Wat is de rol van methaan in het versterkte broeikaseffect?

Methaan (CH4) is één van de broeikasgassen die leiden tot opwarming van de aarde. CH4 kan veel meer warmte vasthouden dan CO2 en draagt relatief meer bij aan het versterkte broeikaseffect. Hoewel een groot gedeelte van CH4 vrijkomt door natuurlijke processen komt steeds meer CH4 vrij als gevolg van de mens. CH4 lijkt een positieve terugkoppeling te hebben op de temperatuurstoename op aarde. Door o.a. industrialisering van Azië neemt de hoeveelheid CH4 in de atmosfeer toe en zullen we naast CO2 ook aan CH4-reductie moeten doen.

Inleiding

We horen veel over het broeikaseffect, maar wat is dit ook al weer? Onze atmosfeer rondom de aarde is een laag lucht die door de aantrekkingskracht van de aarde bijeen wordt gehouden. Deze luchtlaag bestaat uit stikstof (78%), zuurstof (21%), waterdamp en verschillende andere gassen (Global-greenhous-warming.com). Overdag wordt de aarde opgewarmd door de zon en geeft de aarde de warmte ook weer af. De broeikasgassen in de atmosfeer, waarvan waterdamp de grootste invloed heeft, zorgen ervoor dat de warmte die de aarde uitstraalt, niet de ruimte in verdwijnt, maar voor een gedeelte wordt vastgehouden. Zodoende is de temperatuur op aarde hoger, dan wanneer deze "deken" er niet zou zijn. Zonder deze deken, die je kunt vergelijken met een broeikas, zou de temperatuur op aarde gemiddeld -18˚C zijn, in plaats van de huidige +15˚C (De Vries, 2004). Je noemt dit verschijnsel het natuurlijk broeikaseffect.

Naast het natuurlijk broeikaseffect heb je het versterkt broeikaseffect. Door de toename van gassen in de atmosfeer als gevolg van menselijk handelen, zoals koolstofdioxide (CO2), methaan (CH4), distikstofoxide (N2O = lachgas) en de gehalogeneerde koolwaterstoffen (een groep van gassen met fluor, chloor en broom) krijg je met meer gassen een nog dikkere deken en dus een nog grotere opwarming van de aarde: het versterkte broeikaseffect. Sinds de industriële revolutie is het aandeel van deze gassen in de atmosfeer enorm toegenomen door de verbranding van fossiele brandstoffen (o.a. steenkool), zie fig. 1.

Hoewel de maatschappelijke discussie, schoolboeken, overheidsmaatregelen e.d., met name gericht zijn op de uitstoot van CO2 spelen derhalve ook andere gassen een rol in het (versterkte) broeikaseffect. In dit artikel zullen we globaal een antwoord proberen te geven op de vraag: wat is de rol van methaan in het versterkte broeikaseffect?

Wat is methaan?

Methaan is de kleinste koolwaterstof met als molecuulformule CH4. Bij temperaturen boven de -161˚C en onder normale druk zal methaan alleen in gasvorm voorkomen. Methaan is een hoofdbestanddeel van aardgas. Het merendeel van de natuurlijk gevormde methaan op aarde ontstaat bij biologische processen in zuurstofarme milieus. Methaan is een broeikasgas omdat het infrarode straling (warmte, uitgestraald door de aarde) kan opnemen, welke anders zou verdwijnen in de ruimte. Hierdoor kan methaan ervoor zorgen dat de aarde wordt opgewarmd (EPA).

Waar wordt methaan gevormd?

In een ongestoorde, natuurlijke atmosfeer is methaan vooral afkomstig uit natte gebieden, zoals moerassen en venen. Metingen op basis van ijslagen hebben aangetoond dat pieken in de methaanconcentratie van de atmosfeer samenhangen met de pieken in zonne-instraling en moessonactiviteit. Een hogere zonne-instraling heeft tot gevolg dat de intensiteit van moessonneerslag toeneemt waardoor er meer oppervlaktewater blijft staan. De zuurstof uit dit oppervlaktewater wordt onttrokken door rottende plantenresten waardoor condities ontstaan waarbij methaan vrij komt. Een tweede verklaring voor de relatie met zonne-instraling is het feit dat bij een hoge zonne-instraling in toendragebieden gedurende langere tijd de temperatuur warm genoeg is voor het ontstaan van moerasgebieden waarin methaan kan vrijkomen (Ruddiman, 2008).

Behalve uit de natte gebieden is methaan ook afkomstig uit levende planten. Uit een onderzoek dat in 2006 werd gedaan door o.a. onderzoekers van de Universiteit van Utrecht is gebleken dat planten zelfs in een zuurstofrijke omgeving methaan kunnen aanmaken (PBL). Dit zou, samen met de vochtige omstandigheden, een reden kunnen zijn voor de grote hoeveelheden methaan die vrijkomen in het tropisch regenwoud.

