Artikel 2. Het natuurlijk broeikaseffect

Het natuurlijk broeikaseffect

Inleiding

Dit artikel gaat over het natuurlijk broeikaseffect. Mijn eerste artikel ging over de vraag wat het broeikaseffect is en hoe groot het is. Dit artikel gaat over de vraag hoe het broeikaseffect tot stand komt. Welke bestanddelen van de atmosfeer veroorzaken het en wat is er bekend over de eigenschappen van deze zo genoemde broeikasgassen. Dit zijn de gassen in de atmosfeer die geacht worden om de dragers van het broeikaseffect te zijn. De bekendste broeikasgassen zijn kooldioxide, methaan en stikstofoxide. Dit artikel gaat niet over het (antropogeen) versterkt broeikaseffect. Dit komt pas in mijn derde artikel aan de orde. Dit om eventueel misverstanden te voorkomen. Het artikel begint met allerlei beweringen op te noemen die over broeikasgassen de ronde doen, het bevat een aantal aannames voor mijn onderzoek, vertelt iets over de onderzoeksopzet, het bevat een verslag over wat er waar is aan de beweringen en besluit met de conclusies van mijn onderzoek.

Beweringen over broeikasgassen

Een van de beweringen die zo ongeveer in ieder artikel over het broeikaseffect wordt herhaald, is dat edelgassen zoals Argon(Ar) met maar 1 atoom in hun molecuul en gassen met maar 2 atomen in hun molecuul zoals zuurstof(O2) en stikstof(N2) inert zijn. Dat wil zeggen dat ze geen absorptielijnen hebben in het infrarode gebied. In mijn eerste artikel in deze reeks is al uitgelegd dat dit het LWR gebied moet zijn. De zon straalt immers ook gewoon infrarood in en absorptie in het SWR gebied heeft niets van doen met het broeikaseffect.
Een andere bewering die steeds herhaald wordt is dat het ene broeikasgas veel sterker is dan het andere. Als we de het broeikaseffect van kooldioxide(CO2) op 1 stellen dan zou de sterkte van methaan(CH4) 25 keer zo groot zijn en de sterkte van stikstofoxide(N2O) zou maar liefst 298 keer zo groot zijn. Terwijl zwavelhexafluoride(SF6) zelfs 22800 keer sterker zou zijn.
Een derde bewering die je ook wel aantreft in de literatuur is dat broeikasgassen meer absorptielijnen hebben in het LWR gebied dan in het SWR gebied.
Er zullen vast wel meer dingen beweerd worden over broeikasgassen maar hier wil ik het bij laten omdat dit de beweringen zijn die in vrijwel ieder artikel over het broeikaseffect herhaald worden.

Aannames

De atmosfeer is een gasmengsel, dat wil zeggen dat de moleculen die hierin voorkomen kunnen zich vrij en ongehinderd voort bewegen.
Absorptie is gelijk aan emissie. Een molecuul dat tot absorptie in staat is kan een bijpassende foton uit iedere richting komend absorberen en kan het foton na verloop van tijd ook in iedere denkbare richting emitteren als waar het foton opnieuw kan worden geabsorbeerd.
De combinatie van beide aannames leidt tot de volgende aannames. Er zal geen verzadiging van absorptielijnen plaatsvinden. Immers ieder molecuul dat een foton absorbeert zal het weer emitteren. Bovendien zal een foton altijd wel ergens in de atmosfeer een een molecuul tegen komen dat tot absorptie in staat is. Overlap in absorptie tussen 2 soorten moleculen zal evenmin plaatsvinden. De reden is het zelfde als voor verzadiging. Overlap zou alleen plaats kunnen vinden als een stroom fotonen door een reeks afzonderlijke lagen stroomt die ieder slechts een soort moleculen bevat. De fotonen die in de eerste laag zijn geabsorbeerd zullen in slechts geringe mate in staat zijn om aan deze eerste laag te ontsnappen en zijn dus niet meer beschikbaar voor de volgende lagen. Maar, zoals gezegd, dit is niet het geval. De atmosfeer is een gasmengsel.

Onderzoeksopzet

In de literatuur wordt gesproken over absorptielijnen en zowel in het LWR gebied als wel in het SWR gebied. We zullen voor ieder soort gas dan ook overgaan tot het tellen van het aantal absorptielijnen. Dit doen we met behulp van een line list browser. Dat is een hulpmiddel dat het mogelijk maakt om deze telling uit te voeren. Het totaal aantal lijnen bleek verrassend groot te zijn. In totaal ging het om 6.325.787 lijnen. Dit is veel te veel om handmatig te tellen. In dit onderzoek heb ik gebruik gemaakt van de browser van Spectral Calc Com. Deze maakt weer gebruik van de database van Hitran versie 2012. In deze database zijn alle bekende absorptielijnen opgenomen voor de gassen die het meest voorkomen in de atmosfeer. We hebben bij de lijst van gassen die al dan niet absorptielijnen vertonen ook gekeken naar hun concentratie in de atmosfeer. Beide zijn van belang om de vraag te beantwoorden welke gassen in welke mate bijdragen aan het natuurlijk broeikaseffect. Immers een sterk broeikasgas dat in geringe hoeveelheid voorkomt in de atmosfeer heeft misschien wel een geringer aandeel in het natuurlijk broeikaseffect dan een zwak gas dat in grotere hoeveelheid voorkomt. Per gas heeft een omrekening plaats gevonden die het aandeel van een broeikasgas weer geeft in een percentage. Dit natuurlijk in zoverre dat we over de nodige gegevens beschikken. Dit was niet voor ieder gas het geval. Van de 57 gassen in mijn lijst waren er 27 met volledige gegevens om zowel over het LWR gebied als wel over het SWR gebied een uitspraak te doen over de beweringen.

