|
Hoe warmen broeikasgassen de aarde op?
|
|
|
Er zijn veel manieren om het versterkte
broeikaseffect te beschrijven, variërend van `een
dekentje om de aarde' in het Jeugdjournaal tot
wetenschappelijke artikelen met stapels formules
waarin
alle details exact worden beschreven. Met dit
artikel proberen we een tussenweg te vinden, een
beschrijving zonder formules die toch zo dicht
mogelijk bij de natuurkunde staat. We laten zo veel
mogelijk niet-essentiële details weg.
Hoe werkt het
nu echt? In 5 stappen is het versterkte
broeikaseffect te verklaren. |
| |
| 1.Temperatuuropbouw van de atmosfeer |
| |
Zoals iedereen weet die een berg beklommen
heeft neemt de temperatuur.
In de atmosfeer van de aarde af met de
hoogte.
Dit komt omdat de zonnestraling
vooral de bodem verwarmt. De grond warmt
vervolgens de lucht op, die hierdoor
uitzet, lichter wordt en opstijgt. De
luchtdruk daalt
echter met de hoogte,
waardoor
de opstijgende lucht verder uitzet.
Uitzettende lucht koelt af,
de temperatuur
daalt hierdoor met gemiddeld 6,5ºC per
kilometer stijging. |
| |
Dit geldt tot ongeveer 13 kilometer hoogte,
in het gebied waar het weer zich afspeelt.
Daarboven loopt de temperatuur weer op.
Boven de dertien kilometer hoogte wordt
de lucht namelijk niet
meer door de grond
verwarmd, maar voornamelijk doordat
ozon ultraviolette straling van de zon
opvangt. Dit leidt juist tot een toename van
de temperatuur met de hoogte. |
|
Dit temperatuurverloop is geschetst in het figuur 1.
Het is essentieel om het versterkte broeikaseffect te verklaren |
|
|
|
| |
| 2. Stralingseigenschappen van CO2 en andere
broeikasgassen |
| |
| De zon straalt voornamelijk zichtbaar licht
naar de aarde, grotendeels met een
golflengte kleiner dan 4 μm. De bodem
straalt warmtestraling terug omhoog, vrijwel
allemaal met een golflengte groter dan
ongeveer 4 μm. De warmtestraling van
de
grond kan niet ongehinderd naar de ruimte
stralen. Moleculen die uit twee atomen
bestaan, zoals stikstof (N2) en zuurstof
(O2) zijn doorzichtig voor warmtestraling.
Complexere moleculen zoals waterdamp (H2O),
kooldioxide (CO2) en methaan (CH4) zijn dat
echter niet en nemen de warmtestraling op. |
| |
 |
|
Deze gassen worden daarom ook wel
broeikasgassen genoemd. Hoe sterk deze
moleculen de warmtestraling opnemen hangt af
van de golflengte van de straling.
Bij
sommige golflengtes kan de warmtestraling
vrijwel ongehinderd door de atmosfeer
stralen, dit zijn de witte stukken in figuur. Bij andere golflengtes wordt vrijwel alle straling door de broeikasgassen opgenomen, dit zijn de grijze banden in figuur.
Het sterkst geldt dit voor straling rond 15 μm, die binnen enkele centimeters door
CO2 wordt opgenomen. Uit figuur 2 blijkt dat de meeste warmtestraling onderweg
van de grond naar boven door waterdamp, CO2 en andere broeikasgassen opgevangen wordt. |
| |
De broeikasgassen zenden de opgenomen
warmtestraling ook weer uit en wel op
dezelfde golflengten waar ze de
warmtestraling opnemen maar in een
willekeurige richting. Zo “kaatst” de
straling als het ware van molecuul tot
molecuul naar boven,
tot hoger in de
atmosfeer er zo weinig broeikasgassen over
zijn dat de straling ongehinderd naar de
ruimte kan ontsnappen. Dit gebeurt gemiddeld
op een hoogte
van 5 km. Voor straling in de
15 μm band is de lucht echter pas op veel
grotere
hoogte doorzichtig. |
|
|
| Figuur 2. De sterkte waarmee de
belangrijkste broeikasgassen in de
atmosfeer straling absorberen voor
verschillende golflengtes.
