Informatie

Waarom is kooldioxide een broeikasgas, terwijl ammoniak dat niet is?


Waarom zijn sommige gassen broeikasgassen en andere niet?

Ik heb dit op het net gezocht, maar kreeg geen duidelijke / geloofwaardige antwoorden.

Wat is precies de eigenschap die veel voorkomt bij ozon, waterdamp, CFK en methaan?


Dit is beter geschikt voor de site Chemie, maar er zijn twee redenen. 1) Het gas laat zichtbaar licht door, maar blokkeert infrarood. (Wat te maken heeft met de aard van de bindingen tussen atomen &c.) 2) Het bestaat in voldoende hoeveelheden in de atmosfeer om een ​​effect te hebben, wat ammoniak niet heeft: https://www.livescience.com/57305-ammonia -detected-in-atmosphere.html Het is nogal reactief, dus ammoniak dat vrijkomt uit bijv. meststoffen of urine blijven niet lang in de buurt.


Overzicht van broeikasgassen

Totale Amerikaanse emissies in 2019 = 6.558 miljoen ton CO2 equivalent (exclusief landsector). Percentages tellen mogelijk niet op tot 100% vanwege onafhankelijke afronding.

Grotere afbeelding om op te slaan of af te drukken Gassen die warmte vasthouden in de atmosfeer worden broeikasgassen genoemd. Dit hoofdstuk geeft informatie over emissies en verwijderingen van de belangrijkste broeikasgassen van en naar de atmosfeer. Ga voor meer informatie over de andere klimaatveroorzakers, zoals zwarte koolstof, naar de Climate Change Indicators: Climate Forcing-pagina.

6.457 miljoen ton CO2: Wat betekent dat?

Een uitleg van eenheden:

Een miljoen ton is gelijk aan ongeveer 2,2 miljard pond, of 1 biljoen gram. Ter vergelijking: een kleine auto weegt waarschijnlijk iets meer dan 1 ton. Een miljoen ton is dus ongeveer dezelfde massa als 1 miljoen kleine auto's!

De Amerikaanse inventaris gebruikt metrische eenheden voor consistentie en vergelijkbaarheid met andere landen. Ter referentie: een metrische ton is iets groter (ongeveer 10%) dan een Amerikaanse "korte" ton.

BKG-emissies worden vaak gemeten in koolstofdioxide (CO2) equivalent. Om de uitstoot van een gas om te zetten in CO2 equivalent, worden de emissies vermenigvuldigd met het aardopwarmingsvermogen van het gas (GWP). De GWP houdt rekening met het feit dat veel gassen effectiever zijn in het opwarmen van de aarde dan CO2, per massa-eenheid.

De GWP-waarden die op de webpagina's over emissies worden weergegeven, weerspiegelen de waarden die worden gebruikt in de Amerikaanse inventaris, die zijn ontleend aan het vierde beoordelingsrapport van het IPCC (AR4). Voor een verdere bespreking van GWP's en een schatting van de BKG-emissies met behulp van bijgewerkte GWP's, zie bijlage 6 van de U.S. Inventory en de discussie van het IPCC over GWP's (PDF) (106 pp, 7,7 MB). Uitgang

  • Kooldioxide (CO2) : Koolstofdioxide komt in de atmosfeer door de verbranding van fossiele brandstoffen (steenkool, aardgas en olie), vast afval, bomen en andere biologische materialen, en ook als gevolg van bepaalde chemische reacties (bijvoorbeeld de vervaardiging van cement). Kooldioxide wordt uit de atmosfeer verwijderd (of "afgesloten") wanneer het door planten wordt opgenomen als onderdeel van de biologische koolstofcyclus.
  • Methaan (CH4) : Methaan komt vrij bij de productie en het transport van kolen, aardgas en olie. Methaanemissies zijn ook het gevolg van vee en andere landbouwpraktijken, landgebruik en door het verval van organisch afval op stortplaatsen voor vast stedelijk afval.
  • Lachgas (N2O) : Lachgas wordt uitgestoten tijdens landbouw, landgebruik, industriële activiteiten, verbranding van fossiele brandstoffen en vast afval, evenals tijdens de behandeling van afvalwater.
  • Gefluoreerde gassen : Fluorkoolwaterstoffen, perfluorkoolwaterstoffen, zwavelhexafluoride en stikstoftrifluoride zijn synthetische, krachtige broeikasgassen die worden uitgestoten door een verscheidenheid aan industriële processen. Gefluoreerde gassen worden soms gebruikt als vervanging voor stratosferische ozonafbrekende stoffen (bijvoorbeeld chloorfluorkoolwaterstoffen, chloorfluorkoolwaterstoffen en halonen). Deze gassen worden doorgaans in kleinere hoeveelheden uitgestoten, maar omdat het krachtige broeikasgassen zijn, worden ze soms aangeduid als gassen met een hoog aardopwarmingsvermogen ("hoge GWP-gassen").

Het effect van elk gas op de klimaatverandering hangt af van drie belangrijke factoren:

Hoe veel zit in de atmosfeer?

Concentratie of overvloed, is de hoeveelheid van een bepaald gas in de lucht. Grotere uitstoot van broeikasgassen leidt tot hogere concentraties in de atmosfeer. Broeikasgasconcentraties worden gemeten in delen per miljoen, delen per miljard en zelfs delen per biljoen. Eén deel per miljoen komt overeen met één druppel water verdund in ongeveer 13 gallons vloeistof (ongeveer de brandstoftank van een compacte auto). Ga voor meer informatie over de toenemende concentraties van broeikasgassen in de atmosfeer naar de pagina Klimaatveranderingsindicatoren: Atmosferische concentraties van broeikasgassen.

