Kroniek 1: De aarde als natuurkundig verschijnsel – extreem weer verwacht
JAN VAN ARKEL*
.
Alle warme voorwerpen stralen infrarood licht uit. Dat is licht dat wij mensen niet kunnen zien. Dat was John Tyndall, een in 1820 in Ierland geboren geleerde, bekend. Hij wist ook dat de zonnestraling die de aarde in alle kleuren van de regenboog ontvangt, weer uitgestraald wordt als infrarood.
Figuur 1.1: Links zien we het inkomende, deels voor ons zichtbare, zonlicht, en rechts, met een heel andere golflengte, de uitgaande, voor ons onzichtbare, infrarode straling.
In de logica van Tyndall moest de aarde eigenlijk een sneeuwbal zijn, zo koud. En dat was zij duidelijk niet. Volgens Tyndall moest in de lucht een of ander gas de drager zijn die het uitgestraalde infrarood oppikte en de atmosfeer verwarmde.
Hij was zich ervan bewust dat lucht voor 78 procent uit stikstof bestaat en voor 21 procent uit zuurstof (samen dus 99 procent). Hij ging proeven nemen met stikstof en zuurstof en kwam er niet uit. Stikstof nam infrarode warmte helemaal niet op, en zuurstof net zo min. De straling, schrijft Charles Mann in De tovenaar en de profeet, schoot erdoor als een kogel door een servetje.*
Op een ‘wat-kan-mij-het-ook-schelen-moment’ deed Tyndall de proef met stadsgas, dat gemaakt werd uit steenkool en diende voor de verlichting. En tot zijn verrassing werd nu ‘ongeveer 81 procent’ van de infrarode straling opgenomen. Hij ging meteen nog meer gassen proberen, zoals ether, alcoholdamp en kooldioxide. Allemaal zogen ze de straling op. Een beetje waterdamp in lucht bleek ook te werken. Hij publiceerde erover in 1861.
Waterdamp maakt vaak met (een wisselende) 1 à 4 procent deel uit van de atmosfeer. Infrarode straling brengt (zoals we nu weten) de elektronen van waterdamp in een ‘opgewonden’ toestand. De energie van die toestand verliezen ze bijna onmiddellijk weer als – opnieuw – infrarode straling. Maar… een waterdampmolecuul botst zo’n tien miljoen keer per seconde tegen een buurman aan. Dat zijn gewoonlijk stikstof- en zuurstofmoleculen. Als dat gebeurt wanneer de waterdampmoleculen nog in hun ‘opgewonden’ toestand verkeren, geven ze (in plaats van infrarood uit te stralen) de extra energie af aan de stikstof- en zuurstofmoleculen. Die worden daardoor warmer.
Met andere woorden, de waterdamp is het tussenstation waarmee de energie die in het infrarood zit, toch bij de stikstof- en zuurstofmoleculen terecht komt. Deze geven op hun beurt deze energie wel weer af, maar dan langzaam, de koude bovenlaag van de atmosfeer in.
Zo ontstaat er een evenwicht met een atmosfeer die veel warmer is dan je normaal gesproken zou verwachten. Zonder dat hij iets van elektronen afwist, was dit de ontdekking van Tyndall.
En dan hebben we het nog niet over kooldioxide gehad.
Tyndall besteedde geen aandacht aan kooldioxide. Daarvan zat zo weinig in de atmosfeer dat het te verwaarlozen was! Ook in de rest van de 19e eeuw vonden andere onderzoekers kooldioxide geen issue. Behalve twee Zweden: Arvid Högbom en Svante Arrhenius (beiden geboren in 1857).
Arrhenius zag in dat kooldioxide een broeikasgas was.
Högbom hield zich bezig met de koolstofcyclus. Hij vroeg zich af hoe het kon dat er zo weinig kooldioxide in de atmosfeer zit, terwijl het in de wereld stikt van de koolstofrijke kalkafzettingen (die voortkomen uit zeeleven). Hij bedacht dat vulkaanuitbarstingen het kooldioxidegehalte duidelijk konden opschroeven, als het maar flinke uitbarstingen waren. Omgekeerd dreigde zonder vulkaanuitbarstingen kooldioxide langzaam maar zeker uit de atmosfeer te verdwijnen. Ook in het verstoken van fossiele brandstoffen zag Högbom een bron van toename.
Dit intrigeerde Arrhenius. Konden de ijstijden misschien verklaard worden met de hoeveelheid kooldioxide die er in de lucht zat? Hij sloeg aan het rekenen aan een toestand waarin er half of dubbel zoveel kooldioxide in de atmosfeer zou zitten als de 300 delen per miljoen (ppm) die er eind 19e eeuw in zaten. Dat was een hele opgave, want hij moest van alles incalculeren: de golflengtes van zonlicht, de omvang van het sneeuwdek, dat water anders is dan land, de breedtegraden, het wolkendek, hoeveel zonlicht er op de verschillende plaatsen op aarde valt op de verschillende dagen in het jaar. Hij móest daarin wel generaliseren.
Arrhenius begon op kerstavond 1894 te rekenen en ruim een jaar later was hij klaar. De uitkomst van zijn berekening was: kleine veranderingen in het kooldioxidegehalte kunnen inderdaad een ijstijd veroorzaken. Een vermindering met een derde tot de helft van de (toen) bestaande 300 ppm kooldioxide bracht de temperatuur 4 à 5 graden Celsius omlaag, goed voor een nieuwe ijstijd. Een verdubbeling naar 600 ppm deed de temperatuur met 5 à 6 graden Celsius stijgen, genoeg om de aarde in een woestijn te veranderen.
Vervolgens noemde Arrhenius kooldioxide en andere gassen met dezelfde eigenschappen ‘broeikasgassen’. Hij stelde niet alleen de hele theorie* van opwarming van de aarde op. Hij voegde er door zijn praktische berekeningen meteen de principes van de moderne klimaatmodellen aan toe – door het aardoppervlak in kleine vakjes in te delen met elk hun specifieke eigenschappen.
