Deel 7 – De simulaties en verklaring voor opwarming

Deel 7 – De simulaties en verklaring voor opwarming

Overige delen van de serie

Een overzicht van de nieuwe serie artikelen

Waarom neemt het verschil tussen dag en nacht toe?

Brightening vooraf gegaan door dimming

Dimming en brightening getest met het BEST databestand

Deel 1 – De opwarming van de Aarde

Deel 2 – De toename van CO2

Deel 3 – Het verband tussen CO2 en de opwarming van de Aarde

Deel 4a – Broeikaseffect ja of nee

Deel 4b – De opwarming van de Aarde verklaard

Deel 5 – Een 5-zone model van de Aarde

Deel 6 – Modelvorming en dataverzameling

Inleiding

In deel 6 hebben we niet één maar zelfs twee modellen opgesteld om te verklaren waarom de temperatuur van de Aarde is zoals die is. Het komt voort uit een combinatie van zonne-energie en de herverdeling hiervan over de breedtegraden. Deze herverdeling blijkt invloed te hebben op de globale temperatuur. Als je energie van een gebied dat warmer is dan de gemiddelde temperatuur herverdeeld naar een gebied dat kouder is dan stijgt de globale gemiddelde temperatuur. Dit komt omdat het verband tussen energie en temperatuur niet lineair is. Beide mechanismen zijn nodig om de gemiddelde temperatuur van de Aarde te verklaren. In dit deel zullen we de opwarming van de Aarde proberen te verklaren vanuit de modellen van deel 6. De primaire oorzaak van de opwarming hebben we al eerder vastgesteld. Het is de stijging van het CO2-gehalte van de de atmosfeer. En dit wordt veroorzaakt door het alsmaar toenemend verbruik van fossiele brandstoffen zoals steenkool, aardolieproducten zoals kerosine, benzine,diesel en stookolie en aardgas. Maar hoe verloopt deze opwarming precies globaal en opgesplitst nar de breedtegraden en kunnen onze modellen dit verklaren? Hier over gaat dus dit deel van de serie artikelen.

Deze reeks begon met de vraag waarom het verschil tussen dag en nacht toeneemt. De meeste onderzoekers doen deze ontwikkeling af als niet relevant want het verschil hoort immers af te nemen en dus past het niet om deze vraag te stellen. Het klinkt naar ontkenning van de theorie van de antropogene opwarming van de Aarde. Maar het stellen van (de juiste) vragen daar draait het om bij onderzoek en niet het herhalen van wat als algemeen juist wordt verondersteld. Daar kom je niet zo heel veel mee verder. Het leverde de vaststelling op dat niet alleen de toename van CO2 tot opwarming van de Aarde kan leiden maar dat brightening dat ook doet. En in dit deel zullen we vaststellen dat een toename van het energie transport van de tropen naar de poolgebieden daar ook toe in staat is. Verder noemt de literatuur een belangrijk mechanisme waarom de poolgebieden veel sneller opwarmen dan de rest van de Aarde. Dit verschijnsel noemt men in de literatuur polaire amplificatie. Men gaat er van uit dat door de opwarming van de Aarde er minder sneeuw en vooral veel minder zee-ijs aanwezig zal zijn. Beide zijn wit en reflecteren veel zonlicht. Meer dan zeewater doet. Hierdoor wordt er meer zonlicht geabsorbeerd en krijg je extra opwarming. Dit is een voorbeeld van een positieve terugkoppeling. In de literatuur spreekt men hier van de ijs albedo feedback. We zullen alle vier mechanisme onderzoeken aan de hand van het 19 zone model dat we in deel 6 hebben ontwikkeld door dit model aan te passen. We voegen de nodig dingen toe aan het model en gaan vervolgens simulaties toevoegen voor de vier genoemde mechanismen om te kijken hoe dit er uit komt te zien. Dit doen we zowel globaal als wel opgesplitst naar de breedtegraden. Dit resultaat geven we weer in tabellen en grafieken. Vervolgens zullen we onderzoeken of een van genoemde effecten in zijn eentje in staat is om de opwarming van de Aarde te verklaren door zowel naar de globale opwarming te kijken als wel naar de breedtegraden. Dit doen we voor alle vier mechanismen. Hierna zullen proberen om tot een verklaring te komen van de opwarming van de Aarde door uit te gaan van een mix van mechanismen en kijken hoe goed dit er uit ziet. We sluiten het geheel af met de conclusies en een literatuurlijst.

Vaststellen van de opwarming

De eerste stap is het vaststellen van de opwarming van de aarde zoals die heeft plaatsgevonden. Dit doen we zowel globaal als wel opgesplitst naar breedtegraad. Opwarming stellen we vast door twee perioden van elk 30 jaar met elkaar te vergelijken. De tijdreeks die we gebruiken loopt van 1948 tot het heden. Periode 1 loopt van 1950 tot en met 1980 en periode 2 loopt van 1990 tot (en met) 2020 hoewel het laatste jaar nog niet voorbij is en dus niet mee doet. Van beide perioden is de gemiddelde temperatuur bepaald. Opwarming is gedefinieerd als het verschil tussen periode 2 en periode 1. Dit is zowel globaal als per breedtegraad bepaalt. Dit is onze waarneming voor de opwarming en dit is dus wat met behulp van ons model verklaard dient te worden. De globale opwarming die op deze wijze is vastgesteld bedraagt dan 0,33°C en de gemiddelde opwarming voor de beide poolgebieden bedraagt 1,84°C. Dat is een factor 5,6 hoger dan globaal. De polaire amplificatie is heel groot en duidelijk zichtbaar. De opwarming van de Aarde(AGW) is als een aparte kolom in het model opgenomen. Dit is de eerste aanpassing van ons model. Een andere aanpassing is dat we de temperatuur zoals waargenomen niet meer het gemiddelde is van de hele periode nemen maar het gemiddelde van periode 1. Dit is de uitgangssituatie. Hier komt dan de opwarming bij en het resultaat is precies het gemiddelde van periode 2. In een echte wereld zal het niet lukken om dit ook precies te kunnen verklaren. Doel van het onderzoek is uit te zoeken of het mogelijk is dat we min of meer in de buurt komen. In de volgende paragraaf komen de mechanismen aan bod waar mee men de opwarming eventueel kan verklaren. Er komen uit mijn onderzoek en de literatuur vier mechanismen naar voren.

