Door Stephen Eustace
Oh Hans! Wat is het warm vandaag, annuleer onze vakantie naar Griekenland Hans. Ik maak me zorgen over onze CO2-voetafdruk!
CO2-voetafdrukken, brandende bossen en complete ecosystemen die ineen storten , hoe durf je! Hou gewoon je mond en luister naar DE WETENSCHAP. Nee, niet naar die religie uit de heilige kerk van Greta, maar de wetenschap, zoals ik die op school leerde, voordat het een dogma werd.
Figuur 1: Zambia 2008 tijdens het droge seizoen
De atmosfeer
Ik neem u mee op een reis door de chemie van de troposfeer (0-12 km), feitelijk tot de top van Mount Everest. Laten we beginnen met stikstof (78%) en zuurstof (21%) die het grootste deel van de DROGE troposfeer uitmaken. (Ik kom daar nog op terug). De resterende 1% is voornamelijk argon.
Figuur 2: Samenstelling van de stratosfeer (bron Wikipedia)
Vertaling van figuur 2:
Nitrogen = stikstof; Oxygen = zuurstof; Argon = argon; Carbon dioxide = koolzuurgas; Neon = neon; Helium = helium; Methane =methaangas; Krypton = krypton; Water vapor = waterdamp
- Molfractie wordt soms molvolume genoemd, maar alleen voor een ideaal gas zijn deze hetzelfde.
- ppm, deeltjes per miljoen moleculen;
Het totaal aan deeltjes in het diagram is meer dan 1 miljoen (83.43 meer) dit is vanwege experimentele onnauwkeurigheid
- De concentratie van C02 is in de afgelopen decennia toegenomen
- Waterdamp is ongeveer 0.25% in massa voor de gehele atmosfeer
- Waterdamp concentraties verschillen significant per locatie
Laten we ons concentreren op die 1%. Het grootste deel van deze 1% bestaat uit het inerte gas argon, dat niets bijdraagt aan het leven of het milieu. Het gehalte van argon is 93% van die resterende 1%. Onze vriend CO2 zit op 4% van deze 1%, ofwel in totaal 0,04% van de droge troposfeer. Dan komt neon, dat u allen kent van de felrode neon-reclameborden met 0,2 % van deze overgebleven 1% [=0,002 van de droge troposfeer, red.] Neon is ook niet-reactief en draagt niets bij aan het leven of het milieu.
Figuur 3: De rosse buurt van Amsterdam, de rode lichtjes zijn van neon
De atmosfeer warmt op door absorptie in het infraroodgebied. Als we het over regenbogen hebben, dan is dit net voorbij het gebied van het rode licht op 700 nm (0,7 nanometer). Traditioneel worden infrarood-spectra weergegeven in termen van golflengten (cm-1). Terwijl zichtbaar licht elektromagnetisch wordt opgewekt en resulteert in mooie kleuren.
Figuur 4: Een door glas gecreëerd spectrum in de lobby van een gebouw
Infrarood is in feite absorptie van de verschillende strek-, buig- en draaibewegingen van een molecuul. Stelt u zich voor dat u CO2 bent, strek nu uw armen volledig uit zodat ze evenwijdig aan de grond zijn. Trek nu uw linkerarm in, nu uw rechter, en voer het tempo op. Dit is een van de absorptiemanieren van CO2, asymmetrisch strekken. Strek nu uw armen weer uit zoals eerst, buig beide armen iets naar voren, dan naar achteren, en doe dat sneller; dit is de buigmodus. Afhankelijk van het aantal atomen in een molecuul, zal het verschillende buig-, strek- en schommelbewegingen als absorptiebewegingen laten zien, maar ze zullen niet allemaal tot absorptie leiden.
Figuur 5: Infrarood spectrum van CO2
Laten we doorgaan. Wat ademen we nog meer in? Ik concentreer me op de relevante gassen. Dan valt mijn keuze op methaan, CH4. Deze is vaak verguisd als broeikasgas: we verwarmen onze huizen ermee, we koken ermee, koeien scheiden het uit en wij ook. Methaan maakt 0,02% van de overgebleven 1% uit [= 0,0002% van de troposfeer], dit is 200 keer minder dan CO2. Methaan heeft verschillende manieren van buigen en strekken die resulteren in infraroodabsorptie.
Figuur 6: Infrarood-spectrum van methaan
Laat ik terugkeren naar de olifant in de lucht: water en waterdamp. Wellichtten overvloede, maar waterdamp is een gas. Dus evenals stikstof en zuurstof kun je het niet zien, noch ruiken of zelfs proeven. Waarom wordt waterdamp niet vermeld in veel luchtsamenstellingen? Dat komt omdat sommige wetenschappers het lastig vinden, het varieert namelijk nogal. In Antarctica is het slechts 0,04%, hetzelfde lage niveau als CO2, dit is de droogste regio op aarde. Zelfs woestijnlucht bevat meer waterdamp. In het andere uiterste kan er sprake zijn van een zeer oncomfortabele luchtvochtigheid van 4% (absoluut, niet relatief). Water maakt ook rek- en buigbewegingen, hetgeen ook tot infrarood-absorptie leidt. Dit is H2O, water als een gas!
