Klassieke mondiale klimatologie in een notendop

 

Op veler verzoek en vooruitlopend op de publicatie van een speciale door mij geredigeerde klimaateditie van Energy & Environment bij deze mijn samenvatting “Klassieke mondiale klimatologie in een notendop”. 

De aarde ontvangt kortgolvige stralingsenergie van de zon, en aan de top van de atmosfeer (TOA) wordt bij evenwicht de zelfde hoeveelheid energie als langgolvig infrarood weer uitgestraald. De inkomende kortgolvige straling (IKS) verwarmt atmosfeer en oppervlak. De uitgaande langgolvige straling (ULS) koelt de atmosfeer. De IKS is door de scheve stand van de aardas zeer onevenredig over het aardoppervlak verdeeld. Indien er geen atmosfeer met winden en waterdamp aanwezig zou zijn, zou de gemiddelde temperatuur aan de equator het kookpunt van water benaderen, en aan de pool gedurende de nacht, het absolute nulpunt. Dankzij de processen die zich in de atmosfeer afspelen,  wordt de temperatuur aan het oppervlak van de equator tot ca. 30 °C verlaagd en die aan de pool tot ca. – 40 °C verhoogd. 

De koeling aan de equator komt hoofdzakelijk tot stand door verdamping van water, waardoor warmte aan het oppervlak wordt onttrokken. De waterdamp condenseert weer hoger in de atmosfeer (tot wolken) waardoor deze opwarmt. Als we de atmosfeer een ‘broeikas’ zouden noemen, is dit de belangrijkste oorzaak dat de hogere luchtlagen warmer worden dan zonder dampkring, maar deze blijven toch  kouder dan het oppervlak (op 10 km hoogte ca. – 50 °C.) 

De weerverschijnselen verspreiden de warmte over de gehele atmosfeer en de oorzaak dat het aan de polen warmer wordt is toe te schrijven aan de warme winden van equator naar polen.  De waterhuishouding zorgt dus bij oververhitting voor afkoeling, bij onderkoeling voor opwarming, dus de werking van de broeikas is niet eenzijdige opwarming.  Er ontstaat op mondiale schaal een zeer gecompliceerd evenwicht dat vanwege de gecompliceerde weerverschijnselen moeilijk in een dynamisch model is te vangen. Er zijn wel enige waarnemingen waarmee klimaatverandering op mondiale schaal zijn te verklaren. 

Het brede patroon van klimaatveranderingen in de historische periode is in overeenstemming met de hypothese van afwisselende afzwakking en versterking van de atmosferische circulatie, die verbonden zijn met afwisselende poolwaartse en equatorwaartse veranderingen van de windzones. Tijdens perioden met geringe circulatie trekken de westenwinden rond de polen samen en er treden veel anticyclonen op tussen de keerkringen. De winden zijn variabel, de regenval is relatief gering en het klimaat heeft een ‘continentaal karakter’ dat wordt gekenmerkt door koude winters en warme zomers. Als de circulatie sterker is, overheersen de westenwinden. Er treden dan meer stormen op, die tot lagere breedtegraden doordringen. De regenval is heftiger en het klimaat krijgt meer het karakter van een zeeklimaat. Dit was de algemene situatie in het Atlantische gebied, met enkele onderbrekingen na 1200.[1] 

Een bijkomende complicatie is, dat de stralingsprocessen niet beperkt zijn tot de IKS van de zon en de ULS aan de TOA. Het oppervlak van de aarde straalt zelf ook langgolvige straling (IR) uit die hoofdzakelijk door de waterdamp (en de wolken) wordt geabsorbeerd waardoor deze een bijdrage levert aan de opwarming van de dampkring. Echter deze dampkring gaat ook optreden als  IR straler, wat weer een afkoelend effect op de dampkring zelf heeft. De dampkring straalt echter in twee richtingen, zowel opwaarts, richting heelal en neerwaarts richting oppervlak, en op elke hoogte evenveel in beide richtingen. De neerwaartse straling uit de dampkring, nabij het oppervlak, draagt naast de IKS van de zon dus ook bij aan het warm houden van het oppervlak. Dit is dus naast de waterhuishouding, die het oppervlak verkoelt, een tweede effect van de ‘broeikas’ die het oppervlak verwarmt. Echter, het eerste proces (verkoeling) werkt het tweede tegen omdat door een verwarming door het tweede, de waterverdamping snel toeneemt en dit sterker verkoelend gaat werken. 

