sciencetalk

Hey allemaal, bij het bekijken van oude examenvragen van het vak Technologie en Milieu vond ik volgende stelling die ik zou moeten ontkrachten:
 
1) Er bestaat ijs op aarde
2) Dit ijs reflecteerd zonlicht waardoor de temperatuur daalt (net naast de ijslaag veronderstel ik)
3) Aangezien de temperatuur daalt in die zone groeit er meer ijs aan
4) Meer ijs -> meer reflectie -> temperatuur daalt -> meer ijs ->...
5) De aarde is volledig bedekt met ijs
 
 
Heeft er iemand enig idee hoe je dit kan ontkrachten?
 
Bedankt!

Stellingen twee en drie lijken mij zeer dubieus. Dit zou je zeker kunnen ontkrachten door de condities die hiervoor benodigd zijn te benoemen, te kwantificeren en te vergelijken met de daadwerkelijke condities.

Ik weet niet wat de vraagstellers voor antwoord in gedachten hebben. Hier onder een korte redenering fwiw. 
 
Neem aan dat de hele aarde met ijs is bedekt nadat 1 tm 5 is opgetreden. De warmteopname van de aarde is dan kleiner dan zonder ijsbedekking, doordat het ijs zonlicht reflecteert wat betekent dat de temperatuur op aarde lager ligt dan zonder ijsbedekking.
 
De tropen en subtropen zijn  gebieden waar de warmteopname ook bij ijsbedekking nog steeds groot genoeg is om het ijs te doen smelten. Dus zal het ijs daar smelten en de temperatuur neemt daar verder toe totdat de warmte uitstraling ook plaatselijk gelijk is aan de warmteopname en dat is ruim boven het vriespunt. Daar zal dus geen ijsbedekking ontstaan.

Wat ik nu ga zeggen weet ik door Discovery te kijken dus neem het met een klein korreltje zout, maar dit fenomeen noemden ze 'Snowball Earth' en het is ooit wel voorgekomen. Toen was er een zeer lange periode alleen maar ijs dat niet gesmolten kon worden met de warmte van de zon. Langdurige vulkanische activiteit werd als reden genoemd dat de Aarde toch weer uit deze sneeuwbal is ontsnapt. De reden dat het nu niet gebeurd is omdat het simpelweg niet koud genoeg is om de kettingreactie die jij benoemd op gang te laten komen. Alleen op de polen is het koud genoeg voor ijs, en dit ijs reflecteert niet genoeg zonlicht om de rest van de aarde zoveel af te koelen dat de ijslaag verder groeit.

De redenering klopt onder bepaalde omstandigheden dus wel. Wat physicalattraction aandraagt lijkt mij ook de enige manier om dit te ontkrachten... lekkere opdracht voor een examen zeg!

Er zijn meerdere van dit soort runaway scenario's. Tegenover deze ijs-albedo feedback kan je ook stellen:
 
IJs smelt > groter (land- en water) oppervlak dat meer warmte opneemt > ontdooiing permafrost, rotting > vrijkomen meer fossiel CO2 en methaan > sterker  broeikaseffect > oceaan warmt op > Meer smelt. Een stapje verder bij hogere temperaturen: vrijkomen methaan uit hydraat op oceaanbodem > zeer sterk broeikaseffect > ijs verdwijnt.
 
En zo zijn er meer scenario's. Waterdamp heeft een veel sterker broeikaseffect dan CO2 dus hogere temperatuur > meer vocht in de atmosfeer > meer broeikaseffect. Waar tegenover staat kouder > lagere luchtvochtigheid > minder broeikaseffect > grotere uitstraling > kouder.
 
Kennelijk dwingen dit soort positieve en negatieve feedbackprocessen elkaar vooralsnog binnen een bepaalde bandbreedte.

Dat het niet gebeurd lijkt me ontkrachting genoeg.

Wat je je wel kunt afvragen: -stel- dat het was gebeurd en het aardoppervlak volledig voorzien was van een laag ijs, zou het dan alsnog smelten?

Dat dat in het verleden ooit is gebeurd zegt daarover niet zoveel, gezien de compleet andere ligging van contintenten, verschillen in vulkanische activiteit, orbit, en dergelijke.

Mijn tegenwerping (deze sluit aan bij de opmerking van Anton) zou zijn dat het extra aangroeiende ijs steeds op kleinere breedtegraden moet plaatsvinden, waar de instraling groter is en de temperatuur van zichzelf hoger ligt. Zelfs als die temperatuur zou dalen ten gevolge van het extra aangegroeide ijs, dan betekent dat nog niet dat de temperatuur zover daalt dat deze onder het vriespunt komt.