De mechanismen

We hebben vier mechanismen gevonden waar mee we de opwarming van de aarde kunnen verklaren. Het is het beste om elk mechanisme toe te voegen als een aparte kolom. Dit is het meest overzichtelijk. De vier mechanismen zijn; de toename van het CO2-gehalte dit wordt ook wel de CO2-forcing genoemd. Het mechanisme van brightening dat wil zeggen dat door vermindering van luchtvervuiling de atmosfeer transparanter is geworden en een groter percentage van beschikbare zonne-energie het oppervlakte kan bereiken, als derde mechanisme is er een toename van het energie transport van de tropen naar de poolgebieden. Doordat het verband tussen energie en temperatuur niet lineair is geeft dit een toename van de globale temperatuur, dat wil zeggen dat dit bijdraagt aan de opwarming van de Aarde. En last but not least is er de ijs albedo feedback. Dit wordt in de literatuur als het voornaamste mechanisme gezien om de polaire amplificatie te verklaren. Laat ons elk van deze mechanismen eens apart onderzoeken;

Toename van het CO2-gehalte

Dit is het meest gangbare mechanisme in de literatuur. Het CO2-gehalte van de atmosfeer is flink gestegen. In 1965 het zwaartepunt van periode I bedroeg het 320 ppm en in 2005 het zwaartepunt van periode II bedroeg het 380 ppm. Dat is een toename van 19% in 40 jaar tijd. All things equal leidt een stijging van het kooldioxide gehalte van de atmosfeer tot een opwarming van de Aarde. Dit komt omdat CO2 veel meer infrarood kan absorberen dan de overige gassen in de atmosfeer zoals stikstof, zuurstof en argon. Deze drie gassen zijn goed voor ruim 99% van de samenstelling van de atmosfeer maar absorberen maar heel weinig warmtestralen zoals infrarood ook wel wordt genoemd. De bronnen van de infrarode straling zijn enerzijds de zon. Deze schijnt behalve zichtbaar licht en ultraviolet ook aanzienlijke hoeveelheden infrarood in in de atmosfeer. De andere bron van infrarood is de Aarde. Bij een temperatuur van gemiddeld 15 graden Celsius straalt de Aarde uitsluitend infrarood uit. CO2 absorbeert beide vormen van infrarood. Overdag zijn beide bronnen beschikbaar. ‘s-nachts is alleen de Aardse bron beschikbaar. Meer kooldioxide in de atmosfeer leidt tot meer absorptie van infrarood. Dit leidt overdag tot een toename van de opwarming en ‘s-nachts tot een afname van de afkoeling. Beide processen leiden tot een toename van de gemiddelde temperatuur van de atmosfeer. Doordat de atmosfeer warmer wordt straalt het meer infrarood uit. Ook naar het oppervlakte van de Aarde. Omdat de atmosfeer een relatief ijl gasmengsel is doet kooldioxide dit via de absorptie lijnen van het gas. Hierdoor warmt het oppervlakte op. Dit straalt dan meer infrarood uit en dit wordt dan weer deels door de atmosfeer geabsorbeerd. Dit is een zichzelf versterkend mechanisme. Hierdoor warmt de Aarde op als er een toename is van kooldioxide. Het is de mens die zorg draagt voor de toename door steeds meer fossiele brandstof te verbruiken. Dit is dus het eerste en voor menig klimatoloog zelfs het enigste mechanisme dat telt. Dat is een enigszins beperkte opvatting zoals we zullen zien. Het CO2 is zoals het IPCC heeft vastgesteld een well-mixed greenhouse gas. Het gehalte aan CO2 is zo’n beetje overal gelijk en dat geldt ook voor de relatieve toename. Ook die is overal gelijk. Vandaar dat we voor iedere breedtegraad een zelfde CO2-forcing hanteren. Dit hoeft niet noodzakelijke wijze waar te zijn maar je moet nu eenmaal ergens beginnen in je onderzoek. CO2-forcing is de extra energiestroom die door toename van het kooldioxide gehalte wordt gegenereerd. Hierna gaan we over op de vraag hoe brightening aan het model toe te voegen.

