Een gastbijdrage van Hugo Matthijssen.
De hele wereld is in de ban van het broeikasgas CO2. De hoeveelheid CO2 is gestegen van 280 ppm voor de industriële revolutie tot 400 ppm nu (ppm staat hier voor het aantal deeltjes CO2 per miljoen delen lucht).
CO2 wordt gevormd door een chemische verbinding van koolstof en zuurstof. Dat kan door verbranding van vaste brandstoffen zoals hout, kolen, turf etc. maar ook door verbranding van koolwaterstoffen in gassen als methaan (aardgas) petroleum gas (butaan en propaan) en vloeibare brandstoffen o.a. uit aardolie.
Niet alleen komt er CO2 vrij door verbranding van brandstoffen maar er is ook sprake van biologische verbranding in ons lichaam. Wij nemen de koolstof op uit ons voedsel en verbranden dat samen met  de zuurstof uit de ingeademde lucht. Het gevolg is dat in onze uitademingslucht voornamelijk CO2 en waterdamp voorkomt. Alle mensen en dieren ademen dan ook CO2 uit door verbranding van hun voedsel.
In planten zie je het omgekeerde proces, Als planten groeien nemen die CO2 op en  samen met zonlicht, plantenvoeding en water maken planten o.a. weer koolstof en verbindingen daarvan.
Koolstof is dan ook een van de belangrijkste bouwstenen in de natuur.
Toename van CO2 in de atmosfeer geeft meer plantengroei, mits er ook voldoende plantenvoedsel, water en licht aanwezig zijn. Zo is er sprake van een natuurlijke CO2-kringloop.
Er zijn ook natuurlijke bronnen die CO2 in de atmosfeer brengen, waarvan de vulkanen de grootste genoemd kunnen worden, maar ook bosbranden etc.
CO2 is een broeikasgas en er is sprake van een CO2-kringloop. Zonder CO2 geen leven zoals we dat kennen. Er zijn geleerden die aangeven dat bij een hoeveelheid van ongeveer 220 tot 240 ppm de CO2-kringloop stopt en er dan geen leven op aarde, zoals wij dat nu kennen, meer mogelijk is.
Er zit nu ongeveer 400 ppm CO2 in de lucht. De toename van de afgelopen 140 jaar is 120 ppm. Een deel van deze toename is een direct gevolg van menselijke activiteiten, maar er is zeker ook sprake van een deel dat van een natuurlijke oorzaak afkomstig is. In dezelfde periode is de temperatuur toegenomen met ongeveer 0,7 graad Celsius.
Hoe werkt een broeikasgas?
De zon zendt energie uit in de vorm van licht en dat licht moet eerst door de dampkring heen om de aarde te bereiken. Op de oppervlakte van de aarde wordt het zonlicht omgezet in warmtestraling en gaat vervolgens weer richting ruimte vanaf grondniveau. Broeikasgassen nemen de energie op. Zij absorberen het infrarood en stralen de energie vrijwel gelijk weer in alle richtingen uit.
Zolang de instromende stralingsenergie van de zon gelijk is aan de uitgaande energie van de IR-uitstraling blijft de temperatuur gelijk.
Laten we eens kijken wat we kunnen vinden over broeikasgassen:
Het KNMI komt met deze tekst:
“Het broeikaseffect houdt de aarde van nature op temperatuur. Broeikasgassen, vooral waterdamp en kooldioxide, houden de warmte van de zon vast.
De zon verwarmt de aarde, de aarde straalt de warmte weer uit. Broeikasgassen houden de warmtestraling vast. Zonder dit natuurlijke broeikaseffect zou het gemiddeld over de wereld veel kouder zijn dan de huidige wereldgemiddelde temperatuur van ongeveer 15 graden.”
Lees je verder dan komt er een verhaaltje over de veranderingen die de mens heeft veroorzaakt in de atmosfeer en het beperken van de opwarming tot 2 graden.
Met deze tekst geeft het KNMI direct een aantal punten aan:
1e De broeikasgassen CO2 en waterdamp zijn de belangrijkste broeikasgassen.
2e De mens is verantwoordelijk voor de toename daarvan.
