Hoe warmen broeikasgassen de aarde op?
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 Figuur 1. Het is essentieel om het versterkte broeikaseffect te verklaren.
Figuur 1: het gemiddelde temperatuurverloop in de atmosfeer.
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 2. Bij andere golflengtes wordt vrijwel alle straling door de broeikasgassen opgenomen, dit zijn de grijze banden in figuur 2. 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.
Figuur 2. De sterkte waarmee de belangrijkste broeikasgassen 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.
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.
3. Stralingsevenwicht
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 zou dit de gemiddelde temperatuur aan de grond zijn.
4. Broeikaseffect
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.)
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.
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 1ºC 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 6ºC temperatuurstijging wereldgemiddeld.
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.
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.
Conclusie
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 1ºC 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 6ºC voor een verdubbeling van de CO2 concentratie. De terugkoppelingen bespreken we in een volgend artikel.
Bron KNMI
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 Figuur 1. Het is essentieel om het versterkte broeikaseffect te verklaren.
Figuur 1: het gemiddelde temperatuurverloop in de atmosfeer.
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 2. Bij andere golflengtes wordt vrijwel alle straling door de broeikasgassen opgenomen, dit zijn de grijze banden in figuur 2. 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.
Figuur 2. De sterkte waarmee de belangrijkste broeikasgassen 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.
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.
3. Stralingsevenwicht
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 zou dit de gemiddelde temperatuur aan de grond zijn.
4. Broeikaseffect
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.)
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.
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 1ºC 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 6ºC temperatuurstijging wereldgemiddeld.
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.
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.
Conclusie
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 1ºC 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 6ºC voor een verdubbeling van de CO2 concentratie. De terugkoppelingen bespreken we in een volgend artikel.
Bron KNMI
