Hoe werkt CO2 nu precies?
Vrijdag 5 februari 2016
Een gastbijdrage van Ap Cloosterman
De invloed van antropogene (menselijke) emissie van CO2 op de opwarming van de Aarde (eigenlijk: de atmosfeer) over de afgelopen decennia is klein. Een extra verhoging van deze CO2–emissie zal slechts een beperkte invloed hebben op verdere opwarming.
In dit artikel worden de argumenten aangedragen die het bewijs vormen voor deze stellingen.
De doorsnee burger en het merendeel van de (wereldwijde) politiek slikt het scenario dat de menselijke emissie van CO2 de hoofdoorzaak is van een klimaatverandering als zoete koek. Er zijn maar weinig mensen, die zich intens verdiepen in deze materie en de meerderheid, inclusief de politiek, loopt achter de CO2–goeroes aan zonder enige poging tot waarheidsvinding.
Het broeikasmechanisme is niet eenvoudig en daarom is dit artikel geschreven met de intentie om de lezer op een hopelijk begrijpelijke wijze beter en anders te informeren.
Het moge duidelijk zijn, dat energiebesparing en een overgang naar duurzame energie van groot belang is voor onze toekomst. Het komt onze veiligheid ten goede als we minder afhankelijk worden van onbetrouwbare en soms oorlogszuchtige leveranciers van fossiele brandstoffen.
Maar de mens zal altijd behoefte houden aan olie en gas, bijvoorbeeld voor verwarming op afgelegen plekken, voeding voor generatoren bij uitval van elektriciteit en zeker voor de productie van kunststoffen en medicijnen. Dus laten we zuinig zijn op onze olie– en gasvoorraden.
Bovendien zijn de winning en productie van fossiele brandstoffen een zekere bedreiging door aantasting van het milieu. Want, zoals bekend, ontstaat bij de verbranding van kolen, olie en gas niet alleen CO2 maar ook andere stoffen die wèl giftig zijn (CO2 is dat niet), zoals zwaveldioxide en stikstofdioxide.
In de afgelopen eeuwen is de Aarde reeds vele malen blootgesteld aan periodes van warmte en koude (ijstijden). Verder waren er altijd variaties op kortere termijnen. Dat was het gevolg van natuurlijke oorzaken. Klimaatverandering is de norm.
De investeringen en belastingheffingen, die wereldwijd worden gedaan om de uitstoot van CO2 te beperken c.q. te bestraffen, belopen nu al een bedrag van 1 miljard dollar per dag! Voor een groot deel weggegooid geld voor de belastingbetaler. Voor de overheden een belangrijke bron van inkomsten. Voor bedrijven kostprijsverhogende factoren.
In de afgelopen decennia zijn er enorm veel artikelen geschreven over het broeikasmechanisme en dan met name over de invloed van CO2 op de opwarming van de atmosfeer. De meningen hierover zijn verdeeld – zeker als het gaat over de antropogene (menselijke) bijdrage aan dit proces.
Het alarmistische VN–klimaatpanel (IPCC) acht het voor meer dan 95 % zeker, dat de mens voor meer dan 50% verantwoordelijk is voor de opwarming van de atmosfeer sinds 1950, waarbij de uitstoot van CO2 de hoofdschuldige zou zijn. Sceptici zijn van mening, dat de opwarming van de atmosfeer van weinig betekenis is en overwegend het gevolg is van natuurlijke oorzaken.
Het natuurlijke broeikaseffect wordt voor ongeveer 90% veroorzaakt door waterdamp, en verder door de van nature aanwezige CO2, waarbij het gehalte aan waterdamp in de atmosfeer afhankelijk is van de temperatuur van de lucht. Schommelingen in de temperatuur komen vooral door natuurlijke oorzaken. Het additionele broeikaseffect wordt veroorzaakt door de menselijke uitstoot van kooldioxide (CO2), methaan en chloorfluorkoolwaterstoffen. Sceptici zijn van mening, dat het effect van deze gassen veel kleiner is dan het IPCC beweert.
Er kan berekend worden, dat de menselijke uitstoot heeft geleid tot een kleine temperatuurstijging en dat deze temperatuur in de toekomst nog ongeveer 1⁰C kan stijgen. (Hierover bestaan overigens verschillende opvattingen. Zie bijvoorbeeld hier.)
