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?
Wat maakt een gas een broeikasgas?
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.
Afbeelding door Esla Noblet via unsplash.com
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.
Wat gebeurt er als de concentratie aan broeikasgassen toeneemt?
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.
Het stralingsbudget van de aarde. Bron:Nasa, vertaald naar het Nederlands door Scientists4Future
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. Dat is voor ons heel belangrijk, want zonder natuurlijke broeikasgassen zou de aarde gemiddeld 33 graden kouder zijn.
Deze grafiek laat de toename van de CO2-concentratie in de atmosfeer zien sinds het jaar 1700. De stijging is hoofdzakelijk het gevolg van de verbranding van fossiele brandstoffen, zoals olie, kolen en gas. Aanvankelijk verliep de stijging langzaam en sinds halverwege de twintigste eeuw is deze sterk versneld. Bron: Scripps Instituut.
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 klimaatsysteem op onze aarde.
Hoe weten we dit eigenlijk?
Voor het fundament van onze kennis moeten we de geschiedenis van de wetenschap in duiken:
- 1824: ontdekking van het broeikaseffect door de Franse natuurkundige Joseph Fourier. Hij noemde infraroodstraling “donkere warmte”. Om de milde temperatuur op aarde te verklaren (zonder het broeikaseffect zou het gemiddeld 18 graden onder 0 zijn!) moet de atmosfeer een deel van deze ‘donkere warmte’ tegenhouden, zo beargumenteerde Fourier.
- 1856-1859: absorptie van infraroodstraling door broeikasgassen, zoals CO2, waterdamp, en methaan, aangetoond in het laboratorium. De Amerikaanse Eunice Foote en de Ier John Tyndall waren de eersten die hierin slaagden.
- 1896: berekening van het effect op de temperatuur van een verhoging van de CO2-concentratie. De Zweedse natuurkundige Svante Arrhenius voorspelde hiermee in feite de opwarming, voordat die goed en wel begonnen was. Aangezien Arrhenius nog niet de beschikking had over computers kan dit met recht als monnikenwerk worden beschouwd.
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 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 dus een geobserveerd feit.
We weten ook dat veranderingen in de CO2-concentratie vaak een sleutelrol vervulden bij grote klimaatveranderingen in het verleden.