Broeikaseffect

Het broeikaseffect is het globale effect dat ontstaat ten gevolge van de aanwezigheid van broeikasgassen in de atmosfeer. Deze gassen zorgen ervoor dat de temperatuur van het aardoppervlak hoger ligt dan op grond van de combinatie van warmte-instraling van de zon en de interne aardwarmte verwacht kan worden. Zonder het broeikaseffect (en dus alleen verwarming van het aardoppervlak door zonlicht en aardwarmte) zou de temperatuur op Aarde volgens bepaalde modellen gemiddeld -18 °C zijn; thans is zij 15 °C. Het effect is genoemd naar de broeikas waar een glazen of plastic overkapping de uitstraling van warmte tegenhoudt en zo de temperatuur in de broeikas laat oplopen. Echter is ook begrijpelijk dat de gevolgen mogelijk onderschat worden, temeer mensen wel vaker naïef bleken te zijn.

Werking van het broeikaseffect

De temperatuur van het aardoppervlak wordt bepaald door een evenwicht van een aantal factoren.

Bijdragen die warmte toevoegen zijn:

• Straling van de zon die niet meteen wordt teruggekaatst;
• Aardwarmte.

Warmte wordt aan het oppervlak onttrokken door:

• Verdamping van water
• Convectie
• Infrarode straling van het aardoppervlak naar het heelal (uitstraling), volgens de Wet van Stefan-Boltzmann.

Andere warmtebronnen, zoals het verbranden van fossiele brandstoffen, zijn - afgezien van de gerelateerde emissies van broeikasgassen - ten opzichte van in- en uitstraling verwaarloosbaar.

De bijdrage van het zonlicht en de afname van de warmte door de uitstraling zijn op een ingewikkelde manier afhankelijk van een aantal omstandigheden:

• IJs en sneeuw verminderen de hoeveelheid geabsorbeerde zonnestraling en verminderen bovendien de uitstraling;
• Wolken kaatsen zonlicht terug maar hinderen aan de andere kant de uitstraling;
• Broeikasgassen absorberen straling uit beide richtingen, met per saldo een vermindering van de uitstraling;
• Fijn stof in de lucht weerkaatst vooral zichtbaar licht en vermindert dus per saldo de opwarming door de zon, bovendien vergemakkelijkt het de vorming van wolken;
• Sommige stoffen (zoals roet) maken wolken minder reflecterend, andere stoffen (zoals zwaveldioxide) juist méér.

Er stelt zich een evenwicht in doordat de uitstraling van infrarood toeneemt bij stijgende temperatuur. De inkomende straling van de zon is van een kortere golflengte (veelal zichtbaar licht), dan de uitstraling (veelal infrarode straling). Broeikasgassen absorberen vooral infrarode straling en kaatsen het terug naar het aardoppervlak, maar absorberen minder van de inkomende straling van de zon. Dit verhoogt de evenwichtstemperatuur op de Aarde, en wordt het broeikaseffect genoemd.

Voorbeelden van broeikasgassen zijn waterdamp (veroorzaakt 36-70% van het broeikaseffect, wolken niet meegeteld), kooldioxide (CO₂, veroorzaakt 9-26%), methaan (CH₄, veroorzaakt 4-9%) en ozon (O₃, verooraakt 3-7%).

Het broeikaseffect veroorzaakt een inversie (omkering) in het temperatuurverloop (dit wordt temperatuurgradiënt genoemd) van de atmosfeer. Zonder broeikaseffect zou de temperatuur gemeten vanaf het aardoppervlak en hoger in de lucht, vrij lineair afnemen; hoe verder van het oppervlak, hoe kouder het wordt. Door het broeikaseffect heeft de aardatmosfeer echter een zogenaamde inversielaag. Deze laag wordt gekenmerkt door een omgekeerd verloop; hoe hoger (verder van de Aarde) men komt, hoe warmer het wordt. Het is deze laag die uitstraling van warmte tegenhoudt en zo als een soort "warme deken" om de Aarde ligt.

