Infrarood en albedo Hoe zit het met de warmtestraling van bossen een miljard hectare extra bomen zou 200 gigaton CO2 uit de lucht halen.Hoe zit het met de warmtestraling van bossen?

Een gastbijdrage van Marleen Roelofs.

Iets meer dan twee jaar geleden was er veel ophef over het planten van mogelijk een miljard hectare extra bomen (Bastin et al. 2019). Dat zou ongeveer 200 gigaton CO2 uit de lucht halen.

Daar is veel kritiek op gekomen. Er moet dan namelijk over en weer gediscussieerd worden tussen klimatologen en andere wetenschappers over de mogelijke fouten in redeneringen. Klimaatonderzoekers zoals Pep Canadell, Zeke Hausfather en Hans Custers stelden dat deze berekening te simpel was, omdat het CO2 dat door de extra bomen onttrokken werd aan de atmosfeer, eerst ook in evenwicht moest raken met de biosfeer en de oceanen, waardoor er uiteindelijk veel minder CO2 uit de atmosfeer gehaald zou worden als gedacht. Eigenlijk een vreemd argument want als dit evenwicht tussen atmosfeer en biosfeer/oceanen zo bepalend is, wat heeft het dan nog voor zin om een extreem kostbare transitie door te voeren wanneer alle moeite om CO2 in de atmosfeer te verlagen toch grotendeels gecompenseerd wordt door CO2 uit de oceanen en biosfeer.

Een heuse domper op het mooie idee van deze Zwitserse wetenschappers. Persoonlijk leek het mij een prachtig plan. Gelukkig is ook Jane Goodall, de biologe die haar leven gewijd heeft aan de studie van het sociale leven van de chimpansee, dezelfde mening toegedaan en zij is zojuist een campagne gestart voor het planten van een biljoen bomen.

Behalve de kritiek op de verkeerd berekende vermindering van CO2 in de atmosfeer, kwam er ook de kritiek dat bossen een laag albedo hebben en daarmee zonlicht zouden absorberen wat een negatief effect heeft op het klimaat (positive radiative forcing).

Albedo is per definitie de fractie van de zichtbare zonnestraling die weerkaatst wordt. Oceanen en bossen hebben een laag albedo van rond de 15% tot 20%, terwijl sneeuw rond de 80% tot 90% ligt al naar gelang de invalshoek van het zonlicht. Dit effect zou vooral merkbaar zijn in de noordelijke streken, waar bomen bedekt met sneeuw minder albedo opleveren dan grond bedekt met sneeuw dat een zeer hoog albedo heeft.

Het zichtbare licht – het deel van het elektromagnetische spectrum dat door het menselijk oog kan worden gezien – bevindt zich tussen de golflengten 400-700 nm. Het volledige zonnespectrum omvat alle golflengten van elektromagnetische energie van de zon die het aardoppervlak bereikt. Deze golflengten beginnen bij ultraviolet (UV) A (in het algemeen langer dan 370 nm) en omvatten zichtbaar licht (400-700 nm), nabij-infrarood (NIR, 700-1000 nm) en kortegolf-infrarood (SWIR, 1000-3000 nm) en ver-infrarood.

Infrarood en albedo Hoe zit het met de warmtestraling van bossen een miljard hectare extra bomen zou 200 gigaton CO2 uit de lucht halen.

Het totale elektromagnetisch spectrum met uitgelicht het zichtbare spectrum

Planten absorberen het zichtbare deel van het zonnespectrum, in meer of mindere mate. Om precies te zijn, ze gebruiken het licht tussen 400 en 500 en tussen 600 en 700 nanometer, respectievelijk het blauwe en rode licht. Het groene (tussen 500 en 600 nm) wordt weerkaatst en daarom zien planten er groen uit.

Planten absorberen dus veel licht, maar wat gebeurt er met dit licht? De fotonen uit de voornoemde golflengten van het rode en blauwe licht worden door ‘antennes’ opgevangen. De energie van deze fotonen activeren in de fotosystemen elektronen die langs eiwit clusters geleid worden om vervolgens ingezet te worden voor de stofwisseling en de groei van de plant (= opslag CO2). Dit proces is niet 100% efficiënt en er is warmteverlies maar dat wordt gebruikt voor transpiratie dat kan leiden tot afkoeling van de plant en tot de vorming van wolken. Dat warmteverlies is hoe dan ook verwaarloosbaar vergeleken met de warmte die planten weerkaatsen!

Planten kunnen de atmosfeer ook verkoelen met de productie van waterdamp wanneer ze door de zon beschenen worden. Deze waterdamp kan wolkenvorming veroorzaken waardoor het albedo toeneemt en er veel zonlicht teruggekaatst wordt. Het terugkaatsen van het zonlicht zou inhouden dat er geen verhoging van de temperatuur in de atmosfeer plaatsvindt.

Planten geven ook veel andere stoffen af, een reden waarom Nadine Unger (atmosferisch chemicus) niet zo overtuigd is van de positieve bijdrage van bossen aan het klimaatprobleem.

Infrarood en albedo Hoe zit het met de warmtestraling van bossen een miljard hectare extra bomen zou 200 gigaton CO2 uit de lucht halen.