Hij deed zelfs nog meer voorspellingen die nu ook uit moderne computermodellen rollen. Op hogere breedte (dus dichter bij de polen) zou de temperatuur meer stijgen dan in de tropen. En opwarming zou overdag geprononceerder zijn dan ’s nachts, in de winter meer dan in de zomer, en boven land meer dan op zee.
Een beetje opwarming was overigens niet iets om je druk over te maken, vond Arrhenius. Zo’n vaart zou het niet lopen en van de Zweden mocht het best een beetje warmer worden.
Niemand geloofde Arrhenius toen trouwens. Het kon onmogelijk de kooldioxide zijn, met zoveel waterdamp in de lucht.
.Arrhenius moest bij zijn berekeningen bij gebrek aan gegevens nog vele slagen om de arm houden. Veertig jaar later wist men al veel meer. En met die nieuwe kennis ging Guy Callender (1898) in de jaren dertig aan de slag. Deze ingenieur deed als hobby aan meteorologie. Hij was in zijn tijd zo ongeveer de enige die het vooruitzicht van opwarming door het broeikaseffect serieus nam.
In 1938 hield hij een lezing voor de Royal Meteorological Society. Hij vertelde dat de paar beschikbare metingen van concentraties kooldioxide in de atmosfeer al wezen op een toename met zes procent sinds 1900 en dat dit te wijten moest zijn aan de verbranding van fossiele brandstoffen. Hij stelde dat het opwarmen ‘in feite op dit moment plaatsvindt.’ Net als Arrhenius vond hij dat eigenlijk wel positief.
Callendar deed heel precieze metingen aan waterdamp en kooldioxide en ontdekte het belangrijke verband tussen deze twee. Het bleek dat waterdamp niet alle infrarode straling opneemt die de aarde uitstraalt.* Sommige golflengten gaan er dwars doorheen. Er is dus bij waterdamp als het ware sprake van ‘vensters’, en wel vooral rondom de 10 micrometer en rond de 4 micrometer.
Callender kwam er ook achter dat het bij kooldioxide juist op andere golflengten werkt. Dat wil zeggen, kooldioxide sluit sommige vensters die bij waterdamp open staan. En dat niet alleen: hoe meer kooldioxide er in de atmosfeer zit, hoe beter kooldioxide haar deel afsluit.
Figuur 1.2: Waterdamp, in de onderste balk, neemt het merendeel van de infrarode straling vanaf het aardoppervlak op, maar er zitten ‘vensters’ waar de lijn laag is. Deze worden weergegeven door de grijze balken. Ze vormen een soort veiligheidsventiel dat ervoor zorgt dat de aarde niet oververhit raakt. Kooldioxide, in de bovenste balk, neemt op twee plaatsen infrarode straling op die daar door waterdamp juist wordt doorgelaten. Deze plaatsen worden weergegeven door de donkerder balkjes. Zo wordt er een beetje extra infrarode straling tegengehouden die anders naar de ruimte zou ontsnappen. De onderste atmosfeer warmt daardoor op.
De atmosfeer, zegt Mann, werkt dus als een ouderwetse wastobbe waar wat gaatjes in zitten.* Infrarode straling stroomt, alsof het water is, de tobbe in. De gaatjes in de tobbe zijn de vensters waardoor de infrarode straling kan ontsnappen. Het peil blijft zo’n beetje gelijk wanneer er ongeveer evenveel straling door de gaatjes wegloopt als er van boven bij komt. Plak nu een paar gaatjes dicht met kauwgom en het peil stijgt. Oftewel: voeg kooldioxide toe aan de atmosfeer en de temperatuur loopt op.
Zes professionele klimaatwetenschappers mochten Callendar in 1938 becommentariëren. En ze brandden hem behoorlijk af. ‘Het was toch algemeen bekend dat kooldioxide geen merkbaar effect op het klimaat had!’
Twee punten van kritiek op Callendar waren wel terecht. Callendar verklaarde niet waarom de kooldioxide in de atmosfeer bleef. Waarom namen de oceanen het niet op? En ten tweede: zijn meetresultaten waren vast onbetrouwbaar doordat ze ‘vervuild’ moesten zijn door allerlei bronnen in de buurt: uitlaatpijpen, fabrieken, elektriciteitscentrales. Callendar had dan wel jaren besteed aan het zorgvuldig verzamelen ervan, zijn gegevens waren eigenlijk waardeloos, zo dachten de verzamelde meteorologen.
Callendar liet zich niet van de wijs brengen en ging door met zijn onderzoek.
Zo bracht een amateur een doorbraak tot stand die door de vakmensen vervolgens volledig gemist werd.
.
De tweede wereldoorlog bracht een enorme vooruitgang in het meteorologisch onderzoek. Gedurende de koude oorlog ging dit verder, want met nieuwe kennis kreeg je nieuwe wapens. Zo kwam het dat drie onderzoekers in Californië in 1957 zich de kritiek op Callendar aantrokken.
Een van hen was Charles D. Keeling (1928).* Hij veerde op toen hij iemand hoorde opmerken dat er een zeker evenwicht moest bestaan tussen kooldioxide in water en kooldioxide in de lucht. Als je er één verhoogde, zou er waarschijnlijk een aanpassing volgen naar een nieuw evenwicht. Keeling besloot uit te zoeken of dat klopte. Hij begon met het meten van kooldioxide in de lucht.
Zijn metingen in de bergen van Californië bleken erg verwarrend. Er zat helemaal geen lijn in: dan waren ze weer hoger, dan weer lager. Die verstorende lokale bronnen uit de kritiek op Callendar leken in Californië maar al te zeer aanwezig. Wat te doen?
Keeling ging op zoek naar een onvervuilde plek om metingen te verrichten. Hij kwam uit op de ruim 4.000 meter hoge vulkaan Mauna Loa op Hawaii (op het noordelijk halfrond). Daar heerste een westenwind die van over duizenden kilometers oceaan kwam. Keeling had intussen een prachtig meetinstrument ontworpen en kon metingen verrichten tot ver achter de komma.
