Broeikaseffect

Het broeikaseffect treedt op wanneer broeikasgassen in de atmosfeer van een planeet ervoor zorgen dat de planeet geen warmte verliest aan de ruimte, waardoor de oppervlaktetemperatuur stijgt. Oppervlakteverwarming kan plaatsvinden door een interne warmtebron, zoals in het geval van Jupiter, of door zijn gastheerster, zoals in het geval van de aarde. In het geval van de aarde zendt de zon kortegolfstraling (zonlicht) uit die door broeikasgassen gaat om het aardoppervlak te verwarmen. Als reactie hierop zendt het aardoppervlak langgolvige straling uit die grotendeels wordt geabsorbeerd door broeikasgassen. De absorptie van langegolfstraling verhindert dat deze de ruimte bereikt, waardoor de snelheid waarmee de aarde kan afkoelen afneemt.

Afbeelding-1

Afbeelding-2

1: Een diagram dat laat zien hoe fossiele brandstoffen tot klimaatverandering leiden zonder complicaties zoals gereflecteerd licht of een completer
beeld van het energiebudget van de aarde. Dit diagram is een vereenvoudigde weergave van afbeeldingen zoals het broeikaseffect van de aarde

2: Energie stroomt van de zon naar beneden en van de aarde en haar atmosfeer naar boven. Wanneer broeikasgassen de straling absorberen die
door het aardoppervlak wordt uitgezonden, voorkomen ze dat die straling de ruimte in ontsnapt, waardoor de oppervlaktetemperatuur met
ongeveer 33 ° C stijgt.

Zonder het broeikaseffect zou de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de aarde zo koud zijn als -18 °C. Dit is natuurlijk veel minder dan het
20e-eeuwse gemiddelde van ongeveer 14 °C. Naast de natuurlijk aanwezige broeikasgassen heeft de verbranding van fossiele brandstoffen geleid
tot grotere hoeveelheden kooldioxide en methaan in de atmosfeer. Als gevolg daarvan heeft zich sinds de industriële revolutie een opwarming van
de aarde met ongeveer 1,2 °C voorgedaan, waarbij de gemiddelde oppervlaktetemperatuur sinds 1981 met een snelheid van 0,18 °C per
decennium is gestegen.

Alle objecten met een temperatuur boven het absolute nulpunt zenden warmtestraling uit. De golflengten van de thermische straling die door de zon en de aarde worden uitgezonden, verschillen omdat hun oppervlaktetemperaturen verschillend zijn. De zon heeft een oppervlaktetemperatuur van 5.500 °C. dus zendt hij het grootste deel van zijn energie uit als kortegolfstraling in nabij-infrarode en zichtbare golflengten (als zonlicht). Daarentegen heeft het aardoppervlak een veel lagere temperatuur, waardoor het langegolfstraling uitzendt op midden- en ver-infrarode golflengten.Een gas is een broeikasgas als het langegolfstraling absorbeert. De atmosfeer van de aarde absorbeert slechts 23% van de binnenkomende kortegolfstraling, maar absorbeert 90% van de langegolfstraling die door het oppervlak wordt uitgezonden, waardoor energie
wordt geaccumuleerd en het aardoppervlak wordt opgewarmd.

Het bestaan van het broeikaseffect, hoewel niet als zodanig genoemd, werd al in 1824 voorgesteld door Joseph Fourier. Het argument en het bewijsmateriaal werden verder versterkt door Claude Pouillet in 1827 en 1838. In 1856 toonde Eunice Newton Foote aan dat het opwarmende
effect van de zon groter is voor lucht met waterdamp dan voor droge lucht, en dat het effect zelfs nog groter is met kooldioxide. De term broeikas werd voor het eerst op dit fenomeen toegepast door Nils Gustaf Ekholm in 1901.

Definitie

Het broeikaseffect op aarde wordt gedefinieerd als: Het infraroodstralingseffect van alle infraroodabsorberende bestanddelen in de atmosfeer. Broeikasgassen (BKG's), wolken en sommige aerosolen absorberen aardse straling die wordt uitgezonden door het aardoppervlak en elders in de atmosfeer.