Brightening

Brightening is het omgekeerde van dimming. In de periode van 1948 tot 1975 vond niet alleen een grote toename plaats van CO2-emissies maar ook heel veel luchtvervuiling. Hierdoor werd de atmosfeer minder doorzichtig voor zonlicht. Minder van de beschikbaar zonne-energie wist het oppervlakte te bereiken. Het werd daar door niet warmer wat door de toename van het CO2-gehalte had moeten gebeuren. Het werd juist kouder in deze periode. Dat geeft dus aan dat dimming een uiterst krachtig mechanisme was. Brightening is het omgekeerde van dimming. Luchtvervuiling is heel schadelijk voor het milieu, de natuur maar ook voor de volksgezondheid. Regeringen namen maatregelen met als gevolg dat vanaf 1975 de atmosfeer weer wat schoner werd en daardoor werd het weer doorzichtiger voor zonlicht. Een groter deel van de beschikbare zonne-energie weet nu het oppervlakte te bereiken. De CO2-emissies zijn in deze periode niet afgenomen maar zelfs nog toegenomen. Het CO2-gehalte steeg en ook daardoor werd het warmer. Deze opwarming werd en wordt nog versterkt door het mechanisme van brightening. De opwarming sinds 1975 is dus slechts deels toe te schrijven aan de toename van het CO2-gehalte. Ook het mechanisme van brightening speelt hier in mee. Brightening is in het model ingepast door aan te nemen dat een extra percentage beschikbare zonne-energie het oppervlakte weet te bereiken. We hebben in deel 6 gezien dat maar heel weinig zonne-energie het oppervlakte van de poolgebieden weet te bereiken. Het effect in termen van extra energie is dus niet gelijkmatig verdeeld over de breedtegraden. Het is veel sterker aanwezig in de tropen dan elders. Dit heeft ook effect op het derde mechanisme namelijk toename van het energietransport van de tropen naar de poolgebieden. Hier over gaat de volgende paragraaf.

Toename van het energietransport

Toename van het energie transport is eigenlijk geen zelfstandig mechanisme. Het wordt uitgelokt door de beide andere mechanismen. Deze voegen extra energie toe aan de tropen. Maar de tropen hebben al een overschot aan energie. Dit is het deel van de zonne-energie dat ze niet in opwarming kunnen omzetten. Daarom omdat deze toegevoegde energie nu eenmaal ergens moet blijven wordt het uiteindelijk omgezet in extra energietransport naar de poolgebieden. Energie wordt in de klimaatwetenschap bepaald in termen van watt per vierkante meter. Het aantal vierkante meters in de tropen is veel groter dan in de poolgebieden. Dit scheelt ongeveer een factor 4,7. Dit houdt in dat een energiestroom die voor de tropen slechts een afname van 1 W/m2 bedraagt voor de poolgebieden neerkomt op een toename van de energiestroom van 4,7 W/m2. Dit geeft een enorme versterking voor poolgebieden en zorgt er (mede) voor dat de poolgebieden meer opwarmen dan de rest van de wereld. Dit geeft dus ook een verklaring voor de polaire amplificatie. Ook extra energietransport wordt toegevoegd als een extra kolom. In de literatuur wordt deze bijdrage aan de polaire amplificatie niet ten volle op waarde geschat. Men gaat er vanuit dat deze versterking uitsluitend tot stand komt door ijs albedo terugkoppeling. Hier over gaat de volgende paragraaf.

IJs albedo feedback

Door de opwarming van de poolgebieden smelt er meer sneeuw en vooral zee-ijs. Hierdoor komt de donkere oppervlakte vrij van de zee bij het verdwijnen van zee-ijs en onderliggende rots en toendra en bossen bij het verdwijnen van sneeuw. Deze donkere ondergrond absorbeert veel meer zonlicht dan het witte sneeuw en ijs. Daardoor krijg je extra opwarming. Extra energietransport doet dit eveneens. En ook nog eens in alle jaargetijden. In de poolwinter is er geen zonlicht om te weerkaatsen of te absorberen en toch zien we juist dan de grootste temperatuur anomalie. In de poolzomer daartegen zien we juist de minste opwarming. Maar dit kan veroorzaakt zijn doordat de extra energie in de zomer gebruikt wordt om meer zee-ijs en sneeuw te smelten. Dit kost ook energie. Er zijn dus twee positieve terugkoppelingen tegelijk aan het werk. De in de literatuur genoemde ijs albedo feedback en de door mij geformuleerde positieve terugkoppeling door extra energietransport. Ook deze feedback wordt toegevoegd als een extra kolom. Hiermee heb ik de belangrijkste toevoegingen gedaan aan het model van deel 6 en wordt het tijd om er mee te gaan spelen. Dat noemt men met een duur woord ook wel het uitvoeren van simulaties. Maar laten wij eerst een overzicht geven van het aangepast model uit deel 6.

Het aangepast model uit deel 6

Onderstaand plaatje geeft aan hoe het in deel 6 ontwikkeld model is aangepast om de vraag te beantwoorden hoe de opwarming van de Aarde verklaard kan worden uit de vier mechanismen zoals we die hebben afgeleid. Zie het plaatje;

01-tabel-agw-sim-verklaar-model

Figuur 1 – Het aangepast model uit deel 6

Een aantal kolommen in het aangepaste model zijn het zelfde gebleven, Dat geldt voor de weging, de breedtegraad, de hoeveelheid beschikbare zonne-energie, de albedo en de emissiviteit. De eerste belangrijke aanpassing is de temperatuur zoals gemeten. Deze was in deel 6 het gemiddelde van de hele periode van 1948 tot 2020. Dat is nu veranderd in het gemiddelde van periode 1 van 1950 tot en met 1980. Dat is de uitgangspositie van onze poging om de opwarming van de Aarde te verklaren. De kolom waarin geprobeerd wordt om de temperatuur uitsluitend vanuit de beschikbare hoeveelheid zonne-energie te verklaren is het zelfde gebleven. De kolom met de hoeveelheden energie die je tekort komt of juist te veel hebt is herberekend voor de temperaturen van periode 1. De vier mechanismen worden weergegeven in de kolommen L, M, N en O. Het gaat hier om extra energie die weergegeven wordt in W/m2. AGW, de opwarming van de Aarde, wordt weergegeven in kolom Q. Het resultaat van de simulaties wordt weergegeven in kolom R en in kolom S wordt gekeken in hoeverre de simulaties overeenkomen met de waarneming van de opwarming van de Aarde. Deze drie kolommen gaat het om opwarming en deze wordt weergegeven in °C. In de volgende paragraaf gaan we daadwerkelijk met de mechanismen aan de slag.

