Kooldoixide en het klimaat

Inhoud
Startpagina
Kooldioxide en het klimaat
039–1
Kooldioxide en het klimaat
Inleiding
Kooldioxide (CO2) is een kleurloos, onbrandbaar en reukloos gas
met een zwak zure smaak dat van nature aanwezig is in de atmosfeer.
Hoewel de concentratie van dit sporegas laag is (circa 345 ppm in
1985), is het van groot belang voor het leven op aarde. Het is een
noodzakelijke voedingsstof voor planten en daardoor ook voor
mensen en dieren.
Kooldioxide speelt ook een belangrijke rol in de stralingsbalans van
de aarde; zonder kooldioxide zou de gemiddelde temperatuur op
aarde ongeveer 30 °C lager zijn dan nu het geval is.
Chemische en fysische eigenschappen
Structuurformule O = C = O
Relatieve molecuulmassa 44,01
Dichtheid (bij 0 °C en 101 kPa) 1,976 g/l
Sublimatiepunt (bij 101 kPa) –78,5 °C
Oplosbaar in water (onder gedeeltelijke vorming van het zwakke
zuur H2CO3. De pH-waarde van een verzadigde CO2-oplossing bij
kamertemperatuur en 101 kPa is 3,7.
Naast het normale stabiele koolstofisotoop met een massa van 12
komt in kooldioxide het radioactieve isotoop voor met een massa
van 14 en een halfwaardetijd van ca. 5568 jaar.
Vast kooldioxide is bekend onder de naam „droog ijs”.
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
039–2
Kooldioxide en het klimaat
De CO2-problematiek
De kern van de CO2-problematiek is gelegen in de afhankelijkheid
van de aardse stralingsbalans van het atmosferisch CO2-gehalte. Uit
metingen blijkt dat het CO2-gehalte van de atmosfeer stijgende is.
Nu leren modelberekeningen dat, wanneer het CO2-gehalte tot circa
600 ppm gestegen zal zijn, de gemiddelde temperatuur op aarde 2
tot 4 °C hoger zal zijn, waarbij de stijging aan de polen het hoogst
is (8 à 9 °C) en aan de evenaar het laagst. Als een dergelijke temperatuurverandering optreedt dan zal dit grote gevolgen hebben
voor het klimaat en daardoor ook voor een groot aantal maatschappelijke sectoren. De stijging van het CO2-gehalte wordt vooral toegeschreven aan de verbranding van fossiele brandstoffen.
Bij de volledige verbranding van fossiele brandstoffen ontstaan namelijk in hoofdzaak kooldioxide en water. De voorraden (in het bijzonder steenkool) zijn zeer groot, zodat bij een steeds voortdurende
afhankelijkheid van de wereldenergievoorziening van fossiele brandstoffen het atmosferische CO2-gehalte hoog kan worden met alle gevolgen van dien.
Aan de Zweedse onderzoeker Arrhenius komt de eer toe als één van
de eersten reeds in 1896 gewezen te hebben op het gevaar van klimaatveranderingen ten gevolge van het gebruik van fossiele brandstoffen. Betrouwbare metingen van het CO2-gehalte van de atmosfeer vinden pas plaats sinds 1957-1958 en eerst in de laatste tien
jaren is internationaal het onderzoek rond de CO2-problematiek
goed op gang gekomen. Hierna zal schetsmatig een aantal facetten
van de problematiek beschreven worden.
Het atmosferische CO2-gehalte en de mondiale koolstofkringloop
Geschat wordt dat in de periode van 1800 tot 1985 het atmosferische CO2-gehalte met ongeveer 25% is gestegen. De toeneming in de
atmosfeer is echter minder dan de helft van wat op basis van ontbossingen en fossiel brandstofverbruik mogelijk was. Een deel van
het vrijgekomen kooldioxide wordt kennelijk door andere koolstofreservoirs opgenomen.
