Inleiding
Dat de aarde flink is opgewarmt staat nu vast maar het broeikaseffect zelf is lastig aan te tonen.
Dat komt omdat het niet meetbaar is, juist vanwege de klimaatsverandering. Extra broeikasgassen verstoren de energiebalans. Deze energiestromen worden wel met satellieten gemeten en zouden aanwijzingen kunnen geven over klimaatsverandering. In dit onderzoek wordt de uitgaande infrarood straling (OLR =outgoing longwave radiation) onder de loep genomen aan de hand van metingen van de NOAA en proberen we enkele puzzelstukken van het klimaat op te lossen. Broeikasgassen houden een deel van de uitgaande warmtestraling (OLR) vast. Bij een toenemend broeikaseffect wordt er meer energie vast gehouden en verdwijnt er minder in de ruimte. Je zou dan in eerste instantie verwachten dat de satellieten over de afgelopen dertig jaar een afname van de OLR hebben gemeten. Echter, door de opwarming straalt de aarde zelf ook weer meer uit, in principe tot er weer een evenwicht is bereikt. Bij een sterke toename van broeikasgassen zou de uitstraling enigszins achter lopen omdat het klimaat de tijd nodig heeft zich aan te passen. Uit ruwe berekeningen blijkt dat de gestegen concentraties van CO2, CH4 en overige gassen de temperatuur met ongeveer een halve graad hebben doen stijgen. Gaat de uitstoot van CO2 onverminderd door dan komt er door het ‘droge’ broeikaseffect de komende eeuw ca 1,5°C bij. Dit is veel minder dan het IPCC berekent en dat komt vooral omdat de klimaatmodellen ook een stijging van het waterdampgehalte meenemen, welke samengaat met de opwarming. Waterdamp is ook een sterk broeikasgas en neemt meer dan de helft van temperatuurstijging voor haar rekening. In deze bijdrage wordt het totale broeikaseffect aan de bron onderzocht en daarin zijn ook de effecten van waterdamp inbegrepen. Het is een goede gelegenheid om overige klimaatseffecten te bestuderen. De resultaten zijn echter opmerkelijk en laten veel verklaringen open. Deze komen meestal niet overeen met de beargumentering van het IPCC. Kennelijk spelen er andere zaken een rol en zou het klimaat de komende jaren mogelijk af kunnen koelen.
Verkenning
De gemiddelde OLR bedraagt ongeveer 232 W/m2. Boven het zuidelijke halfrond is er weinig variatie tussen de ‘na’winter en (na)zomer maar op het noordelijke halfrond variëert de uitstraling tussen 220 en 225W/m2 in de winter en iets meer dan 240 W/m2 in de zomer. Er is geen globale trend, wat betekent dat de mondiale opwarming redelijk in de pas loopt met het toegenomen broeikaseffect, zoals te zien is op figuur1. We zien ook dat de satellieten in het begin (1978) een jaartje missen. De eerste metingen tonen voor de zomer grote afwijkingen naar boven en meetreeksen bij andere bronnen, die satellietdata gebruiken, beginnen vanaf 1979. Daar sluit ik me dan ook bij aan voor de rest van dit onderzoek. Ik realiseer me dat de gegevens mogelijk onnauwkeurig kunnen zijn dus moeten we voorzichtig zijn kwantitieve conclusies te trekken. De satellieten meten, voor de duidelijkheid, de straling van aarde plus atmosfeer. In figuur 2 zijn nog eens de vijfjarige gemiddelden genomen vanaf 1979 voor beide halfronden en per seizoen. We zien dat de zomer op het zuidelijke halfrond een dalende trend laat zien (zoals verwacht op basis van het broeikaseffect) maar in de winter is er een stijgende trend. Op ons halfrond is er in beide seizoenen een stijgende trend te zien, het sterkst in de winter. Volgens deze gegevens maar liefst 2 W/m2! Dit is merkwaardig want betekent dat er steeds meer warmte verloren is gegaan terwijl de temperatuur onverminderd stijgt. De opwarming heeft het broeikaseffect ingehaald en dat is energietechnisch alleen mogelijk door toegenomen instraling van de zon. Betrouwbare, goed dekkende metingen van ontvangen zonne-energie zouden dat moeten uitwijzen, als die er ten minste zijn. Indien de verklaring bij de zonne-energie zou moeten worden gezocht dan zijn er o.a. de volgende mogelijkheden:
1) Door de afname van vooral antropogeen aërosol werd er de afgelopen dertig jaar steeds minder zonlicht gereflecteerd door vuile lucht en vuile wolken. Het IPCC is sterk van mening dat tot in de jaren ’70 door uitstoot van rook en roet door de industrie en kolenkachels, het broeikaseffect is verborgen. Na verbetering van de luchtkwaliteit in de westerse landen is de opwarming in een stroomversnelling gekomen. De global-dimming hypothese dus.