In februari 1958 begon hij te meten, en hij ging ermee door tot zijn dood in 2005. (Zijn zoon Ralph zet het werk voort.) Metingen duurden vier uur aan een stuk. Hij was zo fanatiek dat hij de geboorte van zijn eerste kind miste omdat hij geen gat in zijn logboek wilde laten vallen.
Al na twee jaar bleek dat het gehalte aan kooldioxide was gestegen van 313 ppm naar 315 ppm. Zijn resultaten toonden ook een jaarlijkse curve van zomer en winter, veroorzaakt door de jaargetijden: groeiende planten halen kooldioxide uit de lucht, vertering brengt deze in de winter weer terug. De aarde ademt als het ware één keer per jaar in en uit.
Het meest spectaculair was die onophoudelijke opwaartse trend, die we nu de Keelingcurve noemen. In 1965 was het 320 ppm, in 1975 331 ppm, in 2007 383 ppm en nu, in 2019, is het al op 417 ppm uitgekomen!
Figuur 1.3: De Keelingcurve van 1958 tot heden.
‘Begin 1962,’ schreef Keeling later, ‘konden we afleiden dat ongeveer de helft van de kooldioxide, die afkomstig was van de verbranding van fossiele brandstoffen, zich in de atmosfeer ophoopte,’ terwijl de rest door de natuur werd opgenomen. De toename ging steeds harder. Na de extreme jaren 2002 en 2003 waarschuwde hij dat het natuurlijke vermogen van de aarde verminderde om koolstof in de regenwouden, in de bodem en in de oceanen op te slaan – dat zijn de ‘koolstofputten’ van de natuur (dáár heb je de relatie tussen water en lucht). Keeling was bang dat de natuur, die de helft van de door menselijke activiteit uitgestoten kooldioxide had opgenomen, deze nu misschien weer begon terug te geven – en dat, in een van zijn typische understatements, ‘zou wel eens reden tot bezorgdheid kunnen zijn’.
En dankzij deze ‘belangrijkste dataset van de eeuw’ stond het broeikaseffect ineens duidelijk op de agenda.
.De weersextremen van nu zijn nooit vertoond. Maar als we naar het weer van de laatste eeuwen kijken, zien we dat extremen van alle tijden zijn. Ik citeer hieronder mezelf uit het boek Wat is er mis met het weer?*
Als het klimaat het gemiddelde weer over dertig jaar is, kan het weer van jaar tot jaar flink uitschieten. Maar in de loop van eeuwen zien we ook het klimaat flink variëren. Zo heerste er van het jaar 1000 tot 1200 een gunstig klimaat. Men noemt dit wel het Kleine Optimum. Van 1450 tot 1850 was het echter klimatologisch een roerige, kille tijd. Deze hele periode noemt men de Kleine IJstijd, maar deze viel vooral in de 17e eeuw. We kennen deze kou van de schilderijen van bevroren rivieren. Zo hield men in Londen onder andere in de winter van 1683-1684 ‘vorst-markten’ op de Thames, met een hele stad van tenten en winkels. Daar werden dan weer afbeeldingen van gemaakt.
Gedurende de 19e eeuw werd het steeds warmer, totdat er in het begin van de 20e eeuw een uitzonderlijk gunstig klimaat heerste. Een uitbreiding van de tropische regengordel bracht neerslag tot in de zuidelijke Sahara en gaf India meer regelmatige moessons.
Het weer in het jaar 1976 was daarentegen heel slecht, met tal van uitersten. Of het nu op de zuidpoolbasis was (minus 76 graden Celsius), in Azië (verwoestende stormen, overstromingen), in Zuid-Amerika (ergste droogte sinds tijden), of in Afrika (eerst een ernstige droogte, daarna buitensporige regenval).
Bij ons was het in 1976 droog van het begin van het jaar tot augustus. In juni was er een hittegolf. Er werden tussen half juni en begin juli hier en daar de hoogste temperaturen gemeten sinds men in 1830 begon met registreren. In Engeland moest het water voor een deel op de bon. Automobilisten met een droge radiator konden aan veel pompen wel aan benzine komen, maar niet aan water. Tegelijkertijd zorgden recordregens in de Sovjet-Unie voor zeer grote oogsten.
De door de Europese moeilijkheden geamuseerde Amerikanen bestierf de glimlach op het gelaat toen zij enige maanden later met soortgelijke problemen te kampen kregen. Droogte in het westen en zware sneeuw in het oosten gingen gepaard met de laagste temperaturen ooit gemeten. In de straten van New York werd geskied. In overstroomde gebieden bevroor vervolgens het water. De brandstof raakte op.
En dit was maar één jaar. Hoe zit het met die weermachinerie?
.In Wat is er mis met het weer? beschrijf ik anno 1983 een hele rij aspecten van de ‘weermachinerie’ die met elkaar in wisselwerking zijn. Al die invloeden over en weer maken voorspellingen vrijwel onmogelijk. Je kunt ze verdelen in: 1) de warmtebalans van de aarde; 2) de grote winden op aarde; 3) het circulatiepatroon van de oceanen; 4) het poolijs met het albedo-effect; en 5) het atmosferisch zonneschild. We lopen ze in aflevering 6, 7 en 8 even kort langs.
Over de warmtebalans hebben we het al gehad in de voorgaande afleveringen. Zes procent van de inkomende zonnestraling maakt direct rechtsomkeert, 20 procent wordt door de wolken teruggekaatst, 16 procent van de warmte wordt opgenomen door water, stof, ozon en andere bestanddelen van de atmosfeer, terwijl 3 procent de wolken verwarmt en 4 procent direct wordt teruggekaatst door het aardoppervlak. Zo bereikt de helft van de zonnestraling de oceanen en de continenten. Wat daar allemaal speelt, laat figuur 4 zien.
Figuur 1.4: De processen die samen het klimaatsysteem bepalen.
