broeikas

In de berichtgeving over het klimaat worden we er nogal eens met om de oren gesmeten: klimaatmodellen. Maar hoe ontstaan die nu eigenlijk? Welke factoren worden erin meegenomen? En zijn ze echt zo onbetrouwbaar als klimaatsceptici ons willen doen geloven?

9 mei 2013 was een historische dag, maar niet in de goede zin. Voor het eerst in ons bestaan als mensheid werden CO2-concentraties boven de 400 ppm (parts per milion) gemeten op de top van de Mauna Loa-vulkaan in Hawai. Volgens klimatologen is dit een absoluut record dat sinds de mens voet zette op aarde niet eerder werd geëvenaard. Kunnen we onze broeikasuitstoot en de bijbehorende klimaatsveranderingen nog onder controle krijgen? Sommige wetenschappers zijn optimistisch, anderen voorspellen doemscenario’s. Die worstelpartij tussen wetenschappers doet het grote publiek twijfelen, vooral omdat de materie zo ingewikkeld is. En als er dan ook nog eens conclusies getrokken worden op basis van klimaatmodellen nemen de twijfels doorgaans alleen maar toe. Want is zo’n model – in het meest gunstige geval – niet slechts een beperkte afspiegeling van de werkelijkheid?

Atmosfeer
De atmosfeer van de aarde is een vitaal onderdeel van onze planeet; zonder dit isolerende dekentje was er geen leven mogelijk, laat staan de enorme biodiversiteit aan organismen die zich ontwikkeld heeft sinds de geboorte van de laatste universele gemeenschappelijke voorouder (last universal common ancestor, vandaar de bijnaam LUCA). Als we willen begrijpen waarom de aarde zo’n aangename plek is om te wonen, is het klimaat een goede plaats om te starten.

De atmosfeer van de aarde. Afbeelding: NASA Earth Observatory.

De atmosfeer van de aarde. Afbeelding: NASA Earth Observatory.

Het klimaat is een gemiddelde weerstoestand over een tijdsspanne van minimaal dertig jaar. Het weer en het klimaat zijn twee afzonderlijke zaken die we niet door elkaar willen halen; het weer is de toestand van de aardse atmosfeer op een gegeven ogenblik. Voor beide vakgebieden spelen dezelfde elementen een rol, maar bij het klimaat gaat het dus om een lange periode. De zon is de grootste drijfveer en fluctuaties in de positie van de aarde ten opzichte van de zon zorgen voor grote klimaatcycli; ijstijden of glacialen worden afgewisseld door interglacialen die een pak warmer zijn. Op dit moment leven we in een interglaciaal, het Holoceen, een periode die zo’n 10.000 jaar terug begon.

Milanković parameters
Milutin Milanković’s (1879-1958) belangrijkste werk, Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem, werd gepubliceerd in 1941 – meteen het levenswerk van de man. De monografie was een samenvatting van zijn voorgaande onderzoeken en bevatte nieuwe analyses en toepassingen met als conclusie dat de cyclische variaties in het klimaat van de aarde alsook het optreden van ijstijden geassocieerd zijn met variaties in de excentriciteit van de aardbaan rond de zon (~ 100.000 jaar), variaties van de hoek van de aardas ten opzichte van de baan van de aarde rond de zon (~ 41.000 jaar), en de polaire precessie (~ 26.000 jaar). Deze drie oorzaken worden nu de Milanković-parameters genoemd. Zij bepalen de intensiteit en verdeling van instraling van de zon op het aardoppervlak. Hierdoor zijn ze dus ook in grote mate verantwoordelijk voor variaties in het klimaat en klimaatverandering.

De hoeveelheid zonnestraling die op een bepaalde vierkante meter aarde valt is de voornaamste maar niet de enige factor voor (lange termijn) variaties in het klimaat. Om een duidelijk beeld te krijgen, moeten we enkele concepten uit de fysica bovenhalen; daarna kunnen we van start met het eenvoudigste klimaatmodel.

