Hoe werkt klimaatverandering: broeikasgassen

Dit artikel is deel uit de 6-delige serie Klimaatverandering
Play

De wetenschappelijke bewijzen dat het klimaat opwarmt als gevolg van menselijke uitstoot van CO2 stapelen zich op. Toch lopen er nog veel te veel mensen rond die deze feiten ontkennen. Daarom ben ik hier een reeks over gestart. Vorige keer legde ik uit wat een open systeem is en waarom dat belangrijk is om te begrijpen hoe het klimaat werkt. Vandaag bekijken we hoe broeikasgassen werken. Volgens de klimaatontkenners zijn de testen van Tyndall nooit bevestigd en is het dus hoogst discutabel of het broeikaseffect van CO2 wel echt bestaat.

Inleiding
Goeiedag, het is vandaag zondag 31 mei 2020, ik ben Jozef Van Giel en dit is de 403de aflevering van deze podcast.
Zo, we zijn er eindelijk klaar voor. Om uit te leggen hoe broeikasgassen werken. Vandaag maken we gebruik van de achtergrondkennis van de vorige twee afleveringen om in te zien dat het broeikaseffect van gassen zoals CO2, waterdamp of methaan een verschijnsel is dat diep in de wetenschap geworteld zit en niet zomaar een uitvinding is van klimaatwetenschappers met een agenda.
Deze aflevering was lastiger om te produceren dan ik aanvankelijk had ingeschat, maar gelukkig heeft Rik zijn kritische blik mij geholpen om deze verder te verbeteren.
Hoe werkt klimaatverandering: broeikasgassen

Hoe werkt een broeikasgas

Twee afleveringen geleden heb ik uitgelegd dat als alle warmte die de aarde bereikt gelijk is aan de hoeveelheid warmte die de aarde verlaat, de temperatuur van de aarde constant zal blijven. Als de warmte die de aarde bereikt groter is dan de hoeveelheid die de aarde verlaat, dan zal de aarde opwarmen waardoor de aarde meer warmte zal uitstralen als gevolg van die hogere temperatuur en daardoor wordt er een nieuw evenwicht gevonden bij een hogere temperatuur.

Het leeuwendeel van de warmte die de aarde bereikt komt via straling van de zon. Alle warmte die de aarde verliest, verdwijnt via straling.

We hebben ook gezien dat de frequenties van deze straling afhangen van de temperatuur van het stralende object, wat betekent dat het frequentieprofiel, of het spectrum van de straling van de zon verschillend is van dat van de aarde.

Ok. Laten we nu eens kijken wat er gebeurt met die straling van de zon. De elektromagnetische energie van de zon wordt in alle richtingen uitgestraald. Een klein deel daarvan komt op de aarde terecht.

Deze straling komt eerst in contact met de bovenste lagen van de atmosfeer, daarna met de diepere lagen en zo verder totdat ze uiteindelijk het aardoppervlak bereikt. Tijdens die weg kan er van alles gebeuren. Bepaalde lagen zullen de straling gewoon reflecteren waardoor deze nooit interageert met de aarde. Ze wordt gewoon weerkaatst richting de ruimte. Die energie is verloren voor de aarde. Wolken spelen hier een belangrijke rol. Een ander deel wordt door een bepaalde laag geabsorbeerd. Dat betekent dat deze straling wordt omgezet in warmte. Een deeltje dat die energie opneemt zal warmer worden. Het zal op zijn beurt die warmte doorgeven naar andere deeltjes waardoor de atmosfeer als geheel warmer wordt. Een deel van die warmte wordt uitgestraald naar het heelal waardoor het voor de aarde verloren is, een ander deel zal de lagen eronder tot uiteindelijk het aardoppervlak of de zee opwarmen.

Een deel van de energie bereikt uiteindelijk het aardoppervlak waar het opnieuw kan worden weerkaatst of geabsorbeerd. De straling die door de aarde wordt weerkaatst kan op zijn beurt door bijvoorbeeld een wolkendek opnieuw naar de aarde weerkaatst worden.

Merk op dat deze fenomenen frequentieafhankelijk zijn. Het is mogelijk dat sommige frequenties door een bepaalde atmosferische laag worden weerkaatst terwijl andere worden geabsorbeerd en nog andere gewoon worden doorgelaten. Dat is heel belangrijk om het broeikaseffect te begrijpen.