Hoe lang blijven ze in de atmosfeer?

Elk van deze gassen kan gedurende verschillende tijdsperioden in de atmosfeer blijven, variërend van enkele jaren tot duizenden jaren. Al deze gassen blijven lang genoeg in de atmosfeer om goed gemengd te worden, wat betekent dat de hoeveelheid die in de atmosfeer wordt gemeten over de hele wereld ongeveer hetzelfde is, ongeacht de bron van de emissies.

Hoe sterk? hebben ze invloed op de atmosfeer?

Sommige gassen zijn effectiever dan andere om de planeet warmer te maken en 'de deken van de aarde te verdikken'.

Voor elk broeikasgas is een Global Warming Potential (GWP) berekend om weer te geven hoe lang het gemiddeld in de atmosfeer blijft en hoe sterk het energie absorbeert. Gassen met een hoger GWP absorberen per pond meer energie dan gassen met een lager GWP en dragen dus meer bij aan de opwarming van de aarde.


Bereken uw CO2-voetafdruk

Wat is uw ecologische voetafdruk? Gebruik deze interactieve rekenmachine om erachter te komen en actie te ondernemen.

Een koolstofvoetafdruk is de totale hoeveelheid broeikasgassen (inclusief koolstofdioxide en methaan) die wordt gegenereerd door onze acties.

De gemiddelde CO2-voetafdruk voor een persoon in de Verenigde Staten is 16 ton, een van de hoogste percentages ter wereld. Wereldwijd ligt het gemiddelde dichter bij 4 ton. Om de beste kans te hebben om een ​​stijging van de mondiale temperatuur met 2℃ te vermijden, moet de gemiddelde wereldwijde CO2-voetafdruk per jaar in 2050 onder de 2 ton zijn gedaald.

Het verlagen van de individuele CO2-voetafdruk van 16 ton naar 2 ton gebeurt niet van de ene op de andere dag! Door kleine veranderingen aan te brengen in onze acties, zoals minder vlees eten, minder aansluitende vluchten nemen en onze kleding aan de lijn drogen, kunnen we een groot verschil gaan maken.


Onderzoekers beschouwen koolstofdioxide als een milieuvriendelijker koelgas

In een overdekte onderzoeksruimte maakt Brian Fricke vitrines klaar voor koeling.

Voedsel vers houden is geen sinecure. Proeven van het transporteren van ijs over lange afstanden en de gevaren van systemen die afhankelijk zijn van giftige gassen doorspitten de pagina's van de geschiedenis van de koeling. En hoewel de koelwetenschap de afgelopen twee eeuwen een lange weg heeft afgelegd, heeft moderne koeling een milieukost die nieuwe uitdagingen met zich meebrengt.

Door te experimenteren met CO2 koelmiddelsystemen en nieuwe koelmiddelmoleculen, maar Brian Fricke, een onderzoeker bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, probeert de ecologische voetafdruk van conventionele koeling te bemiddelen en te minimaliseren.

"Elke supermarkt heeft veel koelmiddel in zijn systeem - twee tot vierduizend pond - en ongeveer 20 procent daarvan lekt elk jaar. Dat is veel broeikasgas in de atmosfeer", zegt Fricke, die werkt bij ORNL's Buildings Technologies Research en Integration Center, een DOE-gebruikersfaciliteit.

Dat geldt met name voor fluorkoolwaterstoffen of HFK's, de tegenwoordig meest voorkomende koelvitrines voor supermarkten met koelmiddel in de Verenigde Staten. HFK's volgden een geleidelijke afschaffing van hun chloorfluorkoolstofvoorloper toen wetenschappers in de jaren zeventig chloor traceerden dat ozon in de bovenste atmosfeer afbreekt tot chloorfluorkoolwaterstoffen die destijds werden gebruikt - chloorfluorkoolwaterstoffen waren ontworpen als een "veiligheidskoelmiddel" en dienden als vervanging voor giftig koelmiddel gassen zoals ammoniak en zwaveldioxide.

Hoewel HFK's ozon niet vernietigen, zijn ze een sterk broeikasgas.

"Het typische HFC-voorbeeld dat je in een supermarktsysteem ziet, heet R404A. Het heeft een GWP van ongeveer 3.900", zei Fricke.

GWP is het aardopwarmingsvermogen van een molecuul, of het vermogen van het molecuul om als broeikasgas te fungeren. Per definitie CO2 heeft een GWP van één, waardoor R404A bijna 4.000 keer zo krachtig is als CO2.

"Vergeleken met de koudemiddelen die we nu gebruiken, is CO2 is veel minder een broeikasgas dan R404A," zei Fricke.

In zijn lab installeert Fricke een koelsysteem dat uitsluitend CO . gebruikt2. Als koelmiddel, CO2 is bijna ideaal omdat het niet-ontvlambaar, niet-toxisch is, de ozonlaag niet aantast en een lage GWP heeft. CO2 is toch niet perfect.

Vanwege de thermodynamische eigenschappen en de werkdrukken en temperaturen die bij koeling betrokken zijn, is CO2 werkt eigenlijk alleen goed in koude klimaten, waar het efficiënt kan worden gekoeld door buitenlucht. In warmere klimaten zoals het zuiden van de Verenigde Staten is het moeilijker om CO . te koelen2 en er is meer energie nodig om het koelsysteem te laten werken.

De tests die Fricke uitvoert pakken dit probleem aan. Een optie die hij voorstelt is een cascadesysteem, dat naast het gebruik van CO2 bevat ook een traditioneel koelmiddel zoals R404A. R404A wordt efficiënt gekoeld door warme buitenlucht en kan vervolgens worden gebruikt om de CO . af te koelen2. Hoewel R404A een groot GWP heeft, beperkt een cascadesysteem het tot een mechanische ruimte achter in een supermarkt waar het lekkagerisico klein is en er minder R404A nodig is.