De simulaties

Bij de simulaties wordt steeds een mechanisme veranderd met gelijk houden van alle andere variabelen. Want het is het effect van het ene mechanisme wat we steeds willen onderzoeken en wel met name het effect in termen van temperatuur verandering in graden Celsius opgesplitst naar de breedtegraden. Uiteraard kijken we ook naar het globale effect. Het is voor deze reden dat zowel tabellen als wel grafieken worden weergegeven. In de tabellen zijn de globale effecten beter te volgen en in de grafieken juist het effect naar de breedtegraden.

We beginnen met de simulatie van de CO2-forcing. Deze wordt veroorzaakt door de toename van het CO2-gehalte. Het CO2-gehalte is overal gelijk en de toename is dit ook. Vandaar onze aanname dat de CO2-forcing overal gelijk is. In de volgende tabel hebben we enige waarden ingevuld voor de CO2-forcing in termen van extra energie erbij of juist eraf. Hier is de tabel;

02-tabel-sim-co2-forc

Tabel 1 – Simulatie van de CO2-forcing naar de breedtegraad

CO2-forcing is een krachtig mechanisme. Zelfs een heel kleine toename hiervan geeft een flink effect in termen van opwarming of als het CO2-gehalte zou afnemen kun je een flinke afkoeling van de Aarde verwachten. Alleen hebben we afname van het CO2-gehalte sinds het begin van de tijdreeks nog niet waargenomen. Dat wil niet zeggen dat het niet zou kunnen gebeuren. Dat is gewoon een kwestie van voldoende reducties van de CO2-emissies. En dat wordt bereikt door een forse reductie in het verbruik van fossiele brandstof. Dit heeft nog niet in voldoende mate plaats gevonden. Maar het kan dus dien je dit te onderzoeken. We kunnen het resultaat weergeven in de vorm van een grafiek. Dan zien we iets beter hoe dit patroon er uit ziet naar de breedtegraden. Hier is de grafiek;

03-grafiek-sim-co2-forc

Figuur 2 – Simulaties CO2-forcing naar de breedtegraad

De CO2-forcing is overal gelijk maar het effect is dit niet. Het effect in termen van opwarming is groter voor de poolgebieden dan voor de tropen. Dit komt omdat het verband tussen energie en temperatuur niet lineair is. De opwarming in de poolgebieden is dan ook een stuk hoger dan in de tropen. Maar of polaire amplificatie op deze manier kan worden verklaard? Dit is voor een volgende paragraaf. Hier gaat het uitsluitend om de simulaties. Wat gebeurt er als je kleine veranderingen in CO2-forcing toepast. Wat er gebeurt bij een verdubbeling van het CO2-gehalte kun je hier niet uit afleiden. Dat is geen kleine wijziging maar een zeer grote en zeer ingrijpende. Het is twijfelachtig of mijn simpele model dit soort klimaat schokken aankan. Het is bedoelt voor kleine dat wil zeggen incrementele stappen. Maar als je maar genoeg incrementele stappen zet ben je voor je het weet een heel eind in de richting van Rome. Gewoon stap voor stap kom je heel ver.

Hierna komt de simulatie van dimming en brightening aan de orde. Beide begrippen zijn gedefinieerd als percentuele wijzigingen in de hoeveelheid zonne-energie die beschikbaar zijn en die wel of niet door de atmosfeer weten te komen. Bij dimming wordt de atmosfeer minder doorzichtig en is het percentage kleiner geworden en zal het oppervlakte afkoelen. Bij brightening wordt de atmosfeer juist transparanter en zal een groter percentage van beschikbare zonne-energie het oppervlakte bereiken en zorgen voor opwarming. Hier volgt de tabel voor dimming en brightening;

04-tabel-dim-bright-bg

Tabel 2 – Dimming brightening naar de breedtegraden

Ook dimming en brightening zijn uiterst krachtige mechanismen. Tijdens periode 1 van 1948 tot 1975 was dimming dusdanig krachtig dat het de CO2-forcing volledig heeft onderdrukt en er voor zorgde dat het niet warmer werd wat op grond van de toename van het CO2-gehalte wel had moeten gebeuren. Het koelde toen juist af. Het kan dus wel. Alleen hangt er een heel hoog prijskaartje aan dimming. Want het werd veroorzaakt door extreme luchtvervuiling en dat is een heel slechte zaak voor de natuur, het milieu, oude monumenten maar ook voor de volksgezondheid. Als middel om de opwarming van de Aarde af te remmen is het niet geschikt. Vandaar dat regeringen in tal van landen besloten om iets te doen aan de luchtvervuiling. De lucht werd schoner en transparanter en toen kreeg je brightening. Als omgekeerde van dimming ook een heel krachtig mechanisme. Een flink deel van de opwarming in de periode sinds 1975 is toe te schrijven aan brightening. Ook dit mechanisme is antropogeen. Laat ons nu kijken hoe de grafiek er uit zit van dimming/brightening;

05-grafiek-dim-bright-bg

Figuur 3 – Simulatie van dimming/brightening naar de breedtegraad

Het patroon van dimming/brightening naar de breedtegraad is het omgekeerde van CO2-forcing. Bij CO2-forcing zag je dat het krachtiger optreedt in de poolgebieden dan in de tropen. Bij dimming/brightening is het juist niet zo. Dat is logisch want het gaat om het percentage beschikbare zonne-energie dat wordt doorgelaten of niet. En de hoeveelheid beschikbare zonne-energie is veel groter voor de tropen dan voor de poolgebieden. Vandaar dat je dit specifieke patroon krijgt.