2) De zonne-aktiviteit is de afgelopen halve eeuw hoog geweest. Hoewel het aantal zonnevlekken, gemiddeld genomen sinds de jaren ’80 is afgenomen, is een groot deel van de extra UV-straling opgeslagen in de diepere oceanen en komt met een sterke vertraging aan de oppervlakte. Deze hypothese heb ik hier eerder beschreven. Dit effect zou nog versterkt kunnen zijn door ‘het gat’ in de ozonlaag.
3) Albedo feedback: Door de opwarming smelt er sneeuw en ijs waardoor de vrijgekomen grond meer zonne-energie absorbeert. Dit versterkt de opwarming waardoor het oppervlak aan sneeuw en ijs nog verder slinkt en nog verder opwarmt enzovoort.
Wanneer de zon nauwelijks een bijdrage levert dan is de energiebalans negatief geraakt boven het noordelijke halfrond en zal de temperatuur de komende tien jaar dalen. Om hier beter zicht op te krijgen gaan we het noordelijke halfrond nader bekijken, per regio en per seizoen. Deze seizoenen lopen niet altijd synchroon met de gebruikelijke indeling om de verschillende effecten van de zon beter te kunnen destilleren.
(Invalid img)
Figuur 1: OLR, zoals gemeten door satellieten van de NOAA in de periode 1975-2007, min 1978, op beide halfronden voor winter en zomer en het globale gemiddelde, inclusief trend.
(Invalid img)
Figuur 2: OLR, vijfjarig-gemiddelde anomaliëen voor de periode 1979 t/m 2007. Beide halfronden voor zomer en winter, inclusief trends.
Nadere analyse
In figuur 3 zijn vijf verschillende regio’s genomen van het noordelijke halfrond. We zien een opwaartse trend met een piek rond 1988 of 1989, vervolgens een dal rond 1993 en daarna een sterk stijgende trend tot heden. Tijdens die laatste snelle stijging van de OLR nemen de noordelijke oceanen de leiding. Rusland loopt aanvankelijk ook snel op maar loopt later achter, terwijl Europa het over neemt. Het poolgebied loopt dan mooi met Rusland mee. De dip van 1993 is grotendeels toe te schrijven aan de vulkaan Pinatubo welke in juni 1991 uitbarstte. Het koelde daardoor wereldwijd af, als gevolg waarvan ook de uitstraling afnam. Kijken we per seizoen dan nemen we eerst (figuur 4) de continenten appart. Daar zien we, dat de Europese nazomers (in dit geval juli, augustus, september) en boven Rusland zowel winter (januari, februari, maart) als zomer, min of meer gelijk lopen tussen 1980 en 2000 maar daarna een scherpe stijging tonen. De Europese winter vertoont een ander patroon met een sterke piek in 1991, een dipje rond 1994, vervolgens weer een stijging maar blijft de laatste jaren stabiel. We zien een totale extra uitstraling van bijna 5 W/m2 vergeleken 1980, waaruit je wel mag concluderen dat de opwarming van onze winters (bij lange na) niet door het versterkte broeikaseffect kan worden gedekt.