"In warmere klimaten, CO2 verbruikt meer energie, maar heeft niet in de buurt van de milieu-impact van lekkend koelmiddel," zei Fricke, eraan toevoegend: "Als u CO2 in het koelsysteem is dat CO2 opgesloten in de koelcyclus en niet in de atmosfeer. Dus dat is CO2 dat je uit de atmosfeer hebt gehaald, en het draagt ​​niet bij aan de opwarming van de aarde als broeikasgas."

Naast het onderzoeken van CO2koeltechnische kwaliteiten, heeft Fricke ook samengewerkt met Honeywell Inc. om een ​​ander vervangend koelmiddel voor R404A te bestuderen dat, in tegenstelling tot CO2, kan worden gebruikt in een R404A-systeem. Om nog een wirwar aan de koudemiddelnaamgevingsmix toe te voegen, is het koudemiddel waaraan Fricke samen met Honeywell werkt een hydrofluorolefine, of een HFO, genaamd N40.

HFO's hebben aanvankelijk een GWP van vier, slechts iets hoger dan die van CO2. Maar HFO's zijn licht ontvlambaar en moeten worden gemengd met andere stoffen, waardoor een HFO-mengsel ontstaat en het GWP wordt verhoogd tot ongeveer 1.300.

Toch is dat aanzienlijk minder dan het GWP van R404A van 3.900, en N40 heeft het voordeel dat het R404A eenvoudig in hetzelfde koelsysteem kan vervangen. Voor supermarkten die groener willen zijn en niet de middelen hebben om een ​​geheel nieuwe CO . te installeren2 systeem kan N40 een aantrekkelijk alternatief zijn.

Naast een lager GWP is N40 efficiënter dan R404A. Na tests waarbij Fricke R404A en N40 bij verschillende temperaturen in hetzelfde koelmiddelsysteem vergeleek, ontdekte Fricke dat N40 de efficiëntie van het systeem met ongeveer 10 procent verhoogde.

"Het zou leuk zijn om een ​​koelmiddel te hebben dat R404A zou kunnen vervangen dat hetzelfde of beter zou presteren en ook een lager GWP zou hebben. Dat is de bedoeling van N40, om een ​​vervanging van R404A te zijn," zei Fricke.

Met de Universiteit van Maryland heeft Fricke ook geholpen bij het ontwerpen van een softwaretool genaamd Life Cycle Climate Performance (LCCP). In wezen berekent LCCP de CO2 gelijkwaardige emissies over de gehele levensduur van een koelsysteem.

De software houdt rekening met de CO2 emissies die verband houden met alle aspecten van koeling: fabricage, transport, montage, onderhoud, elektriciteitsverbruik, lekkage van koelmiddel, demontage, recycling, enzovoort. LCCP houdt zelfs rekening met de emissies die gepaard gaan met het maken van een onderdeel in het koelsysteem, zei Fricke. Door rekening te houden met deze factoren, kunnen kopers gemakkelijker rekening houden met omgevingsfactoren. Het uiteindelijke doel, zei Fricke, zou zijn om LCCP te gebruiken als een wereldwijd hulpmiddel om regionale verschillen in koeling te bestuderen. De Verenigde Staten kunnen worden vergeleken met Japan, of Europa met India, zei hij.

In feite zou Europa de standaard voor koeling kunnen bepalen, zei Fricke. Er zijn al ongeveer 1.300 CO2 koelinstallaties in heel Europa. De Verenigde Staten volgen met slechts drie, elk één in Illinois, Maine en New York. De Verenigde Staten zullen echter waarschijnlijk het voorbeeld van Europa volgen, zei Fricke.

"CO2 zal alleen maar populairder worden naarmate de tijd verstrijkt," zei Fricke, eraan toevoegend: "Het bewaren van voedsel is essentieel voor ons welzijn. Het is een grote energieverbruiker en een grote producent van broeikasgassen. Ik denk dat het belangrijk is om te proberen deze systemen efficiënter te maken en minder impact op het milieu te hebben."


Een moleculair gas is een goede infraroodabsorbeerder als het meerdere atomen heeft (niet slechts 2, zoals O2 en N2) of als het heteronucleair is (bijvoorbeeld CO en NO). Met dit soort moleculaire arrangementen kan meer infrarode energie worden geabsorbeerd omdat er meer trillingstoestanden mogelijk zijn. Ja, ammoniak past bij die beschrijving, maar het is niet langlevend in de atmosfeer en het is niet wijdverbreid. Dus hoewel ammoniak een goede infraroodabsorbeerder is, is het geen belangrijk broeikasgas.

Ammoniak in de atmosfeer is zeer reactief en zal zich vormen om nitraten en sulfaten te maken terwijl het in oplossing is (bijvoorbeeld in wolkendruppels). Zo is de atmosferische levensduur van ammoniak van korte duur, terwijl de meeste belangrijke broeikasgassen langlevend en niet reactief zijn. Voor de discussie over de opwarming van de aarde zou je ammoniak waarschijnlijk associëren met een netto afkoelend effect, aangezien de toegenomen vorming van deeltjes (wolken/waas) het albedo van de aarde verhoogt (dat licht terug naar de ruimte verstrooit).

Broeikasgassen hebben gemeen dat ze infrarood licht absorberen en verstrooien.

