Broeikasgassen in de atmosfeer

Energieverbruik en fossiele energie

Het grootste deel van het huidige energieverbruik komt nu nog uit fossiele energiebronnen. De afhankelijkheid van fossiele brandstoffen heeft een tweetal belangrijke consequenties. De voorraden fossiele brandstoffen zijn eindig; ofwel deze voorraden zullen binnen afzienbare tijd opraken. Voorafgaand daaraan zullen, zonder maatregelen, de prijzen van fossiele brandstoffen stijgen met nadelige gevolgen voor de economie. Belangrijker is echter dat het verbranden van fossiele brandstoffen gepaard gaat met de uitstoot van kooldioxide. Daardoor neemt het gehalte aan kooldioxide in de atmosfeer toe. Kooldioxide in de atmosfeer is op zich niet schadelijk. Het heeft zelfs een positief effect. Zonder kooldioxide zou de gemiddelde temperatuur op aarde onder het vriespunt liggen op -18 ^oC. De aarde zou dan een soort diepvrieskist zijn. Door het broeikasgaseffect hebben we hier op aarde aangename temperaturen. Echter nu dreigt het broeikasgaseffect te sterk te worden en tot te hoge temperaturen te leiden. Deze temperatuurstijging heeft met ernstige gevolgen voor de menselijke samenleving en voor de natuur. Waar een overvloed aan broeikasgassen toe kan leiden is te zien aan de planeet Venus. Daar zitten zoveel broeikasgassen in de atmosfeer dat de temperatuur er 400 ^oC is.

Er worden door alle landen maatregelen genomen om de kooldioxide emissie te verlagen. Het resultaten daarvan zijn duidelijk in de grafiek van het energieverbruik te herkennen. Het belang van fossiele brandstoffen wordt kleiner, er wordt overgegaan op meer hernieuwbare bronnen en overige energiebronnen zoals kernenergie.

Broeikasgaseffect

De aarde beweegt zich door het vacuüm van de ruimte. De atmosfeer is een dunne schil die de aarde omgeeft. Door het vacuüm in de ruimte kan warmte-uitwisseling met de ruimte alleen plaatsvinden door straling. De van de aarde wordt daarom volledig bepaald door de stralingsbalans. De straling van de zon warmt de aarde op tot een bepaalde temperatuur, bij deze temperatuur straalt de aarde energie uit. Als bij deze temperatuur de aarde net zoveel energie naar de ruimte uitstraalt, als de aarde ontvangt, dan is er evenwicht tussen inkomende en uitgaande straling en blijft de temperatuur constant. Dat evenwicht is nu verstoord door het broeikasgaseffect met stijgende temperaturen tot gevolg.

Wat houdt het broeikasgaseffect in, waarom warmt de aarde op als gevolg van de broeikasgassen in de atmosfeer? De onderstaande figuur geeft een beeld van het zonlicht dat op aarde valt en toont de relatie met het broeikasgaseffect.

Het invallende zonlicht op de aarde geeft energie aan de aarde. De inkomende zonlicht is kortgolvige straling, ze valt grotendeels binnen met frequenties in het zichtbare licht. De vermogensdichtheid van de invallende zonnestraling bedraagt ongeveer 1361 Watt per vierkante meter. De aarde draait om zijn as en heeft een bolvorm waardoor de gemiddelde stralingsenergie op de aarde lager is; ongeveer 340 Watt per m². De kortgolvige straling gaat voor een groot deel (185 W/m², 54%) door de dampkring heen en bereikt het aardoppervlak. Een deel van het zonlicht wordt door wolken, gassen en aerosolen gereflecteerd (22%) en een deel wordt in de atmosfeer geabsorbeerd (23%). Het grootste deel van het invallende zonlicht (54%) wordt door de aarde geabsorbeerd (161 W/m², 47%) en verwarmd de aarde, een klein deel (7%) wordt door de aarde gereflecteerd. Al deze energiestromen zijn met de gele pijlen in de figuur aangegeven. De dikte van de pijlen is een maat voor de grootte van de energiestroom [IPCC].

