Arctische amplificatie en het verre infrarood: de ontdekking van een nieuwe feedback in het klimaatsysteem?

De kop boven dit stuk zal er geen twijfel over laten bestaan: we duiken weer eens de harde wetenschap in. Dat mag wel weer een keer, al was het alleen maar om te laten zien waar de eenentwintigste-eeuwse wetenschap nu werkelijk mee bezig is, terwijl elders op het web sommigen eindeloos blijven hangen in wetenschappelijke discussies uit de twintigste of zelfs de negentiende eeuw. Het onderwerp van dit stuk ligt in het verlengde van mijn verhaal over de stralingsbalans; de aanleiding is een artikel in PNAS dat verscheen op het moment dat ik dat verhaal bijna af had: “Far-infrared surface emissivity and climate” van Feldman et al. (een persbericht over het onderzoek is te vinden op de site van het Berkely lab).

Ik ben geen klimaatwetenschapper, ik zou mezelf ook niet zo gauw een deskundige noemen, maar ik heb in de loop der jaren wel het nodige gezien en gelezen over het onderwerp. Het gebeurt dan ook niet meer zo vaak dat ik in de wetenschappelijke literatuur iets tegenkom waar ik nog helemaal niet bij stil had gestaan. Het artikel van Feldman et al. is zo’n zeldzame eye-opener. Ook dat was een reden om er verder in te duiken en er iets over te schrijven.

Dat eigenschappen van het aardoppervlak invloed kunnen hebben op de stralingsbalans aan de top van de atmosfeer – en dus op het klimaat – is geen nieuws. De belangrijkste factor is de albedo: de mate waarin het oppervlak zonlicht direct reflecteert. Maar dat is niet het enige. Eigenschappen van het oppervlak kunnen ook een behoorlijke invloed hebben op de karakteristieken van de warmtestraling die naar de atmosfeer en uiteindelijk het heelal uitstraalt. In het stuk over de stralingsbalans van eerder deze maand beperkte ik me voor wat die uitstraling betreft tot de wet van Stefan-Boltzmann. Als eerste benadering is dat prima, en het geeft zeker een goed beeld van het principe, maar strikt genomen geldt die wet alleen voor een “zwarte straler”. Nog belangrijker: voor het precieze effect op het klimaat is niet alleen de totale hoeveelheid warmtestraling van belang, maar ook het spectrum: de verdeling over verschillende golflengtes van die straling. Voor een zwarte straler geeft de wet van Planck het spectrum. Voor echte materie kan de uitstraling behoorlijk anders zijn dan die van een zwarte straler. De werkelijke uitstraling wordt gevat in het begrip emissiviteit.

De Emissiviteit ε

Emissivity
Uit de wet van Planck volgt de hoeveelheid en het spectrum van de straling die een zwarte straler uitzendt bij een bepaalde temperatuur. Echt bestaande objecten stralen nooit “ideaal”. De werkelijke uitstraling is anders en deze kan bij geen enkele golflengte meer bedragen dan die van een zwarte straler bij dezelfde temperatuur. De emissiviteit (ε ) is de verhouding tussen werkelijk uitgezonden straling en de uitstraling van een zwarte straler bij dezelfde temperatuur, over het volledige spectrum of bij een specifieke golflengte of band van golflengtes. De emissiviteit is nooit groter dan 1.

Waar ik nooit bij stil had gestaan is hoeveel factoren het spectrum kunnen beïnvloeden, en hoe lastig het is om het spectrum van de door het aardoppervlak uitgezonden straling nauwkeurig te bepalen. Chemische, fysische en geometrische eigenschappen, op microscopische en macroscopische schaal, spelen allemaal een rol. Over de emissiviteit van het aardoppervlak is vooral in het gebied met de grootste golflengtes, het verre infrarood, nog veel onbekend. En dat terwijl ongeveer de helft van de door het aardoppervlak uitgestraalde warmte in dit golflengtegebied zit. De afbeelding hieronder geeft een indicatie van de emissiviteit van verschillende oppervlaktetypes.

