Je kent ze wel: de debatten over het klimaat. Zijn we als mens nu hoofdverantwoordelijk of is klimaatverandering door de mens ‘nepnieuws’? Of is er nog een middenweg?

Klimaatverandering is een ‘verhit’ onderwerp geworden en we bevinden ons dan ook al snel op ‘glad ijs’. Om verwarring over de intentie van dit artikel te voorkomen, zeggen we allereerst dan ook dat we, net zoals een groot deel van de wetenschappers, de overtuiging hebben dat de mens op dit moment een prominente rol speelt in de opwarming van de aarde. Dit komt doordat we teveel broeikasgassen (zoals CO2 en methaan) in de atmosfeer brengen. Het probleem is alleen dat we nog niet precies weten hoe groot de door de mens veroorzaakte invloed op het klimaat is, omdat er nog een heleboel andere invloeden zijn: vulkanische uitbarstingen, beweging van tektonische platen, El Niño-Zuidelijke-Oscillatie, Milankovitsch Cycli, ozon, natuurlijke broeikasgassen, maar ook de invloed van de zonneactiviteit. In de afbeelding hieronder tonen we een grafiek uit 2010 (van NASA), waarin de menselijke invloed tegen de natuurlijke invloed wordt uitgezet. Hier wordt weergegeven hoe de menselijke invloed zich verhoudt tegenover de natuurlijke invloeden. Het lijkt hier overduidelijk dat alleen de door mens veroorzaakte invloed voor een verwarmend effect zorgt. Toch zijn er fysici die beweren dat natuurlijke klimaatveranderende processen een grotere invloed hebben dan gedacht (zonder de menselijke invloed uit te hoeven sluiten). Met name de zonneactiviteit zou een grotere invloed op de aardse temperatuur kunnen hebben. Dit idee is al vrij oud, maar ondervond pas serieuze aandacht rond de afgelopen milleniumwisseling. We zullen hier in dit artikel dieper op ingaan.

Figuur 1: Grafiek die temperatuursveranderingen weergeeft, gebaseerd op NASA’s aardobservaties. De rode curve staat voor de menselijke invloed op de veranderende temperatuur en de blauwe curve voor de niet-menselijke (natuurlijke) invloed. De grote dips in de blauwe grafiek zijn veroorzaakt door vulkaanuitbarstingen die een verkoelende invloed hebben. Bron: NASA Earth Observatory.

Correlatie
Dat er een correlatie is tussen de zonneactiviteit en het weer op aarde is al een vrij oud idee. In 1801 was er de astronoom William Herschel die opmerkte dat er een anticorrelatie was tussen de prijs van graan en het aantal zonnevlekken. Vervolgens zijn er veel studies geweest die keken naar de relatie tussen het aantal zonnevlekken en temperatuur, onweer, droogte, atmosferische circulaties, etc. Pas later kwam men er achter waarom deze zonnevlekken de activiteit van de zon weergeven.

Zonnecyclus
De zon maakt een 11-jarige cyclus door, waarin deze een activiteitsmaximum en -minimum bereikt. Dit worden respectievelijk het zonnemaximum en zonneminimum genoemd. Daar moeten we wel bij zeggen dat de interne klok van de zon niet altijd zo exact is om deze 11 jaar precies aan te houden. Zonnevlekken zijn plekken waar het magnetisch veld op de zon zelf afgenomen is en waardoor de temperatuur hier veel lager ligt dan in de omgeving. Dit is een indicatie dat de zon actiever is. De zon is geen massieve bol, maar een bol plasma en spuwt continu een zonnewind uit. Rond een zonnemaximum is de zonnewind sterker dan anders en dit beïnvloedt ons aardmagnetisch veld, maar ook het magnetisch veld dat de zonnewind met zich meedraagt is dan groter. Dit zorgt ervoor dat we beter beschermd worden tegen kosmische straling. In het geval van het effect waarin we voor nu geïnteresseerd zijn, gaat het dan specifiek over kosmische straling met een grote energie: galactische kosmische straling. Dit wordt in het Engels afgekort door GCR. De oorsprong van deze GCR is naar alle waarschijnlijkheid supernova’s en andere extragalactische bronnen. De intensiteit van GCR op aarde varieert ongeveer 15% over een zonnecyclus (5% op de evenaar en 50% aan de polen).

Correlatie: wolken, kosmische deeltjes en zonnestraling. Afbeelding: K.S. Carslaw et al. (2002). “Cosmic Rays, Clouds, and Climate”. Atmospheric Science, Science’s Compass, vol 298.

