Geenstijl

GeenStijl ontving een wetenschappelijk geschreven klimaat-betoog in vijf delen. Dit is deel 1, met een inleiding over de auteur

Dit verhaal is geschreven om in het tijdperk van corona iets zinnigs te doen te hebben. Tijdverdrijf. Waarom warmt de aarde op? Is dat erg? Waarom wordt daar zo hysterisch over gedaan? Zijn er nog andere gevaren? Ik ben ooit opgeleid tot kernfysicus en deze materie speelt al een tijdje, dus ik zou dit eigenlijk allemaal moeten weten. Maar nee. Daarom ben ik op nul begonnen en heb ik geen verhalen gebruikt of overgenomen die ik niet begreep. Gelukkig zijn wetenschappelijke publicaties tegenwoordig vaak gewoon op internet te vinden, zeker als het doorbraken zijn. 

Maar toen werd het een verhaal met een verrassend positief einde, en nu wil ik het met iedereen delen. Er is een probleem, maar dat kan worden opgelost en veel eenvoudiger dan je zou denken. Bovendien kon het wel eens heel lucratief zijn. 

Eerst iets over mijzelf ter introductie. Lang geleden, in 1970, werd het door het Rapport van de Club van Rome zonneklaar dat er Grenzen aan de Groei zijn, en vooral grenzen aan het gebruik van fossiele brandstoffen. Maar er was in die tijd een lichtpunt: kernfusie zou een onuitputtelijke energiebron zijn. Het leek mij prachtig om daar mijn leven aan te wijden, en dat betekende een studie natuurkunde, specialiseren in kernfysica en verder specialiseren in de fysica van lichte kernen. 

Je moet nogal wat weten voordat je aan de finesses van deze processen toekomt dus pas na een jaar of vijf, zes werd het mij langzamerhand steeds duidelijker dat kernfusie op aarde een doodlopend spoor is. In kernsplijting geloof ik niet; omdat dat zo verschrikkelijk gevaarlijk is, is het ook verschrikkelijk duur. 

Na mijn promotie heb ik dan ook een heel ander beroep gekozen: programmeur. Per slot van rekening had ik tijdens mijn studie en promotie honderden programma's geschreven voor heel veel verschillende processoren en in een stuk of tien verschillende programmeertalen.

Vanwege mijn achtergrond heb ik me gespecialiseerd in technische en – af en toe –  wetenschappelijke programmatuur. Dat heeft geleid tot veel werk in het buitenland, voor tientallen bedrijven in Europa en Azië. Het is een goede keuze geweest - ik ben in mijn leven geen dag tegen mijn zin naar mijn werk gegaan.

Na mijn pensionering hebben we heel veel gereisd, maar toen corona kwam was er tijdenlang niets leuks te doen. Dat was het moment om terug te gaan naar een oude liefde. En wat blijkt? Kernfusie is toch de oplossing voor de problemen van de aarde, maar dan wel op de zon, op aarde gebruiken we alleen het product van de fusie – zonlicht.

Er moet nog één opmerking gemaakt worden over het verhaal. Alles is naar beste kunnen berekend, maar er is geen peer review geweest zoals bij echte wetenschappelijke artikelen altijd wel het geval is. Ik ben benieuwd of iemand fouten kan vinden en dat zou ik dan graag willen weten.

Dit verhaal is veel belangrijker dan ik ben. Ik ben een oude man die niet zit te wachten op publiciteit, daarom schrijf ik dit verhaal anoniem. Maar als er dan toch een naam gebruikt moet worden, noem me dan maar Optimist.

(Echte naam bij redactie bekend, deel 1 van 5 na de lees verder. Met plaatjes, zodat zelfs wij het snapten!)

1. Probleemstelling
Bevat een korte beschrijving van de oorzaken van de opwarming van de aarde en de verzuring van de oceanen. Daarmee wordt beschreven waarom het onverstandig is om nog langer fossiele brandstoffen te gebruiken.

2. De basis
Beschrijft hoeveel energie Nederland nodig heeft en wat die energie mag kosten.

**3. De bron van alle leven
**Bevat een korte zoektocht naar de beste vervanger voor fossiele brandstoffen. De zon is de sleutel. 

**4. Verbeteringen in de nabije toekomst
**Vorderingen bij het splitsen van water in waterstof en zuurstof. Nieuwe, goedkopere, materialen voor zonnepanelen. 