Feldman3

Emissiviteit (indicatief) van diverse types aardoppervlak (bron: Feldman et al.)

Nu zou meer inzicht in de exacte emissiviteit van verschillende oppervlakken interessant zijn voor de wetenschap, maar niet zoveel praktische betekenis hebben – wie weet zou het hier en daar nog helpen om bepaalde lokale klimaat- of weersverschijnselen te begrijpen – ware het niet dat er in onze tijd het een en ander verandert aan het aardoppervlak. Een verandering van de eigenschappen van het oppervlak kan immers leiden tot een verandering in het uitgezonden spectrum. Een zo’n verandering is het smelten van sneeuw en ijs, door het opwarmende klimaat. De emissiviteit in het verre infrarood van sneeuw en ijs is aanzienlijk hoger dan van bijvoorbeeld het oceaanoppervlak. Als sneeuw en ijs smelten neemt het aandeel van het verre infrarood in het uitgezonden spectrum dus af.

Feldman verwacht een effect door die verandering in het spectrum vanwege een eigenschap van de atmosfeer die nu net voorkomt op de plekken waar veel sneeuw en ijs is: in de poolgebieden en op grote hoogtes. De absolute vochtigheid is daar laag, omdat koude lucht maar weinig water kan bevatten en omdat de luchtlaag boven hooggebergtes simpelweg dunner is. Het broeikasgas waterdamp absorbeert warmtestraling in het verre infrarood, maar als de lucht erg droog wordt kunnen sommige frequenties vrijwel ongehinderd passeren. Voor die frequenties wordt de atmosfeer dan transparant. De afbeelding hieronder laat dat zien: op de verticale as staat de luchtvochtigheid, uitgedrukt als kolom vloeibaar water over de hele hoogte van de atmosfeer, op de horizontale as het golfgetal (het omgekeerde van de golflengte) en de kleur geeft de mate van transparantie aan. De rode en gele kleuren aan de bovenkant van de afbeelding laten zien dat de atmosfeer steeds transparanter wordt voor ver-infrarode straling, als de lucht droger wordt.

Feldman1A

Transparantie van de atmosfeer voor verschillende golflengtes in het verre infrarood bij lage absolute vochtigheid (bron: Feldman et al.)

Samengevat: door relatief veel warmtestraling in het verre infrarood uit te zenden helpen sneeuw en ijs de uitstraling van warmte naar het heelal, wanneer de atmosferische kolom weinig water bevat. In de poolgebieden en op grote hoogte kan een aanzienlijke hoeveelheid warmte op door de tralies van het broeikaseffect ontsnappen uit de atmosfeer. Wanneer ijs en sneeuw smelten neemt het type straling dat zich tussen die tralies door kan wurmen af. De afname van het sneeuw- en ijsoppervlak zou opwarming (of afkoeling) van het klimaat nog meer versterken dan tot dusver werd aangenomen op basis van veranderingen van de albedo.

De onderzoekers vermoeden dat dit effect een rol van betekenis kan spelen in de Arctische amplificatie. Om een idee te krijgen van de mate waarin het invloed kan hebben, hebben ze modelberekeningen waarin het effect is meegenomen vergeleken met berekeningen waarin dat niet gebeurde. De onderzoekers benadrukken het grote aantal onzekerheden dat er nog is in hun artikel, de vergelijkende modelberekeningen zijn daarom indicatief. De resultaten van die berekeningen laten zien dat ze wel eens iets op het spoor zouden kunnen zijn. De afbeeldingen hieronder geven de vergelijkingen van de temperatuur en de sneeuw- en ijsbedekking.

Feldman4A

Berekende temperatuur met een model waarin rekening gehouden wordt met emissiviteit in het verre IR, minus een berekening waarin dat niet gebeurt (indicatief, bron: Feldman et al.)

Feldman4B

Berekend ijsoppervlak met een model waarin rekening gehouden wordt met emissiviteit in het verre IR, minus een berekening waarin dat niet gebeurt (indicatief, bron: Feldman et al.)

