Mijn kijk op de invloed van CO2 op het klimaat

Een gastbijdrage van Dick Thoenes.

1. Waarom dachten we eigenlijk dat door meer CO₂ de atmosfeer zou opwarmen?

Dat idee is gebaseerd op laboratoriumonderzoek van Svante Arrhenius, waarvan de resultaten gepubliceerd zijn in twee artikelen, in 1896 en in 1906. Uit het eerste onderzoek bleek dat infraroodstraling door CO₂ in lucht geabsorbeerd kan worden en in warmte omgezet. Het aardoppervlak zendt de van de zon ontvangen energie uit gedeeltelijk als infraroodstraling. Deze wordt door de CO₂ in de lucht voor een deel geabsorbeerd, waardoor de temperatuur van de lucht stijgt. Hierdoor stijgt de temperatuur van het aardoppervlak (ongeveer evenveel) om de warmteafvoer in stand te houden. Dit effect wordt dan het “broeikaseffect” genoemd. De opgewarmde luchtlaag geeft de energie weer verder door naar boven.

2. Hoe belangrijk is het broeikaseffect van CO₂?

Arrhenius was in dit effect geïnteresseerd omdat hij de opwarming na de ijstijden wilde verklaren. Het is inmiddels wel duidelijk geworden dat de aardatmosfeer de betrekkelijk aangename temperaturen te danken heeft aan het gecombineerde broeikaseffect van CO₂ en waterdamp. Het effect van waterdamp is overigens verreweg het grootst.

Arrhenius meende dat in de toekomst de atmosfeer nog een beetje verder zou opwarmen door het toenemend gebruik van brandstoffen. Dit wordt het “extra broeikaseffect” genoemd (Arrhenius zag dit als gunstig). Hij schatte het extra broeikaseffect van CO₂ op 5°C bij verdubbeling van het CO₂-gehalte (dat toen iets onder de 300 ppm lag). In zijn tweede publicatie corrigeerde hij dit, er zou geen 5 maar 1,6°C zijn. In de jaren ‘80 van de vorige eeuw werd alleen het eerste onderzoek geciteerd en vreesde men voor een aanzienlijke opwarming van de atmosfeer door het toenemend CO₂-gehalte, waarvan aangenomen werd dat het veroorzaakt werd door het stijgend gebruik van fossiele brandstoffen. De tweede publicatie werd pas herontdekt na 2000 (meen ik) en toen leek het effect minder dreigend, maar niettemin toch nog wel significant. Voor zover ik weet wordt die tweede schatting tegenwoordig als juist aangenomen.

(Let wel: er wordt wel eens beweerd dat het aardoppervlak wordt opgewarmd doordat er energie van CO₂-houdende luchtlagen naar het aardoppervlak zou worden terug gestraald, maar dit is onjuist. Energie kan niet stromen van lagere naar hogere temperatuur).

3. Is het “extra broeikaseffect” in de praktijk bewezen?

Nee, dat is nooit bewezen. We kunnen namelijk in de atmosfeer deze proef niet uitvoeren.

In de atmosfeer is, ondanks aanzienlijke verhoging van het CO₂-gehalte in de 20^e eeuw, geen duidelijke temperatuurstijging opgetreden. De temperatuur van de atmosfeer is alleen gestegen tussen 1979 en 1998 (0,4°C). Van 1940 tot 1979 is ze iets gedaald (0,2°C) en na 1998 gemiddeld ongeveer constant gebleven. De gemiddelde stijging sinds 1940 is dus ongeveer 0,2°C. De CO₂-concentratie is echter de hele tijd voortdurend toegenomen. Als metingen niet overeenstemmen met wat de theorie voorspelt, vind ik dat de theorie fout is.

We moeten overigens voorzichtig zijn met de term “klimaat”. Met dit woord werd vroeger een plaatselijk klimaat bedoeld, van een land of streek. Als we tegenwoordig lezen over “het klimaat” wordt het gemiddelde wereldklimaat bedoeld (maar dit kunnen we eigenlijk niet bepalen). Een gemiddelde wereldtemperatuur is ook niet eenduidig te definiëren (zie paragraaf 6).