Het versterkte broeikaseffect beschrijft het feit dat door het verhogen van de concentratie van broeikasgassen in de atmosfeer (als gevolg van menselijk handelen), het natuurlijke broeikaseffect wordt vergroot.

Terminologie

De term broeikaseffect komt van een analogie met kassen. Zowel kassen als het broeikaseffect werken door warmte uit zonlicht vast te houden, maar de manier waarop ze warmte vasthouden verschilt. Kassen houden de warmte voornamelijk vast door convectie (de beweging van lucht) te blokkeren. Het broeikaseffect houdt daarentegen de warmte vast door de stralingsoverdracht door de lucht te beperken en de snelheid waarmee thermische straling de ruimte in wordt gestuurd te verminderen.

Geschiedenis en onderzoek

Het bestaan van het broeikaseffect, hoewel niet als zodanig genoemd, werd al in 1824 voorgesteld door Joseph Fourier. Het argument en het bewijsmateriaal werden verder versterkt door Claude Pouillet in 1827 en 1838. In 1856 toonde Eunice Newton Foote aan dat het opwarmende
effect van de zon groter is voor lucht met waterdamp dan voor droge lucht, en dat het effect zelfs nog groter is met kooldioxide. Ze concludeerde dat een atmosfeer van dat gas onze aarde een hoge temperatuur zou geven.

Afbeelding-3

Afbeelding-4

3: Eunice Newton Foote erkende in 1856 het warmtevangende effect van koolstofdioxide en besefte de gevolgen ervan voor de planeet.

4: Het broeikaseffect en de impact ervan op het klimaat werden beknopt beschreven in dit Popular Mechanics-artikel uit 1912, dat toegankelijk
was voor het grote publiek.

John Tyndall was de eerste die de infraroodabsorptie en emissie van verschillende gassen en dampen mat. Vanaf 1859 toonde hij aan dat het effect te wijten was aan een zeer klein deel van de atmosfeer, waarbij de belangrijkste gassen geen effect hadden, en grotendeels aan waterdamp, hoewel kleine percentages koolwaterstoffen en kooldioxide een significant effect hadden. Het effect werd vollediger gekwantificeerd door Svante Arrhenius
in 1896, die de eerste kwantitatieve voorspelling deed van de opwarming van de aarde als gevolg van een hypothetische verdubbeling van de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer.

In 1896 gebruikte Svante Arrhenius Langley's waarnemingen van verhoogde infraroodabsorptie waarbij maanstralen onder een lage hoek door de atmosfeer gaan en meer koolstofdioxide (CO2) tegenkomen, om een atmosferisch afkoelingseffect te schatten van een toekomstige afname van CO2. Hij realiseerde zich dat de koelere atmosfeer minder waterdamp (een ander broeikasgas) zou bevatten en berekende het extra koeleffect.
Hij realiseerde zich ook dat de afkoeling de sneeuw- en ijsbedekking op hoge breedtegraden zou vergroten, waardoor de planeet meer zonlicht zou reflecteren en dus afkoelde, zoals James Croll had verondersteld. Over het geheel genomen berekende Arrhenius dat het halveren van de CO2-uitstoot voldoende zou zijn om een ijstijd te veroorzaken. Hij berekende verder dat een verdubbeling van de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer een totale opwarming van 5 à 6 graden Celsius zou opleveren.

Metingen

Materie zendt thermische straling uit met een snelheid die recht evenredig is met de vierde macht van zijn temperatuur. Een deel van de straling die door het aardoppervlak wordt uitgezonden, wordt geabsorbeerd door broeikasgassen en wolken. Zonder deze absorptie zou het aardoppervlak
een gemiddelde temperatuur hebben van −18 °C. Omdat een deel van de straling echter wordt geabsorbeerd, bedraagt de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de aarde ongeveer 15 °C. Het broeikaseffect van de aarde kan dus worden gemeten als een temperatuurverandering van 33 °C.