**5. De oceanen waren er ook nog
**De oplossing voor de verzuring van de oceanen is geld, maar minder dan je denkt.

**6. Conclusies
**Op naar schone, goedkope energie die in overvloed aanwezig is.

*Wij leven op de enige bekende planeet waarop men op een prettige manier kan leven. Er wordt al tientallen jaren gezocht naar andere leefbare werelden, maar er is er nog niet één gevonden. En ook als er ergens nog zo’n prachtige planeet zou bestaan, dan kunnen we daar niet met z’n allen naar toe. Te ver en te duur. Het is daarom zaak om er voor te zorgen dat onze eigen wereld prettig leefbaar blijft. *

*Door ons collectieve gedrag in het verleden - en heden - dreigt daar op korte termijn een einde aan te komen. In dit hoofdstuk wordt uitgezocht welke problemen er op ons afkomen en wat daar precies de oorzaken van zijn. *

Voordat we beginnen: hier en daar is rekenwerk nodig om gegevens begrijpelijk te maken. Die berekeningen breken de loop van het verhaal nogal dus zijn ze uit de tekst weggelaten en verplaatst naar het einde van het document. Getallen tussen (haakjes) verwijzen naar voetnoten.

De afstand van de aarde tot de zon is zodanig dat de temperatuur op het oppervlak van de aarde gemiddeld een ijzige -18 ºC zou zijn (1), als de warmte van de zon niet zou worden vastgehouden. Gelukkig heeft de aarde een atmosfeer en gelukkig bevat die atmosfeer broeikasgassen. Die laten de warmte die de zon naar de aarde stuurt minder gemakkelijk naar de ruimte toe ontsnappen, zodat de gemiddelde temperatuur op het oppervlak van de aarde +15 ºC is (1). Deze extra 33 ºC maken onze wereld prettig leefbaar. 

De tabel hieronder bevat een lijst van gassen en dampen die in droge lucht voorkwamen in de jaren 1750 en 2020 (2, 3). Deze lijst is niet volledig, want ieder bestaand gas en iedere bestaande damp die bij normale temperatuur en druk in de atmosfeer voor kan komen zit daar ook in.

Naast de belangrijkste componenten stikstof, zuurstof en de edelgassen zijn alleen die gassen – en één damp, waterdamp (H2O) – in de tabel opgenomen die substantieel bijdragen aan het broeikaseffect. Waterdamp is apart opgenomen omdat het percentage waterdamp van plaats naar plaats en in de tijd varieert. 

Het gehalte aan broeikasgassen verandert voortdurend, ze houden deze waarden niet lang. Het CO2 gehalte in de atmosfeer is volgens de bron bijvoorbeeld 411 ppm terwijl het in werkelijkheid al rond 420 ppm zweeft. Bovendien gaat het in de noordelijke winter 10 ppm omhoog en in de noordelijke zomer 7 ppm omlaag. 

Waterdamp, H2O, is het broeikasgas met het grootste effect (1) . Eigenlijk is het geen broeikasgas maar een broeikasdamp. Dat betekent dat water bij normale temperaturen kan condenseren, waterdruppels of ijskristallen kan vormen en zelfs uit de lucht kan regenen of sneeuwen. Gassen doen dat niet. Water neemt tot 72% van het broeikaseffect voor zijn rekening. Dat is van plaats tot plaats zeer verschillend, omdat niet overal evenveel waterdamp in de lucht aanwezig is. De hoeveelheid waterdamp in de lucht is een gevolg van verdamping en van klimaat en weer, en daar hebben mensen weinig of geen directe invloed op. 

De overige belangrijke broeikasgassen zijn kooldioxide (CO2), methaan (CH4), stikstofoxiden (NOX, voornamelijk NO en NO2), ozon (O3) en een klasse van chloor-fluor-koolwaterstofverbindingen die hier aangeduid wordt met de afkorting CFK. Deze gassen gedragen zich verschillend en ze hebben ook een verschillende uitwerking. Vier ervan hebben naast uitstoot door de mens ook een natuurlijke oorsprong, de CFK’s zijn puur te wijten aan de inventiviteit van de mens. 

In de tabel hieronder worden hun belangrijkste eigenschappen 2,3) opgesomd. Dat zijn de relatieve sterkte als broeikasgas, waarbij de sterkte van CO2 als norm (=1) is gebruikt, hun levensduur in de atmosfeer en de bijdrage die ze leveren aan het broeikaseffect, waarbij de bijdrage van waterdamp buiten beschouwing is gelaten. Het gedrag van ozon (3) is duidelijk verschillend van het gedrag van de andere broeikasgassen, maar het is voor de volledigheid toch opgenomen. De levensduur van ozon is sterk afhankelijk van de temperatuur, deze kan variëren van seconden tot maanden (4). Voor de CFK’s zijn alleen de extremen opgenomen, andere CFK’s hebben kleinere waarden.

