Hoe werkt klimaatverandering: open systemen

Dit artikel is deel 4 uit de 8-delige serie Klimaatverandering
Play

De wetenschappelijke bewijzen dat het klimaat opwarmt als gevolg van menselijke uitstoot van CO2 stapelen zich op. Toch lopen er nog veel te veel mensen rond die deze feiten ontkennen. Daarom ben ik hier een reeks over gestart. Om te begrijpen hoe het klimaat werkt, leggen we vandaag enkele basisbegrippen uit de thermodynamica uit.

Inleiding
Goeiedag, het is vandaag zondag 3 mei 2020, ik ben Jozef Van Giel en dit is de 401ste aflevering van deze podcast.
In september vorig jaar, met aflevering 385 was ik gestart met een reeks over klimaatverandering, maar na twee afleveringen ben ik gestopt. Niet dat ik geen inspiratie meer had. Ik had ongeveer 20 bladzijden aan losse ideeën en gedachten die ik in deze reeks wou verwerken en die zijn ondertussen alleen maar gegroeid, maar het ene na het ander kwam op mij af en teksten schrijven is zeer arbeidsintensief. Vooral wanneer je de bronnen moet opzoeken om je standpunten te onderbouwen, maar ook om na te gaan of wat je meende te weten ook klopt.
Vandaag doe ik een nieuwe poging om deze reeks verder te zetten. Mijn oorspronkelijke ambitie om in deze reeks elke week een aflevering te publiceren zal ik laten varen. Terwijl ik dit schrijf, zitten we in volle corona-crisis en blijkbaar zijn er heel veel mensen die zich nu niet nuttig weten bezig te houden, maar bij mij lijkt het omgekeerde waar.
Hoe dan ook, hier gaan we weer.
Vandaag geef ik wat uitleg over thermodynamica. Want een begrip van de thermodynamica is essentieel om de meeste fysische en zelfs chemische processen te begrijpen en zeker deze die met het klimaat te maken hebben.
Je kan de thermodynamische principes zelfs gebruiken om bepaalde logistieke problemen op te lossen.
Hoe werkt klimaatverandering: open systemen

De temperatuur van een open systeem

Het klimaat is een fysisch fenomeen. Zoals alle hemellichamen voldoet ook de aarde aan de wetten van de fysica. Waarschijnlijk de belangrijkste wetten uit de wetenschappen zijn de wetten van de thermodynamica, die hoofdwetten genoemd worden.

Heel veel fenomenen die je in het dagelijkse leven ziet, kan je beter begrijpen als je de wetten van de thermodynamica begrijpt. Een basisbegrip van thermodynamica is van essentieel belang om het klimaat en het weer beter te begrijpen.

Het is zeker een goed idee om nog eens aflevering 72 te beluisteren waarin ik uitlegde wat energie is. Het zal helpen om deze reeks afleveringen beter te volgen. Op 22 september heb ik die aflevering nog eens opnieuw in de RSS-feed gezet waardoor jullie het toen nog eens in je abonneelijst te horen kregen.

Het interessante aan deze wetenschappelijke discipline is dat je fenomenen kan beschrijven zonder dat je de details ervan kent en toch erg nauwkeurige voorspellingen kan maken. En dat gaat van het berekenen van het rendement van een thermische motor tot het berekenen van de lift of stijgkracht van de vleugel van een vliegtuig.

Zo was ik tijdens mijn ingenieursstudies erg onder de indruk van het feit dat je de stuwkracht van een straalmotor kan berekenen door enkel te meten hoeveel energie je eraan toevoegt in de vorm van brandstof, wat de temperatuur is van de uitlaatgassen en nog enkele andere basisparameters. Hoe de straalmotor er van binnen uitzag was daarbij van geen belang. Of dat je door het verschil tussen de luchtdrukdruk in de bewegingsrichting en de luchtdruk loodrecht op de bewegingsrichting de snelheid van een vliegtuig kan meten. Dat heet een pitotbuis. Dat is een toepassing van de wet van Bernouilli die ook gebruikt wordt om de lift van een vliegtuigvleugel te berekenen. De wet van Bernouilli is een speciaal geval van de eerste wet van de thermodynamica: de wet van behoud van energie.