4. Hoe komt het dat we van dat extra broeikaseffect zo weinig merken?

Het broeikaseffect is op het laboratorium later ook door anderen bevestigd, daarover bestaat geen twijfel. Het probleem is echter dat de laboratoriumresultaten niet zonder meer van toepassing zijn op de atmosfeer. De situatie in de atmosfeer is veel ingewikkelder en kan in een proef op het laboratorium niet worden nagebootst. In de atmosfeer treden gelijktijdig allerlei andere effecten op, zoals instraling van de zon, reflectie van zonlicht (aan water, ijs, wolken, etc.), verdamping van water, convectie (wind en opstijgende en dalende lucht), vorming van wolken (die warmte naar boven uitstralen en die zonnestralen tegenhouden), regen, sneeuw, etc. We kunnen de samenloop van al deze effecten niet goed voorspellen, vooral omdat die van plaats tot plaats op aarde sterk verschillen. Belangrijk is dat de combinatie van verdamping van water en wolkenvorming werkt als een “negatieve terugkoppeling” waardoor het extra broeikaseffect wordt gereduceerd. Het is in feite niet aangetoond dat verhoging van het CO₂-gehalte van de atmosfeer inderdaad een merkbare invloed heeft op het klimaat.

5. Bestaan er andere factoren die van belang zijn voor het klimaat?

Ja, er zijn twee natuurlijke verschijnselen die ook invloed hebben op de temperatuur en die op grillige wijze kunnen variëren. De belangrijkste zijn: de zonneactiviteit en de circulerende oceaanstromingen. De zonneactiviteit (die o.a. blijkt uit het optreden van zonnevlekken) is de oorzaak van de “zonnewind” (stroom van geladen deeltjes van de zon naar de ruimte, dus ook naar de aarde). Deze beïnvloedt de mate waarin kosmische straling de aardatmosfeer binnendringt. Deze beïnvloedt op haar beurt de wolkenvorming. Deze is weer van belang voor de in de atmosfeer ingestraalde zonne-energie. Een toename van de zonneactiviteit veroorzaakt op deze wijze een verhoging van de temperatuur van de atmosfeer. De zonneactiviteit varieert langzaam en grillig. Aan het eind van de 20^e eeuw was de zonneactiviteit relatief groot, na ongeveer 2000 nam die af en is nu (2015) zeer laag. Het is mogelijk (maar niet bewezen) dat de gemeten temperatuurstijging van 0,4°C (1979-1998) door de hoge zonneactiviteit veroorzaakt is.

De oceaanstromingen zorgen voor de verdeling van de in de tropen ingestraalde overmaat aan zonne-energie over het aardoppervlak. Als er in een bepaald jaar iets meer warm water naar een van de polen stroomt wordt het daar warmer. En omgekeerd. Dit heeft ook invloed op de gemiddelde temperatuur van de atmosfeer. De oorzaak van de veranderingen in de oceaanstromingen is onvoldoende bekend.

Deze zijn waarschijnlijk de oorzaken van het feit dat de uit metingen afgeleide gemiddelde temperatuur van de atmosfeer van jaar tot jaar merkbaar op- en neergaat (0,1-0,5°C).

6. Complicaties en onzekerheden

Belangrijke onzekerheden zitten niet alleen in de mogelijke invloed van CO₂, maar ook in de stofbalansen van de CO₂-stromen. Die stofbalansen zijn erg ingewikkeld. De verschillende natuurlijke CO₂-stromen, die veel groter zijn dan de menselijke “uitstoot”, zijn niet voldoende nauwkeurig bekend. Die natuurlijke stromen zijn: de productie van CO₂ door rotting van afgestorven planten en de desorptie uit warm oceaanwater, alsmede de consumptie van CO₂ door groeiende planten en door absorptie in koud oceaanwater. Deze vier stromen zijn elk meer dan tienmaal groter dan de menselijke emissie (“uitstoot”) en kunnen in de tijd langzaam veranderen. Alleen kunnen we de veranderingen niet nauwkeurig bepalen. We weten dus niet zeker dat de toename van het CO₂-gehalte van de atmosfeer inderdaad veroorzaakt wordt door verbranding ven brandstoffen, al lijkt dat aannemelijk. Stijging van het CO₂-gehalte van de atmosfeer kan ook (mede) veroorzaakt zijn door een tijdelijke stijging van de natuurlijke productie of daling van de natuurlijke consumptie (die overigens niet direct aan elkaar gekoppeld zijn).

