Kooldioxide en het klimaat 039 1 Kooldioxide en het klimaat Inleiding Kooldioxide (CO 2 ) is een kleurloos, onbrandbaar en reukloos gas met een zwak zure smaak dat van nature aanwezig is in de atmosfeer. Hoewel de concentratie van dit sporegas laag is (circa 345 ppm in 1985), is het van groot belang voor het leven op aarde. Het is een noodzakelijke voedingsstof voor planten en daardoor ook voor mensen en dieren. Kooldioxide speelt ook een belangrijke rol in de stralingsbalans van de aarde; zonder kooldioxide zou de gemiddelde temperatuur op aarde ongeveer 30 C lager zijn dan nu het geval is. Chemische en fysische eigenschappen Structuurformule O=C=O Relatieve molecuulmassa 44,01 Dichtheid (bij 0 C en 101 kpa) 1,976 g/l Sublimatiepunt (bij 101 kpa) 78,5 C Oplosbaar in water (onder gedeeltelijke vorming van het zwakke zuur H 2 CO 3. De ph-waarde van een verzadigde CO 2 -oplossing bij kamertemperatuur en 101 kpa is 3,7. Naast het normale stabiele koolstofisotoop met een massa van 12 komt in kooldioxide het radioactieve isotoop voor met een massa van 14 en een halfwaardetijd van ca. 5568 jaar. Vast kooldioxide is bekend onder de naam droog ijs.
039 2 Kooldioxide en het klimaat De CO 2 -problematiek De kern van de CO 2 -problematiek is gelegen in de afhankelijkheid van de aardse stralingsbalans van het atmosferisch CO 2 -gehalte. Uit metingen blijkt dat het CO 2 -gehalte van de atmosfeer stijgende is. Nu leren modelberekeningen dat, wanneer het CO 2 -gehalte tot circa 600 ppm gestegen zal zijn, de gemiddelde temperatuur op aarde 2 tot 4 C hoger zal zijn, waarbij de stijging aan de polen het hoogst is (8 à 9 C) en aan de evenaar het laagst. Als een dergelijke temperatuurverandering optreedt dan zal dit grote gevolgen hebben voor het klimaat en daardoor ook voor een groot aantal maatschappelijke sectoren. De stijging van het CO 2 -gehalte wordt vooral toegeschreven aan de verbranding van fossiele brandstoffen. Bij de volledige verbranding van fossiele brandstoffen ontstaan namelijk in hoofdzaak kooldioxide en water. De voorraden (in het bijzonder steenkool) zijn zeer groot, zodat bij een steeds voortdurende afhankelijkheid van de wereldenergievoorziening van fossiele brandstoffen het atmosferische CO 2 -gehalte hoog kan worden met alle gevolgen van dien. Aan de Zweedse onderzoeker Arrhenius komt de eer toe als één van de eersten reeds in 1896 gewezen te hebben op het gevaar van klimaatveranderingen ten gevolge van het gebruik van fossiele brandstoffen. Betrouwbare metingen van het CO 2 -gehalte van de atmosfeer vinden pas plaats sinds 1957-1958 en eerst in de laatste tien jaren is internationaal het onderzoek rond de CO 2 -problematiek goed op gang gekomen. Hierna zal schetsmatig een aantal facetten van de problematiek beschreven worden. Het atmosferische CO 2 -gehalte en de mondiale koolstofkringloop Geschat wordt dat in de periode van 1800 tot 1985 het atmosferische CO 2 -gehalte met ongeveer 25% is gestegen. De toeneming in de atmosfeer is echter minder dan de helft van wat op basis van ontbossingen en fossiel brandstofverbruik mogelijk was. Een deel van het vrijgekomen kooldioxide wordt kennelijk door andere koolstofreservoirs opgenomen. De belangrijkste reservoirs die daarvoor in aanmerking komen zijn
Kooldioxide en het klimaat 039 3 de oceaan en de aardse biosfeer, inclusief de bodem. Tussen atmosfeer, oceaan en biosfeer bestaan vele en ingewikkelde uitwisselingssystemen voor kooldioxide. Deze uitwisselingssystemen moeten zeer goed begrepen worden, wil men betrouwbare voorspellingen kunnen doen over het toekomstige CO 2 -gehalte van de atmosfeer. Een groot deel van het onderzoek richt zich dan ook op de analyse en beschrijving van de koolstofcyclus, waarin kooldioxide een belangrijke plaats inneemt. Een schematische voorstelling van de koolstofkringloop is in figuur 1 geschetst. Tot 1973 nam de emissie van kooldioxide uit fossiele brandstoffen jaarlijks met ongeveer 4,4% toe, daarna met een lager percentage en sinds 1979 is de emissie betrekkelijk constant gebleven op circa 5000 miljoen ton koolstof per jaar. Vooral de sterk opgelopen energieprijzen en de daaruit resulterende vraagvermindering naar energie, efficiënter energiegebruik etcetera, zijn daar debet aan. Het valt moeilijk te voorspellen of in de toekomst de CO 2 -emissies uit fossiele brandstoffen weer zullen stijgen of niet. De meningen van de deskundigen voor de hoogte van de emissie in 2025 lopen uiteen van 2000 miljoen tot 20.000 miljoen ton koolstof per jaar. Het belangrijkste reservoir waarin kooldioxide wordt opgenomen is de oceaan. De processen die zich daarbij afspelen worden sterk beïnvloed door oceaanstromen en door chemische en biologische factoren. Dit maakt het ontwikkelen van betrouwbare modellen, gebaseerd op meetgegevens nogal moeilijk. Het gevolg hiervan voor de beschrijving van de koolstofcyclus is dan ook dat deze voorlopig nog gekenmerkt wordt door onzekerheden. Nog grotere onzekerheden bestaan ten aanzien van de uitwisseling van kooldioxide tussen de atmosfeer en de biosfeer. De schattingen over de bijdrage aan de CO 2 -emissies naar de atmosfeer door ontbossingen lopen uiteen van circa 500 miljoen ton koolstof per jaar tot circa 2500 miljoen ton koolstof per jaar. Vrij algemeen wordt erkend dat nader onderzoek naar de CO 2 -uitwisseling tussen atmosfeer en biosfeer urgent is.