En we hebben dat toen niet enkel berekend. In het labo had onze prof een echte straalmotor staan dat uit een vliegtuig van de tweede wereldoorlog kwam. Deze motor was opgehangen aan zware kettingen. Wij mochten die starten en naar vol vermogen brengen. Op dat moment kreeg elke student een opdracht. De ene moest het brandstofverbruik meten, de ander de uitlaattemperatuur nog iemand de krachten op de kettingen, en zo verder. Als kers op de taart liet onze prof een baksteen in de straalstroom vallen die dan door de kracht naar een veilige zone richting kasteel van Heverlee gekatapulteerd werd. Zo ver dat we hem niet meer konden zien.

De eerste wet van de thermodynamica is de wet van behoud van energie. Ze zegt dat er in een gesloten systeem geen energie kan worden gecreëerd of vernietigd. Uit deze eerste hoofdwet volgt dat het onmogelijk is om een perpetuum mobile van de eerste soort te maken. Een perpetuum mobile van de eerste soort is een systeem dat energie uit het niets produceert. Soms ook bekend als een vrije energie machine.

De tweede hoofdwet zegt dat energie steeds van punt met hoge energiewaarde naar een punt met lage energiewaarde vloeit tot er een evenwicht is. Wat evenwicht betekent wordt door de nulde hoofdwet gedefinieerd. Zo zal in een gesloten systeem warmte steeds vloeien van een warmere naar een koudere plaats totdat de temperatuur over het ganse systeem gelijk is. Dezelfde wetmatigheid geldt ook voor druk. Bij een drukverschil zal een medium steeds stromen van de plaats met de hoge druk naar de plaats met de lage druk totdat alles in evenwicht is.

De tweede hoofdwet wordt ook wel de entropiewet genoemd. De wet zegt dat in een systeem de entropie steeds stijgt tot er een evenwicht bereikt wordt. Entropie is een nauwkeurig bepaald wetenschappelijk begrip, maar intuïtief wordt het wel eens de maat van wanorde genoemd. Maar dat heb ik al eens uitgelegd in aflevering 72.

Uit deze wet volgt dat het onmogelijk is om een perpetuum mobile van de tweede soort te bouwen. Dat is een systeem dat voortdurend in beweging is zonder dat men er energie aan moet toevoegen. Je zou denken dat een perpetuum mobile van de eerste soort onwaarschijnlijker is dan één van de tweede soort. Een machine bouwen die eeuwig op zichzelf draait lijkt gemakkelijker dan een machine te bouwen dat niet alleen eeuwig uit zichzelf draait, maar bovendien ook nog energie produceert. Waarom zijn de benamingen dan niet net andersom, want “tweede soort” lijkt moeilijker dan “eerste soort”? Dat zo’n perpetuum mobile van de eerste of tweede soort genoemd wordt slaat precies op het feit dat ze in strijd zijn met de eerste hoofdwet of met de tweede hoofdwet.

Ik heb lang gedacht dat de maan een perpetuum mobile van de tweede soort is want ze blijft eeuwig rond de aarde draaien. Of zelfs één van de eerste soort, want ze creëert energie in de vorm van getijden. Maar dat klopt niet. De maan onttrekt energie aan de rotatie van de aarde die daardoor rotatie-energie verliest en daardoor langzaam vertraagt. Maar wees niet ongerust, je zal niet snel merken dat de dagen langer worden, het gaat over minder dan een seconde over 50 000 jaar. Maar ooit zal een dag op de aarde even lang duren als de rotatietijd van de maan. Bij de maan is dat al zo, daarom dat we altijd dezelfde kant van de maan zien. Deze toestand heet synchrone rotatie, maar ik vind de Engelse term beter: “Tidal locking”. Letterlijk vertaald is dat “getijde afgeblokt” of in het Duits: “gebundene Rotation”, “gebonden rotatie”. Het zegt precies wat er fysisch gebeurt. Door de getijdewerking verliest het hemellichaam steeds meer rotatie-energie totdat de rotatiesnelheid overeen komt met de omwentelingssnelheid.

