Vostok ice core.

Door Pjotr’s Dwarsliggers.

Een globale thermodynamisch gebaseerde analyse van temperatuur, energie, waterdamp, convectie en oceanische processen

Inleiding

Het dominante publieke narratief presenteert CO₂ vaak als de centrale drijver van de huidige klimaatverandering en ziet daardoor fossiele brandstof als een existentiële bedreiging en eist de uitfasering hiervan op basis van zgn. ‘klimaatrechtvaardigheid’.

Een diepere algemene kijk op de natuurkundige en thermodynamische processen van het klimaatsysteem laat echter een genuanceerder beeld zien. CO₂ is een modulerende factor die het systeem hoogstens licht beïnvloedt.

Temperatuur is de uitdrukking van de energie-inhoud van het systeem. Alle belangrijke subprocessen die samen het klimaatgegeven bepalen, zoeken thermodynamisch evenwicht en worden primair gestuurd door temperatuur en temperatuurverschillen. CO₂ vertegenwoordigt zelf geen energie en kan daarom geen primaire drijver zijn.

1. Thermodynamische basis: Temperatuur als maat voor energie

Volgens de eerste hoofdwet van de thermodynamica (energiebehoud) kan CO₂ geen nieuwe energie creëren of vernietigen. De enige continue energiebron is de zon (en beperkte aardwarmte). Het klimaatsysteem streeft voortdurend naar evenwicht: inkomende zonne-energie moet uiteindelijk weer naar de ruimte worden uitgestraald. Temperatuur is de directe uitdrukking van de gemiddelde kinetische energie van de moleculen. Wanneer het systeem uit evenwicht raakt, past de temperatuur zich aan tot een nieuw evenwicht is bereikt. Dit proces wordt gedomineerd door sterke negatieve terugkoppelingen (feedback), waaronder de Stefan-Boltzmann wet (stralingsenergie staat in relatie tot de vierde macht van de absolute temperatuur)

2. Paleoklimaat: Temperatuur leidt CO₂ niet andersom.

De ijskernboringen in  Vostok en EPICA op Antarctica tonen over de afgelopen 800.000 jaar consistent dat temperatuurstijgingen voorafgaan aan de stijging van CO₂, met een vertraging (lag) van gemiddeld 600 tot 1300 jaar.

Dit is precies wat de wet van Henry voorspelt: warmer oceaanwater kan minder CO₂ oplossen en geeft het af aan de atmosfeer. In het natuurlijke systeem is CO₂ vooral een versterkende feedback, geen initiator.

3. Waterdamp: het overduidelijk dominante broeikasgas

Het totale aandeel van broeikasgassen in de atmosfeer is klein, namelijk ongeveer 0,4%  maar het thermisch broeikasgas effect daarvan wordt geschat rond 150W/m². Waterdamp is daarin verantwoordelijk voor ongeveer 50-70%, afhankelijk van de berekeningswijze terwijl CO₂ voor ongeveer 20% bijdraagt. Het effect van waterdamp is dan ook dominant over CO₂

Dit MIT artikel   Waarom geven we koolstofdioxide de schuld van klimaatverandering, terwijl  waterdamp een veel vaker voorkomend broeikasgas is? En van de NASA  Stoomrelaties: Hoe atmosferische waterdamp het broeikaseffect van de aarde versterkt zet de toon.

De hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer past zich razendsnel aan de omgevingstemperatuur aan (Clausius-Clapeyron-relatie: ~7% meer waterdamp per graad opwarming). Dit maakt het een krachtige, maar temperatuur-gestuurde feedback.

4. Convectie en latente warmte: de dominante warmtetransporteur

In de troposfeer (het onderste deel van de atmosfeer, waarin wij leven) domineert convectie en latente warmte het verticale transport. Straling speelt een ondergeschikte rol in deze dichte laag. Sterke negatieve feedbacks zorgen voor stabiliteit:

  • De wet van Stefan-Boltzmann geeft stralingsenergie als vierde macht van de temperatuur(T⁴)
  • Lapse-rate (snelheid waarmee de temperatuur daalt met de hoogte in de atmosfeer) terugkoppeling via convectie

5. De oceanische CO₂-pomp: volledig temperatuur-gedreven

Het opstapelen van CO2 in zeewater wordt bijna volledig bepaald door temperatuur  en de temperatuur gradiënt tussen pool en evenaar.