Bij golflengtes die grijs zijn
ingekleurd wordt warmtestraling niet
rechtstreeks naar de ruimte
uitgestraald maar eerst door
broeikasgassen geabsorbeerd en weer
uitgestraald. Bron:
www.globalwarmingart.com |
De zonnestraling naar de aarde is ongeveer
340 Watt per vierkante meter
aardoppervlakte. Ongeveer een derde hiervan
wordt teruggekaatst door wolken, sneeuw, ijs
en andere niet-zwarte oppervlakken. De rest,
240 W/m², verwarmt de aarde. De aarde koelt
echter weer af door
warmtestraling uit te
stralen. Als de gemiddelde temperatuur van
de aarde niet verandert is dit precies even
veel als de opgenomen zonnestraling.
Dit
heet stralingsevenwicht. |
| |
| Warme objecten stralen meer warmtestraling
uit dan koude. De hoeveelheid warmtestraling
kan berekend worden uit de temperatuur met
de
Wet van Stefan-Boltzmann. Omgekeerd kan je
ook de temperatuur bepalen als je de
hoeveelheid warmtestraling kent. Voor de 240
W/m² die de aarde netto van de zon ontvangt
en dus ook weer terug straalt geeft deze wet
een temperatuur van -18ºC. Deze temperatuur
wordt de effectieve stralingstemperatuur
genoemd. Zonder broeikasgassen in de
atmosfeer maar met dezelfde kleur zou dit de
gemiddelde temperatuur aan de grond zijn. |
Het aandeel broeikasgassen in de atmosfeer
bedraagt ongeveer 0,4%. Door de CO2 en
andere broeikasgassen die van nature in de
atmosfeer voorkomen, komt de warmtestraling
naar het heelal maar voor 10% rechtstreeks
van het aardoppervlak (de witte golflengtes
rond 10 μm
bovenaan in Figuur 2). Het
overgrote deel wordt onderweg naar boven
vele malen opgenomen en weer uitgestraald.
Pas op 5 kilometer hoogte gemiddeld ontsnapt
de straling. Op die hoogte is de temperatuur
dus volgens de Wet van Stefan-Boltzmann
-18ºC. |
| |
Omdat de temperatuur per kilometer hoogte
6,5ºC afneemt is het aan
de grond is een stuk warmer, het is daar
gemiddeld 14,5ºC.
Dit is makkelijk
te berekenen als -18ºC
plus 6,5ºC/km over 5 km. Het verschil met de situatie zonder
broeikasgassen, waarbij het aan de grond
-18ºC zou zijn, wordt het broeikaseffect
genoemd. Het werkt echter heel anders dan een glazen broeikas die voornamelijk opwarmt doordat vocht niet kan ontsnappen, de naam is ongelukkig gekozen. |
| |
| 5. Versterkte broeikaseffect |
| |
Als er meer CO2 en andere broeikasgassen in
de atmosfeer komen, ontsnapt de
warmtestraling minder makkelijk.
De
gemiddelde hoogte waarop er zo weinig
broeikasgassen zijn dat de straling naar de
ruimte ontsnapt neemt dus toe. Op die
grotere hoogte is het echter kouder
dan -18ºC.
De aarde straalt dan volgens de
wet van Stefan-Boltzmann minder
warmtestraling uit. Er komt dus meer
zonnestraling binnen dan er warmtestraling
uitgestraald wordt.
De extra straling heeft
als gevolg dat de aarde opwarmt totdat de
temperatuur op die grotere hoogte weer -18ºC
is.
Dan straalt de aarde weer evenveel
warmte uit als er zonnestraling binnenkomt
en verandert de temperatuur niet meer.Als de temperatuur op 5 km hoogte stijgt,
moet de temperatuur aan de grond ook
stijgen. De temperatuur daalt immers nog
steeds met ongeveer
6,5ºC per kilometer
hoogte. Hoeveel de temperatuur aan de grond
precies stijgt hangt af van allerlei mee- en
tegenwerkende factoren, ook wel
terugkoppelingen genoemd,
die in een volgend
artikel besproken worden.
