Het broeikaseffect

Het zogenaamde broeikaseffect van de atmosfeer is niets anders dan de absorptie (opname) van de door de aarde uitgezonden warmtestraling door de atmosfeer. Het zorgt er voor dat het aardoppervlak minder koud is dan wanneer er geen atmosfeer zou zijn. Het heeft dus weinig te maken met een glazen broeikas die voornamelijk opwarmt doordat warme lucht niet kan ontsnappen. Wat dat betreft is de naam is ongelukkig gekozen.

Energiebalans

Om het broeikaseffect te begrijpen is het goed om te kijken naar de energiebalans van de aarde. De belangrijkste energiebron voor het klimaatsysteem is de zon. De stralingsenergie afkomstig van de zon wordt voor een deel gereflecteerd door de atmosfeer en de aarde; wat niet gereflecteerd wordt, wordt door de atmosfeer en het aardoppervlak geabsorbeerd. Deze geabsorbeerde energie wordt omgezet in warmte en als infraroodstraling (of warmtestraling) weer uitgezonden, de ruimte in. Op lange termijn bezien komt er net zoveel energie het klimaatsysteem binnen als er weer uitgaat.

Vanaf de ruimte bezien, heeft de aarde een temperatuur van ongeveer -18 °C. Deze temperatuur is met de Wet van Stefan-Boltzmann ook te berekenen aan de hand van de hoeveelheid warmtestraling van de aarde. De aarde ontvangt van de zon in de vorm van licht gemiddeld 340 W/m² aan stralingsenergie. Hiervan wordt 100 W/m² direct gereflecteerd, zodat de aarde netto 240 W/m² ontvangt. De aarde zendt in de vorm van warmtestraling ook weer ongeveer 240 W/m² uit, wat volgens de Wet van Stefan-Boltzmann een temperatuur oplevert van -18 °C.

Dat de gemiddelde temperatuur aan het aardoppervlak (gelukkig) veel hoger is (ongeveer 14,5 °C), komt doordat we ook rekening moeten houden met de atmosfeer om de aarde. In de atmosfeer neemt de temperatuur af met de hoogte. 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 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 6,5°C per kilometer stijging. De genoemde temperatuur van -18 °C komt overeen met de gemiddelde temperatuur op ongeveer 5 km hoogte, de gemiddelde hoogte vanwaar de warmtestraling ontsnapt.

In de energiebalans is te zien dat er drie energiestromen van de aarde afgaan en daarmee voor verkoeling zorgen. Dat is in de eerste plaats de warmtstraling vanaf de aarde (56 W/m²). Het grootste deel van die stroom wordt geabsorbeerd in de de atmosfeer, wat het feitelijke broeikaseffect is. Bovendien verliest de aarde substantieel energie door twee convectieve energiestromen die warmte van het aardoppervlak naar boven transporteren, namelijk voelbare warmte (sensible heat, 20 W/m²) en latente warmte (latent heat, 84 W/m²). Die voelbare warmtestroom bestaat uit de verplaatsingen van warmte via luchtstromen, zowel verticaal als horizontaal. De latente warmtestroom is de energie die door verdamping (vooral van tropische oceanen) in waterdamp meegevoerd wordt en op grotere hoogte weer vrijkomt bij condensatie in wolken. Het gevolg van beide processen is dat warmte van het aardoppervlak naar grotere hoogte wordt afgevoerd alwaar het door straling de ruimte in verdwijnt.

Broeikaseffect

Het broeikaseffect heeft dus betrekking op de smalle oranje pijl omhoog in Afbeelding 1: de infraroodstraling vanaf de aarde. Het deel dat wordt geabsorbeerd in de atmosfeer, bepaalt de omvang van het broeikaseffect. De broeikasgassen in de atmosfeer zijn hiervoor verantwoordelijk. De belangrijkste moleculen in de atmosfeer stikstof (N₂) en zuurstof (O₂) zijn doorzichtig voor warmtestraling, maar complexere moleculen zoals waterdamp (H₂O), kooldioxide (CO₂) en methaan (CH₄) zijn dat echter niet en nemen de warmtestraling op. Waterdamp is verreweg het belangrijkste broeikasgas.

