Is het gat in de energieboekhouding van de aarde gedicht?

De tekening bij dit stuk is van Marije Mooren

Missing the Heat. Tekening van Marije Mooren

Om maar met de deur in huis te vallen: de Koppenwet van Betteridge – als de kop boven een artikel eindigt met een vraagteken, is het antwoord: nee – is niet van toepassing op de kop hierboven. Maar het antwoord op de vraag is ook zeker geen volmondig: ja. Wat er wel aan de hand is: vorige maand verscheen er een artikel dat een bijzonder interessant licht werpt op het energiebudget van het klimaatsysteem, en dus van de aarde. Het soort artikel dat de geschiedenis in kan gaan als het begin van een behoorlijke stap vooruit in de klimaatwetenschap. Of als een interessant idee dat door aanvullend onderzoek onderuit wordt gehaald.

Nu de suspense zo ver is opgevoerd is het tijd voor een afknapper, de titel van het artikel: “Distinct energy budgets for anthropogenic and natural changes during global warming hiatus” van Xie, Kosaka en Okumura. Ja hoor, weer die “hiatus”. Lewandowsky zal er wel van gruwen. Niet helemaal onterecht. Want veel meer dan over een opwarmingspauze, gaat het artikel over hoe het klimaatsysteem reageert op veranderingen als gevolg van klimaatforceringen en interne variabiliteit en de gevolgen daarvan voor de energiebalans. Ofwel: over feedbacks in het klimaatsysteem.

We duiken hier dus, ter afwisseling van alle mediaberichtgeving in de afgelopen weken over de Parijse perikelen, diep de klimaatwetenschap in. De wetenschap over de energiebalans van de aarde, om precies te zijn. Of de stralingsbalans; omdat de aarde alleen via straling energie uit kan wisselen met het heelal (een enkel uit de atmosfeer ontsnappend gasmolecuul, of binnenkomend deeltje ruimtestof buiten beschouwing gelaten), komt dat op hetzelfde neer. Inzicht in de stralingsbalans, en daarmee in de energiehuishouding van het klimaatsysteem, is de sleutel tot begrip van veranderingen in het klimaat.

Een verandering in het klimaat begint met een forcering: een toe- of afname van inkomende of uitgaande straling door bijvoorbeeld een verandering in de baan van de aarde, of in de activiteit van de zon, of in de hoeveelheid stofdeeltjes of broeikasgassen in de atmosfeer. De veranderde stralingsbalans zorgt voor opwarming of afkoeling van het aardoppervlak. Die temperatuurverandering – en dus niet de forcering zelf – zet feedbacks in gang: terugkoppelingen in het systeem die weer invloed hebben op de stralingsbalans. Een veelvoorkomend misverstand lijkt te zijn dat er vooral positieve, of versterkende, feedbacks zijn in het klimaatsysteem. Gelukkig is het tegendeel het geval. De dominante feedback is de Planck feedback: de uitstraling van warmte door het aardoppervlak neemt tot de vierde macht toe met de temperatuur bij opwarming en af bij afkoeling. Misschien wordt deze feedback nogal eens over het hoofd gezien omdat hij zo vanzelfsprekend is. Zonder de Planck feedback zouden kleine veranderingen in de stralingsbalans tot enorme veranderingen van de temperatuur kunnen leiden.

Het netto effect van alle andere feedbacks samen in het klimaatsysteem is versterkend: zonder deze feedbacks zou de opwarming of afkoeling als gevolg van een forcering minder zijn. Zo zou, het zal onze regelmatige bezoekers bekend zijn, de forcering door een verdubbeling van de CO2-concentratie zonder feedbacks maar een opwarming van circa 1,2 °C opleveren. Dat er versterkende feedbacks zijn is in overeenstemming met wat te verwachten is op basis van elementaire natuurwetenschap. De belangrijkste versterkende feedbacks werden dan ook al door Arrhenius beschreven aan het eind van de 19e eeuw.