Een derde complicatie is dat bij de afkoeling van het aardoppervlak niet alleen de waterverdamping is betrokken maar ook de verticale luchtconvectie en bij relatief hoge temperatuur een turbulente stroming die de afmeting van een orkaan kan aannemen, waardoor de gecombineerde stof- en warmteoverdracht sterk wordt versneld. 

 

Figuur 1 De horizontale en verticale hoofdwinden

 

  

Figuur 2 De instraling IKS (geel) en de uitstraling ULS (rood) als functie van de breedtegraad.

 

Het zal duidelijk zijn dat, om tot uitspraken te komen over een verandering van een gemiddelde mondiale temperatuur alle eerder genoemde deelprocessen ook op een mondiale schaal moeten worden gekeken en in het bijzonder hun interacties onder invloed van de gecompliceerde windbewegingen. (Zie figuur 1). Uit het oogpunt van de mondiale stralingsbalans is het ook van belang dat de inkomende straling van de zon (IKS) op geen enkele breedtegraad evenwicht maakt met de uitgaande IR straling (ULS)  aan de top van de atmosfeer . (Met mathematische uitzondering op de breedtegraad waar de twee curven elkaar snijden). De theoretische  beschouwing aan de hand van de werkzame fundamentele natuurwetten van de stralingsprocessen dóór de atmosfeer, waarbij wel lokaal een evenwicht wordt verondersteld,  heeft daardoor een beperkte betekenis. 

Nieuwe inzichten en benaderingen
Een belangrijk ‘nieuw’ inzicht (anno 1965) was het effect dat CO2 in de atmosfeer, op grond van zijn fysische eigenschappen, een invloed zou kunnen hebben op die stralingsprocessen. Het was niet werkelijk nieuw. Tyndall verrichtte al in 1861 experimenten waarmee hij aantoonde dat ook met name methaan en CO2 een bijdrage aan de processen zouden kunnen leveren. Op grond hier­van veronderstelde  Arrhenius in 1896 dat CO2 een belangrijke invloed zou hebben op de temperatuurvariaties tijdens ijstijden en interglacialen. Diens argumentatie werd rond  1900 door Ångström weerlegd. In the encyclopeadia Britannica 1932 en 1964 wordt er dan ook geen melding van gemaakt. In de eerst genoemde wordt zelfs een auteur aangehaald die stelt dat bij de heersende CO2 concentratie in de atmosfeer deze bij verhoging niet veel méér IR bij zijn specifieke golflengten kan absorberen dan het reeds doet. Voor de gangbare opvattingen over klimaatverandering (zie voorgaande box) bestond er tot 1965 eenvoudig geen CO2 effect. 

Dankzij de ontwikkeling van de moderne rekentuigen kon men beginnen met het kwantificeren, door simulatie, van de in de box en figuur 1 weergegeven processen. In deze zogenaamde ‘General Circulation Models’ (GCM)[2] wordt gebruik gemaakt van de bekende fundamentele natuurwetten. Waarbij, volgens genoemde aanhaling, echter de werking van de tweede hoofdwet van de thermodynamica  (het streven naar maximale entropieproductie) nog onderbelicht blijft.[3] De modellen leidden in ieder geval wel tot verbetering van de weersvoorspelling op korte termijn. Gezien het feit dat deze toch nog steeds geen week vooruit kan kijken, blijkt hun beperking om klimaatsveranderingen op iets langere termijn  te simuleren. De oorzaak is dat men in de modellen, wel de belangrijkste fundamentele fysische krachten geïsoleerd verwerken kan, maar niet op mondiale schaal, de wisselvallige incidentie van de weerverschijnselen, die volgens de klassieke klimatologie van groot belang zijn voor het produceren van een mondiale klimaatconditie. 

Kritiek op recente benaderingen
Hiermede staat de waarde van de GCM’s voor het voorspellen van klimaatverandering ten principale ter discussie. Maar de kritiek gaat dieper wat betreft de input aan fundamenteel werkzame fysische krachten. Van Andel vat dit als volgt samen[4]. 

