Fig. 1 Bron: CERES
Wolken zijn in weer en klimaat belangrijke fenomenen. Niet alleen spelen ze een belangrijke rol in de waterkringloop, maar ook hun rol in de stralingsbalans van de aarde is groot. Ze reflecteren niet alleen zonlicht terug naar de ruimte maar absorberen ook de infraroodstraling die door de aarde wordt uitgezonden en spelen zo een rol in het broeikaseffect. Het vermogen van wolken om zonlicht te reflecteren is overigens gemiddeld sterker dan hun broeikaseffect, wolken hebben dus netto een afkoelend effect op het aardoppervlak.
Fig. 2 Bron: CERES
De bewolking op aarde is niet altijd overal even groot, zoals figuur 2 laat zien. Er zijn gebieden op aarde waar de wolkbedekking gemiddeld gering is. Dat is het geval in beide zones ten N en Z van de evenaar waar permanente hogedrukgebieden voor een vrijwel wolkeloze hemel zorgen. Dat zijn de gebieden van de grote woestijnen op aarde. Verder toont de lucht boven Antarctica een lage wolkbedekking, evenals het N van Groenland. Grote delen van de aarde zijn echter met wolken bedekt. Een wolkeloze aarde zou bijna 20 % méér zonlicht absorberen dan de huidige aarde. Daardoor zou de gemiddelde temperatuur aan het aardoppervlak ongeveer 12 °C hoger zijn dan nu mét wolken. Aan de andere kant absorberen wolken infraroodstraling vanaf het aardoppervlak en stralen een deel ervan weer naar beneden. Daardoor vertragen wolken de snelheid waarmee de aarde kan afkoelen, waardoor het aan het aardoppervlak 7 °C warmer wordt dan zonder wolken. Het netto effect van wolken op de temperatuur aan het aardoppervlak is dus afkoeling van het aardoppervlak met 5 °C. (bron: GISS/NASA).
Fig.3 Bron: Afbeelding van Kerry Dunlop via Pixabay
Dat netto effect op de energiebalans is afhankelijk van de soort bewolking: lage bewolking (figuur 3) heeft netto een afkoelend effect, terwijl hoge bewolking, zoals cirrus, juist een opwarmend effect lijkt te hebben. Doorzichtigheid, wolkhoogte, samenstelling, temperatuur en andere factoren spelen daarbij een rol.
Overigens hebben wolken ook op een andere manier invloed op de temperatuur aan het aardoppervlak: ze spelen een belangrijke rol in de watercyclus. Het aardoppervlak bestaat voor ongeveer 70% uit water, grotendeels oceanen. Op het grensvlak van water en lucht vindt voortdurend verdamping van water plaats. Een deel van het water dat van het oppervlak verdampt condenseert hoger in de lucht tot wolken en valt uiteindelijk als regen of sneeuw.
Fig. 4 Bron: CERES
Figuur 4 toont de stralingsbalans van de aarde. De energiefluxen worden uitgedrukt in W/m2. Wanneer oppervlaktewater verdampt, wordt de warmte die nodig is om vloeibaar water in damp om te zetten geabsorbeerd vanaf het oppervlak en als latente warmte met de waterdamp meegevoerd naar boven. Die latente warmtestroom wordt berekend op -88 W/m2. Daarmee is verdamping de belangrijkste factor voor het afkoelen van het aardoppervlak. De andere factoren zijn LW straling (-398 + 345 = -53 W/m2) en voelbare warmte (-21 W/m2).
Tijdens het opstijgen koelt de lucht adiabatisch af. Omdat het vermogen om waterdamp op te nemen afneemt met de temperatuur zal er op een bepaalde hoogte condensatie ontstaan: er vormen zich wolken. Wanneer waterdamp condenseert tot een wolk geeft het latente warmte af aan de omringende lucht en kan het in de vorm van LW straling alle kanten op getransporteerd worden. Naar beneden gericht zal het een opwarmend effect hebben aan het aardoppervlak. De bovenzijde van de wolk straalt vooral richting ruimte. Bij lage bewolking is de temperatuur aan de bovenzijde van de wolk relatief hoog en kan er daarom veel warmte uitstralen naar de ruimte.
Fig. 5 Bron: ECMWF
Wolken worden van alle klimaatfactoren wellicht het minst begrepen. Dat is heel vervelend want wolken zijn van groot belang voor het aardse klimaat. Uit observaties blijkt dat wolken gemiddeld bijna 2/3 van de planeet bedekken. Oceanen zijn bewolkter dan continenten: iets meer dan 70 % van de lucht boven oceanen is bewolkt, maar iets minder dan 60 procent van het totale landoppervlak is gemiddeld met wolken bedekt. Bijna 1/5 van het continentale oppervlak is wolkeloos, terwijl dat voor minder dan 10 % van het oceaanoppervlak het geval is. Wolken zijn gemiddeld ongeveer 27°C kouder dan het aardoppervlak en reflecteren meer dan tweemaal zoveel zonlicht als het aardoppervlak. Het is dus niet moeilijk om te bedenken dat een kleine verandering in wolkenbedekking grote klimatologische gevolgen kan hebben. Figuur 5 toont de complexe interacties tussen wolken en omgeving.
