De huidige opwarming van de aarde heeft meerdere oorzaken, allemaal gerelateerd aan menselijke activiteiten. In dit antwoord zet ik ze op een rijtje, van meest tot minst belangrijk. Allereerst de uitstoot van broeikasgassen, met name CO₂, dan de uitstoot van gassen die minder lang in de atmosfeer verblijven en aerosolen, en als laatste veranderingen in het land-oppervlak en zonnestraling.
Broeikasgassen: CO₂, CH₄, HCFCs, N₂O
Broeikasgassen zijn gassen die warmtestraling efficiënt absorberen. Dit komt omdat ze bestaan uit gecompliceerde moleculen, die kunnen trillen bij de frequenties van warmtestraling. De simpele moleculen van stikstof en zuurstof kunnen dit niet en absorberen nauwelijks warmtestraling. Dit is de oorzaak dat broeikasgassen in heel kleine concentraties toch het merendeel van het broeikaseffect veroorzaken.
De grootste oorzaak van de huidige opwarming van de aarde is de uitstoot van het broeikasgas CO₂ door het verbranden van fossiele brandstoffen. Rond 1750 was de concentratie van CO₂nog ongeveer 280 ppm (‘parts per million’, oftewel per miljoen deeltjes in de atmosfeer), en inmiddels is dit boven de 400 ppm gestegen (KNMI). Dat is een stijging van meer dan 40%.
In diezelfde tijd is de concentratie van methaan (CH₄) zelfs met zo’n 150% gestegen. Dat komt niet alleen door de verbranding van fossiele brandstoffen, maar ook door bijvoorbeeld smeltende permafrost, gewassen zoals rijstvelden en veehouderij. Bacteriën in ondergelopen rijstvelden of in de magen van koeien produceren methaan. De toename van voedselconsumptie zorgt dus ook direct voor uitstoot van broeikasgassen. Methaan is een sterker broeikasgas dan CO₂, maar de concentratie van in de atmosfeer is grofweg 220x lager dan de concentratie van CO₂, waardoor methaan uiteindelijk een kleiner effect op de opwarming heeft.
Naast CO₂ en CH₄ spelen ook schadelijke gassen zoals HCFC een rol. Zulke gassen vervangen nog schadelijkere CFKs, die vroeger als koelmiddel of drijfgassen werden gebruikt. Als laatste is ook distikstofoxide (N₂O) een broeikasgas, wat in de atmosfeer terecht komt met name als gevolg van het gebruik van mest in de landbouw. Net als methaan is N₂O een sterker broeikasgas dan CO₂, maar komt het in lagere concentraties voor.
Andere gassen en aerosolen
Naast de hierboven beschreven broeikasgassen, die wel 20 jaar of langer in de atmosfeer kunnen verblijven en daardoor goed over de aarde verspreid zijn, spelen ook andere gassen en aerosolen een rol. Een voorbeeld is koolstof-mono-oxide (CO), wat vrij kan komen bij de verbranding van verschillende brandstoffen en biomassa. Stikstof-oxiden (NO en NO₂, in tegenstelling tot het eerder genoemde N₂O) komt ook vrij bij de verbranding van fossiele brandstoffen. Gassen als CO, NO en NO₂ hebben zelf geen direct effect op de opwarming van de aarde maar spelen een belangrijke rol in chemische processen in de atmosfeer, zodat ze wel een belangrijk indirect effect hebben op de opwarming.
Ook kleine vaste of vloeibare deeltjes in de atmosfeer, aerosolen, spelen een rol, omdat ze zonnestraling kunnen absorberen of weerkaatsen. Ook hebben aerosolen een effect op wolkenvorming. Zulke deeltjes kunnen een natuurlijke oorsprong hebben, zoals stof of roetdeeltjes na een vulkaanuitbarsting of bosbrand, maar ook een menselijke oorsprong. Niet alleen deeltjes die vrijkomen bij verbranding van bijvoorbeeld biomassa, maar ook zwaveldioxide wat vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen, wordt in de atmosfeer omgezet naar aerosolen.
