Dat de aarde is opgewarmd door het versterkte broeikaseffect wordt door diverse metingen in twijfel getrokken. Weliswaar is de temperatuur de afgelopen 150 jaar gestegen samen met de broeikasgasconcentraties maar die opwarming lijkt niet rechtstreeks terug te voeren op het broeikaseffect.
Satellietmetingen spreken de modelresultaten tegen als het gaat om de fundamenten onder klimaatsverandering. Anderzijds is het temperatuursverloop van de afgelopen 40 jaar ook niet verklaarbaar zonder daar de invloed van de mens bij te betrekken. CO2 werkt op geheel andere manieren in op het klimaat. Het broeikaseffect wordt gecompenseerd door een afname van de bewolkingsbedekking, speciaal in de tropen. Hierdoor bereikt meer zonnestraling de aarde en dat zorgt uiteindelijk voor de mondiale opwarming.
Voordat we hier op verder gaan eerst een beschrijving van het veronderstelde mechanisme achter de opwarming van de aarde. Broeikasgassen zoals CO2, methaan maar ook waterdamp houden een deel van de, door de aarde, uitgestraalde infraroodstraling tegen maar laten zonlicht onverhinderd door. Het gevolg is dat er minder energie uitgaat dan er in komt en de temperatuur op aarde hoger ligt dan met een atmosfeer zonder broeikasgassen. Wanneer de broeikasconcentraties stijgen wordt er nog meer IR-straling vastgehouden en zal de aarde opwarmen. Een warmere aarde zendt op haar beurt ook weer meer warmte uit zodat er weer een evenwicht ontstaat op de energiebalans. Het ‘droge’ broeikaseffect van CO2 is niet zo groot. Wanneer de concentraties verdubbelen hoeft de wereldwijde temperatuur met 1 graad te stijgen om weer in stralingsevenwicht te verkeren. Een dergelijke verdubbeling wordt in de loop van de komende eeuw verwacht. De modelprognoses laten echter een grotere opwarming zien, die gemiddeld drie keer zo hoog is. Dit komt omdat er allerlei mechanismen in het klimaat werkzaam zijn die de opwarming versterken (of verzwakken) de zg terugkoppelingsmechanismen of feedbacks. De belangrijkste is de waterdampfeedback. Bij een warmere aarde hoort een warmere atmosfeer, die meer waterdamp kan bevatten. De hypothese is dat het gemiddelde waterdampgehalte op aarde afhangt van de temperatuur. Zit er te veel in dan regent het er weer uit, zit er te weinig in dan wordt dat door verdamping weer snel aangevuld. De relatieve vochtigheid blijft constant. Waterdamp is een sterk broeikasgas en een hoger waterdampgehalte leidt tot een extra broeikaseffect, bovenop dat van CO2. Dit geeft extra opwarming waardoor er nog meer waterdamp kan oplossen wat nog eens tot een extra opwarming leidt.
Huidige stand van zaken
De temperatuursontwikkeling op aarde loopt goed in de pas met klimaatmodellen. Het is verleidelijk te concluderen dat bovenstaande hypothese werkt. Kijken we verder dan zijn er wel enkele hiaten. Om na te gaan of de opwarming ook daadwerkelijk komt door het broeikaseffect komt kunnen we naar patronen van opwarming kijken die typerend zijn voor het versterkte broeikaseffect. Een dergelijk vingerprintstudie zorgde enkele jaren geleden voor enige opschudding binnen de klimatologie. Modellen die werden gevoed met extra broeikasgassen lieten hoog in de troposfeer meer opwarming zien dan nabij het aardoppervlak. Ballon- en satellietmetingen lieten juist minder opwarming zien op die hoogten. Achteraf bleken de metingen niet zuiver maar na de noodzakelijke correcties blijft de temperatuurstijging op een kilometer of tien achterlopen op de meeste modelresultaten. Tegelijkertijd is er wel een duidelijke afkoeling van de stratosfeer gemeten, welke hoofdzakelijk haar oorzaak vind in het broeikaseffect. Het klinkt misschien vreemd maar de warmte die onderin wordt vastgehouden kan niet meer door de stratosfeer worden opgenomen. Dit is de sterkste aanwijzing van de invloed van extra broeikasgassen op het klimaat.