Thermische straling wordt gekenmerkt door de hoeveelheid energie die deze met zich meedraagt, meestal in watt per vierkante meter (W/m2). Wetenschappers meten het broeikaseffect ook op basis van hoeveel meer langegolfstraling het aardoppervlak verlaat dan de ruimte bereikt.Momenteel verlaat langegolfstraling het oppervlak met een bepaalde snelheid. gemiddeld vermogen van 398 W/m2, maar slechts 239 W/m2 bereikt de ruimte. Het broeikaseffect van de aarde kan dus ook worden gemeten als een verandering in de energiestroom van 159 W/m2. Het broeikaseffect kan worden uitgedrukt als een fractie (0,40) of een percentage (40%) van de langegolf thermische straling die het aardoppervlak verlaat maar de ruimte niet bereikt.

Of het broeikaseffect nu wordt uitgedrukt als een verandering in temperatuur of als een verandering in langegolf thermische straling, hetzelfde effect wordt gemeten.

Rol in klimaatverandering

Het versterken van het broeikaseffect door extra broeikasgassen door menselijke activiteiten staat bekend als het versterkte broeikaseffect.
Dit wordt niet alleen afgeleid uit metingen door ARGO, CERES en andere instrumenten gedurende de 21e eeuw, deze toename van de stralingsforcering als gevolg van menselijke activiteit is rechtstreeks waargenomen en is voornamelijk toe te schrijven aan de verhoogde kooldioxideniveaus in de atmosfeer.

Afbeelding-5

Afbeelding-6

5: De mate waarin de aarde opwarmt (grafiek) is het resultaat van factoren zoals het versterkte broeikaseffect.

6: De Keeling Curve van de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer

CO2 wordt geproduceerd door de verbranding van fossiele brandstoffen en andere activiteiten zoals de productie van cement en tropische ontbossing. Metingen van CO2 door het Mauna Loa Observatorium laten zien dat de concentraties zijn gestegen van ongeveer 313 delen per miljoen (ppm) in 1960, en in 2013 de mijlpaal van 400 ppm hebben overschreden. De huidige waargenomen hoeveelheid CO2 overschrijdt de geologische recordmaxima (≈300 ppm) uit ijskerngegevens.

Uit gegevens over de ijskernen blijkt dat de afgelopen 800.000 jaar de kooldioxide varieert van waarden zo laag als 180 ppm tot het pre-industriële niveau van 270 ppm. Paleoklimatologen beschouwen variaties in de kooldioxideconcentratie als een fundamentele factor die de klimaatvariaties op deze tijdschaal beïnvloedt.

Energiebalans en temperatuur

Inkomende kortegolfstraling

Hetere materie zendt kortere golflengten van straling uit. Als gevolg hiervan zendt de zon kortegolfstraling uit als zonlicht, terwijl de aarde en haar atmosfeer langegolfstraling uitzenden. Zonlicht omvat ultraviolet, zichtbaar licht en nabij-infraroodstraling.

Zonlicht wordt gereflecteerd en geabsorbeerd door de aarde en haar atmosfeer. De atmosfeer en de wolken reflecteren ongeveer 23% en absorberen 23%. Het oppervlak reflecteert 7% en absorbeert 48%. In totaal reflecteert de aarde ongeveer 30% van het binnenkomende zonlicht
en absorbeert de rest (240 W/m2).

Afbeelding-7

Afbeelding-8

7: Het zonnestralingsspectrum voor direct licht, zowel aan de bovenkant van de aardse atmosfeer als op zeeniveau

8: Het broeikaseffect is een vermindering van de flux van uitgaande langegolfstraling, die de stralingsbalans van de planeet beïnvloedt.
Het spectrum van uitgaande straling laat de effecten van verschillende broeikasgassen zien.

Uitgaande langegolfstraling

Het broeikaseffect is een vermindering van de flux van uitgaande langegolfstraling, die de stralingsbalans van de planeet beïnvloedt. Het spectrum
van uitgaande straling laat de effecten van verschillende broeikasgassen zien

De aarde en haar atmosfeer zenden langegolfstraling uit, ook bekend als thermische infraroodstraling of aardstraling. Informeel wordt langegolf-straling ook wel thermische straling genoemd. Uitgaande langegolfstraling (OLR) is de straling van de aarde en haar atmosfeer die door de atmosfeer de ruimte in gaat.