De temperatuurstijging, die optrad tussen 1979 en 1998 heeft waarschijnlijk een natuurlijke oorzaak gehad. Vóór en na deze periode is er geen sprake geweest van een gemiddelde wereldwijde opwarming, ondanks de enorme CO2 uitstoot. Een verhoging van het CO2 gehalte in onze atmosfeer heeft kennelijk nauwelijks effect op de opwarming daarvan, zoals blijkt uit onderstaande grafiek van figuur 1:
Figuur 1
De opwarming van de atmosfeer door de CO2 uitstoot vanaf het begin van de industriële revolutie tot heden heeft geleid tot een temperatuurverhoging van ongeveer 0,4 tot 0,6 ⁰C.
Een verdere verhoging van het CO2 gehalte in onze atmosfeer leidt nauwelijks meer tot verdere temperatuurverhogingen.
De opwarming van het afgelopen jaar (2015) is naar alle waarschijnlijkheid het gevolg van de sterke El Niño van 2014-2015. Zie figuur 2. De nullijn is de gemiddelde temperatuur tussen 1981 en 2010.
Figuur 2; Bron: University of Alabama – Huntsville (UAH) – Dr. Roy Spencer
Ondanks de veelheid van artikelen leeft bij veel mensen nog steeds de vraag hoe het mechanisme werkt en op welke wijze nu bewezen is, dat het broeikasgas CO2 wel of niet van invloed is op de opwarming van de atmosfeer.
Broeikasgassen
Broeikasgassen bestaan uit moleculen, die uit drie of meer atomen bestaan. Voorbeelden hiervan zijn:
Kooldioxide (CO2: een koolstof atoom en twee zuurstof atomen).
Waterdamp (H2O: een zuurstof atoom en twee waterstof atomen).
Methaan (CH4), Lachgas (N2O), Chloorfluorkoolwaterstoffen (Cfk’s).
Figuur 3
Broeikasgassen zijn in staat om Infrarood straling (IR–fotonen) te absorberen en deze vervolgens weer uit te stoten en in alle richtingen te verstrooien. Deze verstrooiing heeft tot gevolg dat deze fotonen meerdere keren worden ingevangen door verschillende CO2-moleculen op hun tocht naar boven door de atmosfeer.
Verderop in dit artikel (‘Energie absorptie door gasmoleculen’) wordt duidelijk dat bij elke inslag van een IR–foton in een CO2–molecuul de temperatuur van het gasmengsel (zuurstof en stikstof: de atmosfeer) stijgt, waardoor er dus sprake is van extra opwarming.
Straling
De Zon zendt een kortgolvige straling uit. Deze elektromagnetische straling passeert ongehinderd de ruimte op weg naar de Aarde. In de ozonlaag wordt de ultraviolette straling (grotendeels) geabsorbeerd. De Aarde wordt tenslotte bestookt met een zeer breed spectrum van straling, waarbij het maximum ligt bij een golflengte van 0,5 μm.
Voor een afbeelding van een golflengte zie figuur 4. Elektromagnetische straling doet zich voor als een golvende stroom van massaloze deeltjes, fotonen genaamd.
Figuur 4
De kortgolvige straling afkomstig van de Zon wordt door materie (bodem, water, bomen) geabsorbeerd. Daarbij wordt deze opgewarmd, waarbij weer energie naar de atmosfeer wordt overgedragen via verdamping van water, convectie en langgolvige IR straling van 3 tot 100 μm. (1 μm = 1 miljoenste meter)
Elektromagnetische straling verplaatst zich met de lichtsnelheid (300.000 km per seconde). De energie van het foton is bepalend voor de soort straling. Een foton met zeer veel energie heeft een kortere golflengte, bijv. gammastraling, dan een foton met weinig energie, bijv. radiogolven. Bij absorptie van straling komt warmte vrij en daarmee gaat de verwarmde materie opnieuw straling uitzenden, maar wel met een veel langere golflengte en dus met minder energie.
Er wordt onderscheid gemaakt tussen 7 soorten straling: Gammastraling, X-straling, UV-straling, zichtbaar licht, Infraroodstraling, Microgolfstraling en Radiostraling.