De piek rond 1990 valt samen met een piek in de NAO-index, welke ook in de Russische winters terug is te zien. De dip rond 1993/94 zou voor een deel ook een reactie op de NAO kunnen zijn, naast Pinatubo. Die ‘NAO-golf’ lijkt overigens een onderdeel van een wereldwijde warmtegolf die zich eind jaren ’80, vanaf het zuidelijke- en westelijke halfrond, over de rest van de aarde uitbreidde, welke bij Europa tot een climax kwam rond 1990.
Dan bekijken we de noordelijke oceanen in figuur 5. In de winter en het vroege voorjaar een golvende opwaartse lijn met een top rond 1988, een dal weer in 1993 en vervolgens weer een golf die de laatste 5 jaar wat lijkt af te ronden. Daarbij lopen zowel de Noord-Atlantische als de Noordelijke Stille oceaan bijna perfect samen waarbij de infraroodstraling bij de laatste net iets meer is gestegen. In de nazomer is min of meer hetzelfde patroon te zien maar minder sterk. Vanaf 1996 lopen de oceanen wat uit de pas maar dat zijn maar details.
(Invalid img)
Figuur 3: vijfjarig gemiddelde OLR van verschillende gebieden op het NH. ‘North Pacific’ (20°N-55°N, 140°W-150°O), ‘North Atlantic’ (25°N-60°N, 10°W-70°W), Europa (35°N-65°N, 10°W-40°O), Arctic (65°N-90°N) en Rusland (40°N-65°N, 40°O-120°O)
(Invalid img)
Figuur 4: vijfjarig gemiddelde OLR per seizoen boven Europa en Rusland. Winter (januari, februari, maart), zomer (juli, augustus, september).
(Invalid img)
Figuur 5: vijfjarig gemiddelde OLR per seizoen boven de noordelijke Stille Oceaan (Pacific) en de noordelijk Atlantische Oceaan (Atlantic) voor de winter/lente (januari, februari, maart, april) en nazomer (juni, juli, augustus, september, oktober).
Ik zie in deze gegevens voorlopig geen aanwijzing dat de extra uitstraling met de global dimming hypothese is te verklaren. Je zou verwachten dat de opwarming in de zomer sterker zou zijn dan in de winter aangezien de zon dan hoger aan de hemel staat en de dagen langer zijn. Er kon toen vroeger meer zonlicht worden gereflecteerd. Ten tweede zou de verkoelende werking van antropogeen aërosol sterker moeten zijn boven continenten dan boven afgelegen gebieden op de oceaan. Er is geen duidelijk verschil te zien in opwarming tussen zomer en winter op de continenten en bovendien doen de oceanen net zo hard mee met de toegenomen uitstraling en ook nog het meest in de winter.
Laten we eens verder kijken naar de situatie boven de oceanen. De uitstraling komt niet alleen van het wateroppervlak maar wordt ook uitgezonden door de bovenliggende atmosfeer met wolken. In figuur 6 worden de relatieve zeewatertemperaturen vergeleken met de OLR. Hier zien we dat beide noordelijke oceanen dezelfde tendensen laten zien en de OLR loopt mee. Bij goede beschouwing loopt de piek van 1988 net iets voor op de SST’s maar de laatste tien jaar zetten de oppervlakte temperaturen de trend. Dit zou kunnen betekenen dat eerst de aanvoer van warmere lucht de wisselwerking tussen lucht en water beheerste en de laatste tien jaar de oceanen domineren. Nemen we het noordpoolgebied in beschouwing (figuur 7) dan zien we van 1980 tot 1998 een flauw golvende beweging met enige stijging in uitstraling, maar vanaf omstreeks 1997 gaat de lijn steil omhoog. Ter vergelijking is ook nog even het noordoostlijke deel van de Atlantische Oceaan erbij genomen. Hier zien we hetzelfde patroon maar met een grotere amplitude en lijkt vanaf 1997 de leiding te nemen. Het poolgebied is ingedeeld in ‘arctisch’ (ten noorden van 65° N.B) en ‘Noordpool’ (noord van 75°, min een kwart tussen 45°W en 45°O, waar de Atlantische oceaan binnenstroomt). Nadere specificatie boven het poolijs levert geen noemenswaardige verschillen op. Dat het afsmelten van het poolijs in de zomer zo snel gaat wordt wel toegeschreven aan het albedofeedback principe. Op deze manier kan door extra opwarming van de zon het broeikaseffect ook worden geforceerd. Dat zien we in figuur 8 pas de laatste jaren gebeuren maar in de winter gebeurde dat al eerder en dan schijnt de zon daar helemaal niet! De aanzet van het versneld afsmelten van ijs lijkt in de winter te zijn begonnen en deze opwarming wordt weer door de oceanen geleid. Of wordt de opwarming vanaf de continenten gestuurd?