Het broeikaseffect is direct te zien in grafieken van de uitgaande langegolfstraling van de aarde als functie van de frequentie (of golflengte).
Het gebied tussen de curve voor langgolvige straling uitgezonden door het aardoppervlak en de curve voor uitgaande langgolvige straling geeft de omvang van het broeikaseffect aan.

Verschillende stoffen zijn verantwoordelijk voor het verminderen van de stralingsenergie die de ruimte bereikt op verschillende frequenties,
bij sommige frequenties spelen meerdere stoffen een rol. Er wordt aangenomen dat koolstofdioxide verantwoordelijk is voor de daling van de uitgaande straling (en de daarmee samenhangende toename van het broeikaseffect) bij ongeveer 667 cm−1 (equivalent aan een golflengte van 15 micron).

Elke laag van de atmosfeer met broeikasgassen absorbeert een deel van de langegolfstraling die vanuit lagere lagen naar boven wordt uitgestraald. Het zendt ook langegolfstraling uit in alle richtingen, zowel naar boven als naar beneden, in evenwicht met de hoeveelheid die het heeft geabsorbeerd. Dit resulteert in minder stralingswarmteverlies en meer warmte beneden. Het verhogen van de concentratie van de gassen verhoogt de hoeveelheid absorptie en emissie, waardoor er meer warmte wordt vastgehouden aan het oppervlak en in de onderliggende lagen.

Effectieve temperatuur

De kracht van de uitgaande langgolvige straling die door een planeet wordt uitgezonden, komt overeen met de effectieve temperatuur van de planeet. De effectieve temperatuur is de temperatuur die een planeet die met een uniforme temperatuur uitstraalt (een zwart lichaam) nodig zou hebben om dezelfde hoeveelheid energie uit te stralen.

Dit concept kan worden gebruikt om de hoeveelheid langgolvige straling die naar de ruimte wordt uitgezonden te vergelijken met de hoeveelheid langgolvige straling die door het oppervlak wordt uitgezonden:

- Emissies naar de ruimte: Gebaseerd op de emissies van langgolvige straling naar de
ruimte, bedraagt de algehele effectieve temperatuur van de aarde −18 °C.

- Emissies van het oppervlak: Gebaseerd op thermische emissies van het oppervlak,
bedraagt de effectieve oppervlaktetemperatuur van de aarde ongeveer 16 °C,
wat 34 °C warmer is dan de algehele effectieve temperatuur van de aarde

De oppervlaktetemperatuur van de aarde wordt vaak gerapporteerd in termen van de gemiddelde luchttemperatuur nabij het oppervlak. Dit is ongeveer 15 °C, iets lager dan de effectieve oppervlaktetemperatuur. Deze waarde is 33 °C warmer dan de algehele
effectieve temperatuur van de aarde.

De temperatuur die nodig is om een bepaalde
hoeveelheid thermische straling uit te zenden

Energiestroom

Energieflux is de snelheid van de energiestroom per oppervlakte-eenheid. De energiestroom wordt uitgedrukt in eenheden van W/m2, het aantal
joule aan energie dat per seconde door een vierkante meter gaat. De meeste fluxen die worden aangehaald in klimaatdiscussies op hoog niveau zijn mondiale waarden, wat betekent dat ze de totale energiestroom over de hele aardbol vertegenwoordigen, gedeeld door de oppervlakte van de aarde, 5,1 x 1014 m2 (5,1 x 108 km2; 2,0 × 108 vierkante mijl).

De stralingsstromen die de aarde bereiken en verlaten zijn belangrijk omdat stralingsoverdracht het enige proces is dat in staat is energie uit te wisselen tussen de aarde en de rest van het universum.