Wet van Stefan-Boltzmann
Een eerste interessant begrip is dat van een black body, een geïdealiseerd object dat alle binnenkomende straling absorbeert – dus niets reflecteert – en voor een gegeven temperatuur de maximale hoeveelheid energie per oppervlakte uitzendt in alle golflengten en in alle richtingen. Een black body is met andere woorden een perfecte uitzender. De wet van Stefan-Boltzmann zegt dat de hoeveelheid straling die een black body uitzendt per oppervlakte-eenheid recht evenredig is met de vierde macht van de temperatuur. Formulegewijs ziet dit er als volgt uit: E = σT4 (W2).
met:
E = de intensiteit van de uitgezonden straling (in watt per vierkante meter, W2);
σ = de Boltzmann constante (= 5,67 × 10-8 W2K4);
T = de effectieve temperatuur.

Zonneschijn op het aardoppervlak. Afbeelding: NASA.

Zonneschijn op het aardoppervlak. Afbeelding: NASA.

Klimaatmodel no. 1
Met deze formule kunnen we aan de slag om ons allereerste klimaatmodel op te stellen. Dit meest eenvoudige model houdt slechts rekening met de instraling van zonlicht op het aardoppervlak en de straling die de aarde zelf weer de ruimte instuurt. De inkomende straling hangt af van (1) de solarconstante L, de hoeveelheid binnenkomende energie per oppervlakte-eenheid (= 1350 W2); (2) een factor die de albedo (weerkaatsingsvermogen) van de aarde weergeeft (factor 1-α, met α ~ 0,33); en (3) het aardoppervlak waarop de straling valt (= de oppervlakte van een cirkel = πr2). De uitgaande straling wordt vaak black body radiation genoemd omdat de aarde bij benadering een black body is.

Inkomende straling
De totale zone-energie die de aarde bereikt per tijdseenheid kan worden berekend door de solarconstante met de schaduw-oppervlakte van de aarde te vermenigvuldigen, gecorrigeerd voor de albedo van de aarde. Het zou niet kloppen om hiervoor de oppervlakte van de aarde te nemen (bij benadering een bol), omdat zonnestralen telkens maar vanuit één richting komen en dus op één enkel vlak vallen, een cirkel-vlak. In termen ziet dit er als volgt uit: input = L × πr2 × (1-α).

Uitgaande straling
De aarde is bij benadering een black body; dat schreven we eerder al. Met andere woorden, de aarde zendt in alle golflengten en in alle richtingen de maximale hoeveelheid straling uit. Voor de output gebruiken we dus de oppervlakte van de aarde (een bol) vermenigvuldigd met de hoeveelheid straling die een black body uitzendt per oppervlakte-eenheid (E = σT4): output = 4πr2 × σT4.

Stralingsbalans van de aarde
Wanneer we de inkomende straling gelijk stellen aan de uitgaande straling, bekomen we het meest eenvoudige klimaatmodel, dit is de stralingsbalans van de aarde: Lπr2(1-α) = 4πr2σT4.
Wanneer we de temperatuur uit de vergelijking halen geeft dat 251.3 Kelvin (= -22 graden Celsius).

Zoals verwacht klopt de berekende temperatuur van de aarde niet met de werkelijke temperaturen die we gewend zijn. Dit komt omdat we de ‘effectieve’ temperatuur hebben berekend, de temperatuur van de aarde bekeken vanuit de ruimte. We houden nog geen rekening met de aanwezigheid van een atmosfeer. Gelukkig beschikt de aarde over haar dampkring die warmte vasthoudt!

Oversimplificatie
Het model hierboven is een oversimplificatie, meer een gedachte-oefening dan een concreet bruikbaar model. In een volgend artikel vullen we dit eenvoudige klimaatmodel aan met het effect van de atmosfeer, het dekentje. We gaan dan ook dieper in op het concept “broeikasgas”. Later zullen ook andere factoren aan bod komen die een evengrote rol spelen in het globale alsook lokale klimaat: winden, wolken en aerosols.

Los van de ontbrekende factoren dienen we er ons ook bewust van te zijn dat een aantal simplificaties werden doorgevoerd om het rekenwerk te vereenvoudigen. De albedofactor, bijvoorbeeld, blijft niet stabiel in de tijd maar schommelt rond de 0,33. De aarde is ook geen perfecte bol. Ten laatste vertoont de instraling van de zon ook fluctuaties. Zonnevlammen of explosies op het zonoppervlak zijn verantwoordelijk voor een enorme piek in elektromagnetische straling die de aarde bereikt. Maar voor uw gemak, en voor het onze, laten we dit even achterwege. Waar het per slot van rekening om draait is begrijpen hoe het klimaat in elkaar zit.