V - Atmosfeer en klimaat - SRON Netherlands Institute for Space Research

Atmosfeer en klimaat op aarde: Hoe snel zullen veranderingen plaatsvinden?

Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links

Wat weten we niet?

Het leven op aarde heeft een grote invloed op de atmosfeer. Anderhalf miljard jaar na het ontstaan van de aarde ontstaat voor het eerst via biologische activiteit zuurstof. Dat wordt vrijwel direct weer vastgelegd in gesteente zoals krijt (kalk). Pas 500 miljoen jaar geleden is de hoeveelheid zuurstof op het huidige niveau gekomen. Sindsdien is de samenstelling van de atmosfeer niet veel veranderd. Stikstof is het belangrijkste gas, gevolgd door zuurstof en argon. Ongeveer 0,1% van de atmosfeer bestaat uit sporengassen, zoals kooldioxide en methaan. Samen met waterdamp zorgen die twee laatste gassen voor het natuurlijke broeikaseffect. Zonder dat effect zou de aarde een ijsplaneet zijn met een gemiddelde temperatuur van bijna -20 °C. In werkelijkheid is de gemiddelde temperatuur ongeveer 14,5 °C, en is de aarde een leefbare planeet. De sporengassen hebben dus een relatief groot effect en de ‘thermostaat’ van de aarde is dan ook erg gevoelig voor de hoeveelheid van deze gassen in de atmosfeer.

Hoe die thermostaat precies werkt weten we niet. En dat is politiek-maatschappelijk-economisch vervelend, omdat onze hoog-technologische beschaving heel erg afhankelijk is van het (leefbare) klimaat op aarde. Het klimaat is het gevolg van een ingewikkeld geheel aan kringlopen en processen. Er is veel wat we niet weten:

Broeikasgassen. De hoeveelheid sporengassen in de atmosfeer met een broeikaswerking neemt op dit moment sterk toe als gevolg van menselijke activiteit. Daarnaast zorgen natuurlijke bronnen zoals vulkanen voor een wisselende bijdrage. Hoe gaat die ontwikkeling verder?
Koppelingen. Tussen de broeikasgassen, de oceanen en de landoppervlakten bestaan koppelingen waarvan de werking deels nog slecht bekend is. De koppelingen en de ligging van evenwichten zijn vaak afhankelijk van de temperatuur. De aard kan zowel positief zijn (meer van het ene leidt tot meer van het andere) als negatief (toename van het ene leidt tot afname van het andere). Kennen we alle koppelingen en weten we hoe ze op elkaar inwerken?
Aerosolen. Koppelingen en evenwichten bestaan ook binnen de atmosfeer zelf. Met name de hoeveelheid bewolking en de concentraties stof en deeltjes in de atmosfeer (aerosolen) beïnvloeden de zonnestraling die het aardoppervlak bereikt. En de manier waarop die weerkaatst naar de ruimte. Maar wat de invloed van aerosolen precies is, is niet goed bekend.
Geofysica. Het klimaat op aarde is op de lange termijn ook afhankelijk van geofysische factoren zoals de verdeling van continenten, de hoogte van het landoppervlak en de morfologie van de oceaanbodem. Deze factoren werken op de lange termijn. Er zijn ook kortetermijnfactoren, zoals supervulkaanuitbarstingen die grote hoeveelheden stof en gassen in de atmosfeer blazen. Wat bepaalt precies de vulkanische activiteit?
Zonnestelsel. Het klimaat op aarde is ook afhankelijk van periodieke en toevallig optredende factoren. Sommige werken op lange tijdschalen, zoals de langzaam toe- en afnemende excentriciteit van de aardbaan om de zon. We weten dat dit in het verleden aanleiding is geweest voor het optreden van ijstijden en warmere tussenperioden. Maar hoe ijstijden precies ontstaan, is niet goed bekend. En dan zijn er wisselingen in de activiteit van de zon, of kan een grote meteoriet inslaan op aarde. Ook dat bepaalt het klimaat, maar hoe precies?