Feedbacks zijn een reactie van het klimaatsysteem op een temperatuurverandering. Het is daarom niet aannemelijk dat verschillende forceringen, de initiële oorzaken van een temperatuurverandering, sterk verschillende feedbacks opleveren. Pseudosceptici menen nog wel eens dat forceringen tegen elkaar uitgeruild kunnen worden – meer invloed van van bijvoorbeeld de zon zou dan minder invloed van de mens betekenen – maar in de consistente klimaatwetenschap gaat dat dus niet op. Het tegendeel is het geval. En wat geldt voor verschillende forceringen geldt ook voor interne variabiliteit: als die afkoeling of opwarming veroorzaakt komen weer dezelfde feedbacks in actie. Het interessante  van het artikel van Xie, Kosaka en Okumura is nu dat ze wat aan die logica knabbelen.

De onderzoekers zijn diep de CMIP5 modelresulaten in gedoken en ze vinden daar iets opmerkelijks. De feedbacks reageren zoals wordt verwacht op geforceerde klimaatverandering en op interne variabiliteit op korte tijdschaal. Maar voor interne variabiliteit op langere tijdschaal, een tot enkele decennia, is er minder correlatie tussen de gemiddelde temperatuur van het aardoppervlak en feedbacks. Een vergelijkbare constatering is vorig jaar overigens al eens gedaan door een andere groep onderzoekers.

Xie_fig4

Temperatuur (links) en stralingsbalans (stralingsbalans) ten gevolge van forcering (zwart), interne variabiliteit (groen) en totaal (rood) tijdens een periode van stagnerende opwarming van het oppervlak. De bruine lijn in de figuur rechts geeft de stralingsbalans volgens de traditionele opvatting. (Bron: Xie et al. 2015)

De hamvraag is: hoe kan dat nou? Xie et al. menen dat het te maken heeft met een belangrijk verschil tussen geforceerde verandering en interne variabiliteit: bij een geforceerde klimaatverandering gaat de temperatuur wereldwijd omhoog of omlaag, terwijl dat bij interne variabiliteit niet het geval is. De bekende patronen van interne variabiliteit zorgen altijd voor afkoeling op de ene en opwarming op de andere plek. Dit is ook het geval wanneer de gemiddelde wereldtemperatuur verandert door interne variabiliteit: er is dan simpelweg wat meer van het een dan van het ander. Er is natuurlijk geen klimaatcontrolekamer die feedbacks een beetje bij- of afschakelt aan de hand van de wereldgemiddelde temperatuur. Feedbacks zijn lokale processen, die plaatsvinden onder invloed van de lokale temperatuur. Als de temperatuur op verschillende plekken op aarde een andere kant op gaat, is het goed mogelijk dat de ene plek wat sterker reageert dan de andere, of dat sommige feedbacks sneller optreden dan andere. Het gevolg kan zijn dat de stralingsbalans anders reageert op de wereldgemiddelde temperatuur dan verwacht, of dat de reactie met vertraging plaatsvindt.

heat_content2000m

Warmte-inhoud van de oceaan tot 2000 meter diepte (Bron: NOAA-NCEI)

Hiermee zou er een verklaring kunnen zijn voor wat sinds enkele jaren vaak de “missing heat” wordt genoemd. De accumulatie van warmte in de oceanen, het grote warmtereservoir van het klimaatsysteem, is de afgelopen jaren gewoon doorgegaan, terwijl de temperatuur van het oppervlak wat achterbleef. Maar een versnelling van die accumulatie van warmte, die op basis van de toegenomen broeikas-forcering en beperkte temperatuurstijging te verwachten is, is niet te zien, zeker niet in het eerste decennium van deze eeuw. Er zijn onderzoekers die menen dat dat komt door een onderschatting van de warmteopname door de oceaan, maar volgens Xie et al. zijn feedbacks als gevolg van interne variabiliteit de verklaring: die sturen de stralingsbalans de andere kant op dan het toegenomen broeikaseffect. Dit zou betekenen dat de “missing heat” niet in de oceaan zit, zoals vaak wordt aangenomen, maar dat deze al lang weer uit het klimaatsysteem verdwenen is.

