Terugstraling van de atmosfeer

Het broeikaseffect is het proces in de atmosfeer dat er voor zorgt dat het aardoppervlak minder koud is dan wanneer er geen atmosfeer zou zijn. De veronderstelling is dat het broeikaseffect zorgt voor een atmosferische temperatuursverhoging van ongeveer 33°C, waarmee de gemiddelde temperatuur op aarde geen -18°C is maar 15°C is. Daarbij wordt vaak de indruk gewekt dat de atmosfeer het aardoppervlak opwarmt door middel van terugstraling (back radiation).

De basis voor die veronderstelling is het volgende plaatje uit een van de rapporten van het IPCC. De figuur geeft het gemiddelde energiebudget weer van de aarde. De gele pijl is het zonlicht dat voor een deel het aardoppervlak bereikt en ervoor zorgt dat de aarde opwarmt. De energie die aarde absorbeert straalt het weer uit in de vorm van warmtestraling (de oranje pijl naar boven). De broeikastheorie veronderstelt dat een deel van de warmtestraling van de aarde wordt geabsorbeerd door broeikasgassen die het vervolgens weer voor een deel terug stralen naar de aarde (de oranje pijl naar beneden).

Wat direct opvalt aan dit energiebudget is dat de neerwaartse straling ruim 2 keer zo groot is als de straling van de zon. Dat suggereert dat de atmosfeer meer dan 2 keer zo veel bijdraagt aan de temperatuur op aarde dan de zon. Dat is natuurlijk in werkelijkheid niet aan de orde. En dat kan ook niet, want de atmosfeer is immers kouder dan het aardoppervlak (hoe hoger, hoe kouder). Volgens de tweede hoofdwet van de thermodynamica en zoals iedereen uit eigen ervaring weet, kan warmte alleen stromen van iets met een hogere temperatuur naar iets met een lagere temperatuur en niet omgekeerd. De atmosfeer kan de aarde dus nooit opwarmen, laat staan dat de energiestroom 2 keer zo groot zou zijn als die van de zon.

Om beter te begrijpen hoe de oranje pijlen correct geïnterpreteerd moeten worden, kunnen we het voorbeeld nemen van een kop koffie. Volgens de natuurkundige wet van Stefan-Boltzmann is het zo dat elk object met een bepaalde temperatuur warmte uitstraalt (radiation). De omvang van die straling is gekoppeld aan de temperatuur van het object ten opzichte van het absolute nulpunt (‑273°C). Ook in dit geval zijn er daarom twee warmtestralingen: de straling van de omgeving naar het kopje en een van het kopje naar de omgeving. Die laatste warmtestraling is iets groter dan de eerste omdat het kopje warmer is dan de omgeving. Per saldo is alleen het verschil van de twee pijlen relevant; de werkelijke warmtestroom (heat flow) is aangegeven in het rechterplaatje. Een warmtestroom is altijd het gevolg van een temperatuurverschil en is altijd in de richting van het object met de laagste temperatuur.

In principe zijn beide plaatjes correct. Het grote probleem met het linker plaatje is dat je je bij alle berekeningen zeer goed bewust moet zijn dat die grote fluxen alleen een betekenis hebben als de warmtestraling ten opzichte van het absolute nulpunt (‑273°C). De warmtestraling van de omgeving naar het kopje leidt niet tot een effectieve warmtestroom, omdat het kopje met de relatief hogere temperatuur deze straling niet absorbeert.

Het oorspronkelijke plaatje van het energiebudget van de aarde zorgt voor veel verwarring en een verkeerde interpretatie van het broeikaseffect. Er wordt met de back-radiation gerekend alsof het wel een normale zelfstandige warmtestroom is die kan bijdragen aan de opwarming van het aardoppervlak. Op Wikipedia staat letterlijk: "The greenhouse effect is the process by which radiation from a planet's atmosphere warms the planet's surface to a temperature above what it would be without its atmosphere" "Het broeikaseffect is het proces waarbij straling uit de atmosfeer van een planeet het oppervlak van de planeet opwarmt tot een temperatuur boven wat het zou zijn zonder atmosfeer". De dikke neerwaartse oranje pijl suggereert ook een opwarmend effect vanuit de (koude) atmosfeer. In werkelijkheid leidt de back-radiation helemaal niet tot een warmtestroom naar de aarde. Voor de effectieve warmtestroom is alleen het verschil van de twee pijlen relevant. Een veel betere voorstelling van zaken is daarom de volgende weergave, waarbij er per saldo alleen een netto warmtestroom is van de aarde naar de atmosfeer.

Er blijft alleen een netto warmtestraling over van 398 - 342 = 56W/m² van het aardoppervlak naar de atmosfeer en de ruimte.

Het werkelijke broeikaseffect dat optreedt in de atmosfeer is met dit plaatje ook veel inzichtelijker. Van de warmtestroom van 56W/m² wordt een deel (ongeveer 20W/m²) geabsorbeerd door de atmosfeer. De broeikasgassen in de atmosfeer (water, CO₂, methaan, ozon) zijn hiervoor verantwoordelijk. Doordat de atmosfeer minder koud is dan het heelal, zal de aarde minder snel afkoelen. Dit is vergelijkbaar met het kopje koffie; als het kopje niet binnen stond, maar buiten in de vrieskou zou het sneller afkoelen. De atmosfeer is daarbij te beschouwen als een soort (stralings)deken. Met name bewolking zorgt er 's nachts voor dat het minder koud wordt. De bewolking absorbeert dan een groter deel van de van de opwaartse straling waardoor de netto warmtestroom vanaf de aarde kleiner wordt. De atmosfeer maakt de nacht niet warmer zoals de broeikastheorie beweert, het remt alleen de afkoeling.

De gevoeligheid voor de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer is gekoppeld aan de omvang van warmtestroom. Omdat de werkelijke warmtestroom een factor kleiner is dan eerder verondersteld, is er discussie over de omvang van de CO₂-gevoeligheid. In een recente presentatie laat Claes Johnson (hoogleraar aan het Royal Insitute of Technology, Zweden) zien dat de huidige berekeningen volgens hem uitgaan van te grote warmtestralingen. In de gangbare broeikastheorie leidt een verdubbeling van de hoeveelheid CO₂ daarbij tot 1% meer back-radiation, dus ongeveer 4W/m². Omdat in werkelijkheid de warmtestroom maar 20W/m² is, leidt in zijn optiek 1% toename tot maar 0,2W/m² stijging. Dat is een factor 20 kleiner dan nu verondersteld en voor de temperatuur op aarde te verwaarlozen. Ook andere wetenschappers hebben dit punt naar voren gebracht, onder andere Gerlich, Postma en recent Hertzberg.