De hoeveelheid waterstofgas in de atmosfeer is tussen 1852 en 2003 gestegen van 330 naar 550 deeltjes per miljard. En onderzoekers kunnen dat niet helemaal verklaren.

Dat de concentratie broeikasgassen in de atmosfeer in de afgelopen anderhalve eeuw flink is toegenomen, weet iedereen. Het ligt ten grondslag aan één van de grootste problemen van onze tijd: klimaatverandering. Maar vaak ligt daarbij de focus op het overbekende broeikasgas koolstofdioxide (CO2) dat in pre-industriële tijden een concentratie van zo’n 281 ppm kende, maar deze zomer bijna de 420 ppm aantikte.

Waterstofgas
Veel minder vaak hoor je over moleculaire waterstof (of waterstofgas) waarvan over het algemeen wordt aangenomen dat ook de atmosferische concentratie daarvan sinds pre-industriële tijden flink is toegenomen. “Waterstofgas is een heel simpel molecuul dat bestaat uit twee waterstofatomen,” legt onderzoeker John Patterson aan Scientias.nl uit. “En mensen produceren het voornamelijk door fossiele brandstoffen (koolwaterstoffen) te verbranden.”

Maar waar we van een broeikasgas als CO2 vrij nauwkeurig weten hoe de concentratie in de afgelopen 150 jaar is veranderd, was dat voor moleculaire waterstof onbekend. Simpelweg, omdat onderzoekers niet wisten hoeveel waterstofgas er in pre-industriële tijden in de atmosfeer zat. Een nieuw onderzoek, waar Patterson hoofdauteur van is, brengt daar verandering in.

IJs
Patterson en collega’s bogen zich voor het onderzoek over luchtbelletjes die in het Antarctische ijs zitten opgesloten. Die luchtbelletjes zijn ooit gevangen komen te zitten onder versgevallen sneeuw en zijn eigenlijk een soort tijdcapsules, die ons meer inzicht kunnen geven in hoe de atmosfeer er in de tijd dat de sneeuw viel, uitzag. Patterson en collega’s bemonsterden luchtbelletjes die tot wel 169 jaar geleden zijn gevormd.

In de lijn der verwachtingen
En het onderzoek wijst uit dat de concentratie waterstofgas tussen 1852 en 2003 met 70 procent is toegenomen. Dat percentage lag wel in de lijn der verwachtingen, zo vertelt Patterson. “Dat is ongeveer wat we op basis van de toename in atmosferisch methaan (een belangrijke bron van waterstofgas) en de toename in de verbranding van fossiele brandstoffen (nog zo’n belangrijke bron van waterstofgas) hadden verwacht.”

Verrassing
Maar het onderzoek levert ook een verrassing op. Want de onderzoekers hadden – afgaand op de afname in koolstofmonoxide – verwacht dat ook de concentratie waterstofgas in de 20e eeuw iets zou afnemen. Maar daar is geen sprake van; de concentratie neemt alleen maar toe. “Koolstofmonoxide en waterstofgas komen beiden vrij bij een ‘onvolledige verbranding’. Het is eigenlijk heel simpel: als er niet genoeg zuurstof beschikbaar is, resulteert de verbranding van fossiele brandstoffen in koolstofmonoxide en waterstofgas in plaats van koolstofdioxide en water. Meer controle op vervuiling en de introductie van driewegkatalysator in auto’s zijn verantwoordelijk voor de afname in koolstofmonoxide. Van driewegkatalysatoren weten we echter dat ze ook zorgen voor een vergelijkbare afname van waterstofgas in uitlaatgassen. Dus we hadden verwacht dat het atmosferische waterstofgas net zo zou reageren als atmosferisch koolstofmonoxide (en dus zou afnemen, red.).” Maar dat is niet het geval. “Er is geen bewijs dat de uitstoot van moleculaire waterstof in de twintigste eeuw af is genomen.”

Mysterie
Hoe kan dat? “Dat is het mysterie!” stelt Patterson. Op dit moment wijst alles erop dat er naast auto’s nog andere, onderschatte bronnen van waterstofgas zijn. “Maar meer onderzoek is hard nodig.”

Gevolgen
Vaststaat in ieder geval dat de concentratie waterstofgas in 150 jaar tijd flink is toegenomen. En dat is toch wel enigszins zorgwekkend. “Waterstofgas is een indirect broeikasgas,” stelt Patterson. “Het reageert met hydroxylradicalen. Hydroxylradicalen zijn verantwoordelijk voor het afbreken van atmosferisch methaan (een belangrijk broeikasgas). Meer waterstofgas dat met hydroxylradicalen reageert, betekent dan ook dat er minder hydroxylradicalen beschikbaar zijn om met methaan te reageren, waardoor het methaangehalte in de atmosfeer stijgt. Waterstofgas kan ook de hoeveelheid waterdamp in de stratosfeer verhogen (en waterdamp is ook een broeikasgas).” De toename in stratosferische waterdamp kan bovendien weer leiden tot een toename in polaire stratosferische wolken die bijdragen aan de afbraak van ozon.

Waterstofeconomie
Onderzoekers hebben wel ideeën over hoe het de atmosferische waterstofgasconcentratie in de toekomst zal vergaan. De verwachting is dat deze – zeker als steeds meer auto’s op waterstof gaan rijden – alleen maar verder stijgt. “Sommige onderzoekers schatten dat als de ‘waterstofeconomie’ echt van de grond komt, de hoeveelheid waterstof in de atmosfeer nog wel met een factor vier kan toenemen.”

Een goede reden om de concentratie ook de komende jaren nauwlettend in de gaten te houden. “Met name ook vanwege de effecten die een toename van waterstofgas kan hebben op de beschikbaarheid van hydroxylradicalen.” Daarnaast wil Patterson ook graag meer onderzoek doen naar voormalige atmosferische concentraties van waterstofgas. Nu zijn ons die tot 1853 bekend. “Maar we kunnen met ijskernen nog veel verder terug gaan.” Ook de nu nog mysterieuze bron van moleculaire waterstofgas die ervoor zorgt dat de atmosferische concentratie ondanks maatregelen zoals de introductie van de driewegkatalysatoren blijft stijgen, verdient meer onderzoek. “Het laat zien dat we de biogeochemische cyclus van waterstofgas nog niet volledig begrijpen. Meer onderzoek daarnaar is belangrijk, zeker omdat de ‘waterstofeconomie’ die cyclus waarschijnlijk nog verder gaat verstoren.”