Overgenomen van Klimaatgek.nl

De hoeveelheid zonne-energie die de aarde tussen juni 2000 en mei 2024 verwarmde, is met 2,24 W/m2 gestegen. Die stijging is vooral het gevolg van een afname van het wolk-effect in deze periode. Wolken worden meestal niet gezien als een externe forcering, maar als deel van het klimaatsysteem. Hun stralingseffecten maken deel uit van de interne aanpassingen van het klimaat. Daarbij is het belangrijk hoe wolken van verschillende types het energiebudget en daardoor de temperatuur kunnen beïnvloeden. Maar ook meer kennis van wolkvorming op microniveau zal in de toekomst meer duidelijkheid moeten brengen over de rol van wolken. CO2 speelt in dit verhaal nauwelijks een rol van betekenis.

Het is al enkele decennia mogelijk om met behulp van satellieten de energiestraling die de aarde binnenkomt en verlaat nauwkeurig te meten. Dat gebeurt sinds maart 2000 in het CERES programma, ik heb daar al vaker over geschreven.

Fig.1   Bron: CERES

Die CERES data zijn in twee groepen te verdelen: de directe metingen aan de top van de atmosfeer (TOA) en de afgeleide data aan het aardoppervlak. Ik beperk me hier tot de eerste groep, waarvan de data mijns inziens betrouwbaar zijn. Dat betreft het bovenste deel van de energiebalans van figuur 1, de TOA. Dat deel bestaat uit SWin (binnenvallend zonlicht), SWout (uitgaand gereflecteerd zonlicht) en LWout (uitgaand langgolvige straling, warmtestraling).

SWin -SWout is dat deel van SWin dat daadwerkelijk door het aardse systeem wordt geabsorbeerd en wordt ook wel netto SWin genoemd. Het aardse systeem is hier de aarde en het stuk tussen aardoppervlak en TOA, de dampkring. Van de aarde doet in de energiebalans alleen dat deel mee dat daadwerkelijk onderdeel is van die energiebalans, dus de oceaanbekkens (gemiddeld ongeveer 4 km diep) en de continenten (tot een diepte van 1 a 2 meter). Uitwisseling van energie vanuit de diepere aarde wordt geschat op < 0,5 W/m2 en wordt hier gemakshalve genegeerd.

Fig.2   Bron: TUDelft

De zon straalt kortgolvige straling uit, de aarde absorbeert die energie en wordt daardoor warm. Op zijn beurt straalt de aarde daardoor energie naar buiten uit. Omdat de temperatuur van de aarde veel lager is dan de buitenzijde van de zon straalt de aarde energie uit in de vorm van langgolvige straling, warmtestraling. Voor de hoeveelheid energie die de aarde ontvangt en zelf uitstraalt maakt dat niets uit: de aarde ontvangt op langere termijn net zoveel energie als hij uitstraalt: ‘What comes in must go out’, de populaire vertaling van de Eerste Wet van de Thermodynamica.

Inkomende kortgolvige straling
In figuur 1 is te zien dat de inkomende zonnestraling (Incoming Solar Radiation) 340 W/m2 is. De cijfers in de figuur geven de gemiddelde waarden aan voor de periode juli 2005 t/m juni 2015. Van die inkomende zonne-energie wordt echter 99 W/m2 gereflecteerd zodat er nog 241 W/m2 overblijft om het aardse systeem (land, oceaan, atmosfeer) te verwarmen. De uitgaande langgolvige straling is volgens de figuur 240 W/m2, zodat er sprake is van een lichte onbalans. Volgens figuur 1 is die onbalans ongeveer 0,71 W/m2 voor de periode juli 2005 t/m juni 2015. In de figuur is de energie die binnenkomt aangegeven met een + en wat eruit gaat met een – teken. Er werd dus in de gegeven periode iets meer energie geabsorbeerd dan uitgestraald.

Fig.3   Data: CERES

In figuur 3 zijn de net SWin (zonlicht) en LWout (warmtestraling) aan de TOA weergegeven van  juni 2000 t/m mei 2024. De lineaire trendlijnen van zowel netSWin als LWout stijgen, en het verschil tussen beide trendlijnen wordt in de loop van deze periode wat groter. Nu is het niet vreemd dat er een verschil is tussen inkomende en uitgaande straling (later hierover meer), maar de toename van het verschil is opvallend en koren op de klimaat-alarmistische molen (want een bewijs van klimaatverandering door de mens).

Om te zien wat er aan de hand is moeten we wat dieper in de CERES data duiken.