Elk lichaam met een bepaalde temperatuur straalt energie uit en koelt daardoor af. Dat wil zeggen dat de aarde, de wolken en de broeikasgassen energie uitstralen en daardoor afkoelen. Omdat de temperatuur van de aarde, de wolken en de broeikasgassen relatief laag zijn, vergeleken met die van de zon, stralen deze hun energie uit bij een lagere frequentie. Dat is langgolvige straling, in het infraroodgebied. Deze is met de rode pijlen in de figuur aangegeven. Ook hier geeft de dikte van de pijlen ongeveer aan hoe groot de energiestroom is. De door de aarde uitgestraalde infraroodenergie (398 W/m²) wordt voor het grootste deel (316 W/m²) geabsorbeerd door wolken en broeikasgassen. De rest wordt uitgestraald de ruimte in (82 W/m²). Naast de infraroodenergie is er ook warmtetransport naar de wolken via een latente en een voelbare warmtestroom (104 W/m²), deze warmtestromen zijn niet in de figuur weergegeven [IPCC].

De wolken en broeikasgassen stralen de langgolvige infraroodenergie uit naar de ruimte, maar een groot deel van de infraroodstraling is gericht naar de aarde. Hoe meer broeikasgassen in de atmosfeer hoe meer energie weer wordt terug gestraald. Het broeikasgaseffect wordt versterkt. De broeikasgassen vormen een soort deken om de atmosfeer waardoor de warmte wordt vastgehouden. Het gevolg is dat de aarde opwarmt en de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt naarmate er zich meer broeigassen in de atmosfeer bevinden. De huidige stijging van de temperatuur is voornamelijk te wijten aan de, door de mens veroorzaakte, verhoogde broeikasgas-concentraties en deels vermindert door koeling als gevolg van verhoogde aerosolconcentraties. De door de mens veroorzaakte stralingskracht veroorzaakt een accumulatie van extra energie (verwarming) in het klimaatsysteem. De waargenomen gemiddelde stralingskracht van het klimaatsysteem steeg van gemiddeld 0,50 W/m² voor de periode 1971-2006, tot gemiddeld 0,79 W/m² voor de periode 2006-2018. De verhoogde stralingskracht en de daarmee gepaard gaande opwarming van de aarde, heeft ernstige gevolgen voor de menselijke samenleving [IPCC].

Broeikasgasemissie

De voornaamste broeikasgassen in de aardse atmosfeer zijn:

• koolstofdioxide (CO₂),
• methaan (CH₄),
• waterdamp,
• distikstofmonoxide (lachgas, N₂O),
• ozon (O₃),
• fluorverbindingen (CFK's, HFK's, PFK's, en SF₆),
• gehalogeneerd koolwaterstoffen.

Kooldioxide is een van de belangrijkste broeikasgassen. Bij verbranding van fossiele brandstoffen als kolen, olie en aardgas, worden deze voor een groot deel omgezet in warmte en kooldioxide. Het gebruik van fossiele brandstoffen voor de energievoorziening heeft daardoor de uitstoot van kooldioxide tot gevolg. Methaan is ook een belangrijk broeikasgas. Naast de broeikasgassen bevat de atmosfeer ook deeltjes of aerosolen, zoals sulfaat, roet en nitraat, die invloed uitoefenen op het klimaat [CvdL].

Door menselijke activiteiten nemen de concentraties van broeikasgassen en aerosolen in de atmosfeer toe. In 2016 was de totale uitstoot van broeikasgassen 53 miljard ton CO₂ equivalent. Onderstaande figuur geeft aan hoe de uitstoot is verdeeld over de verschillende broeikasgassen en welke sectoren verantwoordelijk zijn voor de uitstoot. De uitstoot is ook verdeeld in energetische en niet-energetische emissies [PBL].

Het grootste aandeel in de uitstoot van broeikasgas in 2016, 32 miljard ton, komt voor rekening van energetische emissies. Deze nemen ongeveer twee derde van de totale broeikasgasemissies voor hun rekening. Energetische emissies zijn de emissies die gepaard gaan met het verbranden van fossiele brandstoffen. Deze fossiele brandstoffen worden onder andere gebruikt voor het opwekken van elektriciteit, voor het verwarmen in industriële processen, voor het aandrijven van auto's, vrachtwagens, schepen en vliegtuigen en voor het verwarmen van gebouwen. De uitstoot, bij het verbranden van fossiele brandstoffen, komt voornamelijk vrij in de vorm van kooldioxide, CO₂. Koolstofdioxide komt ook vrij bij allerlei natuurlijke processen zoals bosbranden, uitstoot door vulkanen en verteringsprocessen in natte bossen en oerwouden. Verder komt CO₂ vrij bij onder andere de cementproductie, ontbossing en landgebruik. Samen dragen deze voor ongeveer een derde bij aan de broeikasgasemissies. De totale uitstoot van kooldioxide in 2016 komt daarmee op ongeveer 41 miljard ton CO₂ [IPCC], [PBL], [Volkskrant].