(Invalid img)
Figuur 6: OLR en relatieve zeewateranomaliëen boven de noordelijke oceanen. SST’s anomaliëen in °C x10. Vijfjarige gemiddelden.
(Invalid img)
Figuur 7: OLR boven poolgebied, vijfjarig gemiddelde. NO-Atlantisch (50°N-65°N, 5°W-40°W), Arctisch (65°N-90°N), Noordpool (75°N-90°N, 45°W-45°O)
(Invalid img)
Figuur 8: OLR noordpool voor winter (jan, feb, mrt) en zomer (jul, aug, sep). Vijfjarige gemiddelden
Boven de continenten zou de sneeuwalbedofeedback de opwarming kunnen versnellen. Uit satellietmetingen is gebleken dat de sneeuwbedekking al is afgenomen de laatste 30 jaar. Aangezien de zon in de zomer hoger aan de hemel staat dan in de winter zou het effect dan het sterkst moeten zijn, ware het niet dat de continenten in de zomer (ook vroeger) al weinig sneeuwbedekking kenden. Het effect lijkt me het sterkst in het voorjaar, wanneer er nog veel sneeuw ligt van de winter maar de zon al hoger komt. Daartoe heb ik OLR-data van de grote continenten ingedeeld naar de maanden december, maart, juni en september en zou je in maart de grootste OLR-toename verwachten. In figuur 9 is dat voor Rusland te zien en, inderdaad, in maart is de toename groter dan in december (september laat dezelfde trendlijn zien). Verder is het stralingsverloop, zeker in december, door de tijd ook nogal grillig waardoor het lastig is hier conclusies aan te verbinden. Een paar toevallig koude of warme maanden kunnen het beeld behoorlijk vertekenen. Als controle had ik Noord-Amerikaanse continent (vooral Canada) er bij genomen (figuur 10) maar die OLR laat weer een totaal ander beeld zien. Over december en september een flinke stijging maar de stijging in maart is minder, maar laat wel een piek zien in de periode dat de andere maanden een dip tonen, het sterkst in december, na de Pinatubo. Maar ook hier is het OLR verloop van de afzonderlijke maanden nogal grillig en dienen de trendlijnen met terughoudendheid te intepreteren. De veranderende albedo zou vast een rol kunnen spelen maar dat valt hieruit niet op te maken. Ik zou nog de maanden januari, april, juli en oktober met elkaar kunnen vergelijken en verder zou Canada nog nader kunnen worden onderzocht. In figuur 11 zijn de gemiddelde temperatuurverschillen tussen opeenvolgende seizoenen weergegeven over de periode 1930 t/m 2007 op het noordelijke halfrond. Daarop zie je dat, tijdens de onderzochte periode, de winter t.o.v. de herfst duidelijk warmer was dan het voorjaar t.o.v. van de winter. Vóór 1980 zijn echter geheel andere patronen te zien. Vanaf 1965 is de lente t.o.v. de winter sterk opgewarmd terwijl de ‘schaar’daarvoor weer andersom loopt.
(Invalid img)
Figuur 9: OLR-Rusland voor maart, juni, september en december. Vijfjarige gemiddelden.