De aarde kent een circulatiepatroon van grote winden. Deze bewegen zich niet alleen aan het aardoppervlak, maar ook verticaal èn hoog in de atmosfeer. Boven de evenaar stijgt warme lucht omhoog. Langs het aardoppervlak stroomt van weerszijden aanvullende lucht toe. Dit levert de zogenaamde passaatwinden op. Noordelijk hiervan, waar de lucht in de subtropen weer daalt, zitten aan het aardoppervlak tamelijk permanente hogedrukgebieden. Ten noorden daarvan, meer in onze richting, is er een overheersende zuidweststroming, terwijl in het noordpoolgebied betrekkelijk onbelangrijke noordoostenwinden heersen. Dit alles komt door de ongelijkmatige verwarming van onze draaiende aardbol, en is bedoeld om de energie gelijkmatiger over het aardoppervlak te verdelen.
Figuur 1.5: Een schematisch beeld van het algemene circulatiepatroon in de atmosfeer.
Er speelt bij de winden nog iets, namelijk het verschil tussen land en zee. Daardoor ontstaan zeewinden die de boven land opstijgende lucht vervangen; bijvoorbeeld moessons.
.Voor de weersvoorspelling is de straalstroom belangrijk. Op tien kilometer boven het aardoppervlak beweegt zich een rivier van lucht met snelheden van tientallen tot honderden kilometers per uur. Het circulatiepatroon van deze straalstroom kan ‘sterk’ of ‘zwak’ zijn. Het eerste levert ons vanuit het noordwesten het bekende weer van opeenvolgende lagedrukgebieden op, met koele zomers en zachte winters als gevolg.
De straalstroom zigzagt als een kronkelende slang rond de aarde, alsof hij zijn eigen staart achterna zit. Bij een zwenking naar het noorden brengt hij warme lucht naar de pool. Buigt hij van de pool af, dan komt er koude lucht tot diep in het zuiden. Zolang de slang kronkelt verschuiven de zigzaggen over de aarde. Maar als de kop de staart te ‘pakken krijgt’, kan het golfpatroon verstarren en blokkeren. Dan blijft de golf op zijn plek, en liggen de weersomstandigheden ter plaatse soms lang vast, met bijvoorbeeld een hittegolf of droogte als gevolg.
Door de opwarming van de aarde lijkt de straalstroom iets te verslappen, met als gevolg dat de stroming op grote hoogte steeds vaker afdwaalt naar het zuiden.* Dat veroorzaakte mede de hittegolf van 23-27 juli 2019, want de straalstroom sleurde de hete woestijnlucht helemaal vanuit de Sahara naar ons land.
Figuur 1.6: Drie mogelijke, al of niet verschuivende, patronen van de straalstroom.
Oceanen zijn de opslagplaats van de inkomende zonnewarmte. Ze bedekken ten slotte 72 procent van het aardoppervlak. Ze zijn een buffer tegen plotselinge veranderingen. Ze zijn ook in beweging, om net als bij de lucht de warmte beter over de aarde te verdelen. Zo brengt, dat is de gangbare wijsheid, de Warme Golfstroom warmte vanuit het Caribisch gebied naar Scandinavië.
In 1983 schreef ik al dat de oceanen ‘een even ingewikkeld patroon kennen als de atmosfeer’. Intussen blijkt het nog ingewikkelder te liggen.* Het punt is dat de diepte en het zoutgehalte een rol spelen die niet gemakkelijk te meten is. Er zijn dus lagen die verschillend bewegen en draaikolken die maanden intact kunnen blijven, maar ook zomaar weer kunnen verdwijnen. Ben je niet precies op tijd bij het meten daarvan, dan mis je dit meteen helemaal.
Figuur 1.7: Vereenvoudigde weergave van het algemene circulatiepatroon van de oceanen.
We laten het hier maar even bij de eenvoudigste figuur en concluderen dat oceaanstromen in principe een stabiliserende invloed uitoefenen op het klimaat, maar dat bijvoorbeeld ook een destabiliserende invloed mogelijk is op de route van de straalstroom.
Ook is er de vrees dat de Golfstroom kan stilvallen, wat theoretisch zou kunnen gebeuren als een grote hoeveelheid zoet water de noordelijke oceaan in stroomt.
.Dan, invloed nummer 4, het poolijs. We komen verderop nog terug op de recente ontwikkelingen. Hier gaat het over de rol die het poolijs tot nu toe vervulde.
Omdat warme stromen niet doordringen in de Noordelijke IJszee heeft zich daar in het water een permanente ijslaag gevormd. (Op Antarctica ligt het ijs op het land, waarvanaf het heel langzaam, gletsjergewijs, in zee stroomt.)
De warmte die de aarde bereikt is ruim voldoende om de planeet ijsvrij te houden. Het is de geografische ligging van de polen en de hoge weerkaatsing van zonlicht door ijs en sneeuw die ons toch beide poolkappen opleveren. Er is berekend (schrijf ik in 1983) dat zonder weerkaatsing de Noordelijke IJszee 40 graden warmer zou zijn. Als dat eenmaal het geval is, komt het zeeijs niet meer terug. Ook het ijs van Groenland en Antarctica is niet veilig bij een kleine temperatuurstijging, zoals we nog zullen bespreken.
Niet alleen ijs of sneeuw weerkaatst het zonlicht (met 80 procent), alle oppervlakken doen dat, beter of slechter, afhankelijk van hun eigenschappen. Dit weerkaatsingsvermogen noemt men de albedo. Bij de oceanen is het 7-20 procent, bij landbouwgebieden en bossen 13-18 procent. En vergeet het wolkendek niet, dat gemiddeld de helft van de aarde bedekt houdt. Hoge cirruswolken weerkaatsen het minst (met 20 procent), bij altostratus is het 50 procent en bij cumuluswolken 70 procent.
Bij wolken en oceanen kan het elk uur anders zijn. Ga er maar aan staan dit in een weermodel te verwerken.
Hogerop zit het atmosferische zonneschild. Als we de atmosfeer verticaal indelen op temperatuur, krijgen we het beeld van figuur 8.
Figuur 1.8: De lagen in de atmosfeer met hun temperatuur.
Normaal stijgt lucht die verwarmd wordt op, omdat zij uitzet en dus lichter wordt. Maar de lucht in de onderste laag van de atmosfeer, die de troposfeer heet, ontstijgt deze laag nooit omdat zij op de stratosfeer stuit, die als een soort deksel werkt. Dit noemt men ook wel inversie.
