In een aantal berichten wil ik wat uitgebreider ingaan op het concept van het broeikaseffect en de manier waarop de mensheid voor een versterking daarvan zorgt door veranderingen aan te brengen in de chemische samenstelling van de atmosfeer. Eerst deel 1 over straling en het broeikasgas CO2.
De Aarde bevindt zich in een gigantische vacuüm ruimte met op 149.600.000 kilometer afstand een zon. Aangezien er geen fysieke wijze is waarop onze planeet zonlicht kan ontvangen, moet het over die afstand naar ons toegezonden worden in de vorm van elektromagnetische straling. En omdat onze planeet niet in fysiek contact met iets anders is, kan het enkel warmte verliezen door middel van straling. De energie-uitstoot van de zon is ongeveer 6,3×106 W/m², wat overeenkomt met een lichaamstemperatuur van 5.770 Kelvin. Als we deze hoeveelheid energie verdelen over de schijf van de Aarde dat naar de zon gericht is, dan ontvangt de aarde zo’n 1.368 W/m² (S).
Omdat de planeet ruwweg een bol is wordt de hoeveelheid zonne-energie die de schijf ontvangt (
) verdeeld over het oppervlak van de bol (
). Dit resulteert in ruwweg 342 W/m² aan zonne-energie aan de bovenkant van de atmosfeer. Ongeveer 70% daarvan kan gebruikt worden om de planeet te verwarmen, aangezien de albedo van de planeet (a = 0,3) ervoor zorgt dat een flink deel gereflecteerd wordt rechtstreeks terug de ruimte in. In totaal ontvangen de aarde en de atmosfeer dus zo’n 239 W/m2 aan zonne-energie om ons warm te houden en de atmosferische circulatie in stand te houden.
Alle objecten die een temperatuur hebben boven het absolute nulpunt (0 Kelvin) zenden straling uit en de intensiteit van die straling hangt af van de temperatuur van het object. Specifieker, de intensiteit hangt af van de vierdemacht van de temperatuur (
, waarbij 
de Stefan Boltzmann constante is, 
, en T is in Kelvin). De Aarde vormt hier geen uitzondering op en om te compenseren voor de inkomende straling van de zon moet eigen infrarode straling uitgezonden worden aan de top van de atmosfeer. Als het geen straling zou uitzenden naar de ruimte zou de planeet alleen maar warmte vergaren en uiteindelijk zonder grens opwarmen. Elk object dat niet in stralingsevenwicht is zal opwarmen of afkoelen afhankelijk van of het meer straling ontvangt dan het uitzend of omgekeerd. Het is de verandering in temperatuur waardoor het object weer in stralingsevenwicht komt.
Het elektromagnetische spectrum is opgedeeld in delen, zoals infrarood, zichtbaar, ultraviolet (UV), microgolven, et cetera. In dit verhaal zullen we enkel ingaan op zichtbare (ook wel genoemd kortgolvige) en infrarode (ook wel genoemd langgolvige) straling. Zichtbare straling is veel intenser dan infrarode en wordt uitgestraald door objecten met hogere temperaturen. Het enige wat we moeten onthouden voor dit artikel is dat de zon een voorkeur heeft om straling uit te zenden in het zichtbare deel van het spectrum, terwijl de Aarde juist energie verliest in het infrarode deel.
De effectieve stralingstemperatuur van de Aarde met radius r is
of
= 255 Kelvin
Deze temperatuur ligt ver beneden het vriespunt, wat aantoont dat als de temperatuur van de Aarde enkel afhankelijk zou zijn van de hoeveelheid straling die we ontvangen van de zon het ver van bewoonbaar zou zijn. Het gat tussen onze hedendaagse comfort en een verijsde planeet komt door het feit dat niet alle uitgaande infrarode straling gelijk de ruimte in gaat, maar geabsorbeerd wordt door de atmosfeer en waarvan een deel weer neerwaarts uitgestraald wordt richting het aardoppervlak. Dit is het gevolg van de aanwezigheid van broeikasgassen in de atmosfeer, die transparant zijn voor inkomende zonnestraling, maar uitgaande infrarode straling sterk absorberen.