Nu komen we toe aan de verandering van het energietransport van de tropen naar de poolgebieden. Het kan in beide richtingen, dat wil zeggen het energietransport kan toenemen of juist afnemen. Het energietransport vindt ook plaats als de gemiddelde temperatuur van de Aarde gelijk blijft. De tropen krijgen zoveel zonne-energie dat ze niet in staat zijn om alles in warmte om te zetten. Daarom wordt een deel door gegeven naar de poolgebieden. Deze poolgebieden krijgen gemiddeld per jaar heel weinig zonne-energie waarvan ook nog eens een groot deel van weerkaatst wordt. Zonder het energietransport zouden ze nog veel kouder zijn dan ze zo al zijn. Door verandering in de CO2-forcing of bij dimming of brightening wijzigt de hoeveelheid energie van de tropen. Bij een toename van de energie van de tropen zal het energietransport ook toenemen en bij en afname ervan juist afnemen. Energie wordt weergeven in termen van de hoeveel Watts per vierkante meters. Het aantal vierkante meters van de tropen is veel groter dan at van de beide poolgebieden bij elkaar. Dit scheelt ongeveer een factor 4,7. Dus als de tropen een extra hoeveelheid energie transporteren van 1 W/m2 dan krijgen de poolgebieden er een hoeveelheid van 4,7 W/m2 bij. Een vermindering van 1 W/m2 voor de tropen maakt niet zo heel veel uit. Het is er dusdanig warm dat dit niet veel uitmaakt maar 4,7 W/m2 er bij voor de poolgebieden maakt heel veel uit voor de poolgebieden. Dit zorgt er voor dat de poolgebieden veel sneller opwarmen dan de rest van de wereld. Maar een toename van energietransport van de tropen naar de poolgebieden zorgt er ook voor dat de gemiddelde temperatuur van de Aarde toeneemt. Dit komt omdat het verband tussen energie en temperatuur niet lineair is. Tevens zal er een afkoeling plaatsvinden van de tropen. Laten we eens kijken hoe dit er uit ziet in tabelvorm;

06-tabel-sim-et

Tabel 3 – Simulaties voor energietransport tropen naar poolgebieden

Dit mechanisme valt globaal minder sterk uit. Het is strikt genomen ook geen zelfstandig mechanisme maar een voorbeeld van een positieve terugkoppeling. Positief wil zeggen dat deze terugkoppeling er voor zorgt dat het effect van bijvoorbeeld de CO2-forcing of de brightening wordt versterkt. Dit in tegenstelling tot een negatieve terugkoppeling die juist voor een afzwakking zorgt. Er staan een hele reeks van vooral positieve terugkoppelingen in de literatuur en eigenlijk maar een negatieve. Laat ons nu eens kijken naar de grafiek van veranderingen in energietransport;

07-grafiek-sim-et

Figuur 4 – Simulaties energietransport tropen naar poolgebieden

In deze grafiek zien we het meest uitgesproken patroon naar de breedtegraden. Omdat een toename van het energietransport energie onttrek aan de tropen koelen deze enigszins af maar niet zo heel erg veel. Maar de poolgebieden laten in dit geval juist een heel sterke opwarming zien. Bij een vermindering van het energietransport vindt er juist een heel sterke afkoeling plaats van de poolgebieden. Er was een afkoeling ten tijde van de periode van dimming van 1948 tot 1975 en toen vond dit effect plaats. Verandering van energietransport is volgens mij het meest voor de hand liggende manier om te verklaren waarom juist de poolgebieden het meest zijn opgewarmd.

Last but not least gaan we ons nu bezighouden met wat in de literatuur de ijs albedo feedback wordt genoemd. Ook dit is dus een terugkoppeling die in werking wordt gesteld door de beide mechanismen van CO2-forcing en brightening. Het is geen zelfstandig mechanisme. De ijs albedo feedback voegen we toe door er van uit te gaan dat de albedo van het oppervlakte kleiner wordt. Daarvoor moeten we eerst kijken hoe groot deze bijdrage is. In een eerder onderzoek gingen uit van een TSI van 1368 W/m2. Toepassen van de cirkel methode geeft dan 342 W/m2 globaal gemiddeld aan zonne-energie. Daarvan wordt 30 W/m2 weerkaatst door het oppervlakte en dat is 30/342 = 9%. We dienen de albedo te verminderen met 9% maal de fractie dat de weerkaatsing is veranderd. Dat is een kwestie van trial and error. Deze vermindering vermenigvuldigen we hierna met de hoeveelheid zonne-energie die beschikbaar is. Dit is de extra energie die door het oppervlakte wordt geabsorbeerd. We voegen dit mechanisme alleen toe voor de breedtegraden van het noordpoolgebied en het zuidpoolgebied. Alleen daar heb je dusdanig veel sneeuw en ijs dat het een rol kan spelen. Omdat deze 6 breedtegraden maar een heel klein gewicht in de schaal werpen is het globale effect in graden Celsius niet zo heel erg groot. Het toevoegen van een tabel levert dan ook niet veel extra informatie op en wordt achterwege gelaten. Alleen de grafiek van deze feedback wordt hier weergegeven;

09-sim-ijs-a-fb-bg

Figuur 5 – Simulaties voor de ijs albedo feedback

Dit effect treed alleen op in de poolgebieden. Alleen daar zijn grote hoeveelheden sneeuw en ijs aanwezig die zouden kunnen smelten. Het is een redelijk krachtig mechanisme voor de opwarming of juist afkoeling van de poolgebieden. Het ziet er naar uit dat dit effect veel krachtiger is voor de minder hoge breedtegraden van de poolgebieden. Dat is logisch want daar is veel meer zonne-energie aanwezig die geabsorbeerd kan worden als ijs en sneeuw verdwenen zijn. De vraag rijst hoe sterk het mechanisme zou kunnen zijn als er grote hoeveelheden sneeuw en ijs zouden kunnen smelten in de hogere breedtegraden van de gematigde zones. Daar zou het effect nog veel krachtiger zijn alleen heb je daar geen grote hoeveelheden sneeuw en ijs om te smelten. Maar die waren er wel tijden de ijstijden. Toen had je enorme ijskappen op plaatsen waar nauwelijks nog gletsjers voorkomen. Die extra ijskappen waren bijvoorbeeld in Scandinavië, de Britse eilanden en de alpen. Ook in Noord Amerika had je reusachtig grote ijskappen in die tijd. Voor de ijstijden moet dit een heel sterk mechanisme zijn geweest.

