Het broeikaseffect is in de eerste plaats iets goeds: het maakt de aarde leefbaar. Het probleem van klimaatverandering is niet dát er een broeikaseffect is, maar dat de mens het sinds de industriële revolutie snel versterkt. Om dat te begrijpen, kijken we eerst naar de energiebalans van de aarde.
De stralingsbalans: wat komt erin, wat gaat eruit?
De aarde krijgt vrijwel al haar energie van de zon. Boven de atmosfeer valt er 1361 W per vierkante meter loodrecht op een vlak dat naar de zon gericht is: de zonneconstante. Omdat de aarde een bol is die draait, en de helft van de tijd in het donker ligt, wordt dat gemiddeld over het hele aardoppervlak 1361 / 4 ≈ 340 W/m².
Ongeveer 30 % daarvan wordt direct weerkaatst door wolken, ijs, sneeuw en lichte oppervlakken: het albedo van de aarde is 0,30. Er blijft dus ongeveer 240 W/m² over dat wordt geabsorbeerd. Om niet steeds warmer te worden, moet de aarde evenveel energie weer kwijtraken. Dat kan in de ruimte alleen via straling (zie warmtetransport).
Rekenvoorbeeld: de aarde zonder broeikaseffect
Een voorwerp met temperatuur T straalt volgens de wet van Stefan-Boltzmann een vermogen per vierkante meter uit van σ · T⁴. Stel dat de aarde geen broeikasgassen had. Dan moet het oppervlak de 240 W/m² rechtstreeks naar de ruimte uitstralen:
- S
- zonneconstante, 1361 W/m²
- α
- albedo van de aarde, 0,30
- σ
- constante van Stefan-Boltzmann, 5,67 · 10⁻⁸ W/(m²·K⁴)
- T
- stralingstemperatuur, in K
Invullen: T = [1361 × 0,70 / (4 × 5,67 · 10⁻⁸)]1/4 = (4,2 · 10⁹)1/4 ≈ 255 K = −18 °C. De werkelijke gemiddelde temperatuur aan het oppervlak is ongeveer 288 K = +15 °C. Het verschil van 33 °C is het natuurlijke broeikaseffect.
Bij 15 °C straalt het oppervlak σ · 288⁴ ≈ 390 W/m² uit, veel meer dan de 240 W/m² die van de zon wordt opgenomen. Dat kan alleen omdat de atmosfeer een groot deel van die straling absorbeert en ongeveer 340 W/m² terugstraalt naar de grond. De aarde ‘ziet’ dus niet alleen de zon, maar ook een warme hemel.
Hoe werkt het broeikaseffect?
Het mechanisme draait om het verschil in golflengte tussen inkomende en uitgaande straling (zie elektromagnetische straling):
- Zonlicht gaat er grotendeels doorheen. De zon (ca. 5 800 K) straalt vooral zichtbaar licht uit, met een piek rond 0,5 µm. De atmosfeer laat dat goed door.
- De aarde straalt infrarood uit. Het opgewarmde oppervlak (ca. 288 K) straalt volgens de wet van Wien met een piek rond 2898 / 288 ≈ 10 µm: infrarood.
- Broeikasgassen absorberen dat infrarood. Moleculen als H₂O, CO₂ en CH₄ gaan trillen als ze infrarode straling van bepaalde golflengten opnemen. CO₂ absorbeert bijvoorbeeld sterk rond 15 µm.
- Ze stralen het weer uit, alle kanten op. Een deel gaat omhoog, een deel terug naar beneden. De warmte ontsnapt pas naar de ruimte vanaf grotere hoogte, waar het kouder is.
Dat laatste punt is de kern. Omdat de lucht hoger in de atmosfeer kouder is, straalt ze minder uit dan het warme oppervlak. Gemiddeld vertrekt de warmtestraling naar de ruimte vanaf zo’n 5 à 6 km hoogte, waar het ongeveer −18 °C is. Komen er meer broeikasgassen bij, dan schuift dat uitstralingsniveau omhoog naar nog koudere lucht. De aarde straalt dan minder uit dan ze opneemt, en warmt op tot de balans hersteld is.
Waarom absorberen stikstof en zuurstof, samen 99 % van de lucht, geen infrarood? Een molecuul kan alleen infrarood opnemen als zijn trilling de ladingsverdeling verandert. Moleculen van twee gelijke atomen (N₂, O₂) zijn symmetrisch en kunnen dat niet. Moleculen met drie of meer atomen, zoals H₂O, CO₂, CH₄ en N₂O, wel.
