Kees de Lange, emeritus hoogleraar moleculaire fysica
Guus Berkhout, emeritus hoogleraar geofysica
Eerder deze week verscheen op sociale media een video over het broeikaseffect van Sabine Hossenfelder1. Dr. Hossenfelder, die promoveerde in de theoretische natuurkunde in Frankfurt, doet excellent werk met het populariseren van natuurwetenschap op het internet.2 In deze specifieke video bespreekt zij het broeikaseffect:
Ik heb het broeikaseffect verkeerd begrepen. Dit is hoe het werkt. – YouTube
Echter, een paar punten behoeven extra toelichting.
Broeikasgassen spelen zeker een rol in de aardse atmosfeer. Het fundamentele begrip van stralingstransport en de rol van atmosferische verstrooiing zijn daarom essentieel. De fysica die aan dit begrip ten grondslag ligt, bevindt zich op het terrein van de atomaire, moleculaire en optische (AMO) fysica, die toevallig precies dat deel van de fysica is dat historisch gezien een sleutelrol heeft gespeeld bij de ontwikkeling van de kwantumtheorie. Zonder AMO-fysica geen fundamenteel begrip van atmosferische fysica!
Sabine Hossenfelder heeft in haar video gelijk als zij stelt dat stikstof noch zuurstof broeikasgassen zijn. Echter, bij meer dan één gelegenheid suggereert zij dat de reden is dat stikstof- en zuurstofmoleculen geen vibraties bij infraroodfrequenties zouden bezitten. Zowel stikstof als zuurstof hebben echter trillings- en rotatiefrequenties die niet veel verschillen van die van de broeikasmoleculen water, kooldioxide, methaan of lachgas. Het belangrijkste verschil is dat de zeer symmetrische homonucleaire diatomaire moleculen stikstof en zuurstof geen elektrisch dipoolmomenten bezitten. Het zijn niet de moleculaire vibraties, maar de veranderende elektrische dipoolmomenten (rovibraties) die ervoor zorgen dat broeikasgassen infrarode straling kunnen absorberen en uitzenden.
In feite dragen alle gasfasemoleculen energie over via botsingen die hun rovibrerende beweging verstoren. Broeikasmoleculen zoals waterdamp, kooldioxide, ozon, methaan en lachgas hebben een elektrisch dipoolmoment in tegenstelling tot homonucleaire moleculen. Daarom zijn vibrerende en roterende broeikasgasmoleculen bedreven in het absorberen en uitzenden van infrarode straling, in tegenstelling tot vibrerende en roterende zuurstof- en stikstofmoleculen.
De video erkent het belang van verzadiging, die door een aantal wetenschappers uitvoerig is bestudeerd.3,4 Uit de onderstaande figuur blijkt dat een verdubbeling van de CO2-concentratie van 400 naar 800 ppm een erg klein verschil maakt in de infrarode stralingsflux naar de ruimte aan de bovenkant van de atmosfeer. Integratie over alle frequenties levert een forcering op van 3 W/m2, wat slechts ongeveer 1% vertegenwoordigt van de gemiddelde infraroodstraling naar de ruimte. Het effect van een verdubbeling van CO2 is veel kleiner dan de cartoon van Dr. Hossenfelder in de video suggereert.
Uit het hierboven getoonde frequentiespectrum blijkt dat de verbreding van het CO2-absorptiegebied bij een verhoging van de CO2-concentratie van 400 ppm tot 800 ppm te verwaarlozen is. Er zijn onrealistische emissiescenario’s nodig om een verbreding te realiseren, zoals in de cartoon in de video van Dr. Hossenfelder te zien is.
Tot slot een waarschuwing. De correlatie tussen de CO2-concentratie in de atmosfeer en de opwarming van het aardoppervlak is op zijn best niet overtuigend. Zelfs in het recente verleden (Romeinse warme periode, Middeleeuwse warme periode, Kleine IJstijd), toen antropogene CO2 geen enkele rol speelde, waren de temperatuurschommelingen minstens even sterk als wat heden ten dage wordt waargenomen sinds de mens fossiele brandstoffen begon te verbranden. Dit is niet verrassend.
De warmtecapaciteit van de atmosfeer is klein in vergelijking met die van de oceanen, die 70% van het aardoppervlak uitmaken. De echte warmtemotoren die de warmteoverdracht op de planeet domineren zijn niet de stralingsoverdracht door broeikasgassen, maar de oceaanstromingen en de gigantische atmosferische warmtemotor, vertegenwoordigd door de bekende Hadley-cellen. De complexiteit van het klimaatsysteem valt niet te onderschatten.
Tot slot zijn wij blij dat de uitstekende video van Dr. Hossenfelder bevestigt dat de effecten van toenemende concentraties broeikasgassen zeer gering en zeer verzadigd zijn. Dit ondersteunt zeker niet de boodschap dat de wereld zich in een desastreuze klimaatcrisis zou bevinden. Wij hopen dat ons commentaar ertoe bijdraagt dat een breed publiek dit belangrijke onderwerp beter begrijpt.
Referenties
- Ik heb het broeikaseffect verkeerd begrepen. Dit is hoe het werkt. | RealClearScience
- Sabine Hossenfelder – Wikipedia
- Happer, De beste scholen, 2020, https://www.independent.org/issues/article.asp?id=13480
- A. van Wijngaarden & W. Happer, 2020, “Dependence of Earth’s Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases”, Atmospheric and Oceanic Physics arXiv: 2006.03098.