Categorie archief: Atmosferische wetenschap

Nieuw onderzoek maakt lage klimaatgevoeligheid minder waarschijnlijk

climatesensitivity.001

Klimaatgevoeligheid, het lijkt een eenvoudig begrip: de temperatuurverandering als gevolg van een verdubbeling van de CO2-concentratie. De realiteit is een stuk ingewikkelder. Het overzicht van recente publicaties op de internetpagina van de workshop over klimaatgevoeligheid van afgelopen voorjaar geeft een aardig beeld van die ingewikkeldheid. Het grote aantal feedbacks dat op zeer uiteenlopende tijdschalen een rol speelt maakt niet alleen het nauwkeurig bepalen van de klimaatgevoeligheid lastig; ook bij de interpretatie liggen er wat voetangels en klemmen op de loer. Om de risico’s van klimaatverandering voor mens en natuur te bepalen, is bijvoorbeeld het tempo van de verandering, en dus de klimaatgevoeligheid op termijn van ruwweg een eeuw, minstens zo belangrijk als de uiteindelijke opwarming na duizenden jaren. Aan de andere kant: om resultaten van paleoklimatologisch onderzoek te vertalen naar het huidige klimaat, is ook inzicht nodig in langetermijneffecten.

De klimaatwetenschap heeft dan ook verschillende begrippen voor de klimaatgevoeligheid op verschillende tijdschalen. De twee meest gebruikte zijn:

  • Equilibrium Climate Sensitivity (ECS): de temperatuurstijging als het klimaatsysteem na een verdubbeling van de CO2-concentratie weer in evenwicht is. Maar er zit een adder onder het gras. Het begrip ECS komt uit het Charney-rapport uit 1979 – met een beetje goede wil is dat rapport te beschouwen als het begin van de wetenschappelijke consensus (pdf) over de menselijke invloed van het klimaat – en het beperkt zich dan ook tot de feedbacks die in dat rapport werden meegenomen. Feedbacks op geologische tijdschaal, ten gevolge van bijvoorbeeld het smelten van grote ijskappen of veranderingen in de biosfeer, zijn er niet bij ingegrepen. ECS wordt ook wel Charney sensitivity genoemd.
  • Transient Climate Respons (TCR): de opwarming na 70 jaar, wanneer de CO2-concentratie elk jaar met 1% toeneemt. Waarom 70 jaar? Omdat de CO2-concentratie bij een jaarlijkse toename van 1% na 70 jaar is verdubbeld. TCR geeft een indicatie van de klimaatgevoeligheid die voor onze samenleving het meest relevant was: de respons van het klimaatsysteem die we binnen één of enkele generaties kunnen verwachten.

Klimaatgevoeligheid op geologische tijdschaal, met inbegrip van alle trage feedbacks, heet Earth System Sensitivity (ESS). ECS en ESS van elkaar onderscheiden kan lastig zijn. En dan is er ook nog de Effective Climate Sensitivity, een schatting van de ECS op basis van een vereenvoudigd model, die door veel wetenschappers als een schatting van de ondergrens wordt gezien. Ik durf mijn hand er niet voor in het vuur te steken dat deze termen altijd helemaal consequent worden gebruikt. Lees verder

Attributie van hitte en ander extreem weer; een ingewikkelde kwestie

2015Attribution_EuropeanHeatWave_map

Voor niet-ingewijden in de klimaatwetenschap is het misschien een voor de hand liggende vraag: werd de hittegolf in West-Europa van vorige week veroorzaakt door klimaatverandering? Of de hittegolven in India en Pakistan van eerder dit jaar? De overstromingen in Texas en Oklahoma? Of tropische stormen zoals Sandy en Haiyan?

Het simpele antwoord op die vragen: nee, klimaatverandering is niet aan te wijzen als dé oorzaak van extreem weer. Extreme gebeurtenissen, of ze nu met weer te maken hebben of met iets heel anders, kennen zelden één oorzaak. Ze ontstaan door een samenloop van factoren. Als er al één oorzaak aan te wijzen is, dan is dat het toeval dat zorgt voor die samenloop. Klimaatverandering kan één van de factoren zijn die een rol speelt bij een extreme weersituatie. Attributie van extreem weer is dan ook geen welles-nietes kwestie, maar draait om de vraag: met welke mate van zekerheid kan de menselijke invloed op het klimaat aangewezen worden als een factor van betekenis bij extreme weersituaties.