Kenmerkende spectra van bladeren van groenblijvende en bladverliezende soorten, gemeten op volle bladeren in juni. Quercus douglasii (blauwe eik) is een bladverliezende tweezaadlobbige soort, Zea mays (maïs) is een bladverliezende eenzaadlobbige soort, Q. wislizeni (zwarte eik) is een groenblijvende tweezaadlobbige soort en Pinus ponderosa (ponderosa-den) is een naaldblad conifeer. Uit Ustin et al. 2002

Warmte is hetzelfde als infraroodstraling. Hoewel onzichtbaar voor het oog, kan infraroodstraling door de huid als warmte worden gedetecteerd. Bijna 50 procent van de stralingsenergie van de zon wordt uitgezonden in het infrarode gebied van het elektromagnetische spectrum, de rest voornamelijk in het zichtbare gebied.

Planten weerkaatsen vrijwel al het invallende (shortwave and near-) infrarood (SWIR en NIR), ofwel warmtestraling (Ustin et al. 2002). Bekijk je foto’s gemaakt met infrarood-gevoelige camera’s dan is de vegetatie wit en de rest is kleurloos of bijna zwart, zoals de lucht, de schaduwen en de boomschorsen. De planten weerkaatsen de infrarode golflengtes. Dit gegeven wordt gebruikt voor het opsporen van vegetatie met satellieten. Het is daarmee mogelijk met een berekening te bepalen of zich ergens bos bevindt of woestijn (of bebouwing). De bossen absorberen zonlicht en reflecteren IR-straling terwijl de woestijn zowel zichtbaar licht als IR-straling weerkaatst. Door het verschil tussen de twee te berekenen, weet je of de betreffende pixels bos of woestijn vertegenwoordigen.

De klimaatwetenschappers zijn zich dus wel degelijk bewust van het feit dat vegetatie de kortere golflengtes (zichtbaar licht) absorbeert en de langere golflengtes (IR-straling) reflecteert. Ze zouden dan moeten beseffen dat het lage albedo van de bossen een gevolg is van de absorptie van licht gedeeltelijk voor de groei van de plant en gedeeltelijk voor de transpiratie, zo dat er dus geen warmte geproduceerd wordt en er geen negatieve gevolgen zijn voor het klimaat.

Infrarood en albedo Hoe zit het met de warmtestraling van bossen een miljard hectare extra bomen zou 200 gigaton CO2 uit de lucht halen.

De boomkruinen zijn wit en de rest is kleurloos of bijna zwart, zoals de lucht, de schaduwen en de boomschorsen. De planten weerkaatsen de infrarode golflengtes.

De gedachtegang lijkt te zijn dat bij een hoog albedo er veel zonlicht wordt teruggekaatst dat wordt gezien als iets dat het huidige klimaat ten goede komt omdat het zou werken als afkoeling – er is geen positieve radiative forcing. Een laag albedo daarentegen is niet goed voor het klimaat want het zonlicht, dat nauwelijks teruggekaatst wordt, warmt het oppervlak van de Aarde en de atmosfeer op. Maar in het geval van planten wordt deze energie omgezet in plantengroei en waterdamp en is er dus nauwelijks sprake van opwarming.

De stralingsenergie die de Aarde bereikt bestaat voor 50% uit zichtbaar licht en voor 50% uit IR-straling. Beide soorten straling warmen het oppervlak van de Aarde en de atmosfeer op, maar IR-straling wordt geabsorbeerd door water dat opwarmt en wordt grotendeels door de vegetatie weerkaatst. Dit geeft aan dat het argument dat bossen het albedo verlagen en daarmee een slechte oplossing vormen voor het mitigeren van de temperatuurstijging van de atmosfeer, onjuist is. Planten absorberen veel licht dat normaal gesproken inderdaad opwarming veroorzaakt. Maar bij vegetatie ligt dit echter anders omdat de absorptie van het zichtbare licht via fotosynthese leidt tot de productie van suikers ofwel de groei van de plant, met een minimum aan afgifte van warmte als bijproduct van de groei. Het andere deel van de zonnestraling, de warmte of IR die op de vegetatie valt, wordt vrijwel in zijn geheel teruggekaatst. Het gaat om de golflengtes van 700 tot 2500 nm. CO2 absorbeert voornamelijk rond 15 m oftewel 15.000 nm. De IR-straling die door de bossen weerkaatst wordt is dus niet van invloed op het broeikaseffect mogelijk veroorzaakt door CO2.

Dit verschil tussen het effect van het zichtbare deel van zonlicht en het effect van IR op de vegetatie, betekent dat het concept albedo nog eens zou moeten worden bekeken en misschien beter gedefinieerd zou moeten worden met betrekking tot de warmtestraling. Het weerkaatsen van zichtbaar licht (op sneeuw) is niet per se gekoppeld aan het weerkaatsen van warmte net zomin als het absorberen van zichtbaar licht (bij planten) niet per se betekent dat er sprake is van omzetting in warmte.

Infrarood en albedo Hoe zit het met de warmtestraling van bossen een miljard hectare extra bomen zou 200 gigaton CO2 uit de lucht halen.

Marleen Roelofs.

Planten hebben drie belangrijke eigenschappen:

  1. ze nemen CO2 op;
  2. ze reflecteren Infrarood;
  3. met het absorberen van licht en de opname van CO2 slaan ze energie in de vorm van biomassa op met als gevolg dat het lage albedo nauwelijks van belang is voor de warmtebalans

Dan toch maar 1 miljard hectare extra bos?

***

Met dank aan Ap Cloosterman voor diens commentaar op een eerdere versie van deze bijdrage.