Dat het Noord- en Zuidpoolgebied elkaars tegenpolen zijn in het veranderende klimaat was al bekend, dat dat tegengestelde gedrag in de echte wereld nog groter is dan in klimaatmodellen ook. De hypothese van Feldman zou dit verschil (deels) kunnen verklaren. Of die verklaring ook standhoudt zal nog moeten blijken. Daarvoor zijn vooral nauwkeuriger gegevens nodig over de emissiviteit in het verre infrarood van de verschillende types aardoppervlak.

Hé! een olifant in de kamer.

Gastblog van G.J. Smeets, met een tekening van Marije Mooren

De wereld wordt warmer in een tempo dat verontrustend is. Althans, verontrustend voor wie én de klimaatwetenschap serieus neemt én de IPCC risico-analyses. Niet iedereen voldoet aan die dubbele voorwaarde. Ikzelf scoor op beide stress-criteria behoorlijk positief. En ik betrap mezelf regelmatig op de neiging om negatief-scorenden te verwijten dat ze de oplossing – drastische CO2 reductie – dwarsbomen. Dat ze hardnekkig grossieren in drogredeneringen, methodologisch knoeiwerk en wetenschapstheoretische onnozelheid maakt de antipathie jegens hen groot en hun betrouwbaarheid klein. Maar bij nadere beschouwing is het twijfelgilde klein bier. De echte pijn zit in de hoedanigheid – de kwaliteit – van het probleem van de klimaatverandering zelf. Ik licht het toe aan de hand van een eenvoudige taxonomie van menselijke problemen:
A) tamme problemen,
B) wilde problemen, en
C) ontembare problemen.

Draak

A. Tamme problemen
Deze zijn principieel overzichtelijk, denk aan schaakproblemen die met krachtig geheugen, oplettendheid en vasthoudendheid zijn op te lossen. Tamme problemen zijn het domein van onderzoekers in het lab die via een gecontroleerd en herhaalbaar experiment of simulatie een hypothese afzetten tegen data.

B. Wilde problemen
Deze zijn experimenteel niet benaderbaar en zijn typisch het domein van beleidsmakers. De term ‘wild probleem’ is mijn vrije vertaling van wat stadsplanner Melvin Webber en design-theoreticus Horst Rittel in 1973  hebben gemunt als ‘wicked problem’. Wikipedia geeft een handig overzicht van de kenmerken van wat Rittel & Webber voor ogen hadden. Hun paper is ook 40 jaar na dato relevant en strijdvaardig in zijn kritiek op het nog altijd courante concept ‘maakbaarheid’. Maar het eindigt in mineure stemming:

“We have neither a theory that can locate societal goodness, nor one that might dispel wickedness, nor one that might resolve the problems of equity that rising pluralism is provoking. We are inclined to think that these theoretic dilemmas may be the most wicked conditions that confront us.”

C. Ontembare problemen
Deze zijn niemands domein terwijl ze ieders zorg zijn. In hetzelfde tijdschrift waarin Rittel & Webber 40 jaar geleden hun concept ‘wicked problem’ uit de doeken deden is 2 jaar geleden een paper verschenen dat er een schepje bovenop doet. De auteurs zijn werkzaam op het raakvlak klimaat / energie / beleid. Hun paper gaat over klimaatverandering als proto-type van wat ze als ‘super wicked problems’ hebben gemunt.
Lees verder

De rol van de media bij het communiceren over (klimaat)wetenschap

Door Bart, Bob, Jos en Hans

Voor veel mensen zijn de reguliere media nog steeds het belangrijkste medium waarmee ze informatie over wetenschap tot zich nemen. De media zijn daarbij niet slechts een doorgeefluik van wetenschappelijke informatie, maar proberen die informatie natuurlijk ook te duiden, bijvoorbeeld door het in te bedden in een maatschappelijke context of door er ook kritische kanttekeningen bij te plaatsen. Er bestaat in die zin een gezond spanningsveld tussen wetenschappers (die vooral willen dat de media een correcte en begrijpelijke vertaalslag maken van de wetenschap) en journalisten (die graag kritische ‘luis in de pels’ willen zijn). Idealiter hanteren media een balans tussen wetenschappelijk verantwoord en kritische reflectie, maar het is niet zeldzaam dat wetenschappers zich groen en geel ergeren aan onzinverhalen of “valse balans” in de media.