Met het opstijgen gaat de luchttemperatuur weer dalen. Dat gaat met 6 graden Celsius per kilometer – tot een hoogte van tien kilometer. Vanaf die hoogte blijft de luchttemperatuur ongeveer 5 kilometer constant, om daarboven weer te gaan toenemen. Er wordt vanaf deze hoogte kennelijk steeds meer zonnewarmte opgenomen en vastgehouden. (Dit heeft te maken met ozon.)
Helemaal bovenin, in de ionosfeer, speelt nog een ander verschijnsel een rol, namelijk dat van het aardmagnetisch veld en de zonnewind. Wat nog hogerop gebeurt laten we voor wat het is.
Hier merken we op dat het broeikaseffect zich in de onderste laag, die van de troposfeer, afspeelt.
Het principe van het broeikaseffect hebben we nu dus begrepen. De atmosfeer houdt van het uitgestraalde infrarood door het effect van kooldioxide meer warmte vast (dan bij het evenwicht met minder kooldioxide dat er voordien heerste).
Figuur 1.9: Het principe van het broeikaseffect.
Ook al hielden genoeg wetenschappers zich allang met de in aflevering 6-8 genoemde weerkundige verschijnselen bezig, lange tijd dacht vrijwel niemand aan een broeikaseffect dat de mensheid parten kon gaan spelen. De grote Engelse klimatoloog Hubert Lamb schreef in 1972 een standaardwerk Climate: Present, Past and Future. Daar ging precies 1 van de 600 pagina’s over het broeikaseffect.
Er werd in die jaren ’70 wel een begin gemaakt met wereldklimaatmodellen. Maar dat waren slechts drie of vier teams. Deze teams dachten toen dat een verdubbeling van het kooldioxidegehalte in de atmosfeer (tot 550 ppm dus) een temperatuurverhoging van 2 graden Celsius zou meebrengen. Dat leek toen nog ver weg. Zij waarschuwden er wel voor dat dit het gemiddelde was voor de hele aarde en dat het aan de polen beduidend warmer kon worden, misschien wel plus 8 graden. Dat zou dus enorme gevolgen kunnen hebben.
Maar niet iedereen geloofde dat. De klimaatmodellen waren nog zo pril. Daar zaten grote onzekerheden aan vast. Er waren nog zoveel vragen: zou het ooit wel komen tot een verdubbeling? En hoe zat het met de andere broeikasgassen, zoals lachgas (N2O) en methaan (NH4)?
Toch maakte de onbarmhartige Keelingcurve duidelijk dat een verdere stijging voor de hand lag. Men begon te beseffen dat niet alleen het verstoken van fossiele brandstoffen kooldioxide in de atmosfeer bracht, maar ook ontbossing, bodemverlies en dan vooral ontvening. Hoe zat het daar dan precies mee?
Ik noem in Wat is er mis met het weer? de volgende cijfers. Uit de fossiele brandstoffen komt in 1980 5 gigaton (Gt) koolstof vrij. Tel je daar de koolstof bij die vrijkomt uit andere bronnen, 1 à 2 Gt, dan komt de totale productie op 6 à 7 Gt koolstof. Daarvan vinden we 3 Gt terug in de atmosfeer. Waar is de rest, dus 3 à 4 Gt, gebleven?*
Het moeten bijna wel de oceanen zijn die deze koolstof opnemen, want de oceanen werken als thermostaat, was de gedachte. Maar een precies model daarvan was er toen nog niet. (Ook de vegetatie en de bodem absorbeert nog veel koolstof – nog wel.)
Met het broeikaseffect zal er ook meer water verdampen. Een warmere atmosfeer kan bovendien meer waterdamp bevatten. Waterdamp heeft een dubbel effect. Het kan de aarde tegelijk koel houden èn verwarmen, doordat lage wolken de albedo vergroten en hoge wolken en waterdamp juist een bijdrage leveren aan het broeikaseffect.
Met deze zaken worstelde men rond 1980. En men kwam met de volgende cijfers voor de volgende veertig jaar.
Figuur 1.10: De verwachte toename van broeikasgassen en hun effect op de temperatuur van 1980 tot 2020. Bron: H. Flohn, Meteorologische Instituut van de Universiteit van Bonn, Das CO2-Klima Problem, Geographische Rundschau 35, mei 1983, p.238; bewerkt naar Wang, 1976).
We waren wel gewaarschuwd: één en driekwart graden Celsius opwarming!
De Algemene Circulatie Modellen (GCM, met de G van General) kregen pas eind jaren ’70 een zekere graad van betrouwbaarheid. Ik beschreef dit toen als volgt: Men bracht de verschillende temperaturen die heersen op de verschillende breedtegraden in de modellen. De temperatuurverschillen in de opeenvolgende lagen van de atmosfeer maakten deze modellen driedimensionaal. Zo’n model begint met een aantal beginvoorwaarden (parameters), zoals zonnestraling, wolkendek, waterdamp, kooldioxidegehalte, verdeling van de temperatuur over de geografische breedten en (liefst) ook over de hoogte in de atmosfeer, enzovoort.
Een grote moeilijkheid bleef het verwerken van de aard en het gedrag van de oceanen. Deze werden eerst als een grote bak water met één uniforme oppervlaktetemperatuur voorgesteld. Dit deed noch recht aan hun gelaagdheid in temperaturen, noch aan het bestaan van koude en warme stromen.
Er waren kortom tal van verfijningen nodig, maar daarvoor ontbrak aanvankelijk het geld en de computertijd (dit was nog het tijdperk van de volumineuze mainframes, pc’s bestonden nog niet).
Zo’n model doorliep herhaalde berekeningen van de manier waarop de atmosfeer reageert op de erin gestopte voorwaarden en hoe de parameters op hun beurt reageren op veranderingen in de atmosfeer, totdat de reacties over en weer ophouden en er een evenwicht ontstaan is waarin alle variabelen constant zijn geworden. Dit eindresultaat werd dan beschouwd als leidraad voor hoe het in de echte wereld ook kon gaan.
