Het leven op aarde heeft een grote invloed op de atmosfeer. Anderhalf miljard jaar na het ontstaan van de aarde ontstaat voor het eerst via biologische activiteit zuurstof. Dat wordt vrijwel direct weer vastgelegd in gesteente zoals krijt (kalk). Pas 500 miljoen jaar geleden is de hoeveelheid zuurstof op het huidige niveau gekomen. Sindsdien is de samenstelling van de atmosfeer niet veel veranderd. Stikstof is het belangrijkste gas, gevolgd door zuurstof en argon. Ongeveer 0,1% van de atmosfeer bestaat uit sporengassen, zoals kooldioxide en methaan. Samen met waterdamp zorgen die twee laatste gassen voor het natuurlijke broeikaseffect. Zonder dat effect zou de aarde een ijsplaneet zijn met een gemiddelde temperatuur van bijna -20 °C. In werkelijkheid is de gemiddelde temperatuur ongeveer 14,5 °C, en is de aarde een leefbare planeet. De sporengassen hebben dus een relatief groot effect en de ‘thermostaat’ van de aarde is dan ook erg gevoelig voor de hoeveelheid van deze gassen in de atmosfeer.
Hoe die thermostaat precies werkt weten we niet. En dat is politiek-maatschappelijk-economisch vervelend, omdat onze hoog-technologische beschaving heel erg afhankelijk is van het (leefbare) klimaat op aarde. Het klimaat is het gevolg van een ingewikkeld geheel aan kringlopen en processen. Er is veel wat we niet weten:
Broeikasgassen. De hoeveelheid sporengassen in de atmosfeer met een broeikaswerking neemt op dit moment sterk toe als gevolg van menselijke activiteit. Daarnaast zorgen natuurlijke bronnen zoals vulkanen voor een wisselende bijdrage. Hoe gaat die ontwikkeling verder?
Koppelingen. Tussen de broeikasgassen, de oceanen en de landoppervlakten bestaan koppelingen waarvan de werking deels nog slecht bekend is. De koppelingen en de ligging van evenwichten zijn vaak afhankelijk van de temperatuur. De aard kan zowel positief zijn (meer van het ene leidt tot meer van het andere) als negatief (toename van het ene leidt tot afname van het andere). Kennen we alle koppelingen en weten we hoe ze op elkaar inwerken?
Aerosolen. Koppelingen en evenwichten bestaan ook binnen de atmosfeer zelf. Met name de hoeveelheid bewolking en de concentraties stof en deeltjes in de atmosfeer (aerosolen) beïnvloeden de zonnestraling die het aardoppervlak bereikt. En de manier waarop die weerkaatst naar de ruimte. Maar wat de invloed van aerosolen precies is, is niet goed bekend.
Geofysica. Het klimaat op aarde is op de lange termijn ook afhankelijk van geofysische factoren zoals de verdeling van continenten, de hoogte van het landoppervlak en de morfologie van de oceaanbodem. Deze factoren werken op de lange termijn. Er zijn ook kortetermijnfactoren, zoals supervulkaanuitbarstingen die grote hoeveelheden stof en gassen in de atmosfeer blazen. Wat bepaalt precies de vulkanische activiteit?
Zonnestelsel. Het klimaat op aarde is ook afhankelijk van periodieke en toevallig optredende factoren. Sommige werken op lange tijdschalen, zoals de langzaam toe- en afnemende excentriciteit van de aardbaan om de zon. We weten dat dit in het verleden aanleiding is geweest voor het optreden van ijstijden en warmere tussenperioden. Maar hoe ijstijden precies ontstaan, is niet goed bekend. En dan zijn er wisselingen in de activiteit van de zon, of kan een grote meteoriet inslaan op aarde. Ook dat bepaalt het klimaat, maar hoe precies?
Wat weten we wel?
De wetenschappelijke aanpak om iets te weten te komen over toekomstige veranderingen in de atmosfeer en het klimaat komt neer op het maken van modellen die de werkelijkheid zo goed mogelijk nabootsen. De ijking van deze modellen gebeurt aan de hand van het klimaat uit het verleden. Het is vooral nodig om de koppelingen in de atmosfeer, de oceanen en de bodem beter te leren te kennen. Ook de studie van atmosferen van Mars en Venus – die je kunt beschouwen als anders ingestelde ‘cases’ – draagt bij aan een beter begrip van de aardse atmosfeer en het klimaat. Wat we weten we eigenlijk wel over het aardse klimaat?
Veranderingen in de samenstelling van de atmosfeer en de relatie met een verschuivend klimaat zijn erg ingewikkelde en vertakte processen. De uitkomsten van modelberekeningen voor klimaatontwikkelingen worden onnauwkeuriger naarmate men verder in de toekomst kijkt. Ook als ze klimaatveranderingen uit het verleden goed blijken te reproduceren. Vandaar dat er wordt gewerkt met marges, zoals in de uitspraken van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Schattingen leren dat de gemiddelde temperatuur op aarde aan het einde van deze eeuw 2 tot 6 graden hoger ligt dan nu. Die onzekerheid komt deels van slecht bekende stukjes in de klimaatpuzzel en deels door onbekendheid met het effect van eventueel te treffen maatregelen, bijvoorbeeld ter beperking van kooldioxide-uitstoot en de productie van fijn stof. Zolang maatregelen niet zijn geïmplementeerd, kan het effect nog niet worden gekwantificeerd.
Overzicht energiebalans van de aarde en het broeikaseffect
Broeikaseffect
Aarde als ijsplaneet
Vulkaanuitbarsting. Grote hoeveelheden stof in de atmosfeer hebben (tijdelijk) invloed op het wereldklimaat
Temperatuursontwikkeling over de laatste 1000 jaar
Registraties van verschillende ijstijden uit het verleden
Kooldioxide metingen op Hawaii
Fossiele brandstof en kooldioxide uitstoot
Kooldioxide-concentratie in de afgelopen 400 000 jaar
Kooldioxide-opname in de oceaan
Verdeling van kooldioxide in de atmosfeer
Verdeling van biomassa over de continenten
Overzicht van de aardse koolstofcyclus
Het effect van aerosolen (stof, zoutdeeltjes, etc) is dat ze de wolkenvorming beinvloeden en zo bijdragen aan het instellen van een (ander) klimaatevenwicht
Het effect van vulkaanuitbarstingen op de transparantie van de atmosfeer, gemeten op Hawaii
Periodieke variaties in de stand van de aarde en de baan om de zon blijken de 'trigger' voor het ontstaan van de belangrijkste ijstijden
Modellen voor het begrijpen van de Kleine IJstijd
De hoeveelheid zonnevlekken en het Maunder minimum tijdens de Kleine IJstijd
De precessie van de aarde is een langzame tolbeweging van de aardas
OMI-instrument aan boord van NASA's Aura-satelliet
SCAMACHY is een instrument aan boord van ESA's ENVISAT