De belangrijkste reservoirs die daarvoor in aanmerking komen zijn
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
Kooldioxide en het klimaat
039–3
de oceaan en de aardse biosfeer, inclusief de bodem. Tussen atmosfeer, oceaan en biosfeer bestaan vele en ingewikkelde uitwisselingssystemen voor kooldioxide. Deze uitwisselingssystemen moeten zeer
goed begrepen worden, wil men betrouwbare voorspellingen kunnen doen over het toekomstige CO2-gehalte van de atmosfeer. Een
groot deel van het onderzoek richt zich dan ook op de analyse en
beschrijving van de koolstofcyclus, waarin kooldioxide een belangrijke plaats inneemt. Een schematische voorstelling van de koolstofkringloop is in figuur 1 geschetst.
Tot 1973 nam de emissie van kooldioxide uit fossiele brandstoffen
jaarlijks met ongeveer 4,4% toe, daarna met een lager percentage en
sinds 1979 is de emissie betrekkelijk constant gebleven op circa 5000
miljoen ton koolstof per jaar. Vooral de sterk opgelopen energieprijzen en de daaruit resulterende vraagvermindering naar energie,
efficiënter energiegebruik etcetera, zijn daar debet aan. Het valt
moeilijk te voorspellen of in de toekomst de CO2-emissies uit fossiele brandstoffen weer zullen stijgen of niet. De meningen van de
deskundigen voor de hoogte van de emissie in 2025 lopen uiteen van
2000 miljoen tot 20.000 miljoen ton koolstof per jaar.
Het belangrijkste reservoir waarin kooldioxide wordt opgenomen is
de oceaan. De processen die zich daarbij afspelen worden sterk beïnvloed door oceaanstromen en door chemische en biologische factoren. Dit maakt het ontwikkelen van betrouwbare modellen, gebaseerd op meetgegevens nogal moeilijk. Het gevolg hiervan voor de
beschrijving van de koolstofcyclus is dan ook dat deze voorlopig
nog gekenmerkt wordt door onzekerheden.
Nog grotere onzekerheden bestaan ten aanzien van de uitwisseling
van kooldioxide tussen de atmosfeer en de biosfeer. De schattingen
over de bijdrage aan de CO2-emissies naar de atmosfeer door ontbossingen lopen uiteen van circa 500 miljoen ton koolstof per jaar
tot circa 2500 miljoen ton koolstof per jaar. Vrij algemeen wordt
erkend dat nader onderzoek naar de CO2-uitwisseling tussen atmosfeer en biosfeer urgent is.
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Startpagina
039–4
Kooldioxide en het klimaat
0869-051
stratosphere
~17-55 km
natural balance
CO2
photosynthesis
CO
CO2
CO, CH4
proposphere
~16 km
deforestation
and succession
CO2
fossil fuel
emissions
respiration
CO2
agricultural
conversion
CO2
CH4
CH4
CO, CH4
CO2
weathering
(CH2O)n
DIFFUSION
Inhoud
erosion
dead organic matter
mixed
layer
~75 m
Ca(HCO3)2
photosynthesis
organic C
Ca ++
H+ + –
(CH2 O)n + O2
2HCO3 = H2 O + CO2 + CO3=
buffer
s
t
n
effect
mixing
ime
CaCO3
sed
upwelling
ine
downwelling
r
a
respiration
deep
m
ocean
~3700 m
peat
deposition
coal
oil and
gas
Figuur 1.
(CH2O)n
decomposition
sedimentary rocks
igneous rocks
magma
Schematische voorstelling van de mondiale koolstofkringloop
(bron: ref. 2).