Koolstofdioxide (CO2) is een broeikasgas. Dit komt omdat het gas in staat is infrarode straling, afkomstig van de zon, te absorberen. Dit is weer een van de gevolgen van de unieke eigenschappen van het gas. De huidige mengverhouding van CO2 in de atmosfeer is 385 ppmv (parts per million by volume, volumeconcentratie in delen per miljoen). Aan het begin van de industriële revolutie bedroeg de mengverhouding zo’n 280 ppmv, er is dus sindsdien een stijging opgetreden van ~38%. De rest van de eenentwintigste eeuw zal de mengverhouding waarschijnlijk nog met tenminste 75% toenemen ten opzichte van het huidige niveau tot zo’n 650 ppmv.
Nu lijkt het huidige aantal van 385 deeltjes ten opzichte van de overige 999.615 deeltjes niet veel (zo’n 0,03%), als je ze allemaal bij langs zou gaan. De mengverhouding is numeriek gelijk aan de druk die door het gas uitgeoefend wordt, voor CO2 genoteerd als pCO2, de huidige concentratie is dus 385 ppmv en is gelijk aan 385 µatm. Het lijkt misschien counterintuïtief dat een dergelijke kleine concentratie een dergelijke prominente invloed kan hebben op de temperatuur op Aarde, maar het feit is dat de meeste gassen (zoals N2, O2, argon) in de atmosfeer geen enkele interactie hebben met infrarode straling. Daarom kunnen we de aanwezigheid van deze gassen negeren.
Het broeikasgas CO2
Het effect dat een broeikasgas heeft op de temperatuur hangt af van de concentratie, waar het absorbeert in het spectrum en waar de Aarde straling uitzend, alsmede ook de overlap met andere gassen. Ozon is bijvoorbeeld een broeikasgas (O3) en zorgt voor een optisch afgesloten atmosfeer wat betreft de uitzending van langgolvige straling tussen 9 en 9,7 µm. Omdat de bandbreedte of het venster gesloten is, hebben veranderingen in de hoeveelheden ozon weinig invloed op het absorptievermogen ervan in de atmosfeer. Cfk’s daarentegen hebben een open venster voor langgolvige straling tussen 8 en 13 µm, de invloed van deze gassen is daarom veel groter. Op moleculair niveau kan de invloed wel duizenden malen sterker zijn dan koolstofdioxide, maar cfk’s zijn zo weinig aanwezig in de atmosfeer dat de concentratie ervan wordt uitgedrukt in deeltjes per triljoen. Vandaar dat ze een betrekkelijk kleine invloed hebben.
Het veranderen van de hoeveelheid van een gas op plekken waar uitgaande langgolvige straling vrijelijk de atmosfeer kan verlaten heeft een grotere invloed als er al wat van het gas aanwezig is. De mate van ‘verzadiging’ is ook van belang, het wordt vaak opgemerkt dat methaan (CH4) krachtiger is dan CO2, maar dit heeft niet te maken met een of ander intrinsieke eigenschap van het gas maar simpelweg met het feit dat het in lagere concentraties voorkomt en dus nog zijn belangrijkste absorptiebanden moet vullen. Als methaan in hogere concentraties zou voorkomen dan CO2 zou het omgekeerde waar zijn: CO2 zou dan op moleculaire basis krachtiger zijn.
Het toevoegen van gas bij lage concentraties heeft een groter effect dan bij hoge concentraties omdat dan de absorptie van de piek naar de vleugels gaat. De absorptie van koolstofdioxide is nog niet verzadigd, maar de effecten van absorptie kennen om deze reden een exponentiële groei en geen lineaire (en dat is maar goed ook, anders zou de atmosfeer ontzettend gevoelig zijn voor kleine veranderingen).