Overigens gaat de vergelijking tussen een broeikas en het aardse broeikaseffect maar ten dele op. In beide gevallen komt de temperatuur hoger te liggen, doordat de uitstroom van warmte belemmerd wordt en de instroom niet. Het glas van een broeikas deelt weliswaar de eigenschap van broeikasgassen dat het doorlatend is voor zichtbaar licht, maar niet voor infrarode straling, maar een gewone broeikas werkt vooral door het belemmeren van convectie. Dit kan aangetoond worden door een broeikas van een ander materiaal dan glas te bouwen, zodat het ook infrarode straling doorlaat. Ook in deze broeikas zal de temperatuur hoger liggen dan in de omgeving.

Ontdekking van het broeikaseffect

Het broeikaseffect is in de loop van de 19e eeuw ontdekt door de gecombineerde observaties van drie wetenschappers. In 1827 kwam de Fransman Joseph Fourier met het idee dat de temperatuur alleen verklaard kon worden door onzichtbare warmtestraling. De Engelsman John Tyndall maakte in 1861 resultaten bekend van laboratoriummetingen, waaruit bleek dat waterdamp en gassen als kooldioxide warmtestraling opnamen. Hij dacht dat variaties in die gassen klimaatveranderingen konden verklaren.

In 1896 publiceerde de Zweed Svante Arrhenius berekeningen van temperatuurveranderingen op Aarde door variaties in de hoeveelheid kooldioxide. Een verdubbeling leidde volgens hem tot een opwarming van 4 tot 6 graden. In 1906 corrigeerde hij dat echter naar 1,6 graden. Arrhenius wordt dan ook beschouwd als de ontdekker van de opwarming van de Aarde.

Het broeikaseffect op andere planeten

Een planeet die een sterk broeikaseffect heeft, is de planeet Venus. Omdat Venus dichter bij de zon staat dan de aarde, valt op basis van een verhoogde warmte-instraling een hogere oppervlaktetemperatuur dan op Aarde te verwachten. Het verschil is echter veel groter dan op basis van het verschil in afstand verwacht mag worden, en de oppervlaktetemperatuur van Venus (480 °C) is hoger dan die van Mercurius, hoewel Mercurius veel dichter bij de zon staat.

De reden is dat Venus een zeer dichte atmosfeer heeft, die voor het grootste deel uit het broeikasgas CO₂ bestaat. Het broeikaseffect is op Venus dan ook zeer sterk. Mercurius daarentegen heeft vrijwel geen atmosfeer, en derhalve ook geen broeikaseffect. De hoeveelheid instraling is op de door de zon beschenen kant weliswaar erg hoog, maar de uitstraling is ook erg hoog. Hierdoor zijn de verschillen tussen dag- en nachttemperatuur zeer groot (in de orde van +250 en -250 graden Celsius).

Op basis van fotos van Mars (planeet) gemaakt door de Mars Global Surveyor en de NASA Odyssey-missie valt af te leiden, dat de laatste 3 jaar de CO₂-ijskap op Mars krimpt. Berekeningen van Fenton, Geissler en Haberle ondersteunen de verklaring dat het smelten van de CO₂-ijskap op Mars door een positieve feedback-loop van stofstormen komt.

Huidige versterking van het broeikaseffect

Zie Opwarming van de Aarde voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

In de loop van de twintigste eeuw zijn er verscheidene modellen ontworpen die een systematische stijging van de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer beschrijven. Dit wordt het versterkt broeikaseffect genoemd. Eind jaren vijftig begon men systematisch de koolstofdioxideconcentratie in de atmosfeer te meten. Pionier op dit gebied was Charles David Keeling (1928-2005), die als eerste de concentraties met grote nauwkeurigheid en langdurig registreerde. Dit deed hij zowel op de Mauna Loa-vulkaan op Hawaï, als op het Amerikaanse militaire Zuidpool-station. Na twee jaar meten meldde hij dat de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer wereldwijd aan het stijgen was. Metingen uit 2005 laten een gemiddelde concentratie van circa 372 ppm (parts per million) CO₂ zien. Toen Keeling begon te meten was dit 315 ppm en uit luchtbelletjes opgesloten in de ijskap van Antarctica wordt geconcludeerd dat deze concentratie voor aanvang van de Industriële revolutie ongeveer 280 ppm was. Het is zeer waarschijnlijk dat deze stijging is te wijten aan menselijke activiteiten; ruwweg 75% door verbranding van fossiele brandstoffen en 25% door massale ontbossing en daaraan verwante erosie.