De klimaatverandering door kooldioxide
Kooldioxide in de atmosfeer laat het op de aarde invallende zonlicht
vrijwel ongehinderd passeren. De aarde verkeert in een stralingsevenwicht met haar omgeving doordat zij het geabsorbeerde zonlicht omzet in warmtestraling met langere golflengten, die ten dele
wel door kooldioxide wordt geabsorbeerd. Daardoor wordt de
dampkring als het ware van onderaf opgewarmd. De door het atmosferische kooldioxide geabsorbeerde straling wordt echter ook
weer uitgestraald, zowel naar boven als naar het aardoppervlak. Het
netto effect is dat de onderste lagen van de atmosfeer warmer worden en de bovenste kouder. Dit verschijnsel wordt het broeikaseffect
genoemd. Ook andere gassen als water, methaan, lachgas en gehalogeneerde koolwaterstoffen vertonen dit effect.
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
Kooldioxide en het klimaat
039–5
Verschillende typen modellen zijn door de klimatologen ontwikkeld
om modelmatig de klimaatverandering als functie van het CO2-gehalte te bestuderen. Het meest geavanceerd zijn de zogenaamde
driedimensionale algemene circulatiemodellen, waarbij met veel
processen in de dampkring rekening gehouden kan worden. Problematisch is nog wel hoe de wolken in de modellen zijn op te nemen.
Omdat de oceanen een grote invloed op het klimaat uitoefenen vanwege de opnamemogelijkheid van warmte en het transport daarvan,
wordt in het onderzoek ook veel aandacht gegeven aan het opnemen
van de oceaan in de algemene circulatiemodellen.
Hoewel er nog veel te verbeteren valt aan de modellen wijzen de
resultaten van de berekeningen in de richting van een sterkere opwarming aan de polen dan aan de evenaar, waarbij vooral in de
winters de temperatuurstijging veel hoger is dan in de zomer. De
temperatuurstijging zal in het Noordpoolgebied sterker zijn dan in
het Zuidpoolgebied. Vochtige warme lucht zal tot op hogere breedten doordringen zodat de neerslag aldaar toeneemt, maar in de zomer zullen de perioden van droogte verlengd worden. De modellen
geven wel globaal de mondiale klimaatverandering aan, maar tot
welke effecten dit aanleiding geeft in een bepaalde regio is daarmee
nog weinig zeker.
Mondiaal wordt een temperatuurstijging waargenomen die niet in
tegenspraak is met de resultaten van de modelberekeningen, maar
deze stijging valt nog in de natuurlijke variatie en het is nog niet
gelukt op ondubbelzinnige wijze aan te tonen dat de temperatuurstijging een direct gevolg is van de toename van het CO2-gehalte.
Veel onderzoek is er dan ook op gericht om het broeikaseffect direct
of indirect te meten. Gepoogd wordt dit te bereiken via stralingsmetingen van de aarde vanuit satellieten, analyses van zeeniveaustijgingen, reeksen klimaatgegevens (neerslag, temperatuur) en van
veranderingen in sneeuw en ijs (gletsjers).
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
039–6
Kooldioxide en het klimaat
De gevolgen van een door kooldioxide veroorzaakte
klimaatverandering
Omdat de klimaatveranderingen van regio tot regio zullen verschillen, zullen ook de gevolgen van regio tot regio verschillend zijn. Klimaatzones kunnen gaan verschuiven, waardoor sommige gebieden
betere mogelijkheden krijgen voor landbouw, maar ook kan een
verslechtering optreden in nu gunstige landbouwgebieden. In het algemeen kan verwacht worden dat een hoger CO2-gehalte van de atmosfeer groeibevorderend zal werken op planten, mits er voldoende
andere voedingsstoffen zijn.
Veranderingen in het klimaat zullen ook een verandering in het
neerslagpatroon met zich meebrengen. Voor Nederland is het niet
ondenkbaar (maar hierover bestaat nog weinig zekerheid) dat in het
winterhalfjaar meer neerslag zal optreden, maar in het zomerhalfjaar minder. Dit laatste zou kunnen dwingen tot een uitbreiding van
de waterreservoirs in Nederland.