Het broeikaseffect ontstaat wanneer wordt voorkomen dat energie die van de zon binnenkomt weer ontsnapt. De zon straalt voornamelijk licht uit in het zichtbare spectrum, met wat UV en infrarood, waarvan het meeste wordt geabsorbeerd door de aarde. Dit zorgt ervoor dat de aarde opwarmt en op haar beurt haar eigen zwarte lichaamsstraling afgeeft, die bij de temperatuur van het aardoppervlak voornamelijk infrarood is. Deze uitgaande straling is de enige manier waarop de aarde zichzelf kan koelen, en de stabiele temperatuur aan het oppervlak is die waarbij de uitgaande energie van het zwarte lichaam van de aarde exact overeenkomt met de inkomende energie van de zon die wordt geabsorbeerd (plus een relatief zeer kleine hoeveelheid vrijgelaten uit de kern van de aarde).

Een broeikasgas is een gas dat minder van dit infrarood licht terug de ruimte in laat, waardoor het opnieuw wordt geabsorbeerd en de temperatuur van de planeet stijgt. Evenzo heeft elk gas dat voornamelijk zichtbaar of UV-licht blokkeert een verkoelend effect, omdat het meer inkomende energie van de zon blokkeert dan uitgaande energie van de aarde.

Hier is een paper met een heel mooi diagram dat het absorptiespectrum van verschillende gassen laat zien. Het is vermeldenswaard dat waterdamp een nog sterker broeikasgas is dan koolstofdioxide, maar aangezien de concentratie in de atmosfeer grotendeels wordt beïnvloed door de temperatuur, is het minder zorgwekkend als een afvalproduct dat we produceren dan als een positief feedbackmechanisme.

Broeikasgassen hebben effect zolang ze in de atmosfeer aanwezig zijn. Methaan is een beroemd voorbeeld van een broeikasgas met een opwarmingspotentieel van ongeveer 30 keer CO2 over 100 jaar, maar heeft over 20 jaar een opwarmingspotentieel dat 86 keer hoger is dan CO2. Het grote verschil over de lange tijdsperiode is dat CO2 erg stabiel is, maar methaan heeft een levensduur van slechts 12 jaar in de atmosfeer.

Ammoniak heeft een levensduur in de atmosfeer van slechts een week. De belangrijkste reden hiervoor is de zeer reactieve aard van stikstof-waterstofbindingen. Deze bindingen zijn meestal vrij zwak en worden vaak aangetroffen in explosieven vanwege de snelheid waarmee ze ontleden. Ik had het mis, de belangrijkste reden is dat ammoniak zeer goed oplosbaar is in water, dus snel naar beneden komt in de regen, en ook gemakkelijk wordt opgenomen door planten. N-H-bindingen zijn niet bijzonder zwak, maar stikstof heeft de neiging om de voorkeur te geven aan zijn extreem stabiele N2-staat. Het verschil in sterkte tussen de bindingen in deze vormen is wat stikstofverbindingen zo explosief maakt.

Omdat ammoniak zo kort leeft in de atmosfeer, heeft het een effectief aardopwarmingsvermogen van nul, ondanks het absorberen van de juiste frequenties van infraroodstraling om anders een broeikasgas te zijn.

EDIT: Ik moet ook zeggen, aangezien u CFK's en ozon noemt in uw vraag: CFK's zijn niet zorgwekkend als broeikasgas, ze eroderen de ozonlaag. De ozonlaag zelf heeft weinig te maken met het broeikaseffect, maar is in plaats daarvan betrokken bij het blokkeren van UV-licht dat schadelijk is voor levende wezens op aarde (bijvoorbeeld huidkanker veroorzaakt). Omdat ozon UV blokkeert, is het een gas dat de aarde afkoelt in plaats van verwarmt, hoewel ik niet zeker weet hoe sterk het effect is. Ik stel me niet erg voor, want ik heb het nog nooit genoemd.


Welke gassen zijn broeikasgassen?

Sommige broeikasgassen komen van nature voor en komen in de atmosfeer terecht als gevolg van zowel natuurlijke processen (zoals afbraak van organisch materiaal) als menselijke activiteiten (zoals verbranding van fossiele brandstoffen en landbouw). Broeikasgassen die zowel van nature als door menselijke activiteiten voorkomen, zijn onder meer: waterdamp, kooldioxide (CO2), methaan (CH4), lachgas (N2O) en ozon (O3). Andere broeikasgassen hebben in wezen geen natuurlijke bronnen, maar zijn bijproducten van industriële processen of vervaardigd voor menselijke doeleinden, zoals schoonmaakmiddelen, koelmiddelen en elektrische isolatoren. Deze omvatten de gefluoreerde gassen: chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's), chloorfluorkoolwaterstoffen (HCFK's), fluorkoolwaterstoffen (HCFK's), broomfluorkoolwaterstoffen (halonen), perfluorkoolwaterstoffen, PFC's, stikstoftrifluoride, NF3, en zwavelhexafluoride, SF6.

Deze gassen dragen bij aan de opwarming van de atmosfeer wanneer ze infrarode straling absorberen die wordt uitgezonden door de door de zon verwarmde aarde en hun extra energie overdragen aan de omringende atmosferische gassen. De figuur laat zien dat de temperatuur aan het aardoppervlak de afgelopen eeuw met ongeveer 0,9 °C is gestegen, met meer dan de helft van de verandering sinds ongeveer 1980. De temperatuur kan alleen veranderen als er een verandering is in het energiebudget van de aarde, aangezien de balans tussen de energieën van inkomende en uitgaande straling Is boos.

Het verstoren van de energiebalans van de aarde kan het gevolg zijn van veranderingen in vele factoren, waaronder energie van de zon, broeikasgassen en bewolking. Een verandering in een van deze factoren verandert de hoeveelheid straling die het aardoppervlak bereikt of in de ruimte wordt uitgezonden. Het effect van zo'n verandering is een stralingsonbalans die ervoor zorgt dat het aardoppervlak ofwel opwarmt ofwel afkoelt. De grootte van deze onbalans voor elke factor die de veranderende oppervlaktetemperatuur beïnvloedt, wordt gekarakteriseerd in termen van een “stralingsforcering”, dat wil zeggen, de hoeveelheid waarmee het de energiebalans van de aarde verstoort.