Dat ging over gesloten systemen. Systemen die geen energie krijgen of afgeven aan de buitenwereld. Maar de aarde is een open systeem.

Vooraleer ik hierop verder inga, moet ik misschien eerst uitleggen wat een systeem is. In de fysica is een systeem gewoon datgene waaraan een onderzoeker aandacht geeft om proeven te doen of een theorie uit te werken. Het zal meestal een denkbeeldig drie-dimensioneel gebied zijn waarvan de begrenzing gedefinieerd wordt. Om een systeem goed te onderzoeken is het belangrijk om te weten wat er aan die denkbeeldige grenzen gebeurt. Een systeem kan een echt bestaand fysisch geheel zijn, maar het kan ook denkbeeldig zijn. Het kan ook tussen de twee liggen om de situatie te vereenvoudigen. In het vorige voorbeeld over de getijden, de maan en de aarde bestaat het systeem uit de aarde en de maan met de denkbeeldig lege ruimte tussen beide. In eerste instantie zal je dan veronderstellen dat dit systeem zich in een volledig lege ruimte bevindt en dus geen invloed ondervindt van buitenaf. Het is een gesloten systeem. In een tweede benadering kan je dan kijken in hoeverre de buitenwereld, in dit geval bijvoorbeeld de zon een impact heeft op het systeem.

Bij zo’n open systeem is het belangrijk om te begrijpen wat er aan de grenzen gebeurt. Dus wat er door de imaginaire grenzen van het systeem naar buiten gaat of naar binnen komt. Het kan dan gaan over energie of materie. Want door deze interactie verandert het systeem voortdurend.

Op aarde verdwijnt er energie in de ruimte en komt er energie binnen, vooral van de zon. De energietoestand van een open systeem is zo dat de hoeveelheid energie dat het op een bepaald tijdstip bevat gelijk is aan de hoeveelheid energie dat het een periode ervoor had, plus de hoeveelheid energie dat er van buitenaf binnenkwam min de hoeveelheid energie die verdween in de tussenperiode. Dat is een rechtstreeks gevolg van de eerste wet van de thermodynamica. Er kan geen energie uit het niets ontstaan en er kan geen energie in het niets verdwijnen.

Dat klinkt nogal logisch. Als we dat toepassen op warmte-energie, dan kunnen we zeggen dat zowat alle energie die door straling de aarde binnenkomt van de zon komt. Er is ook een hoeveelheid warmte die op aarde ontstaat door radioactief verval van isotopen op aarde, maar in een eerste benadering kunnen we die verwaarlozen. Daarnaast is er ook een hoeveelheid warmte die ontstaat door menselijke activiteit, het verbranden van brandstoffen, zowel fossiele als biologische, door bosbranden, maar die hoeveelheid warmte is nog kleiner dan de zonnewarmte en het radioactief verval. Je kan de energiehoeveelheid van al deze bronnen opzoeken om dat inderdaad vast te stellen. Ik nodig jullie uit om dat te doen, maar deze aflevering wordt zo al lang genoeg om daar verder op in te gaan.

Doordat de aarde warmte heeft — wat betekent dat ze een temperatuur van hoger dan 0 Kelvin of -273,15 °C heeft — straalt ze deze warmte uit naar de ruimte en koelt ze daardoor af.

Als de hoeveelheid warmte die een open systeem binnenkomt gelijk is aan de hoeveelheid warmte die eruit weggaat, spreken we van een thermodynamisch evenwicht of een steady state.

Als er meer warmte binnenkomt dan er weggaat, dan gaat de temperatuur van het systeem stijgen.