Fig.4   Data: CERES

Figuur 4 geeft het verloop van de aan de TOA inkomende kortgolvige straling weer van juni 2000 t/m mei 2024. Eigenlijk beginnen de data al in maart 2000, maar omdat er seizoenschommelingen zijn en ik graag een lineaire trend wil berekenen kort ik de totale periode iets in om  een meervoud van 12 maanden te verkrijgen.

Het eerste dat opvalt is dat de SWin niet ‘netjes’ 340 W/m2 is maar een jaarlijkse schommeling toont van minder dan 330 W/m2 tot meer dan 350 W/m2. Dat is des te opvallender omdat de uitstraling van de zon tamelijk lineair is:

Fig.5   Data: De Witte et al 2022

Figuur 5 toont de Total Solar Irradiance (TSI) op een denkbeeldig oppervlak van 1x1m op een constante gemiddelde afstand zon-aarde. Te zien in de grafiek is de 11-jarige cyclus van Schabe; de verschillen zijn gemiddeld klein en schommelen in de aangegeven periode rond de 1363 W/m2 .  De jaarlijkse verschillen die figuur 4 laat zien zijn echter groter dan 10 W/m2 (rond een gemiddelde van 340 W/m2) en zijn het gevolg van de excentriciteit van de baan van de aarde rond de zon. De hoogste waarden van SWin worden bereikt rond januari, als de afstand tot de zon het kleinst is. Door het bolvormig oppervlak van de aarde en de draaiing van de aarde rond zijn as is de SWin gemiddeld TSI/4.

Fig.6   Data: CERES

Figuur 6 toont de gemeten gereflecteerde SWout. Dat zijn reflecties van wolken, aerosolen, atmosfeer, en aardoppervlak. De gemiddelde waarde van SWout in de gemeten periode is 98,94 W/m2. Opvallend is de daling van deze SWout in de weergegeven periode. Een daling van de SWout betekent dat er meer zonlicht overblijft om de aarde te verwarmen.

Fig.7   Data: CERES

Bovenstaande grafiek toont de netto SWin, dat is de SWin minus dat deel dat gereflecteerd wordt. De lineaire trend laat zien dat de hoeveelheid zonne-energie die de aarde tussen juni 2000 en mei 2024 verwarmt  met maar liefst 2,24 W/m2 gestegen is! Dat is ruim 2x de geschatte toename van de forcing door gestegen CO2 sinds 1979 (NOAA)!

Ik was benieuwd of bovenstaande vooral het gevolg is van een afnemende bewolking voor de aarde als geheel, zoals ik al in Nederland en Europa had gezien in de metingen (zie hier). Daar kunnen we achter komen met de CERES data. DE CERES satellieten die de straling aan de TOA meten houden namelijk ook bij of er sprake is van zogenaamde clear sky condities.

Als deze wolkenvrije omstandigheden worden beschouwd als de atmosfeer bij afwezigheid van wolken, dan is het verschil  tussen het wolkenvrije stralingsbudget (clear sky)en het gemiddelde van álle gemeten dagen (net SWin) het effect van wolken op het stralingsbudget. Dit cloud radiative effect (CRE) van de kortgolvige straling is het verschil tussen de uitgaande straling (SWout) aan de bovenkant van de atmosfeer en wat de netto straling zou zijn als de wolken zouden worden verwijderd uit de atmosfeer (SWout clear) en al het andere ongewijzigd zou blijven. Ik heb het berekend en het ziet er zo uit:

Fig.8   Data: CERES

Figuur 8 toont het CRE aan de kortgolvige zijde van de energiebalans. Het gemiddelde effect van wolken op de kortgolvige straling in de genoemde periode is 45,63 W/m2, de daling over de gehele periode is 1,04 W/m2. Bedenk dat een afname van het kortgolvige CRE (=minder wolken) een toename betekent van de hoeveelheid door het aardse systeem geabsorbeerde zonne-energie.

De reflectiewaarde van het aardoppervlak is opvallend constant met ~23 W/m2. Nu we weten dat het wolkeffect op de net SWin ~46 W/m2 groot is (SWout bij figuur 6) kunnen we berekenen hoe groot de reflectiewaarde is van aerosolen en atmosfeer (zonder wolken). Dat is 99 (SWout) – 46 (CRE kortgolvig) – 23 (aarde) = 30 W/m2. In figuur 1 wordt dat weergegeven als ‘Reflected by Atmosphere’. Wolken zijn dus aan de kortgolvige zijde van de energiebalans de belangrijkste reflector.