Wat we ook niet nauwkeurig weten is welk deel van de door de mens geproduceerde CO₂ in de atmosfeer achterblijft. Van alle CO₂-stromen die in de atmosfeer terecht komen, zowel van natuurlijke als van menselijke oorsprong, wordt ongeveer 98% door de natuur weer opgenomen. De ongeveer 2% die in de atmosfeer achterblijft zorgt voor de stijging van het CO₂-gehalte. Waardoor worden deze getallen bepaald, en zullen die constant blijven? Nee, dat is geenszins zeker. Door het gestegen CO₂-gehalte van de atmosfeer neemt de plantengroei over de gehele wereld geleidelijk toe. Daardoor zal de CO₂-opname door planten geleidelijk toenemen, maar op langere duur de productie door rottende plantenresten ook. We kunnen deze ontwikkelingen niet voldoende nauwkeurig voorspellen, maar het is denkbaar dat het getal van 2% zal stijgen of dalen. In het laatste geval zou het CO₂-gehalte van de atmosfeer verder constant kunnen blijven (dit is natuurlijk speculatief).

(Er wordt ook wel beweerd dat van de menselijke CO₂-uitstoot ongeveer de helft in de atmosfeer achterblijft, maar dat is onjuist. De natuurlijke absorptieprocessen maken geen onderscheid tussen CO₂ van verschillende herkomst).

De oceanen bevatten meer dan 50 maal zoveel CO₂ als de atmosfeer, meest in de vorm van bicarbonaat (HCO₃^-, dat is een verbinding van CO₂ en hydroxyl-ionen, OH^-; deze verbinding kan bij temperatuurverhoging weer uit elkaar vallen). Als de temperatuur van het water iets toeneemt zal daardoor meer CO₂ in de lucht terecht komen, en als de temperatuur afneemt komt er meer in het water terecht. Kleine veranderingen in het CO₂-gehalte van de oceanen veroorzaken grote effecten in de atmosfeer. Verder wordt er CO₂ aan het circuit onttrokken doordat er calciumcarbonaat (CaCO₃) wordt gevormd, in de vorm van kalkskeletten (van zeediertjes) en schelpen, die naar de bodem zakken en zich daar afzetten. We weten niet hoeveel dit is, maar deze stroom is waarschijnlijk wel van belang. De krijtrotsen die wij kennen bijvoorbeeld bij Dover, in Bretagne en op Møn in Denemarken, zijn op deze wijze ontstaan (mede doordat de zeebodem omhoog is gekomen).

Een volgende complicatie zit daarin, dat de energie die het aardoppervlak van de zon ontvangt op drie manieren wordt afgevoerd: door verdamping van water, door convectie (horizontale en verticale luchtstromen) en door straling. Van deze drie energiestromen is straling de kleinste, waarschijnlijk niet meer dan 10-20% van het totaal. Dit beperkt het broeikaseffect. Verder wordt de energie naar boven in de atmosfeer door deze drie mechanismen doorgegeven. Vanuit de hoogste lagen ontsnapt de energie door straling naar het heelal. Een beschrijving van de energietransportprocessen van het aardoppervlak naar het heelal is ingewikkeld, vooral omdat ze van plaats tot plaats sterk verschillen.

We weten dat verdamping van oppervlaktewater (en van water uit natte aarde) een belangrijke rol speelt in de warmtehuishouding in de atmosfeer. Als de temperatuur van de atmosfeer stijgt, neemt die verdamping toe, hetgeen de opwarming afremt (daardoor zijn de temperatuurvariaties in natte landen als Nederland in het algemeen kleiner dan in droge gebieden). Bovendien bevordert de verdamping de wolkenvorming, waardoor de ingestraalde zonne-energie afneemt. Deze effecten reduceren het broeikaseffect (negatieve terugkoppeling). We kunnen deze effecten niet wereldwijd nauwkeurig bepalen.