Het meest opvallende gevolg van een klimaatverandering is wel de
stijging van het zeeniveau. De oorzaken daarvan zijn de verdere afsmelting van gletsjers en, zij het aanvankelijk in mindere mate, de
thermische uitzetting van water. Dit effect valt uit te drukken in een
stijging van enkele tientallen centimeters per eeuw. Voor laag gelegen gebieden als bijvoorbeeld Nederland zou dit kunnen betekenen
dat in de komende tientallen jaren grote aandacht geschonken moet
worden aan de kustverdediging. Een desastreus stijgen van de zeespiegel met nog eens circa 7 meter zal optreden wanneer een deel van
de Zuidpoolijskap losbreekt en op lagere breedten afsmelt. De kans
dat dit gebeurt wordt als klein beschouwd en verder zal het enkele
eeuwen duren voordat al dit ijs gesmolten is.
Directe gevolgen voor de gezondheid van de mens zijn door een hoger CO2-gehalte in de atmosfeer niet te verwachten, wel voor het
welzijn ten gevolge van klimaatveranderingen in bepaalde regio’s.
Hoewel er nog geen reden tot grote ongerustheid bestaat zou dat wel
eens kunnen veranderen wanneer op overtuigende wijze het CO2effect gemeten kan worden. Welke gevolgen dit zal hebben voor het
beleid ten aanzien van de energievoorziening van de mensheid is niet
te voorzien.
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
Kooldioxide en het klimaat
039–7
Andere sporegassen
Hiervoor is al aangegeven dat ook andere sporegassen dan kooldioxide een bijdrage leveren aan het broeikaseffect. Het is zeer waarschijnlijk dat nu al de som van de bijdragen van al deze sporegassen
even groot is als die van kooldioxide. Het grote verschil met kooldioxide is echter dat de emissies van deze sporegassen door technologische en wettelijke maatregelen drastisch teruggebracht kunnen
worden en dat veel van deze gassen dan betrekkelijk snel verdwijnen
uit de atmosfeer. CO2-emissies lijken veel moeilijker te reduceren te
zijn en kooldioxide heeft bovendien een zeer lange verblijftijd in de
atmosfeer.
Het beleid en de CO2-problematiek
De CO2-problematiek verkeert nog in de signaleringsfase. Voordat
een bepaald beleid gevormd kan worden zal eerst door onderzoek
dat internationaal gecoördineerd moet zijn, een groot aantal onzekerheden opgelost moeten worden. De CO2-problematiek zal vermoedelijk pas hoog op de politieke agenda geplaatst worden als het
CO2-signaal gemeten kan worden en de gevolgen onafwendbaar
duidelijk worden. Voor het beleid resteert dan niet veel anders meer
dan het volgen van een aanpassingsstrategie. Gehoopt mag worden
dat het niet zover komt en dat al eerder in internationaal verband
een strategie van voorkomen gevolgd gaat worden, waarbij dan met
name het energiebeleid doorslaggevend zal zijn.
Literatuur
–
–
De meest uitvoerige beschrijving van de CO2-problematiek in
de Nederlandse taal is tot nu toe het rapport van de Gezondheidsraad: „Deeladvies inzake CO2-problematiek”, verschenen
in februari 1983 te ’s-Gravenhage. Eind 1986, begin 1987 is het
tweede en laatste deeladvies te verwachten.
In mondiaal opzicht is de meest diepgaande en uitvoerige beschrijving van een deel van de CO2-problematiek te vinden in de
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996
Inhoud
Startpagina
039–8
Kooldioxide en het klimaat
vier „State-of-the-Art” boeken, die na een studie van acht jaar
door het Amerikaanse Department of Energy, Carbon Dioxide
Research Division, in december 1985 zijn uitgegeven:
• Detecting the Climatic Effects of Increasing Carbon Dioxide.
• The Potential Climatic Effects of Increasing Carbon Dioxide.
• Direct Effects of Increasing Carbon Dioxide on Vegetation.
• Atmospheric Carbon Dioxide and the Global Carbon Cycle.
juni 1986
Drs. P. G. Schipper
Studiecentrum voor Technologie en Beleid – TNO, Apeldoorn
Chemische feitelijkheden 1-80
Herdruk 1996