Het Intergouvernementeel Panel voor Klimaatverandering (IPCC) definieert stralingsforcering als de verandering in de netto stralingsflux (inkomend minus uitgaand in W·m –2 ) aan de bovenkant van de troposfeer veroorzaakt door een verandering in een dwingende factor ten opzichte van zijn pre-industriële staat (genomen als het midden van de achttiende eeuw). Een positieve stralingsforceringswaarde betekent dat de verandering in de forceringsfactor de energie die door de planeet wordt vastgehouden verhoogt en tot opwarming leidt. Een negatieve waarde betekent dat de verandering de door de planeet vastgehouden energie vermindert en tot afkoeling leidt. Deze grafische samenvatting van het IPCC-rapport geeft stralingsforceringswaarden voor broeikasgassen en andere factoren met een indicatie van hun onzekerheden (die helpen aantonen waar meer studies ons begrip van de klimaatvariabelen zouden kunnen vergroten).

De "temperatuur anomalie” uitgezet in de grafiek komt overeen met het verschil tussen de jaargemiddelde temperatuur voor een jaar en het gemiddelde van de temperaturen voor de basisperiode 1951-1980. De zwarte lijn is het jaargemiddelde en de rode lijn is het vijfjaarsgemiddelde. De groene balken geven onzekerheidsschattingen weer.


Kooldioxideconcentraties binnenshuis worden aangedreven door een combinatie van CO . buitenshuis2, binnenademing en de ventilatiesnelheid van het gebouw. Doordat gebouwen en woningen energiezuiniger en luchtdichter worden, hebben we minder frisse lucht.

Veel van de ventilatiesystemen die we tegenwoordig gebruiken, recyclen lucht om energie te besparen, waarbij ze de vervuilde lucht in wezen verplaatsen in plaats van in nieuwe lucht te fietsen. Dit resulteert in een hoge CO2 concentraties en een slechte luchtkwaliteit binnenshuis.


Hoe veroorzaakt kooldioxide precies de opwarming van de aarde?

"You Asked" is een serie waarin experts van het Earth Institute lezersvragen over wetenschap en duurzaamheid behandelen. De afgelopen jaren hebben we veel vragen gekregen over koolstofdioxide - hoe het warmte vasthoudt, hoe het zo'n groot effect kan hebben als het maar een klein percentage van de atmosfeer uitmaakt, en meer. Met de hulp van Jason Smerdon, een klimaatwetenschapper aan de Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University, beantwoorden we hier een aantal van die vragen.

Hoe houdt kooldioxide warmte vast?

Je hebt waarschijnlijk al gelezen dat koolstofdioxide en andere broeikasgassen werken als een deken of een pet, en een deel van de warmte vasthouden die de aarde anders de ruimte in zou hebben uitgestraald. Dat is het simpele antwoord. Maar hoe houden bepaalde moleculen warmte precies vast? Het antwoord daar vereist een duik in de natuurkunde en scheikunde.

Vereenvoudigd diagram dat laat zien hoe de aarde zonlicht omzet in infrarode energie. Broeikasgassen zoals koolstofdioxide en methaan absorberen de infrarode energie en zenden een deel ervan terug naar de aarde en een deel de ruimte in. Credit: een losse stropdas op Wikimedia Commons

Wanneer zonlicht de aarde bereikt, absorbeert het oppervlak een deel van de energie van het licht en straalt het opnieuw uit als infrarode golven, die we voelen als warmte. (Houd uw hand op een donkere rots op een warme, zonnige dag en u kunt dit fenomeen zelf voelen.) Deze infraroodgolven reizen de atmosfeer in en zullen, indien ongehinderd, terug de ruimte in ontsnappen.

Zuurstof en stikstof interfereren niet met infraroodgolven in de atmosfeer. Dat komt omdat moleculen kieskeurig zijn over het bereik van golflengten waarmee ze interageren, legde Smerdon uit. Zuurstof en stikstof absorberen bijvoorbeeld energie met dicht opeengepakte golflengten van ongeveer 200 nanometer of minder, terwijl infraroodenergie zich voortplant op bredere en luiere golflengten van 700 tot 1.000.000 nanometer. Die bereiken overlappen elkaar niet, dus voor zuurstof en stikstof is het alsof de infrarode golven niet eens bestaan, ze laten de golven (en warmte) vrij door de atmosfeer gaan.

Een diagram dat de golflengten van verschillende soorten energie toont. Energie van de zon bereikt de aarde als grotendeels zichtbaar licht. De aarde straalt die energie opnieuw uit als infrarode energie, die een langere, langzamere golflengte heeft. Waar zuurstof en stikstof niet reageren op infraroodgolven, doen broeikasgassen dat wel. Krediet: NASA

Met CO2 en andere broeikasgassen is dat anders. Kooldioxide absorbeert bijvoorbeeld energie op verschillende golflengten tussen 2.000 en 15.000 nanometer - een bereik dat overlapt met dat van infraroodenergie. Terwijl CO2 deze infrarode energie opneemt, trilt het en zendt het de infrarode energie terug in alle richtingen uit. Ongeveer de helft van die energie gaat de ruimte in en ongeveer de helft keert terug naar de aarde als warmte, wat bijdraagt ​​aan het 'broeikaseffect'.