De voornaamste foute aannamen [positive feedbacks] in de klimaatmodellen zijn de volgende drie: 

  1. er komen minder wolken als het warmer wordt, en dan wordt het nog warmer
  2. de toename van de Hadley cycle is klein, zelfs negatief in sommige modellen, dus de koeling neemt relatief af bij warmer worden, waar door het nog warmer wordt. (Voor toelichting op de Hadley cell, zie hieronder)
  3. de relatieve vochtigheid verandert niet, waardoor er bij warmer worden meer waterdamp, ook in de hogere atmosfeer, kan blijven, waardoor de uitstraling extra gehinderd wordt en het nog warmer wordt

Hierdoor wordt het berekende effect van de vermeerderde CO2 veel groter Er heerst eenstemmigheid over een 1.1 ºC tengevolge van de verminderde uitstraling bij een CO2 concentratieverdubbeling. Maar door deze drie versterkende factoren in de modellen wordt de opwarming van de aarde  veel groter, van 2…6 ºC. Er is zelfs sprake geweest van een tipping point, waardoor de opwarming niet meer teruggeregeld wordt en alle leven uitsterft. 

Deze extreme klimaatgevoeligheid, niets minder dan een rampscenario, is de reden waardoor deze modellen een zo grote aandacht hebben gekregen. En ook de reden voor ruime budgetten voor het lanceren van klimaatsatellieten om metingen te doen naar de energiebalans van onze atmosfeer, waardoor er nu toch het besef doordringt dat men wat meer belang moet hechten aan metingen en wat minder aan modellen. 

De satelliet metingen wijzen op een klimaatgevoeligheid van 0.2…..0.5 ºC tengevolge van een CO2 verdubbeling. Die gevoeligheid is zo klein, dat hij niet te onderscheiden is van andere effecten, zoals meer of minder wolk condensatie kiemen en zich verleggende zeestromingen. 

Het alternatieve beeld dat Van Andel op grond van zijn literatuurstudies schets hoe de aarde haar oppervlaktetemperatuur binnen grenzen houdt, is het volgende. 

Wolken
Met uitzondering van de 10% droge woestijngebieden is het oppervlak van de aarde overal in staat water te verdampen. Boven de zee, boven vegetatie, zelfs ‘s zomers boven het ijs in de poolgebieden. Als de zon het oppervlak aanstraalt, wordt dat overdag warmer en zal dit water gaan verdampen. Zodra de temperatuurgang van het oppervlak naar boven een bepaalde waarde overstijgt, theoretisch 9.8 ºC per kilometer, wordt de atmosfeer instabiel en komt er een verticale convectie op gang. Als die opstijgende luchtkolom groot genoeg is, zal de opstijgende lucht onder zijn dauwpunt komen en er vormt zich een wolk. Door die wolk dringt het zonlicht niet meer tot het oppervlak door, maar wordt weerkaatst aan de witte bovenkant van de wolk. 

Dat is de eerste temperatuurregeling. 

De aarde heeft een wolkbedekking van ongeveer 60 %, en zit dus in het midden van haar “regelbereik”. Dat is niet altijd zo geweest; 3 miljard jaar geleden was de jonge zon 30% zwakker, maar doordat er dan zoveel minder wolken ontstaan, is de aarde in die tijd, waarin het ééncellige leven is ontstaan, niet veel kouder geweest dan nu. 

Koeling door verdamping
Het verdampende water, en in mindere mate ook de warme opstijgende lucht, neemt warmte mee vanaf het oppervlak naar kilometers hoogte, waarvandaan die warmte gemakkelijker als infrarode straling naar de ruimte kan ontsnappen. 

Dat is de tweede temperatuurregeling. 

Die lucht moet natuurlijk ook weer naar beneden stromen, maar dan in een koudere en veel drogere toestand. Dat gebeurt tussen de wolken door, maar ook in veel grotere gebieden, de woestijngordel, en in hogedrukgebieden in onze klimaatzone, met mooi weer en weinig wind. Verreweg de grootste “koelmachine” is de zogenaamde Hadlycyclus: De Oostelijke passaatwinden stromen toe naar de Intertropische Convergentiezone, waar de over de oceanen en regenwouden verzamelde warme en vochtige lucht opstijgt en zich ontlaadt in dagelijkse tropische regenbuien. Die convectietorens zijn 15 km hoog, aan de bovenkant dus zeer koud, waardoor de lucht daar extreem koud en droog wordt. Die lucht daalt dan voorts weer in de woestijngordel naar beneden, waar ze aan het wateroppervlak weer vocht kan opnemen, maar boven land voor een woestijnklimaat zorgt. 

Koeling door uitdroging van de hogere atmosfeer
Het blijkt uit weerballonmetingen dat hoe sterker die natte convectie is, hoe droger de weer naar de aarde neerdalende lucht wordt. Zo is tijdens de opwarming van 1975-2000 de vochtigheid in de bovenste luchtlagen 10 tot 20% gedaald. Dit dalen van de hoeveelheid waterdamp heeft een zeker zo groot effect op de uistraling naar het Heelal dan de toename van de CO2 in die periode. 

