Broeikasgas

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Hoge resolutie infraroodspectrum van het broeikasgas methaan (CH4) in de gastoestand
Infraroodabsorptiespectrum van methaan (CH4)
Gemiddelde methaanconcentratie in de troposfeer 2006-2009

Broeikasgassen zijn gassen die door hun aardopwarmingsvermogen in de atmosfeer bijdragen aan het verhogen en in stand houden van de evenwichtstemperatuur van de Aarde. Dit verschijnsel noemt men het broeikaseffect. Het is door de Engelse fysicus John Tyndall in 1861 op grond van spectroscopische meetresultaten en door de Zweedse fysisch chemicus Svante Arrhenius in 1896 op theoretische grond voorgesteld. Zonder broeikasgassen zou de gemiddelde temperatuur op Aarde tot ongeveer -18 graden Celsius dalen.[1] Te veel broeikasgassen in de atmosfeer kunnen mogelijk een probleem voor de mens worden omdat het klimaat dan in grote delen van Aarde voor de mens onleefbaar zou kunnen worden.

Absorptie van warmtestraling door gassen[bewerken]

De kwantummechanica leert dat monoatomische gassen zoals argon Ar en diatomische gassen zoals stikstof N2 of zuurstof O2 zonder dipoolmoment geen absorptielijnen hebben in hun infraroodspectrum waardoor ze geen warmtestraling kunnen absorberen en niet aan het broeikaseffect kunnen bijdragen. Gasmoleculen die een dipoolovergang kunnen hebben in hun infraroodspectrum zoals waterdamp H2O, koolstofdioxide CO2, distikstofoxide N2O, stikstofdioxide NO2 en ozon O3 doen dat wel. De absorptiespectra van gassen die uit nog meer atomen bestaan, zoals methaan CH4, freon CF2Cl2, CFCl3 en zwavelhexafluoride SF6 hebben meestal meer dipoolovergangen die sterker absorberen en veroorzaken daardoor een sterker broeikaseffect.

De absorptielijnen in de infraroodspectra van gassen worden veroorzaakt door vibratieovergangen en rotatie-vibratieovergangen waarbij een molecuul van de ene rotatie- en trillingstoestand naar een andere rotatie- en trillingstoestand met een hogere energie overgaat. Het energieverschil tussen die toestanden bepaalt de golflengte van de geabsorbeerde warmtestraling. Het dipoolmoment van de trillingstoestanden in het absorptieproces moet bovendien verschillend zijn. De grootte van het verschil in dipoolmoment tussen die trillingstoestanden is bepalend voor de sterkte van de absorptie. Grotere moleculen absorberen warmtestraling beter doordat er meer verschillende manieren zijn waarop ze kunnen trillen en doordat de verschillen in dipoolmoment tussen de trillingstoestanden groter zijn dan bij kleinere moleculen.

Aardopwarmingsvermogen[bewerken]

Vaak wordt het aardopwarmingsvermogen (Engels: Global Warming Potential) van gassen uitgedrukt in CO2-equivalenten.[2] Daarin speelt ook de absorptieband waarin het betreffende molecuul warmtestraling absorbeert een rol. Gasmoleculen die warmtestraling absorberen bij golflengten waarbij het aardoppervlak veel warmte uitstraalt leveren een grotere bijdrage. Het spectrum van de warmtestraling die door het aardoppervlak uitgestraald wordt is afhankelijk van de temperatuur van het aardoppervlak en wordt gegeven door de zwarte lichaamsstralingscurve van de wet van Planck. De verschillen in de gemiddelde temperatuur van het aardoppervlak op verschillende tijden en plaatsen bedragen enkele tientallen graden zodat een Rayleigh-Jeans-curve bij een temperatuur van 270 à 290 Kelvin voldoet. De inkomende warmtestraling van de zon warmt de atmosfeer ook op, voornamelijk op grotere hoogte. Deze straling heeft een spectrum dat sterk overeenkomt met de zwartelichaamsstraling van een lichaam met een temperatuur van het zonneoppervlak. De belangrijkste broeikasgassen en hun relatieve aardopwarmingsvermogens zijn:

Een uitgebreider overzicht staat onder Aardopwarmingsvermogen
Naam Naam (Engels) Formule CO2-equivalent
Koolstofdioxide Carbon dioxide CO2 1
Methaan Methane CH4 28
Distikstofoxide Nitrous oxide N2O 265
Waterdamp Water vapour H2O Zie sectie over waterdamp
Chloorfluorkoolstofverbindingen CFC-11, CFC-12 CxFyClz 5700 tot 11900
Zwavelhexafluoride Sulfur hexafluoride SF6 23500
Ozon Ozone O3  ?

Waterdamp[bewerken]

Het belangrijkste broeikasgas in de atmosfeer van de aarde is echter waterdamp.[3][4] Door de temperatuurstijging die in de laatste honderd jaar is opgetreden neemt de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer toe en wordt het broeikaseffect extra versterkt. Veel klimaatonderzoekers beschouwen waterdamp onder de huidige omstandigheden daarom als een complex positief terugkoppelingsmechanisme in het klimaatsysteem en niet als onafhankelijk broeikasgas.

