Zin en onzin over de rol van stofdeeltjes bij het ontstaan van wolken

Er zijn de laatste tijd zo hier en daar weer verhalen verschenen over de rol van aerosolen bij het ontstaan van wolken, waarin niet zelden feit en fictie door elkaar worden gehaald. Dit naar aanleiding van drie nieuwe artikelen (zie voor meer informatie over deze onderzoeken het nieuwsbericht van Nature) die diep ingaan op het ontstaan van die aerosolen. Omdat hier zoveel misverstanden over bestaan, kan het geen kwaad om eens wat zaken op een rijtje te zetten.

Om bij het begin te beginnen: de eerste factor die bepaalt of er wel of geen wolken ontstaan op een bepaalde plek is de luchtvochtigheid. Als lucht niet verzadigd is met waterdamp, ofwel bij een relatieve vochtigheid beneden de 100%, kunnen er geen wolken ontstaan. Als lucht wel verzadigd is kan dat wel, maar er is nog iets nodig.

De complicatie zit ‘m in het fenomeen faseovergang. De overgang van een stof tussen vaste, vloeibare en gasfase heeft vaak een duwtje in de rug nodig om op gang te komen. Dat is bijvoorbeeld te zien in een glas bier of frisdrank: de koolzuurbelletjes ontstaan alleen op bepaalde plekken, waar ze zich kunnen ontwikkelen bij microscopisch kleine oneffenheden in het glas. Kookvertraging in een magnetron is ook een bekend fenomeen: water kan opgewarmd worden tot boven het kookpunt, maar pas overgaan in de gasfase door de schok als het glas uit de oven wordt gepakt. Voor de condensatie van waterdamp tot druppeltjes of ijskristallen in de lucht geldt iets vergelijkbaars: helemaal zuivere lucht kan oververzadigd raken met waterdamp zonder dat er direct wolken ontstaan. Kleine stofdeeltjes in de lucht (aerosolen) kunnen hier het duwtje in de rug geven: watermoleculen condenseren op die deeltjes, die vervolgens uitgroeien tot druppeltjes of ijskristallen. Dergelijke stofdeeltjes worden wel condensatiekernen genoemd. Op Youtube wordt dit effect zichtbaar gemaakt met een eenvoudig experimentje (met excuses voor de muziek).

In een volledig stofvrije aardatmosfeer zouden minder wolken voorkomen dan in een atmosfeer die wat stoffiger is. Zonder de aanwezigheid van stofdeeltjes condenseert water niet zo snel: de relatieve vochtigheid kan dan oplopen tot 400%. (Een gevolg van het zogenaamde Kelvin effect.) In de aardatmosfeer zijn altijd wel wat stofdeeltjes aanwezig en zal een dergelijke oververzadiging daarom nooit voorkomen; de oververzadiging blijft beperkt tot enkele procenten. Omdat er altijd wel condensatiekernen aanwezig zijn is in de praktijk de luchtvochtigheid de bepalende factor voor het al of niet ontstaan van wolken. De mate van oververzadiging bepaalt hoeveel wolken er ontstaan, of beter: hoeveel waterdamp er condenseert.

De hoeveelheid condensatiekernen heeft vooral invloed op de eigenschappen van de bewolking. Het ligt voor dat hand dat er, in elk geval in eerste instantie, meer en kleinere druppeltjes zullen ontstaan naarmate het aantal condensatiekernen toeneemt. Elke condensatiekern vormt immers het begin van een druppeltje, als er meer condensatiekernen zijn wordt de hoeveelheid waterdamp die condenseert over meer druppeltjes verdeeld. Wolken worden dan witter: ze reflecteren meer zonlicht en hebben dus een afkoelend effect op het klimaat. Bovendien regenen de kleinere druppeltjes minder snel uit, waardoor deze wolken een langere levensduur hebben.

Voor wie denkt dat het nu knap ingewikkeld begint te worden: we zijn nog maar net begonnen. Atmosferisch stof bestaat niet alleen uit deeltjes die in vaste toestand in de lucht terecht komen door natuurlijke processen en menselijke activiteiten , zoals woestijnstof, zeezout en roet. Een substantieel, maar onzeker deel van de deeltjes ontstaat in de atmosfeer. Het ontstaan van die deeltjes is pas echt een ingewikkeld onderwerp. Eerst moet er een clustertje van enkele moleculen worden gevormd. Zulke clustertjes vallen vaak weer uit elkaar; alleen wanneer ze bestaan uit moleculen die sterk “aan elkaar plakken” (ofwel: die een lage dampspanning hebben) zijn ze enigszins stabiel. Sommige van deze deeltjes bestaan lang genoeg om verder te groeien tot ze een diameter van 1 tot 2 nanometer bereiken. Deeltjes die dat stadium bereiken groeien meestal verder. Hoe groter het deeltje, hoe gemakkelijker er ook moleculen met een wat hogere dampspanning op condenseren en hoe sneller het dus kan groeien. De grootte die nodig is om als condensatiekern te kunnen dienen hangt af van de omstandigheden, maar zit in de grootteorde van 100 nanometer. Niet elk nieuw gevormd deeltje bereikt dat stadium, integendeel: het merendeel klontert samen met al bestaande, veelal grotere deeltjes. In dit ingewikkelde proces kunnen tal van anorganische en organische stoffen, van menselijke en natuurlijke (biologische en niet-biologische) oorsprong, een rol spelen, naast andere factoren als zonlicht, ionisatie, temperatuur, vochtigheid en aanwezigheid van andere aerosolen. Het is die enorme complexiteit die naar voren komt in de drie nieuwe onderzoeken. De factoren die een rol spelen wisselen sterk tussen verschillende gebieden op aarde. Dat doet vermoeden dat er ook lokale verschillen zijn in de factoren die het meest bepalend zijn. In de video hieronder vat Neil Donahue, co-auteur van twee van de drie nieuwe artikelen, alles goed samen.

