Artikel 3. De mogelijkheden van het antropogeen versterkt broeikaseffect

Het antropogeen versterkt broeikaseffect

Inleiding

Dit artikel gaat over het antropogeen versterkt broeikaseffect. Onder het antropogeen versterkt broeikaseffect verstaan we het verschijnsel dat door onder andere de emissie van koolstofdioxide(CO₂), ontstaan door het verbruik van fossiele brandstoffen als kolen, olie en gas, het warmer wordt op Aarde. Het natuurlijk broeikaseffect waar ook CO₂ een rol in speelt wordt versterkt. Dit roept de volgende vragen op. Wordt het warmer op Aarde en zo ja hoeveel? Is de opwarming dusdanig dat wij dit opmerkelijk mogen noemen? Kan deze opwarming vanuit een natuurlijke oorzaak worden verklaard? Indien niet, wat is dan het mechanisme waardoor het warmer wordt op Aarde? Is het versterkt broeikaseffect sterk genoeg om de opwarming te verklaren en hoeveel extra energie is daar voor nodig? Kan de opwarming op een andere manier worden verklaard?Dit zijn veel vragen. Hebben we ook antwoorden? En kunnen we verklaringen vanuit de theorie onderbouwen vanuit de empirie?

Opwarming

Is het warmer geworden op Aarde? Het antwoord is ja. Onderstaand plaatje geeft dit goed weer.

Plaatje 3.1 Opwarming van het aardoppervlak.

In dit plaatje zijn de 3 belangrijkste tijdreeksen opgenomen over de opwarming van het aardoppervlak. De reeksen bepalen aan de hand van temperatuurgegevens van het land en het zee oppervlakte de gemiddelde temperatuur per maand en vergelijken dit met het gemiddelde van een basisperiode. Het verschil is de afwijking(anomaly). Er is weliswaar veel ruis op het signaal maar de opwarming is duidelijk te zien. De lijnen zijn door mij toegevoegd om deze opwarming te onderstrepen. Is deze opwarming opmerkelijk? Volgens het IPCC wel degelijk. De opwarming is te groot en verloopt te snel om dit vanuit natuurlijke oorzaken te kunnen verklaren. Toch is niet iedereen overtuigd. Het zou ook kunnen komen doordat de zon actiever is geworden. Hoe heeft deze opwarming plaatsgevonden en wat is het mechanisme? Daarover gaat de volgende paragraaf.

Mechanisme

In de literatuur worden twee belangrijke oorzaken genoemd. In de eerste plaats is de zon enigszins actiever geworden. Dit hangt samen met de zonnevlekkencyclus. De ontdekker van deze cyclus stelde vast dat in het later zo genoemde Maunderminimum(circa 1650-1700) nauwelijks zonnevlekken voorkwamen. Deze periode valt samen met een koudere periode die ook wel de Kleine IJstijd wordt genoemd. De andere oorzaak die vaak wordt genoemd is het antropogeen versterkt broeikaseffect. Door emissies van onder andere kooldioxide(CO₂) wordt het natuurlijk broeikaseffect versterkt en aangezien het natuurlijk broeikaseffect zorgt dat het warmer is op het aardoppervlak dan anders het geval zou zijn, draagt de versterking er toe bij dat het extra warmer wordt op Aarde. De opwarming sinds het begin van de industriële revolutie( vanuit de grafiek vanaf 1750 tot 2015) bedraagt ongeveer 1°C. Hoe leidt extra energie tot opwarming en hoe kan extra CO₂ daartoe leiden? Wat is het mechanisme? Dit is heel eenvoudig; Fossiele brandstof(koolstof) plus zuurstof in de brand steken geeft kooldioxide(CO₂) plus energie. In formulevorm weer gegeven ziet dat er als volgt uit;