Fig.6 Bron: CERES
Klimaatmodellen lijken mathematisch bezien op echte klimaten. Ze worden voor een deel gevoed met wat we weten uit observaties. Daardoor zijn de temperaturen en winden in modellen nauwkeurig tot op ongeveer 5%, maar voor wat betreft wolken is de foutenmarge veel groter, tot wel 30% (bron: GISS/NASA).
Dat heeft te maken met het feit dat we nog relatief weinig weten van processen rond wolkenvorming. Bovendien is de schaal waarop die processen zich afspelen vaak vele malen kleiner dan de gridresolutie van de klimaatmodellen.
Een foutenmarge tot 30% is veel te groot om betrouwbare voorspellingen te doen over het gedrag van wolken als gevolg van toenemende hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer. Een verdubbeling van de hoeveelheid kooldioxide (CO2) in de atmosfeer zal de stralingsbalans aan het aardoppervlak naar verwachting met ongeveer 2 % veranderen. Toch zou volgens de huidige klimaatmodellen zo’n kleine verandering de gemiddelde oppervlaktetemperatuur wereldwijd met 1,5°C – 4,5°C kunnen doen stijgen. Als een verandering van 2% zo belangrijk is, dan moet een klimaatmodel, om bruikbaar te zijn, tot op ongeveer 0,25% nauwkeurig zijn. De huidige modellen moeten dus ongeveer honderdmaal nauwkeuriger worden dan ze nu zijn.
Een klimaatmodel bestaat uit vergelijkingen die de interacties weergeven tussen de belangrijkste factoren van het klimaatsysteem. Ze worden vaak gebruikt om te voorspellen hoe een toekomstig klimaat eruit zou kunnen zien bij verschillende scenario’s van broeikasgasemissies, veranderingen in landgebruik, na een grote vulkaanuitbarsting enz.
Fig.7 Bron: Celli et al 2017
De meeste huidige klimaatmodellen voorspellen een positieve terugkoppeling (feedback) van wolken. Dat betekent dat modellenmakers verwachten dat wolken een versterkt broeikaseffect nog verder zullen versterken. Hoewel de modellen het er over het algemeen over eens zijn dat de wolkenfeedback positief is, zijn zij het helemaal niet eens over hoe sterk deze feedback is. Dit komt doordat de processen achter wolkenvorming bijzonder moeilijk in klimaatmodellen kunnen worden weergegeven. Wolken zijn dan ook de belangrijkste bron van onenigheid tussen modellen wat betreft de klimaatgevoeligheid, de stijging van de gemiddelde temperatuur op aarde ten gevolge van een verdubbeling van de CO2-concentratie.
Figuur 7 laat zien dat van 46 onderzochte modellen er 43 uitgaan van een positieve cloud feedback en slechts 3 van een negatieve. Bovendien is de spreiding van de grootte van de feedback opvallend groot. Dat is de oorzaak van het feit dat klimatologen het nog steeds volstrekt oneens zijn over de klimaatgevoeligheid bij verdubbeling van CO2. Ceppi (2017) constateert: “The causes of intermodel spread in cloud feedback are discussed, focusing particularly on the role of unresolved parameterized processes such as cloud microphysics, turbulence, and convection.”.
Unresolved parameterized processes betekent dat er te weinig kennis is om het gedrag van wolken goed te voorspellen. Maar hoe lossen die modellenmakers dit probleem op? Ceppi: “These cloud responses simulated by GCMs are qualitatively supported by theory, high-resolution modeling, and observations.” Met die eerste twee factoren kun je inderdaad alle kanten op (parameterisatie), maar hoe zit het met die observaties?
Fig. 8 Bron: NASA
De belangrijkste observaties met betrekking tot wolken en de stralingsbalans levert het CERES project. Het CERES project (Clouds and the Earth’s Radiant Energy System) van NASA levert sinds 1998 waarnemingen vanaf 5 satellieten over SW en LW straling aan TOA (Top of Atmosphere). Sommige satellieten beschrijven een polaire baan (low-earth), andere bevinden zich in een geostationaire baan. Door gelijktijdige metingen uit te voeren met andere EOS-instrumenten zoals MODIS , kunnen de eigenschappen van wolken worden bepaald.
Hiervoor schreef ik al dat volgens NASA wolken gemiddeld een negatieve feedback (afkoelend) hebben in de stralingsbalans. Verbazingwekkend is het dan ook dat vrijwel alle klimaatmodellen uitgaan van een positieve feedback (opwarmend). Het is daarom nodig te achterhalen waardoor dit cruciale verschil ontstaat.
