>

VAN KOUD NAAR WARM ZONDER FORMULES

Klimaat onderzoekers vertellen dat de aarde een broeikas is, warmer dan een steenklomp in de ruimte. Dat komt vooral door 'broeikasgas' in de lucht. Die straalt energie naar de zee en de vaste grond. Volgens het IPCC zelfs 342 Watt/m2. Dat is meer dan twee keer zoveel als de zon, die maar 161 Watt/m2 op de grond brengt.
Andere onderzoekers bespotten die verklaring. De lucht is kouder dan grond en zee; en warmte stroomt nu eenmaal nooit uit zichzelf van koud naar warm.
Wat is hier aan de hand? Verstandige mensen in beide kampen en dan zo'n meningsverschil?

Energie is energie. Geen warmte, geen elektriciteit, geen olie, geen kolen en geen zonnecel. Het is een natuurkundig begrip. Heel nuttig, want tussen hemel en aarde verandert er niets, zonder dat energie daarin een rol speelt. Het is de integraal van de bewegingsvergelijkingen. Dat begrijpen maar weinigen. De rest maakt ruzie over de warmtestraling waarmee de lucht de aarde zou verwarmen.

Energie is onzichtbaar en onvoelbaar. Het manifesteert zich indirect. In een gesloten systeem neemt het nooit toe of af. We zeggen energie is behouden(1). Wie een bal opwerpt, geeft hem bewegingsenergie. Die neemt tijdens de weg omhoog af en verandert in evenveel potentiële energie. Terug gebeurt het omgekeerde en na vangst is de bal die energie kwijt. Het is omgezet in warmte energie, de willekeurige beweging van moleculen in bal en hand. Goed gemeten is de hoeveelheid energie niet veranderd.
Energie kan je overbrengen naar een andere plaats. Met die bal bijvoorbeeld. De bewegingsenergie die een fietser aan de trapper geeft, gaat via de pedaal naar het tandwiel. Dat draagt het over aan de ketting, die het doorgeeft aan het achterwiel. En dat weer terug aan de fietser en zijn fiets. In fabrieken gebruikt men aandrijfriemen om de energie van een motor over te brengen naar een ander werktuig, zoals een pomp, een zaag enz.
Energie kan dus verplaatst worden en omgezet van één vorm in een andere. Je kunt energie opbergen in beweging, in een vliegwiel bijvoorbeeld. Ook in potentiéle energie, zoals water dat je oppompt in een bergmeer; of in elektrische energie met een dynamo. Elektrische energie zet je met een elektromotor weer om in bewegingsenergie of in warmte in een gloeidraad en in stralingsenergie, licht en andere straling. Stralingsenergie verplaatst zich zonder verlies door de lege ruimte. Daarvoor is geen aandrijfriem nodig. Het kan over grote afstand in wisselwerking met materie weer worden omgezet in andere vormen.
Nucleaire- en chemische energie zijn weer andere vormen. Bij nucleaire energie verdwijnt wat massa. Het komt vrij in de de vorm van warmte van massa en straling. Chemische energie is net als nucleaire een soort potentiële energie. Die lang kan worden bewaard en pas vrij komt bij een reactie, in de vorm van warmte, straling, of andere chemische energie.
Voor transport van warmte energie geldt een speciale wet. We noemen het zelfs een hoofdwet, net als die van behoud van energie. Die van het warmte energie transport luidt: warmte stroomt alleen van warm naar koud. Het kan wel andersom, maar daarvoor moet je een instrument hebben, bijvoorbeeld een warmte pomp, zoals in een koelkast en dat kost energie die je extra moet toevoegen.
Zo'n regel geldt niet voor transport van andere vormen van energie. Een motor in een koele ruimte kan heel goed via een as of een aandrijfriem zijn energie doorgeven aan een machine in een andere kamer, waar het veel warmer is. Voor energie transport via straling gelden weer andere regels.

Stralingsenergie komt van bewegende - eigenlijk versnellende en vertragende - materie. De beweging - botsing - van moleculen maakt dat alle materie straalt. Omgekeerd zet materie ontvangen straling om in een andere energievorm. Hoe warmer een voorwerp, hoe meer het straalt.
De zon is warm. Die verliest zijn energie door straling. Atoomkernfusie vult het verlies aan. Straling manifesteert zich pas in wisselwerking met materie. Een volstrekt zwart lichaam zet ontvangen stralingsenergie om in warmte en gaat zelf meer stralen. Sommige minder zwarte materialen, zoals zonnecellen, in elektriciteit, of chlorofyl van planten in chemische energie. Volstrekt zwarte lichamen zijn er niet. Ook dwars door een pikzwarte plank passeert röntgen straling. En licht reist een heel eind schijnbaar ongemoeid door lucht en door water. Materie kan dus straling doorlaten. Daarvan wordt ze niet warm en de chemie verandert niet. Materie kan ook straling reflecteren. Daarbij gaat de straling terug de ruimte in zonder dat er binnen de materie iets verandert(2). Er gaat dan ook geen energie verloren. (Energieverlies is een verkeerd woord. Energie gaat niet verloren. Het kan alleen omgezet in een andere vorm.)

