• No results found

Lachgas of distikstofoxide (N 2 O)

Prototype lesmateriaal

DE VERSCHILLENDE BROEIKASGASSEN

4. Lachgas of distikstofoxide (N 2 O)

 de uitstoot van lachgas door menselijke activiteiten is vooral afkomstig van: a) de landbouw (het gebruik van stikstofhoudende meststoffen), b) de chemische industrie (bv. de productie van salpeterzuur) en c) de verbranding van fossiele brandstoffen voor huisverwarming en transport

 de huidige concentratie is ongeveer 16% hoger dan in 1750 en is gestegen van 270 naar 319 ppb in 2005. Het gas is verantwoordelijk voor ongeveer 6% van het versterkt broeikaseffect

 heeft een “opwarmend vermogen” dat 298 keer hoger is dan CO2, het N2O molecuul wordt in de

stratosfeer afgebroken door Uv-straling en reageert met ozon 5. Ozon (O3)

 ozon is van nature aanwezig in de stratosfeer (op 10-15 km hoogte), waar het de planeet beschermt tegen schadelijke Uv-straling

 ozon wordt ook gevormd in de troposfeer (de menselijke leefomgeving) door een chemische reactie - onder invloed van sterk zonlicht - tussen stoffen afkomstig van luchtvervuiling (vooral stikstofoxides NO en NO2¸ samen NOx). Op deze hoogte veroorzaakt ozon een verhoogd broeikaseffect.

6. Gefluoreerde koolwaterstoffen (CFK’s, HCFK’s, HFK’s, PFK’s):

 doen dienst als koelvloeistof (koelkasten en airco), solvent (o.m. voor de schoonmaak van elektronica), brandblusmiddel en worden gebruikt in de productie van aluminium en kunststofschuim

 absorberen heel sterk de infrarode straling en zijn scheikundig erg stabiel, waardoor ze een belangrijk aandeel in het broeikaseffect voor hun rekening nemen (de GWP’s variëren tussen 1.300 en 11.700)

 CFK’s en HCFK’s zijn ook verantwoordelijk voor de afbraak van de stratosferische ozon (op grote hoogte, het ‘gat in de ozonlaag’) en zijn of worden verboden door het Protocol van Montreal (1987). De

vervangproducten (HFK’s) zijn niet schadelijk voor de ozonlaag maar hebben nog steeds wel een effect als broeikasgas

7. Zwavelhexafluoride (SF6) :

 wordt gebruikt in transformatoren en dubbel glas (geluidsisolatie)

 wordt in zeer kleine hoeveelheden geproduceerd, maar absorbeert infraroodstraling zeer sterk (GWP is 23.900 keer hoger is dan dat van CO2) en is scheikundig zeer stabiel

8. Stikstoftrifluoride (NF3) :

 een kleurloos, geurloos, niet ontvlambaar maar toxisch gas, wordt steeds meer gebruikt als industriële ontvetter in de productie van LCD-schermen en fotovoltaïsche cellen

 door zijn hoog GWP van 17.200 en de snelle groei van zijn industrieel gebruik (NF3 vervangt steeds vaker

SF6), heeft zijn uitstoot een grotere impact dan oorspronkelijk gedacht

19 februari 2020 38 Les 2: Toepassen nieuwe kennis tot (complex) diagram

Soorten vibraties leiden tot verschillende pieken in het absorptiespectrum

Als we opnieuw naar CO2 kijken in onderstaand plaatje dan zien we dat CO2 door drie golflengtes uit het infraroodspectrum extra tot vibreren wordt gebracht. Infraroodstraling met een golflengte van 7,2 micrometer hoort bij een symmetrische vorm van strekken en dan is er nauwelijks een dipool, dit is dus een heel zwak effect. Straling met een golflengte van 15 micrometer heeft dezelfde energie als de buigvibratie van het molecuul. Die buigvibratie veroorzaakt een tijdelijk dipool en dus vindt absorptie plaats. Hetzelfde gebeurt bij een golflengte van 4,3 micrometer en asymmetrisch strekken.

Bron: internet presentatie

Je kunt dus zeggen dat het molecuul CO2 twee verschillende golflengtes infraroodstraling absorbeert. Er is een sterke absorptie bij straling met golflengtes van 4,3 en van 15 micrometer. In een

meetinstrument, een infraroodspectrometer, ziet dat er als volgt uit. De straling die wordt

geabsorbeerd leidt tot een piek in het spectrum. Duidelijk zichtbaar zijn de pieken bij de genoemde golflengtes. De overige golflengtes worden vrijwel 100% doorgelaten.