Uitgaande langgolvige straling

Fig.9   Data: CERES

Figuur 9 toont de uitgaande langgolvige straling aan TOA. Figuur 7 toonde de net SWin, het deel van het zonlicht dat geabsorbeerd wordt en daadwerkelijk de aarde verwarmt. Doordat de aarde opwarmt gaat hij ook straling uitzenden, langgolvige of IR (infrarode) straling. De gemiddelde temperatuur van de aarde wordt bepaald door absorptie van de  inkomende kortgolvige straling. Die temperatuur bepaalt op zijn beurt de intensiteit van de uitgaande langgolvige straling (LWout). Het verband tussen temperatuur en straling wordt gegeven door de Wet van Stefan-Boltzmann:

M= Ɛ . ơ . T4

waarbij M de uitgestraalde energie is in W/m2, Ɛ de emissiviteit van de bron (aarde ~1),  ơ de Stefan-Boltzmann constante is  (5,670373·10-8 ) en  T4 de temperatuur tot de macht 4 in K.

Figuur 9 toont de LWout met seizoenschommelingen. De gemiddelde LWout is ongeveer 240 W/m2 (zie ook figuur 1). Met behulp van bovenstaande Wet van Stefan-Boltzmann kunnen we berekenen dat de temperatuur van de aarde ongeveer -18 °C is. Met ‘aarde’  bedoelen we hier het aardoppervlak plus atmosfeer. Dat we aan het aardoppervlak veel hogere temperaturen meten (gemiddeld 15 °C) komt door het broeikaseffect van wolken en broeikasgassen, waarvan waterdamp verreweg de belangrijkste is. Die hogere broeikastemperaturen aan het aardoppervlak worden hoger in de atmosfeer ‘gecompenseerd’ door zeer lage temperaturen  op de grens van troposfeer en stratosfeer (10-15 km hoogte).

Het is al genoemd: wolken gedragen zich als broeikasgassen, ze absorberen LW straling en zenden dat in alle richtingen uit, ook richting aarde. Om de grootte van het effect van wolken op de LWout te berekenen doen we hetzelfde als bij SWin. We maken weer gebruik van de clear sky data van CERES. Als deze clear sky omstandigheden worden beschouwd als de atmosfeer bij afwezigheid van wolken, dan is het verschil  tussen het wolkenvrije stralingsbudget (clear sky)en het gemiddelde van de metingen over alle dagen (bewolkt en onbewolkt) (LWout) het effect van wolken op het langgolvige stralingsbudget. Dit cloud radiative effect (CRE) van de langgolvige straling is het verschil tussen de uitgaande straling (LWout) aan de bovenkant van de atmosfeer en wat de LW straling zou zijn als de wolken zouden worden verwijderd uit de atmosfeer (LWout clear) en al het andere ongewijzigd zou blijven. Ik heb het berekend en het ziet er zo uit:

Fig.10   Data: CERES

Het gemiddelde effect van wolken op de langgolvige straling in de genoemde periode is 27,81 W/m2, de daling over de gehele periode is 0,89 W/m2. Een afname van het langgolvige CRE (=minder wolken) betekent een toename van de hoeveelheid door het aardse systeem uitgezonden langgolvige straling. Dat dat klopt is te zien aan de licht stijgende lineaire trendlijn in figuur 9. Er is sprake van een toename met 0,59 W/m2 gedurende de gehele periode van 2000-2024.

Balans uit evenwicht

Fig.11   Data: CERES

We zagen al dat in figuur 3 in de periode 2000-2024 de trend van de net SWin hoger ligt dan die van LWout, en dat netSWin sneller toeneemt dan LWout. Om het wat zichtbaarder te maken is in figuur 11 gebruik gemaakt van 13-maands voortschrijdende gemiddelden. Van een perfecte balans van 1 op 1 is geen sprake, maar dat is niet vreemd.

Zowel de netSWin als de LWout doorlopen hun weg door de atmosfeer vrijwel zonder vertraging.  Dat wordt anders zodra de kortgolvige straling het aardoppervlak raakt.

Fig.12   Bron: Bertrand et al 2015

Figuur 12  toont het verloop van de bodemtemperatuur op verschillende diepten gedurende 2 etmalen op het KMI station Humain. Op 0 cm diepte verloopt de temperatuur overdag vrijwel gelijk aan de instraling. Naarmate de diepte toeneemt neemt de maximum temperatuur af, en tegelijk zie je de top naar rechts verschuiven. Op 20 cm diepte ligt de top rond 21:30 uur, 9 uur later dan het moment van maximum instraling. Op diepte van 100 cm lijkt er geen invloed meer van opwarming, maar dat is schijn:

Fig.13   Data: KNMI

Figuur 13 laat het verloop van de bodemtemperatuur op een diepte van 100cm in De Bilt (2010) zien. Door nu het verloop gedurende een jaar te bekijken is duidelijk dat de bodemtemperatuur op 100cm diepte een jaarlijkse cyclus kent. De vertraging ten opzichte van de instraling is hier opgelopen tot ruim een maand.