Als er meer warmte weggaat dan er binnenkomt, zal de temperatuur van het systeem dalen totdat een nieuw evenwicht wordt gevonden bij een lagere temperatuur.

Hier is er een ander belangrijk fenomeen aan het werk dat we nog niet hebben uitgelegd. Wat is warmtestraling? Dat is een nogal eigenaardig fenomeen dat pas in de twintigste eeuw goed beschreven werd door Max Planck, een van de grondleggers van de kwantummechanica. Planck was zelf nogal verrast door zijn formule, maar deze formule vormde mee de basis van de kwantumfysica. Ik ga niet in op de details van de wet van Planck, maar WikipediA heeft er een heel goede pagina over waar ik in de notitiepagina naar verwijs. Wat we uiteindelijk moeten weten is dat de uitgestraalde energie evenredig is met de vierde macht van de temperatuur van de straler. Om correct te zijn wordt de straling tussen twee lichamen berekend op basis van het temperatuurverschil tussen de twee lichamen. Het tweede lichaam in dit geval is de ruimte en die heeft een temperatuur van 3K of -270°C. we mogen dus gerust met de absolute temperatuur van de aarde rekenen zonder veel fouten te maken.

Ook de energie van de zon raakt hier in de vorm van stralingsenergie. De zon heeft een oppervlaktetemperatuur 6000K waardoor we in dat geval de temperatuur van de aarde mogen verwaarlozen.

Wat de wet van Planck ons ook leert is dat een straler zijn energie uitstraalt in een spectrum. Dat is een verzameling van elektromagnetische frequenties die over een breed bereik gaan, vertrekkende van radiogolven met lage energie tot ultraviolet en nog hoger. Dit frequentiebereik heeft ongeveer de vorm van een klok, waarbij de piek afhangt van de temperatuur van de straler. Hoe warmer de straler is, hoe meer de uitgestraalde frequenties opschuiven naar hogere waarden, van infrarood naar ultraviolet. Van een radiator van een centrale verwarming kan je de warmte vanop een kleine afstand voelen, maar je ziet hem niet gloeien in het donker. Dat is omdat zijn temperatuur hoog genoeg is om wat infrarode warmtestraling te geven, maar niet voldoende hoog om zichtbaar licht uit te stralen. Naarmate iets warmer wordt, zal het ook rood beginnen gloeien, en later zelfs wit. Vandaar dat de zon wit licht lijkt uit te stralen. Maar eigenlijk is zichtbaar licht maar een deel van het elektromagnetische spectrum dat de zon uitstraalt. Het straalt ook verschillende frequenties van infrarood en ultraviolet uit en meer, maar die kan je niet zien. Het eerste ervaar je aan de warme gloed als de zon schijnt, het tweede omdat je huid bruint. Interessant weetje: veel slangen kunnen infrarood zien en veel insecten kunnen ultraviolet zien.

Dit is ook de reden waarom fototoestellen en fotobewerkingssoftware zoals Photoshop of darktable het omgevingslicht waarin een foto wordt gemaakt uitdrukken in kleurtemperatuur. Dat is letterlijk de kleur van het licht dat zou worden uitgestraald door een voorwerp met die temperatuur. Daarom dat een heel oude gloeilamp geler licht geeft dan een gloeilamp van net voor de ledlampen en die is op zijn beurt geler dan een halogeenlamp. De temperatuur van de gloeidraad bepaalt hier telkens de kleur. Die temperatuur varieert tussen de 2000 en 3000°C. Vandaar ook dat zonlicht nog witter is dan het licht van een gloeilamp.

