Venus, aarde en Mars gezien vanuit de ruimte. De planeten zijn niet op schaal afgebeeld. (Foto’s: NASA)
De atmosferen van de aarde en haar buurplaneten, Venus en Mars, laten enorme verschillen zien. Zo is Venus eeuwig in wolken gehuld, de aarde gedeeltelijk met wolken bedekt, terwijl op Mars het oppervlak voornamelijk zichtbaar is. De wolken op Venus bevinden zich op 35 tot 45 km boven het oppervlak en bestaan hoofdzakelijk uit zwavelzuur en zwavelstof (er is immers geen druppel water op Venus te vinden). Zonlicht dringt nauwelijks tot het oppervlak door. De atmosferen van Venus en Mars bestaan hoofdzakelijk uit CO2, respectievelijk 96,5 en 95,3%. Oorspronkelijk had de aarde ook een kooldioxide-atmosfeer, maar die is in de loop van de geologische tijd geëvolueerd door de wisselwerking met de biosfeer, een unieke eigenschap in vergelijking tot onze buurplaneten. Daaraan heeft de aarde ook zijn zuurstofgehalte van circa 21% te danken. Puur chemisch gezien zou zuurstof (O2) geen hoofdbestanddeel mogen zijn in aanwezigheid van reducerende bestanddelen, zoals het tweewaardig ijzer in de aardkorst, die dit gas door oxidatie binden. Maar ook de concentraties van de gassen methaan (CH4), ammoniak (NH3), waterstof (H2) en stikstof (N2) zijn te hoog ten opzichte van chemisch evenwicht. De aardse atmosfeer bevat in vergelijking tot haar buurplaneten een opvallend laag kooldioxide (CO2) gehalte, momenteel zo’n 0,039% (volume). Voorts heeft de aarde als enige planeet in het zonnestelsel vloeibaar water. Tenslotte zijn de verschillen in luchtdruk aan het planeetoppervlak groot. Aan het Venusoppervlak heerst een luchtdruk die 91 maal zo groot is als op aarde, aan het Marsoppervlak is de luchtdruk juist een factor 150 lager.

Verwantschap
Behalve verschillen zijn de drie zogeheten terrestrische planeten in geologisch opzicht nauw verwant. Alle drie hebben als belangrijkste bestanddelen ijzer, magnesium, silicium en zuurstof, elementen die in het heelal zeldzaam zijn. Ook de gelaagde structuur is nagenoeg gelijk. In het centrum bevindt zich de kern, bestaande uit een ijzeren bol met zo’n 5 tot 10% nikkel. De kern van Venus en de aarde is ongeveer even groot, maar in Mars is hij naar verhouding veel kleiner. Buiten de kern bevindt zich de mantel, een laag van voornamelijk ijzer-magnesiumsilicaten. De mantel is afgedekt met de korst, een relatief dunne schil van silicaten. Op Venus en Mars bestaat deze korst voornamelijk uit basalt, op aarde uit basalt (de oceaanbodem) en het lichtere dioriet (de continenten), een gevolg van de latentektoniek. Venus en de aarde zijn beide geologisch nog steeds actief. Zo is er vulkanisme en op aarde bovendien platentektoniek, water en een biosfeer. Mars is inwendig geologisch vrijwel dood. Dit komt omdat Mars veel kleiner is en de inwendige warmte veel sneller kwijtraakt dan zijn twee grote zusters. De inwendige hitteproductie wordt voornamelijk veroorzaakt door het verval van radioactieve stoffen.

Astronomische en meteorologische specificaties van de planeten Venus, Aarde en Mars.
Astronomische en meteorologische specificaties van de planeten Venus, Aarde en Mars.


Energiebalans
De gemiddelde temperatuur aan het oppervlak van planeten met een atmosfeer wordt voor een belangrijk deel bepaald door de intensiteit van de inkomende en gereflecteerde zonnestraling aan de top van de atmosfeer en door de massa broeikasgassen daarin. De netto zonnestraling, inkomend minus gereflecteerd, bepaalt immers de hoeveelheid energie die door het klimaatsysteem van zo’n planeet wordt geabsorbeerd. Deze energie wordt omgezet in warmte. Hoe deze warmte vervolgens over het planeetoppervlak en atmosfeer wordt verdeeld, hangt af van de broeikaswerking van de planeetatmosfeer.