Sinds de 18e eeuw is de uitstoot van methaan om andere redenen sterk toegenomen: er zat in het jaar 2000 bijna 200% meer CH4 in de atmosfeer dan in 1900 (Ruddiman, 2008), 60% van het CH4 in de atmosfeer komt door productie en verbruik van fossiele brandstoffen, rijstbouw, veeteelt en afvalverwerking. Ook bij bosbranden en het toenemend smelten van permafrost komt methaan vrij. Door de grote ontbossing neemt de laatste 10 à 20 jaar de methaan echter minder snel toe (KNMI).

Wat is de relatie van methaan tot ander broeikasgassen?

Naast waterdamp zijn CO2 en CH4 de belangrijkste broeikasgassen. De concentraties van beide gassen is weliswaar veel minder dan waterdamp maar ook zij voorkomen dat er bepaalde straling (golflengtes) als infrarood de atmosfeer verlaten, deze broeikasgassen zijn in staat de warmte van de straling te absorberen (Espere).

Variaties in methaan hangen sterk samen met de temperatuur en CO2-verschillen (KNMI). De mogelijkheden van beide gassen om warmte vast te houden zijn veel hoger dan waterdamp en hebben daardoor een grotere impact per deeltje. De mogelijkheid van gassen om warmte vast te houden in vergelijking met andere broeikasgassen wordt uitgedrukt in de global warming potential (GWP). Het referentiegas is CO2, welke een GWP van 1 heeft.

Figuur 3: Overzicht van de aanwezigheid van de belangrijkste broeikasgassen in de atmosfeer in 1750 en 2005

Bron: http://www.atmosphere.mpg.de/enid/253.html

Wat zijn de terugkoppelingseffecten van methaan?

Uit metingen van ijskernen van de afgelopen 100.000 jaar hebben we de rol van methaan (en CO2) kunnen benaderen in de temperatuurcycli van 23.000 (als gevolg van de tolbeweging van de aardas) en 41.000 jaar (als gevolg van verandering van de hoek van de aardas). De processen die methaan veroorzaken hebben een korte reactietijd waardoor het vrijkomen van methaan redelijk kort volgt op (verhoogde) instraling van de zon. De terugkoppeling van methaan in de atmosfeer lijkt een jaar na de 23.000-jaar cyclus te volgen en sterk voor te lopen op de reactie van (het smelten van) ijslagen. Daarmee versterkt methaan het broeikaseffect dat leidt tot smelting van de ijskappen. Dit valt te beschouwen als een positief terugkoppelingsmechanisme op verhoogde zonne-instraling (Ruddiman, 2008).

De reactie van methaan op de 41.000 jaar-cyclus is vrijwel gelijk aan die van de ijskappen. Dit zou te verklaren kunnen zijn doordat grote hoeveelheden methaan en CO2 direct vrijkomen bij smelten van de ijskappen. Dit zou vervolgens tot temperatuurstijging, verder smelten van ijskappen en meer vrijkomen van methaan en CO2 leiden. Dit is dan niet zozeer een positieve terugkoppeling op verhoogde zonne-instraling maar meer op smelten van ijskappen aldus Ruddiman (2008).
De reactie van methaan op de 100.000-jaar cyclus (verandering van de baan van de aarde om de zon) lijkt deels een directe terugkoppeling op de verhoogde zonne-instraling en deels een terugkoppeling op een versnelde reactie van landijs op de verhoogde zonne-instraling.

Hoewel de toename van methaan in de atmosfeer in het verleden niet altijd direct het gevolg was van de toename van temperatuur op aarde blijkt uit de constateringen van Ruddiman (2008) dat op langere termijn de warmere perioden op aarde samengingen met het vrijkomen van methaan (direct dan wel indirect) dat vervolgens automatisch leidt tot een toename van het broeikaseffect van de atmosfeer. Het is daarom naar ons idee niet onaannemelijk dat een eventuele temperatuurstijging op aarde als gevolg van menselijk handelen (o.a. uitstoot methaan en CO2 door verbranding en landbouw) gevolgd zal worden door de toename van natuurlijk gevormde methaan. Dit vormt dus een positieve terugkoppeling op temperatuurstijging.