In het volgende bericht zal dieper worden ingegaan op de absorptie van infrarode straling door broeikasgassen zoals CO2.
Gr. Ben
De Aarde bevindt zich in een gigantische vacuüm ruimte met op 149.600.000 kilometer afstand een zon. Aangezien er geen fysieke wijze is waarop onze planeet zonlicht kan ontvangen, moet het over die afstand naar ons toegezonden worden in de vorm van elektromagnetische straling. En omdat onze planeet niet in fysiek contact met iets anders is, kan het enkel warmte verliezen door middel van straling. De energie-uitstoot van de zon is ongeveer 6,3×106 W/m², wat overeenkomt met een lichaamstemperatuur van 5.770 Kelvin. Als we deze hoeveelheid energie verdelen over de schijf van de Aarde dat naar de zon gericht is, dan ontvangt de aarde zo’n 1.368 W/m² (S).
Omdat de planeet ruwweg een bol is wordt de hoeveelheid zonne-energie die de schijf ontvangt (
) verdeeld over het oppervlak van de bol (). Dit resulteert in ruwweg 342 W/m² aan zonne-energie aan de bovenkant van de atmosfeer. Ongeveer 70% daarvan kan gebruikt worden om de planeet te verwarmen, aangezien de albedo van de planeet (a = 0,3) ervoor zorgt dat een flink deel gereflecteerd wordt rechtstreeks terug de ruimte in. In totaal ontvangen de aarde en de atmosfeer dus zo’n 239 W/m2 aan zonne-energie om ons warm te houden en de atmosferische circulatie in stand te houden.Alle objecten die een temperatuur hebben boven het absolute nulpunt (0 Kelvin) zenden straling uit en de intensiteit van die straling hangt af van de temperatuur van het object. Specifieker, de intensiteit hangt af van de vierdemacht van de temperatuur (
, waarbij de Stefan Boltzmann constante is, , en T is in Kelvin). De Aarde vormt hier geen uitzondering op en om te compenseren voor de inkomende straling van de zon moet eigen infrarode straling uitgezonden worden aan de top van de atmosfeer. Als het geen straling zou uitzenden naar de ruimte zou de planeet alleen maar warmte vergaren en uiteindelijk zonder grens opwarmen. Elk object dat niet in stralingsevenwicht is zal opwarmen of afkoelen afhankelijk van of het meer straling ontvangt dan het uitzend of omgekeerd. Het is de verandering in temperatuur waardoor het object weer in stralingsevenwicht komt.
Het elektromagnetisch spectrum (bron: natuurkunde.nl)
Het elektromagnetische spectrum is opgedeeld in delen, zoals infrarood, zichtbaar, ultraviolet (UV), microgolven, et cetera. In dit verhaal zullen we enkel ingaan op zichtbare (ook wel genoemd kortgolvige) en infrarode (ook wel genoemd langgolvige) straling. Zichtbare straling is veel intenser dan infrarode en wordt uitgestraald door objecten met hogere temperaturen. Het enige wat we moeten onthouden voor dit artikel is dat de zon een voorkeur heeft om straling uit te zenden in het zichtbare deel van het spectrum, terwijl de Aarde juist energie verliest in het infrarode deel.
De effectieve stralingstemperatuur van de Aarde met radius r is
of
= 255 KelvinDeze temperatuur ligt ver beneden het vriespunt, wat aantoont dat als de temperatuur van de Aarde enkel afhankelijk zou zijn van de hoeveelheid straling die we ontvangen van de zon het ver van bewoonbaar zou zijn. Het gat tussen onze hedendaagse comfort en een verijsde planeet komt door het feit dat niet alle uitgaande infrarode straling gelijk de ruimte in gaat, maar geabsorbeerd wordt door de atmosfeer en waarvan een deel weer neerwaarts uitgestraald wordt richting het aardoppervlak. Dit is het gevolg van de aanwezigheid van broeikasgassen in de atmosfeer, die transparant zijn voor inkomende zonnestraling, maar uitgaande infrarode straling sterk absorberen.