(Invalid img)
Figuur 10: OLR voor Noord-Amerika/ Canada (45°N-70°N, 70°W-130°W) voor de mrt, juni, sep, dec. Vijfjarige gemiddelden.
(Invalid img)
Figuur 11: Vijfjarig gemiddelde temperatuurverschil tussen opeenvolgende seizoenen op het Noordelijke halfrond (landgebieden) over de periode 1930-2007 (bron data: GISS).
Conclusie
De aarde is sinds 1979 gemiddeld sterker opgewarmd dan je op basis van het ‘droge broeikaseffect’, door vooral CO2, zou verwachten. Ook het extra broeikaseffect van waterdamp en wolken kan dit niet verklaren. Deze extra opwarming doet zich op noordelijk halfrond voor en is in boven alle onderzochte gebieden aanwezig in zowel zomer als winter, waarbij het effect ’s winters over het algemeen sterker is. Het kan niet met de global dimming hypothese worden verklaard. Het albedo feedback zou een aannemelijke verklaring kunnen zijn maar kan hier niet worden hard gemaakt. Het lijkt er sterk op dat de oceanen de opwarming aanzwengelen, met name vanaf 1997 tot heden. In de oceanen zouden grote hoeveelheden warmte opgeslagen zijn die het afgelopen decenium zijn vrij gegeven. Vanwege de gelaagdheid van de oceanen zijn het in de zomer de bovenste lagen die warmte afgeven en in de winter komt de warmte meer uit de diepte. Gezien het feit dat de opwarming ’s winters het grootst is zou de oorzaak in de globale diepzee circulaties moeten worden gezocht. Daarbij komt ook nog dat in de winter de oceanen de temperaturen bepalen en in de zomer de continenten. Luchtmassa’s doen er ’s winters wel een week over boven land flink af te koelen terwijl de oceanen die afkoeling in één dag te niet kunnen doen. De energie-uitwisseling tussen aardoppervlak en lucht is boven zee dan veel sterker.
Een vervolg vraag zou kunnen zijn waar die warmte oorspronkelijk vandaan komt. Het zou door zonne-aktiviteit kunnen komen maar ook de multidecadale schommelingen in de thermo-haliene circulatie (THC) zouden een rol kunnen spelen. De THC stroomt echter alleen door de Noord-Atlantische oceaan terwijl ook de Stille Oceaan hetzelfde stralingspatroon laat zien. Toch vermoed ik dat de AMO, dan wel of niet gekoppeld aan de THC, hier een rol in speelt. Tussen 1940 en 1975 trad er een afkoeling op het noordelijke halfrond op. In die tijd zouden de oceanen warmte hebben opgeslagen in de diepere lagen, welke nu weer vrij komt. Maar dat blijft het gissen want een toenemend warmte-transport vanuit de tropen (via de atmosfeer) zou bijvoorbeeld ook de oorzaak kunnen zijn. Of het broeikaseffect kent andere feedbacks die de warmte-absorptie door de zon vergroten (door verandering in bewolking). Om een duidelijker beeld van de energiebalans van de aarde te krijgen zouden ook andere gebieden op deze wijze moeten worden onderzocht. Zo is er in dit onderzoek niet verder ingegaan op het zuidelijke halfrond en zijn ook de tropen buiten beschouwing gelaten. Het herleiden van processen in oceaanstromen aan de hand van OLR-metingen blijft lastig omdat ook de periode voor 1979 meegenomen zou moeten worden. Toen waren er helaas geen betrouwbare satellietmetingen.
Bron:
Liebmann, Brant, and Catherine A. Smith, 1996: Description of a Complete (Interpolated) Outgoing Longwave Radiation Dataset. Bulletin of the American Meteorological Society, 77, 1275-1277. Data bewerkt met Excel.
Via onderstaande link is de data verkrijgbaar. Kies voor OLR, vervolgens 'seasonal mean' en 'weigted grids', voer breedte- en lengtegraad in en 'create graphs'.
Victor de Vries
Quote selectie