De gemeten hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer is sinds de Industriële revolutie gestegen van ca. 270 naar ca. 370 ppm. Uit ijsboringen is bekend dat de concentratie CO₂ in de afgelopen 400.000 jaar niet eerder zo hoog is geweest als nu. De herkomst van deze stoffen is met zekerheid vast te stellen uit metingen van isotopenconcentraties van de koolstof hierin. Koolstof uit fossiele brandstof bevat nauwelijks de isotoop koolstof-14 door de 200 miljoen jaar ondergrondse opslagtijd, die koolstof-14 radioactief laat vervallen. In de atmosfeer wordt gedurig koolstof-14 bijgemaakt. De samenstelling van de toegenomen CO₂ in de atmosfeer bevat weinig koolstof-14, wat wijst op herkomst van fossiele brandstof. Ook in de oceanen neemt de concentratie CO₂ toe, wat resulteerde in een afname van de zuurgraad pH met 0,1 tot dusver. CO₂ vormt in water immers koolzuur H₂CO₃ en dit is een zuur.

Verband tussen CO₂ en temperatuur

Er is een duidelijk verband tussen de CO₂-concentratie en de temperatuur op aarde, maar daaruit is de relatie tussen oorzaak en gevolg niet direct af te leiden. Allerlei wederzijdse positieve en negatieve terugkoppelingsmechanismen zorgen voor deze complexe relatie. Eén ervan is dat de oplosbaarheid van CO₂ in water afneemt als de temperatuur stijgt. Wel reageert het CO₂-gehalte veel trager op een verandering in de temperatuur dan andersom: als de temperatuur stijgt dan gaat het CO₂-gehalte na 800 tot enkele duizenden jaren ook omhoog, maar als het CO₂-gehalte stijgt neemt de temperatuur al binnen veertig of mogelijk twintig jaar toe.

Zonder externe invloeden zoals het verbranden van fossiele brandstoffen of veranderingen in de aardbaanparameters (die leiden tot ijskapvariaties) zijn de veranderingen van temperatuur en broeikasgasgehaltes door de terugkoppelingsmechanismen aan elkaar gerelateerd. Wat oorzaak is en wat gevolg is dan niet zo duidelijk. Maar als de temperatuur verandert door veranderingen in de aardbaanparameters, dan nemen de broeikasgasgehaltes (langzaam) toe en als de broeikasgasgehaltes toenemen, dan neemt de temperatuur (snel) toe. Het is dus alleen zinvol om in termen van oorzaak en gevolg te spreken als er externe invloeden zijn.

Het atmosferische CO₂-gehalte is in de afgelopen 100 jaar met circa 80 ppm gestegen. Deze stijging is veel te groot om te kunnen worden verklaard door de temperatuurstijging van 0,7 graad over deze periode. Zij is ook te groot om te kunnen worden verklaard uit temperatuurfluctuaties uit het verleden, die eeuwen later effecten kunnen hebben. Het is dus aannemelijk dat in de afgelopen 100 jaar de temperatuur is gestegen door de toename van het CO₂-gehalte en niet andersom.

Gashydraten

Een extra motor voor het broeikaseffect bij een opwarmende aarde zou zijn dat er op dit moment op de bodem van de oceanen en onder de permanent bevroren bodem in Canada en Rusland (dit wordt permafrost genoemd) geologische structuren bevinden die veel methaan opgeslagen hebben. De uitstraling hiervan wordt tegengehouden door de permafrost. Deze zogenaamde gashydraten zouden vrijkomen als de bodem niet meer permanent bevroren is en zo zou de atmosfeer sterk verrijkt worden met het broeikasgas CH₄.

Zie ook

• Aardatmosfeer
• Adaptatie
• An Inconvenient Truth
• Emissiehandel
• Geschiedenis van de Aarde
• Global dimming
• Intergovernmental Panel on Climate Change
• IPCC-rapport 2007
• Klimaatverandering
• Klimaatvluchteling
• Koolstofdioxide
• Koolstofkringloop
• Koudegolf
• Kyotoprotocol
• Mitigatie
• Opwarming van de Aarde
• Pooljaar
• The Great Global Warming Swindle
• Zeespiegelstijging
• Zonnevlek

Bronvermelding

Bronnen, noten en/of referenties:

• Delen van deze tekst zijn afkomstig van het KNMI.

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Greenhouse effect op Wikimedia Commons.