Wat is eigenlijk een broeikasgas?

ACHTERGROND - Als de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer stijgt, gaat de temperatuur omhoog. Maar hoe komt dat eigenlijk? En waarom hebben sommige gassen wel deze werking, en andere niet?

Broeikasgassen zijn gassen die warmtestraling opnemen. Die warmte wordt vervolgens weer teruggestraald naar de omgeving. Oók terug naar de aarde, die daardoor een hogere temperatuur krijgt. Dit noemen we het broeikaseffect. Als de hoeveelheid broeikasgassen in de atmosfeer toeneemt, dan stijgt de temperatuur.

Maar wat maakt een gas dan 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.

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 er omheen ook opwarmt. De extra warmte wordt vervolgens in alle richtingen uitgestraald, dus ook terug naar de aarde.

Om warmtestraling te kunnen opnemen, moeten gasmoleculen een beetje kunnen trillen, waarbij de verdeling van elektrische lading binnen het molecuul een beetje verandert. Dat kan alleen als een gasmolecuul uit drie of meer atomen bestaat. Bron: DynamicScience.com.

Een voorwaarde om warmtestraling te kunnen absorberen 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. 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.

Op aarde stelt zich een evenwicht in tussen de inkomende zonnestraling enerzijds, en het gereflecteerde deel daarvan (op aarde is dit ongeveer 30%) plus de door de aarde uitgezonden infraroodstraling anderzijds. Een verandering in één van deze drie factoren leidt logischerwijze tot een temperatuursverandering, omdat dan niet langer dezelfde hoeveelheid energie binnenkomt als weggaat. Bron: WeerOnline

Natuurlijk is de werkelijkheid complexer dan hier even in een paar alinea’s wordt uitgelegd. Zo zal bij een toename van broeikasgassen de warmtestraling vanaf een grotere hoogte (waar de lucht ijler is) nog steeds kunnen ontsnappen naar de ruimte toe. Maar in de atmosfeer geldt: hoe hoger, hoe kouder. Op de top van een berg is het meestal kouder dan in het dal. De energie-inhoud van de warmtestraling is lager, naarmate deze van grotere hoogte (waar het kouder is) wordt uitgestraald. Dat is een direct gevolg van de wet van Stefan-Boltzmann, die stipuleert dat de energie-inhoud van straling heel sterk afhangt van de temperatuur: E=σT⁴. Het gevolg van de afnemende hoeveelheid uitgaande energie is echter dat de inkomende en uitgaande energie niet langer in evenwicht zijn. De aarde zal dus opwarmen totdat via dezelfde Stefan-Boltzmann relatie de uitgaande hoeveelheid energie weer gelijk is aan de inkomende hoeveelheid. Op dat moment is er een nieuw evenwicht, maar dan met een hogere temperatuur. In deze korte video wordt dit haarfijn uitgelegd.

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 aardse klimaatsysteem.

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 20ste eeuw is deze sterk versneld. Die versnelling zet momenteel nog steeds door. Bron: Scripps Instituut.

Hoe weten we dit eigenlijk?

Hiervoor moeten we even de geschiedenis induiken. De Franse natuurkundige Joseph Fourier ontdekte al in 1824 het broeikaseffect. Hij noemde infraroodstraling “donkere warmte”. Om de milde temperatuur op aarde te verklaren (zonder het broeikaseffect zou het gemiddeld 18 graden onder nul zijn!) moet de atmosfeer een deel van deze ‘donkere warmte’ tegenhouden, zo beargumenteerde hij. Een aantal decennia later werd door laboratoriumproeven aangetoond dat gassen zoals CO2, waterdamp, en methaan inderdaad infraroodstraling absorberen. Dit was het werk van de Ierse natuurkundige John Tyndall en – een paar jaar eerder – de veel minder bekende Eunice Foote. Zij kwam al in 1856 met metingen van de warmte-absorptie van verschillende broeikasgassen.

Maar de cruciale vraag is natuurlijk wat het effect van extra broeikasgassen op de aardse temperatuur is. De Zweedse natuurkundige Svante Arrhenius was de eerste die dit effect berekende, al in 1896. Aangezien hij nog niet de beschikking had over computers kan dit met recht als monnikenwerk worden beschouwd. Zijn berekeningen liggen ruwweg in hetzelfde bereik als onze huidige kennis hierover, al is de mate van zekerheid en ons begrip van het klimaatsysteem sindsdien natuurlijk nog enorm toegenomen.

Zo kunnen we tegenwoordig meten dat de atmosfeer minder warmtestraling doorlaat naar de ruimte toe: het toegenomen broeikaseffect is een geobserveerd feit! Dit feature article van Ray Pierrehumbert geeft een goede samenvatting van het broeikaseffect voor mensen die er iets dieper in willen duiken.

Uit het aardse verleden weten we ook dat veranderingen in de CO₂-concentratie vaak een sleutelrol vervulden bij grote klimaatveranderingen. Dat verleden komt aan de orde in deel 3 van een nieuwe serie op NU.nl waarin Nederlandse klimaatonderzoekers persoonlijk antwoord geven op klimaatvragen.

Deel 1: Hoeveel warmer wordt het nou eigenlijk? Geert Jan van Oldenborgh (KNMI)

Deel 2: Hoe komt het dat de temperatuur stijgt door broeikasgassen? (waar deze post op is gebaseerd) Bart Verheggen (AUC)

Deze bijdrage van Bart Verheggen verscheen eerder op het blog Klimaatverandering en in iets andere vorm op Nu.nl.