Arctische amplificatie en albedo

Het Noordpoolgebied warmt circa 3 keer sneller op dan de wereld als geheel: de Arctische amplificatie. Deze opwarming wordt verrassend genoeg op de eerste plaats veroorzaakt door temperatuurterugkoppelingen en pas op de tweede plaats door de afname van de albedo (de ‘witheid’) in het Arctische gebied. De afname van de albedo wordt veroorzaakt door het verdwijnende zee-ijs. Deze afname is via metingen geverifieerd en komt qua energietoename voor 1979-2011 overeen met 25% van de stralingsforcering door de stijging van het CO2 gehalte in die periode.

De wereld warmt op en het Arctische gebied in het bijzonder; de temperaturen nemen in het Noordpoolgebied sneller toe dan in de rest van de wereld. Dit fenomeen wordt de Arctische amplificatie genoemd of, wat algemener, de polaire amplificatie. Onlangs zijn er over dit onderwerp enkele interessante publicaties verschenen; van Pistone, Eisenman en Ramanathan en van Pithan en Mauritsen (pdf’s hier en hier).
Ramanathan is een bekende in de klimaatwereld en wordt door blogger Science of Doom regelmatig ‘The great Ramanathan’ genoemd. Ramanathan is ook te aanschouwen in de aflevering van Klimaatjagers “India – de bruine wolk”.

Dat de temperatuur in het Arctische gebied sneller toeneemt dan de mondiale temperaturen kan iedereen zelf verifiëren door de GISTEMP ‘zonal anual means’ data te analyseren. Zie de grafiek in figuur 1, GISTEMP geeft een trend over 1970-2013 voor het Arctische gebied van +0.47 °C/decennium en voor de wereld als geheel van +0.16 °C/decennium.

Figuur 1. Een vergelijking van het verloop van mondiale en Arctische temperatuur (NASA Giss) van 1880 – 2013. De trends betreffen de periode 1970-2013.


De eerste ‘verdachte’ voor het snellere opwarmen van het Arctische gebied is het verdwijnen van het zee-ijs. Het witte zee-ijs weerkaatst invallend zonlicht. Als het oppervlak aan zee-ijs afneemt, valt er meer zonlicht in donker oceaanwater dat het invallende zonlicht juist absorbeert. Minder weerkaatsing en meer absorptie betekent dat er meer energie wordt vastgehouden met als gevolg een toename van de temperatuur. Als door het warmer worden van de aarde het oppervlakte aan zee-ijs afneemt, wordt de opwarming door dit proces versterkt; een positieve terugkoppeling, de ijs-albedo terugkoppeling. Het weerkaatsingvermogen wordt albedo genoemd, hoe lager de albedo van de aarde hoe minder zonlicht er totaal wordt weerkaatst. De albedo van de aarde is ongeveer 0.3 (30%). Hierbij staat de waarde 1 voor volledige weerkaatsing van zonlicht en de waarde 0 voor volledige absorptie van zonlicht.

Arrhenius vermeldde al in 1896 het effect van een veranderde sneeuwbedekking mocht het kouder of warmer worden op aarde en in de jaren 1960 was de ijs-albedo terugkoppeling reeds gemodelleerd door Budyko en Sellers (h/t The Warming Papers).
In 1975 publiceerden Manabe en Wetherald een modelstudie over de effecten van een verdubbeling van de CO2 concentratie, gebruik makend van wat je zou kunnen noemen het eerste klimaatmodel. In figuur 2 zijn de door Manabe en Wetherald berekende temperatuursveranderingen weergegeven als functie van de breedtegraad en de hoogte. Linksonder is duidelijk zichtbaar dat de opwarming aan het oppervlak in het Arctische gebied het grootst is. Ook is te zien dat de stratosfeer juist afkoelt. Beide fenomenen zijn later via meetdata ook aangetoond; het onderschrijft de kracht van de theorieën achter de ‘global warming’.

Figuur 2. De verandering in de temperatuur als functie van de hoogte en de breedtegraad voor een verdubbeling van de CO2 concentratie. Uit Manabe en Wetherald 1975 (hun figuur 4b).

