Het broeikaseffect zorgt voor opwarming van de aarde. In de van Dale wordt het vertaald als ongewenste temperatuurstijging op aarde door een teveel aan broeikasgassen in de atmosfeer. Het broeikaseffect zo blijkt is al 200 jaar geleden ontdekt.
In een krantenartikel uit de jaren vijftig werd al geschreven: gevolg van industrialisatie: aarde wordt steeds meer een broeikas maar nu blijkt dat het broeikaseffect al 200 jaar geleden ontdekt is al werd het niet zo genoemd. Een eerste beschrijving ervan werd in 1824 gepubliceerd door de Franse wis- en natuurkundige Joseph Fourier waarin hij stelt dat de atmosfeer mogelijk warmtestraling vasthoudt. De ontdekking van het broeikaseffect is geboren.
Klimaatverandering: 200 jaar jonge wetenschap
De klimaatwetenschap wordt nogal eens voorgesteld als een jonge wetenschap, maar de basis ervan werd al in de negentiende eeuw gelegd door beroemde natuurkundigen zoals Fourier en Tyndall. Fourier wilde geschiedenis schrijven als de wetenschapper die het standaardwerk over warmte zou schrijven. Het klimaat zag hij dan ook vooral als interessant onderwerp om zijn ideeën over warmte op los te laten. Al is dat allesomvattende werk over warmte er nooit gekomen, hij heeft belangrijke bijdragen geleverd aan de wis- en natuurkunde, waaronder dus ook klimatologie.
Jean-Baptiste Joseph Fourier (Bron: A.F.B. Geille naar J. Boilly)
Het broeikaseffect
Eén van de onderwerpen waar Fourier over nadacht was de warmtehuishouding van de aarde. Hij vroeg zich onder meer af hoe het kon dat het noordpoolgebied in de winter, als er helemaal geen zonlicht op viel, niet veel meer afkoelde. Daarbij liet hij zich inspireren door experimenten die de Zwitserse alpinist en onderzoeker Horace Bénédict de Saussure zo’n 50 jaar eerder had gedaan. Saussure trok de bergen in en wilde meten of het zonlicht intenser wordt naarmate je hoger komt. Daarvoor gebruikte hij een zogenaamde heliothermometer: een kistje met een thermometer erin, dat was afgedekt met drie glasplaten boven elkaar en aan de binnenkant was geïsoleerd met kurk en zwart was gemaakt om zoveel mogelijk zonlicht te absorberen. Behalve een meetinstrument was het ook een zonne-oventje. Saussure kon er water in koken om tijdens zijn bergtochten thee te zetten.
Tekening van de helio-thermometer van De Saussure uit 1774
Infrarood straling
Het bestaan van warmtestraling ofwel infrarood straling werd in 1800 ontdekt door William Herschel. Straling was in die tijd weliswaar nog grotendeels een onbegrepen fenomeen, maar het was wel bekend dat glas zonlicht wel doorliet, maar warmtestraling (door Fourier “obscure warmte” genoemd) niet. Dat bracht Fourier op een idee: als dat voor glas geldt, waarom dan niet voor de atmosfeer van de aarde?
De stralingsbalans
Fourier begreep hoe belangrijk straling is voor de temperatuur van het aardoppervlak. Dat is een ander belangrijk inzicht van hem, dat van wezenlijk belang is te begrijpen hoe ons klimaat werkt en hoe de aarde kan opwarmen of afkoelen. De aarde wordt omgeven door een laagje lucht, met daarbuiten lege ruimte. Straling is de enige vorm van energie die door die lege ruimte kan bewegen, daarom kan de aarde alleen door middel van straling energie uitwisselen met het heelal. De aarde ontvangt straling in de vorm van zonlicht en raakt energie kwijt door warmtestraling uit te zenden naar het heelal. Als die twee gelijk zijn aan elkaar, dan hebben we een stabiel klimaat. Gaat er minder warmtestraling uit dan dat er zonlicht binnenkomt, dan warmt de aarde op, en als het andersom is koelt de aarde af. Ook andere factoren werden door Fourier meegenomen. Hij berekende bijvoorbeeld dat de hoeveelheid energie vanuit diepere aardlagen een verwaarloosbaar kleine invloed heeft op de temperatuur van het aardoppervlak. Wel dacht hij dat andere sterren dan de zon ook substantieel bijdragen aan de energiehuishouding van de aarde maar dat bleek niet zo te zijn.
De atmosfeer als deken
Het grootste deel van het zonlicht kan door de atmosfeer de aarde bereiken, dat is met het blote oog te zien. Die straling wordt voor het grootste deel geabsorbeerd door het aardoppervlak, die de energie weer uitstraalt als warmte straling. Fourier veronderstelde dat deze “mysterieuze” warmtestraling van de aarde deels tegengehouden zou kunnen worden door de atmosfeer. Dat zou betekenen, zo redeneerde hij, dat het aardoppervlak warmer is dan wanneer warmtestraling ongehinderd door de atmosfeer zou kunnen passeren. Hij wist dat de hoeveelheid energie in straling toeneemt met de temperatuur, al was de exacte relatie hiertussen nog niet bekend. Stefan en Boltzmann, naar wie die belangrijke relatie is genoemd, waren nog niet eens geboren.
Uitstoot van broeikassen (foto: John Dalhuijsen)
Wetenschappelijk bewijs
Fourier kon zijn idee over het broeikaseffect van de atmosfeer niet bewijzen. Zijn idee werd vooral een inspiratiebron voor andere wetenschappers. In 1856 deed de Amerikaanse Eunice Newton Foote een paar eenvoudige experimenten. Ze plaatste glazen cilinders, gevuld met verschillende gassen, in de zon en mat de temperatuur. Cilinders met CO2 en met vochtige lucht bleken warmer te worden dan cilinders met droge lucht en zonder CO2. Zij was de eerste die stelde dat CO2 wel eens heel belangrijk zou kunnen zijn voor klimaat op aarde. Het was onvoldoende om hard bewijs te leveren voor het broeikaseffect. Dat deed de Ier John Tyndall enkele jaren later. Hij toonde met een uitgebreide serie experimenten aan dat gassen als CO2 en waterdamp warmtestraling absorberen. Daarmee werd het idee van Fourier bevestigd.
Hoe verder
Natuurlijk bewees Tyndall nog niet dat het klimaat opwarmt door onze uitstoot van broeikasgassen. Die uitstoot was in zijn tijd ook nog heel laag. Sindsdien is de kennis over het klimaat en veranderingen daarin enorm toegenomen. Dat is onder andere te danken aan de komst van allerlei nieuwe meet- en analysetechnieken zoals satellieten die de aarde vanuit de ruimte observeren en supercomputers die ingewikkelde klimaatberekeningen mogelijk maken. De basis van nu werd dus 200 jaar geleden gelegd door Fourier. (bronartikel: KNMI, Bart Verheggen en Hans Custers)
Krantenartikel uit de jaren 50 (bron: Volkskrant, 29 dec 1956)
