Klimaatverandering: waarom de oceanen er toe doen Understand article

De rol van onze oceanen bij de klimaatverandering is veel ingewikkelder dan je zou denken.

Afbeelding met dank aan Dirk Dallas; bron van afbeelding: Flickr

De oceanen op aarde zijn echt uitgestrekt, ze bedekken 71% van de oppervlakte van de aarde en bevatten 97% van het water op aarde. Als we bekommerd zijn over de factoren die van invloed zijn op het algemeen klimaat, moeten we eveneens de oceanen bekijken.

Zoals met de meeste domeinen van de klimaatverandering (dat is een verandering van de gemiddelde temperatuur aan het oppervlak van de aarde), is de rol die de oceanen spelen ingewikkeld. De belangrijkste betrokken factoren zijn de bestanddelen die de oceaan laat ontsnappen (met waterdamp) in de atmosfeer, koolstofdioxide opgelost in zeewater en de rol van de oceanen als warmtereservoir.

Waterdamp: opwarming of afkoeling?

Wanneer we nadenken over de gassen die betrokken zijn in de klimaatverandering, denken we meestal aan koolstofdioxide en soms aan enkele andere gassen in de atmosfeer zoals methaan. Die gassen dragen bij aan het broeikaseffect door het opslorpen en opslaan van infrarode energie (warmte) aan het oppervlak van de aarde. In feite is geen van deze het sterkste broeikasgas In de atmosfeer maar wel het eenvoudig H2O in de vorm van waterdamp (figuur 1).

Waterdamp in de atmosfeer absorbeert 36–85% van de infrarode energie die de aarde verlaat. Vergelijk dat met de veel lagere cijfers van 9–26% geabsorbeerd door koolstodioxide (CO2 en 4–9% door methaan (CH4). De voornaamste bron van waterdamp in de atmosfeer is de verdamping in de oceanen.

Alhoewel waterdamp een groot effect heeft op hoeveel warmte onze planeet behoudt, heeft het alleen een invloed op het klimaat omwille van het toenemen van de warmte van de andere broeikasgassen zoals CO2 en CH4. Als er geen dergelijke broeikasgassen zouden zijn in de atmosfeer, zou de gemiddelde temperatuur van het oppervlak van de aarde heel wat kouder zijn – rond -18 °C – en zou heel weinig water verdampen in de atmosfeer. De aanwezigheid van broeikasgassen in de atmosfeer doet de temperatuur van het oppervlak van de aarde toenemen wat leidt tot verdamping van water. Dit op zijn beurt doet het opwarmen verder toenemen omwille van het broeikaseffect van de waterdamp en zo verder. Deze vicieuze cirkel waarin verschillende factoren elkaar aandrijven wordt een positieve terugkoppelinglus genoemd.

Maar waterdamp heeft ook een omgekeerd effect: meer waterdamp in de lucht betekent meer wolken. Wolken kaatsen veel van het binnenkomend zonnelicht terug in de ruimte, zo een afkoelend effect veroorzakend dat het globaal klimaat in de tegengestelde richting van het broeikaseffect doet bewegen. Heden is het netto effect van de wolken dat het oppervlak van de aarde met ongeveer 5°C afkoelt maar we weten niet welke van deze twee tegenstrijdige factoren – het opwarmend of het afkoelend effect van de waterdamp – het zal halen in een warmer klimaat.

Figuur 1: jaarlijkse gemiddelde waterdampconcentraties aan het oppervlak van de aarde
Met dank aan RG Derwent, RD Scientific, VK

Andere bestanddelen in de oceaan

Naast de waterdamp laten de oceanen nog andere bestanddelen vrij in de atmosfeer die bijdragen tot de verandering van het klimaat. Sommige bestanddelen die ontsnappen uit de oceanen maken kleine deeltjes aan in de atmosfeer, die optreden als kiemen voor deolken die toelaten dat waterdamp condenseert en wolken gevormd worden.

Een van de belangrijkste bestanddelen voor kiemen voor wolken in de atmosfeer is dimethyl sulfide (CH3SCH3), a zwavel bestanddeel gemaakt door fytoplankton (plankton lijkend op planten) in de oceanen. Het verdampt gemakkelijk in de atmosfeer, waar het oxideert  en zwaveldioxide (SO2) en methaanzwavelzuur (MZZ) vormt. Het zwaveldioxide  combineert met water in de atmosfeer om zwavelzuur te vormen en zo  sulfaationen, SO42-, te bekomen. Deze en het MZZ zijn zeer effectieve  kiemen die  waterdamp laten condenseren in druppels en zo leiden tot het vormen van wolken.