Uitwisseling van energie tussen een willekeurige planeet en de rest van het universum kan alleen via straling plaatsvinden. In ons zonnestelsel levert de zon de energie in de vorm van kortgolvige straling in het golflengtegebied rond de 0,5 micrometer. Voor dit golflengtegebied zijn onze ogen gevoelig. De hoeveelheid zonlicht die de planeetatmosfeer binnendringt is evenredig met het kwadraat van de afstand van deze planeet tot de zon. Dit is een gevolg van de wet van behoud van energie: de zonne-energie die door een willekeurig boloppervlak rond de zon de ruimte in verdwijnt is constant. Een deel van de binnenkomende zonnestraling wordt door het oppervlak en de atmosfeer teruggekaatst de ruimte in en wordt dus niet ‘benut’ door het klimaatsysteem van de planeet. De fractie van het inkomende zonlicht die door een planeet wordt gereflecteerd, wordt planetair albedo genoemd. De aarde heeft een planetair albedo van circa 30%. Door het dichte wolkendek heeft Venus een zeer hoog albedo van circa 72%, terwijl het praktisch onbewolkte Mars juist een zeer laag reflecterend vermogen heeft van 16%. De netto inkomende zonnestraling wordt door het klimaatsysteem van een planeet geabsorbeerd. Nu zendt alle materie straling uit en wel meer naarmate de temperatuur hoger is. De aardse planeten zenden dus ook straling uit. Dit is echter aanzienlijk minder dan de zon en tevens in een ander golflengtegebied, namelijk in het infrarood. De totale hoeveelheid infraroodstraling die aan de top van de planeetatmosfeer de ruimte in verdwijnt, is in evenwicht met de geabsorbeerde kortgolvige straling, althans wanneer het gemiddelde over de planeetbol en over een voldoende lange tijd (bijvoorbeeld minstens de omlooptijd) wordt beschouwd. Dit is ook een gevolg van de wet van behoud van energie.
Wereldgemiddelde energiehuishouding van het aardse klimaatsysteem. De energiestromen zijn uitgedrukt in W/m2.
Wereldgemiddelde energiehuishouding van het aardse klimaatsysteem. De energiestromen zijn uitgedrukt in W/m2.

Effectieve temperatuur en broeikaseffect
Wanneer de planeetatmosfeer geen broeikaswerking heeft, wordt de uitgaande infraroodstraling geheel bepaald door de gemiddelde temperatuur van het planeetoppervlak. Zo’n oppervlak, wanneer dat bestaat uit vaste stoffen en/of vloeistoffen, absorbeert vrijwel alle invallende infraroodstraling. Materie die deze eigenschap heeft, wordt een zwart lichaam genoemd. Een dergelijk zwart lichaam heeft tevens de eigenschap straling uit te zenden die slechts afhankelijk is van de temperatuur en de golflengte. Geïntegreerd over alle golflengten zendt het zwarte lichaam σT4 [W/m2] aan straling uit: dit staat bekend als de wet van Stefan-Boltzmann. Hierin is σ = 5,67x10-8 Wm-2K-4 een constante. Let op: de temperatuur in deze formule is uitgedrukt in kelvin (K) en is gelijk aan de temperatuur in ºC plus 273,16. M.b.v. deze wet kan de uitgaande infraroodstraling in verband gebracht worden met de temperatuur van het oppervlak, althans wanneer we aannemen dat de atmosfeer niet in wisselwerking treedt met de infraroodstraling.

Deze temperatuur wordt effectieve temperatuur genoemd. Het verschil tussen werkelijk gemiddelde oppervlakte temperatuur en effectieve temperatuur zegt dan iets over de broeikaswerking van de atmosfeer en wordt het natuurlijk broeikaseffect genoemd. De effectieve temperatuur van Venus is 238 K (=-35ºC) en verassend genoeg lager die van de aarde (Teff=255 K). Dit komt door het permanent gesloten wolkendek en dus het hoge albedo dat meer gewicht in de schaal legt dan de tweemaal zo felle zon aan de top van de atmosfeer ten opzichte van de aarde. De temperatuur aan het oppervlak van Venus bedraagt 733 K. Het verschil van 495 graden met de effectieve temperatuur illustreert het veel sterkere natuurlijke broeikaseffect dan op aarde, dat 33 graden bedraagt.