039 4 Kooldioxide en het klimaat 0869-051 stratosphere ~17-55 km natural balance photosynthesis CO 2 CO 2 CO, CH 4 CO proposphere ~16 km fossil fuel emissions CH4 agricultural conversion CO 2 CO 2 deforestation and succession CO2 CO, CH4 CO2 respiration CH 4 weathering (CH 2O) n DIFFUSION erosion (CH2O)n mixed layer ~75 m mixing upwelling downwelling photosynthesis H + Ca + + = (CH2O)n + O2 2HCO3 = H2 O + CO2 + CO3 buffer effect deep respiration ocean ~3700 m peat deposition coal oil and gas marine sediments Ca(HCO3) 2 organic C CaCO3 sedimentary rocks igneous rocks magma decomposition dead organic matter Figuur 1. Schematische voorstelling van de mondiale koolstofkringloop (bron: ref. 2). De klimaatverandering door kooldioxide Kooldioxide in de atmosfeer laat het op de aarde invallende zonlicht vrijwel ongehinderd passeren. De aarde verkeert in een stralingsevenwicht met haar omgeving doordat zij het geabsorbeerde zonlicht omzet in warmtestraling met langere golflengten, die ten dele wel door kooldioxide wordt geabsorbeerd. Daardoor wordt de dampkring als het ware van onderaf opgewarmd. De door het atmosferische kooldioxide geabsorbeerde straling wordt echter ook weer uitgestraald, zowel naar boven als naar het aardoppervlak. Het netto effect is dat de onderste lagen van de atmosfeer warmer worden en de bovenste kouder. Dit verschijnsel wordt het broeikaseffect genoemd. Ook andere gassen als water, methaan, lachgas en gehalogeneerde koolwaterstoffen vertonen dit effect.
Kooldioxide en het klimaat 039 5 Verschillende typen modellen zijn door de klimatologen ontwikkeld om modelmatig de klimaatverandering als functie van het CO 2 -gehalte te bestuderen. Het meest geavanceerd zijn de zogenaamde driedimensionale algemene circulatiemodellen, waarbij met veel processen in de dampkring rekening gehouden kan worden. Problematisch is nog wel hoe de wolken in de modellen zijn op te nemen. Omdat de oceanen een grote invloed op het klimaat uitoefenen vanwege de opnamemogelijkheid van warmte en het transport daarvan, wordt in het onderzoek ook veel aandacht gegeven aan het opnemen van de oceaan in de algemene circulatiemodellen. Hoewel er nog veel te verbeteren valt aan de modellen wijzen de resultaten van de berekeningen in de richting van een sterkere opwarming aan de polen dan aan de evenaar, waarbij vooral in de winters de temperatuurstijging veel hoger is dan in de zomer. De temperatuurstijging zal in het Noordpoolgebied sterker zijn dan in het Zuidpoolgebied. Vochtige warme lucht zal tot op hogere breedten doordringen zodat de neerslag aldaar toeneemt, maar in de zomer zullen de perioden van droogte verlengd worden. De modellen geven wel globaal de mondiale klimaatverandering aan, maar tot welke effecten dit aanleiding geeft in een bepaalde regio is daarmee nog weinig zeker. Mondiaal wordt een temperatuurstijging waargenomen die niet in tegenspraak is met de resultaten van de modelberekeningen, maar deze stijging valt nog in de natuurlijke variatie en het is nog niet gelukt op ondubbelzinnige wijze aan te tonen dat de temperatuurstijging een direct gevolg is van de toename van het CO 2 -gehalte. Veel onderzoek is er dan ook op gericht om het broeikaseffect direct of indirect te meten. Gepoogd wordt dit te bereiken via stralingsmetingen van de aarde vanuit satellieten, analyses van zeeniveaustijgingen, reeksen klimaatgegevens (neerslag, temperatuur) en van veranderingen in sneeuw en ijs (gletsjers).