De auteurs van het artikel van Pistone-2014 zijn de eersten die een bewijs leveren voor de afname van de albedo in het Arctische gebied op basis van meetdata (zie hier voor het persbericht). Gebruik makend van observaties van de CERES satelliet hebben zij vastgesteld dat de Arctische albedo is gedaald van 0.52 tot 0.48 tussen 1979 en 2011. Deze daling van 0.04 eenheden komt overeen met een toename van de energie met 6.4 ± 0.9 W/m² als gevolg van meer invallend zonlicht in de Arctische oceaan (dus zonder het land). Gemiddeld over de gehele aarde is dat volgens de onderzoekers 0.21 ± 0.03 W/m², vergelijkbaar met 25% van de forcering die is veroorzaakt door de toename van de CO2 concentratie in de periode van 1979-2011. Zie figuur 3 voor een vergelijking van de afname van de Arctische albedo, de afname van de oppervlakte aan zee-ijs en de temperatuur van het Arctische gebied.

Figuur 3. De verandering in de albedo, het zee-ijs als fractie van de Arctische Oceaan en de oppervlaktetemperatuur (GISS) gemiddeld over de Arctische Oceaan. Uit Pistone-2014 (hun figuur 4b).

Veranderingen in complexe systemen worden veelal niet door één factor veroorzaakt, maar door meerdere factoren. Klimaatmodellen kunnen ons inzicht geven in de diverse processen die een rol spelen bij bepaalde klimaatveranderingen en dus ook voor de snelle opwarming in het Arctische gebied. Ook KNMI onderzoekers hebben met behulp van het EC-Earth klimaatmodel de Arctische opwarming bestudeerd wat heeft geleid tot enkele publicaties: bijv. van Bintanja, Graversen en Hazeleger uit 2011 (zie ook hier) en van Bintanja & van der Linden uit 2013 (zie ook hier).

De Arctische opwarming is het sterkst in de winter en dan is tevens de luchtlaag aan het oppervlak kouder dan de hogere luchtlagen. Dit wordt inversie genoemd. Een opwarming van de onderste luchtlaag versterkt de opwarming aan het oppervlak door meer IR terugstraling. De afkoeling door uitstraling naar het heelal wijzigt namelijk niet als alleen de onderste luchtlaag warmer wordt. Er is als het ware lokaal een extra versterkt broeikaseffect. Bintanja & van der Linden concludeerden dat de sterke Arctische opwarming in de winter voor 75% het gevolg is van infrarode terugstraling en maar voor 25% van de ijs-albedo terugkoppeling.

Het lijkt er dus op dat er in ieder geval meerdere ‘verdachten’ zijn voor het snelle opwarmen van het Arctische gebied, de ijs-albedo terugkoppeling heeft concurrenten. Twee onderzoekers van het Max Planck Institut, Pithan en Mauritsen, hebben dit onderzocht, gebruik makend van de laatste versies klimaatmodellen (CMIP5). Zij concluderen dat de modellen als belangrijkste oorzaak voor de Arctische opwarming de ‘Surface warming’ aanwijzen en als goede tweede volgt de ijs-albedo terugkoppeling. De ‘Surface warming’ is een gevolg van temperatuurterugkoppelingen:  als het oppervlak opwarmt wordt er in het Arctische gebied relatief minder IR teruggestraald naar het heelal dan bij lagere breedtegraden. Zie figuur 4 voor de vergelijking tussen de Arctische en tropische amplificatie. Daar de grafiek in het artikel voor het effect met een 45° blik bekeken moest worden, is het plaatje hier geroteerd met 45°.

Figuur 4. Een vergelijking van de bijdrage van diverse terugkoppelingen aan de jaarlijkse opwarming van het oppervlak voor de tropen en het Arctische gebied. De afstand tot de horizontale stippellijn geeft de mate van de bijdrage weer. Voor het Arctische gebied is de grootste factor de ‘oppervlakte-opwarming’, gevolgd door de albedo. Naar Pithan & Mauritsen figuur 2c.

Dat het Arctische gebied sneller opwarmt dan de rest van de wereld zal vast en zeker ook in de nabije toekomst zo blijven. Het verdwijnen van het zee-ijs gaat helaas gewoon door. Dat het Arctische gebied ergens in deze eeuw in de zomer vrij van ijs zal zijn, is inmiddels nagenoeg zeker. Zee-ijs specialist Walt Meier, inmiddels werkzaam bij de Nasa, zei daar in 2012 het volgende over:
“The timing is still uncertain but it changes things from a “if the Arctic loses summer sea ice” to “when the Arctic loses summer sea ice”.”.