Koude poolwateren nemen CO₂ op, warme equatoriale wateren stoten het uit. Warmtetransport naar de polen (via oceanen en atmosferische cellen) maakt de polen warmer dan op basis van lokale instraling alleen. Daardoor is de CO₂-opname-efficiëntie verlaagd.

Dit hele mechanisme draait om temperatuurverschillen en heeft niets direct met de CO₂-concentratie zelf te maken die constant is over het aardoppervlak.

Concreet wordt CO2 opgenomen in zeewater aan de polen, en stroomt via de  wereldwijde oceaanstromingen terug naar de evenaar waar een groot deel weer uitgestoten wordt, de intensiteit van dit proces is afhankelijk van het temperatuurverschil tussen polen en evenaar en CO2 speelt via de densiteitsverandering slechts een minimale rol, daarbij is absorptie van CO2 exotherm (er komt warmte bij vrij) en stijgt de temperatuur licht wat het proces afremt.

6. De polen als radiator van de planeet

De polen zijn het belangrijkste mechanisme van warmteafvoer van het klimaatsysteem. Ze stralen significant meer energie uit dan ze lokaal ontvangen, dankzij grootschalig warmtetransport uit lagere breedtes (korter bij de evenaar) via de lucht- en de zeestromingen. Dit transport verhoogt de polaire temperatuur, verhoogt de uitstraling (T⁴) en vermindert de CO₂-opname-efficiëntie.

Vanwege de toenemende hellingshoek van de aarde ten opzichte van de zoninstraling daalt de energie opname van de zon richting de polen. De afstraling is proportioneel met het oppervlak waardoor de polen veel meer en de evenaar veel minder afstralen dan ze ontvangen. Het gevolg is een sterke warmtestroom van evenaar naar de polen, de evenaar en het zuidelijk halfrond warmen nauwelijks terwijl het noordelijk halfrond driemaal sneller opwarmt, dit is enkel mogelijk door een toegenomen stijging van de warmtestroom vanaf de evenaar richting Noordpool om deze temperatuursverhoging te realiseren. Dit is de olifant in de kamer voor de klimaatopwarming en toch zijn er zijn slechts een paar studies in deze richting en die kunnen het verschijnsel niet verklaren. CO2 speelt hier geen rol want deze is constant over het ganse aardoppervlak.

7. CO₂ als kleine modulator

Extra CO₂ verhoogt de partiële druk en vertraagt enigszins de uitgaande infraroodstraling, wat een kleine positieve energie-onbalans creëert (gemeten door CERES-satellieten).

Deze verstoring is echter klein vergeleken met de enorme natuurlijke fluxen van waterdamp en convectie. Het systeem past zich aan via sterke negatieve terugkoppelingen en zoekt een nieuw evenwicht bij een iets hogere temperatuur. Het klimaat is waarschijnlijk veel minder gevoelig voor een verdubbeling van CO₂ dan vaak wordt aangenomen.

Conclusie: Het klimaatsysteem is een thermodynamisch zelfregulerend systeem

Het klimaatsysteem is een complex, thermodynamisch geheel dat voortdurend evenwicht zoekt. Temperatuur is de centrale variabele: ze is zowel gevolg als drijver van de meeste processen. Waterdamp, convectie, oceanische gradiënten en grootschalige circulatie bepalen het gedrag. CO₂ modificeert dit systeem licht, maar speelt geen dominante rol. De wetenschap schiet tekort en geeft geen aandacht aan een verhoogde warmtestroom richting Noordpool om de klimaatopwarming te begrijpen en te verklaren.

Deze natuurkundige realiteit impliceert dat adaptatie aan natuurlijke variabiliteit en het garanderen van betaalbare, betrouwbare energie belangrijker zijn dan een obsessieve focus op emissiereductie. Het systeem heeft in het verleden veel grotere veranderingen doorstaan en zal dat ook in de toekomst doen, gedreven door beschikbare energie en volgens  de thermodynamische wetten.

***