Het klimaat op aarde wijzigt onder invloed van diverse factoren, globaal gesproken zijn dat de algehele (mondiale) stralingsbalans, circulatiepatronen, oceanografie en geografie. Ik ga in deze posting alleen eerst in op de stralingsbalans.
De stralingsbalans van de aarde is een optelsom van inkomende en uitgaande straling. Over langere periode bezien is het geheel in balans. Als dat niet zo zou zijn zou de aarde voortdurend warmer of kouder worden. Over korte periode bezien is de stralingsenergie echter ongelijk over de aarde verdeeld. Meer uitleg over de stralingsbalans is hier te vinden.
Over de afgelopen 40 à 50 jaar is de hoeveelheid inkomende straling toegenomen met zo'n 1,6 W/m². Dit is in feite het netto resultaat van diverse factoren ('forceringen', ofwel directe invloeden, en terugkoppelingen, ofwel min of meer gevolgen van) die zowel positief als negatief de stralingsbalans beïnvloeden. De belangrijkste factoren en hun corresponderende invloed op de verandering in de stralingsbalans in W/m² zijn in onderstaande boxplot weergegeven. De grote staven geven de meest waarschijnlijke invloed op de verandering weer en de dunne staafjes met de uiteinden het bereik van de onzekerheid in de schattingen en/of metingen.
Allereerst de meest significante forceringen op de stralingsbalans: de zogenaamde broeikasgassen, CO2, CH4 en N2O (waterdamp (H2O) staat hier niet bij omdat dat in feite geen forcering is maar een feedback, kom ik zo op terug). Met dit soort zogenoemde stralingsforceringen wordt de verandering van de wereldwijd gemiddelde netto neerwaartse stralingsflux op tropopauzeniveau bedoeld, nadat de stratosfeer zich heeft kunnen aanpassen. Dus NIET de netto flux aan de top van de atmosfeer en ook NIET de netto flux aan het aardoppervlak. Toenemende broeikasgasconcentraties houden de infrarode straling vanaf het aardoppervlak sterker tegen en zorgen er zo voor dat de opwaartse flux van langgolvige straling op de tropopauze afneemt. Ofwel: de netto neerwaartse flux van langgolvige straling neemt toe. Vandaar dat er dus sprake is van een positieve stralingsforcering door broeikasgassen.
De invloed van deze broeikasgassen wordt momenteel geschat op +2,5 W/m² met een onzekerheidsmarge tussen de 2,1 W/m² en 2,8 W/m². In absolute zin is de forcering door broeikasgassen de belangrijkste als het gaat om de verandering in stralingsbalans. De invloed is positief, wat betekent dat als de concentratie van deze gassen toeneemt dit een positief (toenemend) effect heeft op de verandering in de stralingsbalans. Vervolgens komt ozon, waarvan het effect afhankelijk is van de locatie waar het zich bevindt. In de troposfeer werkt ozon bevorderend voor de verandering in stralingsbalans, circa +0,4 W/m², terwijl ozon in de stratosfeer juist een licht negatief effect heeft (maar dit kan ook licht positief zijn, de onzekerheid is vrij groot, echter zeer waarschijnlijk is de bijdrage van ozon relatief klein). De reden hiervoor is dat ozon op twee manieren werkt: in de troposfeer als een broeikasgas en in de stratosfeer absorberend voor UV-straling.
Het volgende effect is het totale effect van aërosolen. Aërosolen, (zoals stuifmeel, fijn stof, et cetera) zijn heel effectief in het verstrooien en weerkaatsen van inkomende straling, waardoor het effect dan ook negatief is op de verandering in de stralingsbalans (circa -0,5 W/m², maar de onzekerheid is nog erg groot vanwege de beperkte kennis en meetgegevens over aërosolen). Hieronder moet overigens ook het stof gerekend worden dat bij vulkaanuitbarstingen vrij komt. Het volgende effect is in feite een indirect effect, het heeft te maken met sulfaataërosolen die hun invloed hebben op de albedo van wolken (meer aërosolen betekent meer nuclei voor wolkenvorming met als gevolg netto hogere 'wolkenalbedo'). Het volgende effect is de invloed van lineaire contrails op de stralingsbalans. Het is in feite nog onbekend of het effect positief of negatief is, momenteel wordt de schatting op nagenoeg neutraal gehouden. Op zijn hoogst wordt de invloed op +/- 0,1 W/m² geschat.