De belangrijkste broeikasgassen
Hoe sterk een gas bijdraagt, hangt af van de concentratie, hoe goed het infrarood absorbeert en hoe lang het in de lucht blijft. Om gassen te vergelijken, gebruikt men het aardopwarmingsvermogen (GWP, global warming potential): hoeveel een kilogram van het gas over 100 jaar opwarmt vergeleken met een kilogram CO₂.
| Gas | Vóór 1750 | Nu (ca. 2025) | GWP (100 jaar) | Verblijftijd | Belangrijkste menselijke bron |
|---|---|---|---|---|---|
| Waterdamp (H₂O) | variabel | variabel (0–4 %) | — | ca. 10 dagen | geen directe; versterkt als terugkoppeling |
| Koolstofdioxide (CO₂) | 280 ppm | ca. 425 ppm | 1 | eeuwen tot millennia (deels) | fossiele brandstoffen, cement, ontbossing |
| Methaan (CH₄) | 0,72 ppm | ca. 1,9 ppm | ca. 27–30 | ca. 12 jaar | veeteelt, rijstbouw, gaslekken, stortplaatsen |
| Lachgas (N₂O) | 0,27 ppm | ca. 0,34 ppm | ca. 270 | ca. 110 jaar | kunstmest, mest |
| Fluorgassen (cfk’s, hfk’s, SF₆) | 0 | sporen (ppt) | honderden tot ca. 25 000 | jaren tot millennia | koelmiddelen, isolatie in hoogspanning |
Van het natuurlijke broeikaseffect komt ongeveer de helft door waterdamp, een kwart door wolken en ongeveer een vijfde door CO₂; de rest door andere gassen. Toch is CO₂ de hoofdrolspeler in de versterking. Waterdamp volgt namelijk de temperatuur: extra waterdamp regent binnen ongeveer tien dagen uit, maar warmere lucht kan meer vocht bevatten. CO₂ blijft wél hangen en bepaalt zo hoe warm het wordt; waterdamp versterkt dat vervolgens.
Rekenvoorbeeld GWP. Een melkkoe stoot per jaar ongeveer 120 kg methaan uit. Met een GWP van 28 komt dat overeen met 120 × 28 ≈ 3 400 kg CO₂-equivalent, vergelijkbaar met de uitstoot van een benzineauto die zo’n 20 000 km rijdt. Methaan blijft wel veel korter in de lucht dan CO₂: na een paar decennia is het grotendeels afgebroken, terwijl een deel van de CO₂ duizenden jaren blijft.
Het versterkte broeikaseffect
Sinds ongeveer 1750 is de CO₂-concentratie gestegen van 280 naar ruim 420 ppm, een toename van meer dan 50 %. Dat de extra CO₂ van fossiele brandstoffen komt, weten we onder andere uit de isotopen: fossiele koolstof bevat geen koolstof-14 en relatief weinig koolstof-13, en precies die ‘vingerafdruk’ is in de atmosfeer terug te zien. Sinds 1958 wordt de concentratie continu gemeten op de vulkaan Mauna Loa (Hawaï): de beroemde Keelingcurve, met een jaarlijkse zaagtand door de groei en het afsterven van planten op het noordelijk halfrond (zie de koolstofcyclus).
Het effect van extra gas druk je uit als stralingsforcering: de verandering in de energiebalans in W/m². Voor CO₂ geldt bij benadering:
- ΔF
- stralingsforcering, in W/m²
- C, C₀
- huidige en oorspronkelijke CO₂-concentratie, in ppm
Van 280 naar 420 ppm geeft ΔF = 5,35 × ln(1,5) ≈ 2,2 W/m². Een verdubbeling naar 560 ppm geeft 5,35 × ln 2 ≈ 3,7 W/m². Het logaritmische verband betekent dat elke extra ppm iets minder doet dan de vorige, maar omdat de uitstoot blijft stijgen, neemt de forcering toch steeds toe. Methaan, lachgas en fluorgassen voegen samen ongeveer 1 W/m² toe; fijnstof (aerosolen) koelt juist ongeveer 1 W/m² af door zonlicht te weerkaatsen.
Ter vergelijking: 2 W/m² lijkt weinig naast de 240 W/m² van de zon. Maar het gaat over het hele aardoppervlak, dag en nacht, jaar in jaar uit. Op dit moment neemt de aarde ongeveer 1 W/m² meer op dan ze uitstraalt. Het grootste deel (ruim 90 %) van die extra energie gaat de oceaan in. De wereldgemiddelde temperatuur ligt nu ruim 1,2 °C boven het pre-industriële niveau.