De tabel geeft de situatie weer zoals die in het verleden ontstaan is. Als men echter kijkt naar wat daar momenteel aan wordt toegevoegd (gegevens van 2018 (5)), dan kan 81% van de huidige toename van de gemiddelde temperatuur op aarde toegerekend worden aan CO2, 10% aan CH4, 7% aan NOx, en 3% aan CFK’s. 

Het broeikasgas CO2 is met een bijdrage van 57% de belangrijkste oorzaak van de opwarming door menselijke activiteit. Het komt vrij bij de verbranding van de fossiele brandstoffen steenkool, aardolie, aardgas en bruinkool, bij het verbranden van biomassa en bij biologische processen. CO2 is niet eens een sterk broeikasgas, maar de hoeveelheid CO2 die de mens sinds 1750 in de atmosfeer gebracht heeft is groter dan de hoeveelheid die in 1750 aanwezig was (zie berekening 1). Dat het aandeel CO2 in de atmosfeer desondanks niet verdubbeld is maar ‘slechts’ is toegenomen van 280 naar ongeveer 411 ppm (1) hebben we te danken aan de oceanen en aan de planten op de wereld. Die hebben ook een deel van het CO2 opgenomen. Dat lijkt op het eerste gezicht misschien geweldig, maar brengt meteen een ander probleem aan het licht – CO2 dat opgenomen wordt in water verbindt zich met dat water tot H2CO3, dat is koolzuur. Koolzuur splitst zich in water weer op in H+, HCO3- en CO32- ionen, waardoor het aantal H+ ionen in het water toeneemt, dat wil zeggen dat het water verzuurt. Sinds 1750 is het aantal H+ ionen in zeewater met 30% toegenomen. Dat is een heel grote verandering, en die zal doorgaan zolang de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer toeneemt. Er zijn proeven gedaan met schelpdieren in zeewater dat de zuurgraad heeft die in het jaar 2100 verwacht kan worden bij ongewijzigd beleid. Het Smithsonian Institute meldt (6) dat die schelpen in dat zeewater in 45 dagen oplosten. 

Dit is zeer ernstig. Talloze levensvormen, niet alleen schelpdieren maar ook vele soorten plankton en andere diertjes die aan de basis staan van de voedselketens in de oceanen hebben uitwendige of inwendige kalkskeletten. Als die dieren massaal uitsterven, en dat doen ze als hun skelet oplost, dan houden die voedselketens helemaal op te bestaan. Dan verdwijnen uiteindelijk ook de vissen en de zoogdieren uit de oceanen. 

Maar waarom zou dit gebeuren? De oceanen nemen gemakkelijk CO2 op. Ze bevatten 53 keer zoveel CO2 als de atmosfeer (7). Daarmee is hun limiet nog lang niet bereikt, er is geen enkele belemmering om nog veel meer CO2 op te lossen. In referentie (7) staat een lijstje – in totaal bevindt zich 720 gigaton koolstof in de atmosfeer, 670 gigaton in de oppervlaktelaag van het water die een paar honderd meter dik is en 37000 gigaton in dieper water. Waarom heeft die paar honderd gigaton extra CO2 dan dit gigantische effect?

De reden is dat CO2 aan de oppervlakte van de oceanen wordt opgenomen, en slechts zeer langzaam migreert naar diepere lagen. Die migratiesnelheid is gemeten met behulp van de 14C methode, die beschreven staat in referentie (8). De methode berust op het gegeven dat er continu een constante hoeveelheid 14C wordt gevormd in de atmosfeer door inwerking van kosmische straling op 14N, stikstofatomen. 14C is niet stabiel; het vervalt terug naar 14N met een halveringstijd van 5730 ± 40 jaar. Ongeveer 1 op 1012 koolstof atomen in de atmosfeer is 14C.

Zodra het 14C is ontstaan verbindt het zich met zuurstof in de lucht tot 14CO2.

Wanneer CO2 oplost in de oceaan wordt het evenwicht tussen de aanmaak en het verval verbroken, er is onder water nog hetzelfde verval maar vrijwel geen aanmaak van 14C meer. Hoe langer het CO2 in het water verblijft, hoe lager dus de concentratie van CO2 met radioactief 14C zal zijn. Door watermonsters te nemen op een bepaalde diepte kan men uit de 14C concentratie in die monsters berekenen hoe lang geleden dat water aan de oppervlakte was.

Deze wereldkaart (9) laat dat zien voor 3500 meter diepte:

Op de kaart geven de kleuren aan hoelang het geleden is dat het CO2 dat nu op 3500 meter diepte zit in evenwicht verkeerde met de buitenlucht. Die tijd varieert van een paar honderd jaar voor de kust van Groenland tot meer dan 2000 jaar bij Alaska. Die lange tijdsduur kan alleen verklaard worden uit een zeer kleine verticale migratie van CO2 – op de Atlantische Oceaan is de verticale migratiesnelheid in het lichtblauwe gebied op de kaart 3500 meter in ongeveer 1000 jaar. Als die migratiesnelheid daar zo laag is dan zit het CO2 dat gedurende de laatste eeuw is uitgestoten nog steeds in de bovenste 350 meter.