3e Door de uitstoot van CO2 te beperken zijn we in staat de opwarming van de aarde te beperken tot 2 graden Celsius.
De broeikaswerking van een broeikasgas in de praktijk is direct afhankelijk van de hoeveelheid van het gas in de atmosfeer en de broeikaswerking van het gas.
Als we naar hoeveelheden kijken dan hebben we afhankelijk ven de temperatuur en vochtigheidsgraad lokaal tussen de 10.000 ppm en 40.000 ppm H2O in de lucht, met CO2 komen we op 400 ppm. Er zijn naast waterdamp en CO2 nog veel meer broeikasgassen maar als we kijken naar de broeikaswerking op aarde dan is de invloed daarvan niet echt groot.
Alle componenten tezamen leveren een natuurlijk broeikaseffect op van 33ºC. Zonder broeikaswerking zou de aarde een koude bevroren bol zijn in de ruimte zonder enig leven. Kijken we naar de tekst van het KNMI dan zie je dat daar de broeikaswerking van waterdamp H2O en koolzuur CO2 op een lijn gezet worden en de vraag is of dat juist is.
“Van de 33° C temperatuurverhoging van de troposfeer als gevolg van het broeikaseffect komt ruwweg 21° C voor rekening van waterdamp. Waterdamp absorbeert sterk in de banden  2,4 – 3,1 µm, 4,5 – 6,5 µm en boven de 16 µm. Voor CO2 is de belangrijkste absorptieband gelegen bij 14 – 16 µm, maar er zijn ook absorptiebanden bij 2,6 µm en 4,2 µm. Daar waar in het infrarode spectrum waterdamp en CO2 niet werkzaam zijn als absorptiemedium, zoals in de nabijheid van 10 µm golflengte, ontsnapt langgolvige straling ongehinderd de ruimte in. Het gebied van 8,5 – 13 µm is het zogenaamde atmosferische venster.”
Bron hier.
Met andere woorden  H2O en CO2 werken beide in het infraroodspectrum op een ander golflengte gezien de dipoolovergang van H2O en CO2  is de broeikaswerking vrijwel gelijk zodat de hoeveelheid van het gas in de atmosfeer bepalend is voor de broeikaswerking.
In de praktijk is het dan ook onmogelijk dat 120 ppm CO2 toename van de afgelopen 140 jaar tot nu 400 ppm de verschrikkelijke opwarming zou veroorzaken als je daarnaast de werking van 10.000 tot 40.000 ppm H2O zet (afhankelijk van temperatuur en vochtigheidsgraad).
Kijken we naar de praktijk dan wordt dit beeld bevestigd. De hoeveelheid CO2 in de lucht vrijwel gelijk verdeeld, overal 400 ppm, terwijl de hoeveelheid waterdamp afhankelijk is van de temperatuur en vochtigheidsgraad zodat op de polen en in de woestijnen heel weinig waterdamp voorkomt.
Kijken we naar de dagelijks gang in de woestijn dan is de uitstraling in de nacht heel groot. De temperatuur daalt tot ruim onder 0 graden Celsius en overdag komen de temperaturen wel regelmatig boven de +50 graden uit. Zou de sterke broeikaswerking van CO2 in de praktijk aanwezig zijn dan zou in de woestijnen de uitstraling veel meer belemmerd worden.
In de gematigde gebieden met meer vocht in de vorm van waterdamp en druppels zie je dat in de nacht bij laaghangende bewolking de uitstraling voor een groot deel wordt tegen gehouden, waardoor de nachttemperatuur dicht bij de dagtemperatuur blijft. Bij heldere nachten met lage luchtvochtigheidsgraad is de uitstraling veel groter.
Concreet kun je stellen dat de invloed van CO2 veel geringer is dan die van waterdamp. Toch worden deze gassen door het KNMI in hun tekst als de voornaamste broeikasgassen genoemd. Dat motiveren ze met de theorie van de versterkende werking van waterdamp. Daarbij gaan ze er van uit dat een geringe temperatuurverhoging door de CO2-toename er voor zorgt dat er ook meer waterdamp in de atmosfeer komt en dat daardoor de grote opwarming zal plaats vinden. Uit het voorbeeld van de woestijn blijkt dat dat niet altijd juist is. Het is dan ook een onbewezen theorie.