Figuur 4 toont de stralingsbalans van de aarde . Het is goed te bedenken dat slechts een deel van de getoonde stralingsfluxen gebaseerd is op observaties. Dat zijn met name de fluxen aan TOA, top of atmosphere, namelijk de SW in vanaf de zon, SW out als gevolg van reflecties in het aardse systeem, en LW out. De gemiddelde instraling vanaf de zon op de aarde is tamelijk constant 340 W/m2
Fig. 9 Bron: CERES
Figuur 9 toont de door CERES gemeten SW out en LW out onder all sky conditions. All sky betekent hier dat dit de data zijn zoals gemeten onder de verschillende bewolkingsomstandigheden zoals die zich in de gemeten periode hebben voorgedaan.
Fig. 10 Bron: CERES
De clear sky data van SW out en LW out in figuur 10 zijn verkregen tijdens onbewolkte omstandigheden. Het aardige is dat aan de hand van het verschil tussen de all sky-data en de clear sky data stralingseigenschappen van bewolking berekend kunnen worden. Dat gebeurt aan de hand van de zogenaamde CRE data. Het cloud radiative effect (CRE) is het verschil tussen de stralingsbudgetcomponenten voor gemiddelde wolkencondities en wolkenvrije condities.
Fig.11 Data: CERES
Fig.12 Data: CERES
Figuur 11 laat zien date er een aanmerkelijk verschil is tussen SW out met en zonder wolken. Het verschil (CRE in figuur 12) van gemiddeld 45,7 W/m2 over de periode 2001-2020 wordt dus minder gereflecteerd doordat in een clear sky wolken ontbreken. Dat zorgt voor extra opwarming van het aardoppervlak en de dampkring.
Fig.13 Data: CERES
Fig.14 Data: CERES
Figuren 13 en 14 laten zien dat het effect op LW out van een wolkeloze hemel aanmerkelijk kleiner is. TOA CRE LW out is in de gehele periode gemiddeld 27,9 W/m2. Beide CRE data grafieken laten zien dat het afkoelend effect op het aardoppervlak van de aanwezigheid van wolken veel groter is dan het opwarmend effect.
Rest de vraag hoe het komt dat klimaatmodellen dan toch uitgaan van een netto opwarmend effect van wolken? Hiervoor is al vermeld dat er relatief weinig bekend is over het gedrag van wolken, en dus ook over de vraag wat het effect is van antropogene opwarming op wolken. En juist dat laatste is voor modelmakers van belang. Modelmakers hebben hun toevlucht daarom noodgedwongen moeten nemen tot een theoretische aanpak van de vraagstelling. En dit is de uitkomst: “Global-mean cloud feedback in GCMs results from three main effects: (1) rising free-tropospheric clouds (a positive longwave effect); (2) decreasing tropical low cloud amount (a positive shortwave [SW] effect); (3) increasing high-latitude low cloud optical depth (a negative SW effect).” (Ceppi 2017).
Ondanks de grote onderlinge verschillen tussen de modellen leveren deze 3 hypotheses in bijna alle modellen een positieve feedback op voor wolken. De meetgegevens die het CERES project vanaf 2001 opleverde laten echter duidelijk zien dat een sterk negatieve wolkenfeedback zichtbaar is. Ik ga er van uit dat de modellenmakers niet zullen beweren dat er in de periode 2002-2020 geen sprake was van antropogene opwarming als gevolg van stijgend CO2: het atmosferisch CO2 steeg in de periode maart 2002 t/m december 2020 van 373 ppm naar 414 ppm (bron NOAA).
Het is duidelijk dat vanwege de veelheid aan complexe processen die in klimaatmodellen moeten worden weergegeven waarnemingen van de echte wereld nodig zijn om ervoor te zorgen dat de modellen realistische resultaten opleveren. Als de modellen aanzienlijk afwijken van die waarnemingen, verschaft dit de modelontwikkelaars essentiële informatie over de aspecten van het model die moeten worden verbeterd. De data die met behulp van observaties vanaf maart 2001 door het CERES project beschikbaar zijn geven daar alle aanleiding toe. De klimaatmodellen zullen dan ongetwijfeld realistischer uitkomsten produceren voor wat betreft de klimaatgevoeligheid bij verdubbeling van CO2 dan tot nu toe het geval was.
Tot slot een mooie animatie op basis van CERES data. Het betreft de netto all sky uitstraling aan TOA per uur gedurende een etmaal. De ‘beelden’ zijn afkomstig van een geostationaire satelliet. De aarde staat dus ‘stil’ en het stralingsbeeld beweegt. Waar het nacht is is de stralingsbalans uiteraard negatief (out>in) en zijn de kleuren paars-blauw. Waar de zon de aarde verwarmt is de stralingsbalans positief. Bron: CERES