concentratie in de atmosfeer

Feit: CO

concentratie in de atmosfeer stijgt

Mauna Loa, Hawaii, U.S.A.

Barren lava field of an active volcano 19°32' N, 155°35' W

3397 m above MSL

bron: http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/sio-mlo.htm

Stijgende CO

concentratie in de atmosfeer

• Hoe komt dit

• Waar leidt het toe?

• Is het erg?

• Moeten we er iets aan doen?

• Zo ja, wat?

http://images-

eu.amazon.com/images/P/0521010 683.02.LZZZZZZZ.jpg

IPCC: Intergovernment Panel on Climate Change

• Wetenschappelijke organisatie,

• 1988: opgericht door de WMO (World Meteorological Organisation) en de UNEP (United Nations Environment Programme)

• 2007: Nobelprijs voor de Vrede, samen met Al Gore

• Doel: samenbrengen en evalueren van de wetenschappelijke kennis met betrekking tot:

• door de mens veroorzaakte klimaatverandering

• de impact daarvan

• de mogelijkheden voor aanpassing (adaptation) of neutraliseren (mitigation).

• Onderliggend doel: GEZAGHEBBENDE informatie / kennis

IPCC – Gezaghebbende informatie?

• 2009 - fouten in het IPCC-rapport

• Afsmelten van gletschers in de Himalaya

• Welk deel van Nederland onder de zeespiegel

• 2010 – Planbureau voor de Leefomgeving

• Hoofdconclusies blijven staan

• 2010 – KNAW / INW

• Werkwijze IPCC moet worden aangepast

Rigg’s Gletscher, Alaska

IPPC – vierde assessment rapport (2007)

• Eerdere Assessments in 2001, 1995 en 1990/1992

• IPPC: drie werkgroepen, waarvan Working Group I het belangrijkst:

• WG 1: “Physical Science Basis of Climate Change”

• WG 2: “Impacts, adaptation and vulnerability”

• WG 3: “Mitigation of Climate Change”

• Taskforce Greenhouse Gas Inventories

• Elk produceert een Assessment report

• En een Summary for Policy Makers

IPPC – WG1, vierde assessment (2007)

Hoofdconclusies uit Summary for PolicyMakers

• Warming of the climate system is unequivocal (p. 5)

• Most of the observed increase in globally averaged temperatures since the mid-20th century is very likely due to the observed increase in anthropogenic (human) greenhouse gas

concentrations. (p.10)

• The understanding of anthropogenic warming and cooling

influences on climate has improved since the [previous] TAR ...

• ... leading to very high confidence that the global average net effect of human activities since 1750 has been one of warming, with a radiative forcing of +1.6 [+0.6 to +2.4] W m^–2 (p. 3)

IPPC – WG1, vierde assessment (2007)

Hoofdconclusies uit Summary for PolicyMakers

• World temperatures could rise by between 1.1 and 6.4 °C (2.0 and 11.5 °F) during the 21^st century (table 3, p. 13) and that:

• Sea levels will probably rise by 18 to 59 cm (7.08 to 23.22 in) [table 3].

• There is a confidence level >90% that there will be more frequent warm spells, heat waves and heavy rainfall.

• There is a confidence level >66% that there will be an increase in droughts, tropical cyclones and extreme high tides.

• Global atmospheric concentrations of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide have increased markedly as a result of human activities since 1750 and now far exceed pre-industrial values over the past 650,000 years

• Both past and future anthropogenic carbon dioxide emissions will continue to contribute to warming and sea level rise for more than a millennium (p.17).

• In IPCC statements "most" means greater than 50%, "likely" means at least a 66% likelihood, and "very likely" means at least a 90% likelihood.

Zeespiegelstijging...?