Zo min als er volstrekt zwarte lichamen zijn, zo min ook volstrekt doorzichtige. Het hangt af van het materiaal en van de aard van de straling. Water laat licht goed door. Snorkelaars kunnen elkaar en de koralen die ze bewonderen overdag prima zien. Maar diepduikers nemen een lampje mee. Geleidelijk neemt met de diepte de zonnestraling af. In de diepzee is het altijd nacht. De stralingsenergie is weg. Die is uiteraard niet verloren, maar omgezet in een andere vorm, meest warmte. Hetzelfde gebeurt in lucht. De stralingsenergie van de zon die de vaste aarde bereikt is minder dan die aan de top van de atmosfeer. Zee en lucht zijn noch doorzichtig, noch ondoorzichtig. Voor straling zijn ze troebel. Als de laag maar dik genoeg is, komt er niets meer door.

Als (stralings)energie ergens binnenstroomt en de straling vermindert zijn er maar twee mogelijkheden het wordt opgeslagen of het stroomt er in andere vorm uit. De verdwijnende zonnestraling diep in zee, warmt het water daar op. Als de warmte niet weg kon, zou het daar na een tijdje gaan koken. Je zou kunnen denken dat het verwarmde water zelf meer gaat stralen en zo zijn temperatuur constant houdt. Maar dat is niet het geval. Want voor het soort straling dat bij die temperatuur hoort, is water pikzwart. Het laat die straling niet door. Het moet dus anders. In zee gebeurt dat in hoofdzaak door tubulentie, stroming en warmtegeleiding. Bij stroming verplaats je materie die de warmte herbergt. Dat gaat zowel van warm naar koud als van koud naar warm, al zou koude lucht een warmere kamer afkoelen. Hoewel ook die koude lucht warmte energie bevat.

Een volstrekt zwart bolvormig lichaam in de ruimte warmt in de zonnestraling op tot de temperatuur zo hoog oploopt dat het zelf evenveel uitstraalt als het van de zon ontvangt. Wanneer die bol de warmte ideaal geleidt, is de bol overal even warm. Die zou dan, indien we rekening houden met reflectie, op even grote afstand van de zon als de aarde, een temperatuur hebben van -18 °C. Wanneer de warmtegeleiding minder goed is en de temperatuur op verschillende plaatsen en tijden verschilt, kan je een gemiddelde temperatuur bepalen. Die is dan nog verder onder nul. Dat we op aarde een gemiddelde temperatuur van 15 °C boven 0 hebben, noemt men het broeikaseffect. Het komt doordat de aarde geen zwarte bol is. Het is in in hoge mate een troebel lichaam dat stralingsenergie ontvangt en omzet in warmte energie ver van de plaats waar het die alsmaar door de zon geleverde energie terug straalt de ruimte in. Toch moet het die zien kwijt te raken. Gaat dat niet door straling, zoals in water, of voor delen van de straling in lucht, dan moet het via warmtetransport of massatransport. Dat kan alleen van warm naar koud. (Ook bij massa transport kan de warmte-energie die het bevat alleen aan een kouder lichaam worden overgedragen.)
Een troebel lichaam in een stralingsveld zal dus binnen in warmer moeten zijn dan aan de buitenkant, van waaruit het de van de zon ontvangen energie weer naar het heelal stuurt. Wij verblijven binnen zo'n troebel lichaam, waar het dus gelukkig warmer is dan op of binnen een zwarte bol.
Hoe lastiger het energietransport van binnen naar buiten, hoe warmer het binnen wordt. Lucht en water werken als een deken op een bed met een elektrische onderdeken. In het bed komt de elektrische energie binnen via een draadje, dat niet door een deken gehinderd wordt. Maar de verkregen warmte energie moet wel door die deken naar buiten. En hoe beter de deken isoleert, hoe warmer het binnen in moet worden om de warmte energie naar buiten te persen. Ook de zon stuurt bijna ongehinderd zijn stralingswarmte naar binnen. Maar veel ervan moet het binnen flink opwarmen voor het warmtetransport groot genoeg is om evenveel energie een plek te laten bereiken, van waaruit de materie het weer het heelal in kan stralen.