Een andere mogelijkheid het broeikaseffect aan te tonen is door te kijken naar de infrarode straling die naar de wereldruimte verdwijnt. Deze straling wordt al 30 jaar gemeten door satellieten. Een opwarmende aarde straalt meer energie uit in het infrarood maar dat wordt ook weer vast gehouden door toegenomen CO2-, CH4- en H2O-concentraties. Indien de opwarming het gevolg is van het versterkte broeikaseffect zou dat niet buiten de dampkring te detecteren zijn. Bij een sterke toename van broeikasgassen zou je een afname van IR-uitstraling verwachten. Satellieten hebben de laatste decennia echter een toename gemeten. Volgens ruwe data van NOAA is er sinds 1979 een wereldwijde toename gemeten, tot 2 W/m2 in de winter boven het noordelijke halfrond. Andere meetprojecten, zoals de ERBS, die zich beperken tot het equatoriale gedeelte laten daar hetzelfde zien en hebben een afname van gereflecteerd zonlicht gemeten maar de NOAA heeft in die regio geen toename in IR-straling gemeten. Dit geeft aan dat de metingen onbetrouwbaar zijn maar ze wijzen gemiddeld wel in dezelfde richting. Sommige studies laten ook zien dat de bewolkingsgraad boven de (sub)tropen is afgenomen. Uit de metingen van de ERBS kan de opwarming van de tropen en subtropen toegeschreven worden aan een toenemende instraling van de zon (zie figuur 1). Vandaaruit verspreidt de warmte zich via oceaan- en luchtcirculaties naar hogere breedten. Deze gegevens stellen het feit dat de opwarming door het broeikaseffect zou zijn veroorzaakt op losse schroeven.
(Invalid img)
Figuur 1: ERBS satellietdata van verschillende straling tussen 20°Z.B en 20°N.B. Toename van langgolvige straling (LW) van 0,7 W/m2 en afname van gereflecteerd kortgolvig zonlicht (SW) van 2,1 W/m2.
Daarnaast spreken meetreeksen die aantonen dat de waterdampfeedback de afgelopen decennia een belangrijke rol heeft gespeeld in de opwarming elkaar tegen. De IR-metingen suggereren ook een geringere toename dan verwacht. NCEP-reanalyses laten een daling van de relatieve vochtigheid zien in alle lagen van de vrije atmosfeer. Nabij het aardoppervlak en in de lagere troposfeer is wel een toename gemeten van waterdampgehalte. In de hoge troposfeer zouden temperatuurmetingen van de HIRS een indicatie moeten geven over een gestegen waterdampgehalte. Daar is de feedback het sterkst.
De algemeen gangbare hypothese worden (nog) niet door metingen bevestigd en daarom is het nu tijd voor een herziening.
Koolzuurgas en bewolking
Wolken spelen een belangrijke rol in de energiebalans van de aarde. Hun werking is tweeledig. Aan de ene kant reflecteren ze kortgolvig zonlicht en hebben een koelende werking. Aan de andere kant houden wolken langgolvige warmtestraling vast en werken zo als een warme deken. Boven de wolken koelt de lucht extra af.
Het netto effect hang af van de soort bewolking, de hoogte, de geografische breedte en het tijdstip van de dag of seizoen waarop de wolken verschijnen. De complexe invloed op de stralingsbalans vormt bij klimaatmodellen één van de grootste onzekerheden. Laaghangende wolken hebben over het algemeen een verkoelende werking, zeker overdag en in de zomer en hoge bewolking een verwarmende werking, voornamelijk ’s nachts en in de winter (de zon schijnt dan immers weinig dus valt er weinig te reflecteren). Verder zijn de effecten verschillend voor het aardoppervlak en de totale troposfeer. Aangezien beide onderdelen klimatologisch een geheel vormen zullen we naar beiden moeten kijken.
Straling speelt een belangrijke rol in het ontstaan en oplossen van bewolking. Hoewel wolkenvelden het grootste deel van de zonnestraling weerkaatsen blijft er een substantieel deel over om wolken te verwarmen maar de belangrijkste effecten zijn bij het infrarood te vinden. Aangezien broeikasgassen deze warmtestraling beïnvloeden zou dat consequenties kunnen hebben voor de bewolking. In het dagelijkse weer zijn die effecten te verwaarlozen maar kunnen op klimatologische schaal wel van invloed zijn.
