De logica vanuit natuurkundig oogpunt komt eigenlijk vooral neer op het feit dat een toename in broeikasgassen zorgt voor een toenemend temperatuurgradiënt vanaf het aardoppervlak, maar hierbij wat meer uitleg: de stratosfeer ligt ongeveer tussen de 12 en 50 kilometer boven het aardoppervlak en wordt gekenermkt door een temperatuurprofiel dat toeneemt met de hoogte. Dit komt door de absorptie van de zon's UV-straling door ozon (en dus bij afname van ozon neemt de absorptie van UV-straling af en dus ook het vasthouden van warmte; waarnemingen geven een ozonafname weer in de lagere stratosfeer; daarnaast zorgt een toename van CO2 ervoor dat ozon) en vormt een scherp contrast met de lagere atmosfeer (troposfeer). Aldaar is sprake van een temperatuurprofiel dat afneemt met hoogte als gevolg van het uitzetten van gassen naar mate de druk afneemt met hoogte.
In het geval van de aarde is de hoeveelheid binnenkomende zonnestraling nagenoeg constant (1670 Wm-2). Dit houdt in dat er ergens een punt in de atmosfeer moet zijn (verticaal bekeken) alwaar de temperatuur gelijk is aan de effectieve stralingstemperatuur (255 Kelvin), het zogenaamde effectieve stralingsniveau. Dit ligt zo rond de 6 kilometer hoogte. Aangezien een toename van broeikasgassen een toename in het temperatuurgradiënt impliceert, moeten de temperaturen zich rond dit niveau 'manoeuvreren'. Met andere woorden alles onder dit niveau zal opwarmen en alles erboven zal afkoelen.
Ondanks dat de stratosfeer een tegengesteld temperatuurverval kent aan de troposfeer vanwege de absorptie door ozon, is het effect van de toenemende broeikasgassen hetzelfde, oftewel aangezien het boven het effectieve stralingsniveau zit zal het er afkoelen. De afkoeling zal groter worden des te hoger je komt. In de troposfeer spelen nog andere belangrijke effecten een rol die de temperatuur bepalen, zoals vochtige convectie (buien), en dat smeert de temperatuurveranderingen uit die je normaal zou verwachten in een zuivere stralingsatmosfeer. Dus hoewel de troposfeer inderdaad als een functie van toenemende broeikasgassen, ligt de maximumverandering niet aan het aardoppervlak maar feitelijk halverwege de troposfeer.
Dan nu nog een meer technische uitleg (beetje zuivere natuurkunde): verondersteel een atmosfeer met meerdere isothermische lagen die enkel stralingsgewijs op elkaar inwerken. In het geval van evenwicht kan elke laag slechts uitzenden wat het absorbeert. Als de hoeveelheid broeikasgassen laag genoeg is, zal elke laag in essentie enkel de uitstraling vanaf het aardoppervlak zien en dus via de wet van Stefan-Boltzmann kom je tot een isotherme atmosfeer (veronderstelling van grijze atmosfeer met een aardoppervlak dat werkt volgens de theorie van Planck en luchtlagen die ofwel geheel transparant of geheel ondoorzichtig zijn: 2 Tlucht^4 = Tgrond^4 voor alle lagen, invullen levert Tlucht=0,84 Tgrond). Aan de andere kant, als de hoeveelheid broeikasgassen erg hoog zou zijn dan zou elke laag enkel de aangrenzende lagen zien en dan kan je aantonen (temperatuur aan de top: Tgrond/((n+1)^-1/4), waarbij n = aantal lagen) dat de bovenste laag veel kouder moet zijn dan in het geval van weinig broeikasgassen (immers de gassen houden uitgaande langgolvige straling vanaf het aardoppervlak tegen en deze bereikt dus niet de stratosfeer, hierdoor koelt deze af). De conclusie is sowieso dat een toenemende hoeveelheid broeikasgassen het temperatuurgradiënt tussen het aardoppervlak en de top vergroot.
In tegenstelling tot wat je beweert komt het bovenstaande ook wederom gewoon uit de klimaatmodellen, bijvoorbeeld HadCM3, GFDL CM2.X en GISS maar ook relatief simpele zogenaamde radiative-convective modellen. Zie bijvoorbeeld
http://www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1/images/fig9-8s.gif, onderste plaatje geeft de mondiale temperatuurverandering in de verticaal weer (samengesteld aan de hand van negen klimaatmodellen). Een en ander wordt ook nogmaals uitgelegd op
http://www.atmosphere.mpg...__Ozone/-_Cooling_nd.html.