Opmerkelijk is dat het effect van NO, NO₂ en aerosolen voor afkoeling kunnen zorgen, bijvoorbeeld door het terugkaatsen van zonnestraling. Er is echter nog veel onzekerheid in hun precieze effect, en studies laten zien dat deze afkoeling niet opweegt tegen de opwarming door bovengenoemde effecten. Het meest waarschijnlijk is dat broeikasgassen dus voor meer dan 100% van de opwarming zorgen, deels gecompenseerd door de koelende werking van aerosolen.
Veranderingen in het landoppervlak en zonnestraling
Veranderingen in de samenstelling van de atmosfeer, zoals tot nu toe besproken, beïnvloeden hoeveel zonnestraling er uiteindelijk ons aardoppervlak bereikt. Het belangrijkste effect, het broeikaseffect, zorgt ervoor dat er meer straling wordt vastgehouden, en dus dat de aarde opwarmt. De hoeveelheid zonnestraling zelf kan echter ook veranderen, de sterkte van de zon varieert namelijk een klein beetje. Deze veranderingen zijn zo klein dat ze een veel kleiner effect hebben op onze temperatuur dan de veranderingen in (broeikas)gassen en aerosolen in de atmosfeer.
Veranderingen in het landoppervlak hebben een iets groter effect, door het veranderende weerkaatsende vermogen van het aardoppervlak. Een bos neemt veel zonnestraling op en kaatst weinig terug, terwijl een laag verse sneeuw vooral zonnestraling terugkaatst. Ontbossing kan dus zorgen voor een hoger weerkaatsend vermogen, terwijl verdwijnende sneeuw- en ijsbedekking voor een lager weerkaatsend vermogen zorgt. Bebouwing en wegen nemen ook veel straling op, maar het weerkaatsend vermogen kan sterk variëren door verschillend materiaal- en kleurgebruik. Gemiddeld genomen is er een lichte stijging in het weerkaatsend vermogen van de aarde, maar het effect is klein waardoor het niet opweegt de opwarmende effecten van bijvoorbeeld broeikasgassen.
Ook veranderingen van de hoeveelheid water geven temperatuureffecten. Door irrigatie blijft het koeler: de verdamping van dat water gebruikt veel energie die dan niet meer beschikbaar is om het landoppervlak en de lucht er boven op te warmen. In gebieden met een toename van irrigatie zie je dus minder snel oplopende zomertemperaturen (het Irrigation Cooling Effect). Omgekeerd zie je in verstedelijkende gebieden met minder groen en meer harde oppervlakken juist een sterke opwarming (een component van het Urban Heat Island effect).
Alle veranderingen samen: de stralingsbalans
Als we alle bovengenoemde effecten optellen, zien we netto een opwarmend effect. Voor ieder effect hebben wetenschappers bepaald hoe groot het effect is op de stralingsbalans, dus de balans tussen de hoeveelheid zonnestraling die de aarde ontvangt en de hoeveelheden die weer worden teruggekaatst en uitgestraald door het aardoppervlak. Toenemende concentraties van broeikasgassen zorgen er dus voor dat er meer straling wordt geabsorbeerd, met opwarming tot gevolg. Uit deze berekeningen volgt dat de uitstoot van CO₂ het belangrijkst is, gevolgd door CH₄. Veranderingen in het landoppervlak zorgen in meetbare veranderingen in het weerkaatsend vermogen, maar het effect op de opwarming is kleiner dan dat van broeikasgassen.
Andere effecten: atoombommen
Er kwam ook de vraag of de atoombommen die sinds de tweede wereldoorlog ontploft zijn kunnen bijdragen aan de opwarming van de aarde. Kortgezegd hebben deze geen effect op de wereldwijde opwarming, maar naast straling kwam er ook rook en roet vrij wat lokaal wel een kortdurend effect op de atmosfeer kan hebben gehad. Het grote arsenaal aan atoombommen wat vandaag de dag op aarde aanwezig is, zou echter wel een effect kunnen hebben. Als ook maar een klein deel tot ontploffing wordt gebracht, kan dat naast grote aantallen doden ook de wereldwijde temperatuur significant laten dalen omdat de uitgestoten rook en roetdeeltjes jarenlang in de atmosfeer blijven en zonlicht weerkaatsen (Robock and Toon, 2016).