De mate waarin elektromagnetische golven worden weerkaatst wordt de albedo — letterlijk de ‘witheid’– genoemd. Hoe hoger de albedo, hoe meer energie er wordt weerkaatst en dus hoe minder energie er kan worden omgezet in warmte. Sneeuwvlakten hebben een hoge albedo en daardoor weerkaatsen ze veel zonne-energie terug de ruimte in. Sneeuw heeft dus een koelend effect. Maar als er roet op die sneeuw ligt, verlaagt de albedo. Een oerwoud heeft een lage albedo omdat het vrij donker is. Ook interessant om te weten is dat een zonnepannelenveld ook een lage albedo heeft want ook zonnepanelen zijn donker.

Het verdwijnen van de ijskappen zal dus zorgen voor minder weerkaatsing van energie naar de ruimte en dus meer opname van energie door de aarde, dus meer opwarming.

 

Ok, wat is nu een broeikasgas. Als je de sociale media volgt, dan zal je ongetwijfeld gehoord hebben van de proeven van Tyndall in de 19de eeuw. Klimaatontkenners zijn er als de kippen bij om te beweren dat de proeven van Tyndall nooit zijn gerepliceerd en dus niet gelden als bewijs van klimaatverandering. Maar is dat wel waar en is dat relevant?

Het zou zeker kunnen dat de proeven zoals Tyndall ze deed nooit opnieuw gedaan zijn, net zoals waarschijnlijk nooit iemand Galileo’s twee kegelexperiment aan de toren van Pisa heeft gerepliceerd. Ik heb dat niet verder onderzocht omdat ik dat niet zo belangrijk vind, maar er zijn verschillende andere manieren waarop het broeikaseffect kan worden aangetoond. Om te beginnen was Tyndall niet de eerste die het broeikaseffect van bepaalde gassen ontdekte. Aan het begin van de 19de eeuw had Fourier dat mechanisme al besproken, en later ook Foote. Uiteindelijk toonde Arrhenius al aan het einde van de 19de eeuw aan dat broeikasgassen verantwoordelijk zijn voor de opwarming van de aarde.

Bovendien wordt deze eigenschap van CO2 in de industrie gebruikt. Onder andere in de koolstofdioxidelaser. Dit is waarschijnlijk één van de meest gebruikte lasers. Hij produceert een infrarode straling met hoog vermogen waardoor je met zo’n laser staalplaten heel nauwkeurig kan snijden of lassen. Hij wordt dagelijks gebruikt in de industrie om complexe vormen met precisie uit metaal te snijden of om complexe vormstukken te produceren waarmee bijvoorbeeld auto-onderdelen worden gemaakt die geoptimaliseerd zijn in sterkte en gewicht. Deze lasers werken op basis van hetzelfde principe als de manier waarop CO2 voor het broeikaseffect zorgt. Deze lasers zijn dus een dagelijks experiment dat aantoont dat Tyndall gelijk had.

Tyndall had experimenteel vastgesteld dat bepaalde gassen warmte absorberen, maar hij wist niet wat de oorzaak was, want de wetenschap was daar toen nog niet rijp voor. Om te begrijpen hoe een broeikasgas werkt, heb je wat kwantummechanica nodig. Dat is natuurlijk lastig op een podcast, want formules bespreken gaat nogal moeilijk zonder papier. Trouwens, dat is voor mij ondertussen ook al te lang geleden, ik kan het nu niet meer.

Maar je kan het vanuit de klassieke fysica ook als volgt inzien.

In de vorige aflevering zagen we ook hoe snaren kunnen trillen met een frequentie die afhangt van 3 factoren: de specifieke massa van de snaar, de lengte en de trekspanning.

 

Beeld je drie bollen in die op een rij liggen, en waarbij de linker en de rechter bol telkens met de middelste bol verbonden zijn door een veer. Die bollen kunnen op verschillende manieren trillen. Zo kunnen de buitenste bollen weg en weer van en naar de middelste bol trillen, of kan de middelste bol heen en weer trillen tussen de buitenste bollen. Dit is een laterale trilling Maar als je drie bollen hebt kan de middelste bol ook uit de lijn van de twee andere bollen en terug naar binnen naar de andere kant bewegen, dwars op de lijn die de drie bollen vormen. Dit heet een transversale trilling. Merk op dat je voor transversale trillingen minstens 3 atomen in de molecule nodig hebt.

De trillingsfrequentie zal afhangen van de massa van de bollen en de sterkte van de veren.

Die bollen zijn atomen die verbonden zijn tot een molecule zoals water of CO2 en de veren zijn de bindingsenergie tussen de onderlinge atomen.