Als op een bepaalde plaats de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer stijgt dan wordt de lucht daar warmer door de versterking van het broeikaseffect. Dat kan tot gevolg hebben dat er meer water verdampt waardoor de luchtvochtigheid verder toeneemt en het broeikaseffect nog verder versterkt wordt. Dit is een positieve terugkoppeling. De luchtvochtigheid kan echter niet verder stijgen dan tot het dauwpunt waarbij de waterdamp condenseert. Afhankelijk van de omstandigheden kunnen verschillende typen wolken of kan er mist ontstaan. Daardoor neemt de hoeveelheid zonlicht dat het aardoppervlak bereikt af waardoor verdere verdamping en temperatuurstijging afgeremd wordt. Doordat wolken het zonlicht reflecteren wordt eveneens minder warmte door de atmosfeer geabsorbeerd. Dit is een negatieve terugkoppeling. De hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer is sterk afhankelijk van plaats en omstandigheden. Bovendien worden waterdamp en wolken door de wind en de atmosferische circulatie over kortere en langere afstanden verplaatst.

Waterdamp speelt een centrale rol in de waterkringloop. Deze waterkringloop is een essentieel onderdeel van de warmtehuishouding van de atmosfeer en vormt een erg ingewikkeld niet-lineair dynamisch systeem dat met andere systemen verbonden en vervlochten is. Vanwege de complexiteit van deze systemen lastig om door middel van een modelberekening of met behulp van meetapparatuur een gemiddelde waterdampconcentratie van de atmosfeer te berekenen of te meten. Aangezien de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer invloed heeft op bijvoorbeeld de wolkvorming en de omvang van ijskappen op de polen, die de temperatuur verlagen, terwijl het als broeikasgas de temperatuur verhoogt, is het moeilijk om het effect van waterdamp op het klimaat onder alle omstandigheden te bepalen.[5][6]

Bovendien hebben global dimming en de concentratie van roetdeeltjes en andere verontreinigingen in rookgassen eveneens invloed op wolkvorming. Deze effecten zijn het sterkst in industriële gebieden waar veel broeikasgassen geproduceerd worden. In het geologische verleden hebben vulkanische activiteit en grote natuurrampen de wolkvorming en temperatuur op Aarde bepaald. Gegevens over temperatuur en luchtvochtigheid zijn in zulke gevallen ontoereikend om het effect van waterdamp op het weer en het klimaat te bepalen.

De verdeling en de vorm van landmassa's en de daarop aanwezige ecosystemen hebben eveneens invloed op de concentratie van waterdamp in de atmosfeer. Gebergten, woestijnen en savannen hebben meestal het effect dat ze de lucht die eroverheen stroomt uitdrogen zodat gebieden die erachter liggen droger zijn. Beboste gebieden nemen meestal goed water op en geven gemakkelijk waterdamp af. Tropische regenwouden werken als een buffer voor water. De verdeling van de landmassa en het neerslagpatroon in de omgeving van poolgebieden is mede bepalend voor de grootte van de ijskappen.

Uitstoot en concentraties[bewerken]

De bronnen van broeikasgassen zijn natuurlijke en door de mens veroorzaakte uitstoot. Van door de mens veroorzaakte uitstoot is landbouw en veeteelt de grootste (18%) gevolgd door transport (13%).[7] Een natuurlijke bron van CO2 zijn vulkanen. Een biologische bron van methaan zijn anaerobe bacteriën in moerassen. De concentraties en de uitstoot van broeikasgassen worden wereldwijd gemeten en bijgehouden door meetstations.[8] In 2014 publiceerde de werkgroep reactieve stikstof van de Europese economische commissie van de Verenigde Naties het ENA-rapport. Hierin concludeerde zij dat de Europese uitstoot van stikstof met 40% en broeikasgassen met 25 tot 40% zal afnemen als alle Europeanen het aandeel dierlijke producten in hun dieet halveren (de demitarische oplossing).[9]

Wereldwijde trends in de hoeveelheid broeikasgassen

Zie ook[bewerken]

Referenties[bewerken]

  1. Heating by the greenhouse effect. NASA (2010)
  2. UNFCCC Global Warming Potentials
  3. Wat zijn broeikasgassen? Het voornaamste broeikasgas is waterdamp Europese Commissie documentatie
  4. brneurosci.org science notes Cold Facts on Global Warming
  5. KNMI Verstoorde wolken in een opwarmend klimaat
  6. TU Delft Wolken, de X-factor in klimaatonderzoek
  7. Steinfeld H., et al (2006) Livestock’s Long Shadow, FAO
  8. National System voor monitoring en rapportage van broeikasgasemissies
  9. (en) Nitrogen on the Table – an argument for demitarianism, European Commission, Joint Research Center, Institute for Environment and Sustainability, 28 april 2014