Een van de belangrijkste uitkomsten was dat het aan de polen twee- tot driemaal sterker zou opwarmen dan in de tropen. Klimaatzones zouden verschuiven.
De warmste periode aan de polen werd niet in de zomer maar juist in de late herfst en vroege winter verwacht. Het zee-ijsdek aan de Noordpool zou volgens het model van toen ’s zomers aanzienlijk dunner worden. Bij een verviervoudiging van het kooldioxidegehalte zou het ijsdek al na tien jaar ’s zomers afsmelten (waarna het ’s winters dan weer zou opbouwen). Dat klopte toen nog helemaal niet met de werkelijkheid. Maar de positieve terugkoppeling die we in aflevering 1 van de Inleiding bij deze serie noemden, werd toen al naar voren gebracht.
De diverse modelbouwers kregen aanvankelijk heel verschillende uitkomsten, maar de modellen zijn naar elkaar toegegroeid en waarschuwden rond 1980 voor een gemiddelde temperatuurstijging van 2 graden Celsius bij een verdubbeling van het kooldioxidegehalte.
Zeer recent is er een probleem met de hittegolven die niet goed in de klimaatmodellen passen. Dat moet iets te maken hebben met het landgebruik, denken kenners.* Neem het Midwesten van de Verenigde Staten. Volgens de modellen zouden hittegolven er sinds 1900, paradoxaal genoeg, gemiddeld iets koeler moeten worden. In werkelijkheid worden ze juist heter. Een raadsel totdat werd meegewogen dat enorme gebieden zijn veranderd van prairie naar landbouwgrond, een landtype dat warmte beter vasthoudt. Prompt kwamen de waarnemingen prima overeen met de modellen. Net als voor India het meewegen van de luchtvervuiling het model kloppend maakte.
Intussen is er ook fundamentele kritiek op het idee van klimaatmodellen op zich. We komen die tegen bij Peter Westbroek in aflevering 12 van het artikel ‘De aarde leeft!’ en bij James Lovelock in aflevering 2 van serie 3, ‘De aarde als levend systeem: Gaia’.
Spoelen we, om wat helderheid te scheppen, even door naar het jaar 2014, dan zien we dat Jan Paul van Soest in zijn boek De twijfelbrigade vier bewijslijnen voor de klimaatverandering onderscheidt.*
De theorie van de klimaatverandering, schrijft hij, is een hele sterke. ‘Hij berust op een onweersproken natuurkundige basis (die we in het begin van dit artikel bekeken). In de wetenschappelijke wereld twijfelt er inmiddels vrijwel niemand meer aan dat de aarde opwarmt, dat een stijgende concentratie broeikasgassen in de atmosfeer – waaronder kooldioxide – voor opwarming zorgt, en dat de toegenomen concentratie broeikasgassen vrijwel volledig aan menselijk handelen (verbranding van fossiele brandstoffen) is toe te schrijven.’
Vier bewijslijnen ondersteunen deze theorie: de gevestigde natuurkunde, de paleoklimatologie, modellen met voorspellende kracht en forensische klimaatkunde.
Van Soest noemt de natuurkunde achter de klimaatverandering net zo hard als de basis van de zwaartekracht. ‘De energie-inhoud van onze biosfeer (oceanen, atmosfeer, de bovenste laag van de aarde en ijsmassa’s) kan alleen veranderen als de energiebalans van de aarde uit het lood raakt. … De energiebalans van de aarde kan veranderen door een zogeheten forcing, of forcering, een factor die de instraling of de uitstraling beïnvloedt. … Op de keeper beschouwd zijn er maar drie typen forcings’: instraling, albedo, en uitstraling.
En wat is de situatie, samengevat? De kooldioxideconcentratie is toegenomen, de zonne-activiteit varieert iets en gaf de afgelopen vijftig jaar eerder een afname dan een toename te zien, vulkaanuitbarstingen hebben weinig om het lijf gehad en er is sprake van antropogene aerosolen met een koelende werking. Rekensommen en satellietmetingen komen dan uit op opwarming en die is vooral te wijten aan kooldioxide. Dit is gevestigde natuurkunde, bewijslijn nummer één.
Figuur 1.11: Een simpele analyse laat zien dat de gemiddelde temperatuur op aarde sterk correleert met de CO2-concentraties en vulkaaninvloeden. De zwarte lijn is de gemiddelde luchttemperatuur boven land binnen een 95%-betrouwbaarheidsinterval. De rode lijn is de uitkomst van de analyse. Recent vallen ze vrijwel samen.
Een lastiger vraag is hoe die extra energie zich in de energiebalans verdeelt binnen het klimaatsysteem. Daar zitten onzekerheden, die de zekerheid van de opwarming als zodanig echter onverlet laten.
Het onderzoek naar het klimaat van het (verre) verleden, vormt bewijslijn nummer twee. Het is gelukt het klimaat van perioden in dit verleden te reconstrueren door de analyse van luchtbelletjes in honderdduizenden jaren oud ijs, door onderzoek aan sedimenten, aan de opbouw van rotsen, koralen, schelpen, stuifmeel, vulkanische aslagen, de dikte en omvang van boomringen en de huidmondjes in fossiele plantenresten. We zullen daar in aflevering 1 en 7 van serie 2 nog voorbeelden van geven.
Op basis van klimaatveranderingen in het verleden zijn verschillende schattingen gemaakt van de klimaatgevoeligheid. Die komen gemiddeld genomen iets hoger uit dan de waarde die het IPCC aan de hand van verschillende schattingsmethoden als bandbreedte aangeeft: 1,5 à 4,5 graden Celsius bij een verdubbeling van de atmosferische kooldioxidegehalte volgens het IPCC (in 2013), tegenover de 2,2 à 4,8 van de paleoklimaatschattingen.*
Modellen met voorspellende kracht vormen bewijslijn drie. ‘Wallace Broecker was een van de eerste klimaatwetenschappers die, in 1975 al, met computermodellen een prognose maakte van de wereldgemiddelde temperatuur. Anno 2012 viel vast te stellen dat de overeenkomst met de realiteit daarvan opmerkelijk goed is. Dat geldt nog sterker voor de voorspelling van James Hansen uit 1981.’*
Zoals we hiervoor al zagen, was er toen in de praktijk nog niets te merken van opwarming. De voorspellingen van Broecker en Hansen waren puur gebaseerd op inzicht in de onderliggende natuurkundige relaties van oorzaken en gevolgen. Ook het eerste IPCC-rapport uit 1990 slaagt voor de voorspellingstest: de werkelijkheid volgt de prognose tot nu toe (voldoende om geslaagd te heten).