Kijken we bijvoorbeeld naar de stralingshuishouding van stratocumulus, een veel voorkomende wolkensoort boven de oceanen. Een vochtige luchtlaag straalt meer warmte uit dan de bovenliggende, droge laag. De resulterende temperatuurdaling leidt tot een stabilisatie tussen beide lagen omdat de onderste sneller afkoelt dan de bovenste. Convectieve bewolking, zoals cumulus, spreidt zich in deze stabiele laag uit en lost slecht op. De stratocumulus (of altocumulus, afhankelijk van de hoogte) die zo ontstaat, versterkt de stralingseffecten. Door uitstraling koelt de wolkenlaag veel sterker af dan de laag erboven zodat er een inversie ontstaat, wat de uitwisseling met de drogere laag bemoeilijkt. Onder de wolkenlaag koelt de lucht niet af zodat daar de temperatuurgradiënt steiler wordt en de opbouw onstabiel. Dit bevordert de aanvoer van vocht van beneden wat de bewolking aanvult. De hieruit voortvloeiende stralingseffecten versterken het bovenbeschreven en zodoende is er situatie ontstaan die zichzelf in stand houdt. Het is onder weerkundigen bekend dat stratocumulusbewolking zeer hardnekkig kan zijn en dat de, in de weerberichten beloofde opklaringen, steeds vooruit worden geschoven.
(Invalid img)
(Invalid img)
Figuur 2a: Effecten op de thermische opbouw van de atmosfeer bij stratocumulus.
De blauwe en paarse curve geven dT/dag aan bij lage en hoge CO2-concentraties, oranje in geval van wolkenloze atmosfeer en de gele stippellijn is n.v.t.
Figuur 2b: Verschil in temperatuurverandering bij 2XCO2 en verschillende wolkensoorten.
Een toename van broeikasgassen zorgt niet alleen voor een verstoring op de totale energiebalans van de aarde maar ook tussen luchtlagen onderling. Zo kan de uitstraling boven in de wolken verminderen in een situatie met gelijke atmosferische opbouw van temperatuur en vocht welke het gedrag van die wolken beïnvloed.
Om hier beter inzicht in te krijgen heb ik een modelstudie gedaan naar de verandering in stralingsbalans als gevolg van een hoger CO2-gehalte in de atmosfeer bij verschillende wolkensoorten. De berekeningen zijn gemaakt met een eendimensionaal stralingstransportmodel gebasseerd op de wet van Planck, bestaande uit 20 atmosfeerlagen. Er is gekeken naar de temperatuurverandering (per etmaal) bij een specifieke opbouw met wolkenlagen en vergeleken met dT/dag bij een verdubbeling van het CO2-gehalte. De instralingseffecten van de zon zijn niet meegenomen. De modelprestaties wijken nog wel af van uitkomsten van andere modellen wat betreft stralingsforcering dus moeten we voorzichtig zijn met het trekken van kwantitatieve conclusies.
Boven in een gesloten stratocumuluslaag is de uitstraling groot wat resulteert in een een flinke afkoeling. In figuur 2a is te zien dat er daling wordt ingezet van circa 14 graden per etmaal in een stratocumuluslaag rond 1,5 km. (Er wordt hier geen rekening gehouden met condensatiewarmte en convectie). Bij een hoger CO2-gehalte is de afkoeling kleiner. In figuur 2b is het verschil te zien en bedraagt in dit model 7%. Bij altocumulus en nimbostratus is het verschil kleiner in absolute zin en cirrus/cirrostratus heeft juist de neiging af te koelen bij een verhoging van broeikasgassen. Hoewel de verschillen in stralingsbalans relatief klein zijn kunnen ze wel effect hebben op de totale bewolkingsbedekking. Zoals eerder beschreven, is stratocumulus vaak een gevolg van een kettingreactie. Het verschil kan net de drempel vormen tussen uiteindelijk 4/8 of 7/8 bedekkingsgraad. De relatieve afkoeling in hogere bewolking zou een geringe toename van die wolken kunnen veroorzaken.
Aangezien lage wolken een netto koelend effect hebben en hoge wolken een netto verwarmend effect zou het resultaat een extra opwarming moeten zijn. Dit effect kan dus als een positief terugkoppelingseffect worden beschouwd en zou de waargenomen verandering in de stralingsbalans kunnen verklaren. De waarnemingen wijzen echter in de richting van een afname van hoge bewolking en de bedekkinggraad van lage bewolking is niet veranderd. Omdat de waarnemingen een relatief korte periode bestrijken, zou er ook sprake kunnen zijn van een natuurlijke variatie in wolkenbedekking.