9 Reacties op “Arctische amplificatie en albedo

  1. hugo matthijssen

    Kan deze temperatuurverandering ook een gevolg zijn van een andere warmte verdeling over de aarde bijvoorbeeld door verschuiving van zeestromen?

  2. Hans Custers

    @ Hugo

    Dan zou het elders af moeten koelen. De wet van behoud van energie, weet je wel?

  3. Hi Jos,

    Dank voor een zeer verhelderend blogstuk! Het is indrukwekkend hoe er nu steeds meer puzzelstukjes op hun plaats vallen en hoe de door Budyko, Manabe, Revelle en anderen in de jaren ’60 en ’70 voorspelde effecten nu één voor een waargenomen en gemeten worden.

    Klimaatmodellen zoals Manabe en anderen die ontwikkeld hebben (de General Circulation Models) vertonen “emergent behaviour”. Het zijn geen curve-fitting exercities maar fysische simulaties waarbij je niet van te voren weet (of bepaalt) wat de uitkomst gaat zijn. Een relatief snellere opwarming van het Arctische gebied is iets dat blijkt ná het draaien van de simulaties – en het is niet meteen ‘obvious’ wat de oorzaken daarvan zijn. Door bepaalde modules uit te schakelen of parameters te wijzigen kan men dan achterhalen welke effecten er bijdragen (en in welke mate) aan de Arctic Amplification.

    @Hugo Matthijssen, als je de hierboven gelinkte publicatie van Pithan en Mauritsen gaat lezen, dan zie je o.a.:

    However, Arctic amplification does occur in models without surface albedo feedback and Arctic amplification in coupled climate models (Fig. 1) has been shown to be primarily caused by feedbacks acting on terrestrial longwave radiation. The latter implies that the surface albedo feedback, which changes the absorption of solar shortwave radiation, can play only a secondary role in causing Arctic amplification. Important contributions to Arctic amplification have been suggested to result from the water vapour feedback caused by the greenhouse effect of additional water vapour, the cloud feedback due to changes in the effect of clouds on the Earth’s radiative balance and the lapse-rate feedback associated with the vertical structure of warming. Changes in atmospheric and oceanic heat transport are also thought to contribute to Arctic amplification.

    Zo betekent warmer zeewater in de noordelijke tak van de Atlantische thermohaliene circulatie (een gevolg van de opwarming op lagere breedtegraden) dat er ook warmer water onder het Arctische zeeijs arriveert. Overigens zijn er geen aanwijzingen dat er méér water per tijdseenheid naar het Arctische gebied getransporteerd wordt – maar wel dat dit water warmer aan het worden is.

    Echter – het gaat hierboven (figuur 1) over de luchttemperaturen in het Arctische gebied en niet over de smelt van het zeeijs op zich (dat ook van onderaf smelt). Het effect van het extra warmtetransport door de oceaan op de luchttemperaturen is ook onderzocht door Pithan en Mauritsen (zie ‘Ocean’ in hun figuur 2).

    Er doet zich dan in de winter (!) een merkwaardig verschijnsel voor als gevolg van de door Jos al genoemde inversie: extra warmte die vanuit de oceaan komt en de lucht opwarmt, draagt dan lokaal bij aan een versterkte IR terugstraling. In de andere seizoenen (zonder inversie) zorgt de warmte uit de oceaan echter juist voor extra uitstraling naar het heelal als gevolg van hogere temperaturen.

    Pithan en Mauritsen laten in figuur 2c zien dat het extra warmtetransport door de oceaan, over het hele jaar gemiddeld, juist een kleine negatieve terugkoppeling is. Het werkt – over het jaar gemiddeld – de opwarming iets tegen. Het gaat tegen de intuïtie in, maar de auteurs concluderen o.a.:

    Changes in ocean transport and ocean heat uptake are not correlated with total Arctic warming across different models.

    en:

    Contrary to a widespread assumption, temperature feedbacks are the most important contributors to Arctic amplification in contemporary climate models. The surface albedo feedback is the second main contributor, whereas other suggested drivers of Arctic amplification either play minor roles or even oppose Arctic amplification in the ensemble mean.

  4. Inversie
    Is daar meer over bekend. Kan een inversie een heel seizoen intact blijven?
    Welke zijn de condities waaronder een inversie ontstaat.