039 6 Kooldioxide en het klimaat De gevolgen van een door kooldioxide veroorzaakte klimaatverandering Omdat de klimaatveranderingen van regio tot regio zullen verschillen, zullen ook de gevolgen van regio tot regio verschillend zijn. Klimaatzones kunnen gaan verschuiven, waardoor sommige gebieden betere mogelijkheden krijgen voor landbouw, maar ook kan een verslechtering optreden in nu gunstige landbouwgebieden. In het algemeen kan verwacht worden dat een hoger CO 2 -gehalte van de atmosfeer groeibevorderend zal werken op planten, mits er voldoende andere voedingsstoffen zijn. Veranderingen in het klimaat zullen ook een verandering in het neerslagpatroon met zich meebrengen. Voor Nederland is het niet ondenkbaar (maar hierover bestaat nog weinig zekerheid) dat in het winterhalfjaar meer neerslag zal optreden, maar in het zomerhalfjaar minder. Dit laatste zou kunnen dwingen tot een uitbreiding van de waterreservoirs in Nederland. Het meest opvallende gevolg van een klimaatverandering is wel de stijging van het zeeniveau. De oorzaken daarvan zijn de verdere afsmelting van gletsjers en, zij het aanvankelijk in mindere mate, de thermische uitzetting van water. Dit effect valt uit te drukken in een stijging van enkele tientallen centimeters per eeuw. Voor laag gelegen gebieden als bijvoorbeeld Nederland zou dit kunnen betekenen dat in de komende tientallen jaren grote aandacht geschonken moet worden aan de kustverdediging. Een desastreus stijgen van de zeespiegel met nog eens circa 7 meter zal optreden wanneer een deel van de Zuidpoolijskap losbreekt en op lagere breedten afsmelt. De kans dat dit gebeurt wordt als klein beschouwd en verder zal het enkele eeuwen duren voordat al dit ijs gesmolten is. Directe gevolgen voor de gezondheid van de mens zijn door een hoger CO 2 -gehalte in de atmosfeer niet te verwachten, wel voor het welzijn ten gevolge van klimaatveranderingen in bepaalde regio s. Hoewel er nog geen reden tot grote ongerustheid bestaat zou dat wel eens kunnen veranderen wanneer op overtuigende wijze het CO 2 - effect gemeten kan worden. Welke gevolgen dit zal hebben voor het beleid ten aanzien van de energievoorziening van de mensheid is niet te voorzien.
Kooldioxide en het klimaat 039 7 Andere sporegassen Hiervoor is al aangegeven dat ook andere sporegassen dan kooldioxide een bijdrage leveren aan het broeikaseffect. Het is zeer waarschijnlijk dat nu al de som van de bijdragen van al deze sporegassen even groot is als die van kooldioxide. Het grote verschil met kooldioxide is echter dat de emissies van deze sporegassen door technologische en wettelijke maatregelen drastisch teruggebracht kunnen worden en dat veel van deze gassen dan betrekkelijk snel verdwijnen uit de atmosfeer. CO 2 -emissies lijken veel moeilijker te reduceren te zijn en kooldioxide heeft bovendien een zeer lange verblijftijd in de atmosfeer. Het beleid en de CO 2 -problematiek De CO 2 -problematiek verkeert nog in de signaleringsfase. Voordat een bepaald beleid gevormd kan worden zal eerst door onderzoek dat internationaal gecoördineerd moet zijn, een groot aantal onzekerheden opgelost moeten worden. De CO 2 -problematiek zal vermoedelijk pas hoog op de politieke agenda geplaatst worden als het CO 2 -signaal gemeten kan worden en de gevolgen onafwendbaar duidelijk worden. Voor het beleid resteert dan niet veel anders meer dan het volgen van een aanpassingsstrategie. Gehoopt mag worden dat het niet zover komt en dat al eerder in internationaal verband een strategie van voorkomen gevolgd gaat worden, waarbij dan met name het energiebeleid doorslaggevend zal zijn. Literatuur De meest uitvoerige beschrijving van de CO 2 -problematiek in de Nederlandse taal is tot nu toe het rapport van de Gezondheidsraad: Deeladvies inzake CO 2 -problematiek, verschenen in februari 1983 te s-gravenhage. Eind 1986, begin 1987 is het tweede en laatste deeladvies te verwachten. In mondiaal opzicht is de meest diepgaande en uitvoerige beschrijving van een deel van de CO 2 -problematiek te vinden in de
039 8 Kooldioxide en het klimaat vier State-of-the-Art boeken, die na een studie van acht jaar door het Amerikaanse Department of Energy, Carbon Dioxide Research Division, in december 1985 zijn uitgegeven: Detecting the Climatic Effects of Increasing Carbon Dioxide. The Potential Climatic Effects of Increasing Carbon Dioxide. Direct Effects of Increasing Carbon Dioxide on Vegetation. Atmospheric Carbon Dioxide and the Global Carbon Cycle. juni 1986 Drs. P. G. Schipper Studiecentrum voor Technologie en Beleid TNO, Apeldoorn