Kuiltjeswarmte

IN DE VROEGE ochtend van 6 september 1941 trok dr. M. Minnaert er op uit om te onderzoeken wat er precies in de grond gebeurt met de warmte die de zon erop werpt. Hoe warm het aan de oppervlakte wordt en hoe warm in de diepte. Het was een Zaterdag en kennelijk was Minnaerts detentie in Sint Michielsgestel nog niet begonnen. Hij had er zin in.

`Fietsende door de hei bij Bilthoven vond ik een geschikt hoog zandterreintje met geheel vrij uitzicht, omgeven door bosjes denne- en berkebomen, een heerlijk plekje om rustig aan het werk te gaan. De lucht blauw en gouden zonneschijn.'

Minnaert had geen ander gereedschap bij zich dan een eenvoudige staafthermometer, eentje die aanwijst van -10 tot +110 graden Celsius. Elk uur deed hij met die thermometer een serie waarnemingen, eerst aan het oppervlak van het zand, met het kwikreservoir nèt ondergestoken, en dan vervolgens steeds een paar centimeter dieper tot een uiteindelijke diepte van 50 cm. Daarbij moest voortdurend zand worden weggeschept om de meter te kunnen aflezen. Voor elke nieuwe serie waarnemingen moest dus een andere plek in het vlakke terrein worden gekozen.

Het was een heel werk, dat Minnaert met meer dan gebruikelijk detail beschrijft in deel twee van de serie `De natuurkunde van 't vrije veld'. Noch de spanning noch de romantiek ontbrak, meldt hij. De spanning kwam van onzekerheid over de vraag of het wel wolkenloos zou blijven, de romantiek van de maan die 's nachts boven de hei stond. Hoe Minnaert zelf de koude nacht doorkwam blijft onbesproken, of er een slaapzak, een thermoskan, een primus en/of een partner was we weten het niet.

Wel is er nog het resultaat van de metingen. Aan de oppervlakte van het zand was de temperatuur kort nadat de zon om half twee die zaterdagmiddag haar hoogste stand bereikte (de Duitsers hadden moderne zomertijd ingevoerd) opgelopen tot wel veertig graden. Op wat grotere diepte werd het maximum later bereikt, op veertig centimeter diep zelfs pas 's avonds heel laat. Op vijftig centimeter diep werd helemaal geen dagelijkse puls meer gevonden, daar was het zand dat etmaal constant 19 graden.

Minnaerts boek toont nog een serie metingen van een ander die ruwweg hetzelfde laat zien: de amplitude van de dagelijkse temperatuurschommeling aan de oppervlakte neemt met de diepte snel af en nadert al op een halve meter diep naar nul. Ook de fase verschuift snel, en wel zó dat er op een halve meter diep nagenoeg een tegenfase is ontstaan. Daar dringt het effect van de nachtelijke afkoeling pas door als aan de oppervlakte door de zonnestraling alweer een maximum is ontstaan.

De constantheid van de temperatuur op ruim een halve meter diepte is maar betrekkelijk. Was het het begin september 1941 opeens flink kouder geworden dan zou dat `signaal' na een paar dagen zeker ook tot die diepte zijn doorgedrongen. En de seizoensfluctuaties in oppervlakte-temperatuur, de afwisselingen van zomer en winter, dringen al helemaal diep door. Daarvan gaf Scientific American in juni 1993 een mooie illustratie. In de bodem onder een venig moeras bleek de seizoenspuls nog tot bijna tien meter diep waarneembaar. De tegenfase werd er al op anderhalve meter diep bereikt: op die diepte werd het pas winters koud als de oppervlakte al weer zomers heet was. Van dat effect is, bewust of onbewust, een nuttig gebruik gemaakt hij de aanleg van ijskelders, ook in Nederland.

Het ligt voor de hand aan te nemen dat nòg tragere schommelingen in de temperatuur aan de oppervlakte van de aarde nòg dieper doordringen. De temperatuur in de bodem is het best te beschouwen als het resultaat van een dynamisch evenwicht tussen een permanente en constante aanvoer van warme uit de diepte en de afgifte van die warmte aan de oppervlakte. De mogelijkheid tot warmteafgifte varieert per dag en per seizoen. Je kunt ook zeggen dat afwisselend golven warmte en `koude' tegen de overheersende warmtestroom in naar de diepte trekken.

Al in het begin van de negentiende eeuw, toen er veel belangstelling was voor gebleken variaties in zonne-intensiteit (afgeleid uit wisselende aantallen zonnevlekken) kwam men op de gedachte het effect van deze variaties in de diepe ondergrond terug te zoeken. De Schotse astronoom Charles Piazzi Smyth mat in de periode 1838 tot 1854 temperaturen op dieptes van 3, 6, 12 en 24 voet (dus niet dieper dan 7,5 meter). Hij vond inderdaad temperatuurschommelingen die hij met de variaties in aantallen zonnevlekken in verband kon brengen. De zon is een veranderlijke ster, stelde hij vast. Achteraf gezien kan het een toevallig verband genoemd worden, Smyth zat niet diep genoeg en zó groot zijn de variaties in zonne-intensiteit nu ook weer niet.

Pas de afgelopen twintig jaar is voldoende kwantitatief inzicht ontstaan in de warmtegeleiding en warmtediffusie in de diepe ondergrond. Het genoemde artikel in Scientific American was daarvan een eerste populaire weerslag. Heel trage schommelingen in de gemiddelde oppervlaktetemperatuur (met een afwisseling van enige decennia) blijken tot wel honderden meters diep terug te vinden, op voorwaarde dat er in de boorgaten wordt gemeten met een nauwkeurigheid van 0,01 graad Celsius. In de woestijn van Utah, waar de laatste 150 jaar niet veel veranderde, konden de minuscule trends in de diepte schitterend worden gecorreleerd aan de veranderingen die in die periode aan het oppervlak waren gemeten. Kortom: de temperatuurmetingen in boorgaten zijn tot op zekere hoogte te gebruiken voor de reconstructie van het klimaat tot aan het jaar 1500 of zelfs nog verder. Met vaste regelmaat verschijnen verwachtingsvolle beschouwingen over de bruikbaarheid van het warmte-archief. Zie bijvoorbeeld Science, 12 juli 2002: Earth's Long-Term Memory.

Nu goed. Het ging er vandaag eigenlijk alleen om de lezer deelgenoot te maken van het behaaglijke gevoel dat de winterkoude zojuist begonnen is aan zijn reis naar de diepte. Wie begin deze zomer een flinke kuil graaft kan hem weer tegenkomen.