C + O₂ → CO₂ + energie

Daarnaast komen ook aerosolen zoals SO₂ hebben een afkoelend effect doordat ze zonne-energie reflecteren. Omdat SO₂ ook het milieu vervuilt is de uitstoot flink omlaag gegaan. CO₂ is een onbedoeld bijproduct. Als je energie kunt opwekken zonder CO₂ is dat ook goed. Het gaat om de energie en dat is een middel voor verwarming, transport, elektriciteitsopwekking enz. Niet alle energie die vrijkomt kun je nuttig gebruiken, een deel gaat verloren in de vorm van afvalwarmte ook wel waste heat genoemd. In hoever deze extra warmte een rol speelt in de opwarming wordt in een aparte paragraaf behandeld. Energieverbruik is geen doel op zich. Het kost geld. Dus probeer je er een beetje zuinig mee om te gaan. Voor de atmosfeer komt het op neer dat je zuurstof(O₂) vervangt door kooldioxide(CO₂). Zuurstof heeft 6015 absorptielijnen in het LWR gebied en CO₂ heeft er veel meer namelijk 325132. Dat is 54 keer zoveel. Ook is er een aanzienlijke toename geweest van methaan(CH₄). Ook dit gas heeft veel absorptielijnen namelijk 270829 stuks. Verder is er ook nog een toename van N₂O met 40780 lijnen. Het absorberend vermogen van de atmosfeer neemt hierdoor toe. En aangezien absorptie gelijk staat aan emissie, krijg je een toename van de backradiation. Hoe groot is deze toename van backradiation en is dit voldoende? Kan de opwarming verklaard worden door de 2 genoemde oorzaken? Om deze vragen te beantwoorden gaan we eerst eens proberen om een reconstructie te maken van de energiebalans in de periode voor de industriële revolutie. Zonder deze reconstructie zijn de vragen nauwelijks te beantwoorden.

Reconstructie pre-industriële energie balans

Mijn uitgangspunt is de energiebalans van Kiehl en Trenberth. Deze geeft de situatie weer in het industriële tijdperk. Bepaalde grootheden zullen in het pre-industriële tijdperk anders zijn. We zullen proberen deze te reconstrueren.

Plaatje 3.2 Energiebalans industrieel tijdperk.

Als eerste beginnen we met de uitstraling van het oppervlak. In het pre-industriële tijdperk was de gemiddelde temperatuur 1ºC koeler dan in het heden. Dat geeft een temperatuur van 14ºC. Met behulp van het Stefan-Boltzmann model kunnen we vaststellen dat dit een uitstraling oplevert van 385 W/m². Dat betekent omdat ingaande energie ook voor het oppervlak gelijk is aan uitgaande energie dat er een energie toename heeft plaats gevonden van 5 W/m². Daarmee is de eerste grootheid vastgesteld.

Hierna gaan we uitzoeken of de opwarming verklaard kan worden uit de toename van de hoeveelheid invallende zonne-energie. Dat levert een hoeveelheid rekenwerk op waarvoor we terug moeten grijpen naar het eerste artikel. Uit dit artikel blijkt dat de hoeveelheid zonne-energie een schijf is met als oppervlak πR², die verdeelt dient te worden over een bol met een oppervlak van 4πR². Dat wil zeggen dat de hoeveelheid zonne-energie met een factor 4 dient toe te nemen. Dat is dus 4 maal 5 = 20 W/m². Maar daar zijn we er nog niet mee, want je hebt ook nog te maken met weerkaatsing door de atmosfeer, wolken en het oppervlak met 31%. In werkelijkheid dient de hoeveelheid zonne-energie met 20*100/69 = 29 W/m2 toe te nemen en dat is wel heel veel extra zonne-energie dat er sinds het Maunderminimum is bij gekomen. Veel meer dan de meeste klimaatonderzoekers bereid zijn aan te nemen. Het IPPC heeft de volgende grafiek vrij gegeven over de eventuele extra zonne-energie die sinds het Maunderminimum en dus ook sinds het pre-industriële tijdperk er bij is gekomen.

Plaatje 3.3 Zonne-energie van het Maunderminimum tot het heden volgens IPCC.

Als we de hoeveelheid zonne-energie in de energiebalans met 1 W/m² laten toenemen is dit het maximale wat te verwachten valt. Invallend zonne-energie voor de pre-industriële tijd zetten we dus op 341 W/m². Daarmee is de tweede grootheid ook ingevuld.