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 Afbeelding 2. Bij andere golflengtes wordt vrijwel alle straling door de broeikasgassen opgenomen, dit zijn de grijze banden in Afbeelding 2. Het is goed te zien dat waterdamp bij veel golflengtes actief is.

Dat water en waterdamp een groot effect hebben is goed zichtbaar als je het klimaat in de tropen vergelijkt met dat van de woestijn. Zowel in de tropen als in de woestijn is het CO₂-gehalte in de atmosfeer nagenoeg gelijk. Na zonsondergang verdwijnt de warmte in de droge woestijn echter snel. Ondanks de aanwezigheid van CO₂ kan het dan afkoelen tot onder het vriespunt. In de tropen zorgt de hoge vochtigheid ervoor dat de temperatuur in de nacht niet veel lager is dan overdag. Ook in onze omgeving is de invloed van wolken vooral 's nachts goed te merken. Het koelt dan veel minder af dan bij een heldere hemel.

Versterkte broeikaseffect

Het broeikaseffect is niet iets dat mensen hebben veroorzaakt, of dat slecht is. Integendeel, het heeft er altijd al voor gezorgd dat de temperatuur op aarde leefbaar is. De zorgen die er nu zijn hebben betrekking op het versterkte broeikaseffect als gevolg van de toename van de concentratie van met name CO₂ (en in veel mindere mate methaan, CH₄) in de atmosfeer. Als er meer CO₂ in de atmosfeer aanwezig is, ontsnapt de warmtestraling minder makkelijk en neemt de temperatuur aan het aardoppervlak toe. De mate waarin dat gebeurt, is echter onderwerp van veel wetenschappelijke discussies.

Veel wetenschappers gaan uit van een temperatuurstijging van ruim 1 °C bij een verdubbeling van de CO₂-concentratie in de atmosfeer. Het gaat hierbij dan om het directe stralingseffect van kooldioxide. De verdubbeling van de concentratie is meestal gekoppeld aan het niveau voor de industrialisatie, dus van 280 ppm (parts per million) naar 560 ppm.

Het meeste verschil van inzicht bestaat over het totale effect als ook rekening wordt gehouden met terugkoppelingen. Zodra de temperatuur verandert, veranderen namelijk ook allerlei andere processen in het klimaatsysteem. Deze veranderingen versterken en verzwakken de opwarming en hebben ook weer invloed op elkaar. De onzekerheid over de optelsom van alle effecten is daardoor veel groter dan het rechtstreekse stralingseffect van CO₂.

Het IPCC gaat voor een verdubbeling van de CO₂-concentratie uit van een gemiddelde temperatuurstijging van ongeveer 1,5 °C tot zo'n 4,5 °C. Dit heet de klimaatgevoeligheid. De hoogste schatting is dus 3 keer zo groot als de laagste schatting, wat laat zien hoe onzeker men is. De grote marge is in de afgelopen 20 jaar ook niet kleiner geworden. Maar er zijn ook veel onderzoekers die uitgaan van een veel kleiner effect (in de orde van 0,5 °C), enkele ontkennen het zelfs volledig.

De grote onzekerheid van klimaatgevoeligheid is van groot belang omdat het de basis vormt van alle klimaatmodellen en dus alle voorspellingen over de klimaatverandering onder invloed van de menselijke uitstoot van kooldioxide. De omvang van de klimaatgevoeligheid bepaalt in belangrijke mate of het klimaat verandert onder invloed van de mens of dat er sprake is van natuurlijke veranderingen die weinig met CO₂-uitstoot te maken hebben.

Zie verder: Omvang van de klimaatgevoeligheid.