Een andere onzekerheid zit in het broeikaseffect van waterdamp. Dat effect is veel groter dan dat van CO₂ en varieert heel sterk van plaats tot plaats. We kunnen het gemiddelde broeikaseffect van waterdamp niet nauwkeurig berekenen. Daardoor wordt het moeilijk om een bepaalde gemeten temperatuurstijging aan CO₂ toe te rekenen.

Nog een belangrijke onzekerheid zit in het feit dat het eigenlijk niet eens mogelijk is om een gemiddelde temperatuur van de atmosfeer te definiëren. Men kan wel hoeveelheden massa of energie middelen, maar “hoeveelheden” temperatuur bestaan niet, dus die kan je feitelijk ook niet middelen. Uit temperatuurmetingen van over de hele aarde wordt op een bepaalde manier een gemiddelde bepaald. Deze berekende gemiddelde temperatuur is echter geen constante, ze kan “vanzelf” op- en neer gaan, ook als er uitwendig niets verandert. Dat kan gebeuren doordat er meer of minder faseovergangen plaats vinden, zoals smelten van ijs, vorming van ijs, verdamping van water, neerslag door regen of sneeuw, verdamping van ijs, vorming van rijp. Al deze processen gaan gepaard met energieverbruik of –productie. De grootte van deze faseovergangen kan variëren door veranderingen in lucht- of waterstromingen en ze veroorzaken opwarming of afkoeling van de omgeving. Dit komt uiteindelijk allemaal doordat de atmosfeer en de oceanen niet met elkaar in evenwicht zijn. Als men bijvoorbeeld waarneemt dat in een bepaalde periode poolijs afsmelt (wat af en toe gebeurt), dan is dit niet een teken van opwarming van de aarde, maar juist van afkoeling. Bij het smelten wordt immers warmte onttrokken aan de omgeving (meest uit het water).

De niet-evenwichtssituatie is het gevolg van het feit dat er voortdurend op verschillende plaatsen op aarde energie wordt toe- en afgevoerd (respectievelijk door straling van de zon en uitstraling van de atmosfeer naar het heelal), waardoor grote water- en luchtstromen ontstaan. Het gevolg hiervan is dat het geen betekenis heeft om de uit metingen berekende “gemiddelde” temperatuur op te geven met een marge kleiner dan 0,5°C (zie ook einde paragraaf 5). Kleinere temperatuurvariaties zijn volgens mij dan ook niet significant.

Hieruit volgt ook dat men eigenlijk geen gemiddeld “wereldklimaat” kan definiëren.

7. De onvoorspelbaarheid van het klimaat

We hebben lange tijd gedacht dat de toekomst van het klimaat voorspeld zou kunnen

worden als we beschikten over twee dingen:

Beide ideeën zijn echter onjuist. Er zijn nog teveel belangrijke onzekerheden (zie paragraaf 6) om zo’n model te kunnen maken. Onze huidige modellen zijn wel geavanceerd maar bevatten lang niet alle relevante processen. Maar zelfs al hadden we zo’n perfect model, dan zouden we daarmee toch niet de toekomst kunnen voorspellen, omdat het klimaat zich “chaotisch” gedraagt. “Chaotisch” is in dit verband een wiskundige term. Hiermee wordt bedoeld dat het gedrag van een systeem beschreven wordt door meerdere gekoppelde niet-lineaire differentiaalvergelijkingen. Zulke systemen kunnen extreem gevoelig zijn voor beginvoorwaarden, zoals temperaturen gemeten op bepaalde plaatsen op bepaalde tijdstippen. Een kleine variatie daarin (kleiner dan de meetnauwkeurigheid) kan dan al leiden tot geheel andere uitkomsten. En chaotische systemen kunnen in de tijd zeer grillig variëren. In principe is het gedrag van chaotische systemen niet voorspelbaar (zie mijn artikel “Over de onvoorspelbaarheid van het klimaat”, Tijdschrift voor Geografie, 01-02-2007). Men kan de toekomst van het wereldklimaat dus feitelijk niet voorspellen.