De directe invloed van GCR op het klimaat is klein. Het gaat dan ook in dit geval om het indirecte effect van de GCR. Er lijkt namelijk een correlatie te zijn tussen de GCR en lage wolken. Dit idee werd voor het eerst voorgesteld door Svensmark en Friis-Christensen in 1997. Zij baseerden zich op data van het ‘International Satellite Cloud Climatology Project’ (ISCCP). De ISCCP zijn stralingsmetingen van polaire en geostationaire satellieten. Uit deze data kan een correlatie zoals hierboven getoond worden afgeleid. Hier zien we dat een toename in zonnestraling en GCR gecorreleerd is aan een toename in lage wolken. Het verschil in hoge en lage wolken is dat hoge wolken een verwarmend effect hebben en lage wolken een verkoelend effect. Dit komt onder andere omdat lage wolken dikker zijn dan hoge wolken en daardoor laten ze niet zoveel zonnestraling door en reflecteren het grootste deel terug de ruimte in (zie afbeelding hieronder). Fysici zeggen ook wel dat de ‘albedo’ van lage wolken groter is. Dus kort samengevat concludeert Svensmark: hoe actiever de zon, hoe minder GCR, hoe minder lage wolken, hoe warmer het wordt. Sinds 2007 noemt Svensmark zijn theorie ‘kosmoklimatologie’.

Reflectie van hoge en lage wolken. Afbeelding: CERES Instrument Team, NASA Langley Research Center.


Fysische mechanismen
Met deze mogelijke correlatie tussen de galactische kosmische straling en het toenemende aantal lage wolken, moet er natuurlijk ook worden nagedacht over hoe dit fysisch mogelijk is. Dit is echter minder simpel dan gedacht, omdat microfysische processen van wolken, zoals we weten van weervoorspellingen, erg moeilijk te bestuderen en voorspellen zijn. Toch zijn er sinds 1997 enkele interessante voorstellen gedaan om te begrijpen wat er aan de hand zou kunnen zijn. We zullen de twee belangrijkste ideeën bespreken.
Het zogeheten ‘ion-aerosol clear-air mechanism’ is het mechanisme dat tot nu toe de meeste aandacht gekregen heeft. Hier wordt gedacht dat GCR de productie van wolk-condensatiekernen (in het Engels ook wel afgekort tot ‘CCN’) stimuleert. Dit heeft te maken met het feit dat GCR de concentratie positieve en negatieve ionen – moleculen met een tekort of een teveel aan elektronen – in onze atmosfeer vergroot. Deze ionen stimuleren de geboorte en groei van aerosolen in de atmosfeer. Een belangrijke bron van aerosolen is bijvoorbeeld de nucleatie – dit is de overgang van gas naar ‘deeltje’ – van zwavelzuur, afkomstig uit de stratosferische aerosollaag. Vervolgens kunnen er eenvoudiger CN (condensatiekernen) en daarna CCN gevormd worden. De CCN zijn aantrekkelijk voor water om zich aan vast te hechten, waardoor waterdruppels in wolken en wolkvorming kunnen toenemen. Dit is ook de reden waarom CCN soms ‘wolkzaadjes’ genoemd worden.

Afbeelding: Bess-Hamiti / Pixabay.

Het tweede mechanisme is het zogeheten ‘ion-aerosol near-cloud mechanism’. In dit mechanisme wordt gebruik gemaakt van het feit dat ionisatie – molecuul verliest een elektron – onder invloed van GCR het effect van inwendige botsingen in wolken met een pertuberend elektrische veld versterkt. Als gevolg van zo’n perturbatie domineert boven een wolk de positieve lading en onder een wolk ontstaat er een negatieve lading. Dit is vergelijkbaar met wat er gebeurt in een wolk die onweer veroorzaakt. Door de slechte geleiding in en rond wolken, wordt de neutralisatie tegengehouden. Dit heeft uiteindelijk een invloed op de beweging en verplaatsing van deeltjes, waardoor botsingen tussen geladen aerosolen en (ijs)druppels in wolken dusdanig zijn dat ijsvorming gestimuleerd wordt. Dit effect wordt versterkt naarmate er meer GCR de atmosfeer binnenkomt en elektriciteit sneller door de atmosfeer stroomt. Door meer ijsvorming in wolken verandert de thermodynamische structuur van een wolk en treedt er meer regenval op. Dit mechanisme leidt met deze redenatie tot het omgekeerde resultaat dan waargenomen, namelijk dat door een toename in GCR er minder lage wolken en daardoor een opwarmend effect ontstaat. Echter, als je de vrijkomende warmte tijdens de microfysische processen van bevriezing en botsingen meeneemt, kan dit juist een versterking van wolkvorming opleveren. Al met al is dit proces minder goed begrepen en is het nog altijd niet precies duidelijk of het nu een toe- of afname van wolkvorming geeft.

