Hoe werkt de aardse atmosfeer
Zo’n 30% van het zonlicht dat de aarde bereikt wordt direct weerkaatst, vooral door wolken. De atmosfeer absorbeert ongeveer 20%. Dit betekent dat ongeveer de helft van alle energie het aardoppervlak bereikt en daar geabsorbeerd wordt.
De aarde verliest deze energie weer door verdamping van water in de oceanen (24%), directe warmteafgifte aan de atmosfeer (6%) en door het uitzenden van infrarode straling (20%). Deze infrarode straling wordt voor een groot deel weer geabsorbeerd door de atmosfeer, vooral door kooldioxide (CO2), methaan (CH4) en waterdamp (H2O). Dit wordt ook wel het broeikaseffect genoemd.
Wat heeft dit voor gevolgen?
Als er veel broeikasgassen in de atmosfeer zitten, dan heeft dat een sterk broeikaseffect tot gevolg. Dit betekent dat de aarde veel warmte vasthoudt. De mens brengt de laatste tientallen jaren veel broeikasgassen in de atmosfeer en (volgens het laatste klimaatrapport) wordt de aarde daardoor steeds warmer. Dit komt vooral door de verbranding van fossiele brandstoffen, waar we met de industriële revolutie mee begonnen zijn.
Hoe weten we dit?
Al in de negentiende eeuw is het wetenschappers gelukt het broeikaseffect te begrijpen. Bij berekeningen kwamen zij er achter dat de aarde in werkelijkheid warmer is dan je zou verwachten als je kijkt naar de hoeveelheid zonlicht, die de aarde bereikt. Blijkbaar moest de atmosfeer van de aarde warmte vasthouden. In het laboratorium ontdekten de wetenschappers dat waterdamp en koolstofdioxide warmte opnemen. Ze wisten toen het verband te vinden.
Hoe leren we meer over de atmosfeer?
Klimaatonderzoekers (meestal natuurkundigen) leren meer over de atmosfeer door metingen te doen op de grond en in de lucht, bijvoorbeeld met behulp van weerballonnen. Het gaat dan om metingen van de druk, temperatuur, luchtvochtigheid enz. Maar een andere belangrijke manier om atmosferische kennis op te doen is het uitvoeren van satellietmetingen.
Nederlandse wetenschappers nemen deel aan een project dat SCIAMACHY heet. Dit is een satelliet die metingen doet aan het ‘spectrum’ van het zonlicht dat door de atmosfeer weerkaatst wordt. SCIAMACHY meet in verschillende richtingen en op heel veel plaatsen boven ons aardoppervlak deze spectra. Hieruit kan dan worden afgeleid hoe de chemische samenstelling van onze atmosfeer is.
Wat is een spectrum?
Elektromagnetische straling (o.a. zichtbaar licht) heeft verschillende frequenties (en golflengtes). In de figuur hieronder zie je het volledige elektromagnetische spectrum van gammastraling tot radiogolven met daaronder het zichtbare gedeelte (licht) van violet tot rood. Als je voor een heleboel verschillende frequenties de intensiteit (het aantal fotonen van die frequentie) meet, bepaal je het ‘spectrum’.
Het elektromagnetisch spectrum
Hoe wordt uit het gemeten spectrum de chemische samenstelling bepaald?
In onderstaand plaatje is een gedeelte van het spectrum te zien waar zuurstof (O2) straling absorbeert. De grillige zwarte lijn geeft het spectrum aan zoals dat veroorzaakt wordt door de eigenschappen van het zuurstof in de atmosfeer. De rode lijn is hetzelfde spectrum, maar dan zoals SCIAMACHY het meet (de resolutie is minder hoog).
Simulatie van een meting van SCIAMACHY (rode lijn) door de absorptie van zuurstof (zwarte lijn)
Het is belangrijk voor een goede interpretatie van de metingen van SCIAMACHY om te weten wat de precieze absorptie-eigenschappen van de moleculen zijn. We moeten nauwkeurig weten hoeveel fotonen worden geabsorbeerd bij verschillende golflengtes. Deze eigenschappen zijn afhankelijk van de temperatuur en de druk en zelfs van de andere aanwezige gassen. Hier wordt doorlopend onderzoek naar gedaan.
Resultaten SCIAMACHY
Al het harde werk aan SCIAMACHY levert ook mooie resultaten op. Op het onderstaande plaatje is te zien hoe de CO2 concentratie over het aardoppervlak veranderde tussen januari 2003 en december 2005 (rechtsboven staat om welke maand het gaat). Blauw staat voor een lage concentratie, groen voor een iets hogere, geel nog iets hoger, en rood het hoogst.
Te zien is hoe de hoeveelheid CO2 verandert met de seizoenen. In de lente en zomer wordt koolstofdioxide opgenomen door bomen en planten (dit zorgt voor een lagere concentratie in de atmosfeer). In de herfst en winter komt de CO2 weer vrij (met hogere atmosferische concentraties tot gevolg).
Als je goed kijkt, kan je ook zien dat in 2005 de CO2 concentratie wereldwijd groter is dan twee jaar eerder. Dit komt zoals eerder gezegd door het verbranden van fossiele brandstoffen (olie, kolen, gas). Mooi dat SCIAMACHY dat zo direct in kaart heeft weten te brengen!
Concentratie CO2 boven het aardoppervlak tussen januari 2003 en december 2005
Kennislink Dossier: Broeikaseffect - vriezen of smoren
https://www.nemokennislink.nl/publicaties/broeikaseffect-vriezen-of-smoren/
Kennislink over SCIAMACHY
https://www.nemokennislink.nl/publicaties/eerste-animaties-broeikasgassen-met-gegevens-van-envisatsensor-sciamachy/
Wikipedia Broeikaseffect
nl.wikipedia.org/wiki/Broeikaseffect
Wat kun je worden? Hans Oerlemans, hoogleraar meteorologie
www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=822984
Wat kun je worden? Henk Dijkstra, hoogleraar klimaatkunde
www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=795889
Wat kun je worden? G. P. Können, hoofd afdeling klimaatanalyse KNMI
www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=285582
Ideeën voor profielwerkstuk of spreekbeurt
www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=470734