Wat weten we wel?

De wetenschappelijke aanpak om iets te weten te komen over toekomstige veranderingen in de atmosfeer en het klimaat komt neer op het maken van modellen die de werkelijkheid zo goed mogelijk nabootsen. De ijking van deze modellen gebeurt aan de hand van het klimaat uit het verleden. Het is vooral nodig om de koppelingen in de atmosfeer, de oceanen en de bodem beter te leren te kennen. Ook de studie van atmosferen van Mars en Venus – die je kunt beschouwen als anders ingestelde ‘cases’ – draagt bij aan een beter begrip van de aardse atmosfeer en het klimaat. Wat we weten we eigenlijk wel over het aardse klimaat?

Broeikasgassen. De concentratie van kooldioxide in de atmosfeer is nu ruim 390 delen per miljoen en neemt jaarlijks met 2 delen toe. Op de groei zit een jaarlijkse fluctuatie als gevolg van het groeiseizoen op het noordelijk halfrond waar zich de meeste landplanten bevinden. Het huidige niveau, en de snelheid van toename, is zeker het hoogste in de afgelopen 800 jaar en vermoedelijk ook in de laatste 20 miljoen jaar.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: broeikasgassen{end-link}Er zijn tientallen natuurlijke bronnen van kooldioxide, zoals het rotten van afgestorven planten, ademhaling en bosbranden. De vulkanische uitstoot is goed bekend en bedraagt circa 1% van de bronnen die door de mens worden veroorzaakt. Bij dat laatste blijkt het verbranden van fossiele brandstof het belangrijkste, gevolgd door ontbossing. De natuurlijke bronnen zijn over het algemeen in evenwicht met de natuurlijke ‘putten’: processen waarmee kooldioxide wordt opgeslagen, zoals in zeewater.

Deze putten blijken ook ongeveer de helft van de door menselijke activiteit uitgestoten kooldioxide op te vangen; meer kunnen ze niet aan. De rest blijft daarom in de atmosfeer achter en zorgt voor de gemeten toename. Met voorspellingen over de groei van het gebruik van fossiele brandstoffen is de steeds sneller toenemende kooldioxideconcentratie goed te voorspellen. Verder is bekend dat de zogeheten relaxatietijd van het broeikaseffect als gevolg van kooldioxide erg lang is. Als je alle uitstoot per direct zou stoppen, heeft dat de eerste duizend jaar geen temperatuurdaling tot gevolg. Het huidige effect van het versterkte broeikaseffect is dus op de tijdschaal van decennia en eeuwen niet makkelijk onomkeerbaar. Uitstootbeperkingen leiden wel tot een stabilisatie. Het effect van broeikasgassen als methaan en lachgas duurt veel korter. Als je stopt met die uitstoot, keert het door hen veroorzaakte effect binnen een eeuw om.{end-tooltip}
Koppelingen. Broeikasgassen zijn via koppelingen verbonden aan ‘putten’ waarin ze voor kortere of langere tijd worden opgeslagen, en bronnen waaruit ze langzaam of snel vrijkomen. Kooldioxide wordt in de biosfeer op verschillende manieren vastgelegd. De oceanen vormen de grootste ‘put’ en absorberen op dit moment meer dan een kwart van wat door menselijke activiteit vrijkomt. Het is bekend dat oceanen na afloop van een ijstijd juist fungeren als bron van kooldioxide.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: putten, bronnen en koppelingen{end-link}De oceanen leggen op twee manieren kooldioxide vast: via oplossing (koolzuur) en via biomassa. De oplosbaarheid van het gas in zeewater hangt af van de temperatuur en de zoutconcentraties; vermoedelijk bepalen beide wanneer de oceaan ‘omslaat’ van put naar bron. De tweede belangrijke ‘put’ is het landoppervlak. Kooldioxide wordt vastgelegd via het verweren van bijvoorbeeld gesteenten en het vormen van mineralen en zouten. De hoeveelheid van dit gas dat zo is vastgelegd, is meer dan het totaal dat zich nu in de atmosfeer bevindt, plus wat er is vastgelegd in vegetatie.