Omdat het in het pre-industriële tijdperk iets kouder was zal er ook iets minder verdamping hebben plaatsgevonden. Laten we dit met 1 W/m² verminderen. Minder verdamping betekent tevens minder condensatie en wolkenvorming. Dit zal een vermindering in weerkaatsing van de atmosfeer opleveren die we op 1 W/m² zetten. Doordat het iets kouder was zal er ook iets minder sneeuw en ijs zijn gesmolten in het zomer halfjaar, daardoor zal de weerkaatsing van het oppervlak weer iets groter uitvallen. Laten we dit op 1 W/m² stellen. In zekere zin treedt er dus een compensatie op tussen de weerkaatsing van de atmosfeer en die van het oppervlak. De thermiek laten we zoals die is. De overige posten dienen we vast te stellen aan de hand van de evenwichtsvoorwaarde. Voor het oppervlakte geldt E_in = E_uit. De inkomende energie voor het oppervlakte is door het oppervlak geabsorbeerde zonne-energie plus de backradiation. De uitgaande energie is thermiek, verdamping en uitstraling oppervlak. Invullen levert 167 + backradiation = 24 + 77 + 385. Of te wel de backradiation = 24 + 77 + 385 – 167 = 319 W/m². Dat is dus 5 W/m² minder dan in het huidige industriële tijdperk. Dit stellen we gelijk aan de toename van het natuurlijk broeikaseffect door menselijk toedoen. Dit noemen we ook wel het antropogeen versterkt broeikaseffect. Zonder een reconstructie van het pre-industriële energiebalans is het niet mogelijk om dit te achterhalen. Je moet rekening houden met het feit dat op de langere termijn alles variabel is en een verandering in een grootheid veranderingen in andere grootheden zal veroorzaken. Alles hangt nu eenmaal met alles samen en alles is in een flux. In de volgende paragraaf zullen we proberen om de vraag te beantwoorden of de door de mens veroorzaakte verandering in de samenstelling van de atmosfeer voldoende is om toename in backradiation te verklaren.

De toename van backradiation verklaard

Als eerste gaan we de verandering in de samenstelling van de atmosfeer in kaart brengen voor de belangrijkste gassen. Belangrijk vanuit het perspectief van het antropogeen versterkt broeikaseffect. Dit levert de volgende tabel op;

Gas    pre-industrieel(ppm)   verandering(ppm)  percentueel

O₂            289340                                 -120                    -0,04

CO₂               280                                   120                   42,86

CH₄                   0,7                                    1,2                 171,29

N₂O              0,27                                  0,05                   18,52

Tabel 3.1 Veranderde samenstelling atmsfeer

Vervolgens gaan we er vanuit dat het broeikaseffect gelijk is aan de backradiation. We kijken nu wat de bijdrage was van de belangrijkste gassen aan het pre-industriële broeikaseffect en wat de veranderingen in de samenstelling van de atmosfeer opleveren in termen van een toe of afname aan het broeikaseffect. Dit levert de volgende tabel op;

Gas   bijdrage_BKE(%) bijdrage_BKE(W/m²) atm-wijzig(%) Extra_BKE(W/m²)

O₂               39,05                                  124,57           –0,04               -0,05

CO₂              4,03                                    12,86           42,86                 5,51

CH₄              0,02                                      0,06         171,29                 0,11

N₂O         0,0004                                   0,0013           18,52                 0,00

Pre-industr  100                                     319                                        5,57

Tabel 3.2 Toename backradiation sinds de industriële revolutie

De toename van het broeikaseffect sinds het begin van de industriële revolutie kan volledig verklaard worden door de toename van het het CO₂-gehalte van de atmosfeer. Deze toename komt volledig voor rekening voor de toename van het gebruik van fossiele brandstoffen zoals kolen, aardolie en aardgas. De theorie van het antropogeen versterkt broeikaseffect blijkt prima te kloppen en dat komt toch wel een beetje als een verrassing als in het vorig artikel is vastgesteld dat de bijdrage van CO₂ in het natuurlijk broeikaseffect slechts 4 procent bedraagt. Maar met een toename van ruim 40 procent wil het uiteindelijk prima lukken. De benodigde toename van de backradiation met 5 W/m² kan verkregen worden met de toename van CO₂ in de atmosfeer. Andere bronnen van extra energie zijn niet nodig maar hier moet je voorzichtig mee zijn. Dat andere bronnen van energie niet nodig zijn voor mijn verhaal wil niet noodzakelijkerwijs zeggen dat die bronnen niet kunnen bestaan. Dat kunnen ze wel degelijk.

