Introductie en uitleg infrarood absorptie door moleculen

Bron: Modern climate change science, 2015

Opening: klassikale discussie aan de hand van de volgende vragen

1. Opwarming van de atmosfeer/het versterkte broeikaseffect, wat weten we daar eigenlijk van? 2. Welke gassen spelen een rol in dat versterkte broeikaseffect?

3. Hoe leidt de hogere concentratie van broeikasgassen tot opwarming van de aarde?

De samenstelling van de atmosfeer is hieronder weergegeven. Ondanks dat broeikasgassen zoals CO2 en methaan in hele lage percentages aanwezig zijn is hun effect aanzienlijk. Hoe kan dat?

Bron: Modern climate change science, 2015

Omdat de samenstelling van de atmosfeer is weergegeven naar percentage in ‘dry air’ (zie rechtsboven in de tabel) ontbreekt het belangrijkste broeikasgas: water, H2O. Water komt in

verschillende concentraties voor, warme vochtige lucht bevat meer water dan koude, droge lucht. De hoeveelheid water in de lucht varieert over tijd, plaats en hoogte. De andere gassen in de atmosfeer zijn vrijwel allemaal goed gemixt en gelijkmatig verdeeld.

19 februari 2020 33 De zorgen over klimaatverandering zijn niet nieuw. Al sinds de jaren ’70 is duidelijk dat de uitstoot van o.a. CO2 bijdraagt aan opwarming van de aarde. De Verenigde Naties geven het

Intergovernmental Panel on Climate Change de opdracht om wetenschappelijke informatie te verzamelen en weer te geven in een aantal rapporten. In elk volgend rapport worden oorzaken en gevolgen van klimaatverandering beter aangetoond en onderbouwd en wordt de materie weliswaar complexer maar de modellen beter. In het vierde rapport (AR4) uit 2007 komt de scheikunde in de lagere atmosfeer (troposfeer) nadrukkelijker in beeld.

Bron: Modern climate change science, 2015

In een veel geciteerd diagram uit het vijfde IPCC rapport (AR5) blijkt nog eens duidelijk de rol van de mens in de opwarming van de aarde. Broeikasgassen (greenhouse gases) en andere menselijke invloeden (zoals luchtverontreiniging) op de atmosfeer (anthropogenic forcings) verklaren de waargenomen opwarming van de aarde tussen 1951 en 2010 met een grote mate van zekerheid.

Bron: IPCC AR5

19 februari 2020 34

Bron: IPCC AR5

Om deze plaatjes en de conclusie van het IPCC goed te kunnen begrijpen is o.a. scheikundige kennis nodig van hoe broeikasgassen werken.

IR-absorptie door moleculen

Bron: Modern climate change science, 2015

Elektromagnetische straling kent een spectrum van hele lange radiogolven met een lage frequentie en weinig energie tot ultra kortgolvige gammastraling met een hoge frequentie en hoge energie. Het zichtbare licht zoals we dat van de zon ontvangen heeft relatief korte golflengtes tussen 0,4 en 0,8 micrometer. Infraroodstraling (nabije IR) is het deel van het elektromagnetische spectrum met langere golflengtes, deel daarvan is de warmtestraling vanaf 4 tot 50 micrometer.

Kortgolvige Uv-straling bevat precies die energie om moleculen kapot te maken, dat wil zeggen dat atoombindingen worden verbroken, zoals gebeurt als je te lang in de zon zit en je huid verbrandt. Infraroodstraling bevat precies die energie die moleculen sterker laat vibreren.

De atomen in ieder molecuul bewegen constant ten opzichte van elkaar. De afstand tussen de atomen (de atoombinding) en de hoek tussen atoombindingen veranderen continue rond gemiddelde waardes die we kennen van de structuurformule of van een molecuulmodel. Deze continue beweging binnen het molecuul heet vibratie en elke atoombinding en elke hoek tussen bindingen heeft een eigen vibratie-energie. Dat vibreren wordt versterkt als er straling van precies dezelfde energie een molecuul raakt, vergelijkbaar met het resoneren van geluidstrillingen van een

19 februari 2020 35 bepaalde toonhoogte (frequentie). Zo’n molecuul gaat sterker rekken, strekken of buigen. Zie

bijgaand plaatje voor CO2 als voorbeeld.

Bron: Chemie Overal voor 5 VWO, hoofdstuk 10.2, internet

Om extra te kunnen vibreren onder invloed van infraroodstraling moet er, behalve de juiste energie, binnen het molecuul ook een dipool zijn. Dat kan een permanent dipool zijn zoals bij bijvoorbeeld het molecuul H2O (teken de Lewisstructuur van H2O met permanente dipool) of een tijdelijk dipool zoals bij de buiging of asymmetrische strekking van CO2 ontstaat. Voor elk soort permanent of tijdelijk dipool en voor elke rek-, strek- of buigvibratie geldt een andere energie (golflengte). De golflengtes van infraroodstraling die door een molecuul worden geabsorbeerd zijn karakteristiek voor dat molecuul. Moleculen die geen permanent dipool hebben en ook geen tijdelijk dipool door rekken, strekken of buigen, absorberen geen infraroodstraling.

Opdracht in tweetallen: open de volgende applet en onderzoek systematisch alle mogelijke

combinaties van de verschillende gassen en drie soorten straling, Infrarood, Zichtbaar en Ultraviolet: https://phet.colorado.edu/sims/html/molecules-and-light/latest/molecules-and-light_nl.html. 1. Wat valt je op? Welke moleculen interacteren met welke soort straling? Maak een tabel 2. Vergelijk de tabel die jullie net hebben gemaakt met de concentratie van moleculen in de

atmosfeer. Wat valt je op?

3. Verklaar vanuit de theorie over absorptie van straling door moleculen wat je (niet) ziet gebeuren bij stikstof en zuurstof

4. Moleculen in dit vereenvoudigde model die beginnen te vibreren stoppen daar ook weer mee, wat neem je waar op het moment dat het vibreren stopt? Wat betekent dat volgens jullie? 5. De moleculen in de applet staan om te beginnen helemaal stil en beginnen te trillen als ze

worden ‘beschoten’ met de juiste soort straling. Welke vereenvoudiging van de werkelijkheid maakt de applet hiermee?

19 februari 2020 36 Samenvattend: moleculen met vibraties die een tijdelijk dipool veroorzaken en moleculen met een permanent dipool absorberen straling waarvan de energie overeenkomt met de specifieke energie van de verschillende rek, strek- of buigvibraties in de moleculen.