De behaaglijke temperatuur op aarde komt door de unieke combinatie van de afstand tot de zon en de aanwezigheid van onze atmosfeer. Hierdoor absorbeert de aarde net de juiste hoeveelheid zonne-energie die we nodig hebben voor het leven zoals we dat kennen. En de atmosfeer werkt als een isolerende deken, die de temperatuur op een prettige waarde houdt. De deken is hier een verzameling gassen die ‘broeikasgassen’ worden genoemd. Naast kooldioxide (CO₂) zijn waterdamp, methaan, distikstofoxide (‘lachgas’) en ozon de belangrijkste. Zonder de atmosfeer met broeikasgassen zou de temperatuur op aarde gemiddeld maar -18 °C zijn, omdat de door de zon gegenereerde warmte grotendeels weer vanaf de aarde naar de ruimte zou terugkaatsen.

Hoe houden broeikasgassen warmte vast?
Laten we eens inzoomen op deze opwarming, die een samenspel is tussen straling en moleculen. Een deel van het uit de ruimte ingestraalde (zichtbare) zonlicht bereikt het aardoppervlak, waar het (kortgolvige) zonlicht wordt geabsorbeerd door land, oceanen en de plantenwereld, en wordt omgezet in warmte. De aarde straalt deze warmte uit in de vorm van (langgolvige) infraroodstraling. Voor de hardcore fysici onder ons: de aarde gedraagt zich hier als een zwart lichaam, dat bij een temperatuur van ‘rond kamertemperatuur’ een optimum in de emissie heeft rond 10 μm, in het infraroodgebied. Zonder een atmosfeer die gassen bevat die deze infraroodstraling kunnen absorberen, zou deze warmte rechtstreeks de ruimte in gaan. Echter, de broeikasgassen in de atmosfeer, zoals CO₂, hebben het vermogen om warmte vast te houden. Dat komt omdat deze gassen bestaan uit moleculen die straling (energie) kunnen opnemen met golflengten die precies binnen het infraroodgebied vallen. Na absorptie van infraroodstraling raken CO₂-moleculen in trilling en stralen ze dezelfde infraroodstraling uit in een willekeurige richting om een buur-molecuul in trilling te brengen. Dit gaat zo van molecuul tot molecuul, waarbij een deel van de warmte terugkomt op het aardoppervlak en zodoende zorgt voor de ‘opwarming van de aarde’. Een ander deel van de warmtestraling verdwijnt uiteindelijk in de ruimte. De atmosfeer met broeikasgassen erin werkt dus als een isolerende deken die een deel van de warmte op aarde houdt. Bovendien: hoe meer broeikasgassen in de atmosfeer, des te meer warmte er op aarde blijft ‘hangen’.

De broeikasgassen maken bij elkaar slechts zo’n half volumeprocent uit van de atmosfeer. Van alle broeikasgassen draagt waterdamp (gemiddeld 0,48 volumeprocent) verreweg het sterkste bij aan het broeikaseffect. Kooldioxide (0,041 volumeprocent) is een goede tweede. Doordat de atmosfeer de warmte vasthoudt, en niet rechtstreeks naar de ruimte uitstraalt, is de gemiddelde temperatuur aan het aardoppervlak 33 °C warmer dan wanneer er geen broeikasgassen zouden zijn. Een kleine hoeveelheid broeikasgassen heeft dus een grote invloed op de temperatuur.

CO₂ en de koolstofkringloop
Koolstof, het chemische element aangeduid met de letter C, is één van de belangrijkste bouwstenen voor het leven op aarde. Het komt voor in dieren en planten, maar ook in algen in de oceaan. De grootste hoeveelheid koolstof, meer dan 99 %, ligt echter opgeslagen in de bodem als sedimentair gesteente zoals bijvoorbeeld calciumcarbonaat (kalksteen, marmer). De koolstofkringloop beschrijft alle processen op aarde waar koolstof bij betrokken is: de uitwisseling van koolstof tussen de atmosfeer, land en oceaan. CO₂ speelt uiteraard een belangrijke rol in de koolstofkringloop.
Tot net voor de industriële ontwikkeling, zo’n 200 jaar geleden, was de koolstofkringloop goed in balans. Op dat moment bevat de atmosfeer 590 gigaton (Gt, 10¹² kg) koolstof in de vorm van CO₂, wat overeenkomt met een CO₂-concentratie van 280 ppm (parts per million, aantal deeltjes per miljoen deeltjes). De oceaan bevat tienduizenden gigaton C, en de planten en bodem (zonder sedimentair gesteente) bij elkaar enkele duizenden gigaton koolstof.
In het groeiseizoen nemen de planten jaarlijks enkele tientallen gigaton koolstof in de vorm van CO₂ op dat ze met behulp van zonlicht omzetten in koolhydraten (fotosynthese). Het grootste deel daarvan komt weer vrij als de plant afsterft of in de maag van mens of dier terechtkomt. De rest komt in de bodem terecht.
De atmosfeer wisselt ook kooldioxide uit met de oceaan, doordat kooldioxide in water kan oplossen. Een klein deel hiervan wordt omgezet in koolzuur (H₂CO₃) waardoor het water licht zuur wordt. Fytoplankton neemt koolstof op door fotosynthese. CO₂ wisselt langzaam uit tussen de oppervlaktelaag en de diepere oceaanlagen.