Methaan (CH₄) is ook een belangrijk broeikasgas. Methaan is een sterker broeikasgas dan kooldioxide; een ton methaan staat gelijk aan 25 ton CO₂. Methaan wordt onder andere uitgestoten bij kolenwinning, gaswinning, veeteelt, rijstteelt, chemische industrie, stortplaatsen, vuilnisbelten, waterzuivering en door lekkende gasleidingen. Ook moerassen, veengebieden en ontdooiende permafrost stoten methaan uit. Veeteelt draagt in totaal ongeveer 15% bij aan de uitstoot van methaan door het platbranden en kappen van bossen voor nieuwe weidegronden en door de uitstoot van methaan door het vee. Uit onderzoek is gebleken dat met elke miljard ton methaan, die uit de atmosfeer wordt verwijderd, de oppervlaktetemperatuur van de aarde met ongeveer 0,2 ^oC daalt. Bij veeteelt wordt naast methaan ook lachgas (N₂O) uitgestoten. Lachgas komt vooral vrij bij het gebruik van kunstmest en bij het verbranden van bossen en oogstafval. Lachgas komt in mindere mate vrij bij het verbranden van fossiele brandstoffen. Verder dragen gehalogeneerde koolwaterstoffen bij aan het broeikasgaseffect. Ook waterdamp is een broeikasgas. Verwacht wordt dat, door de hogere temperatuur op aarde, de verdamping van water toeneemt waardoor de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer ook hoger wordt. Dit versterkt het broeikasgaseffect. De bijdrage van waterdamp aan het broeikasgaseffect is echter geringer dan de bijdrage van de eerder genoemde broeikasgassen [IPCC], [PBL], [CvdL].

Concentratie kooldioxide in de atmosfeer

Sinds 1850 is het gebruik van fossiele brandstoffen voor de energievoorziening, en daarmee de uitstoot van kooldioxide, sterk gestegen. Vanaf 1850 tot 2019 is er 2390 miljard ton CO₂, afkomstig van menselijke activiteiten, in de atmosfeer gekomen. Daarvan is ongeveer 1400 ton afkomstig van het verbranden van fossiele brandstoffen. De rest is afkomstig van cementproductie en landgebruik. De laatste bijdrage is voornamelijk het gevolg van ontbossing ten behoeve van landbouw en veeteelt waardoor de, in planten en bomen opgeslagen, kooldioxide vrijkomt. Van de totale uitstoot werd 715 miljard ton opgenomen door oceanen, die daardoor zuurder worden. Het overige deel, 645 miljard ton, is opgenomen door planten en bomen. De opname door planten en bomen compenseert een deel van de CO₂-emissie van 660 miljard ton als gevolg van landgebruik. Het resultaat is dat ongeveer 43 procent van totale jaarlijkse uitstoot, 1030 miljard ton, in de atmosfeer is achter gebleven. Daardoor neemt de concentratie van CO₂ in de atmosfeer toe. Onderstaande figuur geeft de gemiddelde concentratie van kooldioxide (CO₂) in de aardse atmosfeer over de laatste 1000 jaar [IPCC], [Compendium voor de Leefomgeving].