Het is mooi dat je je computermodel ook kunt toetsen aan de klimaatstudies van het verre verleden. Klimaat in het verleden was immers de werkelijkheid. Dit is intussen steeds meer gebeurd. Het verhoogt de status van de klimaatmodellen.
‘Vingerafdrukken’ vormen bewijslijn vier. De kunst bij deze methode is om in de ruis van natuurlijke variaties in het klimaat een specifiek signaal te vinden dat duidt op echte klimaatverandering. Het is net zoals een forensisch arts naar de oorzaak van de dood zoekt. Dit heet daarom forensische klimaatkunde. Onderliggende trends worden niet alleen opgespeurd in mondiale gemiddelden. Men vindt inmiddels ook regionale trends. Dat maakt zichtbaar hoe algemene klimaatverandering in regio’s uitpakt.*
In elk geval komt ook hierbij naar voren dat er inderdaad sprake is van klimaatverandering, zodat deze dus op vier verschillende manieren is aangetoond.
We hebben naar de principes van klimaatverandering gekeken, maar wat merken we er nu concreet van?
Neem over een lange tijd elke keerde temperatuur van een bepaalde dag in juli. Daar zitten je natuurlijk warmere en koelere dagen bij. Als je van al die getallen een grafiek maakt, blijkt die de vorm van een klok te hebben, waarbij de meeste dagen rondom het midden zitten.*
Er is één temperatuur die het vaakst voorkomt en die zit precies in het midden. En als we dan een onderscheid in drieën maken tussen doorsnee temperaturen rond het midden, afwijkende temperaturen daaromheen en extreme temperaturen daarbuiten, dan zien we dat in tweederde van de jaren er doorsnee temperaturen heersen, dat 95 procent van de tijd doorsnee plus afwijkende temperaturen heersen, en dat maar in amper vijf van de honderd jaren op die dag in juli extreme temperaturen heersen.
Figuur 1.12: Het principe van de statistische standaardafwijking bij een normaal klimaat. Het lichtgekleurde midden toont de doorsnee temperaturen, het iets donkerder deel aan weeszijden van het midden toont de afwijkende temperaturen, en in de uithoeken zitten de extremen.
Je mag voor temperatuur ook ‘weer in het algemeen’ lezen en voor een dag in juli andere dagen invullen. Het weer bij de top komt steeds het meeste voor. Hoe verder van de top, hoe minder prettig het wordt, maar ook hoe minder vaak het voorkomt. Praktisch onzichtbaar zit in de uiterste hoeken het weer verbeeld dat maar zeer zelden voorkomt, bijvoorbeeld eens in de honderd of in de duizend jaar.
Ons huidige klimaat is al sterk veranderd, zo blijkt nu. Dat maakt een onderzoek van James Hansen, Makiko Sato en Reto Ruedy ons wel duidelijk.* Zij namen die dag in juli bij het klimaat van 1951-1980. Dat is dus het klimaat van voordat de snelle opwarming inzette, het klimaat dat nog tot het lange-termijn-Holoceen-bereik behoorde.* Dat ‘oude’ klimaat vergeleken ze met het klimaat van 1981-2010.
Ze namen daarvoor de maandgemiddelde temperaturen voor kleine aardhokken van 250 x 250 km voor de hele aardbol en calculeerden de statistische standaardafwijking voor elke meting, om te zien hoeveel variatie er van jaar tot jaar was. Zoals te verwachten was de variatie voor de periode 1951-1980 niet al te groot. Bijna elke gevonden temperatuur zat binnen de categorie doorsnee of afwijkend. Dat is een teken dat er een stabiel klimaat heerste.
Maar zo bleef het niet.
Maar zo stabiel bleef het klimaat dus niet. De periode 1981-2010 wijkt enorm af van de periode 1951-1980 en wel op twee manieren. De grafieken laten dat zien.
Figuur 1.13: De verandering van het weer bij een schuivend klimaat van 1951-1980 naar 1981-2010 in twee stappen en de combinatie ervan.
Figuur 13a toont de verschillen tussen de twee periodes, met 1951-1980 links en 1981-2010 rechts. We zien dat de klokcurve duidelijk in de richting van warmer weer is opgeschoven. Dat was nog wel te verwachten bij opwarming. Schokkend is dat de curve ook van vorm veranderd is; hij is platter geworden, zoals figuur 13b toont. Niet alleen is het warmer geworden, ook de extremen in de hoeken onderin komen vaker voor.
Figuur 13c toont wat ons overkomen is. Het is de combinatie van 13a en 13b. Links staat de curve van het oude, normale weer, rechts het veranderde, nieuwe weer. Het is duidelijk warmer geworden. En echt extreem weer, dat in de periode van 1951-1980 maar eens in de honderd jaar voorkwam, komt in de periode 1981-2010 eens in de tien jaar voor. En daar bovenop behoort nu ook nóg extremer weer (dat eerst eenmaal in de miljoen jaar voorkwam) tot de reële mogelijkheden.
Let wel: dit is geen model; het is een ‘eenvoudig en elegant’ onderzoek van het werkelijke weer dat heerste van 1981-2010. Het geldt niet voor een of andere uitzonderlijke plek. Het zijn de gegevens voor de hele aardbol. Het zijn de gegevens bij minder dan één graad temperatuurverhoging! Bij nog een graad erbij, een verhoging die er onverbiddelijk gaat komen, worden wat vroeger extreme uitzonderingen waren, normale omstandigheden!