Als die atomen nu een verschillende lading hebben ten opzichte van elkaar, dan heb je een trillende elektrische lading en dat zal een elektromagnetische golf uitzenden zoals een antenne dat ook doet, maar omgekeerd kan het ook een elektromagnetische golf opvangen zoals een antenne. Maar dit effect zal enkel sterk zijn bij de transversale trilling, of als de lading van beide deeltjes sterk verschillen. De lengte van die golf zal afhangen van de grootte van de antenne en daarom zullen deze golven bij moleculen in het infraroodgebied zitten in plaats van in de radiogolven zoals bij een radioantenne.

In de vorige aflevering zagen we dat een watermolecule bestaat uit een zuurstofatoom en twee waterstofatomen. Beeld je dat eventjes in. Het lijkt op een Mickey-Mouse-kop. De kop is het zuurstofatoom en de twee oren zijn de waterstofatomen. We zagen de vorige keer dat die twee waterstofatomen langs het zuurstofatoom heen en weer kunnen bewegen. In de notitiepagina heb ik een animatie geplakt die dit illustreert.

Waterdamp en CO2 zijn moleculen die beide soorten vibraties kunnen vertonen. Als er nu een infraroodgolf op zo’n molecule botst en die heeft een frequentie die overeenkomt met de trillingsfrequentie van die molecule dan zal deze de golf absorberen door zelf te beginnen trillen en zal dan de golf in een andere richting opnieuw uitsturen op dezelfde manier als we zagen bij die gitaarsnaar. Daarom zijn het broeikasgassen. Als een infraroodgolf met de juiste frequentie die door de aarde wordt uitgestraald botst op zo’n molecule, gaat deze de golf absorberen door te trillen. Daardoor zal ze zelf weer een golf van die frequentie uitstralen in een willekeurige richting en die richting kan terug naar de aarde zijn.

In de notitiepagina heb ik nog een link geplakt naar een website dat de verschillende vibratiewijzen toont van een aantal moleculen met daarbij of de wijze infrarood actief is of niet en bij welke frequentie, of golflengte maar dat komt op hetzelfde neer.

De gassen die het meest in de lucht voorkomen zijn stikstof (ongeveer 78%) en zuurstof (21%). Verder zit er nog een beetje argon, waterdamp en CO2 in. Al de rest is te verwaarlozen.

Zoals we in de vorige aflevering zagen hebben een stikstof- en een zuurstofatoom ongeveer dezelfde massa. Vandaar dat ze mooi met elkaar mengen in de atmosfeer.

Zuurstof en stikstofmoleculen kunnen enkel lateraal vibreren omdat ze slechts uit twee atomen bestaan. Bovendien zijn die twee atomen identiek waardoor er geen ladingsverschil is en er dus geen elektromagnetische golf kan worden geabsorbeerd of uitgestraald. Dus zijn ze geen broeikasgassen.

 

Terug naar ons klimaat:

Elektromagnetische straling van de zon bereikt het aardoppervlak. Daar zorgt ze voor opwarming van het aardoppervlak. Bijgevolg gaat het aardoppervlak op zijn beurt straling produceren. Deze straling heeft een andere frequentie dan de zonnestraling die aanvankelijk het aardoppervlak opwarmde omdat het aardoppervlak een andere temperatuur heeft dan het oppervlak van de zon zoals we twee afleveringen geleden zagen. Als die straling onderweg naar de ruimte een watermolecule of een CO2-molecule tegenkomt, dan zal die deze doen trillen, maar enkel indien de frequentie van de straling overeen komt met een eigenfrequentie van deze molecule. Deze molecule zal door die trilling deze straling opnieuw uitzenden in alle richtingen waardoor een deel ervan terug naar de aarde gestuurd wordt.

Een belangrijk deel van de straling van het zonlicht dat de aarde verwarmt wordt dus niet tegengehouden door broeikasgassen zoals CO2 en waterdamp omdat het een andere, hogere frequentie heeft. Een deel van de straling die door de aarde wordt uitgestraald als gevolg van zijn opwarming door die zonnestraling zal wél worden tegengehouden door de broeikasgassen omdat ze een andere, lagere frequentie hebben. Als je dat niet begrepen hebt, dan moet je eventjes terugspoelen en opnieuw luisteren naar mijn uitleg hiervoor en in de vorige twee afleveringen. Ik heb daar alle elementen uitgelegd die je nodig hebt om deze conclusie te begrijpen.

Dat is hoe een broeikasgas werkt.

Met alles wat ik je nu vertelde kan je een hoop zaken besluiten:

CO2 en waterdamp zijn broeikasgassen omdat ze infraroodvibraties kunnen hebben. Maar zuurstof- en stikstofgas niet.