19 februari 2020 39 Opdracht in tweetallen: open de volgende applet en onderzoek de gassen CO2 en water.

https://applets.kcvs.ca/CollisionalHeating/CollisionalHeating.html zet de display op Wavelength Unit, let op: dit zijn nanometers (1.000 nanometer komt overeen met 1 micrometer).

1. Bij welke golflengtes zie je welke soort vibratie optreden? Maak een tabel voor CO2 en water. Soms heb je even geduld nodig voordat je ziet wat er gebeurt (wacht steeds 5 seconden) 2. Kies CO2 als gas en kies bij Display de optie Black Body Curve, deze lijn geeft bij benadering aan

op welke golflengtes de aarde warmte uitstraalt. Welke absorptiepiek en dus welke soort vibratie van CO2 is het belangrijkste?

3. Voeg nu uit het Display menu de optie ‘Atmosphere’ toe. Je ziet nu een model van CO2 omringd door zuurstof en stikstof. Zet de straling op de golflengte op de belangrijkste absorptiepiek die je net hebt bepaald onder 2. Wat neem je waar?

a. Wat gebeurt er als het vibrerende CO2-molecuul botst met een ander molecuul? b. Wat doet de temperatuur (thermometer in beeld) bij een botsing? Hoe verklaar je dat? c. Behalve door een botsing kan een ‘aangeslagen’ molecuul ook op een andere manier

energie afstaan aan de omgeving. Op welke manier is dat?

d. Na ongeveer 2 minuten is de temperatuur flink opgelopen en bewegen alle moleculen in de ‘atmosfeer’ veel sneller dan in het begin. Formuleer een scheikundig juiste zin waarbij je deze twee waarnemingen combineer. (hint: ‘de moleculen worden warmer’ is fout!)

Bron: The King's Centre for Visualization in Science.

In- en uitgaande straling van de aarde, welk deel van de infraroodstraling is relevant? De aarde absorbeert straling van de zon in het zichtbare licht deel van het spectrum met

daaromheen wat Uv-straling en wat infraroodstraling. De aarde warmt daardoor op en emitteert op haar beurt IR-straling met een langere golflengte zoals te zien is in onderstaand plaatje. De straling die de aarde emitteert heeft (alle) golflengtes tussen de 5 en 27 micrometer. Het is deze warmte- (IR)-straling die door broeikasgassen voor een deel wordt geabsorbeerd.

Bron: NLT-module IJs en Klimaat

In metingen met een infraroodspectrometer in een laboratorium worden moleculen geanalyseerd met een breed bereik aan golflengtes waarbij de intensiteit van iedere golflengte gelijk is. Het grote

19 februari 2020 40 verschil met wat in de atmosfeer wordt gemeten, bijvoorbeeld door satellieten, is dat de aarde maar een beperkt deel van het spectrum uitstraalt en dat bovendien de intensiteit binnen dat spectrum verschilt per golflengte. De intensiteit van de uitgaande straling is het grootste tussen 15 en 20 micrometer.

Opdracht in tweetallen: ga naar deze site http://www.vc3chem.com/applets.html en open de IR Windows learning tool (of ga naar https://applets.kcvs.ca/IRWindows/IRWindows.html). In de tool kun je de verschillende absorptiespectra van de belangrijkste broeikasgassen weergeven.

1. Combineer de spectra van CO2 en water (H2O), gebruik eerst de Display optie Laboratory Spectra. Voeg daarna andere broeikasgassen toe, in ieder geval ook methaan (CH4) en lachgas (N2O). Wat valt je op?

2. Verander de schaal nu naar Scaled Spectra. Er verschijnt een tabel met de relatieve (‘scaled’) broeikaseffecten van de verschillende broeikasgassen, o.a. afhankelijk van hun concentratie in de atmosfeer. Voor welke gassen zie je een groot verschil, voor welke niet? Hoe komt dat?

3. Voeg de curve van het spectrum van de uitstraling van de aarde toe (Black Body Curve). Welk deel van de absorptiepieken speelt een grote rol bij het versterkt broeikaseffect?

4. Verander de Display optie naar Earth’s Scaled Emission Spectra. Wat zie je gebeuren? Discussieer samen over wat je in dit laatste plaatje ziet

Bron: The King's Centre for Visualization in Science.

Opdracht in tweetallen: ga naar http://climatemodels.uchicago.edu/modtran/modtran.doc.html en bekijk in ‘Overview’ het diagram. Lees de tekst die erboven staat en eronder.