Dat is anders bij een ledlamp. Die maakt zijn licht door elektronen uit hun baan te slaan. Wanneer deze terug in hun oorspronkelijke baan vallen, stralen ze de overtollige energie uit in de vorm van fotonen. Die frequentie is altijd gelijk, daarom heet dat monochromatisch licht. Dat betekent dat er slechts één frequentie wordt uitgestraald. Daarom ook dat ze minder verbruiken, ze stralen geen energie uit bij golflengtes die we niet kunnen zien. Het grootste deel van de energie van een gloeilamp gaat in de productie van infrarood, dat we toch niet kunnen zien. Bij LED-lampen wordt het kleur ook met kleurtemperatuur uitgedrukt omdat men met behulp van verschillende kleuren van LEDs en met fluorescentie het spectrum van een warm lichaam imiteert omdat dat aangenamer is als verlichting. En vandaar dat een lamp van 2700K licht zal geven zoals een gloeilamp en een van 6000K wit daglicht zoals de zon.

Naarmate dat een lichaam dus warmer wordt, zal het meer stralen en zal het andere frequenties stralen. Onthoud beide uitspraken goed, want ze zijn belangrijk om te begrijpen hoe de klimaatopwarming werkt. Dus zowel het deel dat een warmer lichaam meer straalt dan een kouder als het deel dat de frequenties waarin gestraald wordt afhankelijk zijn van de temperatuur van het lichaam.

De warmte die de aarde binnenkomt is dus stralingswarmte van de zon. Maar doordat de aarde een temperatuur heeft die niet het absolute nulpunt is, straalt de aarde op haar beurt energie uit naar de ruimte.

Naarmate de aarde warmer wordt zal ze dus meer energie naar de ruimte uitstralen totdat het systeem een nieuw evenwicht vindt bij een hogere temperatuur waarbij de binnenkomende energie gelijk is aan de energie die wordt uitgestraald. Aangezien de aarde een andere temperatuur heeft dan de zon, straalt ze haar energie ook bij andere golflengtes uit dan de zon. Ook de energie die ze aanvankelijk van de zon kreeg.

De hoeveelheid energie die van de zon op de aarde komt is groter dan de uitgestraalde energie in een zone van ongeveer 40° zuiderbreedte tot 40° noorderbreedte. In de zone ten noorden van 40° noorderbreedte en ten zuiden van 40° zuiderbreedte straalt de aarde meer warmte naar het heelal dan het energie krijgt van de zon. De reden waarom het in IJsland toch nog redelijk goed van temperatuur en in Ecuador niet ondragelijk warm is, komt doordat we een atmosfeer en een zee hebben die door weerfenomenen de warmte herverdelen over de planeet. Dit fenomeen verklaart ook wat we in aflevering 386 uitlegden over de klimaatzones, maar dat hebben we daar al uitgelegd.

Dus, als de warmte die op aarde binnen komt groter is dan de warmte die uitgestraald wordt, dan zal de aarde opwarmen. Maar doordat de aarde opwarmt zal ze meer warmte uitstralen waardoor er opnieuw een evenwicht gevonden wordt bij een hogere temperatuur.

Volgende keer leg ik uit wat een broeikasgas is, welke mechanismen dit proces verklaren en waarom CO2 zo belangrijk is ondanks het feit dat er veel meer waterdamp in de lucht zit dat ook een broeikasgas is.

Het citaat
Het citaat van vandaag komt van Ray Dalio.
Dalio is één van de rijkste mensen op de wereld. Hij stichtte het hedge fund Bridgewater op. Hij hoort ook thuis in het rijtje filantropen met onder andere Bill Gates en Warren Buffett.
Dalio zei:

Laat loyaliteit de waarheid en openheid niet in de weg staan

Bronnen

aflevering 72 over energie

Wat is een pitotbuis.

De nulde hoofdwet

De eerste wet van de thermodynamica

De tweede hoofdwet

De wet van Planck op WikipediA

Het duurt meer dan 50 000 jaar vooraleer de wereldse dag een seconde langer duurt als gevolg van de rotatie van de maan en de resulterende getijden.

darktable is een zeer goed open source fotobewerkingstoepassing dat kan concurreren met Lightroom.

De hoeveelheid energie die van de zon op de aarde komt wordt mooi uitgelegd in dit filmpje.

Ray Dalio op Wikipedia

Het citaat komt uit het boek “Originals” van Adam Grant (p190)

Wees de eerste om te reageren

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.