Stralingsevenwicht

De temperatuur van een planeet hangt af van de balans tussen inkomende en uitgaande straling. Als de inkomende straling groter is dan de uitgaande straling, zal een planeet warm zijn. Als de uitgaande straling groter is dan de binnenkomende straling, zal een planeet afkoelen. Een planeet zal neigen naar een toestand van stralingsevenwicht, waarin de kracht van uitgaande straling gelijk is aan de kracht van geabsorbeerde inkomende straling.

De energie-onevenwichtigheid van de aarde is de mate waarin de kracht van binnenkomend zonlicht dat door het aardoppervlak of de atmosfeer wordt geabsorbeerd, groter is dan de kracht van uitgaande langegolfstraling die naar de ruimte wordt uitgezonden. Energie-onbalans is de fundamentele maatstaf die de oppervlaktetemperatuur bepaalt.

De energie-onbalans op aarde bedroeg rond 2015 ongeveer 0,7 W/m2, wat aangeeft dat de aarde als geheel thermische energie aan het accumuleren is en bezig is warmer te worden.

Meer dan 90% van de vastgehouden energie gaat naar het opwarmen van de oceanen, terwijl veel kleinere hoeveelheden naar het verwarmen van het land, de atmosfeer en het ijs gaan.

Dag- en nachtcyclus

Een eenvoudig beeld gaat uit van een stabiele toestand, maar in de echte wereld zijn de dag/nacht-cyclus (dagelijks), evenals de seizoenscyclus en weersverstoringen, ingewikkelde zaken. Zonneverwarming is alleen overdag van toepassing. 's Nachts koelt de atmosfeer enigszins af, maar niet
erg omdat de thermische traagheid van het klimaatsysteem zowel overdag als 's nachts weerstand biedt, en ook gedurende langere perioden.
De dagelijkse temperatuurveranderingen nemen af met de hoogte in de atmosfeer.

Vergelijking van de opwaartse stroom van langgolvige straling op aarde in werkelijkheid en in een hypothetisch scenario waarin broeikasgassen en wolken worden verwijderd of hun vermogen verliezen om langgolvige straling te absorberen - zonder het albedo van de aarde (dat wil zeggen reflectie/absorptie van zonlicht) te veranderen. Boven toont het evenwicht tussen de opwarming en afkoeling van de aarde, gemeten aan de bovenkant van de atmosfeer (TOA).

- Paneel (a) toont de werkelijke situatie met een actief broeikaseffect.

- Paneel (b) toont de situatie onmiddellijk nadat de absorptie stopt; alle door het oppervlak uitgezonden langegolfstraling zou de ruimte bereiken,
er zou meer afkoeling zijn (via langegolfstraling die naar de ruimte wordt uitgezonden) dan opwarming (door zonlicht). Deze onbalans zou tot een
snelle temperatuurdaling leiden.

- Paneel (c) toont de uiteindelijke stabiele stabiele toestand, nadat het oppervlak voldoende is afgekoeld om slechts voldoende langgolvige straling
uit te zenden om de energiestroom van geabsorbeerd zonlicht te evenaren.

Effect van vervalpercentage

In het onderste deel van de atmosfeer, de troposfeer, neemt de luchttemperatuur af of "vervalt met toenemende hoogte. De snelheid waarmee de temperatuur verandert met de hoogte wordt het verlooppercentage genoemd.

Op aarde daalt de luchttemperatuur gemiddeld met ongeveer 6,5 ° C / km hoewel dit varieert.

Het temperatuurverloop wordt veroorzaakt door convectie. Lucht opgewarmd door het oppervlak stijgt. Terwijl het stijgt, zet de lucht uit en koelt af. Tegelijkertijd daalt andere lucht, wordt samengedrukt en warmt op. Dit proces creëert een verticale temperatuurgradiënt in de atmosfeer.

Deze verticale temperatuurgradiënt is essentieel voor het broeikaseffect. Als de vervalsnelheid nul was zodat de atmosferische temperatuur niet varieerde met de hoogte en hetzelfde was als de oppervlaktetemperatuur, dan zou er geen broeikaseffect zijn dat wil zeggen, de waarde ervan zou nul zijn.