Een andere groep van bestanddelen die de atmosfeer binnen komen uit de oceanen zijn de organohalogenen – zoals methylchloride (CH3Cl). Zoals de synthetische tegenhangers (bijvoorbeeld de chlorofluorokoolstoffen of CFKs), bevorderen organohalogenen de afbraak van ozon in de stratosfeer door deel te nemen aan de fotochemische reacties met ozon. Ozon heeft een belangrijke rol in het absorberen van binnenkomende zonnestraling en het ons te helpen beschermen tegen UV licht, maar is ook een sterk broeikasgas – en wordt zoals koolstofdioxide geproduceerd door menselijke activiteit. In feite is de toename van ozon sedert het begin van de industrialisatie in de laatste 200 jaar te wijten voor ongeveer 15% van het volledige anthropogene (door de mens veroorzaakte) broeikaseffect. Door de oceanen veroorzaakte bestanddelen met organohalogenen dragen zo bij aan een vermindering van de globale opwarming door het verminderen van de concentratie van de ozon in de atmosfeer.

Opgelost CO2: het weglopend broeikaseffect

De oceanen hebben ook een levensbelangrijke rol bij het absorberen van CO2. Koolstofdioxide losgelaten bij het verbranden van fossiele brandstoffen en andere activiteiten van de mens zowel als van de biosfeer wordt geabsorbeerd ofwel in de atmosfeer of in de oceanen.

Alhoewel de atmosfeer van de aarde een 3 triljoen (3 x 1012) ton koolstofdioxide bevat, is ongeveer 50 keer meer CO2 aanwezig in de oceanen.

In het oppervlak van de oceaan lost koolstofdioxide van de atmosfeer op in het water. Daar reageert het met water om koolzuur (H2CO3), waterstofcarbonaa (bicarbonaat, HCO3) en carbonaat (CO32-) ionen te vormen:

CO2(g)            +            H2O(l)            →            H2CO3(aq)

H2CO3(aq)      ⇌            HCO3 (aq)     +            H+ (aq)

Deze reacties verminderen de hoeveelheid CO2, zodat meer CO2 geabsorbeerd wordt uit de atmosfeer.

Opgelost CO2 aan de oppervlakte wordt daarna verspreid door de diepten van de oceaan door een proces  die de oplosbaaarheidspomp genoemd wordt. Omdat CO2 meer oplosbaar is in koud water dan in warm water (figuur 2), en de oceaandieptes kouder zijn dan de oppervlakte , wordt CO2 weggetrokken van het oppervlak naar dieper water.

Als er een toename is van de temperatuur van de oceaan te wijten aan de klimaatverandering, zal er meer koolstofdioxide losgelaten worden omwille van zijn lagere oplosbaarheid bij hogere temperaturen. De extra CO2 zou bijdragen aan het broeikaseffect, de emperatuur van de oceaan steeds meer doen stijgen en nog meer koolstofdioxide vrijmakend, en zo verder – een andere positieve  terugkoppelinglus  makend die kan leiden tot een op de drift geslagen broeikaseffect.

Figuur 2: de oplosbaarheid van koolstofdioxide neemt af met de toenemende temperfalls with increasing temperature
Met dank aan Nicola Graf; gegevensbron: Handbook of Chemistry & Physics (1953), CRC

Het opslorpen van hitte

De grote uitgestrektheid van de oceanen is een sleutelfactor  in hun rol in de klimaatsverandering. Het bepaalt hoeveel van de overschot van warmte voortgebracht door de globale opwarming opgenomen kan worden door de oceanen – in feite veel meer dan door de atmosfeer.