Samenvattend:
CO2 en H2O zijn broeikasgassen met een werking in het infrarood spectrum in verschillende golflengtes de hoeveelheid CO2 is nu 400 ppm, de toename van de afgelopen 140 jaar is 120ppm.
Waterdamp komt afhankelijk van de luchtvochtigheidsgraad en temperatuur voor tussen ongeveer 10.000 ppm en 40.000 ppm. Waterdamp is dan ook het belangrijkste broeikasgas.
De opwarming van de aarde door CO2 wordt voornamelijk bepaald door het al of niet aanwezig zijn van de versterkende werking. De theorie is niet bewezen en een de minieme temperatuurstijging van het beetje waterdamp hoeft niet direct effect te hebben op de hoeveelheid vocht in de lucht. Kijk maar naar woestijnen en de polen.
Ook geven wetenschappers aan dat de band rond 15 µm bijna verzadigd is en verzadiging betekent dat de meeste straling op deze golflengte wordt ingevangen met de reeds aanwezige hoeveelheid gas in de lucht. Toename van de hoeveelheid CO2 zal dan ook minder van invloed zijn op de komende temperatuurontwikkeling.
Zie verder hier.
Tot zover het stralingsmodel waarin de broeikaswerking van waterdamp en koolzuurgas in beeld is gebracht.
Naast de broeikaswerking is de invloed van waterdamp in de atmosfeer op veel verschillende processen in de atmosfeer erg veelzijdig en is samen met de oceanen die direct van invloed op de warmtehuishouding, zoals convectie die boven de evenaar zo ongeveer het grootst is. Kijk maar naar de passaatwinden (wil je daar meer van weten kijk dan eens naar de Hadleycel op Wikipedia), de werking van waterdamp in wolken waaronder  reflectie van UV naar de ruimte, het vasthouden van IR bij laaghangende stratiforme bewolking en warmtetransport door verschil tussen lapse rate en met name in stratiforme bewolking. Kijken we naar oceanen dan zijn die de verdeler van warmte over de aarde, warmte die voor een groot deel binnen komt tussen de keerkringen en over de rest van de wereld verdeeld wordt. Ook zie je de lokale concentratie van warmte in de oceanen verschuiven bij oceaanoscillaties als El Niño, met lokaal extra temperatuurverhogingen van het zeewater en als gevolg daarvan transport van veel waterdamp naar de atmosfeer door opwarming van de lucht die toestroomt van koudere plaatsen naar de hotspot.
Het gevolg is o.a. extra warmtetransport naar de ruimte.
Waterdamp heeft dan ook een grote rol in verticaal warmtetransport in de atmosfeer.
Vaak wordt aangegeven dat de werking van broeikasgassen zorgt voor een opwarming van de aarde met 33 graden van –18 naar +15 gemiddeld op aarde maar dat is te simpel. Daarmee gaan ze voorbij aan het warmtetransport dat buiten het stralingsmodel plaats vindt als gevolg van de werking van waterdamp in de atmosfeer.
De praktijk is dat:
zonder broeikaswerking de temperatuur op aarde ongeveer -18 graden Celsius is.
Was er wel sprake van broeikaswerking en zou alleen de stralingsbalans bepalend zijn voor de temperatuur, dan was de gemiddelde temperatuur op aarde ongeveer + 70 graden Celsius. En dat is ook niet echt leefbaar.
Met de huidige broeikaswerking en alle processen die de warmte transporteren en verdelen over de aarde, zowel horizontaal als verticaal, is de temperatuur gemiddeld +15 graden Celsius. Dat is de huidige situatie. Voor meer info zie deze link.
Terug naar het KNMI.
Versterkingsmechanisme: Waterdamp werkt als een versterkingsmechanisme voor andere effecten die de atmosfeer koelen of opwarmen. Stijgt de temperatuur door de komst van extra kooldioxide en andere broeikasgassen in de atmosfeer, dan komt er in korte tijd extra waterdamp vrij.