P.S. bovenstaande is uit het hoofd, want ik heb hier niet m'n boeken bij de hand voor de exacte formules. E.e.a. kan dus fouten bevatten.
Dan de beginvertraging(!) van koolstofdioxide t.o.v. temperatuur. Nauwkeurige bestudering van de precieze gegevens over de afgelopen 450.000 jaar van koolstofdioxide en methaan, verkregen uit ijskernen afkomstig van Antarctica en Groenland, onthult inderdaad dat de temperatuur in nauwe correlatie[1] loopt met de concentraties CO2 en CH4. Maar het is onjuist om te stellen dat eerst de temperatuur steeg en circa 800 jaar daarna pas de concentratie koolstofdioxide. Deze opwarmingsperioden duurden tussen de 5.000 en 10.000 jaar (de afkoelingen circa 100.000 jaar) dus gedurende een meerderheid van de tijd (~90%) stegen temperatuur en concentratie koolstofdioxide simultaan[2]. Dit betekent dat dit wonderlijke archief van klimaatkundig bewijs toelaat dat CO2 als oorzaak fungeert maar tevens onthult dat het ook een effect (gevolg) kan zijn.
Onze huidige kennis van deze cycli is dat veranderingen in de orbitale eigenschappen (Milankovich[3] en andere cycli[4]) verantwoordelijk waren voor grotere hoeveelheden zonneschijn in de zomer op het noordelijk halfrond. Dit is maar een kleine forcering, maar het zorgde voor de terugtrekking van landijs in het noorden met als gevolg een verandering in het albedo en zodoende een opwarmend terugkoppelingseffect bewerkstelligend. Circa 800 jaar nadat dit proces gestart is, beginnen de concentraties koolstofdioxide te stijgen en ook dit amplificeerde de opwarmende trend nog verder als een extra terugkoppelingsmechanisme.
Koolstofdioxide is dus niet de oorzaak van de opwarmingen, maar draagt hieraan bij en volgens de klimaattheorie en modelexperimenten is de forcering als gevolg van het versterkte c.q. verzwakte broeikaseffect de belangrijkste factor in de ultieme verandering. Eén ding dat dit zegt voor de toekomst is dat het zeer goed mogelijk is dat we nog meer uitstoot van natuurlijke CO2 zullen zien, waarbij we vooral moeten kijken naar de vrijkomst van koolstofdioxide uit de opwarmende oceanen, koolstof uit de opwarmende bodem en methaan vanonder de smeltende permafrost. Er valt nog veel meer (in detail) hierover te zeggen, maar daarvoor zou ik willen aanraden om eens op zoek te gaan naar publicaties zoals bijvoorbeeld [5].
Verder heb ik niet zoveel tijd om hier nog langer op te blijven reageren, dit onderwerp heeft tevens als reactie op een nieuwsbericht al lang genoeg doorgesudderd lijkt me. Wie meer wil weten over de technische (natuurkundige) kant van het verhaal, kan eens gaan kijken op o.a. realclimate.org en uiteraard de website van het IPCC. Verder is het wellicht een idee om een keer een inhoudelijk georiënteerd topic hierover op GoT te openen.
Bronnen:
[1] Petit, J.R., J. Jouzel, D. Raynaud, N.I. Barkov, J.-M. Barnola, I. Basile, M. Bender, J. Chappellaz, M. Davis, G. Delayque, M. Delmotte, V.M. Kotlyakov, M. Legrand, V.Y. Lipenkov, C. Lorius, L. Pépin, C. Ritz, E. Saltzman, and M. Stievenard. 1999, Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica, Nature 399: 429-436.
[2] Nicolas Caillon, Jeffrey P. Severinghaus, Jean Jouzel, Jean-Marc Barnola, Jiancheng Kang, Volodya Y. Lipenkov, Timing of Atmospheric CO2 and Antarctic Temperature Changes Across Termination III, Science 14 March 2003: Vol. 299. no. 5613, pp. 1728 – 1731.
[3] F. Varadi, B. Runnegar, M. Ghil (2003). "Successive Refinements in Long-Term Integrations of Planetary Orbits". The Astrophysical Journal 592: 620–630
[4] Berger, A., 1992, Orbital Variations and Insolation Database. IGBP PAGES/World Data Center-A for Paleoclimatology Data Contribution Series # 92-007. NOAA/NGDC Paleoclimatology Program, Boulder CO, USA.
[5] Timing of Atmospheric CO2 and
Antarctic Temperature Changes
Across Termination III,
http://icebubbles.ucsd.edu/Publications/CaillonTermIII.pdf, 14 March 2003 vol. 299, Science.