Is het broeikaseffect even sterk bij hogere concentraties broeikasgassen in de atmosfeer?

Het effect van broeikasgassen op de stralingsbalans van de aarde verandert niet lineair met de concentratie, maar logaritmisch. Dat betekent dat het broeikaseffect met stijgende concentratie steeds minder sterk toeneemt. Dit effect is goed onderzocht en wordt ook meegenomen in de berekeningen van klimaatmodellen. Meer CO₂ in de lucht zal echter nog steeds leiden tot een hogere temperatuur.

#CO₂ #broeikasgassen #verzadiging

Om antwoord te kunnen geven op deze vraag is het belangrijk om eerst te begrijpen hoe het komt dat de temperatuur stijgt door broeikasgassen. Dat kun je bijvoorbeeld lezen in dit antwoord van Bart Verheggen of in deze uitleg van het KNMI. De aarde ontvangt straling van de zon, voornamelijk in de vorm van zichtbaar licht. Een deel van dat licht wordt direct weerkaatst door wolken en door het aardoppervlak, en een deel wordt door het oppervlak opgenomen en weer uitgezonden als warmtestraling (infrarood). Hoewel broeikasgassen in de atmosfeer het zichtbare licht relatief goed doorlaten, is dat niet het geval voor warmtestraling. Veel warmtestraling wordt door broeikasgassen geabsorbeerd en vervolgens weer als warmtestraling uitgezonden: deels naar de ruimte, maar ook deels terug naar het aardoppervlak. Dat is het broeikaseffect.

pexels-pixabay-258149.jpg

Afbeelding via Pexels.com

In een evenwichtssituatie is de totale hoeveelheid energie die de atmosfeer inkomt via zonnestraling in balans met de energie die de atmosfeer uitstraalt naar de ruimte in vorm van warmtestraling. Wanneer de hoeveelheid broeikasgassen toeneemt, wordt er meer energie in de atmosfeer vastgehouden en ontsnapt er dus minder energie de ruimte in dan via zonnestraling binnenkomt. Dat zorgt ervoor dat de aarde opwarmt. Door deze opwarming wordt de hoeveelheid energie die naar de ruimte uitgezonden wordt weer verhoogt. Dit gaat door totdat de totale hoeveelheid warmtestraling die aan de top van de atmosfeer naar de ruimte ontsnapt weer in evenwicht is met de totale hoeveelheid straling die de Aarde van de zon ontvangt.

zelfs als een lijn verzadigd is neemt het aantal absorpties en emissies in de atmosfeer toe

De stralingsbalans verandert niet lineair met de concentratie broeikasgassen in de atmosfeer, maar de verhouding is logaritmisch. Dat heeft als gevolg dat het broeikaseffect bij een toename in de concentratie niet evenveel verandert, maar telkens wat minder zal toenemen.

Er zijn een aantal modellen die deze afhankelijkheid verklaren. Het makkelijkste is om naar de vorm van absorptielijnen te kijken. Broeikasgassen absorberen alleen straling met specifieke frequenties: de zogenaamde absorptiefrequenties van dat gas. Als je kijkt naar de sterkte van een bundel straling die door een broeikasgas heengaat, dan zie je dat de sterkte afneemt precies op de absorptiefrequenties van broeikasgassen.

Figuur 1 toont de typische vorm van een absorptielijn. Als de concentratie van het broeikasgas toeneemt wordt deze lijn hoger. Op een gegeven moment is alle straling in het centrum van de lijn geabsorbeerd: de amplitude is daar maximaal en stijgt niet meer*. Er kan op die frequentie dus niet nog meer straling worden opgenomen. Maar aan de randen (we noemen ze “vleugels”) van de absorptielijn kan de amplitude steeds nog stijgen. Dus het oppervlak onder de absorptielijn neemt weliswaar nog toe, maar niet meer lineair. Als je dit berekent kom je op de logaritmische afhankelijkheid tussen concentratie en absorptie. Deze situatie past bij de huidige concentraties van CO₂ in de atmosfeer: Het maximum van de CO₂ absorptielijn bij ongeveer 15 μm golflengte is verzadigd, en de stijging van de absorptie door de toename van de concentratie komt door de “vleugels” van de absorptielijn.

pexels-pixabay-258149.jpg

Figuur 1: Typische vorm van een absorptielijn als functie van de frequentie van de straling. De zwarte lijn toont de sterkte van de absorptie (y-as “amplitude”) bij een bepaalde frequentie. Het oppervlak onder de lijn in grijs is de totale absorptie van straling [1].

In de wetenschappelijke praktijk neemt men trouwens niet genoegen met dit soort conceptuele verklaringen (die ook versimpelingen kunnen bevatten, zie opmerking beneden), maar het stralingseffect wordt precies berekend in zo genoemde “line-by-line” modellen, waar de interactie van straling met moleculen in de atmosfeer expliciet berekend wordt. Ook uit deze ingewikkelde stralingsmodellen volgt een logaritmische afhankelijkheid van de absorptie van straling met de concentratie.

*Zoals de meeste makkelijke conceptuele modellen is dit niet helemaal correct. Als een absorptielijn verzadigd is, betekent het in de realiteit dat er meer broeikasgasmoleculen aanwezig zijn, en straling een kortere afstand aflegt voordat deze wordt geabsorbeerd. Maar deze moleculen stralen vervolgens ook weer energie uit, naar boven en beneden, en deze wordt dan weer van onder- en bovenliggende moleculen geabsorbeerd, enzovoort. Dus zelfs als een lijn verzadigd is neemt het aantal absorpties en emissies in de atmosfeer toe. De straling wordt zo effectiever vastgehouden. Dit verklaart bijvoorbeeld het extreme broeikaseffect op de planeet Venus. Venus heeft een hele dikke atmosfeer van 95% CO₂. Straling kan dus pas op grote hoogte de atmosfeer van Venus ontsnappen, waardoor er veel warmte wordt vastgehouden. Venus heeft een oppervlaktetemperatuur van boven de 450ºC. Bij deze temperatuur aan het oppervlak, is de temperatuur aan de bovenkant van de CO₂-atmosfeer zodanig hoog dat er net zoveel warmtestraling van Venus naar de ruimte ontsnapt als dat Venus straling ontvangt van de zon.

Hoe kwam dit artikel tot stand?

Deze vraag is gesteld door Arnold (81), Maastricht
Deze vraag is beantwoord door: Thomas Röckmann
Reviewer: Bart Verheggen
Redacteur: Daan Reijnders
Gepubliceerd op: 5 februari 2022
Wat vond je van dit antwoord? Geef ons je mening!

[1] Golui, D. K. (2020). Laser Absorption Spectroscopy. Researchgate. https://www.researchgate.net/publication/342313050_Laser_Absorption_Spectroscopy

©De tekst is beschikbaar onder de licentie Creative Commons Naamsvermelding-NietCommercieel-GelijkDelen 4.0 Internationaal, er kunnen aanvullende voorwaarden van toepassing zijn. Zie de gebruiksvoorwaarden voor meer informatie.