Het effect van
alleen CO2 zou een stijging van de
wereldgemiddelde temperatuur zijn van 1,2ºC
voor een verdubbeling van de concentratie. |
| |
| Dat is relatief eenvoudig uit te rekenen en
onomstreden. Door de terugkoppelingen is het
effect uiteindelijk groter. De
terugkoppelingen zijn echter veel moeilijker
te bepalen. De beste schatting van het
totale effect is zo'n 3ºC voor een
verdubbeling van de CO2 concentratie, met
een onzekerheidsmarge van ongeveer 2ºC tot
zo'n 4,5ºC temperatuurstijging
wereldgemiddeld. |
 |
| Figuur-4 |
|
| Figuur 3: temperatuurverloop in de
atmosfeer zonder broeikasgassen
(blauw), met de concentraties
broeikasgassen voor de industriële
revolutie (magenta), en met meer
broeikasgassen (projectie voor
2100). In het eerste geval ontsnapt
de warmtestraling rechtstreeks vanaf
de grond naar de ruimte, in het
tweede vanaf ongeveer 5 km hoogte,
in het derde nog wat hoger. |
|
| Figuur 4: de verandering in de
uitgaande warmtestraling bovenaan de
atmosfeer tussen 1970 en 1996. De
straling in de banden van
broeikasgassen kwam in 1996
gemiddeld van een grotere hoogte,
dus van een lagere temperatuur, dan
in 1970. Harries et al, Nature, 2001. |
|
|
 |
| Figuur-3 |
|
| |
| 5a. Een neveneffect van het
versterkte broeikaseffect |
| Een gedeelte van de warmtestraling (in de 15
μm band van CO2) ontsnapt pas boven de 13
km. Op die hoogte werkt het versterkte
broeikaseffect juist andersom. Omdat daar de
temperatuur met de hoogte oploopt, leidt een
toename van de concentratie CO2 tot een
afkoeling. |
De aarde straalt vrijwel evenveel
warmtestraling uit als de hoeveelheid
opgevangen zonnestraling.
De hoeveelheid
straling die wordt uitgewisseld hoort bij
een temperatuur van -18ºC. Dit komt overeen
met de gemiddelde temperatuur op 5 km
hoogte, waar de warmtestraling ontsnapt.
| |
| Een toename van de hoeveelheid CO2 of andere
broeikasgassen vergroot in eerste instantie
de hoogte waarop de aarde de warmtestraling
uitstraalt. Op grotere hoogte is het echte
kouder dan -18ºC, zodat er dan minder warmte
wordt uitgestraald. |
| |
| Het overschot aan binnenkomende straling
warmt het onderste deel van de atmosfeer op
tot de temperatuur op de grotere hoogte van
uitstraling weer -18ºC is. Door meer CO2
koelt de atmosfeer boven de 13 km juist af.
Zowel de toename van de CO2 concentraties,
de verlaging van stralingstemperatuur in de
CO2-banden, de opwarming aan de grond en de
atmosfeer tot 13 km hoogte als een afkoeling
daarboven zijn waargenomen. |
| |
Een verdubbeling van CO2 zonder andere
veranderingen in het klimaatsysteem zou een
opwarming van ongeveer 1,2ºC geven. Dit is
een
rechtstreeks gevolg van de
stralingseigenschappen van CO2, het
temperatuurverloop van de atmosfeer en de
wetten van de natuurkunde.
In werkelijkheid verandert het
klimaatsysteem wel direct door deze
opwarming. Zodra de temperatuur verandert,
veranderen ook diverse andere processen in
het klimaatsysteem.
Deze veranderingen versterken en verzwakken
de opwarming en zijn veel onzekerder dan het
rechtstreekse stralingseffect van CO2.
Inclusief deze terugkoppelingen is de
gemiddelde opwarming van de aarde groter,
waarschijnlijk tussen de 2ºC en 4,5ºC
voor
een verdubbeling van de CO2 concentratie. De
terugkoppelingen bespreken we in een volgend
artikel. |
|
|
|
|
|
|