Figuur 7: Het infraroodspectrum van waterdamp
Oké, we gaan verder…. Wat is het volgende? Wolken ja, die worden niet gerekend tot de atmosferische gassen, omdat het geen gassen zijn, maar onmetelijk veel verschillende druppels; de witte kleur komt door lichtverstrooiing. Wolken worden niet gerekend tot de atmosferische gassen, net zomin als vogels en insecten. Bij wolken hebben we vloeibaar water in de vorm van druppels, dus bij vermeerdering zou dit ook infrarood moeten absorberen. Dit is niets nieuws en ik kan ook dit spectrum laten zien. We hebben nu bredere en sterkere absorptiebanden, omdat de watermoleculen niet meer vrij bewegen. Het is heel moeilijk te kwantificeren hoeveel water er in een wolk zit, maar het is wel belangrijk. Grote donderwolken absorberen niet alleen infraroodstraling, maar ook zichtbaar licht. Daarom wordt het trouwens donkerder en kouder als een wolk voor de zon langs gaat, hij neemt de infraroodstraling heel efficiënt op, samen met wat zichtbaar licht.
Figuur 8: Wolken boven Dordrecht
We gaan van de olifant in de lucht naar de walvis in de zee. We hebben het nog niet eens gehad over water, water, overal water. Yup, 71% van het aardoppervlak bestaat uit water. En zoals we al weten is water in vloeibare vorm heel efficiënt in het opnemen van infraroodstraling. We gaan het spectrum bekijken:
Figuur 9: Het infraroodspectrum van vloeibaar water
Oké, ik heb vastgesteld dat sommige moleculen infrarood absorberen, wat vervolgens opwarming veroorzaakt. Er is een wet die de wet van Beer-Lambert heet, ik zal deze verduidelijken:
A = ε x c x l
A is de absorptie, c is de concentratie, en l is de lengte of afstand waar de lichtstraal (of de infraroodstraal) doorheen gaat. Ik zal het nog wat verder toelichten. Voor kleurstoffen bijvoorbeeld geldt dat hoe meer kleurstof je gebruikt, hoe donkerder de kleur, en dat is gewoon de wet van Beer-Lambert in actie, dat is de term “c”. De Griekse letter epsilon ε geeft weer hoe sterk de absorptie is. Water bijvoorbeeld ziet er kleurloos uit, maar is in feite heel lichtblauw. Als je er veel van hebt, wordt deze absorptie vergroot, en ziet de zee er blauw uit.
Figuur 10: Blauw water in Makarska, Kroatië
Als de epsilon, of de absorptiekracht, klein is, heb je een langere penetratielengte “l” nodig om de kleur waar te nemen. Als daarentegen de epsilon, of de absorptiekracht, groot is, heb je niet veel nodig om de kleur waar te nemen, bijvoorbeeld een glas rode wijn ten opzichte van een glas water. Je hebt minstens een zwembad water nodig voordat het blauw begint te lijken, dat komt door de lage epsilon.
Figuur 11: Kroatische rode wijn in Split, Kroatië
Laten we beginnen met alles aan elkaar te knopen. Als we eerst kijken naar de delen van het infraroodspectrum van CO2 , watergas, watervloeistof en methaan, dan zien we dat vooral delen van het spectrum van methaan en CO2 weinig of geen absorptie hebben (lage epsilon). Water, vooral water in vloeibare vorm, heeft een veel bredere en diepere absorptie (hoge epsilon). Als we refereren aan de Beer-Lambert wet hierboven, dan wint waterdamp of water in vloeibare vorm (oceanen, zeeën, meren enz.) of druppels (wolken) het ruimschoots. De concentratie, vooral in vloeibare vorm, is veel hoger dan CO2 ooit zou kunnen zijn, en de epsilon voor grotere gebieden van het infraroodspectrum zorgt voor een veel sterkere en efficiëntere absorptie.
Conclusies
Op de universiteit werd mij altijd gevraagd een conclusie te schrijven. Mijn conclusie is simpel: Water is de grootste veroorzaker van broeikasgas die er is, methaan veroorzaakt nog niet eens een vleugje. Daarnaast wordt het broeikasgas CO2 voortdurend geabsorbeerd door planten. Methaan kan nooit ophopen door zijn hoge reactiviteit, het reageert (verbrandt als het ware) tot CO2 en H2O (water), en draagt dus niet wezenlijk meer bij dan CO2 en H2O.
Wat is dus de belangrijkste veroorzaker van broeikasgas?
Het antwoord is water, je drinkt het en vissen bedrijven er de liefde in!