Emissietemperatuur en hoogte

De temperatuur waarbij thermische straling werd uitgezonden, kan worden bepaald door de intensiteit bij een bepaald golfgetal te vergelijken met
de intensiteit van een emissiecurve van een zwart lichaam. In de grafiek variëren de emissietemperaturen tussen Tmin en Ts. Het golfgetal is de frequentie gedeeld door de lichtsnelheid.

Broeikasgassen maken de atmosfeer nabij het aardoppervlak grotendeels ondoorzichtig voor langegolfstraling. De atmosfeer wordt pas transparant voor langgolvige straling op grotere hoogten, waar de lucht minder dicht is, er minder waterdamp is en de verminderde drukverbreding van de absorptielijnen de golflengten beperkt die gasmoleculen kunnen absorberen.

Voor elke gegeven golflengte wordt de langgolvige straling die de ruimte bereikt, uitgezonden door een bepaalde stralingslaag van de atmosfeer.
De intensiteit van de uitgezonden straling wordt bepaald door de gewogen gemiddelde luchttemperatuur binnen die laag. Voor elke gegeven
golflengte van straling die in de ruimte wordt uitgezonden, is er dus een bijbehorende effectieve emissietemperatuur of helderheidstemperatuur.

Er kan ook worden gezegd dat een gegeven stralingsgolflengte een effectieve emissiehoogte heeft, die een gewogen gemiddelde is van de hoogten binnen de stralingslaag.

De effectieve emissietemperatuur en hoogte variëren per golflengte of frequentie. Dit fenomeen kan worden waargenomen door grafieken van
de in de ruimte uitgezonden straling te onderzoeken.

Afbeelding-9

9:De temperatuur waarbij thermische straling werd uitgezonden,
   kan worden bepaald door de intensiteit bij een bepaald golfgetal te
   vergelijken met de intensiteit van een emissiecurve van een zwart
   lichaam. In de grafiek liggen de emissietemperaturen tussen Tmin en
Ts. "Golfgetal" is de frequentie gedeeld door de lichtsnelheid).

10: Broeikasgassen (BKG's) in dichte lucht nabij het oppervlak
      absorberen het grootste deel van de langegolfstraling die door het
      warme oppervlak wordt uitgezonden. Broeikasgassen in de schaarse
      lucht op grotere hoogte – koeler vanwege de snelheid waarmee het
      milieu verstrijkt – zenden langgolvige straling in een lager tempo de
      ruimte in dan de emissies aan het oppervlak.

Afbeelding-10

Broeikasgassen en het vervalpercentage

Broeikasgassen (BKG's) in dichte lucht nabij het oppervlak absorberen het grootste deel van de langegolfstraling die door het warme oppervlak
wordt uitgezonden. Broeikasgassen in de schaarse lucht op grotere hoogte koeler vanwege de snelheid waarmee het milieu verstrijkt zenden langgolvige straling in een lager tempo de ruimte in dan de emissies aan het oppervlak.

Het aardoppervlak straalt langgolvige straling uit met golflengten in het bereik van 4–100 micron. Broeikasgassen die grotendeels transparant
waren voor inkomende zonnestraling, zijn voor sommige golflengten in dit bereik beter absorberend.

De atmosfeer nabij het aardoppervlak is grotendeels ondoorzichtig voor langegolfstraling en het meeste warmteverlies vanaf het oppervlak vindt plaats door verdamping en convectie. Het verlies aan stralingsenergie wordt echter steeds belangrijker hoger in de atmosfeer, grotendeels als gevolg van de afnemende concentratie van waterdamp, een belangrijk broeikasgas.

In plaats van te denken dat langgolvige straling die de ruimte in gaat, afkomstig is van het oppervlak zelf, is het realistischer om te denken dat deze uitgaande straling wordt uitgezonden door een laag in het midden van de troposfeer, die door een verloop van tijd effectief aan het oppervlak wordt gekoppeld. Het temperatuurverschil tussen deze twee locaties verklaart het verschil tussen emissies aan het oppervlak en emissies naar de ruimte, dat wil zeggen het verklaart het broeikaseffect.