1. Wat ‘doet’ het MODTRAN model volgens de uitleg? Wat is het verschil tussen de rode en de zwarte lijn? Wat wordt bedoeld met het ‘ATM window’?

Let op dat de x-as (golflengte) 180° gedraaid is in het satellietbeeld vs. het model!

2. Bekijk de ‘Video Introduction’ van 02:50 minuten en probeer vervolgens na te doen wat wordt gedemonstreerd door met het model te werken: ‘Run this model’ en schaal naar ‘Wavelength’ 3. Vergelijk de uitkomsten van het model bij verschillende concentraties CO2 in de atmosfeer,

probeer eerst 1, 10, 100 en 1.000 PPM. Op dit moment is die concentratie ongeveer 400 PPM 4. Welke eigenschappen van het CO2 molecuul (micro) lijden tot de observatie door de satelliet

(macro)?

Bron: universiteit van Chicago

Samenvattend: De uitstraling van de aarde (infraroodstraling met golflengtes tussen 3 en 27 micrometer) wordt geabsorbeerd door broeikasgassen in de atmosfeer. Dit is het broeikaseffect. Door een toename van bepaalde gassen wordt het broeikasgaseffect versterkt, dit leidt tot

opwarming van de atmosfeer. Als je de absorptiespectra van de verschillende broeikasgassen over elkaar heen legt en de relatieve bijdrage aan het broeikaseffect meeneemt en dit afzet tegen de uitstraling door de aarde dan ontstaat een model dat heel nauw overeenkomt met wat

19 februari 2020 41 Les 3: Feedbackloops, stralingsforcering en interpretatie AR5 diagram

Het modelleren en voorspellen van opwarming van de atmosfeer is vooral zo ingewikkeld omdat er a.) veel verschillende factoren zijn die een rol spelen en b.) omdat vrijwel al die factoren elkaar weer beïnvloeden. Soms versterken factoren elkaar en soms verzwakt de ene factor de andere.

Bron: internet

Een voorbeeld van factoren die elkaar versterken, een positieve feedbackloop, is het smelten van de ijskappen op aarde door de opwarming van die aarde. Door het smelten van ijs wordt de aarde donkerder (minder wit) en absorbeert meer zonlicht, tegelijk neemt de terugkaatsing van zonlicht door het ijs af, dus de opwarming neemt toe, waardoor het smelten weer toeneemt, enzovoort. Dit wordt de ijsalbedo-feedback genoemd. Een ander voorbeeld van een positieve feedbackloop is de waterdamp-feedback. Een warmere atmosfeer bevat meer waterdamp, daardoor neemt de IR- absorptie toe, daardoor stijgt de temperatuur, daardoor nog meer waterdamp, etc.

Een voorbeeld van een negatieve feedbackloop is als de verhoogde concentratie waterdamp in de atmosfeer plaatselijk leidt tot meer wolkenvorming. De wolken houden het inkomende zonlicht tegen waardoor de aarde afkoelt. Opwarming van de aarde leidt tot meer waterdamp in de atmosfeer, dat leidt plaatselijk tot meer wolkenvorming en dat leidt tot afkoeling van de aarde. Behalve broeikasgassen zijn er ook allerlei microscopisch kleine vaste deeltjes in de atmosfeer aanwezig, zogenaamde aerosolen. Als voorbeeld kun je denken aan roet, zwavel, as en andere stofdeeltjes die vrijkomen bij vulkaanuitbarstingen of grote bosbranden maar ook de ‘fijnstof’ die vrijkomt uit industrie en transport. Aerosolen hebben op twee manieren een effect op opwarming van de atmosfeer. Ten eerste reflecteren vaste deeltjes in de atmosfeer het inkomende zonlicht en ten tweede leiden aerosolen tot meer (en stabielere) wolken omdat de deeltjes minuscule

waterdruppeltjes in de atmosfeer beter in staat stellen om samen te clusteren. En wolken houden zonlicht tegen. Deze twee effecten van aerosolen zijn moeilijker te modelleren dan de effecten van broeikasgassen omdat broeikasgassen in de atmosfeer overal vrijwel dezelfde concentratie hebben (ze zijn ‘goed gemixt’) en daar ook lang blijven terwijl de concentraties van aerosolen van plaats tot plaats sterk verschillen en deze vaste deeltjes vaak al na een paar dagen door regen weer terug op aarde belanden.

De invloed die elk van deze factoren zelfstandig heeft op de energiebalans tussen inkomende- en uitgaande straling (en dus de opwarming of afkoeling van de aarde) heet stralingsforcering. In

19 februari 2020 42 klimaatmodellen wordt geprobeerd om zo nauwkeurig mogelijk te berekenen wat de

stralingsforcering is van elke factor en van alle factoren samen.