Door de golflengten te meten van infrarode straling die het oppervlak bereikt, weten wetenschappers dat koolstofdioxide, ozon en methaan aanzienlijk bijdragen aan de stijgende temperatuur op aarde. Krediet: Evans 2006 via Skeptical Science

Smerdon zegt dat de reden waarom sommige moleculen infraroodgolven absorberen en andere niet "afhangt van hun geometrie en hun samenstelling." Hij legde uit dat zuurstof- en stikstofmoleculen eenvoudig zijn - ze bestaan ​​elk uit slechts twee atomen van hetzelfde element - wat hun bewegingen en de verscheidenheid aan golflengten waarmee ze kunnen interageren, vernauwt. Maar broeikasgassen zoals CO2 en methaan bestaan ​​uit drie of meer atomen, waardoor ze een grotere verscheidenheid aan manieren hebben om uit te rekken, te buigen en te draaien. Dat betekent dat ze een breder scala aan golflengten kunnen absorberen, inclusief infraroodgolven.

Hoe kan ik zelf zien dat CO2 warmte opneemt?

Als experiment dat thuis of in de klas kan worden gedaan, raadt Smerdon aan om één frisdrankfles te vullen met CO2 (misschien uit een frisdrankautomaat) en een tweede fles te vullen met omgevingslucht. "Als je ze allebei blootstelt aan een warmtelamp, zal de CO2-fles veel meer opwarmen dan de fles met alleen omgevingslucht", zegt hij. Hij raadt aan om de flestemperaturen te controleren met een infraroodthermometer zonder aanraking. U moet er ook voor zorgen dat u voor elke fles dezelfde soort fles gebruikt en dat beide flessen dezelfde hoeveelheid licht van de lamp ontvangen.

Een logistiek uitdagender experiment dat Smerdon aanbeveelt, is het plaatsen van een infraroodcamera en een kaars aan weerszijden van een gesloten buis. Wanneer de buis gevuld is met omgevingslucht, pikt de camera de infraroodwarmte van de kaars duidelijk op. Maar als de buis eenmaal is gevuld met kooldioxide, verdwijnt het infraroodbeeld van de vlam, omdat de CO2 in de buis de warmte van de kaars absorbeert en in alle richtingen verstrooit, en daardoor het beeld van de kaars vervaagt. Er zijn verschillende video's van het experiment online, waaronder deze:

Waarom laat koolstofdioxide warmte wel binnen, maar niet naar buiten?

Energie komt onze atmosfeer binnen als zichtbaar licht, terwijl het probeert weg te gaan als infrarode energie. Met andere woorden, "energie die van de zon onze planeet binnenkomt, arriveert als een valuta en vertrekt in een andere", zei Smerdon.

CO2-moleculen hebben niet echt interactie met de golflengten van zonlicht. Pas nadat de aarde zonlicht heeft geabsorbeerd en de energie weer als infrarode golven afgeeft, kunnen de CO2 en andere broeikasgassen de energie absorberen.

Hoe kan CO2 zoveel warmte vasthouden als het maar 0,04% van de atmosfeer uitmaakt? Staan de moleculen niet te ver uit elkaar?

Voordat mensen fossiele brandstoffen begonnen te verbranden, hielpen natuurlijk voorkomende broeikasgassen om het klimaat op aarde bewoonbaar te maken. Zonder hen zou de gemiddelde temperatuur op aarde onder het vriespunt liggen. We weten dus dat zelfs zeer lage, natuurlijke niveaus van koolstofdioxide en andere broeikasgassen een enorm verschil kunnen maken in het klimaat op aarde.

Tegenwoordig zijn de CO2-niveaus hoger dan ze in minstens 3 miljoen jaar zijn geweest. En hoewel ze nog steeds slechts 0,04% van de atmosfeer uitmaken, komt dat nog steeds neer op miljarden tot miljarden tonnen warmte-vasthoudend gas. Alleen al in 2019 hebben mensen bijvoorbeeld 36,44 miljard ton CO2 in de atmosfeer gedumpt, waar het honderden jaren zal blijven hangen. Er zijn dus genoeg CO2-moleculen om een ​​warmtevasthoudende deken over de hele atmosfeer te creëren.

Bovendien "kunnen sporenhoeveelheden van een stof een grote impact hebben op een systeem", legt Smerdon uit. Met een analogie van David Titley, professor meteorologie van Penn State, zei Smerdon: "Als iemand van mijn lengte twee biertjes drinkt, zal mijn bloedalcoholgehalte ongeveer 0,04 procent zijn. Dat klopt wanneer het menselijk lichaam de effecten van alcohol begint te voelen.” Bedrijfschauffeurs met een alcoholpromillage van 0,04% kunnen worden veroordeeld voor rijden onder invloed.

"Evenzo is er niet zoveel cyanide nodig om een ​​persoon te vergiftigen", voegt Smerdon eraan toe. "Het heeft te maken met hoe die specifieke stof interageert met het grotere systeem en wat het doet om dat systeem te beïnvloeden."

In het geval van broeikasgassen is de temperatuur van de planeet een balans tussen hoeveel energie er binnenkomt en hoeveel energie eruit gaat. Uiteindelijk betekent elke toename van de hoeveelheid warmte-vastlegging dat het aardoppervlak heter wordt. (Bekijk deze NASA-pagina voor een meer geavanceerde bespreking van de betrokken thermodynamica.)

Als er meer water dan CO2 in de atmosfeer is, hoe weten we dan dat water niet verantwoordelijk is voor klimaatverandering?

Water is inderdaad een broeikasgas. Het absorbeert en straalt infraroodstraling uit en maakt zo de planeet warmer. Smerdon zegt echter dat de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer eerder een gevolg is van opwarming dan van een drijvende kracht, omdat warmere lucht meer water vasthoudt.