Als we even afzien van transport door grondwater, dan ontsnapt de in de bodem opgeslagen warmte vroeg (0 cm) of laat (100cm) aan het oppervlak. De bodem buffert dus energie en vertraagt daardoor de werking van de energiebalans van de aarde. Dat geldt in versterkte mate voor oceanen, waar vanwege de fysische eigenschappen van water het bufferend vermogen veel groter is dan van de bodem. Dat heeft niet alleen te maken met de diepte waarop warmte wordt opgeslagen, maar ook met de aanwezigheid van zeestromen, die soms een cycliciteit hebben van eeuwen. Bedenk ook dat oceanen 71 % van het aardoppervlak uitmaken. Het overschot aan inkomende energie wordt voor het overgrote deel opgeslagen in de oceanen die die energie bufferen van enkele milliseconden tot vele eeuwen.

Als je je dit allemaal realiseert is het een wonder dat de energiebalans aan TOA vrijwel sluitend is. Over de hele periode juni 2000 t/m mei 2024 is het verschil tussen netSWin en LWout minder dan 1 W/m2.

Om een en ander overzichtelijk te maken in de stralingsbalans vergelijk ik tot slot de eerste 60 maanden van de periode juni 2000 t/m mei 2024 met de laatste 60 maande en plaats de energetische gegevens in een tabel:

Fig.14   Data: CERES

In de tabel neemt de netSWin toe met ~1,5 W/m2. Dat is niet alleen het gevolg van minder wolken maar ook van het feit dat de netSWin in clear sky ook toegenomen is met ~0,5 W/m2. De albedo van wolken is afgenomen van 14,4% tot 13,9%, die van clear sky is nagenoeg gelijk gebleven. De totale albedo van de planeet is in de periode gedaald van 29,3% naar 28,8%.

Fig.15   Data: CERES

Tot slot laten de CERES data zien dat  de wolken bedekkingsgraad vanaf juni 2000 afgenomen is. Die afname is niet spectaculair maar speelt wel een rol in de stralingsbalans.

Lage, dikke wolken reflecteren grotendeels zonnestraling en koelen het aardoppervlak af. Hoge, dunne wolken zoals cirrus zijn grotendeels transparant voor kortgolvige straling.  Tegelijk zijn ze beter in het absorberen van langgolvige straling en spelen dus een rol in de opwarming van de aarde. Hoge convectieve wolken zoals die veel voorkomen rond de evenaar worden geacht neutraal te zijn. Of een wolk vooral verwarmt of vooral afkoelt hangt af van verschillende factoren, zoals de hoogte van de wolken de grootte en samenstelling van de deeltjes waaruit de wolk bestaat.

Uit de gegevens blijkt allereerst dat de invloed van wolken (CRE) aan de kortgolvige kant bijna 2x zo groot is (~45 W/m2)  als aan de langgolvige kant (~28 W/m2). Daarmee lijkt het debat of wolken al of niet meer afkoelen dan opwarmen wel beslecht.

Conclusie: de hoeveelheid zonne-energie (netSWin) die de aarde tussen juni 2000 en mei 2024 verwarmde is met 2,24 W/m2 gestegen  (figuur 7). Die stijging is vooral het gevolg van een afname van het wolk-effect in deze periode. De output van langgolvige straling (LWout) is in dezelfde periode met 0,59 W/m2 toegenomen (figuur 9 ) als gevolg van extra opwarming door de toegenomen instraling, maar óók door de afname van het wolk-effect aan de langgolvige zijde van de balans. De toename van de energetische onbalans aan TOA is waarschijnlijk het gevolg van buffering van de toegenomen inkomende energie.

Wolken worden meestal niet gezien als een externe forcering, maar als deel van het klimaatsysteem. Hun stralingseffecten maken deel uit van de interne aanpassingen van het klimaat. Daarbij is het o.a. belangrijk hoe wolken van verschillende types het energiebudget en daardoor de temperatuur kunnen beïnvloeden. Maar ook meer kennis van wolkvorming op microniveau zal in de toekomst meer duidelijkheid moeten brengen over de rol van wolken. CO2 speelt in dit verhaal nauwelijks een rol van betekenis.