Waterdamp
Een warmere atmosfeer kan meer waterdamp bevatten dus verwacht men dat het waterdampgehalte stijgt wanneer het klimaat opwarmt. Maar is de gemiddelde relatieve vochtigheid van de aardse troposfeer een constante? De stralingsbalans van de troposfeer is negatief en koelt af wanneer opwarming door het aardoppervlak ontbreekt. Sluiten we convectie uit dan stijgt de RV tot 100%. Maar in werkelijkheid is er convectie en is de lucht in de troposfeer voortdurend in vertikale beweging. De vochtigheid van stijgende lucht heeft een limiet en wordt bereikt wanneer het vocht condenseert tot wolken. Dalende lucht kent geen limiet en het vochtgehalte stijgt pas wanneer de lucht met de grenslaag vermengt. Het netto effect is dat de gemiddelde RV daalt naarmate er meer vertikale beweging is. In de hogere troposfeer is de opwarming relatief minder sterk dan nabij het aardoppervlak en de stratosfeer koelt af. Bovendien is de tropopauze hoger komen te liggen. Dit impliceert dat er meer vertikale beweging mogelijk is. Hoewel de warme atmosfeer nabij het warmere aardoppervlak meer waterdamp op zal nemen wordt dat er ook weer uitgevroren hogerop in de wolken. Er zou meer krachtige en diepe convectie aanwezig zijn die beter de tropopauze weet binnen te dringen. Ook de stratosfeer is soepeler geworden en laat overshooting tops van cumulonimbi hoger komen. Convectieclusters (zoals MCS-en, tropische cyclonen) krijgen meer ruimte en persen effeciënter vocht uit. Alle weersystemen lijken meer ruimte te krijgen. De lucht langs fronten van depressies op gematigde breedte glijdt ook gemakkelijker omhoog omdat de stratosfeer beter mee geeft dan vroeger. De compenserende daalbewegingen in hogedrukgebieden zijn dan ook sterker en omvangrijker met een lagere luchtvochtigheid tot gevolg. De opstapelende berichten van zware overstromingen wereldwijd door overvloedige neerslag vormen een indicatie hiervan. Dus niet louter en alleen door een gestegen vochtgehalte door hogere temperatuur.
Daarnaast krijgen andere plaatsen op de wereld met extremere droogte te maken. Dit is kenmerkend voor het broeikaseffect. Bij een zongedreven opwarming warmt ook de stratosfeer op en wordt de troposfeer niet dikker. Het vochtgehalte gaat dan gemiddeld gelijk op met de temperatuur.
Het is wel aannemelijk dat het waterdampgehalte stijgt met het opwarmen van de atmosfeer maar wordt deels teniet gedaan door de afkoeling van de stratosfeer. Dus de waterdampfeedback lijkt te worden overschat. Daarnaast vermindert een lagere relatieve vochtigheid ook de bedekkingsgraad van bewolking. Het is vooral de diepe convectie die verdrogend werkt en laat die nou net optreden op die delen van de aarde die het sterkts door de zon worden verhit, zoals de tropen en ’s zomers op gematigde breedten. Hier heeft een afname van bewolking een netto warmend effect.
Samenvatting
Broeikasgassen hebben een indirect opwarmend effect op het klimaat. Door een afname van relatieve vochtigheid en de hoeveelheid bewolking bereikt meer zonnestraling het aardoppervlak die vervolgens haar warmte afgeeft aan de atmosfeer. Dit zou de toegenomen zonnewarmte in de tropen kunnen verklaren.
Wolken absorberen ook uitgaande infraroodstraling net als broeikasgassen. De afname van bewolking heeft het versterkte broeikaseffect gecompenseerd waardoor metingen van de totale uitgaande infraroodstraling weinig laten zien. De globale stralingbalans is aan de input verstoord en niet aan de output. Omdat er, buiten de antropogene stijging van broeikasgassen, (nog) geen andere verklaring is gevonden die de opwarming van de laatste 25 jaar kan dekken, zou de oorzaak in deze richting moeten worden gezocht. Het is beter te spreken over klimaatsverandering in plaats van over het versterkte broeikaseffect.
Bron stand van zaken: IPCC chapter 3.4.1 t/m 3.4.4
Victor
Quote selectie