Figuur 5
1nm = 1 nanometer = 1 miljardste meter
Met een formule wordt duidelijk dat energie en golflengte omgekeerd evenredig zijn. D.w.z. als E groter wordt, dan wordt λ kleiner (korter) en omgekeerd. En als E kleiner wordt dan wordt λ groter (langer).
E = h·c/λ
(Zie hier)
E = energie van het foton
h = constante van Planck (De constante h is een zeer fundamentele constante in de moderne natuurkunde en komt voor in alle vergelijkingen van de kwantummechanica.)
c = lichtsnelheid = constant
λ = golflengte
In onderstaand figuur 6 is de absorptie en verstrooiing van het IR–foton bij botsingen met CO2 in beeld gebracht (althans volgens de IPCC–opvatting).
Figuur 6
Maar een aantal wetenschappers verwerpt deze voorstelling van zaken. Zij zijn van mening dat er een constante straling omhoog is. Het energietransport door straling gaat alleen maar omhoog, maar de straling wordt wel steeds langgolviger.
Dat betekent dus, dat er overdag bij zonneschijn, als de Aarde warm is, er een opwaartse energiestroom is door middel van verdamping, gevolgd door condensatie, en convectie en door IR–straling. En dat zou betekenen, dat er dus helemaal geen energietransport door IR–straling in de richting van de Aarde plaatsvindt. Volgens hen kan dit namelijk niet omdat energie alleen van hogere naar lagere temperatuur stroomt. Aldus een alternatieve opvatting.
Energie–absorptie door gasmoleculen
Een gas en een vloeistof bestaan uit moleculen die onderling bewegen en botsen. Dit wordt de Brownse beweging genoemd. Zie het filmpje op YouTube hier.
Verhoging van de temperatuur doet de moleculen sneller bewegen. En omgekeerd is het zo, dat als moleculen sneller gaan bewegen, dat de temperatuur dan oploopt.
Bij absorptie van IR-straling door een gas, dat CO2 bevat, wordt het gas warmer. Deze warmte wordt naar boven doorgegeven door straling en convectie. De straling is niet meer dezelfde als bij vertrek van de Aarde, maar is langgolviger geworden. Tenslotte wordt uit de hoogste lagen van de atmosfeer alle energie als langgolvige straling naar het Heelal uitgezonden.
De belangrijkste absorptieband van CO2 is bij een golflengte van 15 μm. Men heeft nu met infrarood meters de IR–golflengte van 15 μm gemeten bij het uittreden van de aardse grond en met behulp van satellieten bij het intreden van de ruimte.
Feldman et al (Nature 2015) constateerden dat een groot deel van deze 15 μm infrarood straling, afkomstig van de Aarde, bij het intreden van de ruimte niet meer bij 15 μm werd teruggevonden.
Door absorptie wordt de temperatuur van het gasmengsel iets hoger en deze zendt IR–straling uit met een andere golflengte behorende bij de temperatuur van het gasmengsel. Het gaat hier om het zgn. CO2–gat in figuur 7.
Het gat is de ruimte tussen de zwarte lijn en de rode lijn.
Het ‘wavenumber’ oftewel het golfgetal geeft aan hoeveel golven (golflengtes) er per lengte-eenheid voorkomen en is dus het omgekeerde van de golflengte. De eenheid van het golfgetal is reciproke meter (m-1). Wavenumber 667 = golflengte 15 µm.
Figuur 7
Feldman et al hebben de volgende conclusie uit deze waarnemingen getrokken: ‘De toename van CO2 in de atmosfeer over het laatste decennium heeft geleid tot versterking van het broeikaseffect met als gevolg een extra opwarming van de Aarde.’
Harries et al (2001) hebben via een vergelijking met satellietmetingen laten zien dat de IR straling die de Aarde naar het Heelal uitstraalt, over 1970 tot 1997 afgenomen was bij precies die golflengtegebieden waar de broeikasgassen absorberen.
De belangrijkste absorptieband van CO2 ligt bij een golflengte van 15 μm, ofwel ‘Wavenumber’ 667. Zie figuur 8.