Of en hoeveel atmosferisch CO2 iets bijdraagt aan die afremming van het energietransport? Ik denk niet noemenswaard. Alles heeft met alles te maken. Gelukkig meestal onmeetbaar weinig. Gassen zijn door hun geringe dichtheid slechte stralers. Door een proefje met een kaars en een radiator van de CV kan je dat makkelijk zelf ondervinden. Een klein deel van de straling wordt door CO2 in de lucht geabsorbeerd en omgezet. De lucht wordt warmer en het straalt zelf opnieuw in ongeveer hetzelfde stralingsgebied. Daarvoor is, net als hierboven voor water beschreven, de lucht met zijn CO2 zoal niet pikzwart, dan toch aardig duister. We hebben daarom in hoofdzaak met lokale warmte energie te doen. En die verplaatst zich alleen van warm naar koud. Dus daarmee vanuit koude lucht de warmere aarde verwarmen is uitgesloten. Dat zou dan alleen met het stralingsresidu moeten gebeuren en resulteren in een grotere energiestroom dan die van de zon (!).

Ook energie transport door straling is aan bepaalde wetten onderworpen. Die zijn met de klassieke natuurkunde niet uit te leggen. Ze druisen soms in tegen een intuïtieve verwachting. Straling is aan quanta gebonden. Het zijn stralingspakketjes, fotonen, met een golfkarakter. De energie van zo'n foton is hν waarin ν de fequentie van de straling is en h een natuurconstante.
Elk voorwerp met een temperatuur boven het absolute nulpunt zendt zulke pakketjes uit. Die kunnen hun energie aan een ander voorwerp overdragen, ook als ze afkomstig zijn van een koud voorwerp aan een warmer.
De wiskunde, die het duale karakter van de straling, enerzijds een pakketje, anderzijds een golf, beschrijft, legt daaraan een beperking op. Die is alleen quantumfysisch te begrijpen. Zij voorkomt totale omverwerping van de macroscopische thermodynamica. Indien netjes uitgerekend, is het niet mogelijk door ongemoduleerde straling(3), zoals uitgezonden door een warm voorwerp een warmer voorwerp verder te verhitten. Indien zij alleen stralingscontact hebben gaat er netto slechts energie van warm naar koud, net als bij transport van warmteenergie, ongeacht de vorm van die voorwerpen. Het is dus niet mogelijk door de ongemoduleerdestraling vanuit koude lucht een warmere aarde te verwarmen. Uiteraard reduceren de uit de kou afkomstige fotonen wel de de netto energieoverdracht van warm naar koud.

Conclusie De troebele lucht en de troebele zee maken de aarde warmer dan een zwarte bol. Dat is het veel besproken broeikaseffect. Ze remmen het energietransport terug naar het heelal.
Terug straling kan je meten. Maar als je dat doet en je richt je meter in tegengestelde richting, zal je merken dat er op die plek ook straling in tegengestelde richting gaat. En als er verschil is, gaat er energie van warm naar koud. Berekening m.b.v. fundamentele stralingswetten zou netto hetzelfde resultaat geven. In het IPCC CO2-model van straling, straalt de lucht niet alleen terug naar de aarde, ze straalt zelfs meer omlaag, 342 W/m2, dan omhoog, 239 W/m2. In het laboratorium moeten stralers die dat kunnen nog worden uitgevonden(3) ☻.
N.B.Uiteraard kan warmere lucht wel door straling of geleiding koudere zee of grond verwarmen. Maar dat is een moeizaam proces. Lucht is door de geringe dichtheid een slechte straler en de warmtecapaciteit is gering. Dat er gemiddeld over een jaar langs die weg meer energie van lucht naar land en zee zou gaan dan omgekeerd acht ik onwaarschijnlijk.
Ik vermoed dat er bij het middelen van de metingen iets is misgegaan. De broeikas werkt anders.

Naschrift.
Ken B. Gregory wees mij op een foutief gedachten experiment in een eerdere versie van dit artikel, waarmee ik het onmogelijke tegendraadse energie transport trachtte te illustreren. Ik heb de tekst die daarop betrekking heeft veranderd. Ken, bedankt!

C. (Kees) le Pair
Nieuwegein. 2020 09 17.


Noten

  1. De relativiteitstheorie maakt massa en energie equivalent. Eigenlijk moet je dus zeggen: Energie is behouden, indien de massa niet verandert.
  2. Er is wel stralingsdruk. Maar druk is geen energie. Dat is er pas als de druk iets verplaatst.
  3. Straling kan gemoduleerd zijn. Wij kunnen dat bv. met een laser, of met lenzen en spiegels. Voor zulke straling gelden andere regels.