Andere effecten – klimaatverandering (IPCC, 2007)

“2 graden doelstelling”

• United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) – Rio ’92 (inmiddels 192 landen)

• 1995 - present: Conference of the Parties (CoP)

• 1997 – Kyoto

• 2010 – Copenhagen

• G-8 (2009): streven naar maximale opwarming van 2 ^oC

• Is doelstelling EU klimaatbeleid

• Cruciaal voor stabiliteit van ons klimaat

• Vraagt dat [CO₂] < 450 ppm (nu: 390 ppm)

Deel II - De atmosfeer

Mondiale vervuiling:

(Versterkt) broeikas-effect Aantasting van de ozonlaag (spm1530)

Lokaal tot internationaal:

Verzurende emissies & smog (spm1530)

Dit college: inleiding broeikas-effect (spm1520)

“traditionele milieuproblemen vs. wicked problems”

De snelle koolstof-cyclus

“Living” Carbon

“Fossil” Carbon

“In-Use” Carbon

“Using fossil fuels

Kwantitatief

• Systeem aarde:

• Hoeveel koolstof zit in 1 ppmv atmosferisch CO2?

• Oplossing:

• Massa atmosfeer = 5.1 x 10¹⁸ kg (Trenberth, 1981 JGR 86:5238-46)

• Dan is 1 ppmv CO2 gelijk aan 2.13 Giga ton koolstof

• 2.13 Gigaton = 2.13 PetaGram (Pg) Koolstof

• de pre-industriële hoeveelheid CO₂ staat gelijk aan 2.13*288 = 580 [GtC]

Hoeveel koolstof in de atmosfeer is

afkomstig van fossiele brandstoffen?

Hoeveel koolstof in de atmosfeer is afkomstig van fossiele brandstoffen?

Drie bronnen

1. verandering van landgebruik 2. produktie van cement

3. verbranding van fossiele brandstoffen

tot 1850: concentratie van CO

lang constant, niet echt

beïnvloed door de mens

Hoeveel koolstof in de atmosfeer is afkomstig van fossiele brandstoffen?

Drie bronnen: 1850 – 2000

[Pg]

1. verandering van landgebruik: 154

2. produktie van cement: 6

3. verbranding van fossiele brandstoffen: 282

Totaal 442

atm. CO

van 288 naar 370 ppmv = 82*2.1 = 174

40%

Koolstof-balans aarde

• de pre-industriële hoeveelheid CO₂in de atmosfeer staat gelijk aan 2.13*280=580 [GtC]

• verandering landgebruik is al heel lang constant en 1.5 [Pg/jaar] (2000-2005)

• uitstoot fossiele brandstoffen, cement is toegenomen tot 8 Pg/jaar (2005)

Situatie 1990; Spiro, 1^e druk, p.127

Verandering van het klimaat

• Broeikaseffect

• mechanisme

• broeikasgassen

• toename concentratie, karakteristieken

• anthropogene oorzaak? Koolstof-cycli

• mogelijke effecten

• causaliteit

• Modelleren klimaatveranderingen

• Organisatie van het wereldwijde klimaatonderzoek en -beleid

• Beleidsdoelen

Economic system

Human activities - process industry - infrastructures

energy waste water

Interactie milieu ⇔⇔⇔⇔ menselijke activiteiten

Systemen:

1. Leren hanteren en analyseren

2. Ontwerpen van oplossingsstrategiëen

Temperatuurstijging?

• IPCC 1995: 0.3-0.6

C, sinds eind 19

eeuw.

Een duurzaam, stabiel klimaat?

Stijging?

Stijging?

De

toekomst?

De

toekomst?

Calibratie van de modellen (IPCC, 2007)

Figure SPM.4. Comparison of observed continental- and global-scale changes in surface temperature with results simulated by climate models using natural and anthropogenic forcings. Decadal averages of observations are shown for the period 1906 to 2005 (black line) plotted against the centre of the decade and relative to the corresponding average for 1901–1950. Lines are dashed where spatial coverage is less than 50%. Blue shaded bands show the 5–95% range for 19 simulations from five climate models using only the natural forcings due to solar activity and volcanoes. Red shaded bands show the 5–95% range for 58 simulations from 14 climate models using both natural and anthropogenic forcings. {FAQ 9.2, Figure 1}

De laatste 160.000 jaar

• Er lijkt een verband te zijn met CO

:

temperatuur temperatuur

CO

CO

interglaciaal



interglaciaal



interglaciaal



interglaciaal



CO

– en de industriële revolutie

1732-uitvinding van de stoommachine door James Watt

• Pre-industriële CO₂-contentratie 275 ppm.