Infraroodabsorberende bestanddelen in de atmosfeer

Een broeikasgas (BKG) is een gas dat bijdraagt aan het vasthouden van warmte door de stroom van langegolfstraling uit de atmosfeer van een planeet te belemmeren. Broeikasgassen dragen het grootste deel van het broeikaseffect bij aan het energiebudget van de aarde.

Infrarood actieve gassen

De meeste gassen waarvan de moleculen twee verschillende atomen hebben zoals koolmonoxide, CO, en alle gassen met drie of meer atomen (inclusief H2O en CO2), zijn infraroodactief en fungeren als broeikasgassen. Gassen met slechts één atoom zoals Argon, Ar of met twee identieke atomen(zoals Stikstof, N2, en zuurstof, O2 zijn niet infrarood actief. Ze zijn transparant voor langgolvige straling en absorberen of zenden om praktische redenen geen langgolvige straling uit. Dit komt omdat hun moleculen symmetrisch zijn en dus geen dipoolmoment hebben. Dergelijke gassen vormen meer dan 99% van de droge atmosfeer.

Absorptie en emissie

Broeikasgassen absorberen en zenden langegolfstraling uit binnen specifieke golflengtebereiken (georganiseerd als spectraallijnen of banden).

Wanneer broeikasgassen straling absorberen, distribueren ze de verkregen energie naar de omringende lucht als thermische energie. Energie wordt via moleculaire botsingen overgedragen van broeikasgasmoleculen naar andere moleculen.

In tegenstelling tot wat soms wordt gezegd, zenden broeikasgassen geen fotonen uit nadat ze zijn geabsorbeerd. Omdat elk molecuul miljarden botsingen per seconde ervaart, zal alle energie die een broeikasgasmolecuul ontvangt door het absorberen van een foton, opnieuw worden verdeeld over andere moleculen voordat er een kans bestaat dat een nieuw foton wordt uitgezonden.

In een apart proces zenden broeikasgassen langegolfstraling uit, met een snelheid die wordt bepaald door de luchttemperatuur. Deze thermische energie wordt geabsorbeerd door andere broeikasgasmoleculen of verlaat de atmosfeer, waardoor deze afkoelt.

Stralingseffecten

Effect op de lucht: Lucht wordt verwarmd door latente warmte (drijvende waterdamp die condenseert tot waterdruppels en warmte vrijgeeft), thermiek (warme lucht die van onderaf opstijgt) en door zonlicht dat in de atmosfeer wordt geabsorbeerd.

Langegolfabsorptiecoëfficiënten van waterdamp en
koolstofdioxide. Voor golflengten in de buurt van 15
micron op de hoogste schaal, waar het
aardoppervlak sterke straling uitzendt, absorbeert
CO2 veel sterker dan waterdamp.

Lucht wordt door straling gekoeld door broeikasgassen en wolken die langegolf thermische straling uitstralen. Binnen de troposfeer hebben broeikasgassen doorgaans een netto verkoelend effect op de lucht, waarbij ze meer thermische straling uitstoten dan ze absorberen. De opwarming en afkoeling van de lucht zijn gemiddeld goed in evenwicht, zodat de atmosfeer een min of meer stabiele gemiddelde temperatuur behoudt.

Effect op oppervlaktekoeling: Langegolfstraling stroomt zowel naar boven als naar beneden als gevolg van absorptie en emissie in de atmosfeer. Deze opheffende energiestromen verminderen de stralingskoeling van het oppervlak (netto opwaartse stralingsenergiestroom). Latent warmtetransport en thermiek zorgen voor niet-stralingskoeling van het oppervlak die deze vermindering gedeeltelijk compenseert, maar er is nog steeds een netto vermindering van de oppervlaktekoeling bij een gegeven oppervlaktetemperatuur.