"We weten dit op seizoensniveau", legt hij uit. "Het is over het algemeen droger in de winter wanneer onze lokale atmosfeer kouder is, en het is vochtiger in de zomer wanneer het warmer is."

Terwijl koolstofdioxide en andere broeikasgassen de planeet opwarmen, verdampt er meer water in de atmosfeer, wat op zijn beurt de temperatuur verder verhoogt. Een hypothetische schurk zou de klimaatverandering echter niet kunnen verergeren door te proberen meer waterdamp in de atmosfeer te pompen, zegt Smerdon. "Het zou allemaal gaan regenen omdat de temperatuur bepaalt hoeveel vocht daadwerkelijk door de atmosfeer kan worden vastgehouden."

Evenzo heeft het geen zin om te proberen waterdamp uit de atmosfeer te verwijderen, omdat natuurlijke, temperatuurgestuurde verdamping van planten en watermassa's dit onmiddellijk zou vervangen. Om de waterdamp in de atmosfeer te verminderen, moeten we de temperatuur op aarde verlagen door andere broeikasgassen te verminderen.

Als Venus een atmosfeer heeft die voor 95% uit CO2 bestaat, zou die dan niet veel heter moeten zijn dan de aarde?

Dikke wolken zwavelzuur omringen Venus en voorkomen dat 75% van het zonlicht het aardoppervlak bereikt. Zonder deze wolken zou Venus nog heter zijn dan het al is. Krediet: NASA

De concentratie van CO2 in de atmosfeer van Venus is ongeveer 2.400 keer hoger dan die van de aarde. Toch is de gemiddelde temperatuur van Venus slechts ongeveer 15 keer hoger. Wat geeft?

Interessant genoeg heeft een deel van het antwoord te maken met waterdamp. Volgens Smerdon denken wetenschappers dat Venus lang geleden een op hol geslagen broeikaseffect ervoer dat bijna al het water van de planeet wegkookte - en waterdamp, onthoud, is ook een warmtevasthoudend gas.

"Er zit geen waterdamp in de atmosfeer, wat een belangrijke factor is", zegt Smerdon. "En dan is de andere belangrijke factor dat Venus al deze gekke zwavelzuurwolken heeft."

Hoog in de atmosfeer van Venus, legde hij uit, blokkeren zwavelzuurwolken ongeveer 75% van het binnenkomende zonlicht. Dat betekent dat de overgrote meerderheid van het zonlicht nooit de kans krijgt om het oppervlak van de planeet te bereiken, als infrarode energie naar de atmosfeer terug te keren en vast komt te zitten door al die CO2 in de atmosfeer.

Zullen de planten, de oceaan en de bodem niet gewoon alle overtollige CO2 opnemen?

Uiteindelijk … over een paar duizend jaar of zo.

Planten, de oceanen en de bodem zijn natuurlijke koolstofputten - ze verwijderen wat koolstofdioxide uit de atmosfeer en slaan het ondergronds, onder water of in wortels en boomstammen op. Zonder menselijke activiteit zouden de enorme hoeveelheden koolstof in steenkool-, olie- en aardgasvoorraden ondergronds zijn gebleven en grotendeels gescheiden zijn gebleven van de rest van de koolstofcyclus. Maar door deze fossiele brandstoffen te verbranden, voegen mensen veel meer koolstof toe aan de atmosfeer en de oceaan, en de koolstofputten werken niet snel genoeg om onze rotzooi op te ruimen.

Een vereenvoudigd diagram met de koolstofcyclus. Krediet: Jack Cook/Woods Hole Oceanographic Institution

Het is alsof je je tuin water geeft met een brandslang. Even though plants absorb water, they can only do so at a set rate, and if you keep running the firehose, your yard is going to flood. Currently our atmosphere and ocean are flooded with CO2, and we can see that the carbon sinks can’t keep up because the concentrations of CO2 in the atmosphere and oceans are rising quickly.

The amount of carbon dioxide in the atmosphere (raspberry line) has increased along with human emissions (blue line) since the start of the Industrial Revolution in 1750. Credit: NOAA Climate.gov

Unfortunately, we don’t have thousands of years to wait for nature to absorb the flood of CO2. By then, billions of people would have suffered and died from the impacts of climate change there would be mass extinctions, and our beautiful planet would become unrecognizable. We can avoid much of that damage and suffering through a combination of decarbonizing our energy supply, pulling CO2 out the atmosphere, and developing more sustainable ways of thriving.


Trapping methods

Post-combustion
In the post-combustion method, CO2 is separated from the flue gas of the power station by bubbling the gas through an absorber column packed with liquid solvents (such as ammonia) that preferentially take out the CO2. In the most commonly-used techniques, once the chemicals in the absorber column become saturated, a stream of superheated steam at around 120C is passed through it. This releases the trapped CO2, which can then be transported for storage elsewhere.

More experimental techniques to scrub CO2 from flue gas without the two-step process include using seawater to absorb the gas and then returning the mixture back to the ocean for long-term storage. But, so far, these methods have proved less efficient and reliable.

Oxyfuel
When coal, oil or natural gas is burned in normal air, the amount of CO2 produced is between 3-15% of the waste gases, depending on the conditions. Separating the greenhouse gas out after combustion requires energy so an alternative CCS method is to burn the fossil fuel in an atmosphere of pure oxygen. In this environment, virtually all the waste gas will be composed CO2 and water vapour. The latter can be condensed out while the former can be piped or transported directly to a storage facility.

In the oxyfuel system, the air fed into the boiler has to be separated into liquid oxygen, gaseous nitrogen, argon and other trace gases and this process can use up to 15% of the power produced at the station.