• Sources

• gebruik fossiele energiedragers

• CO2, CH₄

• cement produktie

• landgebruik

• ontwatering, ontbossing: CO₂

• landbouw: N₂O

• Sinks

• biomassa (aangroei)

• oceanen (opname CO₂)

• Systeem: snelle koolstof-cyclus

Oorzaken van de TOENAME van het CO

gehalte in de atmosfeer

• I = P * A * T

• Exponentiële stijging van de WERELDBEVOLKING

• Dramatische toename van de WELVAART in de

geïndustrialiseerde landen; momenteel: India, China

• Oorzaak of gevolg (?): dramatische toename ENERGIEGEBRUIK uit eerst steenkool, later aardolie, nu ook aardgas

• NRC-Handelsblad, 22.11.2000

• BP Statistical Review World Energy Use

• 1991: 8.2 mrd. TOE,

• 2006: 10.9 mrd. TOE

• 2011: 12 mrd. TOE

Gevolgen van een TEMPERATUURstijging

• Stijging van de zeespiegel (ijskappen smelten)

• verwacht ~ 6 tot 99 cm stijging aan het eind 21^e eeuw

• stijging zal honderden miljoenen mensen treffen

• koraalriffen zullen afsterven

• atollen zullen verdwijnen in de oceaan

• toename van het aantal orkanen

• soortmigratie van planten en dieren

• vergrootte kans op tropische planten- en veeziekten

• verhoogde productiviteit van de landbouw

• E.e.a. al vastgesteld in 3^rd assessment, (IPCC, 2001)

• met nog grotere zekerheid te verwachten (IPCC, 2007)

Gevolgen van een TEMPERATUURstijging

• Pentagon wil een toekomst zonder koolstof ^(NRC,

18.02.04)

• “Klimaatverandering is:

• uiterst nijpende bedreiging voor de nationale veiligheid

• realiteit, en zal eerder en met dodelijker gevolgen toeslaan

• al in 2020 risico op: onderling verbonden rampen

• Mega-droogten, massale verhongering

• Regionale kernoorlog door twisten om schaarse hulpbronnen

• Kans: veranderingen voltrekken zich abrupt, in 3-5 jaar”

• kan leiden tot mondiale catastrofe en zelfs een ijstijd

• “Nederland in 2007 deels onbewoonbaar” doordat

extreme stormen de zeeweringen vernielen en het land onderloopt (NRC, 23.02.04)

CO

, temperatuur en zeespiegel.. correlatie?

De aarde warmt op!

Of toch niet?

• Periode 1940-1965?

Gemiddelde temperaturen; wereld 1890-1994

De aarde koelt af !

????

• Vanaf 1940 tot 1975 daalde de temperatuur… een halve graad

• CO₂-gehalte in dezelfde periode steeg

• 1975 U.S. Academy of Science: “als de afkoeling doorgaat, komt er een Grote Ijstijd”

• Plan om

extra

• Afsluiten van Beringstraat (SU & USA)

• Astronomisch gestuurde klimaatcycliciteit:

over enkele duizenden jaren komt er weer een ijstijd

Hoe komen we erachter?

• Modellen

• energie- en stralingsbalans van de aarde (thermodynamische effecten)

• atmosferische & zeewater circulatiepatronen (hydrodynamische effecten)

• snelle koolstofcyclus: ‘sources’ and ‘sinks’

(biologische en geochemische effecten)

• met veel beperkingen

• samengestelde effecten

• veel onzekerheden over de grootheden

• klimaat is niet mondiaal

Verwarring in de discussie

Wat vertelt een Energiebalans ‘Aarde’?