8. Warmt de aarde nu op of niet?

We kunnen niet weten of de aarde op dit ogenblik opwarmt. We kunnen wel de volgende vragen stellen: Is de aarde tot nu toe opgewarmd? En denken we dat de aarde in de toekomst zal opwarmen door stijgende CO₂-gehaltes?

Uit metingen volgt dat de aardatmosfeer in de laatste 75 jaar alleen in de periode 1979-1998 is opgewarmd, en wel ongeveer 0,4°C, maar dat is naar mijn mening niet significant (zie einde paragraaf 6). Er was ook opwarming voor 1940, maar toen was er nog erg weinig CO₂-uitstoot, dus dit had een andere oorzaak.

Of de aarde in de toekomst zal opwarmen kunnen we niet zeggen, omdat klimaatvoorspelling onmogelijk is, maar we kunnen wel verwachtingen uitspreken.

We weten dat van de infraroodstraling, die het aardoppervlak uitzendt en door CO₂ kan worden geabsorbeerd, in feite nu al ongeveer 85% wordt geabsorbeerd (en in warmte omgezet). Bij stijging van het CO₂-gehalte kan die absorptie natuurlijk nooit meer worden dan 100%. Dit zou een temperatuurverhoging van maximaal 2°C kunnen betekenen. We weten overigens dat een temperatuurverhoging van 2°C meer voordelen heeft dan nadelen. De voordelen zijn: hogere landbouwopbrengsten en lager energieverbruik (dit gaat over vele miljarden per jaar). Vanwege de terugkoppelingseffecten zal de temperatuurstijging in werkelijkheid (helaas!) aanmerkelijk minder zijn.

We kunnen wel vaststellen dat er geen aanwijzingen zijn die er op duiden dat de aarde in de nabije toekomst significant zal opwarmen. Dit lijkt mij zelfs onmogelijk.

9. Kunnen we een conclusie trekken?

Oorspronkelijk dachten we dat er een verband zou moeten zijn tussen het CO₂-gehalte van de atmosfeer en de gemiddelde temperatuur. Dit is alleen aangetoond voor perioden in de geologische geschiedenis, in de laatste paar honderdduizend jaar. Maar uit geologisch onderzoek blijkt dat de temperatuurstijgingen altijd vooraf gingen aan de stijgingen van het CO₂-gehalte (die dus het gevolg moesten zijn van ontgassing van de oceanen). Er zijn geen aanwijzingen dat CO₂ verdere significante temperatuurstijging kan veroorzaken (meer dan een paar tienden van een graad). Inmiddels weten we dat de processen in de atmosfeer die van invloed zijn op de temperatuur bijzonder ingewikkeld zijn, zodat we deze zeker nooit kwantitatief zullen kunnen beschrijven.

Is het dan toch niet bedenkelijk dat we met het stoken van grote hoeveelheden brandstoffen ook grote hoeveelheden CO₂ in de atmosfeer brengen? Dat weten we niet, maar het lijkt niet waarschijnlijk, want voor zover wij weten heeft een hoger CO₂-gehalte van de atmosfeer alleen maar voordelen en geen nadelen. In bepaalde geologische perioden is het CO₂-gehalte van de atmosfeer veel hoger geweest dan het nu is, maar zonder dramatische gevolgen.

(Er wordt in dit verband wel gesproken van een mogelijke “verzuring” van de oceanen door toename van de hoeveelheid opgelost CO₂. Volgens mij is dit onjuist. De oceanen zijn zwak basisch (alkalisch), en kunnen door hogere CO₂-gehaltes iets minder basisch worden, maar niet zuur).

10. Consequenties

Mijn conclusie (maar ik kan mij vergissen) is dat het onmogelijk is dat er een significante klimaatverandering zou kunnen optreden door een stijgende uitstoot van CO₂. Dit betekent volgens mij dat alle maatregelen om de CO₂-uitstoot te beperken zinloos zijn. Dit kan enorme financiële consequenties hebben voor de samenleving.

Aldus dr ir Dick Thoenes, em. prof. chemische procestechnologie TU Eindhoven.

Voor mijn eerdere DDS–bijdragen, zie hier.