Dat is de derde temperatuurregeling. 

Verhoogde CO2 heeft vooral effect in de hogere luchtlagen, waar door de lage temperatuur bijna al het water vloeistof of ijs is geworden en de lucht als neerslag heeft verlaten. CO2 condenseert niet, en heeft dus overal dezelfde concentratie. 

Satellietmetingen
De drie temperatuurregelingen zijn de laatste decennia overtuigend vastgesteld door de satellieten CERES, ERBE, AQUA, die speciaal voor dit doel werden gelanceerd. Het heeft wel even geduurd voordat ze in de literatuur ook doordrongen, omdat ze zo sterk afwijken van wat daarvoor in de klimaatmodellen was verondersteld. Nog steeds worden de metingen niet geloofd door degenen die zoveel van hun carrière besteed hebben in het opstellen van klimaatmodellen om de invloed van CO2 op ons klimaat vast te stellen. 

Klimaatverandering in de 20ste eeuw
Veranderingen van enkele tienden ºC zijn bewijsbaar gevolg van regelmatig wisselende zeestromingen, waardoor de ventilatie van koude diepzee naar warm oppervlaktewater verandert. De bekendste is de El Nino Southern Oscillation. Door de passaatwind wordt het warme oppervlaktewater in de tropische Stille Zuidzee naar het westen geblazen, en moet dus worden aangevuld met water langs de westkust van Zuid Amerika, dat uit de diepte komt, koud is en veel nutriënten bevat, zeer ten gerieve van de visvangst langs die kust. Maar soms is die opwellende stroom er niet, met Kerstmis zien en ruiken de vissers dat aan de zee, die minder blauw is. Dit voor de vissen en vissers rampzalige Kerstkind [El Niño] duurt vaak een jaar. De hele tropische Pacific wordt warmer, de warmteoverdracht door natte convectie naar hogere breedte neemt toe en de globale temperatuur stijgt met soms een halve ºC. Het warme jaar 1998 is een voorbeeld. Nu is het zo dat perioden van enkele decennia met een frequente El Nino [1980-2000] zich afwisselen met perioden met infrequente El Nino [1960-1980]. Die frequentie kan je uitdrukken in een getal, de SOI of Southern Oscillation Index, en die blijkt goed te correleren aan de globale temperatuur. 

Hetgeen die vissers al millennia weten, is niet opgenomen in de klimaatmodellen, want het heeft niets te doen met CO2. [Einde aanhalingen van Van Andel] 

Samenvatting van de stand van de wetenschap
Mijns inziens, we weten het allemaal nog niet zo precies hoe robuust het aardse mondiale klimaat nu werkelijk is. Maar het lijkt mij duidelijk dat de hedendaagse klimatologen die de IPCC wijsheden verkondigden, onvoldoende gebruik hebben gemaakt van de klassieke klimatologische inzichten, met name van de opvatting dat de atmosfeer als broeikas ook als koelkast functioneert. 

En voorts, dat uitsluitend vasthouden aan een beperkt aantal primaire fysische beginselen om met GCM’s klimaatverandering te beschrijven, met negeren van de primaire meteorologische beginselen, een rem is op de verdere ontwikkeling van de klimatologische wetenschap. En wat de primaire beginselen betreft, dat de uitwerking van de tweede hoofdwet, onderbelicht is gebleven. (Zie voetnoot 3)  Deze wet is de grondslag voor eerder genoemde derde temperatuur regeling (van de atmosfeer), die niet direct afhankelijk is van de oppervlaktetemperatuur. Het proces stuurt daardoor de uitstraling aan de top van de atmosfeer, streeft daarbij naar een maximum stroom richting heelal (maximale entropieproductie) door de verandering van de waterhuishouding ter plaatse. 


[1] Ontleend aan Encyclopaedia Britannica 1964, vol. 5, 914-927 

[2] D.A. Randall ed. “General Circulation Model Development  (AP 2000) 

[3] In voetnoot 2, Hoofdstuk 22. D.R. Johnson “Entropy, the Lorenz Energy Cycle, and Climate” . Sectie IV: : The classical concept of the Carnot Cycle amd the driftless climate state”. 

[4] Overgenomen uit het manuscript voor een boek “De staat van het klimaatonderzoek 2010. Een kijk van buitenaf op controversiële wetenschapsbeoefening.”

Print Friendly, PDF & Email