Draagt afvalwarmte bij aan de opwarming

Bij afvalwarmte kun je bijvoorbeeld denken aan koelwater van bij bijvoorbeeld een kolencentrale. Deze afvalwarmte zou je kunnen gebruiken voor bijvoorbeeld stadsverwarming. Het IPCC heeft het volgende plaatje vrij gegeven waarin ze duidelijk maken dat afvalwarmte of heat waste geen rol van betekenis kan spelen;

Plaatje 3.4 Afvalwarmte versus versterkt broeikaseffect.

Deze voorstelling van zaken kon wel eens niet kloppen. Het versterkt broeikaseffect is het cumulatief effect vanaf 1750, terwijl in het artikel waarnaar wordt verwezen de waste heat zoals berekent is alleen geldt voor een enkel jaar namelijk 2005. Je vergelijkt hier appels met peren en hoewel beide een vorm van fruit betreft zijn ze niet gelijk aan elkaar. Het cumulatief effect van de extra CO₂ dien je af te wegen tegen de opwarming die sinds het begin van de industriële revolutie heeft plaats gevonden. De vorig paragraaf geeft aan dat de toename van CO₂ ruim voldoende is om de opwarming te verklaren maar zegt niets over de bijdrage van waste heat. Die zul je afzonderlijk dienen vast te stellen en dat is het doel van deze paragraaf. De opwarming van de Aarde sinds het begin van de industriële revolutie is vastgesteld op 1 ºC. Dit is 0,004ºC/jaar. Maar het is niet erg waarschijnlijk dat de opwarming een lineair verloop heeft. Je doet er goed aan om dit te controleren voor bijvoorbeeld het satelliettijdperk (1979-heden). Als je dit doet krijgt het volgende plaatje;

Plaatje 3.5 Opwarming satelliettijdperk 1979-heden

Hieruit blijkt dat de opwarming inderdaad een versnelling lijkt te ondergaan. Het tempo van de opwarming van het oppervlak verkrijg je door het gemiddelde te nemen van GISS, HADCRUT en NCEI. Dan kom je op een trendmatige opwarming van 0,0162 ºC/jaar.

Je kunt nu met behulp van het Stefan-Boltzmann model vaststellen dat je om de temperatuur van bijvoorbeeld 14,9838 ºC naar 15,0 ºC wilt verhogen dit 0,082 W/m² aan extra energie vergt. Hiermee vergeleken is de afvalwarmte helemaal niet meer zo verwaarloosbaar als het IPCC dit probeert voor te stellen. Het komt neer op circa 34 procent van de benodigde energie. Deze afvalwarmte is antropogeen en het is de uitdrukkelijk taak van het IPCC om de antropogene bijdrage aan de opwarming van de Aarde in kaart te brengen. Tegenover deze extra opwarming dien je ook de afkoeling die het gevolg is van de uitstoot van aerosolen tegenover te stellen. Deze is ook antropogeen.

Misschien dat het dan uiteindelijk wel blijkt te kloppen. Overigens heeft artikel 2 duidelijk gemaakt dat de gassen die verantwoordelijk zijn voor de absorptie in het LWR gebied de zelfde gassen zijn die verantwoordelijk zijn voor de absorptie in het SWR gebied. Als absorptie in het LWR gebied bijdraagt aan opwarming zou je verwachten dat absorptie in het SWR gebied bijdraagt aan afkoeling. Dit effect hebben we niet mee genomen in het onderzoek. De conclusie zal zijn dat het helemaal niet zo duidelijk is of de opwarming van de Aarde sinds het begin van de industriële revolutie wel zo goed verklaarbaar is als uit de vorige paragraaf leek te blijken.