Dat laatste is op zich ook een belangrijke manier om kooldioxide te binden. Het gaat dan niet alleen om de groei van planten, maar ook om de vorming van humus en turf. In het verleden zijn zo de huidige voorraden van fossiele brandstof ontstaan: olie, kolen, bruinkool en gas. Overigens betekent ontbossing op grote schaal dat de omvang van deze ‘put’ afneemt, waardoor de restconcentratie kooldioxide in de atmosfeer direct toeneemt. De vegetatieput reageert op heel korte tijdschalen als er verstoringen in het evenwicht optreden; de gesteenteput reageert op heel lange tijdschalen. De atmosfeer blijkt de belangrijkste put voor methaan. In de lucht reageert het gas met hydroxyl (OH) en vormt daarbij water en kooldioxide. Ook in de bodem kan methaan worden vastgelegd door de werking van micro-organismen. Tegelijkertijd is de bodem ook een bron van methaan (weglekkend aardgas, moerasgas, biogas). Ook oceanen kunnen methaan opnemen en laten vrijkomen, zoals via de vorming en afbraak van methaan-hydraat, een ijsachtige stof.{end-tooltip}
Aerosolen. De grootste natuurlijke bron voor aerosolen zijn de oceanen. Via golven en wind komen zoutwaterdruppeltjes in de lucht. Het water verdampt en het zout blijft achter. Andere bronnen zijn het verbranden van biomassa (roet), vulkaanuitbarstingen, stof en fijn zand dat door de wind uit woestijngebieden wordt opgeworpen, en menselijke activiteit (industrie, landbouw).
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: de invloed van aerosolen{end-link}Schone lucht bevat ongeveer 3.000 deeltjes per cm³, boven zee is dat soms maar de helft. De lucht in stedelijke gebieden bevat soms wel 160.000 deeltjes per cm³. Het merendeel van het stof bevindt zich in de troposfeer en de lage stratosfeer; de verblijftijd varieert van weken tot tientallen jaren. De invloed van aerosolen op het klimaat is tweeledig. De deeltjes verstrooien zonlicht maar ook straling die vanaf het aardoppervlak wordt gereflecteerd. Daardoor verandert de balans van inkomende en uitgaande straling. En ze beïnvloeden de vorming van wolken, die op hun beurt ook straling naar de ruimte weerkaatsen en gereflecteerde straling vanaf het aardoppervlak tegenhouden. De effecten blijken erg gevoelig voor de hoogte van wolken en stof boven het oppervlak.