Natuurlijk moet er ruimte zijn voor verschillende meningen. Opiniepagina’s in de krant geven juist daarom vaak ruimte aan allerlei meningen die ook afwijken van het standpunt van de krant zelf. Van een kwaliteitskrant zou je mogen verwachten dat men niet elke mening zomaar een podium biedt, maar aandacht heeft voor feitelijke juistheid en kwaliteit van de argumentatie. Onlangs werd in de Volkskrant een groot stuk van Frans Dijkstra geplaatst in de opiniepagina’s, waarin aperte onzin over de opwarming van de aarde en Nederland in het bijzonder werd verkondigd. Navraag bij de redacteur van de opiniepagina, Chris Rutenfrans, leerde dat hij wel degelijk inziet dat niet elke mening een podium verdient, maar ook dat hij klimaatwetenschap vooral vanuit zijn klimaat-sceptische overtuiging beziet:




Getuige zijn twitterfeed moet Rutenfrans niets weten – en weet hij inderdaad niets – van klimaatwetenschap. Een litanie aan mythes komt je tegemoet, alsof je het klimaat niet kunt voorspellen omdat het weer al zo onvoorspelbaar is, alsof klimaatwetenschap niet falsifieerbaar is, alsof de opwarming is gestopt en dat dit de klimaatwetenschap falsifieert (de ironie ontgaat hem waarschijnlijk). De mainstream klimaatwetenschap wordt door hem weggezet als zijnde intolerante klimaatgelovigen. Nog bonter maakte hij het afgelopen zaterdag, toen de Volkskrant een brief plaatste waarin zo’n 120 jaar aan klimaatwetenschap werd omschreven als “het doortrekken van wat trends over enkele decennia”.
Oftewel, de opiniepagina van een kwaliteitskrant wordt beheerd door iemand die een sterke aversie heeft tegen klimaatwetenschap, maar niet gehinderd is door enige kennis van zaken. Lees verder

De versnelling in de opwarming van de aarde

Er zijn de afgelopen tijd twee artikelen verschenen – beide open access – over de energiebalans van de aarde: “Earth’s Energy Imbalance” van Trenberth et al. in Journal of Climate en “Changes in global net radiative imbalance 1985–2012” van Allan et al. in Geophysical Research letters. Trenberth et al. kijkt vooral naar de veranderingen van de energie-inhoud van het klimaatsysteem en concentreert zich daarom grotendeels op het grootste energiereservoir: de oceaan (zie ter illustratie de afbeelding hieronder); Allen et al. richt zich meer op de inkomende en uitgaande stralingsstromen die uiteindelijk bepalen of de energie-inhoud van het klimaatsysteem toe- of afneemt.

ImbalanceClimateSystem

Toename van energie in verschillende componenten van het klimaatsysteem volgens een eerder onderzoek (Hansen et al, 2011, (pdf))