Toch zijn de grote verschillen tussen Venus en aarde ten aanzien van de atmosfeer, oppervlaktetemperatuur en korst, geologisch bezien minder wezenlijk dan op het eerste gezicht lijkt. Ook de aardkorst bestond in haar vroegste jeugd uit basalt. Evenzo is het zuurstofgas pas later in aanwezigheid van een biosfeer een substantieel bestanddeel van de atmosfeer geworden. Tevens is het grote verschil in kooldioxide gehalte niet wezenlijk: de aarde bevat ruwweg evenveel koolstof als Venus, het is hier echter voornamelijk opgeslagen in de aardkorst, met name in carbonaatgesteenten en fossiele biomassa.

De atmosfeer en oceanen samen bevatten slechts 0.0005% van de CO2 in de atmosfeer van Venus. Dit komt omdat op aarde het meeste CO2 in de loop van de tijd aan de atmosfeer onttrokken is. Op Venus is de koolstofcyclus doorbroken door de afwezigheid van platentektoniek en biosfeer, terwijl via vulkanisme het opgeslagen koolstof in de vorm van kooldioxide vrijkomt en in de atmosfeer blijft. Er zijn aanwijzingen dat in het verre verleden de atmosfeer van Venus aanzienlijk meer waterdamp bevatte dan nu. Door het almaar sterker wordende broeikaseffect is de planeet droog gekookt. De hoge oppervlaktetemperatuur veroorzaakt enorme convectiecellen, waarmee waterdamp naar hogere atmosferische lagen getransporteerd wordt. In de hoge atmosfeer is voldoende ultraviolette straling aanwezig, die het waterdamp uiteen deed vallen in de componenten zuurstof en waterstof. Het waterstof, het lichtste gas, ontsnapte uit de atmosfeer, terwijl het zuurstof door oxidatie aan tweewaardig ijzer in de bodem verdween.

Gegeven de afstand tot de zon, gemiddeld zo’n 228 miljoen km, en het lage planetaire albedo van de wolkenloze planeet, wordt de effectieve temperatuur van Mars berekend op 216 K. Op Mars heerst een gemiddelde oppervlakte temperatuur van 218 K. Dit betekent dat het natuurlijke broeikaseffect slechts 2 graden bedraagt. In feite is de kleine afmeting de planeet lange tijd geleden noodlottig geworden. Daardoor is de aantrekkingskracht kleiner en kunnen gassen moeilijker worden vastgehouden. Bovendien is de vulkanische activiteit snel afgenomen en hiermee de toevoer van kooldioxide naar de atmosfeer van Mars. Kort na het ontstaan van het zonnestelsel had Mars een dikke atmosfeer, vergelijkbaar met de oeratmosferen van de aarde en Venus. Door het sterkere broeikaseffect lag de oppervlaktetemperatuur gedeeltelijk boven het vriespunt. Hierdoor kon er oppervlaktewater bestaan. Morfologische kenmerken wijzen op het bestaan van stromende rivieren, meren, zeeën en gletsjers. Langzamerhand werd de atmosfeer ijler. Zo’n 3 à 4 miljard jaar geleden werd het op Mars daardoor te koud voor vloeibaar water. IJs hoopte zich op aan de polen en in de bodem in de vorm van permafrost.
Temperatuurverandering van het aardoppervlak als functie van het atmosferisch CO2 gehalte (CCO2) inclusief de terugkoppelingen van waterdamp en enkele wolkenparameters. De klimaatgevoeligheid is 0,6 K/Wm-2. Dit correspondeert met een versterkingfactor 2 ten opzichte van de situatie zonder terugkoppelingen.
Temperatuurverandering van het aardoppervlak als functie van het atmosferisch CO2 gehalte (CCO2) inclusief de terugkoppelingen van waterdamp en enkele wolkenparameters. De klimaatgevoeligheid is 0,6 K/Wm-2. Dit correspondeert met een versterkingfactor 2 ten opzichte van de situatie zonder terugkoppelingen.

Factoren die het broeikaseffect bepalen
Het natuurlijke broeikaseffect is in eerste instantie afhankelijk van
de massa van de aanwezige broeikasgassen in een atmosferische kolom en het absorberend vermogen van die gassen. Verder is bij een voldoende hoge concentratie van broeikasgassen het absorptievermogen evenredig met de luchtdruk. De luchtdruk bepaalt namelijk de breedte van de absorptiebanden en hiermee de mate waarin infrarode straling wordt onderschept en geëmitteerd. Aan het Venusoppervlak heerst een luchtdruk die 91 maal zo groot is als op aarde, aan het Marsoppervlak is de luchtdruk juist een factor 150 lager.