SREX_Fig1-2a

Invloed op temperatuursextremen van een onveranderde, maar wel verschuivende waarschijnlijkheidsverdeling van de temperatuur. Bron: IPCC SREX

De afbeelding hierboven, afkomstig uit het IPCC SREX rapport, illustreert hoe in een heel eenvoudige situatie attributie van een toename van (extreme) hitte en een afname van (extreme) kou mogelijk zou zijn. De eenvoudige situatie is hier een onveranderde waarschijnlijkheidsverdeling – de vorm van de curve – van de temperatuur, die in zijn geheel opschuift langs de horizontale as bij opwarming. Maar zelfs als de wereld zo eenvoudig in elkaar zou zitten zouden er nog complicaties op de loer liggen. Het zou bijvoorbeeld nog niet zo makkelijk zijn om op basis van waarnemingen met grote zekerheid aan te tonen dat de vorm van de curve niet verandert, zeker aan de uiteinden. Extreme waardes komen immers maar weinig voor en dus zijn er relatief weinig waarnemingen. De onzekerheden over de precieze vorm van die curve, in een periode waarin deze blijft verschuiven door de opwarming, zouden waarschijnlijk dus groot zijn. Lees verder

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.

Lees verder

De straalstroom en extreem weer; een vervolgverhaal

Rossby-golven zijn al een tijdje een hevig bediscussieerd onderwerp in de wetenschap. En daarbuiten ook wel een beetje. Buiten de wetenschap wordt daarbij meestal niet letterlijk over Rossby-golven gesproken: het gaat dan meestal over een meanderende straalstroom, of een wandelende polaire wervel. Zelf gebruikte ik dergelijke termen in een blog van enkele maanden geleden, over de rare winter.

monsoon_weather_guide_464_s2

Positie van de straalstroom tijdens de Russische hittegolf van 2010

Bewegingen van lucht en water langs het aardoppervlak zouden een stuk simpeler te begrijpen zijn als de aarde plat zou zijn en niet om zijn as zou draaien. Helaas – voor wie zoals ik van eenvoud houdt – bestaan die complicaties wel. De draaiing van de aarde veroorzaakt het Corioliseffect: de bekende circulatie van (bijvoorbeeld) luchtstromingen rond lagedrukgebieden. De grootte van het Corioliseffect hangt af van de snelheid waarmee het aardoppervlak beweegt en die snelheid varieert dan weer met de breedtegraad: wie op één van de polen staat blijft staan waar hij staat en draait in 24 uur alleen een rondje om zijn as; terwijl iemand op de evenaar met een snelheid van zo’n halve kilometer per seconde (sneller dan het geluid) door de ruimte zoeft. De verandering van het Corioliseffect met de breedtegraad zorgt voor het ontstaan van Rossby-golven.

Het voert te ver om het ontstaan van die golven hier verder uit te werken. Wat vooral van belang is dat het niet zomaar wat slingeringen zijn die wel op een golf lijken. Het zijn echte golven, die beschreven en bestudeerd kunnen worden aan de hand van de wetenschappelijke kennis die er over golven is. Er kunnen bijvoorbeeld staande golven ontstaan en resonantie-effecten optreden. Rossby-golven zijn vooral van belang op de schaal van de zogenaamde synoptische meteorologie: een geografische schaal van ruwweg 1000 km of meer en een tijdsschaal van enkele dagen tot soms wel een maand. De processen op deze schaal bepalen het weer op hoofdlijnen; de weerman die een voorspelling voor het weer van morgen in Apeldoorn, Ammerzoden of Arnemuiden wil doen werpt er enkele blikken op en zoomt dan in op een kleiner schaalniveau.

Een belangrijke luchtstroming op dit schaalniveau is de straalstroom: de wind die op grote hoogte en met hoge snelheid op gematigde breedtegraden van west naar oost waait. De straalstroom ontstaat als gevolg van het temperatuurverschil tussen de tropen en de polen. In de straalstroom zijn Rossby-golven vaak goed zichtbaar. Er wordt dan ook wel gesproken van een meanderende straalstroom. Twee karakteristieken van Rossby-golven kunnen een grote invloed hebben op het weer:

  • Amplitude. Bij een grote amplitude dringt op de ene plek koude polaire lucht ver door in de richting van de evenaar en gebeurt op een andere plek het omgekeerde. Op sommige plekken is het dan dus (veel) warmer dan normaal en op andere plekken (veel) kouder.
  • Golfsnelheid. Dit is vooral relevant wanneer de golfsnelheid heel laag is: grote gebieden hebben dan gedurende lange tijd nagenoeg hetzelfde weer. Afhankelijk van de positie ten opzichte van de golf kan dat weer koud, warm, nat of droog zijn.
jul3_jet

Positie van de straalstroom boven de VS op 3 juli 2014. Meteoroloog Jeff Masters beschrijft op zijn Weather Underground blog het hiermee samenhangende weer: warmte, kou en overstromingen.

Lees verder