Ik wilde al een hele tijd over die artikelen schrijven, maar dat lukte niet zo goed. De reden daarvoor: de onderzoeken zijn in wezen behoorlijk gecompliceerde puzzels; de enige manier om een beeld van de energiebalans te krijgen is het combineren van allerlei gegevens die op één of andere manier informatie geven. Dat is nodig omdat er maar heel weinig directe metingen van inkomende en uitgaande straling zijn. De ingewikkelde puzzels zijn niet goed samen te vatten: ofwel beschrijf je alle stukjes en schrijf je zo’n beetje het hele artikel over, ofwel beperk je je tot conclusies en wordt de blogpost niet veel langer dan een tweet. Of zelfs dat niet, want de conclusie van Trenberth bestaat uit een uitgebreid overzicht van wat er bekend is met welke onzekerheidsmarges en waar er nog gaten in de energieboekhouding zitten. Die gaten – door Trenberth ooit “missing energy” genoemd; een citaat dat in de blogosfeer sindsdien te onpas (en heel af en toe te pas) wordt aangehaald – worden geleidelijk aan kleiner, maar zijn nog niet helemaal gevuld. Vooral op een korte tijdschaal, ordegrootte een jaar, kunnen de verschillen tussen diverse typen metingen en berekeningen behoorlijk oplopen. Het voortschrijdend inzicht in de toenemende warmteinhoud van de oceanen, door het soort onderzoeken waar Bob en Jos onlangs over schreven, levert een belangrijke bijdrage aan het sluitend krijgen van een kant van de boekhouding: de kwantificering van de hoeveelheid warmte die accumuleert in het klimaatsysteem. De andere kant: het meten van in- en uitgaande straling is zo mogelijk nog lastiger. Lees verder

Toerisme, klimaatverandering en klimaatsceptici

Fraaie vergezichten, historische gebouwen, andere culturen, zon, zee, het strand of vakantie. Dat zijn zo enkele zaken waar ik aan moet denken als ik het woord ‘toerisme’ ergens zie staan. Aan de zogenaamde klimaatsceptici zou ik dan echt nooit hebben gedacht. Toch kreeg ik onlangs een uitgebreide verzameling klimaatsceptische teksten in een vakblad voor de toerismesector onder ogen. De wetenschappelijke wereld let gelukkig goed op en heeft als weerwoord enkele meer dan duidelijke stukken in datzelfde vakblad gepubliceerd. Meer hierover in het tweede deel van dit blogstuk, eerst een kort overzicht van de invloed van klimaatverandering op de toerismesector en de bijdrage van die sector aan diezelfde klimaatverandering.

Toerisme en Klimaatverandering

De toerismesector is goed voor 9% van het mondiale BBP en 1 op de 11 banen. Het aantal toeristen is gestegen van 25 miljoen in 1950 tot 1087 miljoen in 2013 (bron: UNWTO 2014). Vooral dat gereis over de aardbol draagt natuurlijk bij aan de CO2 uitstoot en samen met enkele andere factoren is de toerismesector verantwoordelijk voor circa 5% van de totale menselijke CO2 emissies. Zie figuur 1 voor een onderverdeling van die 5%. De toerismesector is zich inmiddels zeer wel bewust van hun bijdrage aan de toenemende broeikasgasconcentraties in de atmosfeer, zie bijvoorbeeld deze zinsnede uit een mitigatie statement van de World Tourims Organization van de VN (UNWTO) uit 2010:
“The Davos Declaration, adopted in October 2007 by the second global Conference on Climate Change and Tourism, specifies that the tourism sector must rapidly respond to climate change within the evolving UN framework, and progressively reduce its Greenhouse Gas (GHG) contribution if it is to grow in sustainable manner..”.

Figuur 1: Onderverdeling van de CO2 emissies van de toerismesector. Bron: UNWTO.

Lees verder

Red de Cabauw curve

Door Bart Verheggen en Hans Custers

Bijna een jaar geleden verscheen er op dit blog een stuk over het dreigende einde van de Keeling curve: de metingen van CO2 in de atmosfeer op Mauna Loa, Hawaii. De Keeling curve werd uiteindelijk (voor de komende vijf jaar) gered door een donatie van een half miljoen dollar van Wendy en (ex-Google-baas) Eric Schmidt.

In het NRC van vandaag bericht Paul Luttikhuis dat de Nederlandse versie van de Keeling curve nu tot een einde dreigt te komen (zie ook zijn NRC blog). De regering wil de financiering van CO2-metingen door ECN, bij het meetpunt van het KNMI in Cabauw, stoppen. Omdat ze niet strikt noodzakelijk zouden zijn.