We kunnen een berekening doe nom de stijging van de temperatuur te vergelijken van de oceanen en de atmosfeer wanneer dezelfde hoeveelheid warmte toegevoegd wordt aan beiden (zie doos). Deze berekening laat zien dat de warmtecapaciteit van de oceanen ongeveer 1000  keer die is van de atmosfeert, zodat de oceanen een veel lagere stijging  in temperatuur zullen vertonen voor dezelfde hoeveelheid warmte energie die geabsorbeerd is. Dit betekent dat de tijdsschalen voor klimaatsverandering vooral gedreven worden door de thermale massa van de oceanen, niet door deze van de atmosfeer. Natuurlijk betekent dit niet dat de temperatuur niet zal stijgen – maar het betekent wel dat de tijdschaal heel wat langer zal zijn dan over het algemeen aangenomen werd.

De wereld opwarmend: een berekening

We kunnen vergelijken hoe de temperatuur van de atmosfeer en de oceanen zouden stijgen als dezelfde hoeveelheid warmte zou toegevoegd worden aan beiden. Om de dingen eenvoudig te houden, zullen we overal ongeveer  dezelfde cijfers gebruiken. (De soortelijke warmte van een stof is de hoeveelheid energie nodig om de temperatuur van elke kilogram met een kelvin (K) – welk hetzelfde is als een graad Celsius.)

Massa van de oceanen van de aarde

Soortelijke warmte van zeewater

Warmtecapaciteit van de oceanen

= 1.3 x 1021 kg

~ 4.0 x 103 J kg-1 K-1

~ 1.3 x 4.0 x 1024

= 5.2 x 1024 J K-1

So, 5.2 x 1024 J energie nodig zijn om de temperatuur van de oceanen te doen stijgen met 1 K.

Vergelijk dit met de warmtecapaciteit van de atmosfeer:

Massa van de atmosfeer van de aarde

Soortelijke warmte van lucht

Warmtecapaciteit van de atmosfeer

= 5.1 x 1018 kg

~ 1.0 x 103 J kg-1 K-1

~ 5.1 x 1.0 x 1021

= 5.1 x 1021 J K-1

Zo zal ongeveer 5 x 1021 J energie nodig zijn om de temperatuur van de atmosfeer te doen stijgen met 1 K.

Zo kunnen we zien dat de verhouding:

warmtecapaciteit van oceanen / warmtecapaciteit van de atmosfeer = 5,2 x 1024 / 5,1 x 1021   ~ 1000 J K-1

Dit betekent dat bij een snelheid van opwarmen van 1 W (1 J s-1) per vierkante meter aan het oppervlak van de aarde  (ongeveer 5,1 x 108 km2), het ongeveer 116 dagen zal duren om een stijging in temperatuur van 1 K (of 1 °C) in de atmosfeer te veroorzaken – maar 324 jaar om dezelfde stijging te veroorzaken van de temperatuur van de oceaan.

Oceanen en de toekomst

Zo welke rol spelen de oceanen in de klimaatverandering? Het antwoord is complex. Verbindingen losgelaten uit de oceanen kunnen zowel bijdragen tot het opwarmen van het klimaat, door te werken als broeikasgassen , als tot het afkoelen van het klimaat, door het toenemen van wolken. De oceanen zelf kunnen warmte opslorpen en als een reservoir optreden voor koolstofdioxide – maar als de temperatuur van het water stijgt, kan een positieve terugkoppelinglus optreden. Tot nu toe, is de netto impact van onze oceanen op de klimaatverandering niet klaar, maar wetenschappers gaan verder met het bestuderen van al die systemen zodat meer complexe modellen ontwikkeld worden en we een beter idee krijgen van de toekomst van onze planeet.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Al de auteurs zijn van de School van Chemie aan de Universiteit van Bristol, VK. Tim Harrison is de Wetenschap Communicator in Residence, Dudley Shallcross is de Professor van Atmospherische Chemie en Anwar Khan is de  Senior Onderzoek Associate van de Atmospherische Chemie Onderzoek Groep.


Review

Dit artikel geeft een duidelijk overzicht van de rol dat de oceanen spelen in de klimaatverandering.  In het bijzonder, bespreekt het artikel het effect van verbindingen zoals waterdamp, het mogelijk uit de hand lopend broeikaseffect van opgelost CO2, en de verschillende warmtecapaciteit van oceanen en de atmosfeer.

Di artikel kan gebruikt worden om een link te leggen tussen chemie, biologie en aardrijkskunde, en behandelt onderwerpen zoals het broeikaseffekt en de watercyclus.


Enrico Capaccio, Liceum S Bellarmino, Italië




License

CC-BY