De Svensmark-hypothese

Wie enigszins bekend is met de klimaatblogosfeer, denkt bij het onderwerp condensatiekernen onmiddellijk aan de hypothese van Henrik Svensmark. Die hypothese is gebaseerd op enkele wetenschappelijke feiten die op zich onomstreden zijn:

  • Ionisatie speelt een rol bij het ontstaan van condensatiekernen.
  • Kosmische straling is een belangrijke oorzaak van ionisatie in de atmosfeer.
  • Het magnetisch veld van de zon buigt kosmische straling af.
  • Wisselingen in dat magnetisch veld, die samenhangen met wisselingen in zonne-activiteit, beïnvloeden daardoor de hoeveelheid kosmische straling die de aardatmosfeer bereikt.

Volgens Svensmark zou de zonne-activiteit op deze manier indirect het klimaat kunnen beïnvloeden: bij een actievere zon bereikt minder kosmische straling de atmosfeer, waardoor minder condensatiekernen ontstaan en meer zonlicht het aardoppervlak kan bereiken. Een interessante gedachte met maar één zwakte: het ontbreken van wetenschappelijk bewijs. Er is zijn weinig aanwijzingen dat dit effect daadwerkelijk invloed van betekenis heeft op het klimaat en er is geen enkele reden om aan te nemen dat het heeft bijgedragen aan de opwarming sinds het begin van de industriële revolutie. De drie nieuwe onderzoeken bevestigen wat al uit eerdere studies naar voren kwam: kosmische straling is maar één van de vele factoren die een rol kunnen spelen bij beïnvloeding van het klimaat door wolken; die ene factor als allesbepalend beschouwen is een enorme versimpeling van de realiteit.

Ook zonder ingewikkelde wetenschap is het inmiddels duidelijk dat kosmische straling weinig invloed heeft op de temperatuur. De afbeelding hieronder vergelijkt de temperatuur (het gemiddelde van GISTEMP, NOAA NCEI en HadCRUT4, in blauw) met de “inverse” kosmische straling (data van Moscow Neutron Monitor, in groen). De straling is op deze wijze weergegeven omdat minder straling volgens Svensmark samen zou moeten gaan met een hogere temperatuur. Uit de grafiek laat blijkt dat er niet of nauwelijks een lange termijn trend zichtbaar is in de hoeveelheid kosmische straling. Bovendien zitten we nu in een zwakke zonnecyclus, waarin veel straling de aarde bereikt en er dus volgens Svensmark veel afkoelende bewolking zou moeten zijn. Maar van een daling van de temperatuur is geen sprake.

Vergelijking_Oppervlakte_T_GCR_inverse

De conclusie: alle genoemde factoren en processen kunnen de eigenschappen en levensduur van wolken beïnvloeden. De drie nieuwe onderzoeken behandelen één aspect – zeker niet het enige aspect – van het uiterst complexe onderwerp bewolking: de vorming van minuscuul kleine deeltjes waarvan sommige uit kunnen groeien tot condensatiekernen. Uit de onderzoeken blijkt dat organische verbindingen, die voor een groot deel door de biosfeer worden uitgestoten, hier mogelijk een belangrijker rol in spelen dan tot nu werd toe gedacht. Er is geen enkele reden om aan te nemen dat de voortschrijdende kennis over dat ene aspect een heel ander licht werpt op de gehele klimaatwetenschap. Claims over bijvoorbeeld attributie van klimaatverandering of klimaatgevoeligheid die op basis van deze onderzoeken worden gedaan zijn dan ook pure speculatie en volstrekt ongeloofwaardig. De onderzoeken laten wel zien hoe terecht het is dat de klimaatwetenschap bewolking als een onzekere factor beschouwt, en die onzekerheid daarom meeneemt in projecties. Hopelijk zijn deze onderzoeken een kleine bijdrage aan de vermindering van die onzekerheid. Daarmee zouden de onderzoekers al een prestatie van formaat hebben geleverd.