De hierboven beschreven terugkoppeling zou versterkt kunnen worden door het smelten van methaanhydraten. Veel CH4 is opgeslagen als methaanhydraat in de aarde. Hier vormt ijs en methaan een stabiele verbinding onder hoge druk en koude temperaturen in de diepere lagen van de permafrost. Wanneer methaanhydraat smelt komt er water en methaan vrij. Er zit twee keer zo veel aan methaan in deze permafrostlaag dan alle fossiele brandstoffen bij elkaar. Maar met het toenemen van de temperatuur is de kans dat de methaanhydraten smelten steeds groter, met een grote impact op het broeikaseffect als gevolg. In diepere wateren oxideert (verbrandt) het vrijgekomen methaan overigens tot C02 voordat het de oppervlakte bereikt (Espere).
Een voorbeeld van bovenstaande is de grote opslag van methaan in de East Siberian Arctic Shelf. Men dacht dat de onderzeese permafrost de methaan veilig op zijn plek hield. Maar door het steeds warmer wordende zeewater komen er gaten in de permafrost. De hoeveelheid methaan die nu ontsnapt uit dit gebied is net zo groot als alle uitstoot van methaan uit de oceanen bij elkaar. Jaarlijks komt dit neer op 7,7 miljoen ton methaan. Het vrijkomen van maar 1% van de totale opslag in deze plaats zou de hoeveelheid methaan 3 tot 4x verdubbelen. In ijstijden was de concentratie CH4 0,3 tot 0,4 ppm, in warme periodes 0,6 tot 0,7. Nu bedraagt de methaanconcentratie 1,8 ppm (NSF). Onderzoekers ontdekten dat er 55 miljoen jaar geleden al eerder meer dan 2000 gigaton aan methaan vrij kwam waardoor het Paleoceen- Eoceen thermaal maximum ontstond, een unieke opwarming in snelheid en mate. Het duurde zo 100.000 jaar voordat de aarde hersteld was. Het snelle vrijkomen van methaan duurde 40.000 jaar en zorgde voor een opwarming van 5 graden (NSF).

Heeft methaan een grotere invloed op de klimaatverandering dan CO2?

Bossen nemen CO2 op, dit effect op het broeikaseffect is vele malen groter dan het beetje CH4 dat meer vrijkomt. (KNMI). Methaan is een sterker broeikasgas (tot 25 maal meer) ten opzichte van CO2 (kooldioxide). Er is echter veel minder van in de atmosfeer, zo'n 1800 ppb (= 1,8 ppm, ter vergelijking: CO2 = 385 ppm). Als gekeken wordt naar de impact die methaan heeft op de opwarming van de aarde, dan draagt methaan hier, ondanks haar relatief kleine aanwezigheid in de atmosfeer, bijna de helft van ten opzichte van CO2. In zijn totaliteit heeft CO2 nu meer invloed op de klimaatverandering op aarde maar relatief gezien is methaan van veel grotere invloed. Een kleine toename van de hoeveelheid methaan kan daarom verhoudingsgewijs grote gevolgen hebben.

Het methaangehalte op aarde is weer licht aan het stijgen sinds 1998. De oorzaak hiervan kan gezocht worden in de snelle industrialisatie van Azië en de stijgende uitstoot vanuit wetlands rond de poolcirkel en de tropen. Zo zit er in de grote gebieden met permafrost veel koolstof verborgen. Indien de gebieden rond de polen opwarmen, kan dit betekenen dat deze koolstof in de vorm van methaan vrij komt, met wellicht een positief terugkoppelingseffect in opwarming en nog meer methaan uitstoot (NOAA).

Behalve dat aanpak van methaan als broeikasgas effectief is, lijkt deze aanpak ook goedkoper te zijn dan de aanpak van CO2 (NRC). Om methaanuitstoot tegen te gaan worden diverse maatregelen genomen. Zo zijn er experimenten waarbij de methaanuitstoot van runderen wordt aangepakt (Trouw) en methoden voor methaanreductie op stort- en mestplaatsen (KWA), (Senternovem) in ontwikkeling. Echter, op grote schaal wordt nog met name gericht op de CO2 uitstoot. De aanpak van CO2 uitstoot kan, als de temperatuur hierdoor daalt, ook het vrijkomen van methaan verminderen omdat lagere temperaturen leiden tot minder natuurlijke methaanuitstoot.

Conclusie

Hoewel CO2 in zijn totaliteit sterker bijdraagt aan de verwarming van de aarde moet methaan niet worden onderschat. Op dit moment zorgt de, in verhouding tot CO2, geringe hoeveelheid CH4 in de atmosfeer voor een belangrijk deel voor de opwarming van de aarde. Door de positieve terugkoppeling van methaan op de verwarming van de aarde kan de invloed van methaan in snel tempo toenemen. In het verleden is al aangetoond dat natuurlijke rottingsprocessen bij hogere temperaturen en meer neerslag en het vrijkomen van methaanhydraten kunnen leiden tot algehele opwarming van de aarde van 5 graden Celsius.

Vanwege de belangrijke invloed van methaan op het klimaat en relatief lage kosten voor reductie verdient methaanreductie naast CO2 reductie zeker de aandacht. Hoewel er reeds projecten zijn voor methaanreductie lijkt de aandacht echter nog vooral te gaan naar CO2 reductie.