Voor zover de simulaties van de vier genoemde mechanismen. In de volgende paragraaf gaan we proberen om de opwarming zoals die heeft plaatsgevonden te verklaren vanuit deze mechanismen. We gaan de mechanismen eerst een voor een uitproberen om te zien hoe goed ze in hun eentje hier toe in staat zijn.

Verklaring van de opwarming

In deze paragraaf gaan we proberen om de globale opwarming van de Aarde eerst te verklaren vanuit een enkel mechanisme. Ieder mechanisme wordt in dusdanige mate toegevoegd aan het model dat het globaal zo precies mogelijk klopt. Vervolgens wordt gekeken of het ook klopt voor het patroon naar de breedtegraden. Van iedere mechanisme geven we een grafiek weer en geven we weer in hoeverre het lukt. We beginnen met het mechanisme dat het meest genoemd wordt in de literatuur en waarbij de indruk wordt gewekt dat het eigenlijk het enigste is dat er toe doet en dat is de CO2-forcing;

10-agw-co2-only

Figuur 6 – Verklaring vanuit de CO2-forcing

Zoals te zien is klopt het heel goed globaal. Dat is niks bijzonders. Daar hebben we zelf voor gezorgd. Maar waar het ons om gaat is hoe goed wordt het patroon naar de breedtegraad verklaard. En dat lukt niet zo heel erg goed. De veel grotere opwarming die we voor de poolgebieden waarnemen wordt nauwelijks verklaard.

We gaan nu proberen om de opwarming te verklaren van uit het mechanisme van brightening. Het resultaat van deze poging staat in het volgende plaatje;

11-agw-verklaard-brightening

Figuur 7 – Verklaring vanuit de brightening

Hier geldt het zelfde als voor de CO2-forcing. Het klopt globaal heel mooi maar daar hebben we zelf voor gezorgd. Wat we willen weten is of het patroon naar de breedtegraden ook verklaard wordt en dit is niet het geval. De veel hogere opwarming naar de breedtegarden wordt niet verklaard.

Vervolgens kijken we naar het mechanisme van extra energietransport van de tropen naar de poolgebieden. We hebben al vast gesteld dat dit niet zo zeer een mechanisme is maar eerder een vorm van positieve terugkoppeling. Zo is het ook opgenomen in het aangepaste model. Als we genoeg extra toevoegen om de globale opwarming te kunnen verklaren hoe ziet het plaatje er dan uit? Wel als volgt;

12-agw-verklaard-et

Figuur 8 – Verklaring vanuit extra energietransport

De mate van globale opwarming klopt uiteraard heel goed. Daar hebben we tenslotte voor gezorgd. Opgesplitst naar de breedtegraad klopt de vorm heel goed maar de omvang van de opwarming voor de poolgebieden is veel te hoog. Maar het geeft wel goed weer waartoe deze terugkoppeling in staat is. Tijdens de ijstijden zal ook dit een heel krachtige terugkoppeling zijn geweest.

Als laatste gaan we proberen of de opwarming van de Aarde kunne verklaren uitsluitend door gebruik te maken van de is albedo feedback. Dit kan althans theoretisch. De naam zegt het al. Het is een feedback dat wil zeggen een terugkoppeling en wel een positieve. Toch zullen we kijken wat je krijgt als je dit gaat proberen. Het resultaat ziet er als volgt uit;

13-agw-uit-ijs-a-fb-only

Figuur 9 – Verklaring vanuit de ijs albedo feedback

De ijs albedo feedback geeft de vorm van de opwarming vrij goed weer. Maar is alleen werkzaam in de beide poolgebieden. Daarbuiten zijn geen grote hoeveelheden ijs en sneeuw die kunnen smelten. Dus kan het ook geen opwarming verklaren buiten de poolgebieden. Terwijl daar wel degelijk sprake is van opwarming. Dus ook dit mechanisme kan de opwarming van de Aarde niet in zijn eentje verklaren. Laten we nu het verhaal van de verklaringen afronden.

Conclusie: Je kunt de globale opwarming en de vorm van de opwarming heel goed verklaren vanuit een van de twee terugkoppelingen maar die treden niet alleen op. Ze worden als het ware uitgelokt door de beide globale mechanismen van CO2-forcing en brightening. Maar wil je ook de waarden van het patroon goed verklaren dan kan dit uitsluitend vanuit de aanname dat er sprake is geweest van een mix van mechanismen. Voor de verklaring van de globale tijdreeks ging ik in deel 1 er al vanuit dat je voor de opwarming die vanaf 1975 plaatsvindt uit dient te gaan van een mix van CO2-forcing en brightening. Voor de verklaring van het patroon en omvang naar de breedtegraden dien je hier de terugkoppelingen toe te voegen van extra energietransport van de tropen naar de poolgebieden en de ijs albedo feedback. De eerste terugkoppeling wordt veroorzaakt doordat de tropen een overschot aan energie hebben en dit exporteren naar de poolgebieden die een tekort hebben. Extra toegevoegde energie uit welke bron dan ook aan de tropen zal voor een groot deel worden door gegeven aan de poolgebieden. Dit zal niet voor 100% zijn want dan zou er geen opwarming plaatsvinden in de tropen en dit is wel degelijk het geval. Een aanzienlijk deel zal worden door gegeven maar hoeveel precies is een kwestie van trial and error. Dat wil zeggen het is een kwestie van uitproberen en vervolgens lijken wat het wordt.