Er zit een fout in de logica. Het is niet omdat iets steeds groter wordt, dat het ooit groot moet zijn.

Reekssommen gaan niet noodzakelijk naar oneindig, en dat is exact wat hier geclaimd wordt. Het ijs zal wel groter worden, maar slechts tot een zekere limiet.

De antwoorden hierboven zijn ook correct, maar volgens mij niet relevant voor de vraag.

317070 schreef: De antwoorden hierboven zijn ook correct, maar volgens mij niet relevant voor de vraag.

 
Volgens mij wel de kwalitatieve beschrijvingen hierboven geven wel zo'n beetje aan hoe het werkt. Oppervlakkig, maar toch.
 
Als je het wiskundiger of liever nog natuurkundiger (altijd liever natuurkundiger natuurlijk, we hebben het tenslotte over de werkelijkheid) wilt bekijken, kom je uit op een dynamisch evenwicht in de warmtehuishouding van de aarde dat wordt beschreven door een of andere ingewikkelde differentiaalvergelijking.
 
Evenwicht houdt in: de warmte die de zon instraalt, is gelijk aan de gereflecteerde warmte + de uitgestraalde warmte. De temperatuur stelt zich zo in dat er balans is. Het is ingewikkelder want de warmteinstroom fluctueert in de tijd en lokaal fluctueert het met de dagen en seizoenen en er zijn nog allerlei effecten (zie post Michiel; ook de reflectie door ijsbedekking hoort hierbij evenals de concentratie greenhouse gasses in de atmosfeer die ook weer van de temperatuur afhangt waardoor positieve feedback ontstaat etcetera) die ook nog een rol spelen. Maar dat leidt af van de essentie (wel relevant voor discussies over het broeikaseffect; volgens mij hebben te weinig politici kennis van systeemtheorie, differentiaalvergelijkingen en dynamica om daar gefundeerde beslissingen over te nemen).
 
Afhankelijk van de parameters (warmte instroom, reflectie, warmteuitstraling als functie van de temperatuur, warmtecapaciteit van atmosfeer en oppervlak enz) krijg je iets dat de opwarming (delta T / delta t) zo ongeveer evenredig is met het verschil van warmte instroom en warmte uitstraling (voor kleine verstoringen kun je lineariseren alles is lineair in de buurt van een evenwicht - natuurkundig gezien). Doordat de warmte uitstraling toeneemt bij stijgende temperatuur ontstaat er evenwicht. Afhankelijk van de stabiliteit van dat evenwicht zal de toestand zich herstellen als het evenwicht verstoord wordt.
 
Het evenwicht is niet eenduidig want het systeem is complex en niet lineair. Stel; dat je de aarde opwarmt tot 1000K en dan aan zichzelf overlaat, dan convergeert dat naar een ander evenwicht dan als je begint bij 100K. 
 
Dit soort vergelijkingen die een dynamisch evenwicht beschrijven hebben de neiging om asymptotisch te naderen tot een evenwichtstoestand (wiskundig: een lokaal, maar niet noodzakelijk globaal evenwicht). Als dat voor de temperatuur op aarde niet meer het geval is en het nieuwe evenwicht ligt ver van het oude,  dan is het jammer voor het leven op aarde. Gelukkig kent de aarde evenwichtstoestanden die niet al te ver uit elkaar liggen, daarom overleeft het leven op aarde ijstijden.
 
Alles goed en wel: de redenering van het antwoord op deze examenvraag zal elementen moeten bevatten van het evenwicht dat zich tenminste gedeeltelijk zal herstellen als het verstoord wordt, omdat het een complex systeem is dat uiteindelijk een dynamisch evenwicht zal bereiken onder invloed van terugkoppelingsmechanismen.
 
Okee... ik vraag me dus af wat de examencommissie voor antwoorden verwacht. Een precies antwoord op de vraag zal voldoende zijn voor een proefschrift.

Anton_v_U schreef: Okee... ik vraag me dus af wat de examencommissie voor antwoorden verwacht. Een precies antwoord op de vraag zal voldoende zijn voor een proefschrift.

Vrienden van mij hebben dat examen gemaakt. Ik ben ook een burgie in Gent, alleen moet ik examens verbeteren. 
De vraag is: "ontkracht". Dus dan moet je een fout zoeken in de redenering. En die fout zit gewoon in de logica. Daar heb je echt geen proefschrift voor nodig.
 
