Klimaatwetenschappers zijn het er over eens dat de aarde opwarmt doordat er steeds meer CO2 in onze lucht zit.
https://archive.ph/53ZTN#selection-1731.0-2084.0
Maar wat maakt CO2 zo bijzonder dat het inderdaad het klimaat kan veranderen?
De lucht om ons heen bestaat voor zo’n 99 procent uit stikstof en zuurstof, terwijl het percentage CO2 (koolstofdioxide) nog steeds maar 0,04 procent is. Maar dat kleine beetje CO2 heeft ontzettend veel effect, zegt NOS-weerman en klimaatwetenschapper Peter Kuipers Munneke (Universiteit Utrecht): „Onze aarde wordt verwarmd door de zon. In de avond staat de aarde die warmte ook weer af, maar in plaats van dat al die energie weer terug de ruimte in vliegt, wordt een deel tegengehouden door CO2. En hoe meer CO2 er is, hoe meer warmte de aarde vasthoudt.”
Dat tegenhouden op zich is niet de reden waarom de aarde opwarmt. Maar wel dat CO2 na verloop van tijd die warmte weer loslaat. ,,Die warmte gaat dan alle kanten op. Niet alleen verder de ruimte in, maar voor een deel ook terug naar de aarde,” aldus Kuipers Munneke. „Dat is dus warmtestraling die eerst door de aarde is teruggekaatst en de aarde eigenlijk zou verlaten. Maar nu door CO2 is tegengehouden en daarna nóg een keer op de aarde terechtkomt.”
Dat tegenhouden en loslaten van warmte doet CO2 doordat het op een bepaalde manier is opgebouwd. ,,Een molecuul CO2 bestaat uit een zuurstofatoom waar als een soort armpjes twee koolstofatomen aan vast zitten. Als daar warmtestraling tegenaan komt, gaat het molecuul vanzelf trillen. De stralingsenergie verandert dan dus in bewegingsenergie. Maar op een gegeven moment stopt die trilling. Dan wordt die bewegingsenergie weer stralingsenergie, en die gaat dus alle kanten op, óók terug naar de aarde.”
In tegenstelling tot CO2 bestaan stikstof- en zuurstofmoleculen niet uit drie maar slechts uit twee atomen. Daar heeft de warmtestraling geen effect op: ze gaan niet trillen. Daarom spelen die gassen geen rol in de opwarming van de aarde.
CO2, een molecuul bestaande uit één koolstofatoom en twee zuurstofatomen, vertoont drie primaire trillingspatronen: symmetrisch uitrekken (V1), asymmetrisch uitrekken (V3) en buigen (V2). Deze trillingen zijn niet zomaar willekeurige bewegingen, maar zijn specifieke manieren waarop het molecuul infrarode straling van de zon kan absorberen en opnieuw kan uitzenden. Het unieke aspect van het vermogen van CO2 om als broeikasgas te fungeren ligt in een kwantummechanisch fenomeen dat bekend staat als Fermi-resonantie.
Fermi-resonantie treedt op als gevolg van een toevallige afstemming tussen twee van de trillingsmodi van CO2. Deze resonantie verbreedt effectief het spectrum van infraroodstraling dat CO2 kan absorberen, waardoor het vermogen om warmte vast te houden in de atmosfeer van de aarde wordt vergroot. De analogie van een slinger met twee gewichten verbonden door een touwtje illustreert hoe de vibratiemodi van CO2 elkaars beweging kunnen versterken, wat leidt tot een verhoogde absorptie van infraroodstraling.
Ondanks dat CO2 slechts een klein deel van de atmosfeer van de aarde uitmaakt (ongeveer 0,04 procent), maakt het krachtige vermogen om infraroodstraling te absorberen en opnieuw uit te zenden het tot een cruciale speler in het broeikaseffect.
Dit effect wordt nog versterkt door het feit dat CO2-moleculen, eenmaal aangeslagen door infraroodstraling, de energie in alle richtingen opnieuw kunnen uitzenden, ook terug naar het aardoppervlak, waardoor extra warmte effectief wordt vastgehouden.