Groepsopdracht: IPCC AR5 diagrammen uitleggen aan elkaar. De klas wordt verdeeld in zes groepen van leerlingen. Er zijn drie verschillende opdrachten, dus twee groepen voeren dezelfde opdracht uit. Eén van beide groepen per opdracht presenteert na afloop zijn werk voor de hele klas. De opdracht voor elke groep is om samen een diagram te bestuderen, moeilijke begrippen eventueel op te zoeken en het diagram voor de klas uit te leggen in minimaal 2 en maximaal 5 minuten. Wat zie je op het plaatje? Wat betekenen de pijlen en termen?

Diagram één: IPCC AR5 – de belangrijkste drivers van klimaatverandering.

Aanvullende termen: SWR/LWR staat voor Short/Long Wave Radiation, Albedo is het ‘weerkaatsingsvermogen’ van oppervlaktes (letterlijk ‘witheid’).

Bron: IPCC AR5

Diagram twee: IPCC AR5 – feedbackloops

Aanvullende termen: GHG staat voor Green House Gas, Albedo is het ‘weerkaatsingsvermogen’ van oppervlaktes (letterlijk ‘witheid’).

19 februari 2020 43

Bron: IPCC AR5

Diagram drie: IPCC AR5 – Stralingsforcering 2011 versus 1750

Aanvullende termen: WMGHG staat voor Well-Mixed Green House Gases, Albedo is het ‘weerkaatsingsvermogen’ van oppervlaktes (letterlijk ‘witheid’). Anthropogenic betekent ‘door menselijk handelen’. Hele kleine effecten mag je weglaten.

19 februari 2020 44 Samenvatting van de drie lessen over de opwarming van de aarde

Bron: universiteit van Colorado

De gemiddelde temperatuur op aarde wordt bepaald door het evenwicht tussen inkomende energie uit zonlicht en de uitgaande energy van de warmte die door het aardoppervlak wordt uitgestraald naar de ruimte. Zonlicht is vooral zichtbaar licht dat niet door gassen in de atmosfeer wordt

geabsorbeerd. De uitstraling door de aarde is infraroodstraling met een langere golflengte, die door de meest voorkomende gassen in de atmosfeer stikstof, zuurstof en argon ook niet wordt

geabsorbeerd. Als het daarbij zou blijven dan zou de gemiddelde temperatuur op aarde -18 °C zijn, een onbewoonbare ijsplaneet. Het broeikaseffect, dat zorgt voor een temperatuur op aarde die leven mogelijk maakt, is afhankelijk van de aanwezigheid van hele kleine concentraties van gassen in de atmosfeer die wel infraroodstraling absorberen. Deze gassen zijn vooral koolstofdioxide,

waterdamp, methaan, lachgas, ozon, etc., allemaal moleculen waarvan de vibraties specifieke golflengtes van infraroodstraling absorberen. Het broeikaseffect bepaalt hoeveel energie de

atmosfeer verlaat en naar de ruimte wordt uitgestraald. Als de hoeveelheid energie die zo de top van de atmosfeer verlaat kleiner is dan de hoeveelheid energie die we ontvangen van de zon, dan warmt de aarde op totdat er zoveel energie wordt uitgestraald dat er weer een evenwicht optreedt.

Om de rol van broeikasgassen zoals koolstofdioxide te begrijpen moet je je een voorstelling maken van de troposfeer, de dunne laag van de atmosfeer die het dichts om de aarde heen ligt. In de troposfeer daalt de temperatuur naarmate je hoger komt. Botsingen tussen moleculen zorgen ervoor dat de energie van koolstofdioxide moleculen in evenwicht is met de andere gasmoleculen

eromheen, ze zijn met andere woorden even warm. De straling die wordt geabsorbeerd door de vibraties van koolstofdioxide verhoogt de energie in die moleculen en die energie wordt door emissie en door botsingen doorgegeven aan alle omringende moleculen die daardoor meer snelheid

(energie) krijgen. De overdracht van energie vindt plaats in alle richtingen, dus voor grofweg de helft weer terug richting aarde en voor de helft richting de ruimte. Dit proces van absorptie van

infraroodstraling en doorgeven van de energie aan andere moleculen vindt plaats in laag na laag van de troposfeer, in steeds koudere en ijlere lagen als je hoger komt. […] Wat uiteindelijk aan energie de ruimte in wordt gestraald is de infraroodstraling die niet wordt geabsorbeerd plus de straling die laag na laag voor de helft naar boven wordt doorgegeven en de bovenkant van de atmosfeer bereikt.