Als ik vraag om de fout te zoeken in de claim dat eenhoorns bestaan, omdat zowel paarden als hoornen bestaan, dan moet je mij geen uitleg geven over de geschiedenis en genealogie van het paard. Dan kun je me in een paar regels meegeven waar mijn logica verkeerd is.

317070 schreef:  En die fout zit gewoon in de logica. Daar heb je echt geen proefschrift voor nodig.

 
Je kunt gemakkelijk een model verzinnen waarin de logica in post1 wel degelijk opgaat. De fout in de logica is in essentie systeem theoretisch en dat is niet gemakkelijk.
 
Met proefschrift bedoel ik: werkelijk begrijpen hoe temperatuur/klimaat op aarde tot stand komt en wat de dynamica daar achter is incl. alle factoren die daar invloed op hebben. Als je daar het ultieme antwoord op hebt kijk je aan tegen een Nobelprijs in het kwadraat.

Ik denk niet dat die fout in die logica systeemtheoretisch is. De fout zit erin dat er in de huidige condities van evenwicht instralende energie / uitstralende energie (zonsterkte, broeikasgassen) véél zal moeten veranderen om stap 2 en 3 op gang te brengen. Momenteel is eerder het tegengestelde scenario draaiende. 
Daarna komen er volgens mij twee vragen: aangezien dat ijs niet alleen horizontaal maar ook zeker verticaal zal aangroeien, is er dan wel genoeg water op aarde om héél de wereld met ijs te bedekken? Want heel veel ervan zal onderweg in dit proces afgezet worden daar waar er al ijs is. Net als nu in kilometers dikke platen op Antarctica en Groenland.

317070: Er zit een fout in de logica. Het is niet omdat iets steeds groter wordt, dat het ooit groot moet zijn.

Ik denk dat het meer de vraag is of het groot genoeg kan worden.

 

De gemiddelde temperatuur op Aarde is nu 15 graden Celsius. Zonder broeikaseffect zou het echter gemiddeld ruim 30 graden lager liggen (klik) . Een snowball Earth scenario is dan niet per se ondenkbaar. Wat er dan nodig is, is een sterke reductie van broeikasgassen als waterdamp, CO2 en methaan.

En dat lijkt bij toenemende bevriezing ook te gebeuren: Lagere temperaturen > meer permafrost > minder CO2 en methaan > lagere temperaturen > minder waterdamp > lagere temperaturen > minder biologische activiteit > minder methaan > lagere temperaturen. Bosbranden zijn een grote producent van CO2, lagere temperaturen > minder vegetatie > minder CO2 door branden > lagere temperaturen. Uiteindelijk zou je dan wellicht bij een atmosfeer met voornamelijk stikstof uit kunnen komen (zuurstof wordt niet meer geproduceerd, en bindt zich). Stikstof is geen broeikasgas en de temperatuur ligt dan ook bij de evenaar rond het vriespunt.

 

Daar staat weer tegenover dat er nog steeds geologische activiteit is, en een aantal fikse uitbarstingen kan het aandeel broeikasgassen weer verhogen waardoor de som van alle feedbackprocessen de temperatuurslinger weer de andere kant op kan laten bewegen, wat bij afwezigheid van vegetatie om de koolstof vast te leggen aannemelijk lijkt.

 

En er is nog een hele serie van dit soort feedbackprocessen denkbaar. Al met al is het ongemeen complex, en ik denk dat het enige redelijke antwoord moet zijn, dat er veel van dit soort temperatuurverhogende en -verlagende feedback mechanismen bestaan die tezamen die temperatuurslinger binnen een redelijke bandbreedte houden. Een kloppende kwantitatieve benadering is m.i. gezien de complexiteit op dit moment niet haalbaar.

 

Wat Jan van de Velde aanstipt lijkt mij wel van belang. Als het inderdaad de bedoeling is alleen aan te tonen dat de hele aardbol niet met ijs bedekt kan worden, dan is het m.i. afdoende te stellen dat verdampend water aan de evenaar op hogere breedtegraden vastvriest en de omgeving van de evenaar volledig verdroogd is voor ook daar een langdurige vorst intreedt. Daar komt dan nooit ijs, tenzij de drift van de continenten roet in het eten gooit.

"Waterdamp heeft een veel sterker broeikaseffect dan CO2."

Dit is niet waar. CO2 is een sterker broeikasgas dan waterdamp.

Voor we in een welles-nietes-discussie belanden: Water is wel degelijk een sterker broeikasgas dan CO₂. Alleen wordt de huidige global warming voornamelijk veroorzaakt door een toename van het CO₂ in de atmosfeer. In die zin is CO₂ een belangrijker broeikasgas.