De volgende invloed is de veranderde albedo van het aardoppervlak. Doordat urbanisatie zorgt voor het afnemen van bebossing en dergelijke, verandert de bodembedekking van onze planeet. Elke bodemsoort heeft een bepaald soort albedo en dit bepaald in welke mate inkomende straling weerkaatst of geabsorbeerd wordt. Sneeuw bijvoorbeeld weerkaatst de meeste straling (daardoor blijft het vrij constant in temperatuur) terwijl zandgrond nagenoeg alles absorbeert (waardoor het snel warm wordt mar ook weer snel afkoelt). Veranderingen in de verdeling en soorten albedo op aarde hebben hun invloed op hoe straling wordt geabsorbeerd en weerkaatst, wat vervolgens weer zijn invloed heeft op de temperatuur boven het aardoppervlak.
De één-na-laatste invloed die ik noem is die van waterdamp in de stratosfeer. Dit is een effect dat een vrij geringe bijdrage heeft, circa 0,1 W/m² aan de positieve kant. Ik zal echter eerst even uitleggen wat het effect van waterdamp in het algemeen is op de stralingsbalans: langgolvige (of thermische) straling is afkomstig van het aardoppervlak en wordt grotendeels geabsorbeerd door de atmosfeer. Waterdamp is de belangrijkste absorbeerder van deze straling, maar hoe belangrijk is dit nu? Als we kijken naar massa dan is waterdamp veel belangrijker dan bijvoorbeeld CO2 (ongeveer 0,3% van de atmosferische massa tegen 0,06% voor CO2) en de andere broeikasgassen (circa 80% ervan, die wel ~90% van de volume vertegenwoordigen). Waterdamp is echter voor de invloed op de stralingsbalans veel minder van belang vanwege het simpele feit dat de reactietijd van water heel kort is (circa 10 dagen), wat het in essentie een feedback maakt. Terug naar de invloed van waterdamp in de stratosfeer: de lucht is in de stratosfeer erg droog en water heeft daar een veel tragere reactietijd (enkele jaren), waardoor kleine (antropogene) invloeden heel belangrijk zijn. Bijvoorbeeld de oxidatie van antropogeen methaan en de directe depositie van water in de stratosfeer als gevolg van toenemend luchtvaartverkeer, zijn oorzaken van de toename van water in de stratosfeer. Vandaar dat stratosferische waterdamp als een forcering wordt gezien en ook in bovenstaand figuur is opgenomen.
De laatste invloed is die van de zon. De hoeveelheid straling die de zon uitzend is vrij constant, maar in feite niet geheel constant. De hoeveelheid is in feite afhankelijk van een aantal dingen, waarvan op een vrij korte tijdschaal (11 jaar) het aantal zonnevlekken de belangrijkste is. Op een veel langere tijdschaal, van enkele tienduizenden tot honderdduizenden jaren, spelen schommelingen in de stand en hoek van de aardas een rol (Milankovitch cycli), mede waardoor met een vrij regelmatig interval grote ijstijden ontstaan. De afgelopen 50 tot 100 jaar is er echter geen sprake geweest van enige significante verandering op dit gebied wat een flinke invloed gehad zou kunnen hebben op de stralingsbalans. Ook in de nabije toekomst, voor tenminste enkele tienduizenden jaren, is het zeer waarschijnlijk dat er weinig tot geen verandering optreedt. We zitten in feite redelijk aan het begin van een interglaciaal (periode tussen twee grote ijstijden), bekeken vanuit een astronomisch oogpunt.
Tot zover dit eerste verhaal. Ik wil graag in de nabije toekomst nog ingaan op de invloed van (veranderde) circulatiepatronen, oceanografie en geografie op het klimaat. Met name het eerste is heel interessant en daarin zijn ook nog de meest vraagtekens op dit moment. Aanvullingen op dit eerste verhaal zijn overigens zeer welkom!!
Gr. Ben
P.S. het figuur is gebaseerd op data van het IPCC (verzameling van duizenden artikelen/onderzoeken en bepaalde consensus + onzekerheid daartussen). Verdere bronnen:
- http://www.realclimate.org/index.php?p=145
- http://www.realclimate.org/index.php?p=142
- http://www.cgd.ucar.edu/cms/pjr/pubs/1999JD900495.pdf
Edit 27-11-2006: aanvulling mbt. stralingsforcering verwerkt van Alwin.