In het algemeen lijkt de invloed van aerosolen er een te zijn van een koelingsmechanisme. Zo zou tijdens ijstijden de stofconcentratie in de atmosfeer hoog zijn (kale vlakten, veel wind) waardoor via het koelingseffect de ijstijd zichzelf lang in stand kan houden. Aan de andere kant hebben aerosolen invloed op de waterkringloop in de atmosfeer en het is onduidelijk of daarbij de concentratie waterdamp toeneemt als zich veel stof in de atmosfeer bevindt. Als dat zo is zorgt de waterdamp juist voor een extra impuls aan het broeikaseffect. Ook hier geldt dat verder onderzoek, met name juist via satellieten, meer inzicht moet verschaffen in dit grotendeels onbekend stukje van de klimaatpuzzel.{end-tooltip}
Geofysica. De kortetermijneffecten op het klimaat beperken zich tot vulkaanuitbarstingen. Voor zover we kunnen nagaan is er geen trend in een toe- of afname van vulkaanerupties die gas en stof in de lucht blazen. Op de lange historie bezien is de vulkanische activiteit laag. Dat wil echter niet zeggen dat vulkanen geen invloed hebben.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: de invloed van vulkanen op het klimaat{end-link}Grote erupties blijken voor korte tijd het klimaat ernstig in de war te kunnen sturen. De grootste eruptie die ooit is beschreven, vindt plaats op 27 augustus 1883. Enkele tientallen kilometers ten westen van Java (Indonesië) ontploft de Krakatau. Enorme hoeveelheden stof schermen wereldwijd de zonnestraling af en de wereldtemperatuur daalt het jaar daarop met 1,2 °C. Het jaar gaat de geschiedenis in als het jaar zonder zomer. Nog in 1991 zorgt de uitbarsting van de Pinatubo (Filippijnen) voor een temperatuurdip van 0,5 °C voor drie jaar lang. De verspreiding van stofpluimen in de atmosfeer en de wisselwerking met sporengassen kunnen uitstekend worden onderzocht met satellieten.{end-tooltip}
Zonnestelsel. Op lange tijdschaal ondergaat de aarde variaties in zijn rotatie en de beweging om de zon. De aardas maakt een hoek van circa 23,5 graden met het baanvlak om de zon. Maar die hoek is niet constant. Met een periode van 41.000 jaar schommelt die hoek tussen 22 en 25 graden. Tegelijkertijd draait de aarde om de zon; de aardas behoudt de richting en wijst naar een punt aan de hemel nabij de Poolster. De aardbaan is niet zuiver cirkelvormig maar elliptisch.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: astronomische invloeden op het aardse klimaat{end-link} Toevallig is het nu zo dat de kortste afstand tot de zon (147 miljoen km) – waarbij de zonnestraling op aarde het meest intens is – samenvalt met het midden van de noordelijke winter. Het punt wordt op 3 januari bereikt. Het verste punt (152 miljoen km) wordt bereikt op 4 juli. Maar net als een tol ‘kwispelt’ de aardas (precessie) en wel met een periode van 25.770 jaar. En om het nog ingewikkelder te maken, op een tijdschaal van 100.000 tot 400.000 jaar fluctueert ook de vorm van de aardbaan, waardoor de verschillen tussen het verste en meest nabije punt tot de zon in de aardbaan, groter en kleiner worden. Al deze schommelingen hebben een invloed op de hoeveelheid zonnestraling die binnenkomt op het noordelijk en zuidelijk halfrond. Soms werken de effecten elkaar tegen en soms versterken ze elkaar. Het geheel lijkt de motor te zijn achter de periodiek in het verleden opgetreden ijstijden, afgewisseld door (langere) warme interglaciale perioden. Of een ijstijd optreedt en hoe sterk die wordt, hangt op de tijdschaal van miljoenen jaren weer af van de ligging van continenten en oceanen.

Echter, al deze factoren lijken niet echt relevant bij de ontwikkeling van het klimaat op een tijdschaal van de komende paar honderd jaar. Wat op korte termijn wel van invloed is, is de intensiteit van de zonnestraling. Uit historische bronnen is de Kleine IJstijd bekend. Rond het jaar 1430 begint de gemiddelde temperatuur op aarde te dalen en in 1586/87 ligt die zo’n 2 graden onder de huidige gemiddelden. In het midden van de 19e eeuw ebt het effect weg. In de Gouden Eeuw zijn de winters veelal streng. Het inspireert schilders tot het vastleggen van allerlei winterlandschappen. Uit onderzoek blijkt dat in de 17e eeuw de activiteit van de zon op een laag pitje staat: er worden vrijwel geen zonnevlekken gezien; een teken van lage zonneactiviteit. Maar het is lastig om de Kleine IJstijd exact te verklaren, omdat harde gegevens ontbreken. Er zijn aanwijzingen dat de zonneactiviteit op dit moment weer terugloopt. De jongste cyclus van zonneactiviteit (periode ongeveer elf jaar) begint veel te laat en de activiteit ontwikkelt zich matig. Het zou dus kunnen dat een schommeling in de zonneactiviteit het effect van het versterkte broeikaseffect tijdelijk (deels) zal maskeren. Overigens is de exacte relatie tussen de zonnevlekkenintensiteit en de werkelijke energieafgifte van de zon nog niet goed bekend. Ook daarbij kunnen satellietmetingen van pas komen, zodat we een goed beeld krijgen van het precieze gedrag van de motor achter het aardse klimaat.{end-tooltip}