Het zou ook betekenen dat warmte-uitwisseling tussen de atmosfeer en de diepe oceaan niet de enige factor is die zorgt voor opwarming of afkoeling van het oppervlak door interne variabiliteit. De onderzoekers voerden modelsimulaties uit waarin ze deze warmte-uitwisseling blokkeerden. De simulaties leverden patronen op die (in de figuur hieronder rechts) vergelijkbaar zijn met, maar niet identiek aan simulaties waarin er wel menging naar grotere diepte mogelijk is (in de figuur hieronder links) en patronen van interne variabiliteit zoals die in werkelijkheid worden waargenomen.

Xie_fig2

Patronen van interne variabiliteit in modelsimulaties met (links) en zonder (rechts) oceaancirculatie (Bron: Xie et al. 2015)

Terug naar de vraag boven dit verhaal: klopt de boekhouding nu? Xie et al. menen aardig in de buurt te komen, maar natuurlijk moet hun idee nog wel bevestigd worden door meer onderzoek. Dat zal nog wel even duren. Bijvoorbeeld vanwege de echte achtergrond van de term “missing heat”: die heeft niet zo zeer te maken met het verschil tussen theorie en waarnemingen, maar met het verschil tussen twee typen metingen: die van de warmte-inhoud van de oceaan en van de stralingsbalans. Beide grootheden zijn moeilijk nauwkeurig te meten. De warmte-inhoud van de oceaan tot op 2 kilometer diepte is sinds 2007 vrij nauwkeurig te bepalen door metingen met ARGO boeien. Over wat er beneden die 2 kilometer gebeurt is minder bekend. De in- en uitstraling variëren sterk per plaats, tijd van de dag en tijd van het jaar. Bovendien is het verschil tussen de twee klein, en zullen ze beide dus heel nauwkeurig gemeten moeten worden om dat verschil met enige nauwkeurigheid te kunnen bepalen. De onzekerheid in deze metingen is dus aanzienlijk. Er zal dus nog wel wat wetenschappelijke inventiviteit nodig zijn bij wetenschappers die verder aan de slag gaan met dit idee.

Xie et al. stellen zeker niet de belangrijkste oorzaken van interne variabiliteit ter discussie. Dat zijn en blijven de teleconnecties: min of meer stabiele patronen van temperatuur, luchtdruk en atmosferische en oceaanstromingen die om kunnen slaan naar een andere min of meer stabiele toestand. Ze zeggen ook niet dat warmte-uitwisseling tussen oceaan en oppervlak geen rol van betekenis speelt bij de temperatuurschommelingen die samenhangen met interne variabiliteit. Wat ze wel laten zien is dat de stralingsbalans een extra factor zou kunnen zijn, met mogelijk meer invloed dan tot dusver werd aangenomen. De omvang van de schommelingen in de stralingsbalans kan sterk variëren, de timing lijkt wel consistent: die loopt steeds enkele jaren achter op de temperatuur.

8 Reacties op “Is het gat in de energieboekhouding van de aarde gedicht?

  1. Hans,
    ik heb je formidabele blogstuk gelezen en her-herlezen. Ik vat de voorlaatste zin niet goed:

    “Wat ze wel laten zien is dat de stralingsbalans een extra factor zou kunnen zijn, met mogelijk meer invloed dan tot dusver werd aangenomen.”

    Betekent dit dat Xie et al. de klimatologische status van de stralingsbalans als ‘ijkpunt’ van globale opwarming / afkoeling im Frage stellen? Wat betekent je opmerking dat de stralingsbalans “…een extra factor zou kunnen zijn”.

    Anders gezegd, ik heb tot nu toe de stralingsbalans begrepen als klimatologisch logistieke *norm* en nu lijkt die norm als te calculeren-factor-onder-andere te worden ingevoerd. Help!

  2. Hans Custers

    Goff,

    De zin die je aanhaalt heeft betrekking op de interne variabiliteit van het klimaat. Bij geforceerde opwarming of afkoeling is de stralingsbalans bepalend. Dat moet wel, volgens de wet van behoud van energie.