19 februari 2020 45 Extra materiaal over ozon, O3, een molecuul met twee gezichten

Het goede gezicht: Ozon in de stratosfeer

Het schadelijkste deel van de ultraviolette (UV) straling uit het zonlicht wordt tegengehouden door de ozonlaag die zich op ongeveer 15 tot 45 kilometer (de stratosfeer) hoogte bevindt.

Bron: internet, American Chemical Society

Daarnaast zorgt de ozonlaag voor het verticale temperatuurprofiel dat onze atmosfeer kenmerkt. Bij stijging vanaf het aardoppervlak neemt de temperatuur af, tot aan de ozonlaag in de stratosfeer, daar stijgt de temperatuur juist door de absorptie van Uv-straling door ozon, vervolgens gaat de daling van de temperatuur weer verder, wanneer de ozonlaag gepasseerd is. Deze temperatuur inverse werkt als een soort deksel op de atmosfeer.

Reactie van CFK’s met ozon

In de vorige eeuw zijn lange tijd Chloor-Fluor-Koolwaterstoffen (CFK’s) als drijfgassen voor spuitbussen en koelkasten gebruikt. Deze CFK’s bleken zeer schadelijk voor de ozonlaag. In de stratosfeer worden CFK’s namelijk afgebroken onder invloed van Uv-licht. Daarbij komt chloor vrij. Vrije chlooratomen (radicalen) reageren met ozonmoleculen, volgens het volgende

reactiemechanisme: Cl. + O 3  ClO. + O2 ClO. + ClO. Cl 2O2 Cl2O2 + UV-light  2 Cl. + O2 --- + 2 O3  3 O2

Volgens dit reactiemechanisme kan één vrij chlooratoom duizenden ozonmoleculen afbreken. Uiteindelijk verdwijnt het chlooratoom door neerslag uit de atmosfeer.

19 februari 2020 46 Uiteindelijk is in 1989 in VN-verband het Montreal Protocol tot stand gekomen: een wereldwijd verbod op toepassing van CFK’s. Dit is één van eerste succesvolle wereldwijde verdragen die een groot verschil hebben gemaakt voor (de gezondheid) van de mensheid. In 1995 heeft o.a. de Nederlander Paul Crutzen voor zijn bijdrage aan het onderzoek de Nobelprijs voor scheikunde gekregen. Sinds het verdrag is het ‘gat in de ozonlaag’ langzaam aan het herstellen.

In 2018 bleek dat het gemeten herstel trager verliep dan de modellen voorspelden. Na lang zoeken - en twijfel aan de modellen - bleek één fabriek in China nog CFK’s te produceren in een hoeveelheid die de vertraging in het herstel van de ozonlaag volledig verklaarde. De modellen bleken zo goed te zijn dat een ‘fout’ in de werkelijkheid de enige overgebleven verklaring bood. Nu ook deze laatste fabriek is gesloten wordt verwacht dat rond 2050 de ozonlaag weer compleet is.

Het slechte gezicht: Ozon in de troposfeer

In de troposfeer, dicht bij de aarde, en dan vooral boven steden en industriegebieden wordt ozon gevormd door chemische reacties. Vooral de fotolyse van stikstofoxiden (NOx) en reacties met

koolstofmonoxide (CO) en zogenaamde Volatile Organic Compounds (VOC’s) produceren een hoeveelheid ozon die schadelijk is voor het milieu, bovendien is ozon een sterk broeikasgas. Omdat de chemische reacties in de troposfeer vele stappen doorlopen en complex zijn, wordt hier alleen het netto-effect weergegeven voor de reacties met NO2 (1) en CO (2):

NO2 (onder invloed van zonlicht) + O2  NO + O3 CO + O2  CO2 + O.

O2 +O.  O3

19 februari 2020 47 Extra materiaal over klimaatontkenning, debat in de klas

Ondanks dat er een overwelgende consensus is onder wetenschappers over klimaatverandering en de impact van ons menselijk handelen daarop, is het toch nog zo dat er veel burgers, zelfs

wereldleiders zijn die een vorm van klimaatontkenning bezigen.

Bron: Climate change science: a modern synthesis

In het boek Climate change science: a modern synthesis, geschreven door G. Thomas Farmer en John Cook in 2012, worden vijf vormen van klimaatontkenning genoemd die veel voorkomen:

1. Valse experts, wetenschappers die zelf geen publicaties op het gebied van klimaatonderzoek op