De eerste vaststellingen
In april 1896 publiceerde de Zweedse professor Svante Arrhenus (1859 – 1927, nobelprijs scheikunde in 1903) zijn bewijs dat kooldioxide (CO2) warmte vasthoudt in de atmosfeer van de aarde, het verschijnsel dat nu het broeikaseffect wordt genoemd. Hij stelde dat hoe hoger de CO2-concentratie in de atmosfeer, hoe hoger het isolerend effect van die atmosfeer. Zonder dit serre-effect zou de temperatuur op aarde dalen tot onder de -200°C1. Hij voltooide daarmee het werk van voorgangers als Joseph Fourier en Eunrice Foote. Zij ontdekten dat gassen de energie van binnenkomend licht vasthouden in de atmosfeer door die ten dele naar de aarde door te sturen en voor een mindere fractie terug naar de ruimte te laten ontsnappen.
Maar ondanks deze vaststelling op het einde van de 19e eeuw en de vele metingen die dit effect bevestigden is er nooit een fundamentele reden geformuleerd waarom juist koolstofdioxide deze eigenschap heeft. Tot dit voorjaar2.
De uitleg in twee stappen
In 2022 ontstond een consensus over de reden waarom de temperatuur van de atmosfeer tussen 2 en 5 °C toeneemt bij een verdubbeling van de CO2-concentratie3. Dit komt omdat koolstofdioxide licht absorbeert. CO2 is uniek omdat de infrarood lichtenergie rond de 15 micrometer geabsorbeerd wordt met zo’n specifieke verdeling van de absorptiecoëfficiënten dat er een unieke logaritmische relatie ontstaat tussen temperatuur en verdubbeling van de boeikasgasconcentratie.
Dit voorjaar publiceerde een team van de Harvard University o.l.v. Robin Worthsworth de echte redenen waarom koolstofdioxide de warmte zo goed vasthoudt4. Het team gebruikte daarvoor fundamentele modellen van de kwantummechanica.
Licht bestaat uit discrete energiepakketjes en die botsen op hun weg tegen moleculen. De energie van het licht kan de kwantumtoestand van deze moleculen veranderen als hun energieniveaus precies op elkaar afgestemd zijn.
Bij koolstofdioxide staan de “zuurstof – koolstof – zuurstof” atomen op één lijn. Door de inslag van infrarood licht met golflengte rond 15 (12- 20) µm wordt die lijn verstoord. De twee zuurstofatomen
- roteren in een soort hoelahoep-beweging rond het koolstofatoom;
- vibreren als een veer die hen verbindt. Ze bewegen herhaaldelijk naar het koolstofcentrum toe en er weer van weg.
Omdat de energie van de veerbeweging het dubbele is van de hoelahoep-rotatie ontstaat een zgn. Fermiresonantie, genoemd naar de Amerikaanse fysicus Enrico Fermi5. Deze vibratie – rotatie resonantie is verantwoordelijk voor het vasthouden van warmte in het CO2-atoom en verklaart ook waarom meer CO2-atomen in de atmosfeer meer warmte vasthouden.
Het is opmerkelijk dat een schijnbaar toevallige kwantumresonantie in een verder gewoon drie-atomen-molecuul zo’n grote invloed heeft gehad op het klimaat van onze planeet in de loop van de geologie en ook zal helpen bij het bepalen van de toekomstige opwarming door menselijke activiteit – De auteurs Worthworth, Seeley en Shine
Gevolgen
Het is nu duidelijk dat, op basis van kwantum fysische en natuurkundige concepten, de concentratie van koolstofdioxide in onze atmosfeer verantwoordelijk is voor haar opwarming. En dat à rato van 2 tot 5°C per verdubbeling van de CO2-concentratie in de atmosfeer. Dit weerlegt fundamenteel de bewering van sommigen dat klimaatopwarming enkel in computermodellen bestaat.
De monitoring van die concentratie in het “Mauna Loa Observatory” op Hawaï6 is dus cruciaal om de evolutie van de temperatuur te voorspellen. De CO2-concentratie in de atmosfeer nam in de periode 1700 tot nu toe van 278 tot 422,6 ppm (zoals gemeten op 19 augustus 2024), in 1950 was die nog 310 ppm. Deze vaststelling is belangrijk omdat
- Het een toename met 52% is, dus al meer dan helft van wat zal leiden tot een temperatuurstijging van 2 tot 5°C;
- Koolstofdioxide niet enkel in de atmosfeer wordt vastgehouden maar ook via heel veel kringlopen opgeslagen wordt in gesteente, oceanen, planten en dieren. Veranderingen in de evenwichten tussen deze kringlopen beïnvloeden ook heel sterk de CO2-concentratie in de atmosfeer;
- Koolstofdioxide zeer traag naar de ruimte diffundeert en elke uitstoot die we dit jaar doen nog 200 jaar in de atmosfeer opgesloten blijft.
Deze kwantumprincipes helpen ook om het klimaat op andere planeten beter te begrijpen.