Als de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer stijgt, gaat de temperatuur omhoog. Maar hoe komt dat eigenlijk? En waarom hebben sommige gassen deze werking wél, en andere niet?
Bart Verheggen van Amsterdam University College (AUC) geeft antwoord. Hij is atmosferisch chemicus en geeft les in ‘aardsysteemkunde’ en klimaatverandering.
Verheggen: Broeikasgassen zijn gassen die warmtestraling tegenhouden. Die warmte wordt vervolgens weer terug gestraald naar de omgeving. Oók terug naar de aarde, die daardoor een hogere temperatuur krijgt. Dit noemen we het broeikaseffect. Als de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer toeneemt, dan stijgt de temperatuur.
Verreweg het grootste deel van de lucht, stikstof en zuurstof, is niet alleen doorzichtig voor zichtbaar licht (blauw, geel en rood), maar ook voor warmtestraling (infrarood). Die straling gaat er dus net als zichtbaar licht dwars doorheen. Een aantal andere gassen laat warmtestraling niet zomaar door. Dat zijn broeikasgassen: gassen die een deel van de warmtestraling absorberen. Hoewel hun concentratie in de lucht relatief laag is, is hun effect op de temperatuur groot.
Maar waarom dan? Dat heeft te maken met de vorm van de moleculen waar het gas uit bestaat. En dat is nog best complex: een molecuul kan warmtestraling absorberen als het kan meetrillen met dezelfde golflengte als de warmtestraling. Dat kun je vergelijken met een stemvork die meetrilt met een bepaalde toonhoogte. Het trillende molecuul neemt de warmtestraling in zich op, waardoor de lucht eromheen ook opwarmt. De extra warmte wordt vervolgens in alle richtingen uitgestraald, dus ook terug naar de aarde.
Een voorwaarde om warmte op te kunnen nemen is dat een molecuul asymmetrisch kan trillen. Simpele, rechte moleculen die uit slechts twee atomen bestaan, zoals zuurstof (O2) en stikstof (N2), kunnen dat niet en zijn dus geen broeikasgassen. Broeikasgassen bestaan uit drie of meer atomen: bijvoorbeeld CO2 of methaan (CH4). Ook waterdamp (H2O) is een belangrijk broeikasgas.
De aarde ontvangt energie van de zon, vooral in de vorm van zichtbaar licht. Terwijl de aarde zelf juist vooral in het infrarood (dus warmtestraling) weer energie naar de ruimte uitstraalt. Zonder broeikasgassen zou alle warmtestraling vanuit de aarde direct naar de ruimte uitgestraald worden. Een deel van die infrarode straling wordt echter door broeikasgassen tegengehouden.
Een toename van broeikasgassen zorgt zo voor een stijging van de temperatuur: de broeikasgassen fungeren als een soort deken om de aarde heen. Hoe meer broeikasgassen, hoe dikker de deken, hoe hoger de temperatuur aan het aardoppervlak.
Momenteel neemt het aandeel broeikasgassen in de atmosfeer toe. Dit komt grotendeels door de verbranding van fossiele brandstoffen en is de belangrijkste reden dat de gemiddelde temperatuur op aarde aan het stijgen is. De opwarming die de uitstoot van deze broeikasgassen veroorzaakt, wordt vervolgens versterkt door een natuurlijke reactie: door het stijgen van de temperatuur neemt verdamping toe, en komt er dus ook meer waterdamp in de atmosfeer. En dat is ook een broeikasgas. Dergelijke terugkoppelingen zijn een belangrijk onderdeel van het aardse klimaatsysteem.
Voor het fundament van onze kennis moeten we eerst even de geschiedenis van de wetenschap in duiken:
De berekeningen van Arrhenius uit het einde van de negentiende eeuw liggen ruwweg in hetzelfde bereik als onze huidige kennis hierover, al is de mate van zekerheid en ons begrip van het klimaatsysteem sindsdien natuurlijk nog enorm toegenomen. Zo kunnen we tegenwoordig ook met satellieten meten dat de atmosfeer minder warmtestraling laat ontsnappen naar de ruimte toe: het toegenomen broeikaseffect is een geobserveerd feit!
Uit het aardse verleden weten we ook dat veranderingen in de CO2-concentratie vaak een sleutelrol vervulden bij grote klimaatveranderingen. Dat verleden komt volgende week aan de orde in deze serie.
Heb jij ook een klimaatvraag die je graag door een klimaatonderzoeker wil laten beantwoorden?