Het versterkingsmechanisme wordt als feit gebracht, maar is een onbewezen theorie omdat hier alleen wordt uitgegaan van het het stralingsmodel. Daarbij wordt volledig voorbij gegaan aan alle zeer ingewikkelde processen die in de atmosfeer voorkomen en ook de wijze waarop de waterhuishouding op aarde werkt. Zou er daadwerkelijk meer vocht in de lucht komen door de stijging van 120 ppm CO2 dan zal dit niet alleen opwarming betekenen maar ook afkoeling.
Enkele punten
1e Een zeer geringe toename van de temperatuur van de afgelopen periode is al eerder gestart na de kleine ijstijd.
2e Zoals het KNMI het brengt, is de toename van CO2 van 280 ppm naar 400 ppm nu een belangrijke oorzaak te van de opwarming. Tevens wordt deze toename die zeker ook natuurlijke oorzaken heeft, volledig aan menselijk handelen toegeschreven, terwijl waterdamp, met een hoeveelheid in de lucht, afhankelijk van vochtigheidsgraad en temperatuur, tot 40.000 ppm in werkelijkheid het belangrijkste broeikasgas is.
3e In de theorie van de versterkende werking wordt alleen naar het stralingsmodel gekeken. Belangrijke processen in de atmosfeer worden volledig vergeten. Een goed voorbeeld daarvan is de extra uitstraling als gevolg van El Niño. Bron hier.
Opvallend is ook dat het KNMI dit proces van uitstraling naar de ruimte door windgedreven oscillaties alleen ophangt aan El Niño en La Niña terwijl er in de praktijk veel meer windgedreven stromingen voorkomen.
Zie ook hier.
Samenvattend: Het belangrijkste broeikasgas is waterdamp omdat daarvan afhankelijk van de lokale luchtvochtigheid en temperatuur tot 40.000 ppm in de atmosfeer voorkomt.
In de klimaatwetenschap wordt echter algemeen aangenomen dat de toename van CO2 met 120 ppm de oorzaak van de opwarming met 0,7 graden Celsius is.
Ieder weldenkend mens zal zich dan afvragen hoe dat kan als je weet dat beide gassen ongeveer een gelijke broeikaswerking hebben bij een gelijke hoeveelheid. Of met andere woorden: 400 ppm waterdamp heeft ongeveer dezelfde broeikaswerking als 400 ppm CO2.
Vervolgens komen de klimaatwetenschappers met de theorie van de versterkende werking. Echter daarbij wordt er van uitgegaan dat de opwarming van 120 ppm CO2 veel extra waterdamp in de lucht mogelijk maakt. Dat dat niet overal zo is zal duidelijk zijn. Denk aan een woestijn.
De ingeschatte broeikaswerking is een theorie die volledig uitgaat van het stralingsmodel, wat een zeer eenzijdige benadering is als je kijkt naar alle andere  processen in de atmosfeer en de oceanen.
Een ander aspect is het feit dat de  opwarming van 0,7 graad sinds het begin van de industriële revolutie volledig aan de activiteiten van mensen wordt toegeschreven, terwijl er sinds de het einde van de kleine ijstijd al een opwarmingstrend zichtbaar is.
Terug naar de punten van het KNMI:
1e De broeikasgassen CO2 en waterdamp zijn de belangrijkste broeikasgassen. Uitgaande van de hoeveelheid van deze broeikasgassen en de broeikaswerking in de atmosfeer is waterdamp het belangrijkste broeikasgas. De versterkende werking is een onbewezen theorie.
2e De mens is verantwoordelijk voor de toename van CO2. Dat is gedeeltelijk juist echter er zijn ook natuurlijke bronnen van CO2, o.a. de oceaan die als gevolg van de opwarming sinds de laatste kleine ijstijd wat meer CO2 afgeeft aan de lucht en de CO2 die vrijkomt uit vulkanische activiteit
3e Door de uitstoot van CO2 te beperken zijn we in staat de opwarming van de aarde te beperken tot 2 graden Celsius. Het aandeel van waterdamp aan de broeikaswerking is met ongeveer 90% (wolken en damp samen) veel groter dan die van alle andere gassen samen. Dat betekent dat de invloed van vermindering van CO2 in de lucht zonder meenemen van de theorie van de versterkende werking minimaal is.
Aldus Hugo Matthijssen.