Is er een verstoorde energiehuishouding van de Aarde?

• Wordt die veroorzaakt door versterkt broeikaseffect?

• Wordt het versterkt broeikaseffect veroorzaakt door emissies van anthropogene oorsprong?

• Wat kan een energiebalans je vertellen?

• Hoe stellen we de energiebalans op?

• De vervolgvraag is: wat zijn de consequenties van een verstoorde energiehuishouding

Atmosfeer Aarde

Energiebalans aarde: systeemgrens

Energiebalans

• Boekhouden: wat gaat er door de systeemgrens?

• Wat zijn de uitgaande stromen?

• Wat zijn de ingaande stromen?

• Is er accumulatie?

Reflectie: 30%

Zon nes

traling

Atmosfeer Zon

Aarde

Zonn estra

ling

De aarde: Energie-instroom

Reflectie: 30%

Zonn estra

ling

Atmosfeer Zon

Aarde

Zonn estra

ling

Warmtestraling van oppervlak

Warmte straling

De aarde: Energiestromen

Energiestroom-UIT

Te begrijpen als straling van een Zwart Lichaam

Spiro, 2

druk p.146

• Zwart Lichaam straalt Energie uit

• Piek Intensiteit f(T)

• λ_piek= c/T_piek

• Zon: 6000K

• Aarde: 288K

• Intensiteit = f (T⁴)

• S = σT

• σ

Zon

Aarde

Reflectie: 30% Zon

nestr aling

Atmosfeer Zon

Aarde

Zonn estra

ling

Warmtestraling van oppervlak

Warmte straling

De aarde: een broeikas 2

• Energiebalans Aarde:

• In = zonnestraling

• Uit = warmtestraling (IR)

• Totaal = 0 (Evenwicht)

• Zonnestraling: “gegeven”

• Infrarood-uit:

• ~ (T_aarde) ⁴

• ~ absorptie CO₂; H₂O; CH₄

Energiebalans

• Instraling zon

• Zonne-energie op aarde = 324,5 [W/m²]

• Albedo (reflectiefactor) = 0.3

• S = (1-Albedo) × 324,5 = 240 [W/m²]

• Uitstraling Aarde

• S = kT⁴ = 5,67 × 10^-8 × T⁴ [W/m²]

• Gelijkstellen en oplossen:

• Taardoppervlak = 255 [K] = -18 [°C]

• Werkelijkheid

• Taardoppervlak = 288 [K] = +15 [°C]

• er is dus veel méér uitstraling van aardoppervlak

• Oorzaak: het broeikas-effect

Reflectie: 30%

Zonn estra

ling

Atmosfeer Zon

Aarde

Zonn estra

ling

Warmtestraling van oppervlak

Warmte straling

• Geen atmosfeer

T_aarde

= 255 K (-18

C)

• Met atmosfeer

T_aarde

= 288 K (+15

C)

De aarde: een broeikas

Broeikaseffect

Dus…

Het broeikaseffect is GEWENST, want

de temperatuur op de aarde blijft veel hoger dan anders het geval zou zijn geweest

(288 K = 15°C i.p.v. 255 K = - 18°C)

VERSTERKTE broeikaseffect is ONGEWENST, want

de gemiddelde temperatuur op aarde stijgt 1.1 tot 6 graden in de 21^ste eeuw

Broeikaseffect

• Definitie: “Het optreden van temperatuurverhoging door belemmering van infrarode straling.”

• Karakteristiek aarde

• De atmosfeer is vrijwel geheel doorlatend voor de straling van de zon; er vindt wel reflectie van zonnestraling door wolken en het aardoppervlak plaats

• De atmosfeer is maar beperkt doorlatend voor de door de aarde uitgezonden infrarode straling; een deel van de

uitgezonden straling wordt geabsorbeerd, en weer in alle richtingen uitgezonden; netto wordt dus IR straling naar de aarde teruggezonden!