Data/observaties
De theorie rond de relatie tussen GCR en wolkvorming kan pas serieus worden genomen als de voorgestelde mechanismen kunnen worden getest. Dit is helaas erg moeilijk, omdat microfysische metingen lastig zijn. Daarom wordt er vooral gekeken naar simulaties. Dankzij berekeningen aan modellen en simulaties begrijpen we iets beter waarom de correlatie alleen zichtbaar is in lage wolken, terwijl je zou verwachten dat hoger gelegen wolken eerder geraakt worden door galactische kosmische straling. In dit soort modellen worden namelijk de condenseerbare gassen en bronnen voor CCN en microfysische processen in de wolken meegenomen. Deze modellen bevestigen dat lage wolken de meeste invloed van GCR op het gebied van wolkvorming ondervinden. Hoewel we er nog bij moeten zeggen dat er zogeheten ‘Forbush events’ bekend zijn, waarbij er een enorme afname van GCR is en er een variatie in hoge wolken waargenomen wordt. Deze evenementen treden op na een plasmawolk – een extreme uitbarsting van zonnewind – van de zon. Hiervan is alleen nog geen dusdanig grote invloed op temperatuurschommelingen bekend.

Een uitbarsting op de zon. Afbeelding: NASA / Goddard Space Flight Center.

Met het CLOUD (Cosmic Leaving Outdoor Droplets) experiment van CERN in Genève is vorig jaar voor het eerst een experimenteel resultaat behaald. In dit experiment werd er gebruik gemaakt van een kunstmatige bron van galactische kosmische straling en een straal van deeltjes door wolken in een afgesloten kamer. Hier werd vooral het ‘ion-aerosol clear-air mechanism’ getest. Het resultaat was dat GCR niet zo’n grote invloed op de creatie van extra CCN had. Dit betekent vooral dat de relatie tussen beiden zo klein is dat dit nooit invloed op de opwarming van de aarde zou hebben. Echter wordt nog niet de invloed van het ‘ion-aerosol near-cloud mechanism’ uitgesloten, maar zoals al gezegd is dit mechanisme ook nog niet goed begrepen. Een volgende stap is om met het CLOUD (of een ander) experiment nu ook te kijken of het ‘ion-aerosol near-cloud’ mechanisme getest kan worden. Ook zeggen wetenschappers dat er nog andere mechanismen mogelijk zouden kunnen zijn die ook de relatie tussen GCR en lage wolkvorming zouden kunnen beschrijven. Aan de andere kant zijn er ook weer veel fysici die de correlatie tussen GCR en wolken te vergezocht vinden en een oorzakelijk verband uitsluiten. Dit wordt ondersteund met het feit dat de correlaties die we zien in de NASA-grafiek bovenin dit artikel, doorbroken worden in latere metingen van andere zonnecycli. Ook is het mogelijk dat andere natuurlijke processen een rol spelen en de correlatie tussen GCR en lage wolken kunnen verklaren, zoals de El Niño-Zuidelijke Oscillatie.

Nawoord
Het is dus nog erg lastig om een antwoord te geven op de vraag of ‘kosmische straling de aarde opwarmt’. Hiervoor zal er nog echt meer en beter onderzoek moeten worden gedaan. Of de invloed van kosmische straling nu wel of niet bestaat, we kunnen er met de huidige metingen en modellen wel van uitgaan dat het effect ten opzichte van de menselijke invloeden op het klimaat veel kleiner zal zijn. Dus zullen we er als mens nog altijd alles aan moeten doen om onze eigen impact op het klimaat te verminderen.

Jurjen de Jong (1993) is masterstudent Space Studies aan de KU Leuven. Daarvoor heeft hij een propedeuse werktuigbouwkunde in Breda, een bachelor wiskunde en een bachelor natuurkunde in Utrecht behaald en afgelopen juli een master in de wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Later hoopt hij een baan in de ruimtevaartsector te krijgen. Eerder verscheen van Jurjens hand al dit interessante artikel waarin hij uitzoekt of het nodig is dat ook de ruimtevaart groener wordt. Ook zocht hij voor Scientias.nl uit of de ruimtelift werkelijk toekomst heeft. Recent publiceerde hij ook een artikel over de gevaarlijke straling die astronauten moeten trotseren als ze bijvoorbeeld naar Mars trekken.