De concentratie van kooldioxide was, vanaf het jaar 1000 tot en met het jaar 1750, ongeveer constant en schommelde rond de 280 ppm (deeltjes CO₂ per miljoen luchtdeeltjes). Met het toenemen van het gebruik van fossiele brandstoffen neemt ook de concentratie van kooldioxide sterk toe. De sinds 1750 waargenomen stijging van de concentratie broeikasgassen zijn ondubbelzinnig veroorzaakt door menselijke activiteiten. In 2019 werd een jaargemiddelde bereikt van 410 ppm voor kooldioxide (CO₂); 1866 ppb voor methaan (CH₄) en 332 ppb voor lachgas (N₂O, distikstofoxide). In 2019 waren de CO₂-concentraties in de atmosfeer hoger dan ooit over de laatste 2 miljoen jaar en de concentraties CH₄ en N₂O waren hoger dan ooit in de laatste 800.000 jaar. In 2022 bereikten de broeikasgassen in de atmosfeer, kooldioxide, methaan en lachgas, opnieuw recordhoogtes. Vooral de methaanconcentratie in de lucht steeg sneller dan verwacht. In het afgelopen decennium is de grootste stijging van de CO₂-concentratie gemeten sinds het begin van directe atmosferische metingen in 1960. Het verbranden van fossiele brandstoffen heeft geleid tot een sterke stijging van de concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer met als gevolg dat de aarde opwarmt. In de 19^e eeuw was de gemiddelde wereldtemperatuur ongeveer 13,7 graden, op dit moment is dat ongeveer 15,0 graden. De temperatuur op aarde is de afgelopen anderhalve eeuw dus al met meer dan een graad gestegen [IPCC].

Iets meer dan 60% van het broeikaseffect wordt veroorzaakt door kooldioxide. De rest van het effect, iets minder dan 40%, wordt veroorzaakt door andere broeikasgassen; methaan, lachgas en fluorverbindingen. De emissies van methaan en lachgas vertonen in de tijd gezien hetzelfde verloop als de emissie van CO₂ en nemen ook toe [IPCC].

De natuurlijke koolstofputten op land en in de oceaan hebben in de afgelopen zes decennia een bijna constant aandeel (wereldwijd ongeveer 56% per jaar) van de CO₂-uitstoot opgenomen. Naar verwachting worden, bij hogere CO₂-emissies, de putten echter minder effectief. Het aandeel van de emissies, opgenomen op land en in de oceaan, neemt af bij toenemende cumulatieve CO₂-emissies, daardoor zal een groter deel van de uitgestoten CO₂ in de atmosfeer blijven [IPCC].

Cumulatieve emissie en temperatuurstijging

Er is een bijna lineair verband tussen de cumulatieve antropogene CO₂-emissies en de opwarming van de aarde. Elke 1000 GtCO₂ cumulatieve CO₂-emissies veroorzaakt een stijging van 0,27 ^oC tot 0,63 ^oC van de wereldwijde oppervlaktetemperatuur, met een gemiddelde schatting van 0,45 ^oC. Dit verband wordt de transiënte klimaatrespons op cumulatieve CO₂-emissies (TCRE) genoemd [IPCC].

De figuur geeft de bijna lineaire relatie tussen de cumulatieve CO₂-emissies en de stijging van de wereldwijde oppervlaktetemperatuur, ten opzichte van de gemiddelde temperatuur tussen 1850 en 1990. Elke ton CO₂-uitstoot draagt bij aan de opwarming van de aarde. In de periode 1850-2020 werd in totaal 2411 GtCO₂ antropogene CO₂ uitgestoten, dit heeft geleid tot een temperatuurstijging van 1,2 ^oC. De TRCE-relatie houdt in dat het bereiken van een netto nul antropogene CO₂-emissie, een vereiste is om door de mens veroorzaakte wereldwijde temperatuurstijging op elk niveau te stabiliseren. Netto nul antropogene CO₂-emissies houdt in dat de hoeveelheid CO₂ die door menselijke activiteiten in de atmosfeer wordt uitgestoten gelijk is aan de hoeveelheid CO₂ die gedurende een bepaalde periode door menselijke activiteiten uit de atmosfeer wordt verwijderd. Netto negatieve CO₂-emissies treden op wanneer antropogene verwijderingen hoger zijn dan antropogene emissies. Uit het lineaire verband tussen cumulatieve emissies en de temperatuurstijging kan verder worden afgeleid wat het resterende koolstofbudget is, wil de mensheid de temperatuurstijging onder een bepaald niveau houden. Voor het vanaf 2020 beperken van de opwarming tot 1,5 ^oC komt dat neer op 500 Gt CO₂; het beperken van de opwarming tot 2,0 ^oC komt neer op 1150 Gt CO₂ [IPCC].