    Overigens moet je bedacht zijn op inversie (in de atmosfeer) en stratificatie (in de oceanen). Energie fluxen worden er door beïnvloed.

  5. Hoi Pieter,

    Normaal gesproken is er in de troposfeer een negatieve lapse rate: het wordt kouder naarmate je hoger komt. Dit is een gevolg van het convectief warmtetransport, de opstijgende pakketjes lucht die expanderen bij het opstijgen. Vanwege pV7/5= constant en pV/T=constant daalt de temperatuur bij het opstijgen:

    http://nl.wikipedia.org/wiki/Adiabatisch_proces#Meteorologie
    http://en.wikipedia.org/wiki/Adiabatic_process#Ideal_gas_.28reversible_process.29
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/adiab.html

    Als het oppervlak heel koud is (en bij weinig wind) komt de convectie echter niet op gang. De lucht gaat niet stijgen en er vindt geen convectief warmtetransport plaats. In Nederland kan dat ook, na een heldere nacht met weinig wind:

    http://www.knmi.nl/cms/content/37411/inversie

    De poolnacht duurt echter héél lang – een compleet seizoen. In de winter tref je daar dan ook doorgaans inversie aan.

    De stratosfeer heet zo omdat er daar géén (of bijna geen) convectief warmtetransport plaatsvindt: door het gebrek aan stroming is er geen adiabatische afkoeling naarmate je hoger komt en is het temperatuurprofiel juist omgekeerd: koud onderin en warm bovenin. De stratosfeer is gestratificeerd.

    .. Energie fluxen worden er door beïnvloed.

    Precies. Pithan en Mauritsen laten zien dat die fluxen sterk verschillen tussen de poolnacht en de zomer in het Arctische gebied. Dat zit uiteraard in de verschillende modellen die het convectief en radiatief warmtetransport numeriek simuleren.

  6. Pieter,

    Hier kun je een typisch temperatuurprofiel zien voor winter en zomer op een plek in het Canadese Arctische gebied:
    http://createarcticscience.wordpress.com/2013/03/12/temperature-inversion-in-the-arctic/

    Hier een artikel dat je een idee geeft van de geografische verdeling voor de wintermaanden van de inversie sterkte (het temperatuurverschil tussen de inversie top en het oppervlak), de veranderingen daarin en de correlaties:
    http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/JCLI3915.1
    Zie bijv. hun figuur 7 en 9.
    Citaat:
    An analysis of the correlation between surface temperature and inversion strength trends, and between these two parameters and the Arctic Oscillation index, demonstrates the strong coupling between changes in surface temperature and changes in inversion strength. This is not surprising given that the primary control over surface-based inversions in the polar regions is radiation cooling. However, the analysis revealed that in some areas, trends in inversion strength are poorly correlated with trends in surface temperature, but more highly correlated with changes in large-scale circulation.

  7. hugo matthijssen

    Beste Hugo,

    Het gaat hier over het Arctische gebied. Ik zie je reactie dan ook als een van je bekende, totaal off-topic afleidingsmaneuvres – JH

  8. @Bob en Jos,

    Dank voor informatie over concept en uitwerking van inversie op de Noordpool. En inversie in de stratosfeer.

    Van het artikel van Manabe en Wetherald (1975) heb ik geleerd dat zij toen al in staat waren een model op te stellen. Als we mogen aannemen dat in 40 jaar de ontwikkelingen zijn doorgegaan, dan heb ik de neiging om de huidige klimaatmodellen een sterke positie te gunnen. Ik zal skeptisch zijn ten aanzien van uitspraken zoals: “modellen geven te hoge uitkomsten”. Dat is een manier van snel etiketten plakken om een discussie te beslechten.

  9. Hugo Matthijssen

    Jos

    Op dit moment is er meer zeeijs rond de zuidpool als er ooit is gemeten en is het daar mogelijk wat kouder op dit moment) en op de noordpool is het nu wat warmer.

    Zou dan onderzoek naar die warmte verdeling op aarde niet belangrijk zijn voor dit onderwerp.

    [JH: je gebruikelijke onzin en off-topic opmerkingen zijn als comment gemarkeerd. De T-stijging in het zuidpoolgebied vanaf 1970 is +0.07 °C/decennium (Giss) en zie verder het antwoord van Bob, 1 maart 2014 om 17:22.]

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s