Ondanks het feit dat er veel minder CO2 en waterdamp in de lucht zit dan zuurstof en stikstof, zijn CO2 en waterdamp toch veel belangrijker voor het broeikaseffect.

Verschillende broeikasgassen reageren op verschillende frequenties van infrarood. Dat verklaart waarom CO2 een belangrijk broeikasgas is ondanks dat er veel meer waterdamp in de lucht zit. CO2 houdt namelijk een ander soort infrarood tegen dan waterdamp, waardoor het relatieve effect groot is. Je kan het vergelijken met een goed geïsoleerd huis waar er één klein raampje open staat. Alhoewel dat raam klein is, heeft het sluiten ervan een groot effect op de totale isolatie.

Doordat de straling van de zon andere frequenties heeft dan de straling van de aarde, laten deze gassen veel straling van de zon gewoon door naar de aarde, maar niet omgekeerd.

 

Even terug naar onze CO2-laser. Hoe werkt die nu? In een buis zit een gasmengsel van koolstofdioxide, stikstof, waterstof en soms nog enkele andere enkelvoudige gassen. De stikstofmoleculen worden met een elektrische stroom in vibratie gebracht. Maar deze kunnen hun energie niet vrijgeven in de vorm van een elektromagnetische golf omwille van de uitleg die ik hierboven gaf. Deze energie wordt overgedragen naar de CO2-moleculen waardoor deze op hun beurt gaan vibreren en zo een infrarode straling uitzenden volgens het mechanisme dat ik hierboven uitlegde. Deze straling wordt verder versterkt met spiegels en uiteindelijk aan de kop als een sterke coherente straling uitgestoten.

Zo zie je maar dat wetenschap een aaneenschakeling is van een consistent geheel van zaken en je een ontdekking zoals die van Tyndall niet op zich mag zien, maar moet vaststellen dat die consistent is met de kwantummechanica, terwijl die nog niet ontdekt was in de tijd van Tyndall, met de chemie en met signaaltheorie… Dezelfde theorie die de werking van broeikasgassen verklaart wordt door ingenieurs en onderzoekers gebruikt om machines te maken om dikke staalplaten te lassen en snijden en in spectroscopen om de samenstelling van stoffen te onderzoeken. Het staat niet op zich, in tegenstelling tot pseudowetenschappelijke concepten.

 

We weten nu dat CO2 een broeikasgas is, maar wie zegt dat al die CO2 in de atmosfeer van de mens komt en niet van natuurlijke processen? Daarover gaan we het in de volgende aflevering hebben.

Het citaat

Ik probeer altijd een citaat te zoeken dat ergens gekoppeld is aan het onderwerp van de aflevering, maar als je zo een hele reeks maakt over klimaatverandering, wordt dat lastig.

Vandaar vandaag een citaat dat helemaal niets met dit onderwerp te maken heeft, maar wel een heel mooi.

Het komt van Griet Vandermassen, een filosofe die zich verdiepte in de evolutionaire wortels van genderverschillen.

Vandermassen zei:

Het zaadvocht van een fruitvlieg bevat proteïnen die ervoor zorgen dat het vrouwtje meer eieren legt, minder ontvankelijk wordt voor andere mannetjes en vroeger sterft.

Bronnen

De albedo op WikipediA

De proeven van Tyndall

Galileo’s twee kegelexperiment aan de toren van Pisa

Ontdekking van het broeikaseffect in de 19de eeuw door Fourier

De koolstofdioxidelaser.

Complexe lasergelaste vormstukken of laser welded blanks.

Hoe een broeikasgas werkt op WikipediA

Trillende bollen als uitleg voor het broeikaseffect op het Centre for Science education.

Een animatie van de vibratie van een watermolecule.

Een website dat de verschillende vibratiewijzen van een aantal moleculen toont met daarbij of de wijze infrarood actief is of niet.

Hier is wat meer uitleg over trillingsvormen van moleculen en de toepassing ervan in de spectroscopie.

Als je wat dieper wilt ingaan op deze fenomenen kan je je verder verdiepen door te lezen over ramanspectroscopie en en infraroodspectroscopie.

Deze eerste is genoemd naar de ontdekker van dit fenomeen, de Indische Nobelprijswinnaar Sir Chandrasekhara Venkata Raman.

Hier is nog meer te lezen over de werking van Ramanvibraties. opvangen en opnieuw verspreiden volgens het mechanisme dat we eerder uitlegden.

CO2-laser: Hoe werkt die nu?

Het citaat komt uit “Dames voor Darwin”, p 265

Wees de eerste om te reageren

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.