Resultaten onderzoek

Relatieve bijdrage aan absorptie LWR en SWR gebied voor gassen in atmosfeer 
 
                LWR: 2.5 micron– t/m-100 micron SWR: 0 micron– t/m– 2.5 micron 
 
Gas           ppm  N_lijn  abs.equ equ-perc  N_lijn abs.equ  equ.perc soort
N2  780840,000000    578    451325520 13,99     654   510669360  9,74 
O2  209460,000000   6015   1259901900 39,05    2256  472541760   9,01 
H2O  25000,000000  55290   1382250000 42,84  166132 4153300000  79,21   b
Ar    9340,000000    285      2661900  0,08     5112   47746080  0,91  eg
CO2    400,000000 325132    130052800  4,03   146144   58457600  1,11   b
Ne      18,000000    340         6120  0,00     7225     130050  0,00  eg
He       5,000000   1605         8025  0,00      777       3885  0,00  eg
CH4      2,000000 270829       541658  0,02   177752     355504  0,01   b
Kr       1,000000     47           47  0,00     4562       4562  0,00  eg
H2       0,550000    171           94  0,00      330        182  0,00 
N2O      0,330000  40780        13457  0,00     6612       2182  0,00   b
CO       0,050000   2024          101  0,00     2260        113  0,00 
Xe       0,090000    270           24  0,00     5488        494  0,00  eg
O3       0,040000 300287        12011  0,00    32366       1295  0,00   b
CxHy     0,015000  49629          744  0,00     5467         82  0,00 
Cf2Cl2   0,000540 
OCS      0,000500  21299           11  0,00     7568          4  0,00 
CFCl3    0,000300 
H2O2     0,000100 114873           11  0,00        0          0  0,00 
CH2O     0,000100  38792            4  0,00        0          0  0,00 
CCl4     0,000100 
CF4      0,000074  60033            4  0,00        0          0  0,00 
CH3Cl    0,000065 199672           13  0,00        0          0  0,00 
NOx      0,000010  84122            1  0,00    44075          0  0,00 
NH3      0,000010  34806            0  0,00     8208          0  0,00 
SO2      0,000010  66465            1  0,00     3332          0  0,00 
CH3SCH3  0,000010 
CS2      0,000001 
H2S      0,000010  22120            0  0,00    29923          0  0,00 
HO2      0,000002  27696            0  0,00        0          0  0,00 
OH       0,000001  10688            0  0,00    19180          0  0,00 
SF6      0,000008 2889065          23  0,00        0          0  0,00 b
Rn                     0            0  0,00       67                 eg
HNO3              471876                           0          0  0,00 
HF                  4054                       30196 
Hcl                19297                       63412 
Hbr                 4534                        4120 
HI                  2531                        1845 
ClO                 2502                           0          0  0,00 
OCS                21299                        7568 
H2CO               38792                           0          0  0,00 
HOBr                2903                           0          0  0,00 
HOCI               13324                           0          0  0,00 
HCN                 3936                           0          0  0,00 
PH3                21427                           0          0  0,00 
CH3Br              36911                           0          0  0,00 
CH3CN               3572                           0          0  0,00 
CH3OH              15234                           0          0  0,00 
COF2              184104                           0          0  0,00 
ClONO2             32199                           0          0  0,00 
O                      1                           0          0  0,00 
HCOOH              55876                           0          0  0,00 
 
Totaal lijnen    5584285                      751502 
Som   1025067    5557285   3226774471 100     782631 5243213152  100 
Beste 7 99,99%                        99,99%                    99,99%
 
Optelsom meer dan 1 mln door verschillende tijdstippen gewone gassen en broeikasgassen en 
ppm zijn bepaald voor droge lucht maar waterdamp moet er ook nog in op genomen worden 
 
Bron: Linebrowser van Spectralcalc.com. Deze put uit Hitran2012 database 
      Gegevens voor de edelgassen en h2 komen uit NIST 
      Lucht amenstelling zie Chemical Composition en Wikipedia 
 
Soort gas eg = edelgas b = broeikasgas 
 
Totaal aantal onderzochte gassen is 52. Daarvan zijn er 27 met beide soort gegevens die nodig zijn voor de analyse

Tabel 2.1 Bijdrage gassen atmosfeer aan absorptie in het LWR gebied en het SWR gebied