Meer informatie over de vorming van aerosolen en de invloed daarvan op het klimaat is te vinden op Realclimate: in twee blogposts van Bart:
Aerosol formation and climate, Part I
Aerosol effects and climate, Part II: the role of nucleation and cosmic rays

en in:
The CERN/CLOUD results are surprisingly interesting…
Cosmic rays and clouds: Potential mechanisms

7 Reacties op “Zin en onzin over de rol van stofdeeltjes bij het ontstaan van wolken

  1. G.J. Smeets

    Hans,
    dit is er een waar ik stil van wordt.
    Dat wilde ik effe laten weten.

  2. Hans Custers

    Nog wat wolkennieuws.

    In een blogpost van Nicolas Bellouin, verbonden aan de Copernicus Atmosphere Monitor Service, wordt een in augustus te verschijnen onderzoek naar aerosol-wolken interacties aangekondigd. De blogpost levert nogal wat verwarring op (zie bijvoorbeeld de discussie bij HotWhopper en is, vermoedelijk juist daarom, opgepikt door de twijfelbrigade.

    Bellouin schrijft dat hij uitkomt op een aersosol-wolk klimaatforcering van -0,6 W/m2. Onderaan zijn stuk zegt hij dan dat enkele andere deskundigen, waarmee hij heeft gesproken, op een grotere forcering uitkomen: -1,2 W/m2. Waar het verschil ‘m in zit geeft hij helaas niet aan. Nog verwarrender is dat hij schrijft dat het IPCC de forcering op -1 W/m2 schat. Volgens de afbeelding hieronder uit het laatste IPCC rapport zou dat -0,55 W/m2 zijn.

    Wat in elk geval duidelijk is: zowel -0,6 als -1,2 W/m2 liggen ruim binnen de bandbreedte die het IPCC geeft.

    En dan is er nog een artikel van Brient en Schneider in Journal of Climate. Niet over aerosolen, wel over wolken. Zij vinden, op basis van satellietdata, een afname van de lage bewolking boven tropische oceanen bij en stijging van de temperatuur. Dat zou wijzen op een versterkende feedback van bewolking in het klimaatsysteem, waarmee een lage klimaatgevoeligheid minder waarschijnlijk is.

  3. Hans,

    Bellouin schrijft niet dat volgens IPCC de cloud indirect effect -1 W/m2 is, maar dat de meeste klimaatmodellen die orde van grootte uitwijzen. De IPCC schatting zoals in de de figuur hierboven is volgens mij een assessment gebaseerd op modellen en observaties (en staat dus niet per se gelijk aan de uitkomsten van GCM’s).

  4. Judith Curry schreef ook over deze recente nieuwe aerosol studies, en tot mijn verbazing maakt ze daarin voornamelijk valide punten:

    The headline for the CERN press release “CLOUD shows pre-industrial skies were cloudier than we thought” seems quite bizarre and unsupported by their research.
    (…)
    While I agree with their conclusion “Earth is less sensitive to greenhouse gases than previously thought”, I don’t see that their research adds any support to that conclusion.
    (…)
    The bottom line is that by focusing only on a single piece of the puzzle, there is plenty of scope for observational and modeling studies concerning clouds and climate to obtain dramatically high or low values of climate sensitivity. I can only hope that climate scientists studying these problems won’t ‘overplay their hand’ by proclaiming that climate sensitivity is higher or lower based on their latest study of a single puzzle piece.

    Dit ligt dichter bij haar directe onderzoeksexpertise dan waar ze meestal over schrijft, en je ziet dat meteen gereflecteerd in de (naar verhouding tot haar meeste blogs veel hogere) kwaliteit van haar redenatie; hier schrijft ze weer als een wetenschapper.

  5. Hans Custers

    Dank je, Bart. Je hebt gelijk, Bellouin heeft het over modellen en noemt het IPCC niet. Gelukkig had ik zelf al gezegd dat het verwarrend is🙂.

  6. G.J. Smeets

    Hans,
    een verzoek n.a.v. je wolken stuk.
    Afgelopen twee maanden is het hier in de hak van de Ita laars extreem vaak bewolkt geweest, met ongebruikelijk vaak relatief hoge luchtvochtigheid. Ik vraag me af of ik met toeval te maken heb of dat er een verband is met El Nino 2016.
    Heb je een tip?

  7. Hans Custers

    Goff,

    Ik ben niet heel erg thuis in dat onderwerp, maar voor zover ik weet is de invloed van El Niño op het weer in Europa beperkt. Statistische analyses hebben wel wat correlaties aangetoond, zo is in Nederland het voorjaar vaak vrij nat bij een El Niño,

    Wat jij omschrijft doet me denken aan het fenomeen “blokkade”. Dat zou kunnen betekenen dat er een link is met een meandering in de straalstroom, die dan weer samen zou kunnen hangen met de afnemende temperatuurgradiënt tussen tropen en het Noordpoolgebied. Maar het zou ook gewoon het weer kunnen zijn.

    De kennis en informatie die nodig is voor een meer gedetailleerde analyse zal vooral te vinden zijn bij lokale meteorologen.

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