =  ε*σ*T-nacht⁴  <=>

T-nacht = ⁴√ (½(1-α)*b*TSI)/ε*σ)

T-gem = (T-dag + T-nacht)/2

T-verschil=T-dag – T-nacht

Met     T-dag = gemiddelde van de maximale temperaturen in K

T-nacht= gemiddelde van de minimum temperaturen in K

T-gem = gemiddelde temperatuur van het oppervlakte in K

T-verschil = het verschil tussen T-dag en T-nacht in K

α = albedo of weerkaatsing

TSI = Zonne constante = 1366 W/m²

ε = emissiviteit

b = bufferend vermogen

σ = Stefan-Boltzmann constante

Het bufferend vermogen b is bepaald uit de verhouding tussen T-dag en T-nacht. De definitie is

b=(Tnacht/T-dag)⁴/(1 + (Tnacht/T-dag)⁴ ) met 0 < b < 0,5

Hiermee is het complete model weergegeven.

Wat we nu willen weten is of je met dit model wel kunt aantonen dat het broeikaseffect bestaat. We kunnen met behulp van dit model in elk geval de juiste temperatuur bepalen. Dat is al vast een stap in de goede richting. Daar voor dienen we de eigenschappen van de Aarde en Maan in te vullen in het model. De eigenschappen staan in tabel I;

Tabel I – Eigenschappen van Aarde en Maan

Als we deze eigenschappen invullen krijgen we een gemiddelde temperatuur voor het oppervlakte van de Maan van  -65°C en voor de aarde een temperatuur van 15°C. Het verschil in eigenschappen komt voort uit het feit dat de Aarde een atmosfeer heeft en de Maan niet. Daardoor krijg je het grote verschil in temperatuur van maar liefst 80°C. Een deel van dit verschil zal voortkomen uit het broeikaseffect maar hoe groot dat is kan mijn model niet zeggen. Wat mijn model wel kan zeggen is wat elke afzonderlijke eigenschap heeft bijgedragen aan het verschil in temperatuur. Dit is weergegeven in Tabel II;

Tabel II – bijdrage van de afzonderlijke eigenschappen

Het verschil in albedo tussen Aarde en Maan zorgt voor afkoeling. Immers het albedo of weerkaatsend vermogen is voor de Aarde hoger. Je houdt dan minder energie over voor de opwarming. Een veel lagere emissiviteit zorgt er voor dat het op Aarde warmer is dan op de Maan. De aanwezige energie wordt minder makkelijk vrij gegeven. Dit komt aardig in de buurt van wat men meestal onder het broeikaseffect verstaat. Maar de voornaamste oorzaak voor het feit dat de Aarde veel warmer is dan de Maan is het bufferend vermogen. Voor de Maan is deze eigenschap heel laag. De nachtkant van de Maan krijgt weinig energie mee van de dagkant is is daardoor ijzingwekkend koud. Dit haalt het gemiddelde voor de Maan flink omlaag. Dit komt omdat het verband tussen temperatuur en stralingsenergie nu eenmaal niet lineair is. Dit is wat mijn model kan vaststellen.

Conclusie

Het broeikaseffect is een eigenschap van de atmosfeer. Het zorgt ervoor dat de gemiddelde temperatuur hoger is dan zonder deze eigenschap mogelijk is. Het broeikaseffect vertaalt zich in andere eigenschappen dan zonder het geval zou zijn geweest. Het zal zich vooral vertalen in een lagere emissiviteit en een hoger bufferend vermogen. Of het bestaat of niet kan men op grond van het Stefan-Boltzmann model niet bepalen. Niet door het gangbare model. Immers dit model kan de temperaturen niet eens vaststellen van de Aarde en de Maan maar evenmin met het door mij ontwikkeld model. Door de juiste aanname te doen dat zonne-energie niet gelijkmatig kan worden verdeeld over de dag en de nachtkant maar dat de dagkant alle zonne-energie krijgt en de nachtkant niets en dat de nachtkant slechts energie kan verkrijgen van de dagkant door het bufferend vermogen kom je tot een werkend model. Het bufferend vermogen draagt sterk bij aan de hogere temperatuur voor de Aarde dan de Maan. Om vast te stellen of het broeikaseffect wel of niet bestaat zal men dienen te kijken naar de back-radiation van de troposfeer. Men kan op grond van de temperatuur van de troposfeer met behulp van de Wet van Stefan-Boltzmann bepalen hoe hoog deze back-radiation ook  longwave downward radiation genaamd hoort te zijn. Als zoals dat op aarde het geval is dat deze back-radiation veel hoger is heeft men een duidelijke indicatie voor het bestaan van het broeikaseffect. Het is via de energiebalans van de aarde dat men het broeikaseffect dient aan te tonen. Ik zal trachten om in een nog te verrichten studie een energiebalans te maken met een dagkant en een nachtkant. De eerste rekensommen zien er goed uit. Misschien dat het mij lukt om dit tot stand te brengen. Omdat dit veel rekenwerk is en de kans op rekenfouten vrij groot is zal ik de energiebalans in een werkblad stoppen en er dan met trial and error proberen of het voor elkaar te krijgen is.

Literatuurlijst

Wikipedia – Broeikaseffect

Wikipedia – Greenhouse effect

Wikipedia – Greenhouse gas

Wikipedia – Stefan-Boltzmann Law

Ontwikkelen van een simpel model

Een serie artikelen over het broeikaseffect