Effect op de TOA-energiebalans: Broeikasgassen beïnvloeden het energiebudget van de top van de atmosfeer (TOA) door de flux van langgolvige straling die naar de ruimte wordt uitgezonden, bij een gegeven oppervlaktetemperatuur te verminderen. Gaskassen veranderen dus de energiebalans bij TOA. Dit betekent dat de oppervlaktetemperatuur hoger moet zijn (dan de effectieve temperatuur van de planeet, d.w.z. de temperatuur die gepaard gaat met emissies naar de ruimte), zodat de uitgaande energie die naar de ruimte wordt uitgezonden de binnenkomende energie uit zonlicht in evenwicht kan brengen. Het is belangrijk om ons te concentreren op het energiebudget aan de bovenkant van de atmosfeer (TOA) (in plaats van het energiebudget aan de oppervlakte) wanneer we redeneren over het opwarmingseffect van broeikasgassen.

Wolken en aërosolen

Wolken en aërosolen hebben zowel verkoelende effecten, geassocieerd met het reflecteren van zonlicht terug naar de ruimte, als opwarmende effecten, geassocieerd met het vasthouden van thermische straling.

Gemiddeld hebben wolken een sterk netto koelend effect. De mix van afkoelende en opwarmende effecten varieert echter, afhankelijk van de gedetailleerde kenmerken van bepaalde wolken (inclusief hun type, hoogte en optische eigenschappen). Dunne cirruswolken kunnen een netto opwarmend effect hebben. Wolken kunnen infraroodstraling absorberen en uitzenden en zo de stralingseigenschappen van de atmosfeer beïnvloeden.

Atmosferische aërosolen beïnvloeden het klimaat op aarde door de hoeveelheid inkomende zonnestraling en uitgaande aardse langegolfstraling te veranderen die in het aardsysteem wordt vastgehouden.

Dit gebeurt via verschillende verschillende mechanismen die zijn opgesplitst in direct, indirect en semi-direct aërosoleffecten. De klimaateffecten van aerosolen vormen de grootste bron van onzekerheid in toekomstige klimaatvoorspellingen. Het Intergouvernementeel Panel voor Klimaatverandering (IPCC) verklaarde in 2001:

Warmtestroom in de atmosfeer van de aarde, met (a) opwaartse
stralingswarmtestroom en opwaartse/neerwaartse stralingsstromen,
(b) opwaartse niet-stralingswarmtestroom (latente warmte en
thermiek), (c) de balans tussen atmosferische verwarming en koeling
bij elk hoogte, en (d) het temperatuurprofiel van de atmosfeer.

Hoewel de stralingsforcering als gevolg van broeikasgassen met een redelijk hoge mate van nauwkeurigheid kan worden bepaald... blijven de onzekerheden met betrekking tot de stralingsforcering in aerosolen groot en berusten ze voor een groot deel op de schattingen van mondiale modelleringsstudies die op dit moment moeilijk te verifiëren zijn. de huidige tijd

Verwante effecten op aarde

Negatief broeikaseffect

Wetenschappers hebben waargenomen dat er soms een negatief broeikaseffect is boven delen van Antarctica. Op een locatie waar een sterke temperatuurinversie is, zodat de lucht warmer is dan het oppervlak, is het mogelijk dat het broeikaseffect wordt omgekeerd, zodat de aanwezigheid van broeikasgassen de snelheid van stralingskoeling naar de ruimte verhoogt. In dit geval is de snelheid van thermische stralingsemissie naar de ruimte groter dan de snelheid waarmee thermische straling door het oppervlak wordt uitgezonden. De lokale waarde van het broeikaseffect is dus negatief.

Op hol geslagen broeikaseffect

De meeste wetenschappers geloven dat een op hol geslagen broeikaseffect op de lange termijn onvermijdelijk is, aangezien de zon geleidelijk helderder wordt naarmate hij ouder wordt, en het einde van al het leven op aarde zal betekenen. Aangezien de zon over ongeveer een miljard jaar 10% helderder wordt, zal de oppervlaktetemperatuur van de aarde 47 °C bereiken (tenzij het albedo voldoende wordt verhoogd), waardoor de temperatuur van de aarde snel zal stijgen en de oceanen zullen verdampen totdat het een broeikasplaneet wordt, vergelijkbaar met Venus vandaag de dag.

Bronnen: Wikipedia-nl, Wikipedia-en, Wikipedia-fr

Klimaat en klimaatverandering

Broeikaseffect