De hierboven afgebeelde tabel is het resultaat van mijn onderzoek. De eerste kolom geeft het gas aan, de tweede kolom het aantal deeltjes per miljoen(ppm). De derde kolom het aantal absorptielijnen in het LWR gebied. De vierde kolom het product van kolom 2 en 3 en de vijfde kolom het percentage van de LWR absorptie die ik eerder al gelijk heb gesteld aan het broeikaseffect per gas. Kolom 6, 7 en 8 geven respectievelijk de absorptielijnen weer in het SWR gebied het product van kolom 2 en 6 en het percentage van de SWR dat voor rekening van het desbetreffende gas. Wat kunnen we uit deze tabel afleiden over de beweringen die over broeikasgassen zijn gedaan.
Edelgassen zijn met uitzondering van Radon(Rn) niet inert. Er zijn absorptielijnen in het LWR gebied. Het zelfde geldt voor Zuurstof(O2) en Stikstof(N2). Ze zijn niet inert. De bewering over het inert zijn is niet correct en dient te worden gecorrigeerd. Het zijn weliswaar op molecuulbasis zwakke broeikasgassen maar ze absorberen wel.
Dat sommige broeikasgassen veel sterker zijn dan kooldioxide(CO2) blijkt niet te kloppen. Alleen zwavelhexafluoride(SF6) is veel sterker. Meer dan de helft van alle absorptielijnen in het LWR komen voor rekening van dit gas. Methaan(CH4) is ongeveer net zo sterk en stikstofoxide(N2O) en waterdamp(H2O) zijn zelfs zwakker dan kooldioxide.
Dat broeikasgassen geen of minder absorptielijnen in het SWR gebied hebben dan in het LWR gebied geldt alleen voor sporengassen in de atmosfeer. Voor gangbare broeikasgassen is dit lang niet altijd het geval. Waterdamp heeft bijvoorbeeld meer absorptielijnen in het SWR gebied dan in het LWR gebied. Toch wordt waterdamp wel degelijk als een broeikasgas beschouwd. Dus ook deze bewering klopt niet.
Als we naar het product kijken van het relatief voorkomen van een gas en het aantal absorptielijnen dan krijgen we het volgende beeld;
Gas            ppm       LWR(%)    SWR(%)
N2        780840          13,99          9,74
O2        209460          39,05          9,01
H2O       25000          42,84        79,21
CO2            400             4,03           1,11
Ar              9340            0,08          0,91
CH4                 2             0,02         0,01
N2O           0,33             0,00         0,00
Rest           0,01             0,01          0,01

Tabel 2.2 relatieve bijdrage gassen aan LWR en SWR absorptie

Het zijn alleen de eerste 7 gassen die er toe doen. De rest zijn sporengassen die door hun extreme zeldzaamheid geen rol spelen in de absorptie. Dit geldt zowel in het LWR gebied als wel in het SWR gebied. Dit betekent dat ze ook geen rol spelen in het natuurlijk broeikaseffect. Het broeikaseffect wordt in de eerste instantie gedragen door waterdamp, dan door zuurstof en stikstof en dan pas door de “echte” broeikasgassen zoals kooldioxide, methaan en stikstofoxide. Op dit punt dient ons beeld over het natuurlijk broeikaseffect in aanzienlijke mate te worden bijgesteld.

Conclusies

Het gebruikte model is enigszins simpel. De ene absorptielijn is de ander niet. Eigenlijk hoor je per gas en per absorptielijn te bepalen hoeveel absorptie plaats vindt. Het plaatje zal er dan enigszins anders uit kunnen zien. Maar ook met dit model kan men vaststellen dat het algemene verhaal dat over het broeikaseffect de ronde doet correctie behoeft op de nodige punten. Dit laat onverlet dat het natuurlijk broeikaseffect bestaat. En een bestaand effect kan men door menselijk ingrijpen wijzigen c.q. versterken door de samenstelling van de atmosfeer te veranderen. Mijn volgende artikel gaat over het antropogeen versterkt broeikaseffect. Hoe vindt de versterking plaats, met welk mechanisme en is de versterking groot genoeg om de opwarming van de Aarde te verklaren?

Advertenties

Over Raymond Horstman

Onderzoeker, analist, schrijver. Havo B-pakket, HBO analytische chemie en propedeuse Bestuurskunde aan de Universiteit van Twente. Een brede belangstelling in algemene zaken en een bijzondere interesse in klimaatstudies. De webmaster dient niet verward te worden met mijn naamgenoot de architect. Dit is echt een heel ander persoon.
Dit bericht werd geplaatst in artikel en getagged met , , , . Maak dit favoriet permalink.

2 reacties op Artikel 2. Het natuurlijk broeikaseffect

  1. natuurfreak zegt:

    Wat een huzarenwerk.Ik mag er niet aandenken dat ik met al die cijfers en berekeningen zou geconfronteerd worden.Wel bijzonder knap dat je het allemaal zo keurig onderzocht hebt.

    Like

  2. Het was behoorlijk veel werk. Steeds opnieuw alles controleren. Als maar corrigeren. Maar het resultaat mag er zijn en geeft voldoening.

    Like

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s