Figuur 8
De verticale as van de grafiek in figuur 7 geeft het verschil (∆) in ‘Brightness temperature’ (=helderheid) tussen de ingang van de ruimte en het aardoppervlak aan.
Deze techniek is ontleend aan de Sterrenkunde waar men door de helderheid van een ster te bepalen (en rekening houdend met haar afstand) de temperatuur van deze ster kan berekenen.
De helderheid van de IR-straling bij wavenumber 667 is met 1,5 afgenomen, hetgeen overeenkomt met een warmteverlies bij de overgang naar de ruimte van 0,6⁰K en deze warmte zou volgens Harries de oorzaak zijn voor de opwarming van de onderliggende atmosfeerlaag.
Voor deze periode van 8 jaar kwam hij dus uit op een temperatuurstijging van de aard atmosfeer van 0,6 ⁰K.
Een update door Chapman in 2013 op grond van metingen over de periode 2003 tot 2012, dus 10 jaar, gaf ook een stijging te zien van 0,6⁰ K. Zie figuur 9.
Figuur 9
In de grafiek van Chapman wordt op de verticale as het verschil in temperatuur tussen de ingang van de ruimte en het aardoppervlak aangegeven. Dit is per jaar een warmteverlies van 0,06 ⁰K. Over 10 jaar is dit dus 0,6 ⁰K, die volgens Chapman in de aardse atmosfeer is achtergebleven
Dit zou betekenen dat over de gehele periode 1970 – 2013 een temperatuurstijging heeft plaats gevonden van ongeveer 1,8 ⁰K. Maar in werkelijkheid is dit niet gebeurd!
Bij haar weg naar boven wordt een deel van de energie van de IR-straling door de botsing met CO2-moleculen overgedragen aan het gasmengsel, dat daarbij in temperatuur stijgt en straling van langere golflengte uitzendt, en dat dus de golflengte van deze straling boven in de ruimte langer is geworden en men een deel van deze straling bij 15 μm dan ook niet zal terugvinden.
De energie die het CO2-molecuul afstaat wordt door de stikstof- en zuurstof-moleculen omgezet in warmte, die via convectie in de ruimte verdwijnt en dus ook niet bij 15 μm wordt gemeten.
Er zijn verschillen in hoeveelheden convectiewarmte die rechtstreeks naar de ruimte zijn ontsnapt en dus kan men geen uitspraak doen over de werkelijke temperatuurverhoging van de atmosfeer, die puur is veroorzaakt door het broeikasgaseffect van CO2.
Conclusie
De invloed van CO2 op de opwarming van de atmosfeer na het begin van de industriële revolutie is klein en bedraagt tot op heden hoogstens 0,4 tot 0,5 ⁰C. We weten niet welk deel van de opwarming (in totaal meer dan 1⁰ C) afkomstig is van de mens, omdat we de grootte van de natuurlijke effecten niet kennen.
Een verdubbeling van het CO2 gehalte zal waarschijnlijk ten hoogste tot 1⁰C temperatuurstijging leiden.
Klimaatverandering is sinds het bestaan van de Aarde een natuurlijk verschijnsel geweest.
Het klimaatsysteem is dermate ingewikkeld en onvoorspelbaar, dat mensen niet in staat zijn om dit proces volledig te begrijpen, te beheersen en/of bij te sturen.
Alle acties om CO2–emissies tegen te gaan zijn nutteloos!
Met dank aan Dick Thoenes en Hans Labohm voor hun commentaar en waardevolle adviezen.
Aldus Ap Cloosterman.
Dit artikel draagt bij tot de kennis die ook Kamerleden zouden moeten hebben die in dit debat verwikkeld zijn. Het goochelen met gepolitiseerde ‘wetenschap’ is soms ergerlijk. Het komt vaak curieus over hoe men zich overgeeft aan doemscenario’s over een tijdspanne van soms wel honderd jaar. Helemaal in deze sneller veranderende maatschappij en techniek. Het heeft ook iets aanmatigends, soms lachwekkends, deze air van ‘master of the universe’. Dit lijkt ingegeven door gebrek aan inzicht in voortgaande technische ontwikkelingen als kernenergie/-fusie en thoriumkernreactoren, en te veel geloof -ook om politieke redenen!- in primitieve technieken als hernieuwbaar.
Jeroen Hetzler