We gaan voor de mix uit van een combinatie van 50% CO2-forcing en 50% brightening. Je moet nu eenmaal ergens van uit gaan. Vervolgens gaan we het gemiddelde vaststellen van de extra energie die de tropen erbij krijgen. Een zeker maar hoog percentage hiervan wordt door gegeven aan de poolgebieden in de vorm van extra energietransport. We gaan deze mix in een dusdanige hoeveelheid toevoegen da het globaal precies goed is. We gaan vervolgens dingen uitproberen. Hierbij komen we uit op het volgende; Van de extra energie die de tropen erbij krijgen door CO2-forcing en brightening wordt 85% doorgegeven naar de poolgebieden. We hadden al vastgesteld dat het oppervlakte 9% van de beschikbare zonne-energie weerkaats. We gaan er vanuit (je moet nu eenmaal iets) dat het smelten van sneeuw en zee-ijs er toe leidt dat de albedo van het oppervlakte met 20% verminderd. Dat betekent dat de poolgebieden 4,5 % extra aan beschikbare zonne-energie zullen absorberen. Dit leidt tot extra opwarming in de poolgebieden. De vier mechanismen worden een voor een uitgeprobeerd om te zien wat ze afzonderlijk bijdragen aan de opwarming van de Aarde. Daarbij houden we de overige mechanismen op nul. Daarna tellen we de afzonderlijke mechanismen bij elkaar op en vergelijken we de resultaten van de simulaties met de werkelijke opwarming globaal en per breedtegraad. Het resultaat geven we in de vorm van een tabel en twee grafieken en dan beoordelen we in hoeverre de mix goed weergeeft wat we willen verklaren. De poging om de waarneming van de opwarming van de Aarde uit de mix te verklaren ziet er in tabelvorm als volgt uit;

14-agw-verklaard-tabel-mix

Tabel 4 – Verklaring van de AGW globaal en naar de breedtegraad

De mix van mechanismen is CO2-forcing die globaal 0,34 W/m2 bedraagt en globaal 0,11°C van de totale opwarming van 0,30°C verklaard. Brightening is even sterk in termen van W/m2 en draagt bijna net zoveel bij aan de globale opwarming. Geen van beide mechanismen kan de specifieke vorm verklaren van de opwarming naar de breedtegarden. Dat kan alleen door de beide terugkoppelingen in het spel te brengen. Deze treden niet alleen op maar slechts in combinatie met de mix van de beide globale mechanismen. Alle vier mechanismen dragen bij aan de globale opwarming. Laten we de tabel weergeven in de vorm van een grafiek en kijken wat dit oplevert;

15-agw-verklaard-grafiek-1

Figuur 8 – Grafiek verklaring van de AGW globaal en naar breedtegraad

Het resultaat van de mix klopt heel redelijk. Het enige wat echt uit de toon valt is het gebied van de Zuidpool van 85 ZB tot de zuidpool. Dit wijkt best wel veel af. Dit kan er aan liggen dat dit gebied hoog licht en daardoor minder opwarming ervaart dan lager gelegen gebieden. Maar dit is een ad-hoc verklaring en daar moet je altijd voorzichtig mee zijn. Het effect van de hoogte op de het tempo van de opwarming is niet onderzocht.

Als laatste kijken naar de bijdrage die de vier afzonderlijke mechanismen hebben op de verklaring van de opwarming van de Aarde. Dit geven we weer in de vorm van een grafiek;

16-agw-verklaard-sims-grafiek-2

Figuur 9 – Bijdrage van de afzonderlijke mechanismen aan de verklaring

Voor de globale opwarming leveren de beide globale mechanismen van de CO2-forcing en de brightening de grootste bijdrage maar voor de vorm naar de breedtegraden zijn het vooral de beide terugkoppelingen die bepalend zijn. Het zijn de verandering in het energie transport van de tropen naar de poolgebieden en de ijs albedo terugkoppeling die er voor zorgen dat de poolgebieden veel sneller opwarmen dan de rest van de wereld. Dit is een duidelijk beeld dat uit de simulaties en de poging tot verklaring volgt. Hiermee zijn we aan het einde van deel 7 gekomen en kunnen we over gaan tot de conclusies en afsluiten met de literatuurlijst

