Het natuurlijke broeikaseffect
Het broeikaseffect is een belangrijke voorwaarde voor het leven op aarde zoals we dat kennen. Broeikasgassen zorgen ervoor dat de aarde een voor ons leefbare temperatuur heeft. Dit is altijd zo geweest, door de broeikasgassen die van nature in de lucht aanwezig zijn. In dit natuurlijke broeikaseffect spelen vooral waterdamp, koolstofdioxide (CO₂ ) en methaan (CH₄) een belangrijke rol. Deze broeikasgassen samen zorgen ervoor dat de temperatuur op aarde gemiddeld ongeveer 15 graden is, in plaats van -18 graden, een verschil van wel 33 graden!
Hoe werkt het natuurlijke broeikaseffect?
De zon zendt straling (licht) uit, waarvan een deel aankomt op het aardoppervlak. Een deel van deze zonne-energie die aan de bovenkant van de atmosfeer aankomt wordt in de atmosfeer door bijvoorbeeld wolken weer meteen teruggekaatst de ruimte in. Het overgebleven deel bereikt het aardoppervlak. Hier wordt ook weer een deel teruggekaatst naar boven, vooral op lichte ondergronden zoals de ijskappen op Groenland. Het overgebleven deel wordt opgenomen door het aardoppervlak, waardoor deze wordt opgewarmd. Vervolgens zendt de aarde zelf ook straling uit, maar nu niet in de vorm van licht, maar in de vorm van infrarode warmtestraling. Een deel van deze warmtestraling gaat de ruimte in, maar een ander deel wordt geabsorbeerd door de broeikasgassen in de lucht, waardoor de warmte als het ware in de lucht opgevangen wordt. Deze broeikasgassen zenden de warmte ook weer terug naar het oppervlak. Dit zorgt ervoor dat de gemiddelde temperatuur op aarde ongeveer 15 graden is. Figuur 1 geeft dit schematisch weer.
Figuur 1: Schematisch overzicht van het broeikaseffect (door Bas van der Ploeg voor KlimaatHelpdesk – Licentie CC-BY 4.0)
Hoe werken broeikasgassen?
Hierboven legden we uit dat broeikasgassen warmtestraling opnemen, maar hoe werkt dat precies? Daarvoor moeten we kijken naar de structuur van de moleculen van deze gassen. De atmosfeer bestaat voor het grootste deel uit zuurstof (O₂) en stikstof (N₂), welke beide uit 2 gelijke atomen bestaan. Deze twee gassen zijn geen broeikasgassen. Broeikasgassen komen in veel kleinere hoeveelheden voor in de atmosfeer. De moleculen van broeikasgassen bestaan uit meer dan 2 atomen. Bijvoorbeeld waterdamp (H₂O) bestaat uit 2 waterstofatomen (H) en 1 zuurstofatoom (O). Koolstofdioxide (CO₂) bestaat uit 1 koolstofatoom (C) en 2 zuurstofatomen (O). De verbindingen tussen deze atomen kunnen straling van bepaalde specifieke golflengtes opnemen, waardoor de atomen in het molecuul ten opzichte van elkaar kunnen gaan bewegen. Hierbij wordt straling geabsorbeerd of juist weer vrijgelaten.
Het versterkte broeikaseffect
Sinds de industriële revolutie (rond 1850) hebben mensen in steeds grotere mate invloed op de samenstelling van de broeikasgassen in de lucht. Door het verbranden van fossiele brandstoffen komt er CO₂ in de lucht wat daarvoor miljoenen jaren in de grond heeft gezeten. Die opgeslagen CO₂ komt nu in zeer korte tijd weer vrij, in verhouding tot de tijd waarin deze brandstoffen gevormd zijn uit plantenresten. In verhouding tot de pre-industriële CO₂-concentraties in de lucht zijn de CO₂-concentraties nu heel snel aan het stijgen. De CO₂-concentraties nu zijn hoger dan in de afgelopen 800.000 jaar. Ook de hoeveelheden van andere broeikasgassen zoals met name methaan, lachgas en ozon nemen toe. Daarnaast kan de atmosfeer door de stijgende temperaturen ook meer waterdamp bevatten. Omdat waterdamp ook een broeikasgas is, is daarmee sprake van een zelfversterkende terugkoppeling, waardoor het nog warmer op aarde wordt. Al met al is de temperatuur op aarde door de invloed van de mens nu (gemiddeld over 2011-2020) met 1.1 graden gestegen ten opzichte van de periode 1850-1990.
Waarom zou het -18 graden zijn zonder broeikasgassen?
Om deze vraag te beantwoorden hebben we wat natuurkunde nodig. We kunnen de temperatuur bepalen met behulp van de wet van Stephan-Boltzmann. Deze wet beschrijft dat de hoeveelheid straling (E) die een object uitstraalt gelijk is aan een constante keer de temperatuur tot de macht 4: E=σT4. De Stefan-Boltzmann constante (σ) is gelijk aan 5.67 · 10-8 W m-2 K-1. Omdat de aarde in thermisch evenwicht is met de hoeveelheid straling die vanaf de zon ontvangen wordt, kunnen we dan de temperatuur van de aarde zonder broeikasgassen als volgt uitrekenen. De aarde ontvangt 1370 W m-2 straling van de zon, en dit komt binnen via de cirkel gezien van de kant die belicht wordt door de zon (met een oppervlakte van πR2). Deze hoeveelheid wordt verdeeld over het hele aardoppervlak (een bol met oppervlakte 4πR2), waardoor er 1370/4 = 342 W m-2 overblijft. Hiervan wordt ongeveer 30% meteen teruggekaatst de ruimte in, wat 240 W m-2 over laat. Met de wet van Stefan-Boltzmann, kom je dan op een temperatuur van 255 K, wat -18 graden Celsius is.