Model: atmosfeer als “plaat”

die deel IR straling “terugkaatst ”

Aardoppervlak Atmosfeer S_{in, zon}

Grens met de ruimte

Suit, aardoppervlak Sterug, atmosfeer

Suit, atmosfeer

Atmosfeer als plaat

Aardoppervlak Atmosfeer Sin, zon

Grens met de ruimte

Suit, aardoppervlak Sterug, atmosfeer

Suit, atmosfeer

Golflengte spectrum

• Van gamma en rontgen, via zichtbaar licht, naar

infrarood, microgolven, en radiogolven

Elektromagnetische straling

Naar toenemende golflengte:

• gammastraling

• röntgenstraling

• ultraviolet

• zichtbaar licht

• infrarood

• microgolven (radar)

• radiostraling

Versterkt broeikas-effect?

• Infrarode straling (IR) wordt geëmitteerd door het

aardoppervlak

• IR wordt geabsorbeerd &

verspreid door moleculen in atmosfeer- “broeikasgassen”

• Slechts klein “atmospheric window” wordt direct

doorgelaten

• Gassen met absorptie in dat

“window” zijn meest sterke broeikasgassen

Spiro 1

druk, p.121

Golfgetal:

Golfgetal:

H₂O CO₂ CH₄ O₃

Atm.

Window

Atm.

Window H₂O

CO₂ CH₄ O₃

H₂O CO₂ CH₄ O₃

Karakteristieken broeikasgassen

CO₂ CH₄ N₂O CFK11

pre-industr. conc. [ppm] 270 0,70 0,29 0

huidige concentr. [ppm] 385 1,7 0,31 0,00028

jaarlijkse toename [%] 0,5 0,9 0,25 4

atmosf. levensduur [jaar] 50-200 10 150 65

GWP (CO₂ = 1) 1 25 298 4750

GWP is een functie van “Atmospheric Window”, (toename) concentratie en levensduur in de atmosfeer

Global Warming Potential (# Radiative Forcing!)

GWP maakt mogelijk om gassen te vergelijken GWP: is gedefinieerd als:

het effect van één ton broeikasgas op de temperatuurstijging

genormaliseerd op het effect van één ton CO₂

Duiding effect broeikasgassen voor beleidsmakers; Hoe?

• Gebruik de energiebalans van de aarde

• Dit is een stralingsbalans; in=uit= +/- 240 [W/m²] gemiddeld over de gehele aarde

• Vertaal emissie van broeikasgassen naar effect op de gemiddelde globale (wereld) energiebalans

• Radiative forcing [W/m²]: netto bijdrage aan inkomende straling of vermeden uitgaande straling

• Berekend uit/met uitgebreide klimaatmodellen

Radiative forcing [W/m

]

Zie Spiro 1

druk pag. 123

Radiative Forcing – stand van zaken (IPCC, 2001)

• Figuur 6.11 uit Spiro

• (IPCC, "Summary for Policy Makers", 2001; http://www.unep.ch/ipcc/pub/spm22-01.pdf).

Radiative forcing (IPCC, 2007)

Energiebalans Aarde

een onoverzichtelijk plaatje uit Spiro

• Spiro, 2

druk p. 148

Wolkvorming

• Wolken reflecteren zonlicht

• ,, absorberen zonlicht

• ,, geven IR-straling af

• Al het materiaal in de atmosfeer

• zendt IR straling uit in alle richtingen

• wordt opgewarmd door verdamping & thermiek

• opname en “scattering” van IR-straling afkomsting

van het aardoppervlak

Koppelingen

• Waterdamp

• Ijs-albedo

• Wolken

• Oceaanstromingen

• Hydrologische kringloop

• Verwoestijning-albedo

Koppelingen – via koolstof

• Biosfeer

• CO

in oceanen

• Permafrost

• Verdroging/bosbranden

• Organisch materiaal bodem