Koolstofdioxide (CO2) is een broeikasgas. Dit komt omdat het gas in staat is infrarode straling, afkomstig van de zon, te absorberen. Dit is weer een van de gevolgen van de unieke eigenschappen van het gas. De huidige mengverhouding van CO2 in de atmosfeer is 385 ppmv (parts per million by volume, volumeconcentratie in delen per miljoen). Aan het begin van de industriële revolutie bedroeg de mengverhouding zo’n 280 ppmv, er is dus sindsdien een stijging opgetreden van ~38%. De rest van de eenentwintigste eeuw zal de mengverhouding waarschijnlijk nog met tenminste 75% toenemen ten opzichte van het huidige niveau tot zo’n 650 ppmv.
Nu lijkt het huidige aantal van 385 deeltjes ten opzichte van de overige 999.615 deeltjes niet veel (zo’n 0,03%), als je ze allemaal bij langs zou gaan. De mengverhouding is numeriek gelijk aan de druk die door het gas uitgeoefend wordt, voor CO2 genoteerd als pCO2, de huidige concentratie is dus 385 ppmv en is gelijk aan 385 µatm. Het lijkt misschien counterintuïtief dat een dergelijke kleine concentratie een dergelijke prominente invloed kan hebben op de temperatuur op Aarde, maar het feit is dat de meeste gassen (zoals N2, O2, argon) in de atmosfeer geen enkele interactie hebben met infrarode straling. Daarom kunnen we de aanwezigheid van deze gassen negeren.
Het broeikasgas CO2
Het effect dat een broeikasgas heeft op de temperatuur hangt af van de concentratie, waar het absorbeert in het spectrum en waar de Aarde straling uitzend, alsmede ook de overlap met andere gassen. Ozon is bijvoorbeeld een broeikasgas (O3) en zorgt voor een optisch afgesloten atmosfeer wat betreft de uitzending van langgolvige straling tussen 9 en 9,7 µm. Omdat de bandbreedte of het venster gesloten is, hebben veranderingen in de hoeveelheden ozon weinig invloed op het absorptievermogen ervan in de atmosfeer. Cfk’s daarentegen hebben een open venster voor langgolvige straling tussen 8 en 13 µm, de invloed van deze gassen is daarom veel groter. Op moleculair niveau kan de invloed wel duizenden malen sterker zijn dan koolstofdioxide, maar cfk’s zijn zo weinig aanwezig in de atmosfeer dat de concentratie ervan wordt uitgedrukt in deeltjes per triljoen. Vandaar dat ze een betrekkelijk kleine invloed hebben.
Het veranderen van de hoeveelheid van een gas op plekken waar uitgaande langgolvige straling vrijelijk de atmosfeer kan verlaten heeft een grotere invloed als er al wat van het gas aanwezig is. De mate van ‘verzadiging’ is ook van belang, het wordt vaak opgemerkt dat methaan (CH4) krachtiger is dan CO2, maar dit heeft niet te maken met een of ander intrinsieke eigenschap van het gas maar simpelweg met het feit dat het in lagere concentraties voorkomt en dus nog zijn belangrijkste absorptiebanden moet vullen. Als methaan in hogere concentraties zou voorkomen dan CO2 zou het omgekeerde waar zijn: CO2 zou dan op moleculaire basis krachtiger zijn.
Het toevoegen van gas bij lage concentraties heeft een groter effect dan bij hoge concentraties omdat dan de absorptie van de piek naar de vleugels gaat. De absorptie van koolstofdioxide is nog niet verzadigd, maar de effecten van absorptie kennen om deze reden een exponentiële groei en geen lineaire (en dat is maar goed ook, anders zou de atmosfeer ontzettend gevoelig zijn voor kleine veranderingen).
In het volgende bericht zal dieper worden ingegaan op de absorptie van infrarode straling door broeikasgassen zoals CO2.
Gr. Ben
Bericht laatst bijgewerkt: 12-05-2008 21:05