Voorspellingen over de opwarming

Men gaat er vanuit dat de toename van CO2-gehalte zich makkelijk mengt met de overige moleculen van de atmosfeer. Dat betekent dat de extra backradiation gelijkmatig verdeeld zal zijn over de ruimte en de tijd. Uitgaande van deze aanname en de grafisch voorstelling van het Stefan-Boltzmann model kan men concrete voorspellingen maken over de mate van opwarming. De grafische voorstelling ziet er als volgt uit;

Plaatje 3.5 Grafische voorstelling van het Stefan-Boltzmann model.

Uit de aanname en de grafiek kan men de volgende concrete voorspellingen maken:

De minimumtemperatuur zal sterker stijgen dan de maximumtemperatuur. De wintertemperatuur zal sterker stijgen dan de zomertemperatuur en de temperatuur van de poolgebieden zal sterker stijgen dan de temperatuur van de tropen. Maar er zal in alle gevallen een toename zijn van de temperatuur. Dit effect zal er toe leiden dat de gemiddelde temperatuur extra zal stijgen. De mate van temperatuurstijging zal ook afhangen van het verschil in warmtecapaciteit. Als het oppervlak van het land de kleinste warmtecapaciteit heeft, de atmosfeer er tussen in ligt en het oppervlak van de oceaan de grootste warmtecapaciteit heeft zal dit ook de volgorde op leveren van de opwarming. Die zal het groots zijn voor het oppervlak van het land, daarna zal de opwarming van de atmosfeer iets kleiner zijn en zal de opwarming van het oppervlak van de oceaan het kleinst zijn. Maar ook hier geldt dat er in alle gevallen een opwarming zal plaatsvinden.

Conclusies

De conclusies die je voor dit artikel kunt trekken zijn als volgt;

• Het is warmer geworden sinds het begin van de industriële revolutie die door het IPCC op 1750 wordt gesteld. Volgens het IPCC is deze opwarming te snel en te sterk om uit natuurlijke oorzaken te kunnen worden verklaard. De opwarming bedraagt ongeveer 1ºC.
• Deze opwarming kan niet worden verklaard uit een extra toename van de zonne-energie.
• Een warmer aardoppervlakte straalt meer energie uit. Deze extra energie komt voor rekening van zowel de backradiation als wel uit de afvalwarmte. Het eerste kan verklaard worden uit de toename van het CO2-gehalte van de atmosfeer met circa 40 procent. Beide oorzaken zijn antropogeen en komen voort uit een enorme toename van energiegebruik die vrijwel geheel voor rekening komt van fossiele brandstoffen als steenkool, aardolie en aardgas.
• De samenhang tussen stralingsenergie en temperatuur is niet lineair. In gebieden en tijdstippen die lager zijn dan de gemiddelde temperatuur zal de opwarming groter zijn.
• De hoeveelheid afvalwarmte is niet zo verwaarloosbaar als het IPCC zegt. Hier heeft men een paar steekjes laten vallen.
• De energiebalans voor het pre-industrieel tijdperk kan men gelijk stellen aan de interglaciale energiebalans.

Eindconclusie van dit artikeltje

Als ik afvalwarmte buiten beschouwing zou hebben gelaten, had de opwarming van de Aarde verklaard kunnen worden uit een toename van de backradiation. Deze toename van de backradiation zou dan vrijwel geheel verklaard zijn door de toename van het CO2-gehalte van de atmosfeer sinds het begin van de industriële revolutie. En deze toename zou dan vrijwel geheel verklaard kunnen zijn uit de enorme toename van het verbruik van fossiele brandstof. Maar ik heb de afvalwarmte niet buiten beschouwing gelaten en dat kan ook niet zo maar. Immers, het is niet verwaarloosbaar en het is antropogeen. Het eindoordeel is dat ik geen ander antwoord kan geven op de vraag wat de opwarming van de Aarde heeft veroorzaakt dan vast te stellen dat het geen natuurlijke oorzaak zal zijn geweest. De opwarming is veroorzaakt door de mens.