Vanaf de industriële ontwikkeling
Sinds het begin van de industriële ontwikkeling, zo’n 200 jaar geleden, is de concentratie aan CO₂ in de atmosfeer met 45 % toegenomen: van 280 ppm toen naar 410 ppm (0,041 %) tegenwoordig. De oorzaak? In die 200 jaar zijn we bezig geweest om in rap tempo koolstof uit de grond (terug) te brengen in de atmosfeer in de vorm van CO₂.
De natuur heeft er miljoenen jaren over gedaan om CO₂ uit de lucht om te zetten in aardolie, aardgas en steenkool. Het omgekeerde proces – verbranding tot CO₂ en water – gaat ruwweg een miljoen keer sneller. Fossiele brandstoffen als steenkool, aardolie en aardgas zijn relatief eenvoudig uit de aarde te halen en direct te gebruiken. Om machines en voertuigen aan te drijven, voor de opwekking van elektriciteit, of als grondstoffen voor producten. Het grootste deel van de 45%-toename komt door de verbranding van deze fossiele brandstoffen, maar ook door grootschalige ontbossing waardoor minder CO₂ kan worden opgenomen door fotosynthese.

Hoewel de door de mens veroorzaakte emissies van kooldioxide slechts een paar procent van de natuurlijke stromen vormen, hebben ze wel degelijk geleid tot een meetbare verandering in de hoeveelheid koolstof in de atmosfeer, de oceanen en op het land. In die 200 jaar is er zo’n 440 gigaton koolstof aan de atmosfeer toegevoegd in de vorm van kooldioxide, waarvan ongeveer de helft weggevangen is door oceanen en de bomen en planten op het land. Om een idee te krijgen hoeveel kooldioxide er nu extra in de atmosfeer zit sinds de industriële revolutie: stel dat je deze extra 440 gigaton op een slimme manier kunt omzetten in diamant – een andere vorm van koolstof – dan kom je uit op een flinke ‘berg’ van 5 km x 5 km x 5 km.

De gevolgen voor het klimaat
Een hogere CO₂-concentratie heeft invloed op de processen die plaatsvinden in de atmosfeer, en daarmee op het klimaat. Meer CO₂ houdt meer warmte vast, met hogere temperaturen tot gevolg. Dit merken we nu al, doordat de gemiddelde temperaturen in de laatste tientallen jaren tot de hoogste temperaturen sinds het begin van de meting behoren. En deze warmte kent twee extremen: enerzijds ligt het voor de hand dat extra warmte op droge plaatsen voor nog meer hitte en droogte zorgt. Anderzijds verdampt er meer water en kan warme lucht meer water(damp) bevatten waardoor er in vochtige gebieden veel meer regen kan vallen.
Maar warmte heeft ook invloed op zeewater, want water zet uit bij hogere temperatuur. Bovendien smelt meer landijs bij hogere temperaturen. Beide verschijnselen zorgen voor een hoger waterpeil, en daardoor mogelijke overstromingen van laaggelegen stukken land. Meer warmte levert ook meer energie aan de oceanen en de atmosfeer, wat zich kan ontladen in de vorm van heviger stormen.

Oplossingen voor CO₂-reductie
Er is op dit moment niet één ‘beste’ oplossing die reductie van CO₂ in z’n eentje tot stand kan brengen. Dus is de strategie: probeer ze allemaal. Mocht in de toekomst blijken dat één van deze technologieën de verwachting niet waarmaakt, dan kunnen de anderen dit opvangen. Net zoals we op een kunstmatige manier de CO₂-concentratie in de atmosfeer versneld hebben verhoogd door de verbranding van fossiele brandstoffen, kunnen we deze concentratie ook op kunstmatige manier verlagen. Enerzijds gaat het hierbij om minder CO₂ uit te stoten door bijvoorbeeld over te schakelen op een energievoorziening op niet-fossiele basis zoals zonne-energie of kernenergie, en anderzijds door de ‘berg aan CO₂‘ boven ons hoofd te verminderen. Van 410 ppm CO₂ in de atmosfeer terug naar 280 ppm vormt een grote uitdaging.
Net zoals grootschalige ontbossing een oorzaak was van de toename in CO₂ is grootschalige bosbouw een manier om CO₂ uit de lucht te halen. Ook kun je CO₂ uit de lucht of uit het zeewater met energie uit zon elektrochemisch omzetten in bruikbare chemicaliën en brandstoffen. Een wild idee: stel dat je deze CO₂ kunt omzetten in grafiet, dan kun je dit wellicht gebruiken als elektrode in batterijen of brandstofcellen – voor duurzame energieopslag of -omzetting. Een ander type koolstofkringloop dus …