En we zijn alweer bijna tien jaar verder met onverdroten uitstoot, met een opschuiving die we nu aan den lijve voelen. Dat viel natuurlijk vooral op bij de hittegolf van 23-27 juli 2019. Wetenschappers ontdekten dat die hittegolf helemaal niet hoorde te kunnen.* Een eeuw geleden was de kans daarop eens in de tweeduizend tot eens in de 23 duizend jaar. Precies volgens het bovenstaande verhaal van extremen dus.
‘De beste schatting is, dat dit een eeuw geleden gewoon onmogelijk was,’ aldus Geert Jan van Oldenborgh van het KNMI. Kortom, we zijn aangekomen in het tijdperk van de niet-lineaire veranderingen.
Hoofdstuk 1 van het boek Zes graden dat 17 juli 2020 verscheen, dat de huidige 1 graad warmere wereld behandeld, staat vol met voorbeelden van zulke extremen. Ik heb ze voor u samengevat in de laatste twee afleveringen van dit artikel.
In 2012 kwam de temperatuur voor het eerst over heel Groenland boven het vriespunt, ook bovenop de 3 kilometer dikke ijskap. Onderzoekers dachten dat er iets aan hun meetinstrumenten mankeerde, maar de satellieten bevestigden het: 98,6% van het ijsoppervlak was aan het smelten.
Ook op de Noordpool zelf is het nu soms veel heter: niet minus 30°C, maar 0°C. Overal ten noorden van de 66e breedtegraad was de temperatuur in 2015/2016 veertig dagen lang 4-6°C boven het gemiddelde – volgens onderzoekers ‘volkomen onbekend’ en superextreem’.
Per jaar gaat er jaarlijks 82.000 km2 aan Arctisch zee-ijs verloren, zodat we op weg zijn naar een ijsvrije poolzee. De donkere open oceaan neemt veel meer zonnewarmte op dan het reflecterende zee-ijs, waardoor er een steeds verdere opwarming plaatsvindt.
De opwarming van het noordpoolgebied gooit het hele complexe ecosysteem in de war. Niet alleen ijsberen zijn daar het slachtoffer van, ook walrussen, robben, walvissen, zeekoeten en andere vogels, plus vissen. Het voedselweb gaat er instorten.
De Golfstroom, onderdeel van de ‘oceanische transportband’ die warmte naar het noorden van de Atlantische Oceaan brengt, had tussen 2007 en 2011 kuren. Een echte verzwakking ervan, of zelfs een stilvallen, zou voor klimatologische chaos zorgen. Er heerst groeiende wetenschappelijke bezorgdheid.
De ijsplateaus van de West-Antarctische ijskap waren al lang een zorgenkindje. De gletsjers stromen er met 4 km/jaar de oceaan in, dat wil zeggen zichtbaar met het blote oog. Nu begint het ook in het Oosten te stromen. En dat terwijl grote delen van Antarctica zelf onder de zeespiegel liggen. Als de barrières wegvallen, kan het warme zeewater zo onder de ijskap komen.
Overal ter wereld smelten de berggletsjers. Na een ‘winterse hittegolf’ in 2015, vestigden de Franse Alpen in 2019 een nieuw temperatuurrecord. Onder de spectaculaire top Dent du Géant in het Mont-Blanc-massief ontstond op 3.500 meter hoogte een turkooisblauw meer, waar ‘nooit eerder vloeibaar water werd gezien’.
De Keeling-curve, oftewel de grafiek van het atmosferische CO2-gehalte, gaat steeds steiler omhoog, ook de vijf jaar na het Klimaatakkoord van Parijs. Het is nog steeds business as usual.
De orkaan Harvey, die in 2017 Houston trof, tartte elke verbeelding. 68 mensen kwamen om. Er viel alles bij elkaar 22 kubieke kilometer regenwater op het land. Mark Lynas had zo’n storm in de versie van Zes graden uit 2008 in het hoofdstuk van 3 graden opwarming geplaatst. Hij kwam al bij 1 graad.
Brand verteerde in 2018 het plaatsje Paradise in de Californische bergen. De snelheid van het vuur verraste velen: een voetbalveld per seconde, zodat niet iedereen van de 27.000 inwoners op tijd weg was. 19.000 bouwwerken brandden af. De hitte was zo intens dat stromen gesmolten aluminium van de brandende voertuigen de weg afliepen.
In 2018 kwam in de stad Koriyat in Oman de temperatuur 24 uur lang niet onder 42,6°C. In Algerije werd het 51,3°C. En in 2019 trof een hittegolf West-Europa, met in Zuid-Frankrijk een verbluffende 45,9°C. Dit alles is met de klimaatverandering vijf keer waarschijnlijker geworden.
De opwarming veroorzaakt in de natuur nu een uitstervingsgolf. Onderzoekers gebruiken termen als ‘biologische uitwissing’ en ‘defaunering’ en bij de bergen ‘roltrap naar uitsterven’. In zee zien biologen nu ‘lege riffen’, ‘lege baaien’ en ‘lege estuaria’.
De apenbroodbomen, of baobabs, in zuidelijk Afrika leggen plotseling een voor een het loodje. Iconische bomen geven een enorme kreun, of een knal, splijten plotseling aan de voet en storten neer. Door de verdroging zit het grondwater nu te diep voor ze, terwijl ze tweeduizend jaar, of zelfs meer, alle mogelijke weersomstandigheden hebben doorstaan.
Zeehittegolven hebben een desastreus effect op het leven in de oceanen. Dit leidde in 2014-2015 tot massale vogelsterfte. Walvissen spoelden dood aan. Pelsrobben en zeeleeuwen verhongerden. Ze worden intussen langduriger, frequenter, uitgestrekter en intensiever.
Koraalrif gaat de huidige opwarming van 1°C al niet overleven. In 2016 onderging het noordelijk deel van het Groot Barrièrerif langs de kust van Australië een allesverwoestende verbleking. Het was een ongekende ecologische instorting. Onderzoekers moesten ervan huilen, zo massaal was het en zo definitief. Want het koraal herstelt zich niet meer.
Zelfs het behalen van het doel om binnen de 2 graden opwarming te blijven, gaat ons weersomstandigheden brengen die hier weer bovenuit torenen. Lees nu verder in artikel 2 van deze serie.