Pre-combustion
This method is normally applied to coal-gasification combined cycle power plants. The coal is gasified to produce a synthetic gas made from carbon monoxide and hydrogen. The former is reacted with water to produce CO2, which is captured, and more hydrogen. The hydrogen can be diverted to a turbine where it can be burned to produce electricity. Alternatively, some of this gas can be bled off to feed hydrogen fuel cells for cars.

One disadvantage of the pre-combustion method is that it cannot be retro-fitted to the older pulversised coal power plants that make up much of the world's installed base of fossil fuel power. It could perhaps be used in natural gas stations, where a synthetic gas is first produced by reacting the methane with steam to produce carbon dioxide and hydrogen. But the economic advantage of this method over post-combustion is yet to be proven.


Table 5.3. United States Agricultural Lands by Sector and Percentage of Cropland Reportedly Managed with Conservation Practice and Distribution of Crops and Managements a

Land Acreage (Million Hectares) No Till (%) b Other Conservation Tillage (%) Cover Crop Conservation Easement
Total Agricultural Lands 2012 370.1
Cropland c 157.7 24 19.67 2.41 3.38
Pastures 49 NA d
Rangeland (Includes Federal and Nonfederal Lands) 246.7
Conservation Reserve Program 1.5
Bijsnijden Acreage (Million Hectares) Percentage of Cropland Managed Under No Till or Strip Till (%) e
Maïs 38.3 24.3 31
Soja bonen 30.8 19.5 46
Wheat 19.8 12.6 33
Katoen 3.8 2.4 43
Sorghum 1.1 1.6 NA
Rijst 1.1 0.7 NA
Hay f 22.8 14.4 NA

Opmerkingen:
a The percentage of no-tilled land does not imply that these lands are managed in a long-term, no-till system.
b Duration of no-till practice is not available this value does not necessarily reflect a continuous practice.
c USDA-NASS (2012).
d Not applicable.
e Wade et al. (2015).
f USDA-NRCS (2015).

Similar to these trends in North America, global GHG emissions from large ruminants, such as beef and dairy cattle, are about seven times greater than emissions from swine or poultry (Gerber et al., 2012). Dairy production systems, however, are considerably more efficient than beef systems. As an example, Eshel et al. (2014) estimated, using a full life cycle assessment, that GHG emissions per ­human-edible megacalorie (MCal) were 9.6 kg CO2e for beef versus 2 for pork, 1.71 for poultry, and 1.85 for dairy. Similarly, GHG emissions per kg of human-edible protein were 214 kg CO2e for beef, 42 for pork, 20 for poultry, and 32 for dairy (Eshel et al., 2014).

U.S. cattle inventories have fluctuated during the last several decades from a peak of over 130 million heads (both beef and dairy) in the 1970s to a low of 88.5 million in 2014. Cattle numbers increased to 89 million in 2015 and an estimated 92 million in 2016 (USDA-NASS 2016). According to the 2016 inventory, there were 30.3 million beef cows, 9.3 million dairy cows, 19.8 million heifers weighing 227 kg or more, 16.3 million steers at 227 kg or more, 14 million calves under 227 kg, and 2.1 million bulls. Beef and dairy cows, because of their high feed consumption and higher-fiber diets, are the largest emitters of enteric CH4, producing about 95 and 146 kg CH4 per head per year, respectively emissions from feedlot cattle fed high-grain diets are considerably less at 43 kg per year per head (U.S. EPA 2018). Increased cattle productivity has resulted in increased feed efficiency and decreased enteric CH4 emission intensity (i.e., CH4 emitted per unit of milk or meat). As an example, the estimated CH4 emission intensity for the U.S. dairy herd has decreased from 31 g per kg milk in 1924 to 14 g per kg in 2015 (Global Research Alliance on Agricultural Greenhouse Gases 2015).

Cattle inventories in Canada have fluctuated annually, but long-term trends are relatively stable—about 12 million heads in January 2016, down slightly from a peak in 2005 (Statistics Canada 2016). Beef cattle account for more than 80% of these animals. In recent decades, improvements in management efficiency have led to a decline in GHG emissions per unit of livestock product. For example, estimated emissions per kilogram of liveweight beef leaving the farm declined from 14 kg CO2e in 1981 to 12 kg CO2e in 2011 (Legesse et al., 2016).

U.S. beef consumption has been declining steadily over the past decade (see Figure 5.3) while consumption of dairy products has been increasing (see Figure 5.4). The previously mentioned life cycle assessment analyses that found greater carbon efficiency of dairy versus beef suggest that this trend should translate to lower emissions from the livestock sector. Most of the beef and veal consumed in the United States was domestically produced (about 86% in 2015 18.6% of imported beef was from Canada), while about 9.6% of beef produced in the United States in 2015 was exported to other countries. Fluid milk consumption per capita has been decreasing—from about 89 kg per year in 2000 to 71 kg per year in 2015, while consumption of cheese, butter, and yogurt, most of which is domestically produced, has been steadily increasing. As in the United States, per capita consumption of livestock products in Canada also has declined in recent decades. For example, beef and fluid milk consumption decreased from 39 kg of beef per capita in 1980 to 24 kg in 2015 (Agriculture and Agri-Food Canada 2016) and from 90 liters of fluid milk per capita in 1996 to 71 liters in 2015 (Government of Canada 2016).


Effects of greenhouse gases

Greenhouse gases have far-ranging environmental and health effects. They cause climate change by trapping heat, and they also contribute to respiratory disease from smog and air pollution. Extreme weather, food supply disruptions, and increased wildfires are other effects of climate change caused by greenhouse gases. The typical weather patterns we've grown to expect will change some species will disappear others will migrate or grow. (Read more about greenhouse gas effects via climate change here.)


Bekijk de video: Navigating the Realities of Climate Chaos (December 2021).