Conclusies

Ook deel 7 gaat over verklaringen net zoals deel 6. In deel 6 ging het erom om de gemiddelde temperatuur van de Aarde te verklaren. Het bleek te gaan om de hoeveelheid zonne-energie en de herverdeling ervan over de breedtegraden. Beide zijn nodig om het patroon van de gemiddelde temperatuur te bepalen. In dit deel gaat het er om de opwarming van de Aarde te verklaren. Hiervoor dienen we de opwarming van de Aarde eerst te definiëren. Dit doen we door het verschil te nemen in gemiddelde temperatuur van periode 2 (1990-2020) en periode 1 (1950-1980) zowel globaal als per breedtegraad. Dit is onze waarneming en deze waarneming proberen met behulp van onze mechanismen zo goed mogelijk te verklaren. Ook dit is een belangrijk doel van de wetenschap. In deel 1 – De opwarming van de aarde zijn de twee globale mechanismen al benoemd namelijk de CO2-forcing en brightening. Het eerste wordt veroorzaakt door de toename van het CO2-gehalte dat weer veroorzaakt wordt door de toename van het verbruik van fossiele brandstoffen. Dit zal leiden tot opwarming van de Aarde mits er geen tegengestelde mechanisme is dat dit verhinderd. Zo’n mechanisme is dimming en dat is de overige luchtvervuiling die onder andere voortkomt uit het verbruiken van fossiele brandstoffen. Dit heeft in de periode tot 1975 de opwarming van de Aarde verhinderd. Daarna kregen een reeks van maatregelen die regeringen namen tegen deze luchtvervuiling effect en werd de lucht weer schoner. Hierdoor werd de lucht ook transparanter voor zonne-energie. Een groter deel va de beschikbare zonne-energie wist het oppervlakte te bereiken. Dit mechanisme noemt men brightening. Het zorgt er voor dat de Aarde meer opwarmt dan alleen op grond van de stijging van het CO2-gehalte mogelijk zou zijn. Beide mechanismen zijn antropogeen dat wil zeggen door d mens veroorzaakt. Dit zijn de globale actieve mechanismen in het model. Naast de beide globale mechanismen zijn er ook nog twee mechanismen die vooral in de poolgebieden actief zijn. Het gaat om een toename of afname van het energietransport van de tropen naar de poolgebieden en ijs albedo feedback. Het zijn geen zelfstandige mechanismen maar voorbeelden van een positieve terugkoppelingen. Ze versterken de globale mechanismen en dan met name in de poolgebieden hoewel beide ook globaal door werken. Als het warmer wordt op aarde zorgen ze voor extra opwarming en als het kouder wordt zorgen ze voor extra afkoeling en werken met name door in de beide poolgebieden. In de periode van 1948 tot 1975 was sprake van globale afkoeling. Het kan dus wel degelijk. Alles wat nodig is is een forse reductie in CO2-emissies. En dat bereik je door een forse reductie in het gebruik van fossiele brandstoffen. Alle deze mechanismen worden in het model onder gebracht. Op deze wijze kun je overgaan tot simulaties om te kijken wat elk mechanisme doet globaal en verdeeld over de breedtegraad. Dit levert een reeks van tabellen en grafieken op. Het blijkt dat de globale mechanismen het globale patroon van opwarming of afkoeling goed kunnen weergeven maar het patroon over de breedtegraden wordt beter weergegeven door de beide terugkoppelingen. Ook is gekeken in hoeverre de opwarming van de Aarde zowel globaal als over de breedtegraden verklaard kan worden door een enkel mechanisme waarbij we de globale opwarming zo precies mogelijk vastzetten. Geen enkel van de vier mechanismen kan het globale patroon en de opsplitsing naar de breedtegraden goed weergeven. Hiervoor is een mix nodig van alle vier. Dat is een kwestie van CO2-forcing en brightening in gelijke mate inzetten en dan via trial and eror de beide terugkoppeling in de juiste mate toe te voegen. Het resultaat ziet er goed uit. Dit geldt des te meer omdat dit een heel eenvoudig model is dat nagenoeg geen enkele informatie van het oppervlakte van de Aarde bevat anders dan de temperatuur en de opwarming die verklaard dienen te worden. Eenvoudiger dan dit kun je het niet krijgen. In dit opzicht is het een goed model en een geslaagde poging om ook de opwarming van de Aarde te verklaren. Verklaren is een belangrijk doel van de wetenschap. In de literatuur worden CO2-forcing en de ijs albedo feedback het meest genoemd en wel zo vaak dat je de indruk krijgt dat brightening en verandering van energietransport geen rol van betekenis spelen. Dat is een vertekend beeld. Ze spelen net zo goed hun rol. Je hebt alle vier mechanismen nodig om tot een goede verklaring van de opwarming van de Aarde te komen.

Literatuurlijst

Wikipedia – Klimaatverandering

Wikipedia – Opwarming van de aarde

Wikipedia – Polaire amplificatie

Wikipedia – Zee-ijs

Wikipedia – terugkoppeling

Wikipedia – Positieve terugkoppeling

Wikipedia – Negatieve terugkoppeling

Wikipedia – Stralingsbalans

Wikipedia – Zonlicht en energie

Wikipedia – Aardse straling

Wikipedia – Global dimming

Het is altijd handig om eerst eens te gaan kijken wat Wikipedia te vertellen heeft over een onderwerp. Het is de online encyclopedie. Naast de Nederlandstalige versie bestaat er ook de Engelstalige versie met vaak nog veel meer info over een onderwerp. Op deze manier kun je vrij vlot een algemeen beeld krijgen over je onderwerp.

De nieuwe editor van WordPress is zo’n vervelend rotding. Ik wil mijn oude vertrouwde editor terug. Alles duurt opeens minstens twee keer zolang.

Over Raymond Horstman

Onderzoeker, analist, schrijver. Havo B-pakket, HBO analytische chemie en propedeuse Bestuurskunde aan de Universiteit van Twente. Een brede belangstelling in algemene zaken en een bijzondere interesse in klimaatstudies. Mijn woonplaats wordt door een bekend schrijver die er gewoond heeft omschreven als het "onliefelijk stadje E.". Een bekend dichter had het over het einde van de spoorlijn. Het is een fijne stad om in te wonen. Kort samengevat: E. heeft het!
Dit bericht werd geplaatst in Geen categorie en getagged met , . Maak dit favoriet permalink.

2 reacties op Deel 7 – De simulaties en verklaring voor opwarming

  1. Pingback: Overzicht van de nieuwe serie artikelen | Raymond FANTASTische Horstman

  2. Pingback: Deel 8a – De vier seizoenen – model en dataverzameling | Raymond FANTASTische Horstman

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.