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

Veranderingen in de samenstelling van de atmosfeer en de relatie met een verschuivend klimaat zijn erg ingewikkelde en vertakte processen. De uitkomsten van modelberekeningen voor klimaatontwikkelingen worden onnauwkeuriger naarmate men verder in de toekomst kijkt. Ook als ze klimaatveranderingen uit het verleden goed blijken te reproduceren. Vandaar dat er wordt gewerkt met marges, zoals in de uitspraken van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Schattingen leren dat de gemiddelde temperatuur op aarde aan het einde van deze eeuw 2 tot 6 graden hoger ligt dan nu. Die onzekerheid komt deels van slecht bekende stukjes in de klimaatpuzzel en deels door onbekendheid met het effect van eventueel te treffen maatregelen, bijvoorbeeld ter beperking van kooldioxide-uitstoot en de productie van fijn stof. Zolang maatregelen niet zijn geïmplementeerd, kan het effect nog niet worden gekwantificeerd.

Verschillende stukjes van de klimaatpuzzel kunnen met verder onderzoek, op aarde en vanuit de ruimte, beter in beeld worden gebracht. Zowel NASA als ESA (deels in samenwerking met de Europese Unie) hebben uitgebreide aardobservatieprogramma’s opgezet. Deels zijn die operationeel. Een flink aantal missies zal in de komende twee decennia worden gerealiseerd. Daarnaast zijn er enkele nationale programma’s, zoals in Japan en Frankrijk.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: Nederlandse en internationale bijdragen aan klimaatonderzoek vanuit de ruimte{end-link}De ruimtemissies van nu en de nabije toekomst zijn gegroepeerd rond verschillende onderzoeksthema’s. Samenstelling van de atmosfeer, met name het in kaart brengen van bronnen en ‘putten’ van sporengassen. Nederlandse organisaties zijn vaak bij dergelijk onderzoek betrokken, zoals via de experimenten OMI en SCIAMACHY en in de toekomst TROPOMI. Verdeling van aerosolen en de relatie met wolkenvorming. In het kader van ESA’s Living Planet programma wordt gewerkt aan een satelliet, EarthCare, samen met het Japanse ruimtevaartbureau JAXA. De missie moet in 2015 operationeel zijn. Dynamica in de atmosfeer. Zodat een beter inzicht ontstaat hoe de verschillende luchtstromingen in elkaar zitten, niet alleen nabij het aardoppervlak maar ook hoger in de stratosfeer. ESA is van plan in 2013 de ADM-Aeolus missie te lanceren die de bewegingen in de atmosfeer in kaart moet brengen. Samen met EarthCare en de geofysicasatelliet GOCE behoort deze missie tot de ‘Core-missions’ in ESA’s Living Planet programma. Daarnaast zijn er kleinere ‘Opportunity-missions’. Verdeling van de ijsbedekking op aarde, en de manier waarop die reageert onder klimaatverandering. Dat is het werkterrein van Cryosat-2, een ESA Oppurtunity mission die sinds 2010 actief is. Verdeling van vocht in de bodem en van het zoutgehalte in de zee. Hiervoor heeft ESA de Oppurtunity-missie SMOS gelanceerd in 2009. Verdeling van de biomassa, verdeling van het kooldioxide in de atmosfeer, de werking van de watercyclus, het zijn maar een paar onderzoeksgebieden waar mogelijk in de (nabije) toekomst speciale satellietmissies aan worden gewijd in het kader van ESAs Earth Explorer programma. Stralingsactiviteit van de zon. Als de zon actiever wordt, of juist minder actief, heeft dat gevolgen voor het aardse klimaat. Verschillende ruimtemissies onderzoeken continu de activiteit van de zon en proberen antwoord te geven op de vraag op welke manieren de zonneactiviteit kan veranderen. Voorbeelden zijn de missies SOHO (NASA / ESA), Solar Dynamics Observatory (NASA) en PROBA-2 (ESA).{end-tooltip}