Dit betekent dat in de atmosfeer van Venus zich zo’n miljoen kg CO2 per m2 bevindt, in de Mars atmosfeer zo’n 180 kg/m2, terwijl op aarde de hoeveelheid CO2 6 kg m2 bedraagt. Wanneer we het luchtdrukeffect verdisconteren,dan is het absorberend vermogen van CO2 op Venus 15 miljoen keer zo sterk en dat op Mars vijf maal zo zwak dan CO2 in de aardse atmosfeer. Bovengenoemde verhoudingen zijn eerste-orde-benaderingen, aangezien ook de temperatuur invloed heeft. Zo leidt een hogere temperatuur juist tot smallere absorptiebanden. Daar staat tegenover dat de lijnsterkte toeneemt bij hogere temperaturen vooral bij zwakkere absorptiebanden. Voorts verschuift de golflengte waarbij de energie van de infrarode straling maximaal is met de temperatuur. Voor een temperatuur van 216 K op Mars piekt de infrarode straling bij 13.4 μm. Omdat deze golflengte dicht bij het centrum van de sterkste CO2 (15 μm) band ligt, wordt door dit effect het absorberend vermogen per massa CO2 sterker. Bovendien wordt de broeikaswerking van een planeetatmosfeer beïnvloed door temperatuurafhankelijke processen.

Deze processen kunnen temperatuurveranderingen door stijgende broeikasgasconcentraties versterken (meekoppelen) of verzwakken (tegenkoppelen). In het aardse klimaatsysteem zijn de belangrijkste processen geassocieerd met waterdamp, vloeibaar water en ijs. Zo verwacht men een toename van de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer bij een temperatuurstijging. Dit is gebaseerd op de waarneming dat voor een groot bereik van temperaturen in ons huidige klimaat de relatieve vochtigheid boven zee nagenoeg constant is. Deze zogeheten waterdampterugkoppeling versterkt de oorspronkelijke temperatuurstijging door de stralingseffecten van de CO2-toename. De broeikaswerking van CO2 wordt in het aardse klimaatsysteem versterkt met een factor tussen de 1,8 en 4,1. Zowel op Venus als Mars is geen (nauwelijks) water aanwezig, zodat sterke terugkoppelingen op deze planeten ontbreken. Dit neemt niet weg dat andere dan water gerelateerde terugkoppelingen aanwezig kunnen zijn, zoals veranderingen van het stofgehalte in de atmosfeer van Mars, die via albedo veranderingen de temperatuur beïnvloeden. Ten slotte is de broeikaswerking afhankelijk van het temperatuurverval met de hoogte.

In de drie planeetatmosferen bevindt zich het grootste gedeelte van de massa aan broeikasgassen in de troposfeer. Deze ‘weerlaag’ kenmerkt zich door een kritisch temperatuurverval met de hoogte: stralingsprocessen streven naar een groter temperatuurverval, maar (snelle) spontane warmtestromen vanaf het planeetoppervlak verhinderen dat dit kritisch temperatuurverval overschreden wordt. De grootte van deze warmtestromen is afhankelijk van de zwaartekrachtsversnelling en de samenstelling van de atmosfeer. In het bijzonder is van belang of er waterdamp in de atmosfeer zit. Op aarde is dit temperatuurverval door condensatie en neerslagprocessen gemiddeld 6,5 graad per kilometer. Op Venus en Mars wordt het temperatuurverval gegeven door de zogeheten droogadiabaat, die voor beide CO2-atmosferen afhangen van de zwaartekrachtsversnelling. Wanneer we alle bovengenoemde effecten verdisconteren, vinden we voor de broeikaswerking van Venus en Mars respectievelijk 498 en 3 graden. Opgeteld bij de effectieve temperatuur van de betreffende planeet vinden we dan de oppervlaktetemperatuur. Deze blijkt nagenoeg gelijk aan de gemeten gemiddelde temperatuur.

Literatuur:

  1. R. van Dorland, Klimaatveranderingen en het broeikaseffect, Actuele Onderwerpen (AO) boekenreeks, AO2781, 2003.
  2. R. van Dorland, Climate change and greenhouse effect, Change, 50, blz. 16-18, 2000.
  3. R. van Dorland, Het broeikaseffect ter discussie; de rol van CO2 in de broeikasverwarming, Zenit, 24, blz. 30-35, 1997.
  4. H.M.A. Priem, Aarde, een planetaire visie, Van Gorkum & Comp. B.V., Assen, 1997.
  5. G. Schilling, Mars en Venus: werelden van verschil, Zenit, 22, blz. 408-411, 1995.