De stralingsbalans van de aarde is een optelsom van inkomende en uitgaande straling. Over langere periode bezien is het geheel in balans. Als dat niet zo zou zijn zou de aarde voortdurend warmer of kouder worden. Over korte periode bezien is de stralingsenergie echter ongelijk over de aarde verdeeld. Meer uitleg over de stralingsbalans is hier te vinden.
Over de afgelopen 40 à 50 jaar is de hoeveelheid inkomende straling toegenomen met zo'n 1,6 W/m². Dit is in feite het netto resultaat van diverse factoren ('forceringen', ofwel directe invloeden, en terugkoppelingen, ofwel min of meer gevolgen van) die zowel positief als negatief de stralingsbalans beïnvloeden. De belangrijkste factoren en hun corresponderende invloed op de verandering in de stralingsbalans in W/m² zijn in onderstaande boxplot weergegeven. De grote staven geven de meest waarschijnlijke invloed op de verandering weer en de dunne staafjes met de uiteinden het bereik van de onzekerheid in de schattingen en/of metingen.
Allereerst de meest significante forceringen op de stralingsbalans: de zogenaamde broeikasgassen, CO2, CH4 en N2O (waterdamp (H2O) staat hier niet bij omdat dat in feite geen forcering is maar een feedback, kom ik zo op terug). Met dit soort zogenoemde stralingsforceringen wordt de verandering van de wereldwijd gemiddelde netto neerwaartse stralingsflux op tropopauzeniveau bedoeld, nadat de stratosfeer zich heeft kunnen aanpassen. Dus NIET de netto flux aan de top van de atmosfeer en ook NIET de netto flux aan het aardoppervlak. Toenemende broeikasgasconcentraties houden de infrarode straling vanaf het aardoppervlak sterker tegen en zorgen er zo voor dat de opwaartse flux van langgolvige straling op de tropopauze afneemt. Ofwel: de netto neerwaartse flux van langgolvige straling neemt toe. Vandaar dat er dus sprake is van een positieve stralingsforcering door broeikasgassen.
De invloed van deze broeikasgassen wordt momenteel geschat op +2,5 W/m² met een onzekerheidsmarge tussen de 2,1 W/m² en 2,8 W/m². In absolute zin is de forcering door broeikasgassen de belangrijkste als het gaat om de verandering in stralingsbalans. De invloed is positief, wat betekent dat als de concentratie van deze gassen toeneemt dit een positief (toenemend) effect heeft op de verandering in de stralingsbalans. Vervolgens komt ozon, waarvan het effect afhankelijk is van de locatie waar het zich bevindt. In de troposfeer werkt ozon bevorderend voor de verandering in stralingsbalans, circa +0,4 W/m², terwijl ozon in de stratosfeer juist een licht negatief effect heeft (maar dit kan ook licht positief zijn, de onzekerheid is vrij groot, echter zeer waarschijnlijk is de bijdrage van ozon relatief klein). De reden hiervoor is dat ozon op twee manieren werkt: in de troposfeer als een broeikasgas en in de stratosfeer absorberend voor UV-straling.
Het volgende effect is het totale effect van aërosolen. Aërosolen, (zoals stuifmeel, fijn stof, et cetera) zijn heel effectief in het verstrooien en weerkaatsen van inkomende straling, waardoor het effect dan ook negatief is op de verandering in de stralingsbalans (circa -0,5 W/m², maar de onzekerheid is nog erg groot vanwege de beperkte kennis en meetgegevens over aërosolen). Hieronder moet overigens ook het stof gerekend worden dat bij vulkaanuitbarstingen vrij komt. Het volgende effect is in feite een indirect effect, het heeft te maken met sulfaataërosolen die hun invloed hebben op de albedo van wolken (meer aërosolen betekent meer nuclei voor wolkenvorming met als gevolg netto hogere 'wolkenalbedo'). Het volgende effect is de invloed van lineaire contrails op de stralingsbalans. Het is in feite nog onbekend of het effect positief of negatief is, momenteel wordt de schatting op nagenoeg neutraal gehouden. Op zijn hoogst wordt de invloed op +/- 0,1 W/m² geschat.