    Schommelingen in de gemiddelde wereldtemperatuur worden, zo wordt algemeen aangenomen, veroorzaakt door verplaatsing van energie binnen het klimaatsysteem. Meer concreet: door schommelingen in de warmte-uitwisseling tussen oceaan en atmosfeer. Volgens de basislogica van de Planck-feedback zou het klimaatsysteem warmte verliezen (of, in het geval van opwarming, minder warmte accumuleren) bij een hoge temperatuur (boven het gemiddelde, of boven de lange termijn trend), en zou bij een lage temperatuur het omgekeerde het geval zijn. Volgens Xie et al. gaat die basislogica, door lokale verschillen in feedbacks, niet helemaal op. Dat zou bij kunnen dragen aan de interne variabiliteit op lange termijn.

  3. Xie xie wat jij nie xie, en het is…

    Sorry, had iemand deze grap al gemaakt?😉

    Goed stuk, Hans!

  4. Hans Custers

    Dank, Neven. En door je grap realiseer ik me nu pas dat dit stuk een perfect excuus was om een live video van mijn bandje te promoten. In het instrumentale stuk zit namelijk een soort Xielofoontje…

  5. Hans,
    twee vragen:
    – begrijp ik ’t nu goed dat het onderzoek van Xie et al. op schommelingen in de stralings balans wijzen?
    – los (maar niet helemaal) daarvan een methodische vraag: hoe wordt de feitelijke stralingsbalans klimatologisch gemeten? Welke zijn de parameters? Wat zijn de meet-perikelen? Je snapt dat ik geen uitputtend antwoord verwacht maar wellicht kun je me leestips geven.

  6. Hans Custers

    Goff,

    Wisselingen in de temperatuur van het oppervlak zorgen voor schommelingen in de stralingsbalans. Dat is al lang bekend: de Planck feedback zorgt ervoor dat de uitgaande straling toeneemt als de temperatuur stijgt. De basale logica is dan: als de temperatuur hoog is door interne variabiliteit, verliest de aarde energie; als de temperatuur laag is, komt er energie bij (voor het gemak laat ik de lange termijn opwarming even buiten beschouwing). Xie et al. hebben aanwijzingen dat het in werkelijkheid ingewikkelder ligt. Bij interne variabiliteit gaat opwarming op de ene plek altijd samen met afkoeling op een andere plek. Het netto-effect van de lokale feedbacks op de stralingsbalans kan anders uitvallen dat je zou verwachten wanneer je alleen naar de gemiddelde mondiale temperatuur kijkt.

    Uiteindelijk draait het in de stralingsbalans om drie parameter:

    – inkomende zonnestraling
    – gereflecteerde zonnestraling
    – uitgezonden warmtestraling

    Over leestips moet ik nog ’s nadenken. Misschien hebben mijn collega-bloggers suggesties?

  7. Deze NASA webpagina’s geven wel een mooi overzicht vd energy balance vd aarde: http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/page1.php
    Voor iets meer detail is dit tekstboek hoofdstuk goed: http://www.astr.ucl.ac.be/textbook/chapter2_node2.html

    Met satellieten kan de binnenkomende (= zonnestraling) en de uitgaande (= teruggekaatste zonnestraling + uitgestraalde warmetestraling vd aarde) straling (aan de zogenaamde “top of the atmosphere”) worden gemeten. Dit is echter niet precies genoeg om een imbalans tussen die termen te quantificeren. Die imbalans kan indirect worden bepaald via de warmteopname vd oceanen, onder de aanname dat veruit de meeste energie in de oceanen gaat zitten.

  8. Bart, dank voor de leerzame links!

    Hans, ik snap nu wat het kiezeltje in mijn schoen was. Je schrijft (onmiddellijk boven je tweede diagram):
    “Het gevolg [van uiteenlopende temporele en ruimte effecten van feedbacks] kan zijn dat de stralingsbalans anders reageert op de wereldgemiddelde temperatuur dan verwacht, of dat de reactie met vertraging plaatsvindt.”

    Dat vat ik nu. Waar ik over struikelde is de een na laatste zin waarmee je blogstuk eindigt:
    “Wat ze wel laten zien is dat *de stralingsbalans* [nadruk van G.J. S] een extra factor zou kunnen zijn, met mogelijk meer invloed dan tot dusver werd aangenomen.”

    Ik had daar moeten lezen: *schommelingen in de stralingsbalans* waar je blogstuk trouwens mee eindigt. Afijn, mijn vragen zijn beantwoord : )

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