Daar valt wel wat op af te dingen. Het is belangrijk voor het energie- en klimaatbeleid om goed de vinger aan de pols te houden wat de emissies precies zijn en hoe die zich ontwikkelen. Daarvoor zijn metingen onontbeerlijk. Met name metingen op hoge masten zijn heel nuttig, omdat die representatief zijn voor een groter oppervlak dan grondmetingen (die bijvoorbeeld verstoord kunnen worden door een voorbijrijdende auto).

Deze metingen kunnen bijvoorbeeld als input dienen voor atmosferische simulatiemodellen, en door die in “inverse modus” te draaien kun je dan de emissies uitrekenen. Dit heet inverse modelering, omdat normaalgesproken diezelfde modellen worden gebruikt om vanuit de aangenomen emissies en de meteorologische windvelden de concentratie als functie van tijd en plaats te berekenen. Door input en output om te draaien kun je de aangenomen emissies verifiëren op basis van de observaties. Emissieverificatie dus. Daar heb je natuurlijk wel goede, representatieve metingen voor nodig over langere tijd.

Op basis van deze methode, namelijk het koppelen van toren-metingen aan inverse modelering, is bijvoorbeeld gebleken dat de emissies van methaan en lachgas in een aantal landen toch wel wat hoger waren dan de officiële “emission inventories”. De toren metingen worden ook veelvuldig gebruikt voor “ground truthing” van satelliet gegevens. Een meetmast zoals Cabauw is onderdeel van onze kennis-infrastructuur. Het is niet voor niets gekenmerkt als een zogenaamde “super-site” voor meteorologische observaties.

Cabauw 2
Lees verder

Verwarring over de opwarming van de oceanen

Door Bob Brand en Jos Hagelaars

Door menselijke activiteiten is de aarde aan het opwarmen en circa 93% van die warmte wordt door de oceanen opgenomen. De verandering in de warmte-inhoud van de oceanen is derhalve een heel belangrijke graadmeter voor de klimaatverandering. Het is voor de klimaatwetenschap dan ook een belangrijk onderwerp van onderzoek.

Recent zijn er twee artikelen uitgekomen over de opwarming van de oceanen in het tijdschrift Nature: Durack et al over het onderschatten van de opwarming van 1970 t/m 2004 tot 700 meter diepte (vooral op het zuidelijk halfrond) en Llovel et al over de opwarming van de gehele oceaan van 2005 t/m 2013. Volgens sommige commentatoren lijken deze onderzoeken elkaar tegen spreken en er is wat verwarring over de verschillende oceaandiepten.

Durack: onderschatten van de opwarming

Durack e.a. hebben de diverse datasets betreffende de warmte-inhoud (OHC = ocean heat content) van de oceanen vergeleken met de theoretische verwachting volgens modellen en met de zeespiegelstijging zoals gemeten met satellieten. Daar een deel van de zeespiegelstijging wordt veroorzaakt door de thermische uitzetting van het oceaanwater, is er een grote correlatie tussen de zeespiegelstijging en de warmte-inhoud. Op grond van deze analyses concluderen Durack e.a. dat de warmte-opname van het zuidelijk halfrond voor de periode 1970 t/m 2004 te laag is ingeschat. Zij wijten dit aan de beperkte dekkingsgraad van de diverse warmte-inhoud meetinstrumenten op het zuidelijk halfrond over die periode. Vanaf circa 2004 is deze dekkingsgraad verbeterd door het inzetten van de Argo sondes.

Durack en zijn mede-auteurs hebben doorgerekend wat deze onderschatting van de opwarming betekent voor de diverse warmte-inhoud datasets, zie figuur 1. Voor de mondiale NOAA data (Levitus 2012, de donkerblauwe balk) zou de onderschatting mondiaal gemiddeld oplopen tot maar liefst 58%.

Figuur 1: De waargenomen en gesimuleerde verandering van de warmte-inhoud voor 1970-2004. Figuur 5 uit Durack et al.

Lees verder