De volgende invloed is de veranderde albedo van het aardoppervlak. Doordat urbanisatie zorgt voor het afnemen van bebossing en dergelijke, verandert de bodembedekking van onze planeet. Elke bodemsoort heeft een bepaald soort albedo en dit bepaald in welke mate inkomende straling weerkaatst of geabsorbeerd wordt. Sneeuw bijvoorbeeld weerkaatst de meeste straling (daardoor blijft het vrij constant in temperatuur) terwijl zandgrond nagenoeg alles absorbeert (waardoor het snel warm wordt mar ook weer snel afkoelt). Veranderingen in de verdeling en soorten albedo op aarde hebben hun invloed op hoe straling wordt geabsorbeerd en weerkaatst, wat vervolgens weer zijn invloed heeft op de temperatuur boven het aardoppervlak.
De één-na-laatste invloed die ik noem is die van waterdamp in de stratosfeer. Dit is een effect dat een vrij geringe bijdrage heeft, circa 0,1 W/m² aan de positieve kant. Ik zal echter eerst even uitleggen wat het effect van waterdamp in het algemeen is op de stralingsbalans: langgolvige (of thermische) straling is afkomstig van het aardoppervlak en wordt grotendeels geabsorbeerd door de atmosfeer. Waterdamp is de belangrijkste absorbeerder van deze straling, maar hoe belangrijk is dit nu? Als we kijken naar massa dan is waterdamp veel belangrijker dan bijvoorbeeld CO2 (ongeveer 0,3% van de atmosferische massa tegen 0,06% voor CO2) en de andere broeikasgassen (circa 80% ervan, die wel ~90% van de volume vertegenwoordigen). Waterdamp is echter voor de invloed op de stralingsbalans veel minder van belang vanwege het simpele feit dat de reactietijd van water heel kort is (circa 10 dagen), wat het in essentie een feedback maakt. Terug naar de invloed van waterdamp in de stratosfeer: de lucht is in de stratosfeer erg droog en water heeft daar een veel tragere reactietijd (enkele jaren), waardoor kleine (antropogene) invloeden heel belangrijk zijn. Bijvoorbeeld de oxidatie van antropogeen methaan en de directe depositie van water in de stratosfeer als gevolg van toenemend luchtvaartverkeer, zijn oorzaken van de toename van water in de stratosfeer. Vandaar dat stratosferische waterdamp als een forcering wordt gezien en ook in bovenstaand figuur is opgenomen.
De laatste invloed is die van de zon. De hoeveelheid straling die de zon uitzend is vrij constant, maar in feite niet geheel constant. De hoeveelheid is in feite afhankelijk van een aantal dingen, waarvan op een vrij korte tijdschaal (11 jaar) het aantal zonnevlekken de belangrijkste is. Op een veel langere tijdschaal, van enkele tienduizenden tot honderdduizenden jaren, spelen schommelingen in de stand en hoek van de aardas een rol (Milankovitch cycli), mede waardoor met een vrij regelmatig interval grote ijstijden ontstaan. De afgelopen 50 tot 100 jaar is er echter geen sprake geweest van enige significante verandering op dit gebied wat een flinke invloed gehad zou kunnen hebben op de stralingsbalans. Ook in de nabije toekomst, voor tenminste enkele tienduizenden jaren, is het zeer waarschijnlijk dat er weinig tot geen verandering optreedt. We zitten in feite redelijk aan het begin van een interglaciaal (periode tussen twee grote ijstijden), bekeken vanuit een astronomisch oogpunt.
Tot zover dit eerste verhaal. Ik wil graag in de nabije toekomst nog ingaan op de invloed van (veranderde) circulatiepatronen, oceanografie en geografie op het klimaat. Met name het eerste is heel interessant en daarin zijn ook nog de meest vraagtekens op dit moment. Aanvullingen op dit eerste verhaal zijn overigens zeer welkom!!
Gr. Ben
P.S. het figuur is gebaseerd op data van het IPCC (verzameling van duizenden artikelen/onderzoeken en bepaalde consensus + onzekerheid daartussen). Verdere bronnen:
- http://www.realclimate.org/index.php?p=145
- http://www.realclimate.org/index.php?p=142
- http://www.cgd.ucar.edu/cms/pjr/pubs/1999JD900495.pdf
Edit 27-11-2006: aanvulling mbt. stralingsforcering verwerkt van Alwin.