De diepere lagen van de oceanen bevatten nog steeds de pre-industriële hoeveelheid CO2 die in evenwicht is met 280 ppm CO2 in de lucht. Er is dus nog een enorme opbergcapaciteit voor CO2 in de diepzee, waarbij de zuurgraad van de diepere lagen nauwelijks zal toenemen als het overschot dat nu nog in de bovenste laag zit naar de diepte zakt, immers dat volume is zeer veel groter. 

In referentie (10) worden een aantal initiatieven genoemd om CO2 kwijt te raken. Het echte probleem is dat daar enorme prijskaarten aan hangen, dus eigenlijk kan er niets tegen de verzuring van de bovenlaag gedaan worden tenzij er iemand met een bijzonder goed idee komt. In hoofdstuk 4 wordt zo’n idee genoemd.

De hoeveelheid CO2 in de lucht kan natuurlijk ook verkleind worden door koolstof op te slaan in biomassa, liefst langlevende biomassa zoals hardhout. In de – grove – berekening 2 wordt voorgerekend dat de hoeveelheid biomassa op de wereld met 45% tot 74% zou moeten toenemen om weer te komen op 280 ppm kooldioxide in de lucht, en dat is wellicht haalbaar. Maar dit zou op den duur volstrekt onvoldoende zijn als er verder niets gedaan zou worden. Exponentiële groei in de hoeveelheid koolstof uit fossiele brandstoffen kan niet op deze manier verslagen worden.

Wordt vervolgd.

1) https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas
2) berekend uit gegevens in https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas
3) https://en.wikipedia.org/wiki/Ozone
4) https://www.lenntech.com/library/ozone/decomposition/ozone-decomposition.htm
5) https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases
6) https://www.pmel.noaa.gov/co2/files/oahighlights.pdf
7) https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_cycle
8) https://en.wikipedia.org/wiki/Radiocarbon_dating
9) https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/srccs_chapter6-1.pdf
10) https://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_storage_of_carbon_dioxide

55) https://www.engineeringtoolbox.com/molecular-mass-air-d_679.html
56) https://nl.webqc.org/molecular-weight-of-CO2.html
57) https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth
58) https://www.co2.earth/global-co2-emissions

**Berekening 1. De hoeveelheid CO2 die sinds 1750 in de atmosfeer geloosd is
**Tot 1750 bevatte de atmosfeer 0,0280 volumeprocent CO2 (2). Omdat de gemiddelde moleculaire massa van droge lucht 28,96 bedraagt (55) en de moleculaire massa van CO2 44,01 (56) komt dat overeen met 0,0425 gewichtsprocenten. Daar zit wel een kleine onnauwkeurigheid in omdat lucht tussen 0% en 3% water bevat. 

De atmosfeer weegt 5,15 * 10¹⁸ kg  (57).

In 1750 zat er dus 0,000425 * 5,15 * 10¹⁸ kg = 2,19 * 10¹⁵ kg CO2 in de lucht.

Volgens 58) was er eind 2013 in totaal 0,545 * 10¹⁵ kg C uitgestoten door de mens. Daar komt voor de jaren 2014 – 2020 nog eens een kleine 0,070 * 10¹⁵ kg (58) bij, totaal 0,614 * 10¹⁵ kg. Maar dat is koolstof. Om het gewicht aan CO2 te berekenen moet dit vermenigvuldigen worden met 44,01/12,00 (moleculaire massa van CO2 gedeeld door de moleculaire massa van C), 0,614 * 10¹⁵ * 44,01 / 12,00 kg = 2,25 * 10¹⁵ kg CO2.

Berekening 2. Opslag van CO2 in biomassa
De hoeveelheid koolstof in levende biomassa bedraagt 600 tot 1000 gigaton en die in dode biomassa ongeveer 1200 gigaton (7). De hoeveelheid CO2 in de atmosfeer is 0,0415 %. Die zou naar 0,0280 % gebracht moeten worden. 

Er moet dus (0,0415 – 0,0280) / 0,0415 = 32% verwijderd worden. Dat moet zowel uit de atmosfeer als uit de oceaan, uit ongeveer 1390 gigaton koolstof (7). In totaal moet er dan 445 gigaton koolstof opgeslagen worden. Dat vraagt een vermeerdering van 44% (op 1000 gigaton) tot 74% (op 600 gigaton) aan levende biomassa.