Terugkoppelingen: versterkend en afzwakkend
Een verdubbeling van CO₂ zou zonder enige terugkoppeling ongeveer 1,2 °C opwarming geven. Maar het klimaatsysteem reageert, en die reacties versterken of verzwakken de opwarming:
| Terugkoppeling | Werking | Effect |
|---|---|---|
| Waterdamp | warmere lucht bevat ca. 7 % meer waterdamp per °C, wat extra broeikaseffect geeft | sterk versterkend |
| IJs-albedo | smeltend ijs en sneeuw maken plaats voor donkere zee en grond, die meer zonlicht absorberen | versterkend |
| Wolken | lage wolken koelen (weerkaatsen zonlicht), hoge wolken warmen (houden infrarood vast); netto verandering | waarschijnlijk licht versterkend, grootste onzekerheid |
| Koolstofcyclus en permafrost | warmere oceanen nemen minder CO₂ op; ontdooiende permafrost geeft CO₂ en methaan vrij | versterkend |
| Planck-reactie | een warmere aarde straalt meer uit (σT⁴) | sterk afzwakkend: de basis van stabiliteit |
| Temperatuurgradiënt | de hogere atmosfeer warmt sneller op en straalt daardoor meer uit | afzwakkend |
Alles bij elkaar komt de klimaatgevoeligheid, de opwarming bij een verdubbeling van CO₂ na het instellen van een nieuw evenwicht, volgens het IPCC (2021) zeer waarschijnlijk tussen 2 en 5 °C, met 3 °C als beste schatting. Terugkoppelingen verdrievoudigen dus ruwweg het directe effect.
Hoe sterk het broeikaseffect kan zijn, laat Venus zien. Die planeet heeft een atmosfeer van 96 % CO₂ met een druk van ongeveer 90 keer die op aarde. Het oppervlak is ongeveer 465 °C, heter dan dat van Mercurius, hoewel Venus bijna twee keer zo ver van de zon staat (zie planeten van het zonnestelsel).
Ontdekking
Joseph Fourier vermoedde in 1824 al dat de atmosfeer de aarde warm houdt. John Tyndall mat rond 1859 in het laboratorium dat waterdamp en CO₂ warmtestraling absorberen, maar stikstof en zuurstof niet. De Zweedse scheikundige Svante Arrhenius berekende in 1896 als eerste hoeveel warmer de aarde zou worden bij een verdubbeling van CO₂; zijn schatting van 5 à 6 °C was aan de hoge kant, maar de redenering klopte. Dat CO₂-schommelingen ook in het verleden samengingen met temperatuurwisselingen, blijkt uit luchtbelletjes in ijskernen die honderdduizenden jaren teruggaan, door de ijstijden heen.
Veelgestelde vragen
Wat is het broeikaseffect in het kort?
Het broeikaseffect is de opwarming van het aardoppervlak doordat broeikasgassen zoals waterdamp, CO₂ en methaan de infrarode warmtestraling van de aarde absorberen en deels terugstralen naar de grond. Zonder dit effect zou de gemiddelde temperatuur −18 °C zijn in plaats van +15 °C.
Wat is het verschil tussen het natuurlijke en het versterkte broeikaseffect?
Het natuurlijke broeikaseffect komt door de broeikasgassen die van nature in de atmosfeer zitten en houdt de aarde 33 °C warmer. Het versterkte broeikaseffect is de extra opwarming doordat de mens sinds 1750 vooral CO₂, methaan en lachgas toevoegt, met name door fossiele brandstoffen, landbouw en ontbossing.
Welke gassen zijn broeikasgassen?
De belangrijkste zijn waterdamp, koolstofdioxide (CO₂), methaan (CH₄), lachgas (N₂O), ozon en fluorgassen zoals cfk’s en SF₆. Stikstof en zuurstof, samen 99 % van de lucht, zijn geen broeikasgassen omdat ze geen infrarode straling absorberen.
Waarom is methaan een sterker broeikasgas dan CO₂?
Een kilogram methaan absorbeert veel meer infrarode straling dan een kilogram CO₂. Over 100 jaar gerekend warmt methaan ongeveer 27 tot 30 keer zo sterk op (de GWP). Methaan wordt wel binnen ongeveer 12 jaar afgebroken, terwijl een deel van de CO₂ duizenden jaren in de lucht blijft.
Hoe warm zou de aarde zijn zonder broeikaseffect?
Ongeveer −18 °C (255 K). Dat volgt uit de stralingsbalans: de aarde neemt gemiddeld 240 W/m² zonne-energie op en een oppervlak dat evenveel uitstraalt, heeft volgens de wet van Stefan-Boltzmann een temperatuur van 255 K. De werkelijke gemiddelde temperatuur is ongeveer +15 °C.
Wat is een terugkoppeling in het klimaat?
Een terugkoppeling is een reactie van het klimaatsysteem die een opwarming versterkt of afzwakt. Voorbeelden van versterkende terugkoppelingen zijn extra waterdamp in warmere lucht en smeltend ijs dat minder zonlicht weerkaatst. De belangrijkste afzwakkende terugkoppeling is dat een warmere aarde meer straling uitzendt.